劉麗華

(北京普萊克斯實用氣體有限公司，北京 100124)

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·特氣制備·

5.5N激光氣配制方法的研究

劉麗華

(北京普萊克斯實用氣體有限公司，北京 100124)

摘要:選擇原料氣，尋找處理氣瓶的最佳方法，之后采用重量與分壓法結合的方法，研制5.5N激光混合氣；配制完成，對混合氣進行數(shù)據(jù)分析，以確定產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠。

關鍵詞:激光混合氣；重量；分析；分壓法；比對偏差

經(jīng)過近40年的實踐，人們主要用二氧化碳氣體激光加工技術來進行切割工作。二氧化碳氣體激光氣大部分應用在切割領域，具備精度高、效率好的兩大優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)的沖切、等離子及火焰等切割技術所不具備的。

自20世紀60年代激光問世以來，其應用范圍日益廣泛。其中二氧化碳氣體激光氣的應用尤為成熟?，F(xiàn)在，全世界每年對各類二氧化碳氣體激光氣的加工機需求約為4000臺。全球最大的市場是歐洲，年需求量約為1600臺；緊隨其后的是亞洲市場，年需求量約為1500臺；目前，增長速度最快的是中國市場，自20世紀90年代末以來，以年約30%的速度增長，現(xiàn)在的年需求量已經(jīng)超過了300臺。

從二氧化碳氣體激光加工技術誕生開始，人們就對它的應用進行了各種各樣的嘗試。經(jīng)過近40年的實踐，人們主要用它來進行切割工作。如今激光鉆微孔技術在印刷電路制造業(yè)中已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的工藝及激光熱處理技術等。本課題主要介紹二氧化碳及其組分的混合氣配制研制過程。

1氣體激光器分類

氣體激光器主要分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準分子激光器等。它們有很寬的工作波長范圍，從真空紫外波長到遠紅外波長,既可以連續(xù)方式工作,也可以脈沖方式工作。

1.1原子氣體激光器

包括各種惰性氣體激光器和各種金屬蒸氣激光器，如：氦、氖激光器和銅蒸氣激光器。

1.2離子氣體激光器

主要是惰性氣體和金屬蒸氣的激光器。典型的離子激光器有氬離子激光器、氪離子激光器和氦鎘激光器等。

1.3分子氣體激光器

工作物質(zhì)是中性氣體分子，如氮、一氧化碳、二氧化碳及水蒸氣等。其中以二氧化碳激光器最為重要，其特點是效率高，大約在10%～25%范圍內(nèi)可以獲得很高激光功率。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向氣體循環(huán)流動型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續(xù)調(diào)諧激光器、氣動激光器和波導激光器等。此類型的激光器放電管里充有氦、氮及二氧化碳混合氣，為本文主要研究的CO2、N2、He激光混合氣體。

1.4準分子激光器

利用準分子的束縛高能態(tài)和排斥性或弱束縛的基態(tài)之間受激發(fā)射的激光器。準分子激光器的主要受激準分子是惰性氣體準分子和惰性氣體鹵化物準分子。

25.5N CO2、N2、He激光混合氣體質(zhì)量要求

2.1CO2、N2、He激光混合氣體控制標準(見表1)

表1　激光氣產(chǎn)品控制指標

2.2氣體純度的要求

要達到5.5N產(chǎn)品的控制標準，原料氣的純度是至關重要的。首先是氦氣，其雜質(zhì)要求非常嚴格。水含量小于2×10-6，氧氣含量要小于1×10-6，經(jīng)過配制實驗，最后采用瓶組的供氣方法。配制之前，要分析所要用的瓶組是否完全能達到控制指標，合格方可使用，詳見表2。氮氣供氣方式采用管道供給，詳見表3控制標準。配制之前，分析管道氮氣達到氧小于1×10-6，水要小于2×10-6，才可以使用。國內(nèi)的二氧化碳原料氣其THC和水要達到表1控制指標是非常困難的，經(jīng)過分析國內(nèi)多家產(chǎn)品，最后決定選擇美國進口的5.5N CO2，控制指標見表4。

