低碳经济与焊接
合能的焊接技术1低碳经济与焊接1）低碳经济的含义与发展低碳，是指低的温室气体（主要是CO2）排放，二氧化碳排放量越来越大，严重危害到人类的生存环境和健康安全。地球臭氧层正遭受前所未有的危机，因而必需植树造林保护生态环境以减少其危害。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，其含义包括两方面。一方面是节約有限资源的高碳能源（我国可开采量为:石油20年、天然气49年、煤115年，发1度电的排放量为:煤电304克、油电204克、气电181克、水电20克、凤电6克、太阳能电0克）[1]，实现低碳经济。首先要在使用传统能源时采用可高效、节能、节材、减排和能源和材料的循环使用，形成低碳排放甚至零排放的循环经济。另一面是采用资源丰富和可再生能源（核能、水能、风能、太阳能）等清洁能源，其中太阳能是资源极为丰富、能量转换最直接、污染物排放最少、应用范围最广、发展最快的一种清洁能源。2）低碳经济与焊接技术 焊接是一个能耗大户，一台焊机，常用的电弧焊机功率在10-100kW,大的闪光焊机可能到几百到一千kW。用的能源是多种多样的，除用得最多的电能外，还有化学能、机械能等。焊接过程生成的有各种气体、粉尘和光幅射。因此焊接是一种高耗能、中污染与低碳经济密切相关的一种工程技术，又是一种应用最广的科学技术，在发展低碳经济中有重要作用。2以现有电弧焊接方法的高效节能节材来实现低碳经济焊接是金属（已扩展到非金属）材料连接的方法，基体材料和焊接材料的制造过程就是一个耗能过程，因此节約母材和焊材就是间接为低碳经济服务。利用表面熔敷和再制造工程是材料和机件重复使用节能节材的重要途径。焊接和熔敷过程是一个用能源加热母材和焊材的过程，改进其焊接过程就可达到高效、节能与节材，就可实现低碳经济。1）充分发挥电阻热加热和熔化焊丝以提高熔化系数用半自动或自动细丝电弧焊可充分发挥电阻热加热和熔化焊丝以提高熔化系数可起到提高生产率和节约能源的作用；如用双丝焊、多丝焊、多弧焊等（图1）可充分利用电弧能
a) 不同电流和焊条直径的熔化率 b)不同电流和焊接材料的熔化率 c) 不同电流和焊条直径的耗电量 图1焊接材料直径和保护材料类型对高效和节能的影响[2]量可进一步提高效率和节约能源。如用500A电流进行3mm焊丝和2mm焊丝自动焊比较，由于直径的减少使伸出焊丝长度部分电阻热的贡献，其熔化系数可由14.5g/Ah提高到24g/Ah（图1a），熔化1kg焊丝消耗的电能由2.5kWh减少到1.76kWh(图1c)。使生产率提高约70%，节电约30%；现在推广的1.6-0.8 mm的细丝半自动焊，其高效节能更加显著。 2）从焊接保护材料寻求高效节能和减少排放因为焊接热源除用于加热焊丝和母材形成焊缝外，还要加热焊剂或保护气体，还要有辐射损失。图1 b几种材料比较，以药芯焊丝焊接效率最高。从耗能来说，如埋弧焊用烧结焊剂代替熔炼焊剂可大大节约焊剂制造中的能耗。如用自保护药芯焊丝焊接代替CO2 焊接和药芯焊丝CO2 焊接可减少CO2排放。3）从充分利用电弧热提高热效率的高效节能方法（1）双丝细丝埋弧焊：双丝细丝埋弧焊原理如图2 a，电源可以是三相交流电源、两个单相交流或直流电源并联、单相电源抽头输出的交流电进行焊接和单电源双丝焊接。也可用一台交流或直流焊接电源通过双丝或多丝前后或并列进行双丝或多丝同极焊接。