KR20140066720A

KR20140066720A - 열교환기용 튜브단을 마찰 교반 용접하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140066720A
Application number: KR1020147006260A
Authority: KR
Inventors: 알. 엘러 마이클; 리 찌시엔
Original assignee: 록히드 마틴 코포레이션
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-06-02
Also published as: US20130037601A1; CN103717342B; AU2012294366B2; WO2013023083A3; WO2013023083A2; KR101961881B1; JP6254082B2; CN103717342A; AU2012294366A1; IN2014MN00153A; EP2741887B1; EP2741887A2; JP2014527467A; US9174301B2; BR112014002798A2

Abstract

튜브와 시트 간에 접합을 형성하는 방법은 적어도 튜브 내에 앤빌을 형성하는 단계, 및 상기 앤빌의 존재 하에서 상기 튜브를 상기 시트에 용접하는 단계를 포함한다. 상기 앤빌은 형성될 접합부 근처의 튜브 내에 위치한 앵커를 포함한다. 적어도 하나의 와셔는 형성될 접합부 근처에 있는 앵커 단부 상에 위치한다. 그 다음, 나사 파스너를 상기 앵커 내에 배치하여, 상기 튜브 내의 앵커를 단단히 지지하고 충분한 백업을 제공하여 마찰 교반 용접이 이루어질 수 있도록 한다. 상기 나사 파스너 및 상기 와셔는 상기 마찰 교반 용접용 가이드로서 사용할 수 있다. 용접이 끝나면, 앤빌은 제거할 수 있다. 상기 용접은 버(burr) 및 기타 물질을 제거하기 위한 공정을 추가로 포함할 수 있다.

Description

열교환기용 튜브단을 마찰 교반 용접하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FRICTION STIR WELDING TUBE ENDS FOR A HEAT EXCHANGER}

본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 의해, 2011년 8월 9일에 제출된 미국 가출원특허 제 61/521,589호의 우선권을 주장하며, 이를 본원에 참고로서 수록한다.

본 명세서에 기술된 다양한 실시예들은 열교환기의 튜브단(tube ends)을 압력 용기의 튜브시트(tubesheet)에 마찰 교반 용접하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반 산업용 열교환기는 두 개의 튜브시트 사이에 배치되어 압력 용기 쉘에서 밀봉된 다수의 튜브를 포함한다. 상이한 온도의 유체 또는 가스가 한 매체에서 다른 매체로 열 에너지를 운송하며 열교환기를 통과한다. 상기 튜브는 제 위치에서 압입 또는 용접될 수 있다. 핵 열교환기 및 화학 플랜트에서와 같이 액체 또는 기체의 분리가 중요한 경우, 상기 튜브는 제 위치에 용접되어야 하고 서비스에 앞서 누출 검사가 이루어져야 한다.

열교환기 튜브의 용접 공정에는 다음과 같은 많은 단점이 있다:

(1) 수동 용접 기술을 통해 모든 튜브 접합을 마련하고 용접하는 높은 인건비,

(2) 복잡한 수동 또는 반자동 용접 공정으로 인한 결함 보수비, 및

(3) 용접 접합부의 부식민감성 증가.

특히 상기 시스템 중 하나라도 부식성인 경우, 부식은 작동액 오염의 주요 원인이다.

본 발명은 열교환기의 튜브시트에 튜브을 접합시키는 고체 상태의 용접 접합을 구현한다. 고체 상태의 용접 접합은 마찰 교반 용접(FSW)과 유사하다. 상기 튜브 및 튜브시트는 동일하거나 유사한 재료로 제조될 수 있다. 그 결과, 동일하거나 유사한 재료를 사용하여 용접부를 형성할 수 있다. 이는 대체로 재료의 혼합물로 용접부를 형성하는 현 용접 공정을 대체한다.

