前言

近年來我國相繼發(fā)布了《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)》《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》等文件，并提出了2030年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和的重大戰(zhàn)略決策，對金屬結(jié)構(gòu)件低能耗、少排放、能循環(huán)的現(xiàn)代化工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)體系提出了明確要求［1］。其中，焊接加工過程能耗管理是解決焊接制造企業(yè)及其供應(yīng)鏈上下游組織的資源、環(huán)境、健康安全問題的有效手段之一［2］。

目前，市場上出現(xiàn)了一些可以仿真工件在生命周期內(nèi)能量損耗的軟件，如 Simapro 7.0、Gabi4.0、Energy Lens 等。雖然仿真信息也包含了加工過程對環(huán)境的影響，但是能耗組成信息不夠具體。也有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如Herrmann等人［3］基于產(chǎn)品加工鏈提出了能耗監(jiān)控模型；Oliver 等人［4］開發(fā)了一套可以評估機(jī)床在加工過程中需求能量的系統(tǒng) Analysis Ⅵ，該系統(tǒng)要求對機(jī)床加工測試過程中同時(shí)獲取的相關(guān)能耗流文件信息和切削力信息進(jìn)行解析；Khan等人［5］通過實(shí)驗(yàn)方法建立了基于能量密度的不銹鋼材料焊縫預(yù)測模型，研究了激光電弧焊工藝加工質(zhì)量與能耗的多目標(biāo)優(yōu)化問題；Liu等人［6］通過優(yōu)化激光電弧焊的激光運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)，對焊接過程的成本和能耗的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。

鈦合金板翅式換熱器作為海洋、航空航天高端裝備動(dòng)力與環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)與制造水平制約著國家重大裝備動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。雖然我國作為繼英、美、日之后第四個(gè)自主研發(fā)板翅式散熱器的國家，在板翅式散熱器的設(shè)計(jì)理論、制造工藝、應(yīng)用研究等方面發(fā)展迅速，但在高端鈦合金板翅式散熱器制造技術(shù)方面仍存在被卡脖子的現(xiàn)象，尤其是在大尺寸、耐高壓、大載荷、強(qiáng)振動(dòng)、高溫腐蝕等極端服役的高效鈦合金板翅式換熱器殼體的制造方面短板突出，嚴(yán)重制約了其在航空航天、海洋裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用需求［7］。

與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光填絲焊接技術(shù)具有熱輸入小、熱影響區(qū)狹窄、焊接效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用填充焊絲對燒損合金和有益合金元素的補(bǔ)充，可以進(jìn)一步對焊縫組織性能優(yōu)化［8-11］，從而在鈦合金焊接領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，特別是針對鈦合金板翅式換熱器殼體對焊接變形和應(yīng)力應(yīng)變有較高要求的焊接結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接。

焊接加工過程能耗管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的主體多，范圍廣，目前我國焊接加工過程的能耗檢測技術(shù)研究尚處于起步階段，測試方法的缺口非常大。為了可以更好地引導(dǎo)和規(guī)范焊接制造企業(yè)系統(tǒng)地構(gòu)建焊接加工能耗檢測管理體系，帶動(dòng)相關(guān)企業(yè)協(xié)同綠色節(jié)能發(fā)展，規(guī)范企業(yè)進(jìn)行焊接加工能耗管理和能耗信息披露工作，為相關(guān)政府組織和檢測機(jī)構(gòu)提供焊接加工能耗認(rèn)證/評價(jià)依據(jù)，建立公開、透明、綠色、可持續(xù)發(fā)展的焊接加工能耗管理機(jī)制，助推我國焊接制造業(yè)綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前有必要進(jìn)行焊接加工能耗鏈管理及檢測方法的研究［12］。本文針對現(xiàn)有研究的不足，建立了一套焊接加工過程能耗檢測體系，并應(yīng)用于鈦合金板翅式換熱器殼體的多能量源工件焊接加工全過程進(jìn)行能耗檢測分析，為促進(jìn)焊接構(gòu)件生產(chǎn)加工生產(chǎn)企業(yè)積極采用新材料、新工藝、新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品升級換代、提高效率，對于制造業(yè)節(jié)能、降耗及社會可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

