CN113351773B

CN113351773B - 扩管接合方法

Info

Publication number: CN113351773B
Application number: CN202011414936.0A
Authority: CN
Inventors: 二村优; 山内浩行; 泽崎宪二
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN113351773A; KR102447689B1; JP2021137859A; KR20210113028A

Abstract

本发明提供一种能够提高了气密性的液压式扩管接合方法。扩管接合方法是将管(3)插入到贯穿地形成于管板(2)的管孔(21)中，对管(3)进行扩管而将管(3)和管板(2)接合的方法。在该扩管接合方法中，对管(3)的外周面(31)及管孔(21)的内周面(22)中的至少一方实施减小表面粗糙度的表面加工。在实施该表面加工之后，将管(3)插入到管板(2)的管孔(21)中，使管(3)的外周面(31)与管孔(21)的内周面(22)相向。然后，利用液压对管(3)进行扩管而将管(3)和管板(2)接合。

Description

扩管接合方法

技术领域

本发明涉及一种对管进行扩管而将管和管板接合的扩管接合方法。

背景技术

作为将锅炉或冷凝器等热交换器的管(tube)和管板接合的装置已知有液压式扩管装置(例如参照专利文献1)。液压式扩管装置是将增压至数千大气压的液体供给至液体管(aqua tube)、使液压作用于管(tube)的内表面从而对所述管进行扩管的装置。

这样，通过使用利用液压对管进行扩管而将管和管板接合的液压式扩管接合方法，能够精确且牢固地将管(tube)和管板固接。另一方面，已知有使用辊使管的内表面发生碾压塑性变形来进行扩管而将管和管板接合的辊式扩管接合方法。液压式扩管接合方法与辊式扩管接合方法不同，具有不会对管的内表面造成损伤、即使扩管范围长也容易应对等优点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6196524号公报

发明内容

但是，液压式扩管接合方法与辊式扩管接合方法相比，虽然在对厚壁管板或厚壁管的扩管方面有加工优势，但是在扩管部(接合部分)的气密性这个方面处于劣势。因此，以往通过将管的端部密封焊接或者在形成在管板上的管孔的内表面设置槽(groove)，来确保接合部分的气密性。

本发明的目的在于提供一种提高了气密性的液压式扩管接合方法。

为了解决上述问题，本发明是将管插入到贯穿地形成于管板的管孔中、对所述管进行扩管而将所述管和所述管板接合的扩管接合方法。在所述扩管接合方法中，对所述管的外周面及所述管孔的内周面中的至少一方实施减小表面粗糙度的表面加工。在实施所述表面加工之后，将所述管插入到所述管板的所述管孔中而使所述管的所述外周面与所述管孔的所述内周面相向。然后，利用液压对所述管进行扩管而将所述管和所述管板接合。

