張 鑫,史維琴,陳保國,周德祿

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，江蘇常州213164；2.山東榮城曙光齒輪有限公司，山東威海264300）

太陽能焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

張 鑫1,史維琴1,陳保國1,周德祿2

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，江蘇常州213164；2.山東榮城曙光齒輪有限公司，山東威海264300）

太陽能焊接技術(shù)作為21世紀(jì)的一種綠色加工技術(shù)，理論上可達(dá)到對電力的零依賴，對減少化石燃料的消耗具有重要意義，發(fā)展?jié)摿薮?。但受材料及技術(shù)方面的限制，實(shí)際應(yīng)用并沒有得到廣泛的推廣。闡述太陽能焊接技術(shù)的原理及優(yōu)勢，通過工藝研究和實(shí)際應(yīng)用兩方面分析討論太陽能焊接技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀，并展望了該技術(shù)的發(fā)展方向。

太陽能焊接；能源；實(shí)際應(yīng)用；趨勢

0前言

隨著全球人口的持續(xù)增長以及全世界發(fā)展水平的逐步提高，以化石燃料為首的能源消耗越來越快，對環(huán)境造成的壓力與日俱增?；剂系膬溆邢薅移湫纬墒且粋€漫長的過程，是不可再生資源。因此，可再生能源和清潔能源越來越被重視。其中太陽能因其成本低、利用率高、清潔無污染以及可再生等特點(diǎn)受到青睞[1]，在各行業(yè)中得到了廣泛的探索及應(yīng)用。

焊接在工業(yè)中占有重要的地位。目前世界生產(chǎn)的鋼材40％～60％是通過焊接加工而成產(chǎn)品。焊接要消耗大量能源，例如安裝一臺12.5萬kW汽輪發(fā)電機(jī)組的400 t/h鍋爐，要耗電13.25萬kW·h；生產(chǎn)一條萬噸游輪耗電達(dá)65萬kW·h。

在日本造船廠，電焊機(jī)耗電量約占總用電量的60％；在我國造船工業(yè)中電焊機(jī)耗電量也占總用電量的50％以上[2]。

利用太陽能作為熱源對材料進(jìn)行焊接一方面能極大地減少電力消耗，另外能顯著降低部分施工地區(qū)的作業(yè)成本，如電力輸送不便的深山及海洋。隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，太陽能焊接作為一種清潔加工技術(shù)正受到越來越多科研工作者的關(guān)注。本研究闡述了太陽能焊接的發(fā)展?fàn)顩r，并簡單介紹國內(nèi)外太陽能焊接的發(fā)展趨勢。

1太陽能焊接原理

在陽光的照射下，定日鏡接收的太陽輻射中大約90％被反射至聚光器，聚光器將約94％來自定日鏡的太陽輻射進(jìn)行反射聚光，最終形成一直徑可調(diào)的焦點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)光閘，控制太陽輻射的入射流量，從而控制工件上的能量密度。甚至可以通過計算機(jī)控制系統(tǒng)與光閘進(jìn)行對接，起到脈沖調(diào)節(jié)的作用。工作原理如圖1所示[3]。此類太陽能焊接方法通常保持其他裝置固定不動，通過移動工作臺來完成焊接工作。但太陽能聚熱系統(tǒng)過于龐大，如聚光器寬度約十幾米，且高度達(dá)到幾十米，使得太陽能聚熱焊的推廣應(yīng)用十分困難。另一種形式為將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過連接特定的焊機(jī)以獲得合適的輸出電壓和電流，從而完成材料的焊接。

圖1 太陽能聚熱焊接原理

2太陽能焊接的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

致力于改善人類潛力的歐洲計劃，對太陽能在焊接、加工中的應(yīng)用做了較深入的研究。PantelisD.I等[3]利用其建設(shè)在阿爾梅里亞的太陽能焊接平臺聚光太陽能，成功對304L不銹鋼進(jìn)行表面合金化。發(fā)現(xiàn)若采用7.2℃/s加熱速度將工件加熱到1300℃，合金化區(qū)存在未熔化的鉬粉顆粒，導(dǎo)致表面層硬度不穩(wěn)定，在700～500HV之間變化。當(dāng)加熱速度為3.6℃/s，且對工件進(jìn)行急冷或?qū)⒐ぜ? 300℃下保溫6 min時均能獲得分布均勻、與基體結(jié)合致密的表面合金層，如圖2所示。這說明通過控制加熱速度、最高溫度、峰值溫度維持時間等工藝參數(shù)能獲得滿足預(yù)期要求的試驗效果。早在PantelisD.I之前就有眾多學(xué)者研究了利用太陽能作為熱源進(jìn)行的表面處理[4-8]，當(dāng)聚集后的太陽能束能量密度提高到一定數(shù)值后，即可用于焊接領(lǐng)域。

