基于碳效率的铝合金激光焊接工艺系统低碳优化方法

段诚茂，曹华军，李洪丞，曾 丹，陈二恒

(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆邮电大学 先进制造工程学院，重庆 400065)

0 引言

全球气候变暖等环境问题日益严峻，可持续性受到制造业乃至全球的广泛关注，综合考虑环境与资源效益的低碳制造已经成为当前学术界的研究热点。2018年，世界二氧化碳排放总量为335.1亿吨，中国二氧化碳排放总量为95.7亿吨，约占世界二氧化碳排放总量的29%[1]。中国工业部门的能源消耗占世界工业能源使用总量的20%，其中制造业能源消耗约占我国工业能源总使用量的80%[2]。因此，制造业是能源消耗与碳排放的重要来源，节能减排与低碳制造是中国制造业未来努力的方向。

铝和铝合金具有较好的成形性、比强度和耐腐蚀性，其密度仅为钢的1/3，适合轻量化应用以减少二氧化碳排放。铝合金在传统电弧焊接时存在焊接质量不稳定的问题，但可采用激光焊接等高功率密度熔焊解决[3]。然而激光焊接主要用熔化材料连接工件，存在熔化效率低、热量损失大等问题，因此该工艺具有高能耗和低能效的特点[4]。基于此，国内外学者针对激光加工过程能效和碳排放等方面开展了研究。

李玉霞[5]建立了选择性激光熔化工艺全生命周期碳排放模型，提出基于生态效率的增材制造碳效率评价方法；王秋成等[6]分析了无级变速箱激光再制造工艺碳排放特性，详细阐述了多层次关联分析理论与碳排放系数法相结合的再制造工艺碳排放量化方法；曹华军等[7]基于生命周期评价提出机床碳排放模型，分析了滚齿机床的碳排放特性；尹瑞雪等[8]构建了典型制造工艺的碳排放函数，通过选择加工方案和工序来优化能耗与碳排放；Liu等[9]从物理能量转换本质的角度建立了金属激光直接沉积过程参数与能效关系的经验模型，并采用田口实验和回归识别方法减小误差；Wei等[10]采用等效激光功率的方法对双镀锌高强度钢DP800建立了热填丝激光焊接能量效率的数学模型，并通过预热焊丝改善焊接质量，降低能耗，提高能效比；Mishra等[11]构建了简化的轨道横截面数学模型与相应的层重叠几何模型，分析了重熔过程中不同工艺参数对能量损失的影响；Pastras等[12]介绍了一种激光焊接能效数值方法，分别研究了对接焊与搭接焊各工艺参数对能量效率和焊接熔池几何形状的影响程度；董萌萌[13]基于能耗模型和粉末利用率参数模型构建了激光熔覆过程的比能耗模型，并采用响应曲面法对粉末利用率、比能耗和生产率进行多目标优化。

上述文献主要针对激光加工过程的能效优化与碳排放建模等进行研究，少有文献详细阐述综合考虑生产、质量与环境效益的激光焊接工艺低碳优化方法。为此，本文基于综合碳效率评价方法提出铝合金激光焊接工艺低碳优化方法。首先分析激光焊接工艺系统的碳排放特性，建立其碳排放量化模型，并提出结合激光焊接生产、质量和成本的综合碳效率评价方法，然后应用目标级联法进行低碳优化，并通过铝合金激光焊接实验验证了方法的有效性。

1 激光焊接工艺系统碳排放模型

1.1 碳排放系统边界定义

铝合金在自然环境下极易形成致密氧化膜，激光焊接时氧化膜吸附的水分将分解并产生大量氢气，因为氢气在铝合金固液态时的溶解度差异较大，其在焊缝冷却过程中因来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔，破坏金属的均匀性，严重影响焊接质量和效率[3]，所以在进行焊接加工前对氧化膜进行激光清洗非常重要。激光清洗时，材料表面的污染物在激光照射的瞬间产生烧蚀、气化、振动等物理化学反应，从而克服材料表面的吸附力与材料基体分离，但同时可能产生等离子体干扰激光照射材料，使氧化膜去除不彻底，间接影响激光焊接质量。

