激光焊接系統(tǒng)環(huán)境影響生命周期評價研究

張瓊之，曹華軍，葛威威

重慶大學機械與運載工程學院 重慶 400044

1 序言

目前，全球氣候變暖與環(huán)境退化日益嚴重。2021年，全球溫室氣體（Green House Gas,GHG）排放量已達480億tCO2當量，其中能源燃燒和工業(yè)過程產(chǎn)生的碳排放量占能源部門GHG的近89%[1]。因此，減少環(huán)境排放和提高資源效率已成為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)[2]。焊接工藝作為一項常用的連接加工技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通及船舶等行業(yè)。

隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，激光焊接作為一種先進的焊接工藝，因其焊接效率高、性能強、自動化程度高而得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[3]。該工藝特別適用于高反射、輕質(zhì)材料（如鋁合金和鎂合金）的焊接。盡管目前針對激光焊接的工藝機理和難點已得到廣泛研究并有效解決[4-7]，但仍存在低能量轉(zhuǎn)換效率、高能耗和嚴重的碳排放等問題[8-10]，限制了激光焊接技術(shù)進一步的提升和應(yīng)用。因此，激光焊接在節(jié)能減排方面具有巨大潛力。

目前，針對焊接工藝的環(huán)境影響已開展大量研究。ALEXOPOULOS等[11]比較了激光焊接和鉚接工藝用于加工飛機組件時的能耗、工藝時間、成本和碳排放，結(jié)果表明，激光焊接是一種更環(huán)保的工藝。段誠茂等[12]為降低激光焊接工藝的環(huán)境影響，提出一種基于目標級聯(lián)法的鋁合金激光焊接系統(tǒng)碳排放優(yōu)化方法。YILBAS B S等[13]通過塊參數(shù)分析研究了激光焊接的能耗和焊縫幾何形貌，并對不同合金的激光焊接進行了生命周期分析。SPROESSER G等[14]對焊條電弧焊、激光電弧焊、電弧噴涂和改進電弧噴涂的MAG焊接進行了生命周期評估，結(jié)果表明，由于激光電弧焊能耗與焊接時間的比值較小，因此對環(huán)境的影響較小。

上述研究為焊接工藝的環(huán)境評價提供了一定的基礎(chǔ)。然而，這些研究在分析焊接環(huán)境影響和社會屬性時側(cè)重于焊接工藝本身，而較少關(guān)注焊接全生命周期的環(huán)境影響，故難以揭示激光焊接的節(jié)能優(yōu)化和減碳潛力。本研究將通過LCA工具分析激光焊接系統(tǒng)的環(huán)境影響；同時，將激光焊與MIG焊、TIG焊和焊條電弧焊3種典型焊接工藝進行比較。該研究有助于推動激光焊接從“注重加工質(zhì)量”轉(zhuǎn)向“質(zhì)量、低碳和經(jīng)濟并重”的發(fā)展方向。

2 激光焊接系統(tǒng)生命周期評價方法

2.1 研究目標及邊界

由于鋼和鋁合金在各種材料的使用中占主導地位，本研究聚焦這兩種材料焊接場景下的生命周期環(huán)境影響分析，并闡明激光焊接系統(tǒng)在每個階段的環(huán)境影響。此外，為了比較激光焊與TIG焊、MIG焊和焊條電弧焊等典型焊接工藝之間的差異，在清單分析和結(jié)果評估中引用了這3種典型焊接工藝數(shù)據(jù)[15]。在本研究中，焊接工藝LCA的功能單元定義為加工25mm厚鋼或鋁合金的1mm焊縫。6061鋁合金和316L不銹鋼的焊接方案見表1。

表1 6061鋁合金和316L不銹鋼的焊接方案

根據(jù)LCA評價方法，激光焊接系統(tǒng)的生命周期評價邊界如圖1所示。由于材料獲取階段和焊接階段具有復雜多變的環(huán)境影響，本研究聚焦考慮激光焊接系統(tǒng)這兩個階段，其輸入和輸出特性如圖2所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)生命周期評價邊界

