弧焊设备全生命周期生态指标控制研究

黄晓东 孔高祥 李铮

摘 要：弧焊设备在生产过程中必定会产生一些污染物，如废气排放、金属烟尘、废水排放。为减少弧焊设备对环境的污 染，我国于2019年自主制定了GB/T 28736—2019《电焊机能效限定值及能效等级》标准、于2022年制定了《绿色设计产品 评价规范 弧焊设备》等多个限制性标准文件，旨在推动弧焊设备向环境友好、绿色低碳、生态节能和可持续性的方向发 展。本文从弧焊设备设计的全生命周期出发，对弧焊设备生产的原材料生产阶段、产品生产阶段、使用阶段、生命末期阶段 四个阶段对资源环境造成的影响进行研究，探索了一种解决弧焊设备生产使用能源消耗过高的方法，有助于实现弧焊设备 对能源资源消耗最低化、生态环境影响最小化、再生率最大化。

关键词：弧焊设备，全生命周期，绿色评价，生态节能

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.040

0 引 言

弧焊设备的全生命周期评价对实现产品的绿 色生态设计有重要意义。其具体体现在以下方面： 为环境足迹、水足迹和碳足迹等产品环境声明与 环境标识评价提供准确数据，为产品的设计、工艺 技术的评价、原料采购和库存周转率[1]等工作提供 评价依据和改进意见。产品全生命周期评价从资源属性（材料可再生）、能源属性（空闲状态损耗） 和环境属性（排除有害物质）方面综合考虑了弧焊 设备的产品特点，积极响应了国家三级能效的强制 要求[2]，有效提升了产品资源利用率[3]，对产品绿色 设计有重要的行业引领和提升作用。

1 全生命周期评价的基本步骤

参考GB/T 24040《环境管理 生命周期评价原 则与框架》中适用于电子电气产品的全生命周期评 价（LCA），弧焊设备的方法步骤如图1所示。

通过对弧焊设备全生命周期评价基本步骤的 分析，一旦确定了工艺评价、生产管理或政府节能 数据收集等评价目的，接下来就要对产品的整个生 产流程进行精细的量化描述，这是实现焊接设备生 态化管理的基础，也是优化产业结构和能源结构[4] 的前提。

2 功能单位和系统边界

要想準确地对产品功能进行量化描述，首先 要确定功能单位。弧焊电源的功能单位定义包含名 称、产品数量、主要规格型号及功能性描述等信息， 例如：“生产一台弧焊电源所需要的铜线”“生产一 台ZX7-500手工弧焊机要用到的显示仪表屏”。以 生产主变压器用到的铜线为例，其生命周期包含生 产资源开采（开采铜矿）的初始阶段、生产原材料 （铜线生产）阶段、制成线圈（铜线绕制）的使用阶 段和焊接电源报废铜线也作为零部件废弃的废弃 阶段。

确定了评价目的和功能单位，按照电子产品生 命周期的评价规则结合弧焊设备的独有特性，就可 以从数据的重要性和数据的可获得性来确定具体 的系统边界。

弧焊设备全生命周期示意图如图2所示，每一 个阶段都会对应一定的污染排放，而这些污染排放 最终都会被量化成标准值反馈给市场或相关环境 关注方，形成准确的环境影响评价报告。

图2对弧焊设备生产的全过程进行了关键数据 分类[5]，在原材料的生产阶段能源（如电力、金属、 燃料、塑料或其他非金属）的生产数据可以用LCA 背景库查询，原辅料（芯片、金属螺钉、电路板、绝 缘线缆）数据则必须通过供应商进行数据收集和 企业自身建立的数据库进行调查，其数据也必须包 括所有的原辅料在运输过程中产生的排放。需要说 明的是，物料重量比m≥5%的属于重要物料，数据 必须详实可靠；物料重量比1%≤m＜5%的属于次要 物料，数据取得方式可以用背景库数据近似计算获取，物料重量比＜1%的属于不重要物料，可以忽略 不计，但总忽略数原则上应不大于产品总重的5%。

3 数据分类研究

确定了功能单位和系统边界，接下来就按照弧 焊电源对环境影响的各个阶段进行数据分类和收 集，从而计算出全生命周期的环境影响指标，通过 对指标的计算和评估制定各个阶段应采取的节能 降耗措施。

3.1 原材料生产阶段

焊机的原材料生产阶段参考图2分为能源生产 和原辅料生产两个具体过程。首先分析“生产一台 ZX7-500手工弧焊机”所需要的能源和各种能源的 消耗量，如表1所示。

除去表1所示的能源生产阶段所产生的能源消 耗，本阶段还包括了原辅料生产过程，原辅料包括 印刷线路板、液晶显示屏、功率模块、塑料手柄等 零部件，这类零部件的能源消耗可以追溯到上一级 生产厂家，用表1所示的方法分解计算，得出最终能 源消耗参考值。