当激光辐射达到某一特定强度值(通常为105W/cm2～106W/cm2)时，所形成的熔池内的蒸汽压力值达到大气压，并向四周挤压产生空腔，激光束继续穿透，形成深的气体—蒸汽通道“小孔(keyhole)”。激光焊接过程同样有金属离子逸出形成等离子体，会减弱激光辐射的强度，需采用保护气体(氩气等)将其吹散，以保证焊接能够稳定进行。

铝合金工件的高效、优质连接取决于激光清洗和激光焊接的共同作用，而且其碳排放具有多源复杂的特性，因此完整的激光焊接工艺过程由两个阶段组成：①激光清洗阶段，去除工件表面污染物或氧化物，进行激光焊接预处理；②激光焊接阶段，连接工件，形成焊接成品。系统边界定义了所研究产品系统与周围环境(技术和生态领域)之间的边界，系统边界的准确定义对结果有显著影响，详细的系统边界如图1所示，本文有关碳效率的分析和建模均基于该系统边界的明确定义。系统主要由激光器、机器人、冷水机、氩气瓶、空气压缩机和送丝机等设备组成，其资源消耗包括上述所有设备运行所需的电能、用于吹散加工过程中等离子体以及防止二次氧化的保护气体(氩气)、空气压缩机向加工设备提供的用于保护光学器件的压缩空气、冷水机中用于激光器冷却并保证其稳定运行的循环冷却液、送丝机持续供给的焊丝。

1.2 碳排放模型

结合系统边界的明确划分和系统分析，定义激光焊接工艺系统的碳排放为系统加工过程能源和物料等资源消耗产生的碳排放之和，即

CEtotal=CElw+CErobot+CEchiller+

CEAr+CEca+CEwire。

(1)

式中：CEtotal为激光焊接工艺产生的总碳排放；CElw为焊接激光器产生的碳排放；CErobot为机器人产生的碳排放；CEchiller为冷水机产生的碳排放；CEAr为保护气体(氩气)产生的碳排放；CEca为压缩气体产生的碳排放；CEwire为焊丝产生的碳排放。

激光器以电力为动力源，受激生成激光束，经过光束传输和整形，最后输出符合焊接加工要求的激光束，其在能量转换过程中损失较大部分能量，根据加工过程激光器的能耗特性，将激光器状态分为空闲状态和加工状态，激光器消耗的电能所产生的碳排放为[14-15]

CElw=CEFelec·EClw=CEFelec·

(Plws·tlws+Plwo·tlwo/η)。

(2)

式中：CEFelec为电能碳排放系数；EClw为激光器的电能消耗；Plws和Plwo分别为激光器空闲状态与加工状态的平均功率；tlws和tlwo分别为其对应状态的持续时间；η为激光器的能量转换效率。

作为运动机构，机器人负责变换加工过程中激光焊接头的空间位姿，机器人碳排放[14]

CErobot=CEFelec·ECrobot

(3)

当机器人稳定运行时，功率可以视为常数，微小波动忽略不计，从而将机器人的运行状态简化为待机和运动状态，则式(3)可转化为[14]

CErobot=CEFelec·(Prs·trs+Pm·tm)。

(4)

式中：Prs和Pm为机器人待机与运动状态的平均功率；trs和tm为对应状态的持续时间。在激光材料的加工过程中，需向冷水机持续提供冷却液来维持激光器稳定运行，保证激光束质量，其中的碳排放是激光焊接过程碳排放不可或缺的一部分，这部分碳排放由冷却液碳排放CEcf和电能碳排放CEce两部分组成，根据文献[16]将电能碳排放分为待机状态的碳排放和运行状态下的碳排放，因此冷水机碳排放

CEchiller=CEcf+CEce=CEFcf·Vcf·

(5)

式中：CEFcf为冷却液碳排放系数；Vcf为所消耗的冷却液体积；Pcs和Pcon分别为冷水机的待机状态平均功率和运行状态平均功率；tcs和tcon为对应状态下的持续时间；T为冷却液替换周期。在本文研究中，焊接激光器能量转换过程中损失的全部能量将由冷却液排出，对冷水机的冷却液循环过程进行热力学分析，确定冷却装置的开启时间[16]