表2　He氣瓶瓶組

表3　N2管道供氣

表4　美國進口5.5N CO2

3CO2、N2、He激光混合氣體配制

3.1氣瓶和瓶閥要求

1.包裝容器采用40 L鋼瓶，氣瓶的充裝壓力為10 MPa，使用壓力下限為0.5 MPa。

2.配制激光氣瓶閥要進行內(nèi)拋光。

3.新投氣瓶和新水壓氣瓶，要進行抽空加熱8 h。

4.抽空處理完的氣瓶，進行配制之前要進行再抽空，然后墊氮氣吹洗氣瓶，放空，抽空。

5.如若返回的氣瓶水壓期沒過，要檢測氣瓶內(nèi)是否有余壓，如有余壓，將氣瓶與放空盤連接，放空、抽空；沒有余壓的氣瓶，要送到抽空、加熱處理，加熱完的氣瓶之后執(zhí)行如上3、4項。

3.2CO2、N2、He激光混合氣體配制方法

本課題研究的CO2、N2、He激光混合氣體采用重量法和分壓并用的配制方法，一次可以配制12瓶。將一只氣瓶放在KCC-150電子秤上，其它11個氣瓶與重量法氣瓶連接在同一匯流排上，利用分壓的方法進行配制。用氣相色譜法進行性能考察，以驗證方法的準確性、系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.3設備狀況

CO2、N2、He激光混合氣體采用重量法配制，重量法的計算采用美國普萊克斯的配氣軟件。將稱完重量的氣瓶，放到混瓶機上混合(美國Galiso)，然后用氣相色譜的方法，對所配制的混合氣體進行定性、定量分析。氣瓶的抽空加熱設備裝置為BPI自行設計，其真空度為2 kPa，同時在配氣現(xiàn)場又配備美國普萊克斯制造的抽空盤，其抽空度為8 Pa。配氣設備為美國普萊克斯制造的，配氣盤分為可燃性和氧化性配氣盤，抽真空度可達8 Pa。電子秤為德國產(chǎn)的METTLER，KCC-150，其最大稱量為150 kg，感量為1 g。

此次所用的分析儀器為日本島津的GC-14B(2臺)。水分析儀器是美國的Meeco[(0.01～20)×10-6]，氧分析儀器是Servomex 4100。

3.4單個放在電子秤上配制重量法原理

本課題采用GB 5274—2008/ISO 6142:2001《氣體分析 校準用混合氣體的制備 稱量法》進行操作。其原理是將原料氣體定量地從原料氣瓶轉(zhuǎn)移到混合氣氣瓶來制備，原料氣體可以是純氣，也可以是已知組分的、通過稱量法制備的混合氣。氣體組分的添加量通過每次充裝后稱量來完成。配制的CO2、N2、He激光混合氣體采取了重量法的方法來完成。最終混合氣組分的摩爾分數(shù)是通過公式(1)來計算，表5是此次氣瓶充裝的量。

(1)

式中，xi為組分i在最終混合氣中的摩爾分數(shù)，i=1，…，n；p為原料氣總數(shù)；n為最終混合氣中組分總數(shù)；mA為原料氣A稱量質(zhì)量，A=1，…，P，單位為g；Mi為組分i的物質(zhì)的量，單位為g/mol，i=1，…，n；xi,A為原料氣A(A=1，…，p)，組分i(i=1，…，n)的摩爾分數(shù)。

表5　CO2、N2、He充裝的量

3.5其它氣瓶配制原理

采取溫度與壓力充裝對照來配制，一支氣瓶充裝到要配制的重量之后，其它的氣瓶也同時進行充裝，要等充裝的所有氣瓶充裝量不變之后，穩(wěn)定10 min，穩(wěn)定過程中要測量每支氣瓶的瓶溫，也要監(jiān)測壓力沒有變化,每支瓶溫基本一樣，直到充裝量、壓力穩(wěn)定不變，方可進行下一組分的充裝。

