JP3892119B2 - タンク容器およびタンク容器を形成するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、タンクの溶接に関する。特に、これは摩擦スター溶接（friction stir welding ）技術を利用したアルミニウム合金圧力タンクの組立に関する。
【０００２】
【発明の背景】
溶接技術はよく知られている。たとえば、拡散溶接などの固体溶接プロセスは、ある独特の冶金学の応用のための特殊なプロセスとして利用されてきた。摩擦溶接は、機械的に引き起こされるこすり運動により２つの表面の間に熱を生じさせることで合体させる固体接合プロセスである。摩擦溶接にはある基本的な限界がある。その中には、特に、大きな直径を持つワークピースについては、均一なこすれおよび発熱を生じさせるために極めて重要になり得る、ワークピースの準備および整列がある。したがって、現在および過去において非常に多様な種類の溶接技術プロセスが利用されてきたにもかかわらず、高強度アルミニウム合金接合に関しての技術的な問題点が、自動車構造にさらにアルミニウムを用いること、および、アルミニウムの航空宇宙構造物においてコストおよび重量を削減するさらなる改良における主要な制限として認識されている。
【０００３】
摩擦スター溶接と呼ばれる新しいプロセスはアルミニウム合金の接合のための独特の革命的な方法であり、特に低コスト高性能のアルミニウム構造物のための溶接工程に新しい設計を提供するものである。基本的に、摩擦スター溶接では、アルミニウム合金（および銅合金）は可塑化され、次に接合線に沿って材料を固めることで接合される。この動作は、接合部の開始点に非溶ピンを打込むことにより達成される。鋼のような非溶材料からできワークピース材料よりも硬いこのピンは、摩擦発熱によってアルミニウムを軟らかくし可塑化する。ピンは次に回転し溶接の方向に向かって移動する。ピンが回転するとき、ピンのまわりのアルミニウム合金の環状領域が摩擦によって熱せられる。ピンが溶接方向に移動するにつれて、ピンの前面の圧力により熱い可塑材料がピンの後ろへと押し出され、移動していくピンによって残される空隙を埋める。融解は起こらず、溶接物は、捕捉酸化物または気孔がない、微細粒の熱間加工された状態となる。
【０００４】
この摩擦スター溶接技術は、米国特許第５，４６０，３１７号に記載されており、これはここに引用により援用される。
【０００５】
摩擦スター溶接は、多くの利点を持っているので、特に大きなアルミニウム合金圧力タンク、たとえば宇宙船発射システムにおいて極低温酸素貯蔵のために利用されるタンクのようなアルミニウムタンクの組立のための魅力的なプロセスと考えられている。摩擦スター溶接には大きな圧縮力がかかわってくるので、これらのタンク構造物の最終溶接においては、特にタンク内部へのアクセスが制限されているときには、どのようにしてタンク内側に適切に裏あてサポートを提供するかという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、特にアルミニウムからできている円筒状タンク本体の内側に、タンク本体の壁を支持するための支持構造部材を提供することである。
【０００７】
この発明のさらなる目的は、溶接された接合部に対する硬い裏あてサポートとして作用する支持構造部材を提供することである。
【０００８】
この発明のまたさらなる目的は、支持構造部材がまた、タンク完成品の燃料積載圧力容器の一体部分として作用し、支持構造をタンク完成品から分解して取り除く必要がないようにすることである。
【０００９】
この発明のまたさらなる目的は、支持構造部材がタンク内の圧力ガスの空気力によるタンクの外向きの膨張に耐えるようにすることである。
【００１０】
この発明のまたさらなる目的は、最終的なタンクの重量の節約およびタンクの作製におけるコストの節約を最適化するよう設計された支持構造を提供することである。
【００１１】
【発明の概要】