(6)

式中：Vf为冷水机中冷却液的体积；ρf为冷却液的密度；Cf为冷却液的比热容；ΔT为激光器内部实际温度和环境温度之间的温度差。

为保证焊缝质量，需使用保护气体吹散深熔焊过程中产生的等离子体，防止焊缝二次氧化，并促进激光能量的吸收，使熔池稳定，保护气体(氩气)碳排放[16]

CEAr=CEFAr·QAr·tAr。

(7)

式中：CEFAr为氩气的碳排放系数；QAr为氩气的流量；tAr为氩气的开启时间。采用空气压缩机输出压缩空气，以保护光学仪器不受焊接飞溅等损害。文献[15]基于理想气体和绝热压缩过程的假设，即压缩工业气体的功率Pca取决于气体密度ρca、气体流速Qca、热容cp,ca、热容比κ、环境状态下的温度T0、压缩前和压缩后的压力p1和p2，提出压缩空气碳排放

CEca=CEFelec·Pca·tca=CEFelec·ρca·

(8)

式中tca为压缩空气开启时间。激光填丝焊接中，熔化焊丝连接母材可改善焊缝组织的性能，提升能量利用效率。送丝部分碳排放CEwire包括焊丝碳排放和电能碳排放，即[16]

CEwire=CEww+CEwe=CEFwire·ρw·

S·vw·tlwo+CEFelec·Pw·tw。

(9)

式中：CEFwire为焊丝碳排放系数；ρw为焊丝密度；S为焊丝的横截面积；vw为送丝速度；Pw为送丝的平均功率；tw为送丝时间。

2 激光焊接工艺碳效率评估模型

前人基于生态效率的定义提出碳效率的概念，即机械系统实现的生产价值与相应碳排放之间的比值[17]。本章根据激光焊接系统碳排放模型，从多角度解析碳排放，基于生产率、焊接质量(拉伸强度)、焊接成本3个维度提出综合碳效率ηC，

(10)

式中：V为激光焊接生产率；TS为焊缝的质量指标(拉伸强度)；C为激光焊接成本；V，TS，C为归一化后的数值；ω1，ω2，ω3为根据熵权法确定的生产率、质量(拉伸强度)和焊接成本相应的权重值。生产率、焊接质量和焊接成本是企业比较关注的策略指标[18]，低碳制造是制造业发展必不可少的选择，综合碳效率则将生产、产品质量、经济成本和环境效益等指标进行了有效统一。

本文采用熵权法对激光焊接的3个指标赋予相应的权重，权重的大小反映了指标对综合碳效率指标的影响程度。熵权法[19]是一种客观赋权方法，其根据各指标变异程度的不同，采用信息熵计算出各指标的熵权，最后得到客观的指标权重值。

根据m种激光焊接工艺方案、n个指标，如不同工艺参数时生产率、拉伸强度、成本等数据，建立初始矩阵A，

(11)

式中aij表示第i种激光焊接工艺方案第j个指标的值，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。根据指标特点将指标分为两类：①效益型指标，其值越大指标越优，如生产率、拉伸强度等；②成本型指标，其值越小指标越优。选取矩阵A中每一列(即每个评价指标)中原始数据的最优值进行归一化：

(12)

(13)

归一化值gij满足gij∈[0,1]，可得归一化矩阵G=[gij]m×n。

定义第j个指标的熵

(14)

αj=1-Hj,j=1,2,…,n;

(15)

第j个指标的熵权为

(16)