본 발명의 고체 상태의 용접 접합은 상당한 비용과 결함을 없애고, 장애와 연관된 장기적 부식의 제거나 감소를 통해 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1A는 실시예에 따른, 튜브시트의 튜브단 근처에 배치된 앵커(anchor)의 사시도이다.
도 1B는 실시예에 따른, 튜브단 내에 배치된 앵커를 포함하는 튜브시트의 튜브단을 보여주는 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른, 튜브단의 앵커 인서트(anchor insert) 상에 배치된 와셔(washer)의 사시도이다.
도 3은 실시예에 따른, 튜브단 내의 앵커 내부로 나사결합된 소켓 헤드 캡 나사의 사시도이다.
도 4는 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공정용 보조부재(backer)로 사용하기 위해 배치한 앤빌 조립체(anvil assembly)를 포함하는 튜브 및 그 단부의 부분 절결 측면도이다.
도 5A는 실시예에 따른, 마찰 교반 용접에서 사용하기 위한 고정 핀 도구 또는 장치의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 5B는 실시예에 따른, 제조공정물 용접시의 고정 핀 도구 또는 장치의 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른, 앤빌 조립체가 설치된 복수의 튜브단을 포함한 튜브시트의 사시도이다.
도 7은 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 (FSW)을 수행하고 앤빌이 설치되어 있는 튜브단 쪽으로 이동하는 핀 도구의 사시도이다.
도 8은 실시예에 따른, 튜브시트에 용접된 두 개의 튜브단의 사시도이다. 또한 튜브의 앵커에서 분리된 손상되지 않은 소켓 캡 나사를 나타낸다.
도 9는 실시예에 따른, 기계가공 및 디버링(deburring) 후의 튜브 용접을 보여주는 평면도이다.
도 10A는 또 다른 실시예에 따른, 이중 쐐기형 앵커(a double wedge anchor)의 측면도이다.
도 10B는 또 다른 실시예에 따른, 내부나사 드롭인 앵커(an internally threaded drop-in anchor)의 측면도이다.
도 10C는 또 다른 실시예에 따른, 탄성체 앵커의 측면도이다.
도 10D는 또 다른 실시예에 따른, 탄성체 앵커의 측면도이다.
도 10E는 또 다른 실시예에 따른, 탄성체 앵커의 측면도이다.
도 10F는 또 다른 실시예에 따른, 탄성체 앵커의 측면도이다.
도 10G는 또 다른 실시예에 따른, 탄성체 앵커의 측면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른, 열교환기 몸체의 플랜지에 연결된 받침 앤빌 배플판(a backing anvil baffle plate)의 사시도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른, 받침 앤빌 배플판 및 복수의 연장형 앵커 어셈블리의 절결 측면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른, 도 12의 받침 앤빌 배플판 및 복수의 연장형 앵커 어셈블리의 확대도이다.
도 14는 실시예에 따른, 연장형 앵커(1200)의 사시도이다.
도 15는 실시예에 따른, 랭킨 사이클(Rankine cycle)의 개략도이다.

도 15는 랭킨 사이클(900)의 개략도다. 도시한 사이클은 펌프(910), 보일러(920), 터빈(930) 및 응축기(940)를 포함한다. 응축기(940)는 유체가 터빈(930)을 통과한 후에, 가스로부터 열을 제거하는 냉각유체를 사용하는 열교환기를 포함한다. 냉각 유체는 부식될 수 있다. 가스 역시 부식될 수 있다. 그래서, 응축기(940)와 연관된 열교환기는 일부 응용에서는 부식 환경에서 작동된다. 열교환기는 다양한 방식으로 구성할 수 있다. 열교환기 중 하나는 2개의 튜브시트 사이에 배치되어 압력 용기 쉘 내에 밀봉된 다수의 튜브를 포함한다. 따라서 열교환기는 튜브와 튜브시트 사이에 형성된 하나 이상의 접합부를 포함한다. 열교환기는 여기에 기재된 장치 및 방법에 대한 하나의 응용으로, 여기에 기재된 장치 및 방법에는 다른 응용도 적용할 수 있음을 이해해야 한다.

마찰 교반 용접(friction stir welding, FSW)은 고체 상태의 접합 공정이며, 융접 공정에 비해서 높은 접합력 및 낮은 변형 등의 몇 가지 장점을 가진다. 또한, 마찰 교반 용접 공정은 융접이나 다른 용접 공정으로 용접할 수 없는 합금을 접합시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 마찰 교반 용접은 많은 산업에서 유용한 접합 공정으로 활용되고 있다. FSW는 알루미늄이나 기타 고온 튜브 합금에서도 튜브 대 튜브시트의 접합을 형성할 수 있다. 그러나, 용접식 알루미늄 쉘과 튜브 열교환기 시장은 전세계 쉘 및 튜브 시장에서 1% 미만에 그치는 것으로 추정된다. 반대로, 용접식 탄소강 쉘 및 튜브 열교환기는 전세계 용접식 쉘 및 튜브 시장의 약 70%를 차지하며, 나머지 29% 미만은 스테인리스강, 티타늄, 및 기타 고온 합금으로 구성되는 용접식 쉘 및 튜브 열교환기가 차지한다. 탄소강은 알루미늄보다 파운드당 가격이 저렴하며, 보다 높은 온도와 압력에 견딜 수 있고, 기름, 가스 및 산 등의 강력한 작동액에 더욱 적합하므로, 알루미늄(및 기타 고온 금속)에 비해 훨씬 더 인기가 있다. 그러므로, 튜브 대 튜브시트의 접합을 형성하는 공정은 알루미늄, 알루미늄 합금, 탄소강, 스테인리스강, 티타늄 및 기타 고온 튜브 합금에 광범위하게 적용할 수 있어야 한다. 튜브 대 튜브시트 접합 형성을 가능한 많은 고온 튜브 합금에 광범위하게 적용할 수 있도록 함으로써, 열교환기 시장의 점유율 향상 문제를 해결할 수 있다. 또한, 튜브 대 튜브시트 접합의 형성 공정을 보다 활성화시켜, 적용가능한 시장의 점유율이 높아지면, 시장에서는 보다 많은 공정을 받아들일 수 있게 된다.