发明效果

根据本发明，能够提供一种提高了气密性的液压式扩管接合方法。

附图说明

图1是表示利用本发明的一实施方式涉及的扩管接合方法制作的扩管接合构造的截面图。

图2是表示通过扩管接合方法被接合的管板和管的截面图。

图3是表示本实施方式涉及的扩管接合方法的内容的流程图。

图4是表示在图3所示的扩管工序中使用的液压式扩管装置的概略结构的图。

图5是表示图4所示的密封部的结构的半截面图。

图6是表示密封部的扩管时的状况的主要部分半截面图。

图7是表示试验中使用的圆筒状的模拟管板的截面图。

图8是表示试验中使用的圆筒状的模拟管板的截面图。

图9是表示试验中使用的作为扩管对象的管的截面图。

图10是表示扩管范围及表面加工范围的截面图。

图11是表示在气密度测定中使用的气密度测定试验装置的截面图。

图12是表示在固接力测定中使用的固接力测定装置的截面图。

图13是表示各种表面加工的扩管压力与气密度的关系的图。

图14是表示各种表面加工的扩管压力与固接力的关系的图。

图15是表示各种表面加工范围的扩管液压与气密度的关系的图。

图16是表示各种表面加工范围的扩管液压与固接力的关系的图。

附图标记说明

2 管板

21 管孔

22 内周面

3 管

31 外周面

L1 接合部分的轴向长度

L2 被实施表面加工的区域的轴向长度

T 壁厚

具体实施方式

适当地参照附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。

此外，在各图中，对共通的结构要素或同种结构要素标注相同的附图标记，适当省略它们的重复说明。另外，为了便于说明，部件的尺寸及形状有时会变形或夸张地示意性示出。

图1是表示利用本发明的一实施方式涉及的扩管接合方法制作的扩管接合构造1的截面图。图2是表示通过扩管接合方法被接合的管板2和管3的截面图。

如图1所示，扩管接合构造1例如是将热交换器中的管板2和管3接合而得到的。在管板2中贯穿地形成有管孔21。此外，管孔21在管板2形成有多个，但是图1中仅示出1个。

如图1、图2所示，本实施方式涉及的扩管接合方法是，将管3插入到形成于管板2的管孔21中、实施对管3进行扩管的成形而将管3和管板2接合。

作为管板2及管3的材质，使用钢铁、不锈钢等金属。如图1所示，管3和管板2的接合部分(扩管范围)的轴向长度L1例如设为10～800mm。另外，管3的内径Di例如设为6～70mm。进而，在本实施方式中，能够使用管3和管板2的接合部分(扩管范围)的轴向长度L1为100mm以上的厚壁的管板2、或者管3的壁厚T为管径(外径)的10％以上的厚壁的管3。

图3是表示本实施方式涉及的扩管接合方法的内容的流程图。图4是表示在图3所示的扩管工序(步骤S3)中使用的液压式扩管装置200的概略结构的图。图5是表示图4所示的密封部210的结构的半截面图。图6是表示密封部210的扩管时的状况的主要部分半截面图。

如图3所示，扩管接合方法包括表面加工工序(步骤S1)、管插入工序(步骤S2)和扩管工序(步骤S3)。

表面加工工序(步骤S1)中，对管3的外周面31(参照图2，以下同样)及管板2的管孔21的内周面22(参照图2，以下同样)实施减小表面粗糙度的表面加工。此外，也可以对管3的外周面31及管孔21的内周面22中的至少一方实施表面加工。管插入工序(步骤S2)中，在实施表面加工之后，将管3插入到管板2的管孔21中。扩管工序(步骤S3)中，利用液压对管3进行扩管而将管3和管板2接合。

接着，进一步对步骤S1、S2、S3具体地进行说明。

表面加工工序(步骤S1)中，例如使用图2所示那样的辊光(burnishing)工具100来实施。也就是说，在本实施方式中，通过表面加工工序(步骤S1)进行的表面加工是辊光加工。辊光加工是通过将顶端由高硬度材料制成的工具压紧于工件(加工对象物)将其弄平而发生塑性变形来得到光滑的加工面的加工方法。

图2所示的辊光工具100包括：轴部101，其通过驱动源而旋转；以及高硬度的辊部102，其配置于轴部101的顶端侧。

在对管板2的管孔21的内周面22实施表面加工的情况下，例如像下述那样进行。将辊光工具100的辊部102抵押于内周面22而使辊光工具100进行旋转(自转)，并且以管孔21的中心轴23为中心沿着内周面22相对地进行公转。另外，辊光工具100在沿着中心轴23的方向上被输送。

在对管3的外周面31实施表面加工的情况下，例如像下述那样进行。将辊光工具100的辊部102抵押于外周面31而使辊光工具100进行旋转(自转)，并且以管3的中心轴32为中心沿着外周面31相对地进行公转。另外，辊光工具100在沿着中心轴32的方向上被输送。

在本实施方式中，通过所述的表面加工得到的表面粗糙度Ra为1.6μm以下。此外，辊光加工不限定于使用所述的辊光工具100的方法，能够使用其他种类的辊光工具来实施。

在管插入工序(步骤S2)中，在步骤S1中的表面加工实施之后，将管3插入到管板2的管孔21中，使管3的外周面31与管孔21的内周面22相向。此外，例如在热交换器中，管板2配置在管3的轴向两侧。此时，也可以进行用于将管3的轴向的单侧与管板2固定的简易的焊接。

在扩管工序(步骤S3)中，例如使用如图4所示那样的液压式扩管装置200来实施。

液压式扩管装置200包括：密封部210，其对管3进行扩管；扩管工具部220，其向密封部210注入超高压液体；以及主体部230，对扩管液体进行增压而向扩管工具部220供给超高压液体。在液压式扩管装置200中，为了使作业者M手持进行操作的扩管工具部220轻量化，扩管工具部220和主体部230分体地构成。液压式扩管装置200经由构成超高压流路的超高压管201从主体部230向扩管工具部220供给超高压液体。