3 激光焊接工艺系统的碳效率优化

3.1 激光焊接工艺系统的碳效率优化过程

为解决激光焊接工艺系统的碳效率优化问题，采用目标级联法[20](Analysis Target Cascading, ATC)。ATC是模块化且适用于层次结构的协同优化设计方法，其由优化设计模块和分析模块组成，优化设计模块用于优化目标，分析模块用于响应计算。激光焊接工艺系统的碳效率、生产率、拉伸强度和成本均为基于工艺系统层的指标，各个设备消耗的能源和物料构成了该系统设备层的碳排放。因此将该问题定义为两层协同优化设计问题：第一层为工艺系统层，基于该层级对激光焊接系统的碳效率进行优化，第二层为设备层，包括激光器、机器人、冷水机、压缩空气和保护气体模块，对设备层各设备产生的碳排放进行优化。图2所示为激光焊接工艺系统的ATC优化模型原理图，工艺系统层的整体优化目标是综合碳效率最高，设备层的优化目标是碳排放最少。

ATC方法采用分布式优化和并行计算的方式得到最优解，从而提高整体优化效率，因此当问题的复杂性增大时，计算成本不会大幅增加。ATC方法的伪代码如图3所示。

3.2 工艺系统层碳效率优化模型

工艺系统层的优化目标为在变量约束范围内及响应值偏差容限约束条件下，使综合碳效率的实际响应值与综合碳效率目标值之间的偏差最小。基于该优化目标与约束的激光焊接工艺系统层碳效率优化数学模型为：

(17)

s.t.

(18)

(19)

(20)

(21)

3.3 设备层碳排放优化模型

根据激光焊接工艺系统各设备碳排放的详细阐述，由于激光功率和焊接速度均较大程度地影响设备层的电能消耗，送丝速度直接影响着焊丝消耗，而且这三者均为焊接质量显著的影响因素[21]，与此选取激光功率、焊接速度和送丝速度作为设备层的变量。激光焊接时，激光功率越大，相应的激光焊接速度和送丝速度就越快，反之亦然。

设备层的优化目标为在变量约束范围内及响应值偏差容限约束下，使碳排放的实际响应值与碳排放目标值之间的偏差最小。基于该优化目标的激光焊接设备层优化设计数学模型为：

(22)

s.t.

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

4 实验验证

4.1 实验设计

如图4所示，用于激光焊接实验的加工设备有激光器、冷水机、机器人、氩气瓶、空气压缩机、送丝机等。实验过程中，数据监测与获取装置由智能电表、电流互感器、气体流量计等组成，用于测量激光器、冷水机、机器人等设备的实时功率，以及氩气瓶、空气压缩机的实时流量。

对5182铝合金(长×宽×厚为150 mm×100 mm×1.4 mm)进行激光填丝焊接实验，实验接头形式为平板对接，焊丝为直径1.2 mm的5356铝合金焊丝，通过流量阀将保护气体(氩气)流量恒定为25 L/min，压缩气体流量为空气压缩站默认值，激光头的焊接倾斜角度为8°。在工艺窗口内选取实验参数，激光功率数值设置为3 kW，3.5 kW，4 kW 3个水平，焊接速度数值设置为6 m/min，7.5 m/min，9 m/min 3个水平，送丝速度设置为2 m/min，3 m/min，4 m/min 3个水平，采用全因子实验设计方法选取27组参数方案进行实验，每组参数重复实验3次以减小实验误差，最后对每个焊件进行拉伸性能测试得到拉伸强度平均值，实验工艺参数和拉伸强度如表1所示。

表1 激光焊接实验参数及拉伸强度

续表1

4.2 最优工艺参数求解

利用曲面响应法对实验数据进行拟合，探究激光功率、焊接速度和送丝速度3个因素与拉伸强度响应变量的关系，对拉伸强度进行二阶多项式拟合。首先通过方差分析(95%置信)确定因素对响应的影响。在0.05的显著性水平下剔除非显著因素(P值大于0.05的因素)的拟合项，建立符合数据的有效模型。通过回归分析，得到显著性因素与响应关系的回归方程

TS=987.06-25.23vw-195.05Plwo-105.51

(33)

式中所有项均对拉伸强度响应变量产生显著影响，回归模型的预测值在95%的置信区间内与实际值比较接近。从表2拉伸强度方差分析可见，拉伸强度回归模型中，P值均小于0.05，且模型的决定系数R2=0.941 1，说明回归预测值与实际值之间的相关度较高，方程拟合性较好，回归模型能较精确地预测实验结果。

