燃氣表表接頭焊接結構及焊接方法設計

張 磊, 權亞強, 梁永增, 任長清

(成都秦川物聯網科技股份有限公司, 四川 成都 610100)

1 概述

燃氣表的防爆安全對于保障燃氣用戶的生命財產安全以及社會公共安全具有重要意義。燃氣表防爆安全涉及多個方面,包括物理安全(機械安全、電氣安全、閥控安全、安全切斷)和信息安全(功能安全、通信安全)等內容,其中機械安全是物理安全和信息安全的基礎,是燃氣表質量的關鍵保障。本文重點關注機械安全。

2 燃氣表機械安全

燃氣表外觀見圖1。燃氣表的機械安全涉及多個關鍵機械結構,包括:上下殼體之間的密封連接結構、表接頭與上殼體之間的密封連接結構、機芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結構、內置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過殼體的密封結構。上下殼體之間的密封連接結構主要形式有密封面整體涂膠壓封、法蘭及橡膠墊圈密封連接等。表接頭與上殼體之間的密封連接結構主要形式有傳統鉚接、焊接等。機芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結構主要形式有軸傳動的動密封、磁耦合傳動的靜密封等。內置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過殼體的密封結構主要形式有導線整體穿出方式、內外接線柱方式等。

圖1 燃氣表外觀

上下殼體完成密封裝配后,在性能檢定和安裝過程中很少出現密封受損或失效現象,使用中其密封性不會再受到外界應力的影響。機芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結構在完成組裝后,無論在性能檢定還是安裝使用過程中,均不會再受外力影響,僅與管道內介質的工作壓力有關,只要在使用中沒有長時間處于或超過最大允許工作壓力,在燃氣表生命周期內基本上都能保持良好的密封狀態。內置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過殼體的密封結構與燃氣表上下殼體的密封一樣,屬靜態密封,裝配完成后,在燃氣表生命周期內基本上能保持良好的密封狀態。

對于表接頭與上殼體之間的密封連接,在性能檢定或安裝過程中,表接頭需要與檢測臺的氣源管道或用戶天然氣管道連接,連接過程中表接頭的外螺紋需要與管道的內螺紋緊密連接,會給表接頭與上殼體連接的部位施加扭矩,造成密封連接部位變形,當該變形超過彈性變形范圍時,部分變形不能恢復,給密封連接造成損害,這也是國內外燃氣表產品規定扭矩和彎矩限值的主要原因。一般規定家用燃氣表表接頭可承受的扭矩為110 N·m,彎矩為40 N·m,這主要是針對傳統的采用橡膠圈密封的鉚接表接頭。由于鉚接是由表接頭與上殼體之間過盈配合實現的,為保證其配合面及端面氣密性,設置了O形橡膠密封圈(簡稱橡膠密封圈)。

上殼體一般在表面處理后進行鉚接且過盈量并不大,因此不能承受很大的扭矩,而且橡膠密封圈在承受扭矩后會受到切向力,發生圓周方向的形變。而在燃氣表安裝等過程中,大扭矩無法完全避免,且燃氣表使用多年后,橡膠密封圈所受的持續應力和變形會引發密封圈分子鏈斷裂或降解,橡膠密封圈失去彈性,環境中的氧化作用、熱老化(廚房環境溫度較高)、機械應力和化學物質的影響也會進一步削弱橡膠密封圈的性能,使其變硬、脆化,并導致表面裂紋和劃傷,最終導致橡膠密封圈性能下降、彈性喪失和壽命縮短,嚴重時會引起燃氣泄漏。