圖2 太陽能處理304L不銹鋼表面Mo合金化

Karalis D G等[9]使用位于法國東南部的CNRS太陽能裝置研究7075鋁合金的焊接。發(fā)現(xiàn)沿著試板長度方向均能獲得焊透性良好的焊縫。但從顯微結(jié)構(gòu)上看，焊后接頭顯微結(jié)構(gòu)與焊前相比發(fā)生了變化，晶粒尺寸變得雜亂無章，且接頭顯微硬度與母材相比下降了約20％。由于太陽能束能量密度可以通過光閘進(jìn)行控制，故太陽能焊接對材料熔點(diǎn)的適應(yīng)性好。Cambronero L E G等[10]采用多孔鋁-硅合金作為填充材料，將其置于兩板中間，利用太陽能對商業(yè)泡沫鋁板進(jìn)行了連接，并分析焊縫組織。研究表明，第一道次焊縫并未使填充材料完全泡沫化，進(jìn)行第二道次焊接后，填充材料完全泡沫化，且母材與填充材料形成冶金結(jié)合；拉伸試驗顯示斷裂發(fā)生在母材，說明力學(xué)性能較好。Romero A等[11]利用太陽光能透過玻璃的特性，采用充保護(hù)氣的玻璃罩作為保護(hù)裝置，探索TC4鈦合金的太陽能焊接。發(fā)現(xiàn)在焊接速度0.15mm/s、太陽能能量密度1000W/cm2時能獲得全熔透無缺陷的齊平角接接頭；且接頭顯微硬度無較大起伏變化（約為310HV），與采用其他焊接方法獲得的試樣顯微硬度相比可知，采用太陽能焊接減少了TC4焊接過程中產(chǎn)生的馬氏體數(shù)量。利用玻璃罩充保護(hù)氣的方式能極大地降低H2、N2、O2等對鈦合金接頭的影響，且焊接過程更加環(huán)保。Romero A采用同樣的試驗方法分別成功地對H13工具鋼和316L不銹鋼進(jìn)行了太陽能焊接。

發(fā)達(dá)國家對太陽能焊接的研究起步較早，現(xiàn)已從理論分析、系統(tǒng)裝備發(fā)展為對實(shí)例的試驗。但是，受光伏技術(shù)的限制，使得太陽能板對太陽輻射的利用率不高，限制了太陽能焊接在工業(yè)中的應(yīng)用。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

改革開放以來，我國綜合國力顯著提高，GDP已不再是追求的唯一目標(biāo)，低碳環(huán)保意識越來越深入人心，新能源的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。2025戰(zhàn)略的提出使得諸如新能源等技術(shù)得到大力的發(fā)展。光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源的典型代表，其應(yīng)用領(lǐng)域必將得到拓展。

20世紀(jì)70年代，我國成功研制出TH773太陽能焊機(jī)，它由太陽能——凹面玻璃聚光鏡、跟蹤調(diào)節(jié)系統(tǒng)和焊接頭、機(jī)架組成，具有操作方便、所焊接的刀具性能良好的特點(diǎn)；設(shè)備龐大，移動不便，使其應(yīng)用推廣困難。天津焊接研究所的白津生[12]設(shè)計的太陽能儲能多用焊機(jī)具有體積小、攜帶方便的特點(diǎn)，且能在無陽光條件下連續(xù)工作4 h，但只適用于小型工件的焊接。為了解決太陽能焊機(jī)的適應(yīng)性，西南交通大學(xué)的王元良對太陽能工程車進(jìn)行了長期的研究，并取得了諸多成果。圖3為其所設(shè)計的太陽能工程車運(yùn)行態(tài)和工作態(tài)示意，利用太陽能電池組發(fā)電，對儲電池進(jìn)行充電。儲能系統(tǒng)輸出的低壓直流電在交換器和逆變器的作用下，可以用于直流和交流驅(qū)動進(jìn)行工作。為了克服天氣變化對工作的影響，在太陽能工程車中引入了離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示，此系統(tǒng)能夠儲存光照充足時的富余電量，以供陰雨天光照不足時使用。

