JP6516748B2 - 管状アンビルを用いて管を要素に摩擦攪拌溶接する方法、この方法によって製造された構造体 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［分野］
本開示は、熱交換器上の管端接合部の摩擦攪拌溶接に関する。
［背景］
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）処理は、熱交換器において特定の要素を接続するために数多くの熱交換器アプリケーションで使用されている。例えば、シェルアンドチューブ熱交換器に適用されるＦＳＷ処理においては、固相接合または撹拌処理が使用され、管壁の端部が、異種金属を導入することなく、また金属粒子構造に悪影響を及ぼすことなく、周囲の管板材料の中に「巻き込まれる」。熱交換器アプリケーションにおけるＦＳＷ処理の例は、米国特許第８，４３９，２５０号および米国特許出願公開第２０１３／００３７６０１号に開示されている。

ＦＳＷ処理から生じる固有の負荷率のために、ＦＳＷは、例えば、壁厚が約０．１００インチよりも厚い、太いゲージ管に適用された場合のみ、好ましい結果を生んでいる。概して、例えば、壁厚が約０．１００インチ以下の薄いゲージ管は、材料費を節約し、熱抵抗を低下させるため、熱交換器にとってより望ましくあることができる。しかしながら、ＦＳＷ溶接ナゲットの形状により、十分な溶接深さを維持することは困難であり、また、溶接前後の機械加工処理の感度およびコストが増加することがあるため、ＦＳＷに薄いゲージ管を用いるのは困難であるという問題がある。
［概要］
管を別の要素に接続するためにＦＳＷを使用する処理を説明する。管は、例えば、熱交換器の管、要素は、例えば、熱交換器の管板とすることができる。熱交換器は、管を他の要素に接続することが望まれるあらゆるタイプの熱交換器設計のものとすることができる。記載の処理を使用可能な熱交換器の一例には、シェルアンドチューブ熱交換器が含まれるがこれに限定されるものではない。処理は、熱交換器での使用に限定されるものではなく、ＦＳＷを使用して管を他の要素に接続することが望まれるあらゆるアプリケーションに使用可能なことが理解されるべきである。

記載の処理は、あらゆる壁厚を有する管で使用可能である。しかしながら、処理は、薄いゲージの管、例えば、壁厚が約０．１００インチ以下の管で使用することができる。熱交換器で管を使用する場合、管は、熱交換器の設計に応じて作動流体または冷却流体を運ぶことができる。

ある具体的に説明された例示的な処理では、固有のアンビル技術が利用されており、ＦＳＷツールは、最大の貫入の深さで薄いゲージ管の端部を熱交換器の管板内に接合させることができるとともに、管端切断ツールを使用する溶接前後の前処理に対する費用効果の高いアプローチが可能になっている。

一実施形態では、管を要素に接続する工程は、要素の第１の側の第１の面から第２の側の第２の面に延在する要素の孔に管の端部を挿入することを含む。これにより、管の端部は、孔に対して固定される。フレア端部が要素の第１の面に配置される管状アンビルは、その後、要素の第１の側から管の端部内に設置される。次いで、ＦＳＷが使用され、管の端部と、管状アンビルのフレア端部と、要素とを要素の第１の側で溶接し、管、管状アンビル、要素の材料が混ぜ合わせられる。要素の第１の面は、その後、管の端部と管状アンビルとの間の摩擦攪拌接合部を除去するために機械加工され、次いで、管状アンビルが管から除去される。

一実施形態では、アンビルの材料は、ＦＳＷ溶接部が管と要素との間にのみ形成されるように、管および要素の材料とは混ぜ合わせられない。
別の実施形態では、管は、処理管であり、要素は、熱交換器、例えば、シェルアンドチューブ熱交換器の管板である。

別の実施形態では、構造体は、要素と管とを含む。要素は、第１の面と、第２の面と、第１の面から第２の面に要素を貫通して延在する複数の孔とを有する。管は、第１端部および第２端部を有し、管の第１端部は、要素における複数の孔のうちの１つに配置され、管の厚さは、約０．１００インチ以下である。また、管の第１端部と要素とは、要素の第１の面で互いにＦＳＷされている。

