节能环保设备在焊装车间的应用研究

王顺菊 武昌俊 薛盛智

（1.安徽机电职业技术学院电气工程系；2奇瑞汽车股份有限公司设备动力部 安徽芜湖 241000）

在汽车工业中，生产线的规划已经越来越注重节能减排，环保方面的设备应用和投入。本文在以下三个方面介绍奇瑞焊装车间在节能环保设备方面的应用实践。

对于传统的点焊设备，主要是工频焊接，而此类焊接系统中，控制电源所具有的重要作用是毋庸置疑的。中频直流逆变电阻焊接电源随着当下科学技术的不断发展而逐步成为焊接电源的主流发展趋势，凭借自身优越的性能以及较低的能耗而得到了各方面的广泛认可。

焊装车间内，CO2气体保护焊机焊接周期长，焊接时产生大量的烟尘，而这种烟尘区别于其他一般粉尘，具有颗粒微小，且含有大量未及时冷凝的飞溅火花，统称为焊接烟雾，其中含有大量的有害的金属物质，严重污染了车间的工作环境并对工人的身心健康造成伤害，需对CO2气体保护焊焊接烟尘进行收集处理。

侧面摩擦传动输送线（以下简称摩擦线）是目前汽车行业较为先进的机械化输送设备，它以运行可靠性高、维护简单、能耗水平低、污染水平低等优点成，成为输送领域的新宠。目前广泛应用于汽车厂焊装和涂装车间之间的白车身机械化输送及存储。

一、中频直流焊机的应用研究

（一）中频直流的焊接原理。主电路经三相交流380V/50Hz电源获得电力支持之后，利用滤波电容配合整流模块对其进行针对性的处理，从而获得可为系统所直接使用的脉动直流电，其电压约为500V。再通过逆变电路对其进行二次处理，成为中频方波电流，并通过整流、降压处理之后，形成脉动相对较小的直流电，为焊接工作的顺利完成提供必要的支持。脉冲宽度调制驱动信号，始终是影响上述回路开合状态的直接因素，并且其信号占空比的针对性调整，也可以有效的控制回路中电流的强弱。因此，对脉冲宽度调制驱动信号的输出时间进行针对性的调整，即可间接控制焊接的总时长。中频直流电阻焊机工作原理如图1所示。

图1 中频直流焊机工作原理

（二）中频直流电阻焊的发展起因。传统电阻焊接技术在实际的应用过程中，不仅焊接质量的波动性较大，而且普遍存在飞溅严重、电极磨损严重、功率不足、能耗较大等问题。同时，焊接过程中所产生的强磁场也同样严重的危害着操作者的身体健康。

中频直流电阻焊机响应速度快，控制精度高，没有明显的峰值电流，熔核稳定，核心比交流大和宽，几乎没有飞溅，焊接质量稳定、热效率高，输出功率大。解决了普通电阻焊无法满足的对高强度钢板、镀锌钢板、多层钢板的焊接需求。

（三）中频直流电阻电焊机的节能优势。中频直流不仅在焊接质量上体现其优势，更体现在其节能效果上给企业带来的经济效益，主要表现在以下几点：

1.采用一体化模块设计方案，整体稳定性得到了大幅度的提升，故障率水平被控制在较低水平上。降低了焊接成本，缩短了维护时间，提高了工作效率。

2.从图2工频交流焊机与中频直流焊机工作电波波形对比图可看出，工频交流焊机电流有过零现象，热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，加热时间相对较长，能量消耗大；中频直流点焊机输出电流为脉动直流，加热集中，热效率高，焊接热输入稳定，焊接时间缩短，节能效果显著，而且使生产节拍缩短，产能提升，可为企业带来一定的经济效益。

图2 工频交流焊机与中频直流电焊机工作电流波形对比图

3.工频交流焊机电源输入不平衡，功率因数低，对电网的冲击比较大。中频直流焊机由于其三相交流电源输入,用电平衡,对供电网络的冲击小，不对任何单独一相造成尖峰过载，功率因数高，几乎达到100%，无需增设电容补偿柜。相比普通焊机，中频的变压器较小的功率便能达到所需要的焊接能量，因此，产品焊接的能源电力成本显著减小。

下表为目前使用的设备主要包括手工焊机和机器人焊机（以一体化焊机为例）的一个数据统计估算：

表1 不同种类焊机的能耗数据对比表

同样是一体化焊机，中频直流焊机比工频交流焊机可节约20%左右的能量；而相对目前使用量最大的工频交流分体式设备，节能可高达70%，经济效益十分可观。

4.电极压力使用降低、大大提高电极寿命，电极的维护费用降低。

5.焊接变压器仅为交流变压器1/3的质量和体积,轻便快捷,满足了机器人及自动化焊接的应用。

6.中频直流焊接变压器输出的是直流电压,没有电感的烦扰，一体化焊机的节能效果还体现在无二次电缆的投资及电能和冷却水损耗、以及一次电缆截面积的大大减小，这都体现中频焊机的节能优势。

