手工一體式焊槍在白車身焊接中節能的研究

程猛 沈波 程哲聞

摘 要：節能減排是每個汽車新工廠規劃或現有工廠的技術改造必須考慮的問題。在白車身制造工藝中，車身焊接能耗較高，低能耗焊接設備的正確選用是每個汽車制造廠面臨的問題。文章就手工一體式焊槍在白車身焊接中節能的研究結果進行闡述，對白車身制造中電阻點焊設備的選型具有一定的指導意義。

關鍵詞：手工一體式焊槍;白車身焊接;能耗

Abstract： Energy conservation must be taken account of when new plant is set up or the product line in the current plant is modified. The higher energy consumption happens during the welding process of car body in white （BIW）. It is a question that every motor manufacturing plant must face how to select the right and low energy consumption welding equipment. This paper shows the research result about energy conservation of manual IT gun （Integrated Transformer gun）. It has the certain instruction significance to select the resistance spot welding equipment for the body in white manufacturing.

Keywords： Manual IT gun; Body In White Welding; Energy consumption

1 前言

隨著汽車工業的發展，對白車身焊接設備的需求越來越多。電阻點焊技術廣泛應用于汽車白車身的制造中，點焊設備在車身焊接設備中所占的比例是最大的。在焊接車間里，點焊焊接設備是最大的用電大戶，如何降低點焊焊接設備的能耗一直是車身焊接中需要解決的問題。本文通過對現有點焊焊接設備的研究，發現與手工分體式焊槍相比，手工一體式焊槍能耗相對較低，但具體能比手工分體式焊槍省多少能耗，是新廠規劃或現有工廠技術改造焊接設備選型中比較關心的問題。為了解決這一問題，本文通過實際焊接試驗來比較這兩種手工焊槍的具體能耗。

2 手工一體式焊槍的構成

手工點焊焊槍按照結構形式劃分可分為分體式焊槍和一體式焊槍，手工一體式焊槍與手工分體式焊槍相比，其結構有很大的不同。手工分體式焊槍如圖1所示，手工一體式焊槍如圖2所示。

手工分體式焊槍英文名稱為Manual Separated Transfor -mer Gun，簡稱Manual ST gun。按照形狀劃分可分為“X”型和“C”型焊槍兩種。“X”型焊槍由焊接氣缸、動電極臂、靜電極臂、電極桿、握桿、連接桿、電極帽、電纜連接端子、連桿、支軸、軟連接、焊槍吊具和焊接手柄等組成，“C”型焊槍由焊接氣缸、電極臂、電極桿、點式握桿、連接桿、電極帽、電纜連接端子、主體、軟連接、焊槍吊具和焊接手柄等組成，手工焊槍結構如圖3所示。手工一體式焊槍英文名稱為Manual Integrated Transformer Gun，簡稱Manual IT gun。它的焊接變壓器是內置式變壓器，體積較小，與焊槍集成在一起。按照形狀劃分可分為“X”型和“C”型焊槍兩種。“X”型焊槍由焊接變壓器、焊接氣缸、槍體、動電極臂、靜電極臂、電極桿、電極帽、焊槍吊具和焊接手柄等組成，“C”型焊槍由焊接變壓器、焊接氣缸、槍體、電極臂、電極桿、電極帽、焊槍吊具和焊接手柄等組成，如圖4所示。

手工分體式焊槍焊接系統的焊接變壓器是外置式變壓器，體積較大，與焊接控制箱安裝在一起，如圖5所示。手工分體式焊槍是手工分體式焊接系統的組成部分之一，手工分體式焊接系統由手工分體式焊槍、焊接電纜、焊接控制箱、焊接變壓器、懸掛系統、冷卻水系統和氣路系統等組成。手工一體式焊槍是手工一體式焊接系統的重要組成部分之一，手工一體式焊接系統由手工一體式焊槍（含內置焊接變壓器）、電源電纜、焊接控制箱、懸掛系統、冷卻水系統和氣路系統等組成，如圖6所示。

3 手工一體式焊槍的特點

與手工分體式焊槍相比，手工一體式焊槍在能耗、系統重量、人機工程、維護保養等多個方面存在顯著的優點。

在能耗方面，一體式焊槍的焊接變壓器與焊槍集成一體，在焊槍與焊件變壓器之間省掉一根3米至4米長且直徑較粗的次級焊接電纜，因而一體式焊槍的能耗大大降低;焊接相同板材厚度組合的焊件，一體式焊機的所需功率比分體式焊機的低得多。通常情況下，配手工分體式焊槍的焊機的功率為250千伏安，而配分體式焊槍的焊機功率為60千伏安。