一実施形態では、構造体の要素は、管板であり、管は、熱交換器、例えば、シェルアンドチューブ熱交換器の処理管である。

本明細書に記載のＦＳＷ技術を適用可能なシェルアンドチューブ熱交換器の実施形態の断面図である。 本明細書に記載のＦＳＷ処理の概略フローチャートである。 管板および管板に挿入された処理管の一部の概略図である。 図３の円４に含まれる部分の拡大図である。 アンビル管に挿入される管端加工装置のマンドレルを図示している。 完全に挿入されたマンドレルを図示している。 アンビル管の端部を機械加工する加工装置を図示している。 アンビル管の端部内に挿入可能な任意のソリッドテーパーアンビルを図示している。 管板の端部と同一平面になるように機械加工されたアンビル管の概略断面図である。 ＦＳＷの結果の概略断面等尺図である。 ＦＳＷゾーン上のベベル切断の概略断面等尺図である。 ＦＷＳ溶接部を機械加工するのに使用され得る別の例の機械加工工具を図示している。 ＦＷＳ溶接部を機械加工するのに使用され得る別の例の機械加工工具を図示している。 ＦＷＳ溶接部を機械加工するのに使用され得る別の例の機械加工工具を図示している。 ＦＷＳ溶接部を機械加工するのに使用され得る別の例の機械加工工具を図示している。

［詳細な説明］
本明細書は、管を他の要素に接続するためにＦＳＷを使用する処理と、その結果として得られる生成物とについて説明する。管は、例えば、熱交換器の管、要素は、例えば、熱交換器の管板とすることができる。熱交換器は、管を他の要素に接続することが望ましいあらゆるタイプの熱交換器設計であってもよい。記載の処理を使用可能な熱交換器の一例は、シェルアンドチューブ熱交換器を含むがそれに限定されるものではない。処理は、熱交換器での使用に限定されるものではなく、ＦＳＷを使用して管を他の要素に接続することが望まれるあらゆるアプリケーションに使用可能であることが理解されるべきである。

便宜上、処理および製品は、図１に図示されるシェルアンドチューブ熱交換器１０に関連して説明されることになる。しかしながら、図１に図示された熱交換器は単に一例である。シェルアンドチューブ熱交換器１０は、シングルパス、主にカウンターフロー（２つの流体が、主に、反対方向に流れる）配置で第１流体と第２流体との間で熱を交換するように構成されている。熱交換器１０は、複数の管１２と、管の各端部に管板１４と、任意のバッフル１６と、第１流体用の入力プレナム１８と、第１流体用の出力プレナム２０と、管１２および管板１４が配置されているシェル２２と、第１流体用の入力プレナム１８へのシェル２２における入口２４と、第１流体用の出力プレナム２０からのシェル２２における出口２６とを有する。また、シェル２２は、第２流体用の入口２８と第２流体用の出口３０とを含む。

第１流体と第２流体との温度は異なる。例えば、第１流体は、第２流体が第１流体によって冷却されるように、第２流体よりも低い温度であり得る。
動作中に、第１流体は、入口２４を通って入り、その端部がプレナム１８と流体連通する管１２内に、マニホールドまたはプレナム１８によって分配される。第１流体は、管１２を通って管の第２端部に流れて出力プレナム２０内に入り、その後、出口２６を通る。同時に、第２流体は、入口２８を通ってシェル２２内に導入される。第２流体は、管１２の周りを通過して流れてその外面に接触し、管１２を通って流れる第１流体と熱交換する。バッフル１６は、使用された場合、第２流体の流路長を延ばし、それによってシェル側の第２流体と管の壁との間の相互作用および滞留時間を増加させるのを補助する。第２流体は、最終的に出口３０を通って排出される。その全体が参照により本明細書に援用される米国特許第８，４３９，２５０号にさらに説明されるように、管１２の端部は、管板１４に対してＦＳＷされている。

各々の管板１４は、機械的に剛性な板であり、マニホールド１８、２０に面する第１の面３２からシェル２２の内部に対向する第２の面３４へ管板を通って延在する複数の孔を備える。各管１２の各端部は、孔で管板１４に接合されている。管板１４と、使用した場合、バッフル１６とは、管の外面に沿って流れる流体と管を通って流れる流体との間の熱伝達を促進する配置で管１２を保持する。例示的な一実施形態では、管１２および管板１４は、アルミニウムまたはその合金で作ることができる。管板１４は、円形、長方形、三角形、または他のあらゆる形状であってもよい。

管１２の断面形状は、円筒形、三角形、矩形、または管板１４の孔に適切に適合することができるあらゆる他の形状であってもよい。
例えば海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）、核熱交換器、化学プラント等の多くのアプリケーションにとって、熱交換器１０が、第１および第２流体との間の優れた分離をもたらすことが重要である。結果として、管１２が管板１４と接合されて、実質的に気密シールを形成することが重要である。さらに、多くのアプリケーション、特にＯＴＥＣのアプリケーションでは、これらのシールが、実質的に耐食性であることも重要である。したがって、管と管板とが、実質的に気密かつ実質的に耐食性のあるシールを形成するように、管１２が、ＦＳＷを用いて管板１４と接合されるのが好ましい。