此外，“超高压”是指进行扩管所需要的压力，也取决于管的尺寸或形状，但是一般而言意指数千气压的压力。另外，作为“超高压液体”使用的液体没有限定，通常使用水或油。

如图5所示，密封部210包括芯轴主体211、液体管212、支承环(backup ring)213、楔形环214及膨胀环215。向芯轴主体211的流路221导入超高压液体。液体管212将经由流路221、222输送的超高压液体封入。支承环213对液体管212的前后进行保持。此外，将超高压液体被导入的一侧设为后侧，其相反侧设为前侧。另外，在芯轴主体211的外周且在液体管212的后侧配置有套环216，该套环216将来自管板2的管3的突出余量部(凸出部)收容在空间217内进行液体管212(扩管部位)的定位。

如图6所示，经由流路221、222供给超高压液体时，利用液压使液体管212膨胀(扩径)，对管3进行扩管。即，利用逐渐增压的液压，使管3从内侧被扩管，使得管3的外周面31与管板2的管孔21的内周面22接触。然后，进一步使液压上升时，管3与管板2压紧，管板2的管孔21发生弹性变形。此时，管3变形至塑性区，将液压解除之后，在管3与管板2之间产生接触残余应力而进行牢固的固接。然后，管3扩管之后，液体管212弹性地发生缩径从而容易地将芯轴主体211从管3拔出。

此外，扩管工序(步骤S3)不限定于使用所述的液压式扩管装置200的情况，也能够使用其他种类的液压式扩管装置来实施。

如上所述，本实施方式涉及的扩管接合方法是将管3插入到贯穿地形成于管板2的管孔21中、对管3进行扩管而将管3和管板2接合的方法。在该扩管接合方法中，对管3的外周面31及管孔21的内周面22中的至少一方实施减小表面粗糙度的表面加工。在实施该表面加工之后，将管3插入到管板2的管孔21中而使管3的外周面31与管孔21的内周面22相向。然后，利用液压对管3进行扩管而将管3和管板2接合。

这样，在本实施方式中，利用液压使实施了减小表面粗糙度的表面加工的面与相对方的面压紧而将管3和管板2接合。由此，在液压式扩管接合方法中能够提高气密性。

并且，无需像以往那样对管3的端部进行密封焊接或者在管孔21的内周面22设置槽就能够提高气密度。由此，能够减少成本，缩短作业时间。

另外，在本实施方式中，对管3的外周面31及管孔21的内周面22中的至少一方实施的表面加工是辊光加工。根据该结构，能够可靠地进一步减小通过表面加工得到的表面粗糙度。

另外，在本实施方式中，通过所述的表面加工得到的表面粗糙度Ra为1.6μm以下。根据该结构，在液压式扩管接合方法中能够进一步提高气密性。

另外，在本实施方式中，所述的表面加工是对管板2的管孔21的内周面22实施的。根据该结构，能够对刚性较高的管板2的管孔21的内周面22高精度地实施表面加工。另外，即使被插入到管孔21中的管3的轴向位置稍稍发生变化，也能够利用液压可靠地使实施了表面加工的管孔21的内周面22与管3的外周面31压紧。

另外，在本实施方式中，使用管3和管板2的接合部分(扩管范围)的轴向长度L1为100mm以上的厚壁的管板2、或者管3的壁厚T为管径(外径)的10％以上的厚壁的管3。在辊式扩管接合方法中，实施分成多次进行扩管的阶段性步进式扩管。因此，特别是在管板2的板厚较大且接合部分的轴向长度L1较长的情况下、或者在管3的壁厚T较大的情况下，扩管时间较长，花费较多劳力和时间。对此，在本实施方式中，即使在使用厚壁的管板2或厚壁的管3的情况下，也能够利用液压来提高气密性并且实现高效的扩管。

此外，本实施方式涉及的扩管接合方法显然也能够适用于使用非厚壁的管板2或非厚壁的管3的情况。

(试验例)

接着，使用以下的试验例对本发明的效果进行说明。但是，本发明的技术范围不仅仅限定于以下的试验例。

(1)试验中使用的试样的形状

如图7所示，使用与管板2对应的圆筒状的模拟管板2A。设与管板2的壁厚对应的模拟管板2A的长度LA为70mm。设与管板2的管孔21的内径对应的模拟管板2A的内径DiA为21.9mm。另外，设模拟管板2A的外径DoA为32.3mm。

另外，如图8所示，使用与管板2对应的圆筒状的模拟管板2B。模拟管板2B的长度LB、内径DiB及外径DoB与模拟管板2A相同。但是，在模拟管板2B的内周面22B的2个部位设置有槽24。设槽24的宽度W为6mm、槽底径Dg为22.7mm。设从模拟管板2B的后端至后侧的槽24的后端的距离M为28mm、2个槽24、24之间的距离N为6mm。