튜브 대 튜브시트의 FSW 고온 접합은 새로운 앤빌(anvil), 및 FSW 부하에 반응하고 발생 온도에 견딜 수 있으면서 용접부위를 오염시키지 않는 관련 기술에 의해서 해결된다. FSW를 이용할 경우, 회전 공구는 접합부 상에 부하를 가할 수 있다. 앤빌 기술이 접합을 지지함으로써, 용접 공정 동안에 공구에 의해 발생된 부하에 견디거나 반발력을 생성할 수 있다.

도 1A는 튜브시트(120)에 위치한 튜브단(110) 근처의 앵커(100)를 나타내는 사시도이며, 도 1B는 실시예에 따른, 튜브시트(120)에 위치한 튜브단(110), 및 튜브의 튜브단(110) 내에 배치된 앵커(100)를 나타내는 사시도이다. 도 2는 튜브단(110) 내의 앵커 인서트(100) 위에 배치된 와셔(200)의 사시도이다. 도 3은 실시예에 따른, 튜브단(110) 내의 앵커(100) 내에 나사결합된 소켓 헤드 캡 나사(300)의 사시도이다. 이제, 도 1A, 1B, 2, 3을 참조하여 앤빌 조립체(310)의 제 1실시예를 보다 상세하게 설명한다. 제 1실시예에 있어서, 앤빌 조립체(320)는 콘크리트 앵커(100), 소켓 헤드 캡 나사(300), 및 와셔(200)를 포함한다. 앤빌 조립체(320)는 제거가능한 보조부재(backer)로서의 역할을 함으로써, 마찰 교반 용접 공구 및 FSW 기술을 이용하여 튜브(111), 보다 상세하게는 튜브단(110)과 튜브시트(120)를 용접할 수 있다. 앤빌 조립체(320)가 없으면, FSW 용접 공정의 실행이 훨씬 더 복합해지며, 얻어지는 결과도 일관성이 떨어지게 된다.

도 4는 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공정용 보조부재로서 사용하기 위해 배치한 앤빌 조립체(320)를 포함하는 튜브(111) 및 튜브단(110)의 부분 절결 측면도이다. 형성된 앤빌 조립체(320)는 FSW를 실행하는 공구를 가이드하고 간격을 유지하기 위해 사용하는 원통형 상부(300)(소켓 헤드 캡 나사(300)의 둥근면)와, 튜브(111)의 튜브단(110) 내에 고정된 앵커(100)를 포함한다. 와셔(200)는 튜브시트(120)와 거의 동일한 높이에 위치한 앵커(100) 상에 배치된다.

앵커(100)는 제 1몸체부(131)와 제 2몸체부(132)를 포함한다. 제 1몸체부(131)와 제 2몸체부(132)는 내부 쐐기(도시 생략)와 인접해 있다. 앵커(100)는 나사개구(102)을 가진다. 또한, 앵커(100)는 나사개구(102)의 적어도 일부를 포함할 수 있는 내부 쐐기도 가진다. 나사개구(102)에 접합시, 쐐기는 튜브시트(120), 및 튜브(111)의 튜브단(110)과 거의 동일한 높이에 있는 앵커(100)의 일단을 향해 이동된다. 쐐기는 레버로서 작용하여, 제 1몸체부(131)와 제 2몸체부(132)를 반경방향 외측(radially outward)으로 가압한다. 쐐기는 튜브(111), 특히 튜브단(110)에 접합된다. 또한, 쐐기는 튜브(111)를 위한 단단한 보조부재가 되기도 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 소켓 헤드 나사부(300)는 앵커(100)의 내부 나사부와 접합되는 나사단(302)을 가진다. 소켓 헤드 나사부(300)는 둥근 헤드단(304)도 가진다.

도 4에 도시된 바와 같이, 둥근 헤드단(304)은 앨런 렌치(allen wrench) 등의 드라이버를 수용할 수 있는 크기로 내부에 형성된 육각형 개구(306)를 가진다. 일부 실시예에서는 작업자가 손으로 나사단(302)을 죄거나 풀 수 있도록, 나사 헤드단(304)은 거친 외부면을 가진다. 다른 실시예에서는, 고정 핀 공구의 숄더(520)가 마찰이 거의 없이 외부면에 접합되거나 그 위를 통과할 수 있도록, 나사 헤드단(304)은 실질적으로 매끄러운 외부면을 가진다. 튜브의 내부에 가해지는 힘의 양은, 앨런 렌치 등의 드라이버에 가해지는 토오크(torque)를 변화시켜 조절할 수 있다. 또한, 앵커(100)의 나사부로부터 소켓 헤드 나사부(300)를 풀어서, 앵커를 튜브(111)의 내벽으로부터, 보다 상세하게는, 튜브단(110)으로부터 제거할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 소켓 헤드 나사부(300)는 드라이버를 수용하기 위한 다른 개구를 포함할 수 있다. 예를 들면, 소켓 헤드 나사부(300)는 스크류 드라이버를 수용하기 위한 슬롯이나 십자 스크류 드라이버(Phillips screwdriver)를 수용하기 위한 십자 개구를 가질 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 소켓 헤드 나사부(300)는 튜브단(110)의 상부와 소켓 헤드 나사부(300)의 하부 사이에서 와셔(200)를 유지하기도 한다. 와셔(200)는 튜브 (111) 및 튜브시트(120)와 동일한 재질로 제조되어 용접을 형성하는 모든 소재가 동일한 재질을 갖게 하고, 이는 전류작용(voltaic reation)에 의해 초래될 수 있는 부식의 가능성을 줄인다. 핀(520)은 회전시 마찰로 인해 열을 발생하여 튜브(111)의 금속을 가열하며, 튜브시트(120) 및 와셔는 튜브단(110)을 튜브시트(120)에 용접시킨다.