1、 試驗(yàn)方法

鈦合金板翅式換熱器殼體激光填絲焊接過程能耗測試系統(tǒng)如圖 1 所示，測試的能耗數(shù)據(jù)包括空載能耗、焊接能耗和氣體能耗，能耗管理監(jiān)控平臺如圖2所示。鈦合金板翅式換熱器殼體激光填絲焊接過程的能耗評價(jià)指標(biāo)為單位合格焊件焊縫質(zhì)量的可比能耗，是指統(tǒng)計(jì)期內(nèi)激光填絲焊接過程總能耗與合格焊件焊縫折合質(zhì)量的比值，合格焊件焊縫折合質(zhì)量是綜合考慮焊件復(fù)雜程度、焊件用焊材及焊接層間溫度等因素后經(jīng)折算的合格焊件焊縫質(zhì)量，其計(jì)算過程涉及的相關(guān)系數(shù)見表1~表4。

根據(jù)焊接位置評定技術(shù)等級，即根據(jù)表 1 確定焊件復(fù)雜系數(shù)R₁；根據(jù)焊接材料熔敷效率評定技術(shù)等級，即根據(jù)表2確定焊件用焊材系數(shù)R₂；根據(jù)激光填絲焊接過程層間溫度控制范圍評定技術(shù)等級，即根據(jù)表 3 確定層間溫度系數(shù) R₃；根據(jù)激光填絲焊接工件材料評定技術(shù)等級，即根據(jù)表 4 確定工件材料系數(shù)R₄。

試驗(yàn)過程中通過安裝在用能設(shè)備上的電能統(tǒng)計(jì)表檢測電能；保護(hù)氣體和壓縮空氣的體積用氣體體積流量計(jì)檢測，當(dāng)保護(hù)氣體為混合氣體時(shí)，應(yīng)分別測量基體氣體和各組分氣體體積；合格焊件焊縫質(zhì)量用衡器檢測；最后各種檢測設(shè)備得到的測試數(shù)據(jù)通過焊接管理平臺進(jìn)行監(jiān)控，如圖2所示。

2、 計(jì)算方法

2.1 空載能耗

空載能耗為各空載時(shí)段能耗之和，各空載時(shí)段能耗的獲取方法為空載結(jié)束時(shí)刻的能耗減去空載開始時(shí)刻的能耗，按式（1）、式（2）計(jì)算。

式中 E ⁱ _u 為空載時(shí)段 i 消耗的能量［單位：kgce（千克標(biāo)準(zhǔn)煤）］；E ⁱ_{u - end} 為空載時(shí)段 i 結(jié)束時(shí)刻的輸入能量（單位：kgce）；E ⁱ_{u - start}為空載時(shí)段i開始時(shí)刻的輸入能量（單位：kgce）；E_u 為空載時(shí)段總能耗（單位：kgce）；Q_u為空載時(shí)段的數(shù)量。

2.2 焊接能耗

激光填絲焊接過程能耗為各焊接時(shí)段能耗之和，各焊接時(shí)段能耗的獲取為焊接結(jié)束時(shí)刻的能耗減去焊接開始時(shí)刻的能耗，按式（3）、式（4）計(jì)算。

式中 E ⁱ_weld 為焊接時(shí)段 i 消耗的能量（單位：kgce）；E ⁱ_{weld - end} 為焊接時(shí)段 i 結(jié)束時(shí)刻的輸入能量（單位：kgce）；E ⁱ_{weld - start} 為焊接時(shí)段 i 開始時(shí)刻的輸入能量（單位：kgce）；E_weld 為焊接加工能耗（單位：kgce）；Q_weld為焊接時(shí)段的數(shù)量。