圖2 激光焊接系統(tǒng)輸入與輸出特性

2.2 試驗

圖3所示為典型的激光焊接系統(tǒng)，其主要設(shè)備包括：激光設(shè)備、焊接機器人、冷水機和氣體供應(yīng)設(shè)備（空壓機和氬氣瓶）。各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表2。為有效、準確地獲得激光焊接的環(huán)境性能，建立了激光焊接系統(tǒng)的材料和電力消耗監(jiān)測系統(tǒng)，其中分別采用DPM-C520智能電表和MF5200流量計獲取系統(tǒng)的電能消耗量和氣體消耗量。

圖3 鋁合金激光焊接系統(tǒng)設(shè)備

表2 激光焊接系統(tǒng)各設(shè)備技術(shù)參數(shù)

基于大量的預試驗和本團隊前期相關(guān)研究[16，17]，獲得了激光焊接工藝參數(shù)窗口：激光功率為1.5～1.8 kW、焊接速度為5～7m/min、離焦量在-6～6mm之間。本研究收集了上述加工參數(shù)窗口內(nèi)的清單數(shù)據(jù)。

3 激光焊接系統(tǒng)清單分析

根據(jù)系統(tǒng)邊界和功能單元收集金屬焊接工藝的清單數(shù)據(jù)，對于每種焊接工藝過程均按照輸入（能源和資源消耗等）和輸出（氣體排放等）進行描述。

根據(jù)圖1和圖2中定義的激光系統(tǒng)邊界，提取了不同焊接工藝下鋁和鋼的焊接清單數(shù)據(jù)，具體的輸入和輸出數(shù)據(jù)見表3。

表3 激光焊接工藝的清單數(shù)據(jù)

4 結(jié)果與討論

4.1 激光焊接系統(tǒng)評價結(jié)果

圖4所示為激光焊接系統(tǒng)生命周期評價結(jié)果，其比較了激光焊接系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的不同輸入和輸出的環(huán)境負擔。

在全球變暖潛能值（GWP）指標中，水冷機能耗產(chǎn)生的排放達67.97%，水冷機在材料獲取階段產(chǎn)生的排放則只占0.39%。然而，承擔激光焊接工藝的激光設(shè)備僅占系統(tǒng)的11.16%。由此不難發(fā)現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)是激光焊接系統(tǒng)碳排放的主要原因。對于運動系統(tǒng)而言，由于其負載較小，因此所占其份額較小，為5.78%。氣體裝置所占份額為0.89%。

激光焊接系統(tǒng)環(huán)境影響的主要來源是電能消耗，圖4顯示了幾乎所有類別中水冷能量的影響最大。僅考慮在使用階段時，電能消耗產(chǎn)生的碳排放占整個系統(tǒng)碳排放的97.32%。對于冷卻系統(tǒng)而言，與其他設(shè)備相比，它具有較高的運行和待機功率。此外，工件夾緊時間的長短與電力消耗直接相關(guān)。工件夾緊時，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，待機時間與焊接時間相比相對較長。因此，減少系統(tǒng)的待機時間以及工件夾緊時間，可有效地降低激光焊接系統(tǒng)的環(huán)境影響。

圖4 激光焊接系統(tǒng)生命周期評價結(jié)果

4.2 不同焊接方案評價與比較

在焊接不同的材料時，僅考慮焊接工藝過程中（不考慮整個系統(tǒng)所帶來的環(huán)境影響）7種情況下的總GHG排放量，如圖5所示。結(jié)果表明，填充材料在焊接過程中占環(huán)境負擔的主要份額，電能緊隨其后。

圖5 考慮不同材料對同一焊接方式的GWP結(jié)果

在同一焊接方式下，當焊接不銹鋼和鋁合金時顯示出差異。由于鋁合金具有更好的導熱性（約為鋼的3倍）和較大的線性膨脹系數(shù)（約為鋼材的3倍），這導致在焊接鋁合金時焊接速度更快，從而降低電能消耗[18]；鋁合金具有良好的成形性、比強度和耐蝕性，且密度僅為鋼的1/3[19]，因此在相同的情況下，鋁合金具有更高的材料利用率。