3 表接頭與上殼體的連接方式

3.1 傳統鉚接

傳統鉚接結構見圖2。傳統鉚接工藝是先將金屬墊圈(其作用是限制上殼孔鉚接后的擴張)從燃氣表上殼體內部套在上殼體的翻邊孔外壁上,然后將套有橡膠密封圈的表接頭軸孔端從上殼體的翻邊孔外部壓入,再將表接頭軸孔端壓鉚翻邊,表接頭軸孔端和金屬墊圈就分別牢牢地固定在了上殼體翻邊孔的內壁和外壁上。由于翻邊孔本身很薄,所以能夠承受的扭矩不大,還需要表接頭軸外壁與翻邊孔內壁之間的過盈配合提供緊固力。有的設計采用了連體式墊圈,連體式墊圈指2個表接頭所使用的金屬墊圈是連接在一起的,這樣墊圈與殼體相對固定,起到了加強固定的作用。

圖2 傳統鉚接結構

生產實踐中,橡膠密封圈易受到高速沖壓產生損傷導致密封性不良,由于表接頭的臺階面與上殼內翻邊孔周圍外表面的接觸面小且存在一定傾斜,導致橡膠密封圈在環形縫隙處的擠壓變形不一致,且有可能受到周圍油水等液體的浸入,產生溶脹損害密封。表接頭軸孔端鉚接時擴張度難以控制,導致墊圈產生的抱緊力一致性差,表接頭扭矩不穩定而造成合格率不高,且難以檢測,在連接時如果用力過大,表接頭可能相對墊圈產生轉動,或者表接頭帶動翻邊孔外壁和墊圈轉動?？傮w上講,傳統鉚接技術應用于表接頭和上殼體的連接存在以下缺陷:

① 橡膠密封圈在使用過程中可能受到打滑、損傷等影響,其密封性能容易受損,從而可能導致泄漏問題。

② 傳統鉚接方式在連接過程中往往無法保證橡膠密封圈與表接頭之間的壓縮一致性,這可能導致橡膠密封圈在不同部位承受不均勻的應力,從而影響密封性能的穩定。

③ 橡膠密封圈本身易受溫度、化學物質等影響,長期使用容易出現老化、硬化現象,從而使其彈性和密封能力下降。

3.2 焊接

焊接是將表接頭與上殼體連接處采用高溫熔化的焊接材料進行連接,焊接工藝的發展使得表接頭與上殼體的連接更為牢固,同時焊接過程中還可以通過調整焊接參數來實現精確裝配,大大提高了產品的合格率。此外,焊接方式還可以有效避免傳統鉚接方式中密封圈受高速沖壓損傷導致的密封性不良問題,確保燃氣表在使用過程中的穩定性和可靠性。但焊接過程中可能出現焊接不均勻、焊線過薄的問題,對技術、工藝的要求較高,需在焊接過程中引入自動化和智能化技術,如智能焊接機器人和焊接質量在線檢測系統等,以提高焊接工藝的標準化和一致性,一般技術實力較強的企業才會選擇焊接。表接頭與上殼體焊接連接特點如下:

① 密封性好。采用焊接連接后,上殼體和表接頭能夠熔為一體,可以承受大扭矩。

② 強度和硬度高。提高了燃氣表的耐用性和安全性,焊接接頭強度可以接近母材強度,承載能力高。

③ 可通過控制焊接電流、焊線位置、焊接時間等參數實現焊接質量的精細化控制,有效保障焊接強度和密封性。

4 表接頭焊接結構

表接頭與上殼體的焊接需要在細微之處下功夫,我公司的燃氣表表接頭焊接結構已獲得專利[1]。表接頭不僅要與上殼體緊密結合,更要確保表接頭能夠與墊圈完美熔合,達到最佳的密封效果。

表接頭結構見圖3。第一凸環與表接頭本體是通過對坯料進行車削加工而成的,這樣的設計能夠有效保障表接頭本體的尺寸精度以及形狀一致性。

圖3 表接頭結構

墊圈結構見圖4。墊圈由金屬制成,存在第二凸環,通過專用模具沖壓成型,墊圈的作用是提高表接頭與墊圈之間的抗扭矩、抗彎矩強度,提升穩定性。這種結構一是方便焊接,二是能夠有效提升墊圈的機械強度,從而提高燃氣表的安全性能。墊圈的使用壽命較長,即使在惡劣的使用環境下,也能保持正常工作狀態。

