通过高功率串联工艺提高熔化极气体保护焊的性能和能量效率外文翻译资料

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通过高功率串联工艺提高熔化极气体保护焊的性能和能量效率

Gunther Sproessera*, Andreas Pittnerb, Michael Rethmeierab

a柏林工业大学机床工厂和工厂管理研究所的加工部件安全主席Pascalstr。8-9，10587 德国柏林

b焊接技术部，组件安全部，联邦材料研究与测试研究所，Unter den Eichen 87，12205 德国柏林

＊通讯作者。电话： 49-30-8104-3893;传真： 49-30-8104-1557。电子邮件地址：gunther.sproesser@bam.de

1.摘要

在能量效率方面评估标准熔化极气体保护焊（标准GMAW）和高功率串联熔化极气体保护焊（TGMAW）工艺。测量电流，电压和整体设备功率，并确定能耗。引入新的关键性能指标电熔化率以反映熔化极气体保护焊工艺的能量效率。此外，确定设备的电光转换效率以便识别总能量消耗。结果表明，通过应用串联式熔化极气体保护焊工艺，可以显著提高能量效率以及经济效益。此外，研究结果表明，设备的电光转换效率与功率水平和材料传输模式无关。通过标准熔化极气体保护焊和串联式熔化极气体保护焊对接30mm厚的结构钢的金属板试验来证明实际焊缝的总能量节省。结果表明使用高功率串联式熔化极气体保护焊工艺，耗电量减少了20％以上。

作者于2016在Elsevier B.V.出版这是一份根据CC-BY-NC-ND许可证开放获取的文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)

由第十三届全球可持续制造会议下的国际科学委员会负责的同行评审。

关键词：能源效率;串联熔化极气体保护焊;高功率焊接;厚金属板焊接。

1. 介绍

可持续发展和气候变化减缓都需要资源高效使用[1,2]。通常而言，焊接是制造中最重要的接合技术，而熔化极气体保护焊（GMAW）是最常用的工艺之一[3]。特别是在钢结构部门，电弧焊接占制造总成本和能耗的主要份额[4]。此外，以前的研究表明，除了填充材料，电消耗占了熔化极气体保护焊的环境负担的主要部分[5]。但到目前为止，熔化极气体保护焊的能源效率的高的情况一直被工业忽视[4,6,7]。这主要是人们对经济过程绩效的过于关注而忽视了其他，但这情况在过去几十年中不断在改进中。典型的就有，采用喷射电弧操作模式的熔化极气体保护焊，我们就获得了好的的经济效益。所以，我们研究把喷射过渡式电弧用到熔化极气体保护焊（标准GMAW）看有什么影响。在串联式熔化极气体保护焊也用了脉冲喷射过渡模式进行操作，达到了更高的熔敷率和焊接速度，在串联式熔化极气体保护焊我们获得更高的生产率，这是经济效益的主要指标。但是实验参数必须严格选择否则实验过程、结果不稳定[8-12]。

能量消耗与熔化极气体保护焊焊接过程密切相关，这在文献[13-20]中有详细描述。在提出的所有效率指标中，有效效率对熔化极气体保护焊的能源消耗影响最大。这是因为其确定了可用于熔化焊丝能量和基体的能量的相对量；在[15]和[18]中，研究了一些工艺参数和材料能量传输方式对其影响。Bosworth[15]发现，对于相同的熔敷率，脉冲比非脉冲焊接只要更低的消耗功率，这在能量效率方面脉冲焊接是更有优势的。Haelsig[18]观察到串联式熔化极气体保护焊与标准的熔化极气体保护焊比较有更高的有效效率，因此表明串联式熔化极气体保护焊的总体能量效率提高。Peacute;pe[14]和Haelsig[21]发现，对于不同的熔化极气体保护焊工艺，即使具有类似的有效效率和在熔敷率一定下所需工艺功率却显著变化。因此，这些发现表明，有效效率不能作为能量效率的足够量度，必须考虑全过程功率需求因素。此外，因为之前的的实验（除了具有12kg/h的Haelsig [18]）的熔敷速率不超过8kg/h，高功率熔化极气体保护焊的有效效率没有进行研究。

Chandel[20]针对标准熔化极极气体保护焊研究了除有效效率外的另外的影响因素；他研究的：电极处熔合效率决定了熔化时与电弧提供的熔化理论能量相关的填充材料的量。实验已经表明：当用较高电流、加大了接触管与工件和负极距离焊接时，每增加单元功率则可以熔化更多的填充材料。所以提高高焊接时功率可以提高能量效率。

Huismann、Burt[22]和Huuml;bneret[23]做了关于熔化极气体保护焊的能量消耗的第一和最近的实验。Huuml;bneret在串联式熔化极气体保护焊工艺中使用了第三根焊丝以降低合金元素的烧损速率并稳定实验过程。得到的效率在常规串联式熔化极气体保护焊工艺的594g / kWh和使用了三焊丝工艺的833g/kWh之间。但是，缺少标准熔化极气体保护焊实验参考和考虑一定参数影响。Huismann和Burt观测焊缝金属的能量输入，而不考虑电力消耗。计算一定功率输入下实验过程是高温或平常温度和选择合适的焊接环境。

