氣體保護(hù)焊接混合氣體自動(dòng)匹配裝置的研究與設(shè)計(jì)

王延盛，王寶翔

氣體保護(hù)焊接混合氣體自動(dòng)匹配裝置的研究與設(shè)計(jì)

王延盛1，王寶翔2

（1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350；2.天津開發(fā)區(qū)華實(shí)工程有限公司，天津300382）

氣體保護(hù)焊是目前采用較為普遍的焊接方式，其中尤以混合氣體保護(hù)焊應(yīng)用最為廣泛。在眾多二元、三元混合氣體組合中，尤以Ar+CO2混合氣的應(yīng)用最為普遍，可使焊接效率與質(zhì)量得到大大提高。因此，研究并設(shè)計(jì)焊接混合氣體自動(dòng)匹配裝置具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文主要以Ar+CO2混合氣為例，對(duì)氣體混合的比例方法進(jìn)行了研究，并提出了一種基于比例分配法、混配比例可調(diào)的氣體混配裝置設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)際產(chǎn)品中予以應(yīng)用，效果良好。

氣體混合裝置；保護(hù)焊；焊接氣體；Ar+CO2

隨著我國(guó)裝備制造技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)產(chǎn)品焊接加工的效率、質(zhì)量、成型、能耗等要求也日益提高，使得氣體保護(hù)焊在日常焊接加工應(yīng)用中日趨廣泛。常見的氣體保護(hù)焊分為單一氣體保護(hù)焊和混合氣體保護(hù)焊，而后者又分為雙元或三元?dú)怏w保護(hù)焊?；旌蠚怏w保護(hù)焊較單一氣體保護(hù)焊，在焊接的質(zhì)量、效率等方面更具優(yōu)勢(shì)。而在眾多保護(hù)焊混合氣體組合中，尤以Ar+CO2混合氣的應(yīng)用最為普遍，能夠針對(duì)不同焊接材質(zhì)按照不同氣體配比范圍進(jìn)行焊接，并達(dá)到較為理想的焊接效果。所以，在焊接過程中，提供持續(xù)、穩(wěn)定的高精度配比混合氣體，對(duì)氣體保護(hù)焊的質(zhì)量、效率具有重要的影響。因此，研究并設(shè)計(jì)焊接氣體混合裝置具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 混合氣體匹配方法的研究

1.1 混合氣體配比的方法

對(duì)于氣體來說，在壓強(qiáng)不是很大、溫度不是很高的情況下可以等效為理想氣體。理想氣體在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可使用理想氣體狀態(tài)方程，如式1所示。

其中，R為比例常數(shù)。由此，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強(qiáng)P與溫度T一定時(shí)，氣體的物質(zhì)的量n與體積V成正比。因此，對(duì)于理想氣體來說，在一定的溫度與壓強(qiáng)下對(duì)不同氣體按照固定的百分比進(jìn)行混合，如果可以控制好不同混入氣體的體積，即可達(dá)到按比例混合氣體的目的[1]。

1.2 Ar、CO2按比例控制混合配比的可行性分析

對(duì)于任何氣體來說，要想按照上述方法進(jìn)行氣體混合，其首要條件是必須符合理想氣體。以CO2氣體為例，其沸點(diǎn)為-56.55℃，8克液態(tài)CO2在25℃不同壓強(qiáng)（1 MPa以內(nèi)）狀態(tài)下，其實(shí)際氣體體積與用理想氣體狀態(tài)方程推算出的氣體體積幾乎相同，偏差范圍在2%以內(nèi)，如表1所示。因此，CO2完全可以等效為理想氣體，在對(duì)其進(jìn)行控制計(jì)算時(shí)可利用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。氬氣的沸點(diǎn)為-185.7℃，較二氧化碳更為穩(wěn)定，在一定溫度壓力下同樣可視作理想氣體進(jìn)行分析。因此，對(duì)于Ar及CO2氣體來說按照比例控制法進(jìn)行混合配比是可行的[2]。

表1 8克液態(tài)CO 2在2 5℃不同壓力下的理想計(jì)算體積與實(shí)際體積比較

2 混合氣體自動(dòng)匹配裝置的研究與設(shè)計(jì)

2.1 混合氣體自動(dòng)匹配裝置的結(jié)構(gòu)

混合氣體自動(dòng)匹配裝置在結(jié)構(gòu)上主要由Ar與CO2氣源、壓力變送器、過濾減壓閥、電磁閥、渦街流量計(jì)、氣體分析儀、混合氣儲(chǔ)氣罐、PLC及配套模擬量模塊、上位機(jī)觸摸屏及配套氣路組成[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合氣體自動(dòng)匹配裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 混合氣體自動(dòng)匹配裝置的工作原理

混合氣混配裝置在工作過程中主要由比例混配控制階段與百分比檢測(cè)反饋補(bǔ)償控制階段來實(shí)現(xiàn)高精度氣體混配控制。簡(jiǎn)要流程如圖2所示。