ＦＳＷは、同一または異なる材料の２つの要素を接合するための周知の方法である。従来のＦＳＷは、２つの要素間のインターフェースに差し込まれる回転プローブを採用している。プローブと材料との間の非常に大きな摩擦がプローブのすぐ近くの材料をその融点より低い温度まで加熱する。これにより、隣接する部分は柔らかくなるが、材料は固体状態のままであるため、当該材料の元の材料特性が保持される。溶接線に沿ったプローブの動きは、後縁に向かって２つの要素からの材料を軟化させることで隣接する領域を溶融させ、それにより溶接部を形成する。

例えば融接、ろう付け等の他の一般的な接合技術とは対照的に、ＦＳＷは、いくつかの性能上の利点を有する。具体的には、得られた溶接部は、接合された部分と同じ材料で構成されている。その結果、接合部での異種金属間の接触による電解腐食を低減または排除することができる。

さらに、得られたＦＳＷ溶接部は、接合された部分の材料の材料特性を保持している。
例示的な実施形態において、ＦＳＷは、通常、同一の材料で形成される２つの要素を接合するために使用されるが、本発明のいくつかの実施形態では、ＦＳＷは、異なる材料で形成されている要素を溶接するために使用される。

また、例示的な実施形態は、それぞれが、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られている管および管板を含むが、当業者には、本明細書を読んだ後、アルミニウム以外の材料が使用される本発明の代替実施形態を特定、作成、使用する方法が明らかになるであろう。使用される材料は、アルミニウムおよびその合金、チタンおよびその合金、ステンレス鋼、銅、青銅、プラスチック等を制限なく含む、ＦＳＷを用いて管と管板とを接合するのに適したあらゆる材料を含むことができる。

図２を参照すると、管１２を管板１４に接続する例示的な処理５０が図示されている。最初に、管１２の第１端部４０が、一つの管板１４における孔に設置される。設置処理は、第１端部４０を管板１４の孔に挿入する工程５２を含むことができる。これは、複数の管端部４０が管板１４の孔に挿入されている例を図示する図３および４で見ることができる。孔は、管板１４の第１の側の第１の面３２から管板の第２の側の第２の面３４に延在している。端部４０が挿入された後、管１２の端部４０を孔に固定する工程５４を経て設置が完了する。

端部４０は、管の端部４０が孔の中に固定されて、管が孔に対して回転できず、管端部が容易に孔から引き抜かれることができないように、好適と考えられるあらゆる方法で固定することができる。いくつかの実施形態において、管の外径は、管の孔への挿入を容易にするために、孔の直径よりも小さい。別の実施形態では、管の外径は、孔の直径よりもわずかに小さいだけである。管は、後述する後工程での機械加工量を削減するために、各管の端面が、面３２とほぼ同一平面であるように孔の中に挿入されることが望ましい。しかしながら、管の端面は、面３２を越えてわずかに突出してもよい。

一実施形態では、管は、機械式エクスパンダを使用して、孔内に存在する管の端部を拡大することにより孔に固定される。拡大されたとき、各管端部４０の外径は、孔の直径にほぼ等しい。これにより、管壁の一部が孔を形成する側壁の一部と接触することになり、摩擦が実質的に孔に管を固定する。管端部の全長を拡張することもできるが、孔内に配置されている管端部４０の全長を拡張する必要はない。管端部４０は、機械式な拡張に限定されない、管端部４０が孔内に固定されるのに好適と思われるあらゆる方法で固定することができることを理解すべきである。

管の反対側の端部は、その後、反対の管板１４内に設置することができる、あるいは、反対側の端部の設置は、処理５０における他の工程が完了するまで、待つことができる。
一旦、管が管板内に設置されると、管状アンビル４４は、工程５６において、管１２の端部４０内に設置される。図３および図４を参照すると、アンビル設置処理は、アンビル４４を管板１４の第１の側から管１２の端部４０に挿入することを含む。管状アンビルが管１２に落下するのを防止するために、アンビル４４は、管板１４の第１の側にフレア端部４６を配置することができる。フレア端部４６の直径は、アンビル４４の残りの部分の直径よりも大きい。アンビル４４は、以下にさらに記載される機械加工装置のマンドレルをアンビル４４の内部にロックすることを可能にするのに十分な長さを有するのが好ましい。非限定的な一実施形態では、アンビル長さが、約３.０〜４.０インチであると適切に機能することがわかっている。