도 1A, 1B, 2, 3, 6으로 돌아가서, 실시예에 따른 튜브단(110)의 앤빌 조립체(320)에 대해 상세하게 설명한다. 처음에, 튜브단(110)은 튜브시트(120)와 거의 동일한 높이에서 그에 접합된다. 앤빌 조립체(320)의 앵커(100)는 튜브단(110) 근처에 위치된다. 다음에, 앵커(100)는 튜브단(110)내로, 이어서 튜브(111)내로 삽입된다. 앵커(100)는 나사개구(102)을 갖는 단이 튜브단(111) 및 튜브시트(120)와 거의 동일한 높이가 될 때까지 삽입된다. 일 실시예에 있어서, 튜브단(110) 또는 이 튜브단 근처의 튜브(111) 부분은 확장되어 튜브시트(120)내의 개구 내에 보다 근접하게 접합된다. 와셔(200)는 앵커(100) 상에 배치된다. 와셔(200)의 일측면은 튜브단(110) 및 튜브시트(120)와 거의 동일한 높이를 가진다. 와셔(200)의 타측면은 튜브시트(120) 및 튜브단(110)보다 약간 높게 배치된다. 소켓 헤드 캡 나사(300)는 와셔(200)를 통해서 앵커(100)의 나사부(102) 내에 삽입된다. 소켓 헤드 캡 나사(300)의 나사단(302)은 앵커(100)의 나사부(102)에 나사결합된다. 앨런 렌치, 스크류 드라이버, 또는 기타 드라이버 등의 공구를 사용하여 소켓 헤드 캡 나사(300)를 돌린다. 예를 들면, 오른손 나사일 경우, 소켓 헤드 캡 나사(300)를 시계방향으로 돌리면, 나사는 내부 쐐기와 접합되어 앵커의 몸체부를 가압함으로써, 튜브(111)의 벽과 접합된다. 처음에는, 소켓 헤드 캡 나사(300)를 약하게 죔으로써, 앵커가 그 위치에서 유지되면서도, 동시에 소켓 헤드 캡 나사(300)를 가볍게 밀거나 당김으로써, 앵커가 이동될 수 있도록 한다. 이러한 식으로, 앵커는 튜브(111) 및 튜브시트(120)와 거의 동일한 높이에 배치된다. 이러한 포지셔닝은 앵커(100)가 확장되어 튜브(111)의 내벽에 밀착되는 동안, 튜브 대 튜브시트 표면에 와셔(200)를 위치시킨다. 최종 조임 토오크가 소켓 헤드 캡 나사(300)에 가해짐으로써, 소켓 헤드 캡 나사(300)는 와셔(200)에 단단히 고정되며, 와셔(200)의 상부면은 튜브 대 튜브시트 표면과 동일한 높이(또는 약간 더 높은 높이)에 있게 된다.

이를 튜브시트(120)에 있는 다수의 튜브(111)에 대해 반복한다. 도 6은 실시예에 따른, 앤빌 조립체(320)가 설치된 다수의 튜브단(110)을 갖는 튜브시트(120)의 사시도다. 도시된 바와 같이, 튜브단(110) 근처에 앤빌 조립체(320)가 설치되는 2개의 장소(601, 602)가 있다. 또, 앤빌 조립체가 설치되지 않는 2개의 장소(603, 604)도 있다. 튜브시트와 튜브단 간의 접합을 완료하려면, 앤빌 조립체는 상기 장소(603, 604)에도 설치되어야 한다. 물론, 튜브시트(120)에서 종결되는 더 많은 튜브단을 갖는 열교환기도 있다. 이 공정은 이 튜브시트에 대해서도 완전히 동일하긴 하나, 결과적으로는 튜브시트(120)에 2개의 튜브단(110)을 마찰 용접할 수 있는 더 많은 장소를 만들어낸다.

도 5A는 실시예에 따른, 마찰 교반 용접에서 사용하는 고정 핀공구(500) 또는 장치의 예를 나타내는 측면도다. 마찰 교반 용접 공정(가령, 마찰 교반 용접 공정이나 자동반응 마찰 교반 용접 공정)에서 사용하는 다수의 상이한 기술이 있다. 제 1기술은 도 1A에 도시된 고정 핀공구기술이다. 고정 핀공구(500)는 숄더(510)와 핀(520)을 포함한다. 고정 핀공구(500)는 일 실시예에서, (핀(520)과 숄더(510)를 포함하여) 하나의 재료 부품으로 제조된다. 핀(520)의 길이는 일정하다. 고정 핀공구(500)는 용접판 또는 제조공정물을 일정한 두께로 용접하는데 사용한다.