总体而言，熔化极气体保护焊的能量消耗，特别是高功率熔化极气体保护焊，因为之前没有被深入研究。所以文献没有能够为实验过程的能量效率提供清楚的定义。

本文旨在分析熔化极气体保护焊的能源效率。这是通过测量能量消耗和计算相应的关键性能指标电熔合率来完成的。研究两个过程，标准熔化极气体保护焊过程和串联式熔化极气体保护焊过程。通过对接30mm厚的金属板以确定真实焊接需要的能量消耗。一方面，这将对工业与能源导向的过程开发的指标有帮助。另一方面，它说明了如何同时提高工艺性能和能量效率，这会降低制造成本和减少焊接对环境的影响。

2.方法

2.1.过程数据采集

通过两个位置的功率测量来评估能量消耗。如图1所示，在焊接电源接通之前和之后测量电流和电压。

电源测量包括次级消耗的总功率PS。例如，从送丝机。PS从设备的电光转换效率计算，来确定总能耗。用商业性质测量系统来测量并记录电源和焊接电源之间的三相的电流和电压。根据公式（1）,把三相中的每一相的有效功率PS1，PS2，PS3相加来计算PS[24]。PS1，PS2，PS3，由测量系统直接提供。

加工功率PW表示实验过程产生熔池和熔化焊丝所需的能量。PW使得可以研究工艺参数并反映工艺过程稳定性。此外，可以排除来自设备的干扰（例如冷却器，内部电路功率等）。用商业性质数据采集系统测量和记录电流I和电压U。根据等式（2）用瞬时功率的算术平均值来计算PW[15]。设备的电光转换效率eta;由公式（3）计算

2.2.电熔合率

对比于Huismann和Burt [22]只观察了的填充材料的热输入量，电熔合率（EDE）是熔化极气体保护焊中影响能量效率的关键因素。它影响着每单位质量熔融填充材料的电力消耗量。 在公式（4）中通过使用工艺参数焊丝进给速率wfr，加工功率PW，焊丝电极横截面积AW和填充材料rho;的密度来说明。

电熔合率主要受总加工功率和有效效率的影响，电融合率又影响大量因素，例如保护气体，材料传变方法或接触管和工件之间的距离。 此外，加工功率受焊接电源特性和过程参数的影响。本实验研究了标准熔化极气体保护焊和串联式熔化极气体保护焊两张方法的电熔合率。串联式熔化极气体保护焊工艺可以通过改变的材料转变方法和调节工艺参数以提高能量效率。

与有效效率不同，EDE是与能量消耗直接相关的量。因此，可以计算对给定焊缝所需的能量。如质量为m的焊缝,电光转换效率eta;。通过等式（5）可得所需能量E

2.3.传导实验

焊接机器人在平直位置自动进行焊接。焊接样品由30mm厚的钢板制成。样品准备有V形槽，陶瓷背板，且是定位焊接。填充材料是电极处直径约1.2mm的焊丝。通过观察进行多道焊接测量的数据。电极处的焊丝密度大约为7.85g / cm 3。

在第一组系列实验中，在两个不同功率下对标准GMAW（标准GMAW 1和2）和TGMAW（TGMAW 1和2）检测EDE。每个参数会试验2到7次，以确保结果的准确性。分析当电流和电压稳定20s至30s后的数据。根据等式（1）和（2）计算加工功率PW以及总功率PS。

表1显示了标准GMAW方法的实验条件。焊接参数由焊接电源根据所选焊丝进给速率的协同特性设定。标准GMAW的操作模式是喷射式电弧。

表1.标准GMAW过程的实验条件

表2列出了用脉冲喷射式电弧的TGMAW方法的实验条件。根据焊丝进给速率调节电极的一步脉冲频率。为了加工质量和最小加工功率PW设置了其他工艺参数（基极电流，脉冲电压和脉冲持续时间）。

根据公式（3）和通过应用PW和PS，为每个过程计算焊接电源的电光转换效率。

表2.标准GMAW过程的实验条件

第二组系列实验中，用标准GMAW和TGMAW焊接完整对接接头，以确定总体电力消耗。焊缝长度为600 mm，结果缩放至1m，使得更好的比较。标准GMAW用多道纵线型焊缝，TGMAW用多道交叉型焊缝。TGMAW焊接最后一道焊缝时可以降低加工功率来防止顶层中的焊接缺陷。标准GMAW和TGMAW对接接头的实验条件如表3所示。通过记录的电流和电压数据以及测量的焊接电源的电光转换效率来确定总耗电量。将两种电消耗量用填充材料的质量代替。这是为了排除火焰切割的凹槽或焊缝加固的造成的形状偏差的影响。

表3.标准GMAW过程的实验条件

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