アンビル４４が管端部４０に挿入された後は、アンビル設置は、アンビルのフレア端部４６を管１２の端部４０に圧入することによって完了する。これにより、管端部４０内にアンビル４４が固定される。フレア端部４６の圧入は、例えば、木槌またはハンマーを使用してアンビル４４の突出端部を強打しアンビル４４をさらに管端部４０に押し込むことにより達成することができる。

しかしながら、アンビル４４をさらに管端部４０内に押し込むあらゆる手段を使用することができる。
さらに、管端部４０は、アンビル４４を挿入する前に、フレア特徴を備えていてもよい。例えば、管端部４０の内径を、テーパードリルビットまたはテーパーリーマで穿孔し、アンビル４４のテーパーに一致あるいは密接に一致する、わずかなテーパーを管端部に形成することができる。管端部４０とアンビル４４との双方をテーパーすることにより、アンビル４４を管端部４０によりぴったりと適合させることが可能になり、木槌またはハンマーからの力をあまり必要としない。また、テーパーアンビル４４は、テーパーされていない管端部４０に押し込まれた場合と比べ、テーパーされた管４０に押し込まれた場合、磨耗および削れをおこしにくくなる。管端部４０の内部の磨耗および削れを削減および／または排除したりすることにより、例えば海水などの腐食性流体が管１２を介して処理される際、腐食しやすい場所を無くすことが補助される。

図３および図４に示すように、アンビルが設置された後、フレア端部４６の一部は、面３２を越えて管４０から突出するようになる。アンビル４４の突出部および管端部４０の任意の突出部は、次に、アンビルおよび管が管板１４の面３２と同一平面になるように機械加工により取り除かれ得る。

図５〜７は、アンビル４４を面３２と同一平面にするためにアンビル４４を機械加工する技術例を図示している。機械加工は、アンビル４４（および必要に応じて管１２）を切断して同一平面にすることができるあらゆる適切な機械加工装置を用いて行うことができる。図示された例では、使用可能な機械加工装置１００は、アンビル４４内に嵌合するように寸法決めされ、かつ、アンビル管の内側にロックすることができる、マンドレル１０２を含む。機械加工装置１００はまた、アンビル管（および管端部４０）の突起部の実際の切断または機械加工を行い、面３２と平面になるようにする切断装置１０４を含む。使用可能なこのタイプの適切な機械加工装置は、テキサス州のサウスヒューストンのＵＳＡ ＧＢＣ ＬＬＣから入手可能なＭｉｎｉ Ｋ Ｂｅｖｅｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅである。

図５および図６に示すように、マンドレル１０２は、アンビル管４４内に挿入され、アンビルの内側の所定の位置にロックされる。次いで、駆動モータが係合され、図７に示すように、切断装置が、面３２と同一平面になるまで、アンビル管端部内へ駆動される。管端部４０が、既に面３２と同一平面にない場合は、管４０も、同時に切断される。図９は、機械加工後の、面３２と同一平面にあるアンビル４４のフレア端部４６および管端部４０を示す。機械加工が完了すると、マンドレル１０２を引き抜くことができ、処理はＦＳＷに進むことができる。

図８を参照すると、いくつかの実施形態では、小径アンビル管４４は、結果として生じるＦＳＷ負荷から内側に崩壊する可能性がある。崩壊が生じる場合、管壁が崩壊するのを防止するために、追加のテーパーアンビルまたはプラグ１１０をＦＳＷの前にアンビル管４４のフレア端部４６に挿入することができる。しかしながら、アンビル管が崩壊しない場合は、テーパーアンビル１１０を挿入するこの工程を省略することができる。図示された例では、アンビル１１０は、ソリッド構造である。しかしながら、アンビル管４４の崩壊を防止する範囲であらゆる形態のアンビル構造を使用可能である。