도 5B는 실시예에 따른, 제조공정물을 용접 중인 고정 핀공구 또는 장치를 나타내는 개략도다. 이 실시예에서, 핀(520)과 숄더(510)는 함께 회전하며, 서로 독립적으로 이동하지는 않는다. 용접하는 동안, 핀공구 장치(500)가 회전되며, 동시에 제조공정물(530)과 같은 하나 이상의 제조공정물이 용접방향을 따라 옆으로 이동된다. 핀공구 장치(500)에 의해 하나 이상의 제조공정물(530)에 압력 또는 힘이 가해진다. 도 1A, 1B, 2, 3, 4의 보조부재 또는 앤빌 조립체(320)는 핀공구 장치(500)로부터 지속적으로 가해지는 압력에 대해 지탱을 해준다. 또한, 보조부재 또는 앤빌 조립체(320)는 FSW 공정 동안에 핀공구 장치(500)에 가해진 힘에 대해 반대로 작용하는 반력도 제공한다. 상술한 바와 같이, 핀공구 장치(500)가 하나의 단단한 재료 부품으로 제조되므로, 핀(520)과 숄더(510)는 함께 회전한다. 다른 실시예에서는, 핀은 상부 또는 상단 숄더와 독립적으로 회전하며, 핀의 길이를 변화시켜 테이퍼형(tapered)이거나 다양한 폭의 스톡(stock)을 용접할 수 있도록 하기 위해, 핀은 숄더와 독립적으로 상승하거나 하강할 수 있다. 앤빌 조립체(320) 및 특히, 앵커(100) 역시 FSW 공정에 의해서 생성되는 열의 일부를 흡수하기에 충분한 열 질량을 가진다. 앵커(100)의 열 질량에 의해, 앵커가 튜브(111) 내부에 용접되는 것이 방지된다. FSW 고정핀 공구(500)은 고속으로 회전 구동되면서, 금속 내로 삽입된다. 드라이버는 핀을 회전시킬 뿐만 아니라, 핀 공구(500)를 튜브 대 튜브시트의 접합부 근처로 이동시켜, 핀공구 숄더(510)가 튜브단(110) 및 와셔(200) 위로 이동되도록 하되, 소켓 헤드 캡 나사(300)가 튜브의 중심으로부터 돌출되지 않도록 한다.

도 7은 실시예에 따른, 마찰 교반 용접(FSW)을 실행하고, 앤빌 조립체(320)가 설치되어 있는 튜브단(110)을 향해 이동하는 핀공구(700)의 사시도다. 핀공구(700)는 튜브(111) 대 튜브시트(120)의 접합부 주변에서 핀공구(500)를 회전시키는 드라이버(710)를 포함한다. 핀공구(700)는 일 실시예에서, 전산화된 전동공구에 의해서 제어된다. 따라서, 핀공구(700)는 마찰 교반 용접시에 튜브시트(120)에 대해 각각의 튜브단(110)을 중심으로 이동된다. 2개의 튜브단을 각각 튜브시트에 대해 접합하고 나면, 전동공구는 핀공구(700)를 다음 튜브로 이동시켜 튜브시트에 대해 접합을 실행한다.

도 8은 실시예에 따른, 튜브시트(120)에 용접된 2개의 튜브단(110)을 나타내는 사시도다. 핀공구(500, 700)는 튜브시트(120)에 약간의 자국 또는 소용돌이 흠집을 남긴다. 용접이 완료된 후, 소켓 캡 나사(300)를 제거할 수 있다. 도 8에는 튜브(111)내의 앵커(100)로부터 제거된 손상되지 않은 소켓 캡 나사(300)도 도시되어 있다. 마찰 교반 용접 후에, 앵커(100)는 튜브(111)내에 남아 있다. 또한, 와셔(200)는 튜브단(110)을 덮는다. 와셔(200)는 튜브단(110)의 상단에 용접된다. 일 실시예에 있어서, 용접 덧살 및 표면 소용돌이 흠집은 플라이 커터, 페이스 밀, 엔드 밀 등의 전동공구에 의해 제거된다. 다른 실시예에 있어서, 필요한 깊이로 물질을 제거하기 위해 연삭기, 사포기(sander), 연마기를 사용할 수 있다. 와셔의 이음매 외경 및 튜브의 내경을 볼 수 있으면, 물질은 필요한 깊이만큼 제거된 것이다.