我们对上述几种细丝双丝埋弧焊进行了实验研究,其熔敷率及热效率比较结果如图2b，由图看出双丝三弧焊生产率最高，节能最多，细丝双弧焊和细丝填丝焊次之。双丝焊还可以大幅度调整焊缝的熔合比和宽深比，以改变焊缝的成分和凝固结晶状况来减少焊接高强钢和堆焊高合金层时极易产生的裂纹倾向。（2）填丝焊接：图2 a中双丝预热填丝焊即为填丝焊的一种。两个相互绝缘的焊丝，一个通路引弧进行焊接，另外一个分路通过另一焊丝加热作为填丝送入电弧熔化。在TIG焊中也有填丝或用另外电源预热填丝的高效焊接。（3）粗丝双丝焊和多丝焊和带极焊：与细丝焊类似的还有粗丝双丝焊，在结构焊接中用，与双丝焊类似的还有多丝焊和带极焊在堆焊中常用，可大为提高效率和节能。
图2双丝细丝埋弧焊类型及高效节能比较[2]3）利用电弧中化学反应热焊接利用电弧加热过程中的化学反应产生的热量来熔化焊条和母材以提高生产率和节能。如氢原子焊就是利用分子氢在电弧高温中分解为原子氢吸热，与冷金属相遇而放热以加热焊丝和母材。又如在焊条药皮中加入氧化铁的铁粉焊条可以把熔化系数成倍增加。4)大力发展药芯焊丝焊接手工电弧焊已有很长的应用历史，其特点是方便灵活，只要改变焊接材料就可焊接各种材料，但生产率低难以自动化。出现半自动CO2气保护焊后，逐步大范围取代手工电弧焊，但主要能焊接低碳钢，目前又发展了药芯焊丝CO2气保护焊，解决了多种金属焊接的问题，加快了取代手工电弧焊的速度。我们对三者的试验结果比较如图3。由图看出药芯焊丝CO2气保护焊的节能、节材、节约成本效果最好，熔敷速度最高，而且各种位置熔敷速度相差不大，这有利于实现全位置自动焊时电流控制简化。目前发展的方向应该向自保护药芯焊丝和轻型全位置多维控制焊机发展，逐渐取代目前的CO2实心焊和CO2药芯焊丝焊。例如在我校在研的钢轨、镐头和制动盘的堆焊中就可研究采用自保护药芯专用焊丝和轻型全位置多维控制自动焊机（相当于专用轻型机器人）。
a) 几种焊接方法的节能节材和成本比较 b)不同位置焊接时的熔敷速度比较图3手工焊、CO2焊、药芯焊丝焊的高效、节能、节材比较[2]4）其它能源的应用[3]（1）化学反应能源：属于化学反应能源的有气焊和铝热焊。气焊是一种古老的焊接方法，由于效率低，目前已大多由电弧焊代替，但由于目前采用多熖焊炬和数字控制能源，而且加压焊接，性能优异，在钢轨方法焊接中起了重要作用，是一种不错的节能焊接方法；我校在这方面取得了可喜的成果。铝热焊也一种古老的焊接方法，也是一种节能焊接方法，过去钢轨焊接中多用，由于接头这得了组织性能控制较难，现在也由气压焊代替，如果能改善组织性能或用加压铝热焊，仍为一种节能焊接的好方法。（2）机械能焊接：属于机械能的有爆炸焊、超声波焊、摩擦焊和搅拌摩擦焊，这些都是节能焊接。爆炸焊、超声波焊利用的是外部机械能,过去使用的范围有限，但随着太阳能技术的发展，超声波焊焊接技术将起重要作用。摩擦焊利用内摩擦生热，但只能杆件焊接，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，可用于各种接头的焊接，可以认为是一种术比较典型的低碳焊接，在铝合金结构焊接中起重要作用，现正在研究用于钢结构焊接，我校在这方面已建立了设备，开始有关的研究推广和发展。