本阶段主要数据是通过LCA数据库获得，对环 境的影响则是通过每一个工艺过程产生的碳排放、 污染排放计算获取，数据来源相对简单，节能减排 可以通过优化冶炼过程、改良多晶硅生产工艺[6]、 清洁能源替代传统燃料等手段加以改进，也可通过 减少外壳尺寸或电路板尺寸、提高芯片密度的方式 减少原辅料的能源消耗。

3.2 产品生产阶段

弧焊设备在生产阶段需要对本企业或者代工 （ODM）企业的实际生产过程进行评价和调查，其 基本步骤包括零部件的生产和产品的组装。这个阶 段从外购零部件、采购原材料进入生产线开始到弧 焊设备成品出厂为止，实际收集数据步骤如下：

（1）物料和零部件的消耗数量可以从进货清 单获取，涉及到合格率的应进行数据修正，如果所 使用的零部件寿命小于整机的寿命，数据也需要进 行相应的修正；

（2）生产过程中的能耗、包装消耗、环境排放 数据及运输数据可以通过企业相关部门调查或测 量获取；

（3）本过程可以忽略不重要的、对整体影响较 小的数据。

3.3 使用阶段

该阶段从弧焊设备被消费者购入开始到产品 报废为止。在满足取舍准则的前提下，使用阶段应 搜集以下数据：

（1）弧焊设备在客户端使用的模式，例如整机 运行寿命和使用的频率；

（2）弧焊设备在焊接过程中消耗的能源、耗材 和污染物排放；

（3）弧焊设备因故障进行的维修维护过程产 生的能源消耗和污染物排放。

使用过程中产生的消耗数据可以通过使用客户 日常能耗排放清单查询，也可以采用行业通用的指 标进行预估计算。

3.4 生命末期阶段

该阶段从弧焊设备被使用终端丢弃或报废开 始到产品的所有零部件、物料返回自然界或再生为 止，本阶段需要收集以下数据：

（1）弧焊设备回收运输处理的数据；

（2）弧焊设备主变、功率器件、散热器等零部 件拆解过程中产生的能耗和污染物排放；

（3）拆解完成后最后的处置（填埋、熔化、焚 烧等）产生的能耗和污染物排放；

（4）处置后可再生的零部件材料、可回收的矿 产资源，可以折算成相应的能耗抵消在第一階段中 产生的能源消耗，并在整个生命周期评价报告的明 细清单里计算说明。

生命末期阶段的数据可以通过各个细分的过 程调查获取，也可以采用行业通用的指标进行预估 计算。

4 生命周期建模与LCA报告生成

经过上一阶段对弧焊设备生产过程中所产生 污染物的数据归类与研究，接下来要结合软件对所 获取到的所有数据进行生命周期建模并生成LCA 报告，以进行更直观的图形化展示，为最终的减污 减排目标提供数据化指导。

弧焊设备全生命周期数据建模需要经历以下 步骤：

（1）导入弧焊设备生产各个阶段的数据清单， 选择环境影响评价指标；

（2）运用LCA基础数据库解决各类物质的名 称和单位等兼容问题；

（3）数据质量修正，生命周期总的换算与计 算，得出最终环境影响评价指标结果；

（4）输出弧焊设备的LCA环境影响报告。 弧焊设备在生成具体的LCA报告时会相应提供 各阶段的减污减排改进方案，通过量化的报告，可以 清楚地看到生产一台某种类型的弧焊设备每个零部 件、每道工艺所排放的污染物和温室气体，经过背景 数据库的比对分析，查找出可以进行工艺改进的流 程。例如一台ZX7-500手工弧焊机功率器件（IGBT 模块）经数据收集和计算，一共排放了1.2 kg当量的 CO2温室气体，接下来结合背景数据库大数据分析， 大部分企业实际生产一个功率器件所排放的温室气 体为0.95 kg，一个零部件就足足多排放了2.05 kg当 量的CO2温室气体，再通过倒推的方式寻找造成零部 件生产排放偏大的具体原因，最终反馈到企业的具 体生产中帮助其建立碳排放管理能力[7]，不仅节能 减排，更实现了成本控制的目的。

5 结 语

我国现阶段生产的弧焊设备在运维阶段成本 普遍预测不精准[8]，这样不仅产生了巨大的能源浪 费也带来了较大的环境问题。国家发改委于2023 年3月发布的焊机能效标识实施征求意见稿结合了 GB/T 28736—2019标准和《绿色设计产品评价规 范 弧焊设备》文件内容，制定了《电焊机能源效率 标识实施规则》。其中弧焊设备全生命周期生产评 价方法的引进不仅较大程度上辅助了能效认证的 强制实施，也为企业端提供了设备和工艺改造的具 体意见，从原材料生产阶段、产品生产阶段、使用 阶段、生命末期阶段四个阶段精准为企业提供可改 进的方案，同时也展示了改进后节省的工艺成本和 减排数据，利于企业更好地接受政府监督，更透明 地向社会展示所承担的环境责任。

参考文献

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作者简介

黄晓东，本科，工程师，研究方向为电焊机、电机及其他电 气产品的质量检测与标准研究。

（责任编辑：袁文静）