弧焊設備全生命周期生態指標控制研究

黃曉東 孔高祥 李錚

摘 要：弧焊設備在生產過程中必定會產生一些污染物，如廢氣排放、金屬煙塵、廢水排放。為減少弧焊設備對環境的污 染，我國于2019年自主制定了GB/T 28736—2019《電焊機能效限定值及能效等級》標準、于2022年制定了《綠色設計產品 評價規范 弧焊設備》等多個限制性標準文件，旨在推動弧焊設備向環境友好、綠色低碳、生態節能和可持續性的方向發 展。本文從弧焊設備設計的全生命周期出發，對弧焊設備生產的原材料生產階段、產品生產階段、使用階段、生命末期階段 四個階段對資源環境造成的影響進行研究，探索了一種解決弧焊設備生產使用能源消耗過高的方法，有助于實現弧焊設備 對能源資源消耗最低化、生態環境影響最小化、再生率最大化。

關鍵詞：弧焊設備，全生命周期，綠色評價，生態節能

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

0 引 言

弧焊設備的全生命周期評價對實現產品的綠 色生態設計有重要意義。其具體體現在以下方面： 為環境足跡、水足跡和碳足跡等產品環境聲明與 環境標識評價提供準確數據，為產品的設計、工藝 技術的評價、原料采購和庫存周轉率[1]等工作提供 評價依據和改進意見。產品全生命周期評價從資源屬性（材料可再生）、能源屬性（空閑狀態損耗） 和環境屬性（排除有害物質）方面綜合考慮了弧焊 設備的產品特點，積極響應了國家三級能效的強制 要求[2]，有效提升了產品資源利用率[3]，對產品綠色 設計有重要的行業引領和提升作用。

1 全生命周期評價的基本步驟

參考GB/T 24040《環境管理 生命周期評價原 則與框架》中適用于電子電氣產品的全生命周期評 價（LCA），弧焊設備的方法步驟如圖1所示。

通過對弧焊設備全生命周期評價基本步驟的 分析，一旦確定了工藝評價、生產管理或政府節能 數據收集等評價目的，接下來就要對產品的整個生 產流程進行精細的量化描述，這是實現焊接設備生 態化管理的基礎，也是優化產業結構和能源結構[4] 的前提。

2 功能單位和系統邊界

要想準確地對產品功能進行量化描述，首先 要確定功能單位。弧焊電源的功能單位定義包含名 稱、產品數量、主要規格型號及功能性描述等信息， 例如：“生產一臺弧焊電源所需要的銅線”“生產一 臺ZX7-500手工弧焊機要用到的顯示儀表屏”。以 生產主變壓器用到的銅線為例，其生命周期包含生 產資源開采（開采銅礦）的初始階段、生產原材料 （銅線生產）階段、制成線圈（銅線繞制）的使用階 段和焊接電源報廢銅線也作為零部件廢棄的廢棄 階段。

確定了評價目的和功能單位，按照電子產品生 命周期的評價規則結合弧焊設備的獨有特性，就可 以從數據的重要性和數據的可獲得性來確定具體 的系統邊界。

弧焊設備全生命周期示意圖如圖2所示，每一 個階段都會對應一定的污染排放，而這些污染排放 最終都會被量化成標準值反饋給市場或相關環境 關注方，形成準確的環境影響評價報告。

圖2對弧焊設備生產的全過程進行了關鍵數據 分類[5]，在原材料的生產階段能源（如電力、金屬、 燃料、塑料或其他非金屬）的生產數據可以用LCA 背景庫查詢，原輔料（芯片、金屬螺釘、電路板、絕 緣線纜）數據則必須通過供應商進行數據收集和 企業自身建立的數據庫進行調查，其數據也必須包 括所有的原輔料在運輸過程中產生的排放。需要說 明的是，物料重量比m≥5%的屬于重要物料，數據 必須詳實可靠；物料重量比1%≤m＜5%的屬于次要 物料，數據取得方式可以用背景庫數據近似計算獲取，物料重量比＜1%的屬于不重要物料，可以忽略 不計，但總忽略數原則上應不大于產品總重的5%。

3 數據分類研究

確定了功能單位和系統邊界，接下來就按照弧 焊電源對環境影響的各個階段進行數據分類和收 集，從而計算出全生命周期的環境影響指標，通過 對指標的計算和評估制定各個階段應采取的節能 降耗措施。

3.1 原材料生產階段

焊機的原材料生產階段參考圖2分為能源生產 和原輔料生產兩個具體過程。首先分析“生產一臺 ZX7-500手工弧焊機”所需要的能源和各種能源的 消耗量，如表1所示。

除去表1所示的能源生產階段所產生的能源消 耗，本階段還包括了原輔料生產過程，原輔料包括 印刷線路板、液晶顯示屏、功率模塊、塑料手柄等 零部件，這類零部件的能源消耗可以追溯到上一級 生產廠家，用表1所示的方法分解計算，得出最終能 源消耗參考值。