圖3 自行式太陽能工程車運(yùn)行態(tài)和工作態(tài)

圖4 離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)

3結(jié)論與展望

太陽能焊接作為一種綠色加工方式，對減輕能源消耗具有重要意義。在國內(nèi)外眾多科研工作者的努力下，太陽能焊接技術(shù)被越來越多的人所接受。但現(xiàn)階段因各種技術(shù)的限制，使得所研制的太陽能焊機(jī)適應(yīng)性差，尚未得到大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。但可預(yù)見的是，隨著新材料的不斷發(fā)展，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各學(xué)科的交叉發(fā)展，太陽能焊機(jī)將朝著小型化、多功能化方向發(fā)展，其應(yīng)用也將越來越廣泛。

[1]張群力，矯振偉，金英愛.淺析能源與利用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（32）：122-122.

[2]朱連生，俞尚知，趙穎.焊接與能源[J].造船技術(shù)，1986，（4）：8.

[3]Pantelis D I，Griniari A，Sarafoglou C.Surface alloying of pre-deposited molybdenum-based powder on 304L stainless steel using concentrated solar energy[J].Solar energy materials and solar cells，2005，89（1）：1-11.

[4]Yu Z K，Lu J T.Microstructure and properties of nodular cast iron surface alloyed with tungsten carbide by concentrated solar energy[J].Surface engineering，1987，3（1）：41-46.

[5]Franck M，Blanpain B，Oberlander B C，et al.Surface modification of TiN hard coatings with concentrated solar energy [J].Solar energy materials and solar cells，1993，31（3）：401-414.

[6]Yang Y，Torrance A A，Rodriguez J.The solar hardening of steels：Experiments and predictions[J].Solar energy materials and solar cells，1996，40（2）：103-121.

[7]Fernandez B J，Lopez V，Vazquez A J，et al.Cladding of Ni superalloy powders on AISI 4140 steel with concentrated solar energy[J].Solar energy materials and solar cells，1998，53（1）：153-161.

[8]Pantelis D，Griniari A，Choundri A.Surface alloying of ceramic powders on ferrous substrates using concentrated solar energy[C].Fourteenth International Conference on Surface Modification Technologies，2000：353-359.

[9]Karalis D G，Pantelis D I，Papazoglou V J.On the investigation of 7075 aluminum alloy welding using concentrated solar energy[J].Solar energy materials and solar cells，2005，86（2）：145-163.

[10]Cambronero L E G，Canadas I，Ruiz-Román J M，et al. Weld structure of joined aluminium foams with concentrated solar energy[J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214（11）：2637-2643.

[11]Romero A，García I，Arenas M A，et al.Ti6Al4V titanium alloy welded using concentrated solar energy[J].Journal of Materials Processing Technology，2015（223）：284-291.

[12]白津生.太陽能儲能多用焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，2003，33（1）：18-20.

Research progress and prospect of solar welding technology

ZHANG Xin1，SHI Weiqin1，CHEN Baoguo1，ZHOU Delu2
（1.Institute of Mechanical and Auto Engineering，Changzhou Vocational Institute of Engineering，Changzhou 213164，China；2.Shandong Rongcheng Shuguang Gear Co.，Ltd.，Weihai 264300，China）

As a green manufacturing technology in 21st century，solar welding has great development potentials since it can achieve zero dependence on electric power theoretically that lead to reduce the consumption of fossil fuel.But unfortunately，the actual application has not been widely promoted because of limit in material and technology.In this paper，principle and advantages of solar welding are described，moreover，the development and application status of solar welding through the research of process and practical are discussed，in addition，the development direction of this technology is prospected.

solar welding；energy；practical application；trend

TG456.9

C

1001-2303（2016）11-0031-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.05

獻(xiàn)

張鑫，史維琴，陳保國，等.太陽能焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：31-33.

2015-12-07；

2016-06-30

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目

張鑫（1990—），男，湖北潛江人，碩士，助理講師，主要從事異種金屬焊接的教學(xué)及研究工作。