（四）中频直流焊机的研究现状。中频直流焊接技术在美国、德国、日本等工业发达国家的研究已很深入，并在汽车工业生产中得到了普遍的应用；我国中频直流焊接技术的研究还处在大专院校、科研单位、少数有技术实力的企业所进行的实验研究和少量试生产阶段。一些重要的、技术要求较高的企业所需要的中频直流焊机，大多数依赖进口，或进口关键部件（逆变电源）再配套机架、机械部件、加压系统等组装，价格非常昂贵。但随着研究的不断深入和应用效果的实际验证，中频直流焊机的节能优势会被企业发现和认可并得到广泛应用。

目前除了中频直流逆变焊接技术外，出现了一种新型的变频交流电阻焊接技术。中频直流逆变电阻焊机中，由于系统电路中存在大电流整流二极管，因此能耗水平普遍较高，加上设备冷却系统经常出现问题，因此设备的整体故障率始终居高不下，并且维护成本、维修成本也相对较高。同时，由于此类焊机通过直流电进行加热，因此无法在某些特定材料的焊接中发挥应有的作用。能够克服上述缺点并充分兼顾交流、中频直流电阻焊优点的便是变频交流电阻焊技术。目前该技术还在深入研究和试制应用阶段，效果还有待时间的验证。

二、烟尘净化的研究应用

（一）烟尘净化的方式。通常采用以下两种形式的除尘设备：一种是传统的车间通风管形式，在厂房顶开天窗，安装通风机及通风管道，将焊接产生的烟尘等污染物直接排放到户外大气中。另一种是采用专用的环保净化处理设备，将抽吸的污染物通过过滤、净化处理后，再排放到大气中。

车间通风管方式：由于是敞开式，通过风机吸附，噪音较大；且由于是厂房开口，很容易产生渗水现象，检修也不便；直接对外排放，不符合大气污染综合排放标准要求。

烟尘净化设备方式：主要是通过吸尘装置将烟尘抽吸后，再经过过滤器，将小颗粒烟尘过滤后排出清洁空气，可起到净化空气作用。净化设备由吸气罩、滤芯、风机、集灰斗、消音器等组成。该除尘形式符合环保要求，在相关行业得到广泛推广应用。

（二）烟尘净化设备的分类。

1.滤袋式除尘器。滤袋式除尘器采用滤袋作为过滤元件，其主要功功能元件包括：清洁室、除尘器出灰斗、脉冲清灰机构、滤袋、进排风道、气动蝶阀、过滤室、手动进风阀及框架等组成。基本工作原理我们可以简化表示为：

（1）重力沉降作用——随着除尘器中进入气体，在地球所具有的重力的影响下，一些颗粒较大的颗粒将沉降下来，形成初步的除尘效果。（2）筛滤作用——除尘器中所使用的纤维材质的筛滤网，可以有效的阻挡流过空气中颗粒大于其间隙的粉尘颗粒，从而起到除尘的作用。（3）惯性力作用——除尘器所使用的滤料，将会阻碍气流的顺利通过，而受到惯性的影响，将会有一定比例的颗粒仍然按照原有方向运动，从而被阻拦下来。（4）热运动作用——气流运动过程中，粒径在1μm以下的颗粒，将通过布朗运动而改变其原有运行轨迹，进而被滤料捕捉下来。通常情况下，捕捉效果和滤料纤维直径成反比。

优点：

（1）除尘效果好，可保证对粒径在0.3nm以上颗粒的有效捕捉，净化效果可达到15mg/m3以下，整体除尘效果较为理想。（2）经济效益好，附属设备需求较低，相对于电除尘器来说，整体技术要求较低。（3）可捕捉传统电除尘器无法捕捉的多种化合物，如硫化物等。（4）有着较好的适应性，在粒径较小的干燥粉尘的处理过程中有着出色的性能表现。（5）在处理带有火花以及具有爆炸可能性气体的除尘过程中，整体安全性远高于传统电除尘器。

缺点：

（1）布袋需要及时更换才能够保证除尘效果，对布袋的消耗较大。（2）对目标气体的湿度有一定的要求，否则将会出现结露等问题，除尘效果下降明显。（3）压力损失一般在1000～1500Pa之间。（4）历经较大颗粒的处理过程中，对于布袋所造成的磨损较为严重。（5）必须首先经过降温处理后方可回收和处理高温气体所带粉尘颗粒。

