鎢極氬弧焊保護氣體節(jié)流技術(shù)

張鵬，劉寧玉，劉生海

（南京麥馳鈦業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211113）

鎢極氬弧焊是有色金屬焊接中應(yīng)用最廣泛的焊接方法，也是焊接質(zhì)量最好的焊接方法之一。我司作為一家有色金屬加工制造企業(yè)，鎢極氬弧焊的使用在焊接過程中達80%以上。為保證鈦、鋯、鎳基合金等特種金屬構(gòu)件的焊接質(zhì)量，焊接過程中需使用三路氬氣作為焊接和保護氣體，每月氬氣耗用量較大，氬氣費用是生產(chǎn)成本的一項重要支出。現(xiàn)有焊接使用的焊槍及保護罩所用氬氣都是通過軟管與管道氣連接，軟管與管道氣之間連接流量閥，通過流量閥控制氣源的開關(guān)。實際施焊過程中如需中斷焊接操作，施焊人員往往忽視關(guān)閉閥門，造成氬氣流失，既增加生產(chǎn)成本，又易造成氬氣富集而不利于員工職業(yè)健康保護。為改善現(xiàn)有焊接設(shè)備及氣體保護單元結(jié)構(gòu)的不足，降低焊接成本，增加效益，我司自主設(shè)計、制作了焊接保護氣體自動控制裝置。

1 焊接保護氣體節(jié)流技術(shù)

1.1 技術(shù)難點

公司焊接原使用的焊槍及保護罩氬氣都是通過軟管與管道氣連接，軟管與管道氣之間連接流量閥，進氣和停氣依靠流量閥的開和關(guān)，每次開關(guān)都需要焊工手工操作。對于鈦、鋯、鎳基合金等特種金屬焊接，施焊過程分為提前送氣、正常用氣和滯后停氣三個階段。因此如何實現(xiàn)機電控制一體化，避免焊工頻繁操作流量閥，同時又能自動控制保護氣，且滿足焊接用氣的三個階段，是要解決的技術(shù)問題。

1.2 技術(shù)原理

為解決上述技術(shù)問題，主要采用以下三個措施，第一，在送氣管道上安裝氣體電磁閥，通過電磁閥開、關(guān)來控制進氣和停氣；第二，另外安裝兩個時間繼電器，一個時間繼電器延遲焊接起弧來實現(xiàn)提前送氣，另一時間繼電器延遲電磁閥關(guān)閉來實現(xiàn)滯后停氣；第三，將電磁閥、時間繼電器都和焊機的起弧開關(guān)連接在一起。這樣焊工只需要控制起弧開關(guān)，就可以在正常焊接的同時控制焊接保護氣，使保護氣的進氣、停氣與焊接過程同步，這樣既減少了焊工勞動強度，又能有效節(jié)省保護氣體。

技術(shù)原理如圖1所示，當(dāng)焊工打開起弧開關(guān)，氣體電磁閥首先打開，氣路開始向焊槍和保護罩送氣，同時通電至?xí)r間繼電器，時間繼電器延遲1～5秒（根據(jù)具體工況定），延遲時間到啟動焊機高頻電源，焊槍起弧開始焊接；當(dāng)焊工關(guān)閉起弧開關(guān)，焊接高頻電源關(guān)閉，焊槍息弧停止焊接，同時通電至?xí)r間繼電器，時間繼電器延遲20～60秒（根據(jù)具體工況定），延遲時間到氣體電磁閥關(guān)閉，氣路停止向焊槍和保護罩送氣，一個焊接周期完成。具體控制裝置布置如圖2所示。

圖1 焊接保護氣體節(jié)流技術(shù)原理圖

圖2 焊接保護氣體控制裝置布置原理圖

2 氣體節(jié)約量測定統(tǒng)計

2.1 測定目的

為驗證氬弧焊保護氣體節(jié)流控制裝置的應(yīng)用效果，采用氣體流量計對裝置分狀態(tài)進行計量測定統(tǒng)計。

2.2 氣體質(zhì)量流量計

氣體質(zhì)量流量計系矽翔微機電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號：MF5712-N-200，流量范圍：0-200L/min。

2.3 測量工位

選擇在自動焊管組對合口、點焊機上進行測定統(tǒng)計。因為組對、點焊操作過程是頻繁間斷地起弧、息弧，重復(fù)且連續(xù)工作，具有較典型的參考意義。

該焊接過程共用兩路氣，一路是焊槍保護氣，另一路是背部保護氣。焊槍保護氣工作時氣體流量約16L/min，背部保護氣工作時開至最大，氣體流量約35L/min。在焊接過程中，這兩個數(shù)據(jù)基本保持不變。

2.4 節(jié)氣裝置安裝前測定

在氣體管道上安裝氣體質(zhì)量流量計，但不裝節(jié)氣裝置，點焊過程中槍保護氣和背部保護氣一直處于開放狀態(tài)。在流量計無故障的情況下，只要兩路氣體流量不變，原則上總用氣量僅與時間相關(guān)。因此我們進行了兩個時間段測量，按流量計顯示記錄，詳見表1。

表1 節(jié)氣裝置安裝前用氣量

2.5 節(jié)氣裝置安裝后測定

在氣體管道上安裝氣體質(zhì)量流量計和節(jié)氣裝置，槍保護氣和背部保護氣都處于節(jié)氣裝置的控制下，設(shè)定提前3秒送氣、息弧后20秒自動斷氣。分別對φ159×3mm和φ168.3×7.11mm兩種規(guī)格的鈦管點焊進行測定統(tǒng)計，按流量計顯示記錄，詳見表2和表3。

表2 節(jié)氣裝置安裝后φ159×3mm鈦管點焊用氣量

表3 節(jié)氣裝置安裝后φ168.3×7.11mm鈦管點焊用氣量

2.6 測定結(jié)果

從表2和表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可計算出理論每小時可節(jié)省42.5%～51.2%的用氣量，考慮到點焊情況特殊，正常焊接時連續(xù)性較強，氣體節(jié)約量不會這么多，但正常焊接時會多一路保護氣，綜合考慮氣體節(jié)約量應(yīng)當(dāng)在25%～30%。

3 經(jīng)濟效益計算

根據(jù)實際費用結(jié)算，每套節(jié)氣裝置費用需350元，安裝20套共需費用7000元。另據(jù)統(tǒng)計資料表明，我司2017年、2018年及2019年上半年月均消耗氬氣38.5噸，每噸氬氣3000元，38.5×0.3×12=138.6萬元/年，安裝使用控制裝置后，按全年預(yù)計節(jié)約氬氣25%～30%計算，每年可節(jié)約氬氣費用34.65～41.58萬元，經(jīng)濟效益明顯。

4 結(jié)論

對焊機起弧裝置和供氣管路進行了改造，合理地加入氣體電磁閥和時間繼電器，通過起弧開關(guān)將焊接操作和供氣控制合二為一，實現(xiàn)了機電一體化，實踐表明，氬氣使用量可減少25%～30%，每年可節(jié)約氬氣費用約40萬元，同時還有效降低了工人勞動強度，更好地保證了員工的職業(yè)健康。