液化氣鋼瓶閥座的高效安裝焊接夾具的設計與分析

趙夫超， 畢忠梁， 楊坤， 吳福貴

（安慶職業技術學院機電工程系，安徽安慶 246003）

0 引言

液化石油氣鋼瓶是盛裝易燃易爆化學品的Ⅱ類立置小容量的壓力容器，廣泛應用在城鄉居民生活中以及城鎮的大排檔、小飯店和小餐館內。安全使用液化氣鋼瓶，除了要養成規范的操作習慣之外，更重要的是鋼瓶在出廠之前的制造過程符合工藝規程和檢驗質量標準的嚴格執行。焊接是液化氣鋼瓶生產的主要工序之一。其中，鋼瓶閥座的安裝焊接質量決定了瓶閥安裝的好壞，如果閥座安裝的質量不符合規范，常會造成閥座與瓶閥連接處的泄漏，甚至會引發火災爆炸事故。

當代液化石油氣鋼瓶生產是流水線大批量生產，焊工在定點工作崗位上重復施焊作業，持續的機械式動作勞動強度大。目前，在多數鋼瓶制造企業對閥座的安裝焊接固定方法是將上封頭倒扣在焊接架上，閥座擺在上封頭頂上的孔口部，采用目測法檢查兩者的對中性，然后在兩者的連接處進行施焊安裝。這種安裝閥座的方法具有費時費力、生產效率低、加工質量的穩定性較差以及安裝焊接質量的優劣取決于工人技術水平高低的缺點。

1 夾具與焊接夾具

1.1 夾具的作用與類型

1.1.1 夾具的構成

夾具是用來將工件進行定位、夾緊，以保證刀具或模具（或焊槍）等工藝設備與工件保持一致相對運動關系的一種工藝裝備。從結構上分析，夾具的構成可概括為以下六部分：1）定位裝置。其作用是保證加工件在夾具體（或機床）中保持正確的位置。2）夾緊裝置。其作用是確保工件在加工過程中，相對刀具或工作臺的位置不變。3）對刀或導向裝置。其作用為快速找準刀具相對于定位元件的正確位置。4）連接元件。連接元件是確定夾具在機床上正確位置的部件，通常為連接著夾具與機床的部分。5）夾具體。夾具體是夾具的基礎部件，將其他部件連成一體。6）其他元件及裝置，如動力裝置的操作系統等。

1.1.2 夾具的作用

夾具現已廣泛應用于工業產品的生產中，采用夾具固定工件是保證產品生產質量、減少輔助生產時間、提高產品生產的效率、降低工人操作的勞動強度的重要的基本保障，也是確保生產節奏的連續性和生產過程的安全性的必要手段。

1.1.3 夾具的類型

機床夾具的種類很多，按夾具的應用特點不同可分為通用夾具、專用夾具、可調夾具、組合夾具和拼裝夾具等；按使用加工設備類型不同可分切削機床夾具、熱加工機床（設備）夾具和其他機床夾具；按用途不同可分為零件加工機床夾具、部件機器裝配夾具和檢驗夾具。

1.2 焊接加工

焊接加工是對材料進行加熱或加壓，或同時加熱加壓，并且選用填料，使焊接零部件達到原子結合的一種機械加工工藝（方法）。焊接加工的實質是材料分子間與原子間的重新結合，焊接的最大特點是兩種材料結合后的無法拆卸的連接方式。

1.3 焊接夾具

焊接夾具是裝配夾具的一種，是保證所焊接的零部件之間的準確定位和牢固地夾緊必要的輔助生產裝置。焊接夾具由支撐元件、定位元件和夾緊元件組成的。焊接夾具根據焊接工藝的特點可分為裝配類焊接夾具、維修類焊接夾具和焊-裝類焊接夾具。

1.4 焊接夾具的設計與選用

焊接夾具的設計與選擇是否恰當將直接影響到焊接產品的質量，生產進度以及安全生產，選用焊接夾具應遵循下列原則：1）保證焊件的焊接質量；2）固定焊件要安全第一，牢固為主；3）易于操作，使用焊接夾具時要方便工人操作，不增加焊接的難度；4）焊接夾具易制造、安裝與維修；5）制造成本低，周期短，制造過程不對環境產生污染。

2 設計過程

2.1 設計目的

為了提高液化氣鋼瓶焊接生產的效率和質量，提供一種結構簡單、制造工藝優良、操作方便和使用成本低的液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具，其可有效克服現有安裝焊接閥座的技術和裝置所存在的安裝弊端以及效率低下的缺點。