滤袋式除尘器主要用于冶金、铸造、建材、矿山、化工等行业。

2.滤筒式除尘器。滤筒式除尘器采用滤筒作为过滤元件，由进排风管、箱体、灰斗、清灰装置、导流装置、气流分流分布板、滤筒及电控系统组成。我们可以将其工作原理（见图3）简单表述为：

受到风机运转过程中所产生的负压的影响，焊接过程中所产生的烟气将在通过吸气臂之后，经过火花预处理而进入净化室内，并通过滤筒，粉尘过滤在滤筒表面上，净化的空气经过滤筒中心由洁净空气箱出口排出。

随着滤筒表面粉尘数量的不断增加，其内外压差也将随之增加，如果最终达到预设值，则需要通过电磁阀进入反吹清灰系统，高压气流在滤筒内向外反吹，将过滤在滤筒外表面的尘饼颗粒吹落到灰斗中。

滤筒是用滤料制成的多褶、筒状气体过滤元件。随着科技的发展，滤筒材料不断更新。美国唐纳森有限公司研制出ULTRA-WEB高效纳米复合纤维滤材，滤材表面复合一层聚四氟乙烯覆膜材料。该滤筒对亚微米颗粒的粉尘具有优异的过滤效率，可达99.999%。

图3 滤筒除尘器工作原理

优点：

（1）除尘器在工作过程中同步清灰效果好，过滤一般干性粉尘，滤筒可长期使用不需要更换。（2）净化效率高，可有效净化99.9%以上的亚微米级的粉尘颗粒。（3）运行过程中压力损失较小，有效节约了系统的能耗。（4）在烟尘入口位置安装挡板，可有效的提升滤筒的使用寿命，避免气流对滤筒的直接冲击。

缺点：

（1）在实际的使用过程中，滤筒会被污染物堵塞，降低使用效率。（2）在用于捕集含油雾较重的烟尘时，需要经常更换价格昂贵的滤芯。（3）设备体积大，占用大量宝贵的空间。（4）需要更换高价的非标准滤芯。

滤筒式除尘器适合用于汽车、造船、陶瓷、烟草、橡胶、塑料、金属焊接、机械及电子等相关行业。

3.静电式除尘器。静电式除尘器是采用静电收集器作为主过滤元件，由除尘器本体和供电装置两部分组成。除尘器本体包括放电电极、收尘电极、气流分布装置、清灰机构、绝缘装置和电机/离心风机等部分。其工作原理可以简单表述为：

通过构造高压电场的方式，促使粉尘在电荷的作用下从流经的气流中脱离出来。放电电极为正极，采用断面各不相同的金属导线制成；集尘电极为负极，由不同形状金属板制成。

主过滤芯的净化原理是通过高压导电丝导电和负极铝板收集器吸附的高压静电吸附原理。烟尘中的大颗粒由预过滤膜分离截留，初步过滤后的烟尘先通过主过滤芯的高压导电丝导电带正极，导电后的烟尘进入主过滤芯的铝板收集器时被铝板的负极电磁场所吸附粘结在铝板表面，干净的空气经后置过滤膜进一步过滤后通过净化器两侧的排气口排出。

优点：

（1）可有效捕捉1um以下粉尘下。（2）在实际的使用过程中，压力损失非常低，具有高效低阻的特性。（3）可大规模处理烟尘，并且温度、湿度对其除尘性能影响较小。

缺点：

（1）生产、安装、运维需要由专业人员负责。（2）初始浓度高于30g/cm3的气体必须经过预处理方可通过静电式除尘器进行处理。（3）粉尘比电阻对于最终除尘效果有着较大影响，比电阻超过范围的粉尘气体需要预处理。

滤筒式除尘器针对长期、重载工业空气处理设计，可清除钎焊、火焰切割、钻孔、磨削、攻丝等等多种加工中产生的烟气、雾气及粉尘。

4.几种类型除尘器综合比较。对于金属焊接烟尘的净化，通常选用滤筒式除尘器。

由于汽车车身焊接板件表面油污较多，焊接过程中常常伴随着大量的油烟，油烟冷凝成雾状后被牢固吸附在滤筒外表面，通过压缩空气反吹不易清除，降低了除尘能力，减少滤筒的使用寿命

焊接烟尘中含有大量未及时冷凝的飞溅火花，少部分未熄灭的火花被吸入滤筒表面，虽然滤筒为阻燃材料，但由于滤筒表面大量油雾的存在，始终难以杜绝滤筒燃烧的安全隐患。

静电式除尘器使用电离子发生器，对烟雾和气雾颗粒荷电，用集尘组件捕集荷电的烟雾和气雾颗粒，由于没有滤筒，所以不存在油污堵塞的问题。但其对烟尘颗粒的过滤效果稍逊于滤筒式除尘器。

