焊接球阀压力组焊工装探讨

张博雅 ,周红园

哈尔滨新力光电技术有限公司  黑龙江省哈尔滨市  150000

本文主要解决的是球阀加工过程中如何高效完成密封焊接的问题

                   图01焊接球阀半剖图

一、关于焊接球阀的简介

球阀是一种以球体作为启闭件的阀门，图01所示为焊接全钢球阀三维图，球阀普遍用来截断或接通介质，也可以用于流体的调节与控制，其特点是结构简单，开关迅速，而本文中要进行讨论的则是球阀中的焊接球阀。焊接球阀在各个领域使用都非常广泛，其优越的品质和高性能的稳定性也是普通铸钢球阀所无法达到的，全焊接球阀使用寿命远远大于铸钢球阀，全焊接球阀广泛应用于城市燃气、城市供热、石油化工、造船、钢铁、调压站、发电厂等各类管道设备上。

二、焊接球阀结构的简介

图01为焊接球阀的半剖图，以展示内部结构，此焊接球阀分左中右三部分，左右两端钢套均与中间球阀工作部分环形焊缝相连，左右两端钢套的外环与中间球阀阀体配合，确保了阀体密封两端的同轴度；左右两端钢套的内环槽镶有密封圈，与阀中球体紧密配合，焊接前需先镶入密封圈，再用外力压紧至阀三段钢体完全贴合后进行焊接。本球阀工艺要求是通过物料的压强为1Mpa，问题是对阀球一侧施压1Mpa时，球对侧受正压1Mpa，球向前偏移，施压侧是处于减小1Mpa的状态，也就是说，单侧都能承受2Mpa时才算合格。两侧密封圈在安装焊接前尺寸过盈，组合后密封圈处于胀紧状态，才能承受2Mpa的密封压力。焊前压力贴紧同时应进行压力2Mpa测试，满足要求后才开始焊接环缝，由于生产都是批量。鉴于以上情况需考虑设计一套半自动焊接工装，以保证焊接质量，同时提高生产效率。

三、球阀的焊接工装的结构简介

图02焊接工装外形图

图02所示为焊接工装整体工作图,分左中右三部分介绍，先详细叙述设备结构：

1. 左侧是一个亚德客SE125气缸，行程40，固定在气缸座上，焊接工作气压0.5Mpa，前端气缸轴细牙螺纹M27x2与压紧部分连接。气缸在球阀焊接时，自始至终都处于压紧的工作状态，直到焊接完毕，才泄压松开。
2. 中间部分是动作压紧球阀部分，如图03可看到滑动压紧部分的细部结构，左侧与气缸相连，中间滑套内镶有深沟球轴承2个，前端一个推力球轴承，中间镶夹紧焊接球阀的转动轴，因有推力球轴承，故在夹紧球阀时球阀也能转动自如，为均速焊接环缝创造了条件。图04中细节结构可以看到，压紧轴右侧夹紧端面有安装凸台，可以与左侧钢套配合，从而自行找正，压紧端面配有密封垫片，在夹紧后压力测试时密封用，轴有通孔，左侧连有直角快接弯头，用于夹紧后焊接前打压2Mpa用，无泄漏现象则证明阀球密封合格。

图03焊接工装细部结构

3. 右侧部分也有一个压紧轴，所含轴承与左侧滑动压紧部分的一样，见图03压紧轴后部也连接有压力测试接口，当打压测试成功之后，卸压拆除下两端连接的测试管路，并在保持夹紧状态下焊接两个环缝，整个焊接过程不应中断，焊接层数一般是2层，为了防止对焊密封面产生裂纹，除了采取适当的焊前预热措施外，仍需注意焊后的保温和缓冷，用缓慢加热和降低冷却速度来减少焊件的温度差，从而减少产生裂文的倾向。在阀体材料的选择上，我们选取了低碳钢焊接。因为低碳钢的含碳量低（≤0.23％），其他合金元素含量也比较少，是焊接性非常好的钢种，采用通用的焊接方法焊接之后，接头也不会产生冷裂纹。本产品中阀体材料使用的是20#钢，还应在焊接前预热，最好先不用焊条，第一遍焊接采取了本材质的自熔焊接，使得焊缝宽度控制在了最小幅度，同时避免了热影响区的扩大，使得焊缝中的合金元素不易产生蒸发流动，焊接时采用的是大型号陶瓷嘴，可以更大限度的避免空气的氧化反应，可有效的防止焊后开裂；因为阀体的焊接是环焊，结构不规则，所以第二遍焊接采取的焊接方法是焊条电弧焊，而焊条使用材料可根据表01来选择，也可有效的防止焊后开裂。在焊接的时候，右侧的压紧轴外部镶有直齿轮用以焊接时传递转动扭矩，与大齿轮相配的是直连伺服电机的小齿轮，大齿轮齿数50，小齿轮齿数19，模数4，伺服电机选松下MSMD400w，功率400w，额定转矩1.3N.m，最大转矩3.8 N.m。齿轮组配有防护罩。便于拆卸。

适用钢种	焊条电弧焊		埋弧焊		气体保护焊		气焊焊丝
	型号	牌号	焊丝	焊剂	焊丝	保护气体
10、15、20	E4311	J425	H08A（GB/T 3429-2002）	HJ431	ER49-1（GB/T 8110-1995） H08MnSiA（GB/T 3429-2002）	CO2Ar+ CO2	H08MnA（GB/T3429-2002）