在整個焊接系統重量方面，由于一體式焊槍的焊接變壓器與手工焊槍集成一體，其體積減小，重量相應減輕。一般一體式焊接系統的總重量與分體式焊接系統相比，總量減少約40%。這樣對焊接系統的懸掛系統的支撐鋼結構的承載重量要求一體式焊槍比分體式焊槍的低，可以采用相對較小尺寸的鋼結構，從而減少制造生產線的投入。

在人機工程方面，在焊機與焊槍之間的連接，由于一體式焊槍不需要安裝直徑比較粗的次級焊接電纜，取而代之的是直徑比焊接電纜小得多的電源電纜，而且分體式焊槍的焊接電纜由于重量較重，還必須安裝專門的平衡器進行懸掛，而一體式焊槍的電源電纜重量較輕，不需要專門的平衡器進行懸掛，從而一體式焊槍轉動更靈活，操作性更好，如（圖7）所示。

在焊槍維護保養方面，手工一體式焊槍對槍體、氣缸和變壓器進行了標準化設計，維護保養更便利。在磁力影響方面，一體式焊槍產生的磁力范圍比分體式焊槍的小，從而減小了工作環境磁場的影響范圍。

4 手工一體式焊槍的節能試驗

為了了解手工一體式焊槍的實際能耗，通過實際點焊試驗進行檢測。選取手工分體式焊槍的焊機功率為200KVA，分體式焊槍為“C”型焊槍，如圖8所示。手工一體式焊槍的焊機功率25KVA，一體式焊槍為“C”型焊槍，如圖9所示。為了保證試驗結果的可比性，手工一體式焊槍的槍體（電極臂）的大小和形狀與分體式焊槍完全相同，焊槍的喉深和喉寬也完全相同。

首先從理論上初步估算一體式焊槍與分體式焊槍相比能節省的能耗。測試所用焊接參數及設備參數如下：焊接電流8000安培，焊接時間10周;一體式焊槍變壓比96，次級電壓4伏，分體式焊槍變壓比14，次級電壓是27.1伏。估算一體式焊槍與分體式焊槍的理論能耗如下：

一體式焊槍所消耗的電能：4*8000*10*0.02/3600/1000 =0.00178（度）

分體式焊槍所消耗的電能：27.1*8000*10*0.02/3600/ 1000=0.01200（度）

從以上估算結果來看，一體式焊槍所消耗的電能約為分體式焊槍的15%，一體式焊槍可節省能耗約85%。

下一步采用相同的焊接電流和焊接時間（8000安焊接電流、10周波焊接電流），分別使用這兩種焊槍連續焊接1000個焊點，通過多功能電表分別測量兩種焊槍所消耗的電能，測量結果如表1所示，電能消耗對照表如圖10所示。

從表1和圖10可以看出，焊接1000個焊點，采用手工一體式焊槍的消耗電能與手工分體式焊槍的消耗電能有明顯的差異，一體式焊槍的消耗電能明顯小于分體式焊槍的消耗電能。具體來說，手工一體式焊槍消耗的有功電度是手工分體式焊槍的18.9%，一體式焊槍的吸收無功電度是分體式焊槍的19.6%，一體式焊槍的視在電度是分體式焊槍的16.9%。

通過此次試驗，連續焊接1000個焊點，手工分體式焊槍的消耗電能為33度，手工一體式焊槍的消耗電能僅為5.9度。焊接相同焊點數量，手工一體式焊槍與分體式焊槍相比，一體式焊槍所消耗的電能約為分體式焊槍的18%，節約電能約82%，試驗結果與理論估算結果相近。

本次試驗選用的手工一體式焊槍的次級電壓為4伏，而目前實際應用于白車身焊接生產線的手工一體式焊槍多為8伏次級電壓。如果次級電壓增加，焊槍所消耗的電能會有所增加，這會造成手工一體式焊槍節省的能耗有所減少。為了更加準確的衡量手工一體式焊槍應用于實際生產現場的節能效果，根據試驗結果進行推算可知，若采用60KVA的手工一體式焊槍，次級電壓由4伏上升為8伏的條件下，焊槍的耗能量會提高1倍，相比分體式焊槍，其可節省電能量從82%下降至約60%，能節省電能約60%。如此顯著的節能效果為手工一體式焊槍在車身焊裝生產線的推廣運用奠定了基礎。

5 結論

根據手工一體式焊槍與手工分體式焊槍的能耗對比試驗結果進行估算，與手工分體式焊槍相比，在白車身焊接中，手工一體式焊槍可節省電能約60%。手工一體式焊槍的使用可以作為車身新工廠規劃或現有工廠技術改造的節能減排的一種好方法，同時還可以改善人機工程，減少磁場的影響范圍。

參考文獻

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