圖2 裝置簡(jiǎn)要工作流程

2.2.1 比例混配階段控制流程

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先進(jìn)入比例混配控制階段。Ar與CO2氣體從氣源輸出后經(jīng)過濾減壓閥降壓至0.8 MPa后，由電磁閥開關(guān)控制流入混合氣氣罐，并分別被氣體渦街流量計(jì)檢測(cè)具體流量。電磁閥開關(guān)受PLC程序控制。采用熱導(dǎo)氣體分析儀對(duì)混合氣氣罐內(nèi)的混合氣中的CO2百分比進(jìn)行分析，并將結(jié)果通過RS232通信的方式傳送給PLC.PLC首先根據(jù)當(dāng)前氣罐壓力Ppc與設(shè)定目標(biāo)控制壓力Ppp進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果及預(yù)設(shè)的CO2百分比φco2計(jì)算出需要輸入的Ar與CO2氣體的量△Vco2與△VAr，并控制兩路電磁閥全部打開。利用渦街流量計(jì)對(duì)流出氣體進(jìn)行計(jì)量，當(dāng)計(jì)量值VSP與需輸入氣體量相等時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)氣路的電磁閥，停止比例混配階段控制，進(jìn)入百分比檢測(cè)反饋補(bǔ)償階段。具體控制流程如圖3所示。

圖3 比例混配控制階段控制流程

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得

式中，Ps為氣源氣壓；△P為當(dāng)前壓力與目標(biāo)控制壓力之差；△V為需輸入的氣體流量；VD為混合氣儲(chǔ)氣罐體積。

由于儲(chǔ)氣罐中需輸入的氣體流量△V包括Ar及CO2兩部分，而壓力差為Ppp與Ppc之差，可得

且Ar及CO2在儲(chǔ)氣罐中的百分比滿足

由此，不難通過上述公式計(jì)算出在氣體比例混合階段需要注入的Ar與CO2氣體的量△VCO2與△VAr.

2.2.2 百分比檢測(cè)反饋補(bǔ)償階段控制流程

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入百分比檢測(cè)反饋補(bǔ)償階段，系統(tǒng)根據(jù)氣體分析儀的CO2氣體比例進(jìn)行判斷，如比例偏差在1.5%的范圍內(nèi)，則不進(jìn)行反饋補(bǔ)償，直接結(jié)束儲(chǔ)氣過程。當(dāng)超過偏差允許范圍時(shí)，視情況打開Ar或CO2電氣閥，根據(jù)偏差范圍超出值的多少控制再次補(bǔ)償?shù)腁r或CO2氣體量，進(jìn)行反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)，從而使儲(chǔ)氣罐中的混合氣中CO2的比例達(dá)到允許誤差范圍內(nèi)，以供后續(xù)使用。如圖4所示。

圖4 百分比檢測(cè)反饋補(bǔ)償控制流程

2.3 上位機(jī)監(jiān)控及報(bào)警功能

通過上位機(jī)監(jiān)控界面，可對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行指示與啟?？刂?，顯示當(dāng)前Ar與CO2氣源壓力、儲(chǔ)氣罐的當(dāng)前壓力、溫度等信息。還可以通過其對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐控制壓力進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置范圍為0.5～0.8 MPa之間，通常設(shè)置不超過0.75 MPa以留有0.05 MPa余量進(jìn)行反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)。對(duì)混合氣中CO2的比例進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置范圍在0～30%之間，根據(jù)使用情況通常設(shè)定為20%.并通過RS232接口與PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。

此外，系統(tǒng)配有報(bào)警功能，當(dāng)輸入氣源壓力低于0.8 MPa時(shí)，用于檢測(cè)氣源壓力值的壓力變送器將檢測(cè)信號(hào)傳送給PLC及上位機(jī)，系統(tǒng)提示當(dāng)前氣源壓力過低并報(bào)警，提示更換氣源氣瓶。

3 結(jié)束語

混合氣自動(dòng)匹配裝置對(duì)氣體保護(hù)焊具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文分析了混合氣體匹配的方法，并對(duì)Ar及CO2按比例控制法混合配比的可行性進(jìn)行了分析，并依此設(shè)計(jì)了混合氣體自動(dòng)匹配裝置的整體結(jié)構(gòu)，提出了系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)控制流程，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面及相關(guān)控制功能，對(duì)氣保焊混合氣體自動(dòng)配比裝置的研發(fā)具有良好的工程推廣價(jià)值與借鑒意義。

[1]王明強(qiáng)，李欽奉，俞孟蕻，等.焊接用混合氣體混配的控制研究[J].焊接設(shè)備與材料，2002，31（3）：37-38.

[2]林喆，于鵬.新型智能氣體混合配比裝置的開發(fā)與研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（01）:71.

[3]王曉亮，張金光，劉漢冶.氣體混合配比儀校準(zhǔn)方法研究[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2013，33（S1）:85-87.

Research and Design of Automatic Welding Gas Mixer

WANG Yan-sheng1，WANG Bao-xiang2
（1.Tianjin Vocational College of Electrical and Mechanical，Tianjin 300350，China；2.Tianjin Hua-Shi engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300382，China）

Gas shielded arc welding is widely used at present.Ar+CO2mixture is the most widely used among the many gas mixtures which can be greatly improve the welding efficiency and quality.Therefore，the research and design of welding gas mixer has great value on practical engineering.In this paper，Ar+CO2mixture is taken as an example to study the proportion method of gas mixing，and a design scheme of gas mixer based on proportional distribution method and adjustable mixing proportion is put forward.The technology has been used in the product and received good results.

welding gasmixer；gas shielded arc welding；welding gas；Ar+CO2

TG446

A

1672-545X（2017）02-0026-03

2016-11-01

天津市高等職業(yè)技術(shù)教育研究會(huì)課題研究成果（編號(hào)：XV405）；天津市教育科學(xué)規(guī)劃課題研究成果（編號(hào)：VEYP5044）

王延盛（1985-），男，天津人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制及裝置研發(fā)；王寶翔（1990-），男，天津人，?？?，研發(fā)部工程師，主要研究方向?yàn)楹附幼詣?dòng)化控制及應(yīng)用。