表01 常用低碳钢焊接材料推荐表(摘自：焊工常用技术手册)

四、焊接工装的操作程序

1. 首先气缸松开，检查两侧夹紧密封垫是否完整，将球阀左右两端密封圈镶入槽中，再与中间球阀功能部分初步镶合，之后将焊接球阀整体放入工装上，这时气缸气压先调至0.1Mpa，先行压紧，电动伺服电机，缓慢转一圈，看是否结合正确。
2. 若无偏离现象，则气缸气压调至0.5Mpa，待压力稳定后，两侧压紧轴头接液压管，分别测试球阀密封承压状态，夹紧打压2Mpa，持续2分钟，若无泄压现象发生，则先行卸掉油压，然后管路拆除。
3. 一切准备就绪，开动伺服电机，速度调至焊工正常焊接为止，将两个环缝焊完，一般需焊两遍，焊后除焊渣，检查焊道。这时气缸再保持一段时间压力，等待自然冷却，卸料，焊接工序就完成了。

五、工装中的力学计算

1. 气缸推力：本气缸选亚德客厂家，缸径125mm，查表得知在0.5Mpa下，推力6136N。由于焊前球阀内打压2Mpa，球阀缸径50mm，球阀缸的压力可按下式计算：

F=PS

式中：P—压强（单位：帕斯卡，符号：Pa，换算：1兆帕（MPa）=10.2kgf/cm2），S—受力面积

推算出球阀缸内压力F=PS=2x10.2x9.8x2.5x2.5x3.14=3923.43N

球阀缸内压力F=3923.43N小于气缸推力F推=6136N，故气缸能承受阀体打压2Mpa，不至于球阀打压时将气缸推开。

单位：牛顿（N）

气缸内径	活塞杆外径	动作方式		受压面积（mm2）	空气压力（MPa）
					0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
125	32	复动	押侧	12272	1227.2	2454.4	3681.6	4908.8	6136	7363.2	8590.4	9817.6	11044.8
			拉侧	11468	1146.8	2293.6	3440.4	4587.2	5734	6880.8	8027.6	9174.4	10321.2

表02 气缸理论出力表(摘自：亚德客外购件手册)

2. 推力球轴承选择的型号为51111，根据表03单向推力球轴承基本数值表，推力查表得知最小33800N，远大于气缸推力F推0.5=6136N/ F推0.9=11044.8N，故承载力不予考虑。

基本尺寸/mm			基本额定载荷/kN		最小载荷常数	极限转速/r·min-1		质量/kg	轴承代号	其他尺寸/mm			安装尺寸/mm
d	D	T	Ca	COa	A	脂	油	W≈	51000型	d1 min	D1 max	r min	da min	Da max	ra max
55	78	16	33.8	89.2	0.043	2800	4000	0.22	51111	57	78	0.6	69	64	0.6
	90	25	67.5	158	0.13	1900	3000	0.58	51211	57	90	1	76	69	1
	105	35	115	242	0.31	1500	2200	1.28	51311	57	105	1.1	85	75	1
	120	48	182	355	0.68	1100	1700	2.51	51411	57	120	1.5	94	81	1.5

表03 单向推力球轴承(摘自：机械设计手册)

3. 阀球两侧密封环厚度是过盈配置，通过夹紧使之压缩变形，与球面严密贴合，起到密封承压作用，由于是球阀夹紧后、焊接前打压，如压力不能确保2Mpa，就应及时换调整垫片厚度，确保球阀焊后使用功能，本计算也不考虑。
4. 焊接前气缸夹紧，焊接需要旋转阀体操作，推力轴承产生的摩擦扭矩，

推力球轴承的摩擦力矩可采用近似计算公式：M=0.5xμxdxF推式中：

μ—轴承摩擦系数   d—轴承内经     F推—轴承的当量动负荷

查表得μ=0.002   轴承内径0.055m  轴承的当量动负荷（气缸夹紧力）

带入数值得：

当气缸气压调至0.5Mpa时：

M0.5=0.5x0.0022x0.055mx6136N=0.3712Nm

当气缸气压调至0.9Mpa时：

M0.9=0.5x0.0022x0.055mx11044.8N=0.6682 Nm

共有2轴承参与，故M0.5=0.3712x2=0.7424Nm

                   M0.9=0.6682x2=1.3364Nm

5. 本伺服电机选松下MSMD400w，额定转矩1.3Nm，最大转矩3.8Nm。

前文中提到过，选取的大齿轮齿数50，小齿轮齿数19，故大小齿轮传动比为i=50/19=2.63，伺服电机传递到推力轴承最小扭矩为M=2.63x1.3=3.419Nm> M0.5=0.7424Nm，（同时M=3.419Nm> M0.9=1.3364Nm，气缸0.9Mpa推力时也完全满足要求）。

六、结论

本结构着重于实际生产加工，对应有的工序进行了有机结合，从而缩短了生产的工作周期，大大简化了生产工艺流程，同时也保证了焊接质量，是一款高效率的简易工装，在实践中也得到了认证。

参考文献：

《机械设计手册》成大先主编.-6版-北京                                  ISBN978-7-122-26051-2

• 《焊工常用技术手册》洪松涛 胡宝良 彭暐华主编 ISBN978-7-5323-9689-4

《焊接工艺简明手册》徐峰主编

《金属与焊接材料实用手册》安继儒主编

《常用焊接材料手册》徐越兰 尹士科 何长红 喻平编著