绿色设计理念在环缝焊机设计中的应用

张宣升 张朝国 陈囡囡 李兵

(1.阜阳职业技术学院 安徽 阜阳 236031; 2.阜阳博创数控机械科技有限公司 安徽 阜阳 236000)

作为一种环保化设计模式，绿色设计的目标是促使环缝焊机在设计、包装、运输、应用、报废处理等整个生命周期中，实现资源利用最大化，确保将环境污染程度降到最低，帮助企业获得社会效益和经济效益最大化。通过将绿色设计理念科学地应用到环缝焊机设计中，不仅可以有效提高环缝焊机绿色化制造水平[1]，实现对生态环境的保护，还为保证企业知名度和影响力提供重要的技术支持。所以，如何将绿色设计理念科学地应用到环缝焊机设计中是设计人员必须思考和解决的问题。

1 环缝焊机概述

在设计环缝焊机时，要确保焊枪追随焊缝的有效性和实时性，要使用十字交叉方案，对焊缝追踪机构进行设计，并将两个滑台模组进行有效连接，从而形成一定的交叉十字，确保所构建的交叉轴沿着X、Y两个方向，确保焊枪可以安全、可靠地固定于交叉轴的平面位置处。另外，还要将伺服电机安装和固定于滑台模组中，并利用伺服电机的正反转作用力，促使X轴滑台模组沿着水平方向进行匀速运动[2]，Y轴滑台模组沿着竖直方向进行上下运动。最后，还要将十字滑台模组直接安装和固定于回转机构中，从而完成对环缝焊机主体的构建。环缝焊机总体结构示意图如图1所示。

图1 环缝焊机总体结构示意图

通过运用视觉识别系统，精准地识别焊枪平面位置，并完成对相关坐标值的记录，当焊接工作开展完毕后，利用伺服控制系统，向伺服电机安全、可靠地传输坐标信号，确保整个焊枪能够正常地移动，以达到跟随焊缝的目的[3]。在此基础上，还要将焊缝识别机构与焊接机构进行有效连接，使其连接为统一整体，然后，将其直接安装和固定于X轴一侧。此外，在视觉识别技术的应用背景下，还要科学调整和控制两个摄像头位置，确保其同时对准焊缝，并调整和控制两个摄像头中心线，确保中心线形成一定的合适角度，从而提高视觉识别装置形成最佳视野范围，焊枪和保护气喷嘴之间形成45°夹角，并保证保护气喷嘴在焊枪的前面喷气。根据上述要求，决定选择上方安装视觉识别机构摄像头，下方安装的焊枪和保护气喷嘴的方案，安装板上面有安装孔和安装滑道，这样就能保证焊枪和摄像头调节便利，待调整好位置之后再用螺栓紧固到X轴滑台模组的相应位置。

2 环缝焊机的绿色化设计

2.1 树立绿色设计观念

在进行环缝焊机设计时，要确保该产品从原来机械化设计逐渐转变为人性化造型设计，确保所设计的环缝焊机造型具有简洁美观特点，降低材料消耗量，不断地提高产品的适用性和耐久性。为保证环缝焊机绿色设计质量，设计人员除了要提高自身的绿色设计意识外，还要综合适用新学科、新技术，引导公众和消费者共同参与到绿色设计理念推广中。

2.2 选用符合RoHS要求的电子元件

国内焊机在实际生产中，均采用采购元器件组装模式。为保证国内焊机生产向绿色化、环保化方向的不断发展，相关部门要重视对无铅化元器件的使用。国内某公司的52个供应厂商无铅化水平统计如表1所示，从表中数据可以看出，在内所生产的元器件中，仅仅只有27.1%的元器件满足无铅化生产相关标准和要求。为全面实现无铅化生产[4]，设计人员要结合实际情况，优先选用无铅元器件，并与RoHS 认证的供应商建立良好的合作关系。