3几种值得大力发展的高效节能的低碳焊接技术1） 大力发展摩擦焊和搅拌摩擦焊摩擦焊的热是工件间的摩擦产生的热加热工件是一种高效节能无有害气体排放的低碳焊接方法。一些杆件的摩擦焊工艺和设备早已比较成熟地应用，但在桥梁及建筑结构应用很广的螺柱焊是否能用杆板摩擦焊值得研究。一台焊3-8mm的螺柱要14Kw的螺柱焊机，一台13-28mm的螺柱要100Kw的螺柱焊机[4]，还要加消耗材料陶瓷环或焊剂。如能研究开发用螺柱摩擦焊，将大大实现节能、节材和环保。搅拌摩擦焊问世以来，由于可以焊接各种焊接接头，因此在各种结构焊接，特别是铝合金结构焊接中得到了迅速发展，已成为最近几年研究的热点，但总的应用范围和研究深度是远远不够，还有不少的少人区和无人区，我想在搅拌摩擦焊专利保护范围之外的人区和无人区进军，也会大有作为。2）大力开发太阳能焊接有人测算，太阳能3kW的发电量对环境污染削减量，可替代石油29L/年，减排放CO2540kg-C/ 年，换算森林面积5544 ㎡。在2010国务院能源会议上提出六项要求，其中“大力培育新能源产业”、“号召打节能减排攻坚战”、“提高能源技术科技创新能力推动产学研结合”。焊接是一个大耗能产业，很早就有人提出用日光聚焦加热金属的太阳能焊接，但未能推广。在近期低碳经济的推动下光电材料和光伏产业得到迅速扩展。采用了光—电直接转换方式利用太阳能，该方式是利加用光材料的电效应，将太阳辐射由于光生伏特效应直接转换成电能，其基本装置就是太阳能电池。太阳能电池在应用时不会引起环境污染；可以大到百万千瓦的大中型电站，小到只供一台设备用的几瓦-几千瓦或几十千瓦的太阳能电池组，应该说很有可能作为各种太阳能焊机，为进行太阳能焊接创造了条件。另外太阳能的光-电转换是通过太阳能电池的光伏效应来完成的，其材料为单晶硅、多有晶硅、和薄膜器件，单晶硅有晶硅要切割成无数薄片，薄膜器件要在材料表面形成各种薄膜，再把这无数薄片用导电金属带串联焊接后再并联焊接成组件和引出接头焊接，最后与玻璃、玻纤、背板、树脂真空层压，装铝框成太阳能电池板。从太阳能电池生产环节看，电池材料、切片、作成电池、组件封装四大环节的成本约各占1/4[1]，几乎是每个生产环节都与焊接和切割有关。太阳能电池板只有在白天有太阳时才能将光能转变成直流电，因此必须有高能储电池把电储存供夜晚和阴雨天使用，还需有光伏控制器把直流电调制到各种情况下使用。有很多电气设备需要用交流电，因此还需要把直流电变成交流的逆变器，这些设备与焊接设备十分近似，因此太阳能组件和系统的制造设备和工艺，牵涉到太阳能电池材料的表面工程技术、焊接技术、封装技术、质里可靠性技术，牵涉到太阳能电池能源转换及控制技术，牵涉到太阳能应用的下游产品（如集热器、热水器、温室、厂房、太阳能电站、太阳能汽车、太阳能工程车及其它交通工具）中的焊接技术及装备，牵涉到应用太阳能作能源的焊接技术和装备[5]。在发展最快应用最广的太阳能应用的工艺和设备技术方面与焊接密切相关，焊接工作者在此大有可为。这也是太阳能发电和直接用太阳能焊接发展的基础。其中多为高新技术，急待研究开发。4用氢氧火焰来代替乙炔 减少CO2排放几十年来一直用火焰作热源来进行焊接切割及热喷涂,曾有人研究用天然气和液化石油气切割钢材并有少量应用,近些年来也有人研究用电解水所得氢氧火焰来代替乙炔进行焊接及切割并形成了一些氢氧火焰焊割机产品,但也未能普遍推广.