2.3 氣體能耗

激光填絲焊接過程使用保護(hù)氣體及壓縮氣體應(yīng)使用符合 GB/T 32201—2015 要求的氣體流量計(jì)進(jìn)行氣體累積量測量，其能耗按式（5）計(jì)算。

式中 E_gas為氣體總能耗（單位：kgce）；p_i為組分為i氣體的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)（單位：kgce/m³）；V ⁱ_gas為組分為i氣體累積量（單位：m³）；Ngas為焊接氣體組分?jǐn)?shù)。

2.4 激光填絲焊接過程總能耗

激光填絲焊接過程總能耗為空載能耗、焊接能耗及氣體能耗之和，按式（6）計(jì)算。

式中 E_H為焊接過程總能耗（單位：kgce）。

2.5 激光填絲焊合格焊件折合質(zhì)量

激光填絲焊合格焊件焊縫折合質(zhì)量按式（7）計(jì)算：

式中 G_H為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)合格焊件焊縫折合質(zhì)量（單位：t）；G_Hj為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)第 j 類合格焊件焊縫質(zhì)量（單位：t）；n為合格焊件焊縫種類數(shù)；R_1j為第j類合格焊件焊縫對應(yīng)的焊件復(fù)雜系數(shù) R₁值；R_2j為第 j 類合格焊件焊縫對應(yīng)的焊件用焊材系數(shù) R₂值；R_3j為第 j 類合格焊件焊縫對應(yīng)的層間溫度控制系數(shù)R₃值；R_4j為第j類合格焊件焊縫對應(yīng)的工件材料系數(shù)R₄值。

2.6 單位合格焊件焊縫質(zhì)量可比能耗

激光填絲焊單位合格焊件焊縫質(zhì)量可比能耗eH按式（8）計(jì)算：

式中 e_H的單位為kgce/t。

3 、測試過程

鈦合金板翅式換熱器殼體由長度和厚度尺寸規(guī)格為3 500 mm×5 mm的TC4鈦合金板構(gòu)成，填充金屬為直徑1.2 mm的Ti6Al4V實(shí)心焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分如表5所示。

將待焊試板加工成 Y 形坡口，鈍邊為 1 mm，坡口根部間隙為 3.2 mm，單邊坡口角度為 2°，采用橫焊的方式進(jìn)行焊接。焊前將待焊試板進(jìn)行打磨和酸洗，酸洗溶液由體積分?jǐn)?shù)為 5% HF+30% HNO₃+H₂O 配比組成，去除表面油污和氧化物后用酒精和水洗清除酸液后烘干備用。采用激光填絲焊接方法，焊接熱源為德國 IPG 公司生產(chǎn)的 YLS-6000 光纖激光器，焊接工藝參數(shù)見表6，填充2道完成焊接，層間溫度控制在 150 ℃以內(nèi)，焊接過程中采用氬氣作為保護(hù)氣體，正面和背面的保護(hù)氣體流量分別為30 L/min、10 L/min。

根據(jù)上述焊接試驗(yàn)過程的描述，可以根據(jù)橫焊焊接位置確定焊件復(fù)雜系數(shù) R₁=1.05；根據(jù) Ti6Al4V實(shí)心焊絲確定焊件用焊材系數(shù)R₂=1.05；根據(jù)激光填絲焊接過程層間溫度控制范圍為 150 ℃以內(nèi)，并且焊縫長度為 3 500 mm，確定層間溫度系數(shù) R₃=0.92；根據(jù)激光填絲焊接工件材料為鈦合金，確定工件材料系數(shù)R₄=1.5。

檢測過程中環(huán)境條件為常溫常壓；檢測儀器為集功率表、電能測試儀和秒表功能于一體的分析計(jì)量設(shè)備，并記錄激光發(fā)生器空載功率，如表7所示。