圖4 墊圈結構

燃氣表上殼體、表接頭、墊圈焊接前的結構見圖5。上殼體處于表接頭本體的第一凸環和墊圈的第二凸環之間。完成焊接后,三者熔為一體,確保了表接頭牢固地固定在上殼體上,并且在長時間使用后仍然保持良好的密封性能,有效避免了漏氣問題。

圖5 上殼體、表接頭、墊圈焊接前的結構

5 表接頭焊接裝置、流程、效果

5.1 表接頭焊接裝置

燃氣表表接頭焊接裝置(已獲得專利)[2]屬于中頻逆變電阻焊接設備,裝置結構見圖6。結構包括工作臺、焊接臺、氣動裝置、2個下電極桿、2個下電極頭、下壓臺(圖中未給出)、上電極桿、上電極頭。工作臺上設有滑軌,焊接臺固定于滑軌上通過氣動裝置左右滑動,焊接臺上垂直固定2個下電極桿,下電極桿上固定有下電極頭。下壓臺位于焊接臺上方且下表面垂直固定上電極桿,上電極桿頭部固定上電極頭,上電極頭位置對應下電極頭。

圖6 燃氣表表接頭焊接裝置結構

5.2 表接頭焊接流程

① 準備工作

將兩個墊圈分別固定在兩個下電極頭上,然后取燃氣表上殼體,調整上殼體上進氣口和出氣口的位置,使得進氣口和出氣口分別正對著兩個下電極頭,將上殼體也固定在下電極頭上。此外,準備工作還包括對表接頭、墊圈、上殼體進行清潔和檢查以及進行焊接臺安全檢查和評估等。

② 安裝表接頭

將表接頭放置在上殼體的進氣口和出氣口內,并調整其位置,使得表接頭上的第一凸環與墊圈上的第二凸環對準。

③ 上電極頭位置調整

調整上電極頭的位置,使其對準其中一個下電極頭,以保證上電極頭能夠準確接觸到燃氣表表接頭的焊接區域。

④ 焊接

電流通過上電極(包含上電極桿、上電極頭)、表接頭、上殼體、墊圈流到下電極(包含下電極桿、下電極頭),形成回路。由于表接頭、墊圈與上殼體的接觸面積小,電阻大,產生高溫高熱,再通過上電極向下的壓力將這3個部件牢固地焊接在一起。完成一個表接頭焊接后,下壓臺上升,氣動裝置控制焊接臺移動至下一個表接頭,重復焊接過程。焊接過程中要注意保持適當的焊接溫度和壓力,以保證焊接質量。

⑤ 焊接完成后的檢查

燃氣表兩個表接頭均完成焊接后,還需對焊接區域進行檢查和處理,以確保焊接工作的完成度和可靠性。

5.3 焊接效果

根據金屬材料的屬性、材料厚度以及接觸面積等因素,在焊接過程中對電流、焊接位置以及焊接時間進行精確控制,成功克服了薄壁金屬(上殼體材料)焊接易出現穿孔的技術難題。表接頭、上殼體及墊圈熔為一體,降低了由于安裝不當或意外受力導致燃氣表接頭泄漏的風險,進而保證了燃氣表的密封性能。

采用該焊接技術,實現了焊接處可承受的扭矩達250 N·m以上,遠高于國家標準GB/T 6968—2019《膜式燃氣表》和歐洲標準EN 1359:2017《膜式燃氣表》規定的扭矩限值110 N·m。實驗表明,采用焊接連接的燃氣表,當扭矩達到250 N·m時不會發生變形和密封性能降低的情況,扭矩達到320 N·m時也只會發生輕微變形,密封性能仍然完好。

6 結束語

采用焊接技術使燃氣表的整體密封性能得到提升,大幅降低了燃氣泄漏的可能性,焊縫結構致密穩定,具備顯著的安全性和可靠性。