本階段主要數據是通過LCA數據庫獲得，對環 境的影響則是通過每一個工藝過程產生的碳排放、 污染排放計算獲取，數據來源相對簡單，節能減排 可以通過優化冶煉過程、改良多晶硅生產工藝[6]、 清潔能源替代傳統燃料等手段加以改進，也可通過 減少外殼尺寸或電路板尺寸、提高芯片密度的方式 減少原輔料的能源消耗。

3.2 產品生產階段

弧焊設備在生產階段需要對本企業或者代工 （ODM）企業的實際生產過程進行評價和調查，其 基本步驟包括零部件的生產和產品的組裝。這個階 段從外購零部件、采購原材料進入生產線開始到弧 焊設備成品出廠為止，實際收集數據步驟如下：

（1）物料和零部件的消耗數量可以從進貨清 單獲取，涉及到合格率的應進行數據修正，如果所 使用的零部件壽命小于整機的壽命，數據也需要進 行相應的修正；

（2）生產過程中的能耗、包裝消耗、環境排放 數據及運輸數據可以通過企業相關部門調查或測 量獲取；

（3）本過程可以忽略不重要的、對整體影響較 小的數據。

3.3 使用階段

該階段從弧焊設備被消費者購入開始到產品 報廢為止。在滿足取舍準則的前提下，使用階段應 搜集以下數據：

（1）弧焊設備在客戶端使用的模式，例如整機 運行壽命和使用的頻率；

（2）弧焊設備在焊接過程中消耗的能源、耗材 和污染物排放；

（3）弧焊設備因故障進行的維修維護過程產 生的能源消耗和污染物排放。

使用過程中產生的消耗數據可以通過使用客戶 日常能耗排放清單查詢，也可以采用行業通用的指 標進行預估計算。

3.4 生命末期階段

該階段從弧焊設備被使用終端丟棄或報廢開 始到產品的所有零部件、物料返回自然界或再生為 止，本階段需要收集以下數據：

（1）弧焊設備回收運輸處理的數據；

（2）弧焊設備主變、功率器件、散熱器等零部 件拆解過程中產生的能耗和污染物排放；

（3）拆解完成后最后的處置（填埋、熔化、焚 燒等）產生的能耗和污染物排放；

（4）處置后可再生的零部件材料、可回收的礦 產資源，可以折算成相應的能耗抵消在第一階段中 產生的能源消耗，并在整個生命周期評價報告的明 細清單里計算說明。

生命末期階段的數據可以通過各個細分的過 程調查獲取，也可以采用行業通用的指標進行預估 計算。

4 生命周期建模與LCA報告生成

經過上一階段對弧焊設備生產過程中所產生 污染物的數據歸類與研究，接下來要結合軟件對所 獲取到的所有數據進行生命周期建模并生成LCA 報告，以進行更直觀的圖形化展示，為最終的減污 減排目標提供數據化指導。

弧焊設備全生命周期數據建模需要經歷以下 步驟：

（1）導入弧焊設備生產各個階段的數據清單， 選擇環境影響評價指標；

（2）運用LCA基礎數據庫解決各類物質的名 稱和單位等兼容問題；

（3）數據質量修正，生命周期總的換算與計 算，得出最終環境影響評價指標結果；

（4）輸出弧焊設備的LCA環境影響報告。 弧焊設備在生成具體的LCA報告時會相應提供 各階段的減污減排改進方案，通過量化的報告，可以 清楚地看到生產一臺某種類型的弧焊設備每個零部 件、每道工藝所排放的污染物和溫室氣體，經過背景 數據庫的比對分析，查找出可以進行工藝改進的流 程。例如一臺ZX7-500手工弧焊機功率器件（IGBT 模塊）經數據收集和計算，一共排放了1.2 kg當量的 CO2溫室氣體，接下來結合背景數據庫大數據分析， 大部分企業實際生產一個功率器件所排放的溫室氣 體為0.95 kg，一個零部件就足足多排放了2.05 kg當 量的CO2溫室氣體，再通過倒推的方式尋找造成零部 件生產排放偏大的具體原因，最終反饋到企業的具 體生產中幫助其建立碳排放管理能力[7]，不僅節能 減排，更實現了成本控制的目的。

5 結 語

我國現階段生產的弧焊設備在運維階段成本 普遍預測不精準[8]，這樣不僅產生了巨大的能源浪 費也帶來了較大的環境問題。國家發改委于2023 年3月發布的焊機能效標識實施征求意見稿結合了 GB/T 28736—2019標準和《綠色設計產品評價規 范 弧焊設備》文件內容，制定了《電焊機能源效率 標識實施規則》。其中弧焊設備全生命周期生產評 價方法的引進不僅較大程度上輔助了能效認證的 強制實施，也為企業端提供了設備和工藝改造的具 體意見，從原材料生產階段、產品生產階段、使用 階段、生命末期階段四個階段精準為企業提供可改 進的方案，同時也展示了改進后節省的工藝成本和 減排數據，利于企業更好地接受政府監督，更透明 地向社會展示所承擔的環境責任。

參考文獻

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作者簡介

黃曉東，本科，工程師，研究方向為電焊機、電機及其他電 氣產品的質量檢測與標準研究。

（責任編輯：袁文靜）