도 9는 실시예에 따른, 기계가공 및 디버링 후의 튜브 용접을 나타내는 평면도다. 튜브시트(120)로부터 적절한 양의 물질이 제거되면, 금속봉을 사용하여 뒤쪽에서 부품을 밀거나, 공구에 의해 표면측에서 앤빌(100)과 와셔(200) 결합체를 당겨서, 앤빌(100)과 와셔(200) 결합체를 제거할 수 있다. 튜브(111)의 내경은 디버링 공구로 디버링하거나 원뿔형 드릴 비트로 챔퍼(chamfer)할 수 있다. 최종 결과는 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 최종 결과에는 튜브시트(120)에 용접된 2개의 튜브(111)만 포함하고 있다는 것을 주목해야 한다. 많은 응용에 있어서, 튜브시트(120)에 다수의 튜브(111)를 용접할 수도 있다.

상술한 와셔(200)는 일정한 용접 특성을 향상시키고 용접부위 내에 불순물이 들어가는 것을 피하기 위해서, 튜브 및 튜브시트와 동일한 재료로 제조된다. 소켓 캡 나사(300) 및 앵커(100)는 용접시에 소비되지 않기 때문에, 동일한 재질을 가질 필요는 없다. 소켓 캡 나사(300) 및 앵커(100)는 마찰 교반 용접 공정에서 발생된 힘과 고온에 견딜 수 있도록, 적절한 강도 및 고온 내성을 가져야 한다. 열교환기가 저탄소강으로 제조되면, 와셔(200), 튜브(110), 및 튜브시트(120)의 재질은 모두 저탄소강이다. 티타늄 튜브시트(120) 내에서 티타늄 튜브(110)가 용접될 경우, 와셔(200)는 티타늄으로 제조될 수 있다.

상기 도면에 도시된 앵커는 이중 쐐기 앵커다. 다른 앵커를 사용하여 앤빌(100)을 형성할 수 있음을 주목해야 한다. 도 10A-10G는 다른 앵커(1000A, 1000B, 1000C, 1000D, 1000E, 1000F, 1000G)를 나타낸다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 다른 이중 쐐기 앵커(1000A)를 사용하여 앤빌(100)의 일부를 형성할 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 내부나사 드롭인 앵커(1000B)를 사용하여 앤빌의 일부를 형성할 수 있다. 앵커(1000C, 1000D, 1000E, 1000F, 1000G)는 모두 제 1판과 제 2판 사이에 끼워져 있는 탄성재를 포함한다. 나사 파스너를 죄면, 제 1판이 제 2판 쪽으로 당겨짐으로써, 탄성재를 압축시켜 외측으로 볼록하게 만든다. 앵커(1000C, 1000D, 1000E, 1000F, 1000G)는 튜브(110) 내에 흔적이나 다른 흠집을 덜 남기는 장점이 있다. 어떤 위치에 생긴 흔적이나 기타 흠집은 부식에 더욱 민감할 수 있다. 물론, 마찰 교반 용접시에 탄성재를 사용할 경우에, 탄성재는 마찰 교반 용접 공정에 의해서 발생된 열에 견딜 수 있는 충분한 내열 품질을 가져야 한다. 앵커(1000A, 1000B, 1000C, 1000D, 1000E, 1000F, 1000G)는 모두 동일한 목적을 수행하며, 나사(300)가 앵커(1000A, 1000B, 1000C, 1000D, 1000E, 1000F, 1000G)의 내부 나사에 삽입되면, 이들 앵커는 튜브(110)벽의 내부에 대해 외측으로 확장된다.

다른 실시예에 있어서, 이러한 유형의 앵커 대신 다른 대체품을 사용할 수 있을 것으로 생각한다. 대체품으로는 스프링 핀, 스프링 압축 앵커, 가압 접합핀, 테이퍼 핀 등이 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 핀 공구 숄더에 도달한 와셔를 이용하는 대신에, 용접시 소켓 헤드 캡(300)과 같은 다른 앵커 또는 스크류 헤드를 소비할 수 있다.

도 11은 다른 실시예에 따른, 열교환기 몸체(1110)의 플랜지에 결합된 받침 앤빌 배플판(1100)의 사시도다. 열교환기 몸체(1110)는 전형적으로, 플랜지(1112) 또는 밀폐 플랜지를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 도 1-9에 기재되어 있는 바와 같이 열교환기 몸체가 튜브시트(120)에 용접된 상태에서, 받침 앤빌 배플판(1100)을 사용하여 튜브(110)의 자유단을 지지한다. 받침 앤빌판(1100)은 일실시예에 있어서, 드릴링 가공 대신에 펀칭 및 레이저 절단에 의해 받침 앤빌판(1100)에 개구를 형성할 수 있도록 약 1/2인치의 두께를 가진다. 앤빌판(1100)은 플랜지(1112)로부터 오프셋이다. 또한, 받침 앤빌판(1100)은 열교환기 몸체(1110)의 플랜지(1112)와 인접해 있는 플랜지(1102)도 포함한다. 플랜지(1102)내의 개구(1104)는 플랜지(1112)내의 개구와 대응한다. 따라서, 받침 앤빌판(1100)은 볼트로 접합되거나, 그렇지 않으면 플랜지(1112)에 연결될 수 있다. 받침 앤빌판(1100)내의 개구(130)는 열교환기의 튜브(111)에 대응한다.

