基于生命周期分析的焊接方法評價

蘇勇， 王琳， 馬軍

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230061；2.中國能建安徽電力建設第一工程公司，合肥 230088）

0 引言

焊接工藝已經廣泛應用于制造業(yè)中，為了保證焊接品質，必須選擇合適的焊接方法。K.N.Gowtham等［1］提出了一種模糊自適神經網絡與基因遺傳算法組合而成的算法模型對焊接工藝參數進行優(yōu)化；貢輝軍等［2］針對罐式集裝箱焊接工藝設計系統(tǒng)中焊接方法難以選擇的問題，提出了基于模糊決策算法的焊接方法選擇評價方法，利用模糊推理算法選擇出可用的焊接方法后，以品質、成本、生產效率以及工人的勞動條件為準則進行熵權模糊綜合評價，最終確定合適的焊接方法；魏艷紅等［3］為輔助工程師進行焊接方法選擇，在綜合考慮焊接質量、焊接成本和焊接效率的基礎上，構建了焊接方法綜合評價指標體系專家系統(tǒng)，設計了各指標值的采集方法和模糊預測方法，并利用功效分數理論提出了指標的無量綱化途徑，最后建立了兩種焊接方法優(yōu)化選擇綜合評價模型。焊接工藝高耗能、高污染，焊接過程中排放大量污染物。郭永葆［4］介紹了11種不同的焊接工藝，分析了其焊接材料、焊接工藝內容及其所產生的焊接煙塵的污染特征。桑麗群［5］分析了焊接污染產生的特點和危害，針對焊接污染，從物理、化學防治兩方面，提出了焊接污染的控制措施。因此，在評價某種焊接方法的好壞，必須將環(huán)保性能考慮在內。本文將焊縫質量、生產成本、資源消耗、生產率和環(huán)境影響作為評價準則，綜合評價焊接方法。其中的環(huán)境影響準則中的溫室氣體排放指標采用生命周期分析方法，考慮焊絲的原材料獲取、制造到使用整個過程中溫室氣體的排放，粉塵污染物排放指標考慮焊絲使用過程中粉塵污染物排放，從而以實現焊接方法的全面準確評價。

1 評價總體方案

對于一些加工工藝，可以采用多種焊接方法。為了得到合適的焊接方法，來滿足所需工藝需求，同時考慮環(huán)境影響，提出了一種基于熵權算法和生命周期分析方法的焊接方法的評價方法。首先，針對焊接方法制定準則：焊縫質量、生產成本、資源消耗、生產率及環(huán)境影響，然后對各準則的指標進行熵權計算，得出綜合評價結果。焊縫質量準則采用焊縫優(yōu)良率作為指標；生產成本準則采用單位焊縫長度的成本作為指標；生產率準則采用單位時間焊接長度作為指標；資源消耗準則采用能源利用率（主要指焊接過程中電能的利用效率）作為指標；環(huán)境影響準則由單位焊縫長度的溫室氣體排放量和粉塵污染物排放量作為指標。由于焊接工藝溫室氣體排放量大，污染嚴重，相應的溫室氣體排放量采用生命周期分析法如圖1所示。

圖1 評價總體方案圖

2 熵權算法原理

1）確定評價準則及各準則的相應評價指標。焊接方法的相應準則選為焊縫質量、生產成本、資源消耗、生產率及環(huán)境影響，焊縫質量準則采用焊縫優(yōu)良率作為指標；生產成本準則采用單位焊縫長度的成本作為指標；生產率準則采用單位時間焊接長度作為指標；資源消耗準則采用能源利用率作為指標；環(huán)境影響準則由單位焊縫長度的溫室氣體排放量和粉塵污染物排放量作為指標。

2）將所得指標進行無量綱化處理。將各個指標統(tǒng)一到無量綱區(qū)間上，從而便于統(tǒng)一進行綜合評價。不同的指標采用不同的方法進行無量綱化。

對于收益類型指標計算公式為

式中：xij為第i種焊接方法的第j種指標的量值；yij為無量綱化后的指標值。由yij構成評價矩陣，即

3）評價指標權重計算。權值體現了各個評價指標在評價過程中的重要性，分為主觀權重和客觀權重。本文中將主觀權重和客觀權重結合計算出綜合權值。方法如下：

a.指標熵值計算公式為

式中，wi為主觀權重系數，由專家組評定。

4）計算綜合評價值

綜合考慮各指標，利用綜合權重計算出綜合評價值，計算公式為

其中：W=（W1，W2，…，Wn）；Y 為無量綱的評價矩陣。

3 生命周期溫室氣體分析

3.1 生命周期分析原理

生命周期［6］是指產品“從搖籃到墳墓”的整個過程，包括了產品原材料的獲取、產品的制造、產品運輸、產品使用及產品的回收處理。在計算焊接整個生命周期過程的溫室氣體排放時，重點考慮焊絲原材料獲取、制造及使用階段的溫室氣體排放。