4CO2、N2、He激光混合氣體的氣相色譜分析條件

CO2、N2、He激光混合氣體分析條件見表6。

表6　CO2、N2、He激光混合氣體分析條件

5CO2、N2、He激光混合氣體混勻、均勻性考察

5.1CO2、N2、He激光混合氣體的混合均勻性考察

研究中，我們將對重量、分壓制備的CO2、N2、He激光混合氣體的混合、均勻性進行考察。按照GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006標準樣品導則(3)《標準樣品定值的一般原則和統(tǒng)計方法》[5-6]中對CO2、N2、He激光混合氣體進行均勻性檢驗的評價要求，同時根據(jù)T檢驗，建立了CO2、N2、He激光混合氣體量值(Y)隨時間(X)變化的回歸方程：Y=b0+b1X(式中，Y為各實際測量值，X為氣體配制后放置時間)，計算公式見式(2)～(5)。表7是CO2、N2、He激光混合氣體在配制后短時間內(nèi)混勻狀態(tài)變化的情況。本次考察方法是氣體配制完后，滾動混勻30 min，然后每隔30 min分析一次。并按照相關均勻性檢測數(shù)據(jù)處理方法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

(2)

(3)

式中，b0為線性回歸方程的截距；

(4)

式中，n為測量次數(shù)；

(5)

式中，s(b1)為b1的標準偏差。

在評價過程中，自由度為n-2=4，置信水平為p=0.95(95%)的顯著水平下，t檢驗的臨界值等于2.78。若|b1|t0.95,n-2×s(b1)，混合氣的均勻性和穩(wěn)定性不好。根據(jù)以上公式，得出均勻性的實驗結果，實驗結果見表7。

表7　CO2、N2、He激光混合氣體混勻?qū)嶒灲Y果

用稱量法、分壓法配制的CO2、N2、He激光混合氣體在配制完后各取一瓶，每隔30 min混勻。從表7分析的數(shù)據(jù)表明，氣體呈現(xiàn)出良好的混合均勻。說明該CO2、N2、He激光混合氣體均勻性良好。

5.2色譜法進行定值、可靠性考察

研究中對同一批的混合氣，取重量法配制的混合氣體氣瓶，用之前重量法配制好的做為標準氣，標定配制混合氣體，進行比對分析，將重量法值與分析值進行比較，見表8。

表8　CO2、N2、He激光混合氣體方法

從表8分析數(shù)據(jù)上考察，對氣相色譜法與重量法配制值的結果進行比對，重量值和分析值的比對誤差≤±1%，說明用色譜法進行定值，方法準確可靠，可以做為氣體穩(wěn)定性的考核手段。

5.3CO2、N2、He激光混合氣體的復現(xiàn)性考察

用之前配制的重量法為標準，分別在不同的時間配制，同配比的混合氣進行分別分析，取重量法混合氣，以考察我們這種配制CO2、N2、He激光混合氣體方法的復現(xiàn)性，見表9。

表9　CO2、N2、He激光混合氣體方法的復現(xiàn)性考察

從表9中的實驗數(shù)據(jù)可以看出比對誤差≤±1%，說明用此分析方法的復現(xiàn)性好，具有滿足生產(chǎn)這種激光混合氣的條件。

5.4CO2、N2、He激光混合氣體穩(wěn)定性及有效期的考察

穩(wěn)定性是考察CO2、N2、He激光混合氣體的量值在相當一段時間內(nèi)的變化情況，將配制完的CO2、N2、He激光混合氣體在12個月時間內(nèi)，進行7次分析測試，自由度為5，置信水平為p=0.95(95%)的顯著水平下，t檢驗的臨界值等于2.57，穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)見表10。

表10　CO2、N2、He激光混合氣體穩(wěn)定性實驗結果

實驗結果表明：CO2、N2、He激光混合氣體穩(wěn)定性變化最大為0.2%，說明該激光混合氣體的特性量值在本實驗的時間內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，從t實驗數(shù)據(jù)可以看出在本系列激光混合氣體定為1a有效期內(nèi)，它的特性量值數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