図２に戻り、管１２の端部４０と、管状アンビル４４のフレア端部４６と、管板１４とは、その後、工程５８において、第１の面３２でＦＳＷされ、処理管、管状アンビル、および管板の材料が混ぜ合わされる。ＦＳＷ処理は、同一または異なる材料の２つの要素を接合するための周知の方法であり、詳細に説明する必要はない。ＦＷＳ処理に関するさらなる情報は、米国特許第８４３９２５０号で見出すことができる。要約すると、ＦＳＷでは、管端部４０と、フレア端部４６と、周囲の面３２との間のインターフェースに差し込まれる回転プローブまたはピンを用いる。プローブと材料との間の非常に大きな摩擦は、プローブのすぐ近くの材料をその融点より低い温度まで加熱する。これにより、隣接する部分が柔らかくなるが、材料は固体状態のままであるため、元の材料特性が保持される。溶接線に沿ったプローブの動きは、後縁に向かって材料を軟化させ、この結果、隣接する領域を溶融させ、溶接部が形成される。プローブは、管板靭帯１２０（すなわち、隣接する管間に位置する管板１４の材料）と、管端部４０と、アンビル管４４のフレア端部４６とを形成する材料を共に撹拌することになる。それにより、アンビル管のフレア端部４６は、管端部４０と管板１４との間の溶接部を形成するために使用される追加の材料を提供する。テーパーアンビル１１０を使用する場合は、ＦＳＷピンツールが、アンビル１１０に影響を与えず、アンビル１１０の材料が、溶接部の一部を形成しないことが好ましい。したがって、アンビル１１０は、支持機能のみを実行し、アンビル管からアンビル１１０を除去する後機械加工工程は、必要ない。しかしながら、以下でさらに説明するいくつかの実施形態では、アンビル１１０の材料は、ＦＳＷ溶接の一部を形成してもよく、したがって、アンビルは、アンビルを除去するための機械加工工程の一部である必要があることもある。

図１０は、工程５８から生じるＦＳＷ溶接部１３０の結果を図示している。管端部４０は、最大の深さで溶接され、アンビル管４４のフレア端部４６は、最小の深さで溶接される。溶接部１３０の一部１３２は、フレア端部４６と、アンビル管４４を管１２に溶接する管端部４０との間に生じる。

図２に戻り、ＦＳＷ工程５８の完了後、処理は、工程６０に進む。工程６０において、管板１４の第１の面３２が機械加工されて、管１２の端部４０と管状アンビル４４のフレア端部４６との間のＦＳＷ溶接１３２が除去される。機械加工は、例えば、機械加工装置１００を使用して、または別の機械加工装置を使用して行うことができる。機械加工装置１００を用いた場合、機械加工装置１００のマンドレル１０２が再び管状アンビル４４内に挿入され、図５および図６について上述したように所定の位置にロックされる。機械加工は、機械加工装置１００のフラットカッターを使用して、フラットカッターにより溶接スクロールが分離加工されるまで溶接領域１３０を機械加工することを含み得る。また、機械加工装置１００のベベルカッターを使用して、溶接領域をベベル切断し、処理管とアンビル管との間の溶接部１３２を分離加工することができる。

図１２Ａ〜Ｃ、１３Ａ〜Ｃ、１４Ａ〜Ｃ、および１５Ａ〜Ｃは、管１２の端部４０と管状アンビル４４のフレア端部４６との間のＦＳＷ溶接部１３２を除去するのに使用可能な機械加工工具の追加の例を図示している。これらの例の各々において、アンビル１１０は、管状アンビル４４を支持するのを補助するために使用される。一実施形態では、アンビル１１０の材料は、ＦＳＷ溶接領域１３０や溶接部１３２のどの部分も形成せず、この結果、アンビル１１０を機械加工の前後に除去することができる。図１２Ａ〜Ｃ、１３Ａ〜Ｃ、１４Ａ〜Ｃ、および１５Ａ〜Ｃに図示されている別の実施形態では、アンビル１１０からの材料は、ＦＳＷ溶接領域１３０の一部を形成し、機械加工は、アンビル１１０を除去するために必要とされる。

図１２Ａ〜Ｃを参照すると、管１２の端部と管状アンビル４４のフレア端部４６との間のＦＳＷを除去するために使用されるツーピースのエンドミル１５０が図示されている。ＦＳＷ処理に先立って、アンビル１１０は、管状アンビル４４を支持するのを補助し、ＦＳＷ中に管状アンビル４４が崩壊するのを防ぐために設置されていた。エンドミル１５０は、矢印で示すように、溶接領域１３０に向かって、かつ溶接領域１３０から離れるように移動可能な中空カッター１５２と、カッターの孔に配置され、矢印で示すように、カッター１５２に関して溶接領域１３０に向かって、かつ溶接領域１３０から離れるように、独立して移動可能な中央プローブ１５４とを含む。

プローブ１５４は、カッター１５２の端部を越えて突出し、図１２Ａに示すように、位置を特定するためにアンビル１１０の平坦面に触れることができる。図１２Ｂに示すように、プローブ１５４は、その後、その端部と同一平面になるまで、カッター１５２の孔に後退することができ、プローブ１５４が静止したままの状態で、カッター１５２が回転を開始して溶接領域１３０に向かって移動することができる。カッター１５２は、プローブ１５４がアンビル１１０に触れた地点から所定の深さ、例えば、約０.００５インチ〜約０.０３５インチのいずれかまで切断または機械加工することができる。