2.2 設計思路

根據液化氣鋼瓶上封頭和閥座的結構特點以及兩者之間的連接位置、焊接要求等條件，焊接夾具體的結構形式有臥式和立式，由于重力的影響，臥式對夾緊零部件會產生彎矩,增大零部件的磨損；同時不便于對上風頭的定位。而立式結構可避免上述問題的出現,所以選擇立式結構。

定位裝置設置在夾具體的下方，根據上封口的開口形狀采用內孔定位，即利用定位部件的工作部分與上封口內孔之間的連接進行定位。閥座可通過螺紋配合設置在上封頭正上方的閥座安裝桿上，因閥座安裝桿的軸線與固定上封頭的支撐平板軸線同軸，所以可保證閥座在上封頭的焊接位置。

夾緊裝置采用螺桿傳動實現，搖動手柄可通過傳動螺桿帶動閥座快速壓緊在上封頭的正上方，開啟設置在夾具體下方的調速電動機，上封頭可與閥座一起轉動，滿足焊接所需要的動作。

2.3 設計內容

圖1 液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結構示意圖

為達到上述目的，該夾具采用如下技術方案：夾具包括L型底座、電動機、支撐平板、閥座安裝桿、螺桿和長螺母，通過支架將電動機固定在L型底座上，電動機的輸出軸上設有支撐平板，支撐平板的一端的圓柱面上設有螺紋孔，螺紋孔內設有夾緊螺釘，支撐平板的另一端設有定位臺；通過固定板將長螺母設置在L型底座的上方，長螺母內設有螺桿，螺桿的一端設有手輪，另一端通過軸承與閥座安裝桿相連接，閥座安裝桿的另一端設有定位頭，閥座安裝桿的一側設有指針，指針的針尖處設有刻度尺。

在上述技術方案中，定位臺的直徑比上封頭口部的直徑小0.5～1 mm；定位臺與定位頭同軸，其同軸度誤差不大于0.5 mm。

液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結構示意圖如圖1所示。該夾具的結構簡單緊湊、占用空間小，操作方便，夾緊可靠，定位精度高，閥座安裝質量的穩定性好，生產效率高。

3 核心零件設計

3.1 夾具體

夾具體的結構不僅要滿足焊接要求，還要滿足上封頭的放置與焊接后的取件，同時夾具體的底板上要設置電動機固定架，固定架通過螺釘固定在夾具體的底板上。夾具體的結構示意圖如圖2所示。

圖2 夾具體

3.2 閥座安裝頭

閥座安裝頭一端與閥座相連，另一端內通過軸承與傳動螺桿相連接，是安裝閥座焊接夾具中重要的零部件，安裝閥座的位置精度取決于閥座安裝頭的質量及在夾具上的安裝精度等級。閥座安裝頭的結構簡圖如圖3所示。

3.3 支撐平板

圖3 閥座安裝頭

支撐平板是用來固定上封頭的重要零件，為了與上封頭快速卡合和取下，電動機平穩拖動支撐平板，支撐平板外形設計成回轉體，上端設有與上封頭固定的錐型定位臺，下端設有與電動機輸出相固定安裝孔，具體結構如圖4所示。

圖4 支撐平板

4 具體實施方式

由液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結構圖（圖1）可見，它包括底板1、電動機3、支撐平板4、閥座安裝桿7、傳動螺桿9、長螺母10和立柱15，電動機3通過支架2固定在底座1上，電動機3的輸出軸上設有支撐平板4，支撐平板4的一端的圓柱面上設有螺紋孔41，螺紋孔41內設有夾緊螺釘42，支撐平板4的另一端設有定位臺43；底板1的兩側各設有立柱15，立柱15的上端設有腰型固定板12，長螺母10通過固定板12內，長螺母10與傳動螺桿9，傳動螺桿9的一端設有手輪11，另一端通過軸承8與閥座安裝桿7相連接，閥座安裝桿7的另一端設有定位頭71。