記錄激光填絲焊接全過程的設(shè)備輸出功率值，并對所記錄的設(shè)備輸出功率值進(jìn)行算數(shù)平均，將其算數(shù)平均值記為焊接功率，如表8所示。

記錄激光填絲焊接全過程的設(shè)備輸入能耗值，空載狀態(tài)及焊接狀態(tài)的能耗數(shù)據(jù)如表9所示。

3、 計(jì)算過程

3.1 空載時(shí)段總能耗

根據(jù)表9中3個(gè)空載狀態(tài)的開始時(shí)刻能耗值和結(jié)束時(shí)刻能耗值，按式（2）計(jì)算每個(gè)空載時(shí)段能耗，再按照式（1）計(jì)算空載時(shí)段總能耗，即表9中序號2+序號4+序號6=0.006 51 kgce。

3.2 焊接時(shí)段總能耗

根據(jù)表9中2個(gè)焊接過程的開始時(shí)刻能耗值和結(jié)束時(shí)刻能耗值，按式（4）計(jì)算每個(gè)焊接時(shí)段能耗，再按式（3）計(jì)算焊接時(shí)段總能耗。即表 9中序號 3+序號5=0.029 5 kgce。

焊接過程總能耗為空載時(shí)段總能耗與焊接時(shí)段總能耗之和，計(jì)算結(jié)果如表10所示。

3.3 氣體能耗

鈦合金板翅式換熱器激光填絲焊的焊縫長度為 3 500 mm，焊接速度為 650 mm/min，2 道焊縫共計(jì)需要 10.76 min，正面和背面保護(hù)氣體 Ar 流量為40 L/min，消耗 Ar 共計(jì) 430.4 L，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)換算GB/T 2589—2020 附錄表 B.1 規(guī)定，即1m³的Ar氣體=0.2143kgce，430.4L的 Ar 即0.4304 m³ Ar 氣體=0.430 4×0.214 3=0.092 234 72 kgce。

鈦合金板翅式換熱器激光填絲焊全過程共消耗壓縮空氣 1 020 L，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)換算根據(jù) GB/T2589—2020 附錄表 B.1 規(guī)定，即1m³的壓縮空氣=0.04 kgce。1 020 L 壓縮空氣即1.02m³壓縮空氣=1.02×0.04=0.040 8 kgce。氣體總能耗：0.092 234 72+0.040 8=0.133 034 72 kgce。

3.4 焊接加工總能耗

鈦合金板翅式換熱器殼體在激光填絲焊接過程總能耗為焊接過程總能耗與消耗氣體總能耗之和，即0.036 01+0.133 034 72=0.169 044 72 kgce。

3.5 合格焊件折合質(zhì)量

合格焊件焊縫折合質(zhì)量按式（7）計(jì)算：

式中 G_Hj經(jīng)稱量為9.25×10^-4 t。

3.6 單位合格焊件可比能耗

單位合格焊件可比能耗按式（8）計(jì)算：

4、 結(jié)論

通過對焊接加工過程能耗評價(jià)方法的研究，確定了焊接加工能耗檢測中合格焊件焊縫折合質(zhì)量計(jì)算涉及的主要參數(shù)設(shè)定包括焊件復(fù)雜系數(shù)、焊接材料系數(shù)、層間溫度系數(shù)及工件材料系數(shù)；通過對評價(jià)方法進(jìn)行探討和試驗(yàn)，選取了鈦合金板翅式換熱器殼體和激光填絲焊接技術(shù)為能耗檢測方法的研究對象：通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了單位合格焊件可比能耗作為焊接加工過程能耗評價(jià)的合適的指標(biāo)。該研究形成了一個(gè)比較合理的焊接能耗檢測方法，能耗數(shù)據(jù)具有可比性，可有效辨識節(jié)能效果，有利于規(guī)范市場，為焊接加工能耗評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

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