另外，如图9所示，使用管3A作为扩管对象。设管3A的长度L为120mm、内径Di为16.1mm、外径Do为21.7mm。

(2)扩管范围及表面加工范围

如图10所示，设管3A与模拟管板2A、2B的接合部分(扩管范围)的轴向长度L1为50mm。使扩管范围在模拟管板2A、2B的轴向上位于中央。

另外，实施了在扩管之前实施的表面加工的区域(表面加工范围)的轴向长度L2设为相当于扩管范围的整个面的50mm、相当于扩管范围的2/3的33.3mm、相当于扩管范围的1/3的16.7mm这3种。此外，这里，以使表面加工范围的后端位置和扩管范围的后端位置在轴向上一致的方式设定表面加工范围，但是不限定于此。例如，也可以以使表面加工范围的中央位置和扩管范围的中央位置在轴向上一致的方式设定表面加工范围。

表面加工设为辊光加工及研磨加工这2种。研磨加工使用砂布对管3A的外周面进行磨光来实施。另外，未实施表面加工的未处理的情况也作为比较例进行了试验。表面加工对管3A的外周面31A(参照图9)、以及模拟管板2A、2B的内周面22A、22B(参照图7、图8)实施。通过表面加工得到的表面粗糙度Ra在辊光加工的情况下为0.1μm，在研磨加工的情况下为0.6μm。扩管所使用的液压(扩管压力)为250～400MPa之间，采用3～4种扩管液压。

(3)试验方法

(a)气密度测定方法

如图11所示，将利用液压对管3A进行扩管而将管3A和模拟管板2A、2B接合而制作的扩管接合构造1A放置于气密度测定装置300。即，模拟管板2A、2B通过用螺栓303紧固而夹入到挡板301与密封板302之间。接着，经由形成于密封板302的流路305，在管3A与模拟管板2A、2B之间施加水压P。在密封板302的中央部形成有供管3A插通的贯穿孔304，在贯穿孔304的内表面安装有防止水压P向外部渗漏的密封部件306。这里，使经由流路305施加的水压P以1kgf/cm²间隔升压，设各压力下的保持时间为20分钟。然后，确认是否发生漏水，以即将发生漏水之前的加压水压力值表示气密度。

(b)固接力测定方法

如图12所示，将利用液压对管3A进行扩管而将管3A和模拟管板2A、2B接合制作出的扩管接合构造1A放置于固接力测定装置400。即，将管3A的前侧部分(下侧部分)插入到形成于基座401的贯穿孔402中，并且将模拟管板2A、2B的前端抵接支承于基座401的上表面403。接着，将按压夹具404抵接于管3A的后端(上端)，使用通用试验机经由按压夹具404将按压力F施加于管3A。然后，以管3A从模拟管板2A、2B的内周面开始滑动时的按压力表示固接力。

(4)试验结果

(a)比较表面加工的差异所带来的效果

图13是表示各种表面加工的扩管压力与气密度的关系的图。图14是表示各种表面加工的扩管压力与固接力的关系的图。

如图13所示，可知：如果实施表面加工(辊光加工、研磨加工)，与未实施表面加工的未处理的情况相比，气密度提高。进而可知：如果实施辊光加工，与实施研磨加工的情况相比，气密度非常高。另一方面，如图14所示，可知：如果实施表面加工(辊光加工、研磨加工)，与未实施表面加工的未处理的情况相比，固接力降低。

(b)比较表面加工范围的差异所带来的效果

图15是表示各种表面加工范围的扩管液压与气密度的关系的图。图16是表示各种表面加工范围的扩管液压与固接力的关系的图。

表面加工采用辊光加工，表面加工范围(辊光加工范围)按接合部分(扩管范围)的整个面、2/3、1/3来实施(参照图10)。

如图15所示，气密度在各条件(表面加工范围有差异)下没有较大的差异。另一方面，如图16所示，表面加工范围越小，固接力越大。由此可知：通过对表面加工范围进行调整，能够提高气密度并且抑制固接力降低地进行扩管。

另外，在对接合部分(扩管范围)的整个面进行了表面加工的条件下，与设置槽的效果相比，对表面加工范围进行调整在提高固接力方面更有效果，能够确认调整表面加工范围的优势性。

如图1所示，基于扩管的管3和管板2的接合部分(扩管范围)的气密度及固接力例如由热交换器制造商的设计者计算。在该情况下，以即使内压或温度上升液体也不会渗漏并且基于扩管的接合部分不会脱落的方式设计，根据热交换器的用途等所需要的气密度及固接力不同。