盡管TIG焊在焊接鋁和鎂等活性金屬時具有相當大的優(yōu)勢，但鎢電極易蒸發(fā)，以及高電流的工作環(huán)境，使焊縫經(jīng)常散布有從鎢電極蒸發(fā)的顆粒，這極大地影響了焊縫的質(zhì)量。同時，為了獲得更優(yōu)異的焊接性能，焊接速度極大地影響其加工效率。因此，電能對TIG焊接過程中的環(huán)境性能貢獻更大。

鋁合金和鋼的熔點差異很大。鋁合金的熔點為500～660℃，而304不銹鋼的熔點為1398～1454℃[20]。顯然，在不考慮焊縫質(zhì)量的情況下，MIG焊接過程的時間相對較短，這必然導致在焊接鋁時，電能在GWP這一指標中的貢獻相對較小。

除此之外，僅考慮焊接這工藝過程（不考慮整個系統(tǒng)所帶來的環(huán)境影響），對于不同的焊接工藝，圖6顯示了7種情況下的總GHG排放量。結(jié)果表明，通常手動工藝比所選的自動工藝對環(huán)境的影響更大。

圖6 考慮不同焊接方式對同一材料的GWP結(jié)果

激光焊由于其高能量密度（高達106W/cm2）[21]，因此在焊接具有高熔點和高熱導率的金屬時具有極大的優(yōu)越性。激光焊接可以實現(xiàn)比其他焊接更高的焊接速度。較高的焊接速度意味著較短的焊接時間，這直接導致在焊接過程中對環(huán)境影響較小。然而，由上述分析可知，由于激光焊接工藝的集中能量和需要為其配備冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)電能消耗導致激光焊接工藝的環(huán)境表現(xiàn)并不優(yōu)越。

根據(jù)焊接鋼的結(jié)果分析，TIG焊的低熱功率使其焊接速度相對較慢，導致其能耗和熱損失巨大，其電能貢獻占比較大。盡管MIG焊具有更快的焊接速度（300～500 mm/min）和更高的熔敷速率的優(yōu)點，但由于需要添加焊絲手工焊接，熱量輸入不穩(wěn)定，這導致對其電能影響的貢獻增加。

從一般角度來看，當焊接鋁合金時，無論焊縫質(zhì)量如何，MIG焊工藝在環(huán)境性能方面都優(yōu)于其他金屬電弧焊工藝。薄板焊接主要采用TIG焊，而MIG焊主要用于板材厚度超過3mm的產(chǎn)品[22]。當焊接相同厚度的基材時，很明顯MIG焊的焊接效率會更高，但同時其熱影響會破壞焊接質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本研究利用LCA工具對激光焊接系統(tǒng)進行環(huán)境影響分析，搭建了6061鋁合金和316L不銹鋼激光焊接試驗平臺，并將激光焊與MIG焊、TIG焊和焊條電弧焊等典型焊接工藝的GWP指標進行了比較。主要研究結(jié)論如下。

1）對于激光焊接工藝，冷卻系統(tǒng)比激光設(shè)備具有更高的環(huán)境影響。冷卻系統(tǒng)的能耗占環(huán)境影響的主導地位，對GWP的貢獻超過65%。

2）根據(jù)評價結(jié)果，每種焊接工藝GWP這一環(huán)境性能不同。其中，MIG焊在焊接鋁合金時碳排放最少；激光焊具有更好的焊接質(zhì)量，但GWP指標高于MIG焊和TIG焊；因成品率低導致物料和能源消耗過高，焊條電弧焊具有最高的環(huán)境影響。

3）針對所研究的不同焊接工藝，首先電能消耗在GWP的環(huán)境影響中占主導地位，其次是材料消耗。

本研究聚焦焊接過程中材料獲取階段和焊接加工階段的環(huán)境影響分析。未來，可考慮焊接工藝的前處理和后處理，以綜合揭示焊接工藝對焊接性能的環(huán)境影響。