气体保护焊接混合气体自动匹配装置的研究与设计

王延盛，王宝翔

气体保护焊接混合气体自动匹配装置的研究与设计

王延盛1，王宝翔2

（1.天津机电职业技术学院，天津300350；2.天津开发区华实工程有限公司，天津300382）

气体保护焊是目前采用较为普遍的焊接方式，其中尤以混合气体保护焊应用最为广泛。在众多二元、三元混合气体组合中，尤以Ar+CO2混合气的应用最为普遍，可使焊接效率与质量得到大大提高。因此，研究并设计焊接混合气体自动匹配装置具有重要的实际应用价值。本文主要以Ar+CO2混合气为例，对气体混合的比例方法进行了研究，并提出了一种基于比例分配法、混配比例可调的气体混配装置设计方案，并在实际产品中予以应用，效果良好。

气体混合装置；保护焊；焊接气体；Ar+CO2

随着我国装备制造技术水平的不断提高，对产品焊接加工的效率、质量、成型、能耗等要求也日益提高，使得气体保护焊在日常焊接加工应用中日趋广泛。常见的气体保护焊分为单一气体保护焊和混合气体保护焊，而后者又分为双元或三元气体保护焊。混合气体保护焊较单一气体保护焊，在焊接的质量、效率等方面更具优势。而在众多保护焊混合气体组合中，尤以Ar+CO2混合气的应用最为普遍，能够针对不同焊接材质按照不同气体配比范围进行焊接，并达到较为理想的焊接效果。所以，在焊接过程中，提供持续、稳定的高精度配比混合气体，对气体保护焊的质量、效率具有重要的影响。因此，研究并设计焊接气体混合装置具有重要的实际应用价值。

1 混合气体匹配方法的研究

1.1 混合气体配比的方法

对于气体来说，在压强不是很大、温度不是很高的情况下可以等效为理想气体。理想气体在进行计算时，可使用理想气体状态方程，如式1所示。

其中，R为比例常数。由此，不难发现，当压强P与温度T一定时，气体的物质的量n与体积V成正比。因此，对于理想气体来说，在一定的温度与压强下对不同气体按照固定的百分比进行混合，如果可以控制好不同混入气体的体积，即可达到按比例混合气体的目的[1]。

1.2 Ar、CO2按比例控制混合配比的可行性分析

对于任何气体来说，要想按照上述方法进行气体混合，其首要条件是必须符合理想气体。以CO2气体为例，其沸点为-56.55℃，8克液态CO2在25℃不同压强（1 MPa以内）状态下，其实际气体体积与用理想气体状态方程推算出的气体体积几乎相同，偏差范围在2%以内，如表1所示。因此，CO2完全可以等效为理想气体，在对其进行控制计算时可利用理想气体状态方程进行计算。氩气的沸点为-185.7℃，较二氧化碳更为稳定，在一定温度压力下同样可视作理想气体进行分析。因此，对于Ar及CO2气体来说按照比例控制法进行混合配比是可行的[2]。

表1 8克液态CO 2在2 5℃不同压力下的理想计算体积与实际体积比较

2 混合气体自动匹配装置的研究与设计

2.1 混合气体自动匹配装置的结构

混合气体自动匹配装置在结构上主要由Ar与CO2气源、压力变送器、过滤减压阀、电磁阀、涡街流量计、气体分析仪、混合气储气罐、PLC及配套模拟量模块、上位机触摸屏及配套气路组成[3]，具体结构如图1所示。