この発明は、アルミニウムタンク組立において接合部の最終的な摩擦スター溶接の間の裏あてサポートに関しての問題に一般的な解決法を提供する。使用される内側アルミニウム構造は、単に摩擦スター溶接プロセスの間の裏あてサポートのための工具セッティングを提供するだけでなく、最終製品におけるタンク圧力容器の一体部分として作用するので、支持構造の分解およびそのタンク完成品からの除去は不要となる。この好ましい実施例においては、「ワゴン車輪」構成が内部一体工具およびタンクサポートとして使用される。このワゴン車輪は好ましくはタンクのシェルと同じアルミニウム合金から作製される。したがって、半球状ドームタンク端部と円筒状タンク本体とを組立てるための最終円周溶接において、ワゴン車輪の縁は好ましくはタンクドームとタンク円筒部との間の突合わせ接合に重なりおよびこれを支持する。ワゴン車輪を部分的に組立てられたタンクの内側に嵌合する前にワゴン車輪を極低温冷却し、焼き嵌めによってワゴン車輪をきつく嵌合させてもよい。次に摩擦スター溶接によって、３つの部材すなわちドーム、円筒部、およびワゴン車輪が同時に３体接合によって溶接されるよう接合を行なう。摩擦スター溶接プロセスの間、ワゴン車輪は、ドームと円筒部との円周突合わせ接合に対する硬い裏あてサポートとして作用する。完成したタンクにおいては、ワゴン車輪は３体の溶接によりタンク内の圧力ガスの空気力によるタンクの外向きの膨張に耐えることによって、燃料積載圧力容器の一体部分として作用する。
【００１２】
【詳細な説明】
この発明は、一般に円筒状の構成の、溶接されたタンク容器であって、タンク内に存在する圧力ガスの空気力による外向きの膨張に耐え得る溶接されたタンクを提供する。この発明のある例示的な実施例を示す添付された図面を参照することによって、この容器の設計、構造、特徴、およびそれを作製する方法がより完全に理解されるであろう。
【００１３】
この発明の好ましいタンク２が図示されている図面図１および図２を参照する。タンクドーム４は、円周溶接１６によってタンク本体６と適切に接合されており、これには、除去可能な裏あて工具セッティングまたは一体型バッキングプレートが必要である。他の実施例においては、タンク本体６はその一体部分であるタンクドーム４と単一構造として形成されていてもよい。特に、もしタンクが比較的小さい場合はそうしてもよい。代替的に、タンクドームクロージュア４は、タンク容器の組立の最終ステップにおいてタンク本体６と接合してもよい。
【００１４】
好ましい局面において、タンク２の本体端部８は、バッキングプレート１０およびドームヘッド１２とともに３部分円周溶接１８で合せて接合される。たとえば、半球状ドームタンク１２をタンク本体６の円筒状端部８に接合するため使用される最終円周溶接１８のために、プレート１０を内部一体型工具およびタンクサポートとして働くワゴン車輪構造の形にしてもよい。ワゴン車輪１０は、タンク６と同じアルミニウム合金から好ましくは作製される。アルミニウムワゴン車輪１０の縁は、好ましくは、タンクドーム１２とタンク円筒状端部８との間の突合わせ接合部に重なりこれを支持する。ワゴン車輪１０は、これを部分的に組立てられたタンクの内側に嵌合させる前に、極低温冷却によりこれを焼き嵌めすることによってきつく嵌合させてもよい。次に摩擦スター溶接工具２０を使用して３つの部材、ドーム１２、円筒状本体端部８、およびバッキングプレートまたはワゴン車輪１０を３部分接合により同時に溶接するため、溶接１８を摩擦スター溶接によって行なう。摩擦スター溶接プロセスの間働く圧力のために、ワゴン車輪１０はドームと円筒部との円周突合わせ接合部に対する硬い裏あてサポートとして作用する。完成したタンクにおいては、ワゴン車輪は、３体溶接の後タンク内の圧力ガスの空気力によるタンクの外向きの膨張に耐えることにより、燃料積載圧力容器の一体部分として作用する。したがって、ワゴン車輪は、最終的なタンクの重量節約およびタンクの作製におけるコスト節約を最適化するよう設計される。
【００１５】
図面では同様の番号は同様の部分を示すが、図３および図４を参照すると、回転工具スピンドル２２が摩擦ピン２４のところで終端しているのが示され、方向２６はスピンドルおよびピンの回転方向を示す。方向２８は溶接の進行方向を示す。図３および図４に示しているように、３部分円周溶接１８はここで図示されている摩擦スター溶接工具２０の作用によって達成される。
【００１６】