5.5CO2、N2、He激光混合氣體放壓實驗考察

CO2、N2、He激光混合氣體包裝在高壓氣瓶中，充裝壓力為10 MPa，隨著CO2、N2、He激光混合氣體的不斷使用，壓力隨之降低，測量量值是否發(fā)生變化。我們用氣相色譜法對CO2、N2、He激光混合氣體進行放壓實驗分析，實驗壓力從10～0.5 MPa逐級降低壓力后進行分析考察，實驗采用F檢驗方法進行數(shù)據(jù)分析其變化情況。計算公式(6)～(14)。

(6)

(7)

(8)

式中，SS內(nèi)為組內(nèi)Y值方差平方和。

(9)

式中，SS間為組間各平均值與總平均值方差平方和的n倍。

N1=k-1(組間自由度)

(10)

N2=k(n-1)(組內(nèi)自由度)

(11)

式中，N1，N2為自由度。

MS間=SS間/N1

(12)

式中，MS間為不同壓力值測定測量結果的均方。

MS內(nèi)=SS內(nèi)/N2

(13)

式中，MS內(nèi)為同一壓力值測量結果的均方。

F=MS間/MF內(nèi)

(14)

Fα,N1,N2：自由度為N1，N2，顯著性水平為α時的臨界統(tǒng)計量。

若FFα,N1,N2瓶內(nèi)均勻性不好。CO2、N2、He激光混合氣體隨壓力變化的實驗結果見表11。

表11　CO2、N2、He激光混合氣體隨壓力變化的實驗結果

表11數(shù)據(jù)表明，用稱量法配制CO2、N2、He激光混合氣體其壓力在10～0.5 MPa，從分析的數(shù)值上看出相對標準偏差在±1%范圍內(nèi)，其量值無明顯變化，F(xiàn)

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6比對試驗

6.1比對偏差

為了驗證我公司研制的CO2、N2、He激光混合氣體的準確性，特將此混合氣體用我們從墨西哥購買的標準物質(zhì)進行標定，將此標定的數(shù)與BPI的標準氣標定的結果進行比對，結果見表12。

表12BPI與墨西哥標定值進行比對測試數(shù)據(jù)

Table 12Comparing results the BPI standard with the Mexican standard

瓶號組分BPI標準標定/10-2墨西哥標準標定/10-2比對偏差/%20089CO25.0085.015-0.007N235.0835.12-0.040

表12數(shù)據(jù)表明，我公司研制的CO2、N2、He激光混合氣體與用墨西哥的標準分析結果一致，比對偏差小于1%，說明量值準確可靠。

6.2CO2、N2、He激光混合氣體配制后全分析結果(見表13)

從表13中看出，配制CO2、N2、He激光混合氣體產(chǎn)品完全滿足如表1中的控制指標，說明此配制方法可以用于配制此類型的激光混合氣。

表13　CO2,N2,He激光混合氣體全分析結果

7結論

綜上系列分析結果表明，本課題研制的CO2、N2、He激光混合氣體是準確可靠、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，利用這種配制方法能夠生產(chǎn)出5.5N穩(wěn)定、可靠的激光氣產(chǎn)品，同時也能滿足用戶所需的同類型產(chǎn)品。

參考文獻：

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The Researching Method of Blending the 5.5N Laser Mixture Gas

LIU Lihua

(Beijing Praxair Inc. Beijing 100124，China)

Abstract:Choosing the raw gases, and then dealing with the cylinder of vacuum and dry. Blended method of the 5.5N laser mixture gases can be used the weight and the partial pressure. After the mixture gases finished, run the instruments for analyses. Then analyzed results can be decided the stable and reliable products.

Key words:laser mixture gas；weight；analysis；partial pressure；compared deviation

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號：TQ117

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)03-0037-06

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.009

作者簡介：

劉麗華，女，特氣高級工程師，1984年工作以來一直從事氣體的配制、特氣分析的研究工作。