3.2 各階段溫室氣體排放計算方法

1）原材料獲取階段溫室氣體排放計算。常用焊接中使用的焊絲的主要成分為鋼，同時還包括0.1%C、1.2%Mn、0.5%Si等，溫室氣體排放計算公式為

式中：D為焊絲及焊劑中原材料的種類；Mi為制造單位長度焊絲所需第i中原材料的質量；EFi為初級原材料溫碳排放系數［7］。

2）制造階段溫室氣體排放計算。機械制造工藝過程中主要溫室氣體排放來自于電能消耗。計算焊絲焊劑制造過程中的溫室氣體排放主要考慮其電能消耗所導致的溫室氣體排放。電能消耗溫室氣體排放根據2050年中國能源和碳排放研究課題組提供的火力發(fā)電排放系數［8］得到，取u=2.41 kgCO2/kWh（每消耗1 kWh電排放2.41 kg二氧化碳當量溫室氣體）。制造過程溫室氣體排放量計算公式為

式中：N為制造焊絲及焊劑的工藝數量；u為上述火力發(fā)電排放系數；Vj為制造單位長度焊絲及焊劑第j種工藝消耗的電能。

3）使用階段溫室氣體排放計算。使用階段的溫室氣體排放主要來自電焊機消耗的電能溫室氣體排放和作為焊接保護器的溫室氣體排放，計算公式為

式中：P為電焊機功率；u為上述火力發(fā)電排放系數；t為時間；Q為保護氣體單位時間釋放量；lt為時間t內焊絲消耗長度。由于不同的焊接方法采用不同的保護氣體，在計算Q時需將不同溫室氣體折算成CO2的當量，以100a時間范圍全球變暖潛能值（GWPs）為標準，可將各種溫室氣體以千克二氧化碳當量（kgCO2e）的形式轉化為同等質量的CO2，各種溫室氣體的全球變暖潛能值（GWPs）見表1。

表1 各種溫室氣體的全球變暖潛能值（GWPs）

綜上分析，考慮主要因素，計算出焊接生命周期內溫室氣體排放量公式為E=MG+PG+EG。根據實際生產，估計出單位焊縫所需焊絲焊劑的長度，就可以計算出單位焊縫溫室氣體的排放量，并作為環(huán)境影響的評價指標。

4 實例分析

選取焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊和氬弧焊作為評價對象。具體評價方式如下：

1）根據搜集的數據［9］，通過上述各公式，計算出評價指標數據，具體見表2。

表2 焊接評價指標數據表

2）將評價指標進行無量綱化處理得倒評價矩陣：

3）取主觀權重w=（0.15 0.20 0.20 0.15 0.15 0.15），依據熵權法原理計算出客觀權重q=（0.160 0.211 0.191 0.142 0.156 0.140），得到綜合權重W=（0.141 0.248 0.225 0.125 0.138 0.124）。

4）計算出綜合評價值：M=WYT=（0.608 0.749 0.849 0.685），從評價結果看，綜合性能由高到底依次是CO2氣體保護焊、埋弧焊、氬弧焊、焊條電弧焊。CO2氣體保護焊評分最高，綜合性能最好。

5結語

本文將熵權算法和生命周期分析法結合，把焊接的環(huán)境影響作為一個重要方面，將焊接的焊縫質量、生產成本、資源消耗、生產率和環(huán)境影響作為評價準則綜合評價焊接性能，為焊接方法的選擇提供參考。在熵權算法中，綜合權重通過客觀權重和主觀權重綜合計算得到，避免了評價的主觀性與不確定性；在環(huán)境影響準則中，通過生命周期分析法，全面分析了焊接過程中溫室氣體的排放，數據更加全面。將環(huán)境影響作為評價準則之一，也符合當下環(huán)保的理念，評價更全面。

［1］ Gowtham K N，Vasudevan M，Maduraimuthu V，et al.Intelligent modeling combining adaptive neuro fuzzy in ference system and genetic algorithm for optimizing welding process parametets［J］.Process Metallurgy and Materials Processing Science，2011，42（2）：385-392．

［2］ 貢輝軍，張衛(wèi)，陸寶春.基于模糊決策的CAWPP系統(tǒng)焊接方法選擇與評價［J］.信息技術，2012，41（4）：99-101.

［3］ 魏艷紅，唐彬，梁寧，等.基于模糊綜合評價模型的焊接方法選擇評價系統(tǒng)［J］.焊接學報，2011，32（4）：71-75.

［4］ 郭永葆.不同焊接工藝的焊接煙塵污染特征［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2010，20（4）：146-148.

［5］ 桑麗群.焊接污染及其防治措施的研究進展［J］.能源環(huán)境保護，2008，22（1）：18-20.

［6］ 江吉彬，林巨廣，劉志峰，等.面向生命周期的綠色產品集成模型的研究［J］.設計理論與方法，2002，5（5）：4-6.

［7］ IPCC.2006IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories［R/OL］.［2010-03-15］.http：//www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index.html.

［8］ 2050中國能源和碳排放研究課題組.2050中國能源和碳排放報告［R］.北京：科學出版社，2009.

［9］ 馬達.基于組合評價方法的綠色焊接工藝規(guī)劃評價及系統(tǒng)［D］.武漢：武漢科技大學，2010.