도 12는 다른 실시예에 따른, 받침 앤빌 배플판(1100) 및 다수의 연장형 앵커 조립체(1200)의 절결 측면도다. 연장형 앵커 조립체(1200)는 튜브(111)의 자유단(112)을 받침 앤빌 배플판(1100)에 연결하는데 사용한다. 튜브(111)의 내부 및 열교환기 쉘의 내부에서 연장형 앵커 조립체(1200)를 사용함으로써, 열교환기의 다른 단부에 있는 튜브시트(120)의 튜브단(110)은 마찰 교반 용접 공정 동안에 제 위치에서 추가로 지지된다. 튜브(111)의 단부가 받침 앤빌 배플판(1100)에 고정됨으로써, (도 1 내지 9에 도시된 바와 같이)튜브시트(120)에 대한 튜브단(110)의 이동이 방지된다.

도 13은 다른 실시예에 따른, 도 12에 도시한 받침 앤빌 배플판 및 다수의 연장형 앵커 조립체(1200)의 확대도다. 앵커 조립체(1200)는 약 3인치의 길이를 가진다. 다른 실시예에 있어서, 앵커 조립체(1200)는 다른 길이를 가질 수 있다. 앵커 조립체(1200)는 튜브(111)의 자유단(112)내에서 확장된다. 앵커 조립체(1200)를 수용한 후에, 튜브(111)의 자유단(112)은 약간 확장될 수 있다. 그러나, 절단에 따라 튜브의 자유단이 제 2 튜브시트(1220)에 부착되는 경우, 공정 중에 튜브(111)의 자유단은 나중에 절단된다. 그러므로, 제 2 튜브시트(1220)상에 형성된 튜브 대 튜브시트 접합부위를 오염시키거나 콜링(calling)에 대한 위험은 없다. 튜브(111)의 제 1단(110)이 튜브시트(120)에 용접되고 나면에, 앵커(1200) 및 받침 앤빌 배플판(1100)은 제거된다. 튜브(111)의 자유단(112)의 남은 길이는 튜브 및 커터 공구를 이용하여 갈아낸다. 그 다음, 자유단(112)은 도 1-9을 참조하여 위에서 설명한 바와 동일한 방식으로 튜브시트(1220)에 부착된다.

도 14는 다른 실시예에 따른, 연장형 앵커(1200)의 사시도다. 앵커(1200)는 받침 앤빌 배플판(1100)의 개구(1130) 내에 접합되는 칼러(collar)가 포함된 나사부를 포함한다. 앵커(1200)는 튜브시트(120) 및 튜브시트(1220)에 있어서, 제 위치에서 핀 튜브를 지지한다. 나사 캡 칼러는 배플판(1100)과 일체일 수 있거나, 도 14에 도시된 바와 같이, 앵커에 부착되는 별도의 부품(1400)일 수 있다. 칼러(1400)는 마찰 교반 용접 공정에 의해서 생성된 부하에 충분히 견딜 수 있을 정도로 견고하게 설계된다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 튜브의 자유단은 배플판(1100)에 에폭시로 접착된다. 상술한 공정에서는 고정 핀공구를 사용하였음을 주목해야 한다. 튜브단을 튜브시트 내에 용접하기 위해 조절이 가능한 핀공구를 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 조절가능한 핀공구를 이용하여 고정된 숄더에 대해 핀을 상승 및 하강시킬 수 있다. 공정 동안 필요에 따라서, 조절가능한 핀공구를 사용하여 튜브가 튜브시트에 용접되는 동안 삽입 깊이를 조절할 수 있다. 다시 말해, 마찰 교반 공정 중에 중첩된 흔적이나 흠집이 튜브시트(120) 상에 생길 경우, 이전 튜브를 둘러싼 곳부터 이미 마찰 교반 용접이 이루어진 튜브시트 접합까지의 길이보다 핀의 깊이를 짧게 만들 수 있다.

튜브와 튜브시트 간에 접합을 형성하는 방법은, 튜브의 제 1단을 튜브시트의 주면(major surface)과 거의 동일한 높이로 위치시키는 단계와, 상기 제 1단 근처의 튜브 내에 적어도 일부를 갖는 앤빌 조립체를 형성하는 단계와, 상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브 내에서 확장시키는 단계와, 상기 튜브를 상기 튜브시트에 용접하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 튜브를 상기 튜브시트에 용접하는 단계는 마찰 교반 용접을 포함하고, 상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브 내에서 확장시키는 단계는 상기 앤빌 조립체의 일부를 확장시켜 상기 튜브단을 상기 튜브시트에 대해 지지하는 단계를 포함한다. 상기 방법에서 사용한 상기 앤빌 조립체는 앵커를 포함한다. 튜브와 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법은 탄성 앵커의 사용을 포함한다. 튜브와 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법은 상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계를 포함한다. 상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계는, 상기 튜브의 제 2단에 제 2 앵커를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계는, 제 2 앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단에 결합하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제 2 앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단에 결합하는 단계는, 제 2 튜브시트 내의 개구를 통해서 상기 튜브의 제 2단을 확장시키는 단계, 상기 제 2 튜브시트에 대해 거의 고정되는 관계로 받침 배플을 부착하는 단계, 상기 튜브의 제 2단 내에 제 2 앵커를 배치하는 단계, 및 상기 제 2 앵커를 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 포함한다. 상술한 방법의 어느 하나에 있어서, 상기 제 2앵커를 상기 튜브의 제 2단에 배치하는 단계와, 상기 앵커를 상기 튜브의 제 2단 내에서 확장시키는 단계를 포함할 수 있다.