表1 某公司的52个供应厂商无铅化水平统计（单位：%）

现阶段，发达国家所有元器件生产企业均生产和推广无铅化元器件，但是，国内厂家除了提出无铅产品外，还提供传统有铅产品。

2.3 焊机的电磁兼容性设计

电磁兼容主要是指处于电磁环境下的设备能够稳定、正常地运行，且不会对周围器件产生电磁干扰现象。这就要求环缝焊机具有较高的抗电磁干扰能力，并要做好对环缝焊机自身电磁骚扰水平的抑制，确保其抑制到最低水平。一旦缺乏对环缝焊机电磁兼容设计，会降低该焊机本身的稳定性和可靠性，从而增加电网污染程度。为避免以上不良现象的出现，相关部门要重视对电磁兼容测试实验室的建立[5]，并结合环缝焊机的电磁兼容实际情况，保证焊机本身绿色化设计质量。某企业所生产的环缝焊机内部安装和使用无源电磁兼容滤波器，有效地提高焊机本身的可靠性和稳定性，同时，还改善焊机工作环境，使得焊机对电网的污染程度降到最低。图2 是无源EMI 滤波器电路图，通过测试发现，添加无源EMI 滤波器这一措施具有一定的可靠性和有效性，确保所设计的环缝焊机完全满足国家所提出的电磁兼容相关标准和要求。

图2 无源EMI滤波器电路

2.4 采用低污染的软开关逆变技术

为保证环缝焊机绿色化设计质量，设计人员要重视对低污染的软开关逆变技术应用，通过应用该技术，不仅可以提高资源利用率，避免出现资源浪费，还能实现对环境的有效保护，降低对环境污染程度，同时，还能帮助相关企业获得较高的社会效益和经济效益。与传统硬开关逆变电路相比，谐振软开关逆变器电路具有以下优点。

2.4.1 降低电磁干扰

通过设计和应用谐振软开关电路，可以实现对开关器件的快速切换[6]，从而满足零电压、零电流使用需求，同时，还能有效降低谐振软开关电路噪声，避免出现电磁干扰现象，另外，还能避免对电网产生污染。

2.4.2 节约电能

对软开关逆变焊机而言，当其处于高效率状态运行时，其运行效率相对较高，可以实现对电能的有效节约，提高能源利用率，避免对环境造成不同程度的污染。

2.4.3 可靠性高

软开关逆变器电路内部含有大量的开关元件，这些开关元件对开关应力承受度能力相对较低，还可以有效提高逆变器的稳定性和可靠性。这样不仅可以有效延长开关器件的使用寿命，还能提高资源利用率。

2.4.4 降低元件使用量

在硬开关电路中，可以直接省略对吸收电路的使用，使得元件使用数量降到最低。2.4.5 避免金属材料浪费。

由于开关表现出较小的损耗量[7]，再加上散热器尺寸相对较小，所以可以降低焊机体积和质量，确保钢、铝型材等材料的使用量降到最低，从而提高资源利用率。

2.5 无铅PCB板的设计

严格按照绿色环保相关标准和要求，选用合适的无铅PCB板，可以延长焊机的使用寿命，同时，还能实现对环境的有效保护，避免对环境产生不同程度的污染。

2.5.1 基板选材

在无铅工艺的实施下，设计人员要做好对基板的规范化选材。首先，在设计PCB板时，要结合PCB板特点，选用FR4 基板，如果PCB 板含有较多的层数[8]，要确保所选用的板材具有较高的玻璃化转变温度，各种板材的比较如表2所示。

表2 各种板材的比较

对于PCB 板而言，当其孔厚径比远远超过10 mm时，在进行基板选材时，禁止选用FR-4板材，这是由于孔的厚径过大，导致孔电镀表现出较低的药水贯穿能力，这无疑降低孔壁铜厚均匀性，造成孔中铜厚变得越来越薄。与有铅工艺相比，无铅焊接工艺在具体实施中，其温度相对较高，这就增加孔铜拉断失效风险。为解决以上问题，要适当地降低焊盘孔厚径比，使其控制在8 mm以下。

2.5.2 元件布局

在进行元件布局时，要在保证各个元件本体相互独立、互不影响的基础上，适当地增加相邻元件焊盘间距，确保其间距超过1 mm。另外，还要将元件直接贴装在波峰焊表面处，元件焊盘最小间距如表3所示。