我们在这方面进行了一些探索和试验,对用氢-氧取代氧–乙炔作焊接切割及热喷涂的必要及可行性提出一些看法.1） 两种气体的比较(1) 电石-乙炔-火焰乙炔气生成反应为: CaC2+2H2O= C2H2+Ca(OH)2- Q作为燃气和生成废渣； 电石生成反应为:CaO+3C =CaC2+CO- Q熔炼生成耗能。耗电量为3200-7000KWh/T。如用瓶装乙炔，还需加压和灌装，但使用方便安全。氧-乙炔火焰化学反应式为: 2C2H2+2O2=4CO +2H2+Q作为热源； 与空气中氧结合： 4CO +2H2+3O2=4CO2+2H2O散到大气。 (2)氢-氢氧焰 氢 ：H2O(电解)→H2+0.5O2 作为燃气和助燃气；氢-氧焰化学反应:H2+0.5O2=H2O+Q(3)比较●氢-氧焰气焊丶气割丶火焰钎焊及喷涂的燃烧产物只是水蒸汽,不产生CO2是一种低碳技术。●产生乙炔气的原料电石,为耗能大的产品,为重要化工原料,用以水为原料的氢代替乙炔,是一个节能和节材的技术。●用氢-氧焰代替氧-乙炔焰焊接切割可节约成本50%以上;用该机逆变电源电焊,节约电费可达成30%，可降低制造成本。●氢-氧焰的缺点是发热值低温度略低（只有乙炔焰的1/4.5），但燃烧速度快（为乙炔焰的150/100），温度略低（約低500℃），这在使用时必须加以考虑[6]。2）设备原理和典型装置（1）设备原理：很早就有人用简单的电解水装置产生来进行水蒸汽保护焊，其装置如图7，由此可清楚地看出电解水原理。（2）典型装置实例：近十几年各处推出的电解水装置不少，但推广不快。图8为成都一家工厂生产的HGQU2000/315火焰电弧焊割机工作原理图，其主要技术指标为；电源类型为IGBT-315，额定容量为11.3kVA，耗水1.2 L/h，额定产气量(2000L/h)，工作气压(0.1-0.2Mpa) ，火焰温度(1000-3000℃)，单机切割钢材厚度（≤200mm）。气割额定功率（7kW）。该机可用于电弧焊接，电弧焊接额定功率(10kW)，可调焊接电流5-315A。
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图7 简易电解水设备原理图 图8 HGQU2000/315火焰电弧焊割机工作原理图[6] 3）发展展望如果能用电解水燃烧的氢-氧焰为燃气进行焊接、切割、喷涂、预热和后热，将进一步节約能源和减少二氧化碳排放，实现低碳焊接和加工，这必须对工具、设备及相应的工艺进行研究开发。气压焊钢轨已在现场焊接中得到大量应用，而且能作到火焰清理-预热-焊接-正火全工艺一次完成，而且获得很高的质量。钢轨气压焊用的是多焰焊炬，耗气量大，能否采用氢-氧焰代氧-乙炔焰很值得研究，如能实现，将把钢轨气压焊进一步推向节能减排的低碳焊接的高级阶段。5提高铝热焊质量 达到节能减排铝热焊是用金属氧化物与铝粉的化学反应所放出的热来加热待焊接头到熔化状态使熔化的填充金属与熔化的母材共同结晶为一整体焊接接头叫铝热焊。按热源分属化学焊，按焊接过程分属熔化焊。这种方法广泛用于钢轨焊接[3]。1）铝热焊时的化学反应（不管参与物多少到一分钟就可完成反应）3Fe3O4 +8Al=9Fe +4Al2O3+3010kJ/mol (3088℃)3FeO+2Al=3Fe +Al2O3+783 kJ /mol (2300℃)Fe2O3 +2Al=2Fe +Al2O3+759kJ/mol (2960℃)其它如硅、锰、铜、镍、铬等氧化物与铝作用也可形成三氧化二铝而使金属还原,同时放出热量它们之间产生放热化学反应，所生成的热使生成物达到很高的温度，以还原出的金属作为填充金属在模型内共同结晶为一整体焊接接头。