基于大功率串聯(lián)焊接提高刮板輸送機中部槽焊接性能

田志平

（沈陽煤業(yè)（集團）機械制造有限公司， 遼寧 沈陽 110123）

1 氣體保護焊（GMAW）功能介紹

可持續(xù)發(fā)展和減緩氣候變化都需要資源高效生產(chǎn)。一般來說，焊接是制造中最重要的連接技術(shù)，而氣體保護焊（GMAW）是最常用的連接工藝。特別是在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，弧焊在制造的總成本和能源消耗中占有主要份額。此外，先前的研究表明，除了填充材料外，電在GMAW 的環(huán)境負荷中占主導(dǎo)地位。迄今為止，GMAW 的能源效率一直被業(yè)界所忽視。這主要是由于對經(jīng)濟過程性能的關(guān)注，這在過去幾十年里得到了大力推進。通常，低成本的GMAW 是在噴弧操作模式下執(zhí)行的。因此，本研究將噴射電弧轉(zhuǎn)移作為GMAW 的參考過程（標準GMAW）。生產(chǎn)率可以進一步提高由串聯(lián)GMAW（TGMAW）過程實現(xiàn)。TGMAW 主要采用脈沖噴涂過渡方式，其沉積速率和焊接速度顯著提高，這是經(jīng)濟性能的主要指標。然而，工藝參數(shù)的選擇必須謹慎，以防止工藝的不穩(wěn)定性。

對于GMAW，特別是大功率GMAW 的能量消耗，目前還沒有深入的研究。此外，文獻中并沒有明確定義一種可應(yīng)用于工藝參數(shù)的能效指標。

本文旨在對GMAW 的能效進行評價。通過測量能量消耗和計算相應(yīng)的關(guān)鍵性能指標電沉積效率來實現(xiàn)。兩種工藝正在研究中，一種是標準的GMAW工藝，一種是TGMAW 工藝。最后，連接一個30 mm厚的BTW 耐磨板，以確定一個真正的接頭的能耗。一方面，這將支持以能源為導(dǎo)向的工藝發(fā)展指標的工業(yè)。另一方面，闡述了如何同時提高工藝性能和能源效率，從而降低制造成本和減少焊接對環(huán)境的影響。

2 應(yīng)用方法

2.1 過程數(shù)據(jù)采集

能量消耗通過兩個位置的功率測量來評估。如圖1 所示，測量焊接電源前后的電流和電壓。

圖1 功率測量系統(tǒng)原理圖

電源測量計算的是總功率PS包括二次消耗，例如來自送絲機的消耗。PS用于計算設(shè)備的壁插效率，確定總體能耗。采用商用測量系統(tǒng)對電源與焊接電源之間的三相電流和電壓分別進行測量和記錄。PS根據(jù)式（1），由三個相的有效功率之和計算。PS1、PS2、PS3，均由測量系統(tǒng)直接提供。

過程功率PW量化在制造熔池和熔化金屬絲的過程中所需的能量。PW能夠調(diào)查工藝參數(shù)并提供有關(guān)工藝穩(wěn)定性的信息。此外，可以排除設(shè)備（如冷水機、內(nèi)部電路電源等）的干擾。用商用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并記錄電流I 和電壓U。PW根據(jù)式（2）計算，作為瞬時功率的算術(shù)平均值。設(shè)備的壁塞效率η 按式（2）計算。

2.2 電沉積效

與之相比，電沉積效率（EDE）是GMAW 工藝能效的關(guān)鍵性能指標，他們只關(guān)注填充材料的熱量輸入。它評估每單位電力消耗的熔融填充材料的質(zhì)量。用工藝參數(shù)送絲速率wfr、工藝功率Pw表示如式（3）所示，焊絲截面面積為AW，以及填充材料的密度ρ。

EDE 指標主要受絕對工藝功率和有效效率的影響，綜合了保護氣體、物料輸送方式或接觸管與工件之間的距離等多種影響。焊接電源的特性和工藝參數(shù)的設(shè)定決定了工藝功率的大小。本研究評價了用于標準GMAW 和GMAW 工藝的EDE。TGMAW 工藝采用了不同的物料傳遞方式，并對工藝參數(shù)進行了調(diào)整，以提高能源效率。

2.3 傳導(dǎo)實驗

采用焊接機器人在平面位置進行自動焊接。焊接樣品采用30 mm 厚的BTW 耐磨板。試樣用v 型槽、陶瓷墊板和釘焊接而成。填充材料為直徑1.2 mm 的標準焊絲。數(shù)據(jù)是通過執(zhí)行多道焊來測量的。假設(shè)焊絲的鋼密度為7.85 g/cm3。