表3 元件焊盘最小间距

3 环缝焊机无铅化设计

为确保绿色设计理念更好地应用于环缝焊机设计中，设计人员要严格按照如图3 所示的环缝焊机无铅化设计流程，促使环缝焊机向绿色化、无铅化、环保化方向不断发展。

图3 环缝焊机无铅化设计流程

3.1 无铅焊接

在进行无铅焊接时，要利用波峰焊的方法，选用WDS-350-E 无铅波峰焊机。由于国内环缝焊机生产规模相对较小，大量厂家主要选用以下两种焊接方法，一种是手工焊接法，另一种是浸焊接法。即使运用回流焊模式，也无法完全淘汰手工补焊方式的运用，所以，在进行无铅焊接时，要将重点精力放在手工焊、浸焊上。无铅手工焊主要包含以下几个环节：首先，选用合格的烙铁头，然后对烙铁头进行全面清洁，并对其进行上锡处理；其次，科学调整和控制烙铁头与焊点之间的温度，确保该温度始终保持在45 ℃以下，焊接时间控制在5 s以内；再次，对焊锡丝进行熔化处理，并做好对焊盘与筒孔之间的覆盖处理；最后，将烙铁头放置到远离焊点的位置，并对焊锡进行熔化、凝固处理。

3.2 助焊剂选用

在选用助焊剂时，要优先选用免洗助焊剂，该助焊剂除了表现出发泡性能高特点外，还具有较高的助焊能力，且该助焊剂内部并不含有卤素，因此，在进行焊接时，所产生的残余物具有无腐蚀性特点。当其预热温度达到140 ℃左右时，助焊剂性能会处于最佳状态，避免线路板出现明显弯曲现象。该助焊剂适用于多种工艺，如浸焊工艺、手工焊工艺等。

4 环缝焊机绿色包装

绿色包装具有对生态环境、人类身体无公害，循环利用、再生利用率高等特点，因此，在选用绿色包装材料时，要优先选用瓦楞纸板材料。对于环缝焊机而言，所选用的绿色包装方式主要以混合包装方式为主，该混合包装方式将纸、木进行有效结合，完全满足绿色包装使用相关标准和要求。通过选用瓦楞纸板材料，制作环缝焊机绿色包装，可以实现资源的最大化、循环化利用。为保证环缝焊机包装绿色化水平，相关企业要从以下几个方面入手：（1）在进行包装箱表面处理时，确保所用的水性油墨印刷方式符合绿色包装制作相关标准和要求；（2）优先选用中性包装箱，这是由于该包装箱体表面省去印刷环节，可以实现对包装箱的循环化利用，为保证环缝焊机环保性，降低包装成本打下坚实的基础。某公司通过大量使用中性包装箱，加大对无字包装箱的推广和普及。

5 环缝焊机的回收和无害化处理

当环缝焊机报废后，所拆卸的零件含有铜、钢材料可以被循环利用。我国于20 世纪初进入焊机电子化时代，大量的电子化焊机被逐渐淘汰和报废，部分焊机所产生的废弃物通常对生态环境造成不良影响[9-10]，因此，加强对焊机的无害化处理显得尤为重要。对于环缝焊机而言，其生产厂并不具备垃圾处理能力，需要依靠专业厂家，对焊机进行科学回收和无害化处理。

6 结语

综上所述，目前环缝焊机在设计、制造、包装、报废处理等各个环节中，均可能会对生态环境造成不同程度的污染，需要引起相关部门的高度重视。随着国内绿色设计理念不断实施，国际对环缝焊机产品的环保特性提出更高的检测要求，一旦忽视对环缝焊机绿色化设计，将会对国内焊机出口贸易产生不良影响，从而严重制约电焊机行业的创新、稳定发展。为此，焊机相关制造商要重视对绿色设计理念的运用，确保环缝焊机产品在制造、工艺方面取得良好的环保性，从而增加绿色焊机的卖点，为提高企业的知名度和影响力，实现人类生态环境的保护创造了良好的条件。