图1 混合气体自动匹配装置结构示意图

2.2 混合气体自动匹配装置的工作原理

混合气混配装置在工作过程中主要由比例混配控制阶段与百分比检测反馈补偿控制阶段来实现高精度气体混配控制。简要流程如图2所示。

图2 装置简要工作流程

2.2.1 比例混配阶段控制流程

当系统开始工作时，首先进入比例混配控制阶段。Ar与CO2气体从气源输出后经过滤减压阀降压至0.8 MPa后，由电磁阀开关控制流入混合气气罐，并分别被气体涡街流量计检测具体流量。电磁阀开关受PLC程序控制。采用热导气体分析仪对混合气气罐内的混合气中的CO2百分比进行分析，并将结果通过RS232通信的方式传送给PLC.PLC首先根据当前气罐压力Ppc与设定目标控制压力Ppp进行比较，根据比较结果及预设的CO2百分比φco2计算出需要输入的Ar与CO2气体的量△Vco2与△VAr，并控制两路电磁阀全部打开。利用涡街流量计对流出气体进行计量，当计量值VSP与需输入气体量相等时，关闭对应气路的电磁阀，停止比例混配阶段控制，进入百分比检测反馈补偿阶段。具体控制流程如图3所示。

图3 比例混配控制阶段控制流程

根据理想气体状态方程可得

式中，Ps为气源气压；△P为当前压力与目标控制压力之差；△V为需输入的气体流量；VD为混合气储气罐体积。

由于储气罐中需输入的气体流量△V包括Ar及CO2两部分，而压力差为Ppp与Ppc之差，可得

且Ar及CO2在储气罐中的百分比满足

由此，不难通过上述公式计算出在气体比例混合阶段需要注入的Ar与CO2气体的量△VCO2与△VAr.

2.2.2 百分比检测反馈补偿阶段控制流程

当系统进入百分比检测反馈补偿阶段，系统根据气体分析仪的CO2气体比例进行判断，如比例偏差在1.5%的范围内，则不进行反馈补偿，直接结束储气过程。当超过偏差允许范围时，视情况打开Ar或CO2电气阀，根据偏差范围超出值的多少控制再次补偿的Ar或CO2气体量，进行反馈补偿调节，从而使储气罐中的混合气中CO2的比例达到允许误差范围内，以供后续使用。如图4所示。

图4 百分比检测反馈补偿控制流程

2.3 上位机监控及报警功能

通过上位机监控界面，可对系统的当前工作状态进行指示与启停控制，显示当前Ar与CO2气源压力、储气罐的当前压力、温度等信息。还可以通过其对系统的储气罐控制压力进行设置，其设置范围为0.5～0.8 MPa之间，通常设置不超过0.75 MPa以留有0.05 MPa余量进行反馈补偿调节。对混合气中CO2的比例进行设置，设置范围在0～30%之间，根据使用情况通常设定为20%.并通过RS232接口与PLC进行通信，实现系统的监控。

此外，系统配有报警功能，当输入气源压力低于0.8 MPa时，用于检测气源压力值的压力变送器将检测信号传送给PLC及上位机，系统提示当前气源压力过低并报警，提示更换气源气瓶。

3 结束语

混合气自动匹配装置对气体保护焊具有重要的实际应用价值。本文分析了混合气体匹配的方法，并对Ar及CO2按比例控制法混合配比的可行性进行了分析，并依此设计了混合气体自动匹配装置的整体结构，提出了系统的工作原理及相关控制流程，设计了系统的上位机监控界面及相关控制功能，对气保焊混合气体自动配比装置的研发具有良好的工程推广价值与借鉴意义。

[1]王明强，李钦奉，俞孟蕻，等.焊接用混合气体混配的控制研究[J].焊接设备与材料，2002，31（3）：37-38.

[2]林喆，于鹏.新型智能气体混合配比装置的开发与研究[J].数字技术与应用，2015（01）:71.

[3]王晓亮，张金光，刘汉冶.气体混合配比仪校准方法研究[J].计测技术，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

天津市高等职业技术教育研究会课题研究成果（编号：XV405）；天津市教育科学规划课题研究成果（编号：VEYP5044）

王延盛（1985-），男，天津人，硕士，讲师，主要研究方向为自动化控制及装置研发；王宝翔（1990-），男，天津人，专科，研发部工程师，主要研究方向为焊接自动化控制及应用。