因此由金属氧化物组成的铝热剂对决定焊接接头的组织成分至关重要，这是一个焊接冶金科学性很强而又决定焊接接头质量的关键问题。另外它又是相当于铸造的型框内结晶过程，其型框的类型和材料也会影响到焊接接头的结晶过程和焊接成本。2）铝热焊的坩埚和型框 铝热焊的坩埚为完成化学反应的容器（相当于熔化炉），反应完成后注入型框金属凝固成型，熔渣上浮。单件生产可用失蜡型框或水玻璃砂型框，大量生产时应用树脂壳型型框，这种壳型的型砂是用细石英砂掺入5%左右的酚醛树脂放入翻转机中，在翻转机中同时固定有经过预热的金属模型，翻转机翻转时树脂砂打击粘在金属模体上，在靠近热模的几毫米薄层呈粘糊状，落砂不断粘附在外形成壳型。再经200-230℃烘烤结成硬壳，即可使用。此法不需混砂机混砂，可单作型框，也可把坩埚与壳型作成一体，两片组合用夹具夹紧，在坩埚内放入铝热焊剂即可焊接，实际上是用轨底的预热金属来预热，因此所用的铝热剂要比预热法多一倍，焊后推瘤量大。此法操作间单，辅助时间短，效率高。由于高温停留时间短，所以热影响区宽度比预热法小得多。制造简单和便于机械化和大量生产，壳型强度高、重量轻、难吸潮、储存时间长、透气好、焊缝表面光洁易脱砂，此法可用于钢轨焊接[3]。这些型框都是一次性的就必须形成一个型框制造产业，能否使用水冷金属型框是值得探讨的问题。3）提高铝热焊质量的途径（1）加变质剂和微合金化：加变质剂和微合金化是提高高铝热成分和组织的重要途径，因此研究铝热铝热剂组成配比，形成优质铝热剂是根本途径。（2）采用坩埚与壳型一体化的树脂型框：可使钢液不通过大气而直接由壳体上部流入有利于金属的净化和提高掺合金的效率。（3）用HPW高性能铝热焊工艺：该工艺是一种新的铝热焊方法（图9），专为阔脚轨钢轨设计，这种钢轨轨头形成了一层合金层，增加了硬度。该方法适用于轨头硬化处理了的钢轨，目前这种钢轨正被不断地应用在现代铁路系统中。该铝热焊方法把韧性合金元素放在钢轨轨底，焊接完成后在钢轨轨头形成一层坚硬，耐磨的焊接金属层。这种铝热焊的关键在于在标准焊接工艺中加入一个改进的含有合金元素的塞子，从而达到分区合金化作用。这种创新的方法最大的优点在于使用一种铝热剂，就能满足不同等级的钢轨要求。通过加入合适的合金塞子，焊接接头的金属成分、特性和组织性能，就能得以调整 。
图9 HPW高性能铝热焊工艺方法 （4）采用加压铝热焊方案：铝热焊的缺点是焊接接头存在铸造组织铸造缺陷，如利用现有气压焊设备改造为铝热焊焊后加压，可以改善铝热焊焊接接头的组织性能。6探索新的复合焊接方法在日本过去新建高铁时曾用手工窄间隙焊，都是用水冷分段铜制水冷型框分段焊接，工艺复杂，如实现药芯焊丝焊接也比较复杂。可探索铝热电渣复合焊接方法能达到快速、方便和节能的目的。方法可采用整体水冷铜制型框，分两半夹紧钢轨，先倒入适量铝热剂，以自动送入的中部焊丝引弧，热熔剂在钢轨底部反应生成铁和三氧化二铝熔渣，这时低合金钢单丝连续送进渣池，利用渣池电阻热保温和补充金属起保温和焊接轨底轨腰，待熔池到顶时，加送两侧掺合金焊丝，继续进行三丝电渣焊，通过合金化作用，形成强韧型好硬度高的轨头。