表2 拉伸强度方差分析

续表2

实验各工艺方案所得的碳排放实际值与本研究碳排放模型预测值的平均误差为6.7%，说明了该模型的有效性。焊接成本(单位：元)主要包括激光焊接过程消耗的电能成本，生产率(单位：件/h)按照每个工件的焊缝长1 m计算得到，拉伸强度(单位：N/mm2)则通过回归数学公式计算得到，计算用到的碳排放系数等参数如表3所示[22]。

表3 计算参数表

将实验数据代入熵权法，计算得到权重值ω1=0.033，ω2=0.592，ω3=0.375。采用MATLAB18软件对激光焊接系统ATC模型进行编程，首先根据不同工艺参数计算得到设备层各模块碳排放之和的最小值，将其作为设备层碳排放目标值；然后分别将计算得到的无量纲化的生产率、拉伸强度和成本最优值代入式(18)，得到工艺系统层综合碳效率目标值TC=0.350。优化中的偏差容限取值为0.01，经模型优化后的最优参数对应的各指标值如表4所示。

表4 优化后的各指标值

优化得到工艺范围约束下的最优碳效率值为0.349 2，最优碳排放值为2.798 1 kgCO2，生产率为540件/h，拉伸强度为279.37 MPa，成本为0.108 4 元。最优碳效率和碳排放下的最优工艺参数分别为：激光功率为4 kW、焊接速度为9 m/min、送丝速度为2.8 m/min。

图5所示为响应(碳效率、碳排放)随工艺参数(激光功率、焊接速度、送丝速度)变化的情况。如图5a和图5d所示，当送丝速度为定值时，碳效率随着激光功率和焊接速度的增大而增大，碳排放则相反，焊接速度则比激光功率的作用更显著，这是由于焊接速度直接影响激光焊接系统各设备的加工时间，物料消耗量和电能消耗量均随之产生较大变化。如图5b和图5e所示，当焊接速度为定值时，碳排放随激光功率和送丝速度的增大而增大，其中送丝速度的影响较明显，原因是焊丝与送丝机电能消耗产生的碳排放变化比激光器更大，碳效率则随送丝速度的变化先变大后变小，这是由于拉伸强度在送丝速度为2.8 m/min时达到最大值。如图5c和图5f所示，当激光功率为定值时，焊接速度越大，碳排放越小，而送丝速度则相反，同样是因为焊接速度直接影响加工时间，从而显著影响电能与物料消耗；碳效率随送丝速度的变化先变大后变小，主要原因是拉伸强度随送丝速度先变大后变小。

总之，焊接速度对碳效率和碳排放的影响最大，送丝速度次之，激光功率最小。在工艺窗口内，建议采用较大的激光功率与较高的焊接速度，虽然较小的送丝速度产生的碳排放较小，但是由于拉伸强度的影响，需合理地选取送丝速度才能找到碳效率最优值。

5 结束语

随着汽车、装备、航空等行业的快速发展，铝合金激光焊接将得到更加广泛的应用。为合理选择激光焊接系统工艺方案，以降低碳排放、提高碳效率，本文对铝合金激光焊接系统进行了碳效率建模和低碳优化，主要研究内容及结论如下：

(1)针对激光焊接工艺过程的特性，在分析激光焊接系统边界及碳排放源组成的基础上，构建了激光焊接系统碳排放模型，通过实验验证了模型的准确性。

(2)基于激光焊接系统的碳排放模型，采用熵权法赋予权重，实现了激光焊接的生产率、拉伸强度、焊接成本以及碳排放的有效统一，提出了激光焊接系统的碳效率模型。

(3)基于ATC，将激光焊接系统的碳效率优化问题分解为工艺系统层和设备层，以工艺系统层的碳效率最优与设备层的碳排放最优为目标，分别建立了工艺系统层碳效率优化模型和设备层碳排放优化模型，获得了激光功率、焊接速度、送丝速度最优工艺参数，实现了对二者的协同优化。

本文构建的激光焊接系统ATC模型中未纳入设备层各模块间的联系变量，后续还需在深入研究的基础上进一步完善该模型。