（三）烟尘净化设备的分类。

1.中央集中式。中央集中式烟尘净化器通常为滤筒式除尘器，在工厂厂房内整体或局部规划大量CO2气体保护焊接工位（或其他弧焊工位），对车间的多个区域焊接工位产生烟尘通过分支风管与大范围捕集罩进行集中收集处理。

中央烟尘净化系统通常采用PLC智能化控制系统，可根据使用工况的不同，针对性的对运行程序进行设定。通过变频器，净化系统可根据实际的吸风量需求自动调节风机转速，降低运行能耗，减小滤筒磨损，延长其使用寿命。

2.区域集中式。区域集中式烟尘净化器通常为滤筒式除尘器，是将同一区域附近（通常为6-12米范围），多台CO2气体保护焊机，多个焊点的焊接烟尘通过大范围捕集罩进行集中收集处理。

区域集中式烟尘净化器外形结构及工作原理与中央集中式相似，与其相比并具有以下优点：

（1）同一区域内的焊接烟尘由独立的净化系统控制处理。避开了中央集中式的风管过长，风压损失大的缺陷。

（2）在通常情况下CO2焊机（或其他弧焊设备）在汽车车身焊接车间内分布较散，采用区域集中式更为灵活、经济、合理。

3.移动单机式。移动单机式烟尘净化器，每台设备配有单根或两根可全角度旋转的吸气臂，可灵活控制吸气角度，并支持自动定位。

移动单机式烟尘净化器属轻便除尘器，该设备结构简单，操作方便，价格经济，适用于移动的焊接工位，尤其适合于维修补焊工位。

移动单机式烟尘净化器应用于生产线工位，存在如下缺点：

（1）由于受到吸气臂长度的限制，主机通常安装在焊接工位附近，占用工位空间。（2）由于受到吸气罩口径的限制，烟尘收集范围小，长距离或多点焊接时必须随时移动吸气臂，影响焊接生产效率。（3）由于吸气臂较短，吸气口距离主机较近，焊接飞溅火花更容易进入到滤芯表面，加大了滤筒燃烧事故的几率。

四、摩擦线的应用研究

从2006年开始，摩擦线陆续应用于奇瑞汽车的多个生产、输送项目之中。具体输送原理图参见图4：

图4 摩擦线驱动原理图

如图4所示的多个小型驱动站共同构成了一套完整的摩擦输送设备。在实际的运行中，驱动电机带动摩擦轮，并在辅助轮的配合下，利用弹簧装置夹住小车横梁，而摩擦轮侧面的高摩擦材料聚氨酯，可通过摩擦力带动小车横梁产生位置上的移动。按照地形以及输送要求，设置了多个不均匀分布的驱动站，通过彼此间的不断传递，实现了小车的输送目的。

通常情况下，这套系统中所使用的驱动站电机的功率一般控制在120W～180W之间，并且只有检测探头检测到小车位置之后方才会启动。相对于传统的推杆链输送线来说，这套设备可以有效的节省大量能源，值得我们给予应有的肯定。

另外，如上文中所介绍的那样，这套设备完全依靠驱动轮和小车横梁之间的摩擦力带动小车向前移动，而在这一过程中由于使用的是聚氨酯材料，所以运行过程中噪音很低，而且没有任何的油污。每个驱动站的结构非常的简单，因而整个摩擦线的结构相对简单，这对于后期维护工作的顺利开展无疑是有着重要的积极意义的。

当然，与传统的推杆链相比，该设备也存在一定的不足：摩擦线输送模式整体布线工作量较为庞大，电气控制系统布线成本增高，系统相对故障点也有所增高。

五、总结

汽车工业发展的不断需求，使得焊装车间的设备也在不断的适应发展的需要，目前节能环保设备是发展的方向，各个汽车厂都在不断的应用和发展相关的技术，本文主要介绍了奇瑞在这方面的几个应用。

（一）中频直流焊机在汽车车身焊接的应用，作为一种高效节能的焊接设备，降低生产成本，在节能上的优势，尤其是中频直流一体化焊机，给企业带来可观的综合经济效益。虽然目前控制电路要求较高，价格昂贵，制约着中频直流焊机在国内汽车工业的普及推广，但中频直流焊机，相信不久的将来国内汽车厂商会渐渐接受和认可，并取代传统焊接设备得到大力推广。

（二）介绍了目前奇瑞使用的区域集中式滤筒除尘器，中央集中式滤筒除尘器，移动单机式静电除尘器。

（三）现有技术水平下，侧面摩擦传动输送线所具有的性能优势为其在更多领域的应用提供了极大的支持，尤其是其环境保护方面的特性，更是为其提供了更为宽广的发展空间。