あるいは、プローブ１５４を、当該プローブ１５４が触れたアンビル１１０の面上に残すことができ、プローブ先端および接合部１３０と同一平面になるまで、カッター１５２を下方に移動させることができる。カッター１５２は、その後、回転を開始し、所定の深さに切断することができる。

切断が行われた後、プローブ１５４およびカッター１５２の双方が、管板１４上方の指定された位置、例えば、管板上方の約０.００５インチから約０.０５０インチの距離に、後退し、次の管板孔に並進して処理を繰り返すことができる。

図１２Ｃに示すように、切断後、アンビル１１０と管状アンビル４４とは、管１２の端部４０から取り外すことができる。
図１３Ａ〜Ｃは、カッター１５２と同様のカッター１６２を有するツーピースエンドミル１６０を図示している。しかしながら、プローブの代わりに、ばね負荷または減衰センサ１６４が、カッター１６２の孔に配置されている。センサ１６４は、アンビル１１０の面の位置を見つけるように構成されており、カッター１６２が溶接領域１３０に係合し、機械加工を開始するときに、カッター１６２の孔内に圧縮されることができる。センサ１６４の端部は、カッター１６２の回転中に、アンビル１１０上で回転する軸受１６６を含むことができる。センサ１６４の移動または圧縮の距離が、カッター１６２による切断の深さを決定および制御する。図１３Ａは、センサ１６４がアンビル１１０に係合することができるように、下方に移動させられたエンドミル１６０を示している。図１３Ｂは、アンビル１１０と係合したセンサ１６４と、機械加工中に回転するカッター１６２とを示している。図１３Ｃは、切断後に、アンビル１１０と管状アンビル４４とを管１２の端部４０から取り外すことができるように、エンドミル１６０が除去されたところを示す。

図１４Ａ〜Ｃは、カッター１５２と同様のカッター１７２を有する別のツーピースエンドミル１７０を図示している。本実施形態では、エンドミル１７０は、図１３Ａ〜Ｃのセンサ１６４と同様に機能する、堅固にエンドミル１７０に取り付けられた少なくとも１つの外部測深器またはセンサ１７４を含む。測深器１７４は、カッター１７２の回転中に管板１４の面３２上で回転する軸受１７６を含む。別の実施形態では、エンドミル１７０は、カッター１７２の周りに間隔をあけて等しく円周方向に配置された複数の測深器１７４、例えば３つの測深器１７４を含む。図１４Ａは、測深器１７４が管板１４に係合することができるように、エンドミル１７０が下方に移動させられているところを示している。図１４Ｂは、管板１４と係合した測深器１７４と、機械加工中に回転するカッター１７２とを示す。図１４Ｃは、切断後に、アンビル１１０と管状アンビル４４とを管１２の端部４０から取り外すことができるように、エンドミル１７０が除去されたところを示す。

図１５Ａ〜Ｃは、矢印で示されるように、溶接領域に向かって、かつ溶接領域から離れるように移動可能なワンピースエンドミル１８０の一例を図示している。エンドミル１８０は、カッター１５２、１６２、１７２のように機能するカッター１８２を含む。エンドミル１８０はまた、機械加工中にアンビル１１０を収容するための凹部１８４を含んでいる。管板１４を見つけ、機械加工の深さを制御するために、エンドミル１８０は、また、それぞれが深さ止めとして機能する１つ以上のセンサ１８６を含む。センサ１８６は、負荷フィードバック、空気圧検出、電気的検出、磁気的検出、などを用いて機能する。センサ１８６は、切断の深さを制御するために使用され、センサの設定に達すると、切断が停止される。図１５Ａは、エンドミル１８０が、管板１４と係合するように下方に移動させられているところを示している。図１５Ｂは、カッター１８２が、回転し、所望の深さに達して機械加工が完了した後に上方に引き出されているところを示している。図１５Ｃは、切断後に、アンビル１１０と管状アンビル４４とを、管１２の端部４０から取り外すことができるようにエンドミル１８０が除去されたところを示している。

図１１は、本明細書に記載された機械加工技術のいずれかを使用した工程６０の機械加工後のＦＳＷ溶接部１３０を図示している。フレア端部４６と管端部４０とに斜角が付けられている。フレア端部４６と管端部４０とがもはや互いに溶接されないように、溶接部１３２が分離加工されている。