支持構造部材１０の主要な機能が、摩擦スター溶接動作の間バッキングプレートまたは工具として作用することであることは理解されるであろう。その副次的な機能は、ある用途において、圧力容器構造の一体部分として、組立てられたタンクから大きな工具を取除く必要性を除くことにある。これは、重量の抑制が重要である宇宙船発射システムの極低温酸素貯蔵のために利用される圧力タンク、特に、タンク内部へのアクセスが制限されている場合にはとりわけ重要であろう。一旦タンクが組立てられてしまうと、その用途に依存して、たとえば宇宙船発射システムにおけるものなどは、タンク内部に（図示していない）ポートを通じて酸素が添加され、続いて密封されるであろう。
【００１７】
もちろん、この発明において形成されるタンクの設計および動作には、その精神を逸脱することなくさまざまな修正が可能であることは理解されよう。したがって、前掲請求項の範囲内でここに特に記し説明したのとは別の形でこの発明を実施することができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明により作製されるタンクの分解斜視図である。
【図２】この発明により作製されるタンクの部分切欠組立斜視図である。
【図３】円周溶接およびバッキングプレートを通る軸方向断面図である。
【図４】溶接１８を通る接線断面図である。
【符号の説明】
２ タンク
４ タンクドーム
６ タンク本体
８ 円筒状本体端部
１０ バッキングプレート
１２ 半球状ドームヘッド
２０ 摩擦スター溶接工具

Claims (6)

1. 圧力ガスを貯蔵する予め定められた長さのタンク容器であって、円筒状本体と、前記円筒状本体内に配置された円形の支持部材と、前記円筒状本体および前記支持部材と接合されるドーム型タンク端部部材と、前記円筒状本体と前記支持部材と前記ドーム型タンク端部部材とを３体接合で接合する摩擦スター溶接（friction stir welding）による円周溶接部とを備え、
   前記支持部材は、外周部と、該外周部よりも内側に位置し前記外周部よりも幅の小さい内側部とを有し、前記支持部材の外周部が前記円周溶接部の形成中に前記円筒状本体および前記ドーム型タンク端部部材と重なってこれらを支持し、前記タンク容器内の圧力ガスの圧力による前記円筒状本体および前記ドーム型タンク端部部材の外向きの膨張に耐えるように構成される、タンク容器。
2. 前記支持部材、前記円筒状本体および前記ドーム型タンク端部部材は同一のアルミニウム合金から作製される、請求項１に記載のタンク容器。
3. 内部に含まれる圧力ガスの圧力による外向きの膨張に耐えるタンク容器を形成するための方法であって、円筒状本体と円形の支持部材とドーム型タンク端部部材とを準備するステップと、前記円筒状本体内に前記支持部材を嵌合させるステップと、前記ドーム型タンク端部部材が前記支持部材と重なるように前記円筒状本体を前記ドーム型タンク端部部材と突合わせるステップと、前記円筒状本体と前記支持部材と前記ドーム型タンク端部部材とを３体接合により接合する摩擦スター溶接（friction stir welding）によって円周溶接部を形成するステップとを含み、
   前記支持部材は、外周部と、該外周部よりも内側に位置し前記外周部よりも幅の小さい内側部とを有し、前記支持部材の外周部が前記円周溶接部の形成中に前記円筒状本体および前記ドーム型タンク端部部材を支持し、前記タンク容器内の圧力ガスの圧力による前記円筒状本体および前記ドーム型タンク端部部材の外向きの膨張に耐える、タンク容器を形成するための方法。
4. 前記円筒状本体内に前記支持部材を嵌合するステップの前に前記支持部材を収縮させるように前記支持部材を冷却するステップと、該冷却ステップに続いて前記支持部材が前記円筒状本体の内側にきつく嵌合するように前記支持部材を熱膨張させるステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記冷却ステップは、極低温ガスを用いて前記支持部材を極低温冷却するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記円筒状本体、前記支持部材および前記ドーム型タンク端部部材は同一のアルミニウム合金から作製される、請求項３に記載の方法。

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