液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的使用方法是：先將上封頭5的開口端放置在支撐平板4上，并使上封頭5的內表面貼合在定位臺43的圓周面上；再將閥座6臨時安裝在定位頭71的外螺紋上，并使閥座6的端面與閥座安裝桿7的端面貼合在一起；然后轉動手輪11，使閥座6與閥座安裝桿7一起向下移動，直到閥座6的下端面到達上封頭5的小孔口部；接著啟動電動機3使支撐平板4、上封頭5、閥座6和閥座安裝桿7一起低速轉動，轉速為0.4～0.6 m/min，同時由焊機對上封頭5的小孔口部與閥座6的連接處進行施焊。焊接完成后，反向轉動手輪11，并使閥座安裝桿7與傳動螺桿9一起旋轉，即可使閥座安裝桿7的定位頭71從閥座6的螺紋孔內退出，再將上封頭6從支撐平板4上取下，即完成閥座6的安裝焊接過程。

在實際使用操作中，閥座安裝桿7的一側設有指針13，指針13的針尖處設有刻度尺14，當更換其他規格的閥座6時，可利用閥座6的下端面到達上封頭5的指定位置時指針13對應刻度尺14的數值，進行準確定位和快速裝配，以保證閥座6安裝焊接的質量和效率。

螺紋孔41內設有夾緊螺釘42，夾緊螺釘42可使電動機3的輸出軸與支撐平板4形成一個整體，有利于保證閥座6的安裝焊接質量。定位臺43的直徑比上封頭5口部的直徑小0.5～1 mm；定位臺43與定位頭71同軸，其同軸度誤差不大于0.5 mm，這不僅可保證閥座6與上封頭5安裝焊接時兩者的對中性，又可提高生產效率。

安裝液化氣鋼瓶閥座的焊接夾具對上封頭的定位原理是采用圓盤形的固定盤與上封頭的內孔之間的間隙配合，這相當于在底板上徑向分布垂直固裝多根定位柱，使用時將鋼瓶放置在多根定位柱之間。其顯著的優點在于結構簡單，制造工藝好以及使用方便。

5 結語

閥座是液化氣鋼瓶上重要的部件，其焊接的質量，不僅關乎到產品的品質，更關系到日后使用的安全性。采用焊接夾具可杜絕人工焊接所帶有的各種弊端，大大提高了生產效率。

該液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具目前已獲得國家實用新型專利證書和國家發明專利證書，產品正在緊張試制中，且與當地一家液化氣鋼瓶制造企業初步達成產業化推廣與應用的協議。

[1] 朱奇偉,朱海榮,姚成.多點同步間斷環焊裝置:CN20112047603 2.0[P].2012-07-25.

[2] 張寧.液化氣鋼瓶及其調壓閥的選用與維護[J].中外企業家,2015(36):189-190.

[3] 王洪林.淺談液化氣鋼瓶的正確操作和注意事項[J].中國機械,2014(22):225.

[4] 楊平,孫峰.用于鋼瓶和護欄之間補焊的定位裝置:CN20132069 2346.3[P].2014-05-21.

[5] 趙煒,毛衛農.影響石油液化氣鋼瓶環縫焊接質量的因素淺析[J].焊接技術,2001,30(4):23-24.

[6] 梁玉梅.解決液化氣鋼瓶檢修中存在問題的可行性研究[C]//中國城市燃氣學會液化氣專業委員會.中國城市燃氣學會液化氣專業委員會第二十一屆年會論文集.2005:8.

[7] 鄒建國,金榮昌.焊接夾具的改進[J].金屬加工(熱加工),2017(4):81-82.

[8] 郎洪明.液化氣鋼瓶報廢機的系統設計[J].機械工程師,2010(6):101-104.

[9] 嚴景藝,張禮敬,陶剛.瓶裝液化氣鋼瓶泄漏事故[J].安全,2016(8):42-44.

[10] 曹勇,劉建偉,劉儒義.導管可調焊接夾具的設計[J].科技創新與應用,2016(31):49.

[11] 肖繼德,陳寧平.機床夾具設計[M].北京:機械工業出版社,2016:2-3.

[12]成劍虹.一種裝配焊接線專用夾具的設計[J].機械,1986(2):16-17,15.

[13] 趙汝振,唐陶.一種薄板類零件曲面焊接夾具設計[J].科技傳播,2013(1):180,173.

[14]許鑫.一種可自由調整焊接角度的焊接夾具設計[J].機械工程與自動化,2016(3):93-94.

[15]胡樂峰.我國焊接生產現狀與焊接技術的發展[J].企業技術開發,2014(32):7,13.

[16] 石仲謀,陳建華,劉保平,等.石油液化氣鋼瓶腐蝕穿孔失效分析[J].石油化工設備,1999(5):19-21.

[17] 陳健,蘇金花,張毅梅.中國制造2025與先進焊接工藝及裝備發展[J].焊接,2016(3):1-5,73.