図２に戻ると、機械加工工程６０の後、アンビル４４は、工程６２にて管１２から除去される。アンビル４４は、適切と思われるあらゆる方法で除去することができる。例えば、アンビル管４４は、プルハンマーで除去することができるし、あるいは管１２の反対側の端部からロッドで管１２から押し出すこともできる。除去が可能であるのは、アンビル４４と管１２との間のＦＳＷ溶接が除去されることで、残りのフレア端部４６と管端部４０との間の圧入力を克服することにより除去が可能にされているからである。

別の実施形態では、管壁の厚さが約０．１００インチ以上であるとき、アンビル管４４は、当該アンビル管４４が管板の面と同一平面になるまで機械加工により取り除く必要がない。壁の厚さが０．１００インチ以上であれば、十分な溶接深さで管板に管１２を結合するのに十分な溶接ランドを有することができる。本実施形態では、アンビル管４４は、処理管の壁が崩壊するのを防ぐために、上記のように管端部４０にさらに圧入することができる。しかしながら、アンビル管を、管板の面から突出したままにすることもできる。ＦＳＷピンツールは、アンビル管に干渉または係合することなく、あるいは処理管から外れることなく、突出したアンビル管の周りを並進することになる。ＦＳＷが完了した後、アンビル管は、機械加工されずに、ハンマーまたはスライドハンマーを用いて除去することができる。アンビル管を除去した後、ＦＳＷスクロールを、上述のように機械加工装置を用いて機械加工することができる。さらに、処理管１２を、ベベルカッターで上述したようにさらに機械加工して、処理管に面取りされた入口を残すようにすることができる。

機械加工装置１００およびエンドミル１５０、１６０、１７０、１８０は、機械、例えば、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）、プログラム可能な、および／または自動化された機械、によって操作することができ、あるいは半自動および／または自動のパワーツールを使用して手動で操作することができる。

一実施形態では、管板に処理管を接続する処理は、管板の第１の側の第１の面から第２の側の第２の面に延在する管板の孔に処理管の端部を挿入することを含む。その後、処理管の端部は、孔に対して固定される。管状アンビルは、その後、管板の第１の側から処理管の端部内に設置され、管状アンビルのフレア端部は、管板の第１の側に配置される。処理管の端部と、管状アンビルのフレア端部と、管板とは、次いで、管板の第１の側で、ＦＳＷされ、処理管、管状アンビル、管板の材料が混ぜ合わせられる。その後、機械加工装置を使って管板の第１の面を機械加工し、処理管の端部と管状アンビルとの間の摩擦攪拌溶接部を除去し、管状アンビルを処理管から除去する。

別の実施形態では、管を要素に接続する処理は、要素の第１の側の第１の面から第２の側の第２の面に延在する要素における孔に管の端部を挿入することを含む。その後、管の端部は、孔に対して固定される。管状アンビルは、その後、その要素の第１の側から管の端部内に設置され、管状アンビルのフレア端部は、要素の第１の面に位置して第１の面から突出する。管状アンビルの材料を管および要素と混ぜ合わせることなく、管状アンビルの突出したフレア端部の周りを並進しつつ、管の端部および要素は、その後、要素の第１の側でＦＳＷされて管および要素の材料が混ぜ合わされる。管状アンビルは、次いで、管から除去され、要素の第１の面は、管の端部および要素上の摩擦攪拌溶接スクロールを除去するために機械加工される。

一実施形態では、熱交換器は、第１の面と、第２の面と、第１の面から第２の面に管板を通って延在する複数の孔とを有する管板を含む。第１端部および第２端部を有する処理管は、管板に固定され、処理管の第１端部は、管板における孔の１つの中に配置され、処理管は、約０．１００インチ以下の厚さを有する。処理管の第１端部は、管板の第１の面にて管板に摩擦攪拌溶接される。

本願で開示された例は、例示的なものであり、限定的なものではないことがあらゆる点で考慮されるべきである。本発明の範囲は、前述の説明によってではなく、むしろ添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の均等の意味および範囲内でのあらゆる変更が本発明の範囲に含まれることが意図される。

Claims (17)