因此，基于管3和管板2的接合部分的气密度的目标值及固接力的目标值，可以调整通过表面加工得到的表面粗糙度。

进行了表面加工的部位，气密度提高，而固接力下降。因此，对通过表面加工得到的表面粗糙度进行调整，由此能够确保所需要的固接力，同时提高气密度。

在该情况下，表面加工也可以是对与管孔21的内周面22接触的管3的外周面31实施的研磨加工。研磨加工中包含抛光加工(镜面研磨加工)。根据该结构，例如使用砂布对管3的外周面31进行磨光，由此能够容易地对管3的外周面31实施减小表面粗糙度的表面加工。通过这样的研磨加工而得到的表面粗糙度Ra设为6.3μm以下，优选设为1.6μm以下即可。根据该结构，在液压式扩管接合方法中能够进一步提高气密性。

另外，基于管3和管板2的接合部分的气密度的目标值及固接力的目标值，可以对管孔21的内周面22中被实施表面加工的区域(表面加工范围)的轴向长度L2(参照图10)进行调整。

进行了表面加工的部位，气密度提高，而固接力下降。因此，通过调整管孔21的内周面22中被实施表面加工的区域的轴向长度L2、也就是说该区域的面积比例，能够确保所需要的固接力，同时提高气密度。

也就是说，管孔21的内周面22中被实施表面加工的区域(表面加工范围)的轴向长度L2(参照图10)可以比管3和管板2的接合部分(扩管范围)的轴向长度L1短。

进行了表面加工的部位，气密度提高，而固接力下降。另外，气密度没有因管孔21的内周面22中被实施表面加工的区域(表面加工范围)的轴向长度L2的不同而产生较大的差异(参照图15)，即使在表面加工范围的轴向长度L2较短的情况下，也能够确保一定的气密度的提高。另一方面，表面加工范围越小，固接力越大。因此，根据该结构，能够抑制固接力下降，同时提高气密度。

以上，基于实施方式，对本发明进行了说明，但是本发明不限定于所述实施方式所记载的结构。本发明包含适当组合乃至选择所述实施方式所记载的结构的方案，能够在不脱离其要旨的范围内适当地变更其结构。另外，能够对所述实施方式的结构的一部分进行追加、删除、置换。

Claims

1.一种扩管接合方法，将管插入到贯穿地形成于管板的管孔中，对所述管进行扩管而将所述管和所述管板接合，所述扩管接合方法的特征在于：

对所述管的外周面及所述管孔的内周面中的至少一方实施减小表面粗糙度的表面加工，

在实施所述表面加工之后，将所述管插入到所述管板的所述管孔中而使所述管的所述外周面与所述管孔的所述内周面相向，

利用液压对所述管进行扩管而将所述管和所述管板接合，

基于所述管和所述管板的接合部分的气密度的目标值及固接力的目标值，对被实施所述表面加工的区域的轴向长度进行调整。

2.根据权利要求1所述的扩管接合方法，其特征在于：

所述表面加工是辊光加工。

3.根据权利要求2所述的扩管接合方法，其特征在于：

基于所述管和所述管板的接合部分的气密度的目标值及固接力的目标值，对通过所述表面加工得到的表面粗糙度进行调整。

4.根据权利要求2所述的扩管接合方法，其特征在于：

通过所述表面加工得到的表面粗糙度Ra为1.6μm以下。

5.根据权利要求3所述的扩管接合方法，其特征在于：

通过所述表面加工得到的表面粗糙度Ra为1.6μm以下。

6.根据权利要求1所述的扩管接合方法，其特征在于：

所述表面加工是对所述管孔的所述内周面实施的。

7.根据权利要求6所述的扩管接合方法，其特征在于：

所述管孔的所述内周面中被实施所述表面加工的区域的轴向长度比所述管和所述管板的接合部分的轴向长度短。

8.根据权利要求1所述的扩管接合方法，其特征在于：

所述表面加工是对与所述管孔的所述内周面接触的所述管的所述外周面实施的研磨加工。

9.根据权利要求8所述的扩管接合方法，其特征在于：

通过所述表面加工得到的表面粗糙度Ra为6.3μm以下。

10.根据权利要求1~8中任一项所述的扩管接合方法，其特征在于：

使用所述管和所述管板的接合部分的轴向长度为100mm以上的厚壁的所述管板、或者所述管的壁厚为管的外径的10%以上的厚壁的所述管。