在第一組實驗中，對EDE 進行了標準GMAW（Standard GMAW 1 和2）和TGMAW（TGMAW 1 和2）過程的兩個功率級別的評估。每個參數(shù)集執(zhí)行2～7 次，以保證結(jié)果的質(zhì)量。對20～30 s 的穩(wěn)定工藝條件下的電流和電壓數(shù)據(jù)集進行了分析。工藝功率PW以及總功率PS根據(jù)式（1）和式（2）計算。

表1 為標準GMAW 工藝的實驗條件。根據(jù)選擇的送絲速度，利用焊接電源的協(xié)同特性來確定焊接參數(shù)。標準GMAW 的操作方式為噴涂電弧轉(zhuǎn)移。

表1 標準GMAW 工藝的實驗條件

在第二組實驗中，為標準GMAW 和TGMAW 焊接了一個完整的對接接頭，以確定總體電力消耗。焊縫長度為600 mm，為了獲得更好的可比性，將結(jié)果縮放到1 m。對于標準的GMAW，采用了弦珠技術(shù)；對于TGMAW，采用了編織珠技術(shù)。采用單絲GMAW焊接方法進行了GMAW 變體的根部焊道焊接。TGMAW 焊接的最后道次使用了較低的工藝功率來防止頂層的焊接缺陷。標準GMAW 和TGMAW 對接接頭的實驗條件見表3?？傆秒娏渴峭ㄟ^記錄的電流和電壓數(shù)據(jù)來確定的。兩種變體的耗電量都被調(diào)整到沉積填充材料的質(zhì)量相等。這樣做是為了排除火焰切割槽或焊縫加固引起的幾何偏差的影響。

表2 標準TGMAW 工藝的實驗條件

表3 對接焊接實驗條件

3 應(yīng)用效果

3.1 電沉積效率

圖2 顯示了EDE 測量結(jié)果。與標準GMAW 工藝相比，大功率GMAW 工藝獲得了明顯更高的數(shù)值。

圖2 EDE 測量結(jié)果

標準GMAW 工藝的EDE 平均值在541～571 g/kWh 之間。TGMAW 過程的平均值在701～783 g/kWh 之間。所測得的EDE 的標準偏差一般對所有變體都很低，但對TGMAW 工藝來說較高。這兩種工藝都傾向于在更高的送絲速度下獲得更高的EDE 值。

3.2 焊接用電情況

一個30 mm 厚的BTW 耐磨板連接，以演示潛在的電力節(jié)約為真正的焊接。下頁圖3 顯示了標準GMAW 和GMAW 對接接頭的截面。性能數(shù)據(jù)列在下頁表4 中。

表4 1 m 焊縫對接焊縫結(jié)果

圖3 標準GMAW 和GMAW 對接接頭截面圖

電耗、焊接時間和填充材料的耗量按焊縫長度1 m 的比例計算。整體能耗的應(yīng)用壁插效率為85%。兩道工序?qū)崪y的EDE 平均值與3.1 節(jié)的結(jié)果一致。由于更高的焊縫強化（見圖3-1）以及坡口準備或點焊可能導(dǎo)致的幾何偏差，標準GMAW 工藝消耗了更多的填充材料。因此，電力消耗調(diào)整為填充材料的用量最小。這是通過使用各自的EDE 值和TGMAW 工藝的填充材料消耗量（4 200 g）來實現(xiàn)的。由于存在缺陷的風險，第3.1 節(jié)中介紹的高功率工藝的全部潛力無法在根道和最終道中實現(xiàn)。如表4 所示，通過應(yīng)用TGMAW 工藝，能效和工藝性能都得到了提高。電耗和焊接時間分別減少23%和55%。

4 結(jié)語

節(jié)能制造技術(shù)是減緩氣候變化和可持續(xù)制造的重要手段。GMAW 是最常用的連接技術(shù)之一，其特點是能耗和效率高，這將促使工業(yè)界設(shè)計出更節(jié)能的焊接程序，并允許詳細規(guī)劃零件制造的能源消耗。

對標準GMAW 的EDE 和GMAW 工藝進行了兩個功率級的評價。一般來說，TGMAW 工藝比標準GMAW 能達到更高的EDE 值，而這兩種工藝在更高的功率級別上都表現(xiàn)出更高的能量效率。此外，TGMAW 工藝可以達到更高的沉積速率，從而提高工藝性能。設(shè)備的壁插效率與物料輸送方式和工藝功率無關(guān)。此外，還對30 mm 厚BTW 耐磨板的對接接頭進行了TGMAW 過程的實驗研究，減少了23%的能耗和焊接時間。