1. 管を要素に接続する処理であって、
   前記管の端部を、前記要素の第１の側の第１の面から第２の側の第２の面に延在する前記要素における孔に挿入することと、
   前記管の前記端部を、前記孔に対し固定することと、
   管状アンビルを前記要素の前記第１の側から前記管の前記端部内に設置することであって、前記管状アンビルは、前記要素の前記第１の面に配置されるフレア端部を有する、管状アンビルを前記要素の第１の側から前記管の前記端部内に設置することと、
   前記管、前記管状アンビル、および前記要素の材料を混ぜ合わせるために、前記管の前記端部と、前記管状アンビルの前記フレア端部と、前記要素とを前記要素の前記第１の側で摩擦攪拌溶接することと、
   前記管の前記端部と前記管状アンビルとの間の前記摩擦攪拌溶接を除去するために、前記要素の前記第１の面を機械加工することと、
   前記管から前記管状アンビルを除去することと
   を備える、処理。
2. 請求項１に記載の処理であって、
   前記要素は、熱交換器の管板であり、
   前記管は、前記熱交換器の処理管であり、
   前記処理管は、約０．１００インチ以下の厚さを有する、処理。
3. 請求項１に記載の処理であって、
   設置することは、前記管の前記端部に前記管状アンビルを挿入し、その後、前記管状アンビルに力を加えて、前記フレア端部の一部が前記要素の前記第１の面を越えて延在するように前記管状アンビルと前記管との間を圧入することを含む、処理。
4. 請求項３に記載の処理であって、
   機械加工することは、マンドレルを有する機械加工装置を使用することを含み、
   設置することは、さらに、前記機械加工装置の前記マンドレルを前記管状アンビルに挿入することと、前記要素の前記第１の面を越えて延在する前記管状アンビルの前記フレア端部の前記一部を機械加工して、前記フレア端部を前記要素の前記第１の面と同一平面にするために、前記機械加工装置を使用することとを含む、処理。
5. 請求項１に記載の処理であって、
   前記管の前記端部を固定することは、前記管の前記端部を機械的に拡大することを備える、処理。
6. 請求項１に記載の処理であって、
   前記管状アンビルを設置した後かつ摩擦攪拌溶接の前に、前記管状アンビル内にソリッドテーパーアンビルを設置し、前記摩擦攪拌溶接中の前記管状アンビルの崩壊を防ぐ、処理。
7. 請求項１に記載の処理であって、
   機械加工することは、マンドレルを有する機械加工装置を用いることを含み、
   前記第１の面を機械加工することは、前記管状アンビル内に前記機械加工装置の前記マンドレルを挿入することを含む、処理。
8. 請求項１に記載の処理であって、
   前記要素の前記第１の面を機械加工することは、ツーピースエンドミルを用いて前記第１の面を機械加工することを含む、処理。
9. 請求項８に記載の処理であって、
   前記ツーピースエンドミルは、中心孔を有するカッターを含み、
   前記カッターは、前記要素の前記第１の面に向かって、かつ前記要素の前記第１の面から離れるように、移動可能であり、
   前記ツーピースエンドミルは、さらに、前記要素の前記第１の面に向かって、かつ前記要素の前記第１の面から離れるように、前記カッターから独立して移動可能である、前記中心孔に配置されたプローブを含む、処理。
10. 請求項８に記載の処理であって、
    前記ツーピースエンドミルは、中心孔を有するカッターを含み、
    前記カッターは、前記要素の前記第１の面に向かって、かつ前記要素の前記第１の面から離れるように、移動可能であり、
    前記ツーピースエンドミルは、さらに、前記中心孔に配置されたバネ付きセンサを含む、処理。
11. 請求項８に記載の処理であって、
    前記ツーピースエンドミルは、中心孔を有するカッターを含み、
    前記カッターは、前記要素の前記第１の面に向かって、かつ前記要素の前記第１の面から離れるように、移動可能であり、
    前記ツーピースエンドミルは、さらに、前記中心孔の外部の場所で前記ツーピースエンドミルに堅固に取り付けられている少なくとも１つの測深器を含む、処理。
12. 請求項１に記載の処理であって、
    前記要素の前記第１の面を機械加工することは、前記要素の前記第１の面に向かって、かつ前記要素の前記第１の面から離れるように、移動可能なカッターを有するワンピースエンドミルを用いて、前記第１の面を機械加工することを含み、
    前記ワンピースエンドミルは、さらに、前記カッターの前記要素の前記第１の面への貫入の深さを制御する少なくとも一つの深さ停止センサを含む、処理。
13. 請求項１に記載の処理であって、さらに、
    前記管状アンビルにプラグを挿入すること
    を備える、処理。
14. 請求項１に記載の処理であって、
    前記要素の前記第１の面を機械加工することは、前記要素の前記第１の面の一部のみを機械加工することを含む、処理。
15. 請求項１に記載の処理であって、
    前記要素の前記第１の面を機械加工することは、前記管の前記端部に斜角を形成するように前記第１の面と前記管状アンビルとを機械加工することを含む、処理。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の処理により構造体を形成することを備える製造方法。
17. 請求項１６に記載の製造方法であって、
    前記構造体は、熱交換器の一部である、製造方法。

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