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(guò)程中達(dá)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(guò)程中需使用三路氬氣作為焊接和保護(hù)氣體，每月氬氣耗用量較大，氬氣費(fèi)用是生產(chǎn)成本的一項(xiàng)重要支出?，F(xiàn)有焊接使用的焊槍及保護(hù)罩所用氬氣都是通過(guò)軟管與管道氣連接，軟管與管道氣之間連接流量閥，通過(guò)流量閥控制氣源的開(kāi)關(guān)。實(shí)際施焊過(guò)程中如需中斷焊接操作，施焊人員往往忽視關(guān)閉閥門(mén)，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(hù)。為改善現(xiàn)有焊接設(shè)備及氣體保護(hù)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(jì)、制作了焊接保護(hù)氣體自動(dòng)控制裝置。

1 焊接保護(hù)氣體節(jié)流技術(shù)

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

公司焊接原使用的焊槍及保護(hù)罩氬氣都是通過(guò)軟管與管道氣連接，軟管與管道氣之間連接流量閥，進(jìn)氣和停氣依靠流量閥的開(kāi)和關(guān)，每次開(kāi)關(guān)都需要焊工手工操作。對(duì)于鈦、鋯、鎳基合金等特種金屬焊接，施焊過(guò)程分為提前送氣、正常用氣和滯后停氣三個(gè)階段。因此如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制一體化，避免焊工頻繁操作流量閥，同時(shí)又能自動(dòng)控制保護(hù)氣，且滿足焊接用氣的三個(gè)階段，是要解決的技術(shù)問(wèn)題。

1.2 技術(shù)原理

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，主要采用以下三個(gè)措施，第一，在送氣管道上安裝氣體電磁閥，通過(guò)電磁閥開(kāi)、關(guān)來(lái)控制進(jìn)氣和停氣；第二，另外安裝兩個(gè)時(shí)間繼電器，一個(gè)時(shí)間繼電器延遲焊接起弧來(lái)實(shí)現(xiàn)提前送氣，另一時(shí)間繼電器延遲電磁閥關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后停氣；第三，將電磁閥、時(shí)間繼電器都和焊機(jī)的起弧開(kāi)關(guān)連接在一起。這樣焊工只需要控制起弧開(kāi)關(guān)，就可以在正常焊接的同時(shí)控制焊接保護(hù)氣，使保護(hù)氣的進(jìn)氣、停氣與焊接過(guò)程同步，這樣既減少了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，又能有效節(jié)省保護(hù)氣體。

技術(shù)原理如圖1所示，當(dāng)焊工打開(kāi)起弧開(kāi)關(guān)，氣體電磁閥首先打開(kāi)，氣路開(kāi)始向焊槍和保護(hù)罩送氣，同時(shí)通電至?xí)r間繼電器，時(shí)間繼電器延遲1～5秒（根據(jù)具體工況定），延遲時(shí)間到啟動(dòng)焊機(jī)高頻電源，焊槍起弧開(kāi)始焊接；當(dāng)焊工關(guān)閉起弧開(kāi)關(guān)，焊接高頻電源關(guān)閉，焊槍息弧停止焊接，同時(shí)通電至?xí)r間繼電器，時(shí)間繼電器延遲20～60秒（根據(jù)具體工況定），延遲時(shí)間到氣體電磁閥關(guān)閉，氣路停止向焊槍和保護(hù)罩送氣，一個(gè)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(hù)氣體節(jié)流技術(shù)原理圖

圖2 焊接保護(hù)氣體控制裝置布置原理圖

2 氣體節(jié)約量測(cè)定統(tǒng)計(jì)

2.1 測(cè)定目的

為驗(yàn)證氬弧焊保護(hù)氣體節(jié)流控制裝置的應(yīng)用效果，采用氣體流量計(jì)對(duì)裝置分狀態(tài)進(jìn)行計(jì)量測(cè)定統(tǒng)計(jì)。

2.2 氣體質(zhì)量流量計(jì)

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

2.3 測(cè)量工位

選擇在自動(dòng)焊管組對(duì)合口、點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行測(cè)定統(tǒng)計(jì)。因?yàn)榻M對(duì)、點(diǎn)焊操作過(guò)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(guò)程共用兩路氣，一路是焊槍保護(hù)氣，另一路是背部保護(hù)氣。焊槍保護(hù)氣工作時(shí)氣體流量約16L/min，背部保護(hù)氣工作時(shí)開(kāi)至最大，氣體流量約35L/min。在焊接過(guò)程中，這兩個(gè)數(shù)據(jù)基本保持不變。

2.4 節(jié)氣裝置安裝前測(cè)定

在氣體管道上安裝氣體質(zhì)量流量計(jì)，但不裝節(jié)氣裝置，點(diǎn)焊過(guò)程中槍保護(hù)氣和背部保護(hù)氣一直處于開(kāi)放狀態(tài)。在流量計(jì)無(wú)故障的情況下，只要兩路氣體流量不變，原則上總用氣量?jī)H與時(shí)間相關(guān)。因此我們進(jìn)行了兩個(gè)時(shí)間段測(cè)量，按流量計(jì)顯示記錄，詳見(jiàn)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(cè)定

在氣體管道上安裝氣體質(zhì)量流量計(jì)和節(jié)氣裝置，槍保護(hù)氣和背部保護(hù)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(dòng)斷氣。分別對(duì)φ159×3mm和φ168.3×7.11mm兩種規(guī)格的鈦管點(diǎn)焊進(jìn)行測(cè)定統(tǒng)計(jì)，按流量計(jì)顯示記錄，詳見(jiàn)表2和表3。

表2 節(jié)氣裝置安裝后φ159×3mm鈦管點(diǎn)焊用氣量

表3 節(jié)氣裝置安裝后φ168.3×7.11mm鈦管點(diǎn)焊用氣量

2.6 測(cè)定結(jié)果

從表2和表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中可計(jì)算出理論每小時(shí)可節(jié)省42.5%～51.2%的用氣量，考慮到點(diǎn)焊情況特殊，正常焊接時(shí)連續(xù)性較強(qiáng)，氣體節(jié)約量不會(huì)這么多，但正常焊接時(shí)會(huì)多一路保護(hù)氣，綜合考慮氣體節(jié)約量應(yīng)當(dāng)在25%～30%。

3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

根據(jù)實(shí)際費(fèi)用結(jié)算，每套節(jié)氣裝置費(fèi)用需350元，安裝20套共需費(fèi)用7000元。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)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(wàn)元/年，安裝使用控制裝置后，按全年預(yù)計(jì)節(jié)約氬氣25%～30%計(jì)算，每年可節(jié)約氬氣費(fèi)用34.65～41.58萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論

對(duì)焊機(jī)起弧裝置和供氣管路進(jìn)行了改造，合理地加入氣體電磁閥和時(shí)間繼電器，通過(guò)起弧開(kāi)關(guān)將焊接操作和供氣控制合二為一，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，實(shí)踐表明，氬氣使用量可減少25%～30%，每年可節(jié)約氬氣費(fèi)用約40萬(wàn)元，同時(shí)還有效降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，更好地保證了員工的職業(yè)健康。