JPH10160097A - 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

タンク容器およびタンク容器を形成するための方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウムタンク組立における最終的摩擦
スター溶接による接合の間の裏あてサポートを提供す
る。 【解決手段】 端部ドームを有する円筒状タンク（２）
の構築において、ドームは摩擦スター溶接によって取付
けられ、ワゴン車輪（１０）がタンク円筒（６）とドー
ム（１２）との界面にタンクの内側に位置付けられ、摩
擦スター溶接工具（２０）によって与えられる圧力に対
し裏あてサポートを提供し、摩擦スター溶接プロセスに
よってタンク内に溶接されることにより溶接区域および
タンクを強化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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（frictionstir 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１
２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１
２、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１
０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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ // Ｂ２３Ｋ 101:12 (72)発明者 クリフォード・シィ・バンプトン アメリカ合衆国、91360 カリフォルニア 州、サウザンド・オークス、ベサニ・スト リート、405

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒状本体と少なくとも１つのドーム型
    のタンク端部部材とを有する予め定められた長さのタン
    ク容器であって、前記タンクは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られ、前記タン
    ク本体の壁を支持するための支持構造部材を内部に有す
    る細長い円筒状タンク本体と、前記タンク本体および支
    持構造部材と接触しているドーム型タンク端部部材とを
    含み、前記タンク端部は前記円筒状タンク本体と円筒状
    の突合わせ接合部を形成し、支持構造部材の縁はタンク
    ドームと円筒状タンク本体との間の突合わせ接合部に重
    なり合いこれを支持し、３つの部材はすべて３体接合に
    よってともに同時に溶接され、よって、支持構造部材は
    ドーム型円筒の周囲の突合わせ接合に対し硬い裏あてサ
    ポートとして作用し、結果的に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、したがって、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、タンク容器。
  2. 【請求項２】 ドーム、円筒状本体、および一体型に組
    合された支持構造は、摩擦スター溶接（friction stir
    welding ）プロセスを利用して３体接合により同時に溶
    接することで形成される、請求項１に記載のタンク容
    器。
  3. 【請求項３】 組合せて溶接される圧力容器支持構造部
    材は、ドームおよび円筒の円周突合わせ接合部に一体に
    取付けられたワゴン車輪構成の形をとる、請求項１に記
    載のタンク容器。
  4. 【請求項４】 ワゴン車輪、タンク本体、およびタンク
    ドームは１つまたは２つ以上のアルミニウム合金から作
    製される、請求項３に記載のタンク容器。
  5. 【請求項５】 ワゴン車輪、タンク本体、およびタンク
    ドームは同一のアルミニウム合金から作製される、請求
    項４に記載のタンク容器。
  6. 【請求項６】 タンク内部に含まれる圧力ガスの空気力
    によるタンクの外向きの膨張に耐えるタンク容器を形成
    するための方法であって、部分的に組立てられたタンク
    を提供するステップと、タンク本体内に支持構造部材を
    きつく嵌合させるステップと、円筒状ドーム端部を前記
    タンク本体と突合わせ接合するステップと、摩擦スター
    溶接を用いてタンクを組立てるステップとを含み、これ
    によって、円筒状本体、支持構造部材、およびドームが
    ３体接合において同時に溶接されるとともに支持構造部
    材が摩擦スター溶接プロセスにおいて利用される、タン
    ク容器を形成するための方法。
  7. 【請求項７】 支持構造部材は、ワゴン車輪構成の形を
    とる、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 ワゴン車輪は、部分的に組立てられたタ
    ンクの内側にそれを嵌合させる前にそれを冷却し、次
    に、タンクの内側にきつく嵌合するようにワゴン車輪を
    熱膨張させ、焼き嵌めすることにより、円筒状本体にき
    つく嵌合される、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 ワゴン車輪を円筒状タンクの内側にきつ
    く焼き嵌めできるようにするため、ワゴン車輪を冷却す
    るために極低温ガスが利用される、請求項８に記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 ワゴン車輪の縁はタンクドームとタン
    ク円筒状本体との間の突合わせ接合部に重なりこれを支
    持し、ワゴン車輪、タンクドーム、およびタンク円筒状
    本体は強い堅固な裏あてサポート構造を必要とする摩擦
    スター溶接を利用して３体接合によって同時に溶接され
    る、請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 摩擦スター溶接の前に、タンク容器、
    ドーム、およびワゴン車輪は１つまたは２つ以上のアル
    ミニウム合金から作製される、請求項７に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 タンク容器、ドーム、およびワゴン車
    輪は同一のアルミニウム合金から作製される、請求項１
    １に記載の方法。
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