제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브 간에 접합을 형성하는 방법은, 상기 제 1 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트의 주면과 거의 동일한 높이로 위치시키는 단계와, 상기 제 2 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트 내의 개구를 통해서 위치시키는 단계와, 제 1앤빌 조립체의 일부를 상기 제 1단 근처의 상기 튜브 내에 배치하는 단계와, 상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브의 상기 제 1단 내에서 확장시켜 상기 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트에 대해 지지하는 단계와, 상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트의 제 2단에 대해 지지하는 단계, 및 상기 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트에 용접하는 단계를 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트에 용접하는 단계는 마찰 교반 용접을 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트에 대해 지지하는 단계는 받침 배플을 상기 제 2 튜브시트에 대해 오프셋 위치에 부착하는 단계를 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브 시트에 대해 지지하는 단계는 상기 튜브의 제 2단을 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 상기 받침 배플에 부착하는 단계는 제 2 앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단과 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 제거함으로써 상기 제 2단은 상기 제 2 튜브시트와 거의 동일한 높이로 형성될 수 있다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트에 용접하는 단계를 더 포함한다. 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 상술한 방법에 있어서, 상기 튜브의 제 2단은 상기 제 2 튜브시트에 용접된다.

지금까지 개시한 주제 내에 포함되는 발명(들)의 일부 예시적인 실시예를 상세하게 설명하였다. 그러한 발명(들)은 개별적으로 및 종합적으로 여기에서는 단지 편의를 위해서 "발명"이란 용어로 언급하였으나, 이 출원의 범위를 임의의 하나의 발명 또는 하나 이상이 실제로 개시된 경우, 발명적인 개념의 범위를 한정하려고 의도한 것은 아니다. 상세한 설명은 이것의 일부를 구성하며 예시를 위해 도시한 도면을 참조하여 언급하였으나, 바람직한 실시예를 포함하여 발명의 일부 특정한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 이들 실시예는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자가 발명의 주제를 충분히 이해하고 실시할 수 있도록 상세하게 기술하였다. 다른 실시예를 이용할 수 있으며, 발명의 주제 범위를 벗어남이 없이 변경할 수 있다. 그러므로, 여기에 도시 및 기재된 특정 실시예는 동일한 목적을 달성하도록 계산된 임의의 배열로 대체될 수 있다. 본 개시내용은 다양한 실시예의 모든 개조 및 변형을 커버하도록 의도하였다. 상술한 실시예와 여기에 특별히 기재되지 않은 기타 실시예를 조합하는 것은 상술한 기재내용을 검토함으로써 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims

튜브의 제 1단을 튜브시트의 주면과 실질적으로 동일한 높이로 배치하는 단계;
상기 제 1단 근처의 상기 튜브 내에 적어도 일부를 갖는 앤빌 조립체(anvil assembly)를 형성하는 단계;
상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브 내에서 확장시키는 단계; 및
상기 튜브를 상기 튜브시트에 용접하는 단계를 포함하는 튜브와 튜브시트 간에 접합을 형성하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 튜브를 상기 튜브시트에 용접하는 단계는 마찰 교반 용접(friction stir welding)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브 내에서 확장시키는 단계는, 상기 튜브시트에 대해 상기 튜브단을 지지하기 위해 상기 일부분을 확장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 앤빌 조립체는 앵커(anchor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 튜브단 내에 있는 앤빌 조립체의 일부는 탄성 앵커인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 방법은 상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 6항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계는 상기 튜브의 제 2단에 제 2 앵커를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 6항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단을 지지하는 단계는 제 2 앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단에 결합하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 제 2 앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단에 결합하는 단계는,
제 2 튜브시트 내의 개구를 통해서 상기 튜브의 제 2단을 확장시키는 단계,
상기 제 2 튜브시트와 실질적으로 고정되는 관계로 받침 배플을 부착하는 단계,
상기 튜브의 제 2단 내에 제 2 앵커를 배치하는 단계, 및
상기 제 2 앵커를 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8항에 있어서,
제 2 앵커를 상기 튜브의 제 2단 내에 배치하는 단계는 상기 앵커를 상기 튜브의 제 2단 내에서 확장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 제 1 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트의 주면과 실질적으로 동일한 높이에 위치시키는 단계,
상기 제 2 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트 내의 개구를 통해서 위치시키는 단계,
제 1 앤빌 조립체의 일부를 상기 제 1단 근처의 상기 튜브 내에 배치하는 단계,
상기 앤빌 조립체의 일부를 상기 튜브의 상기 제 1단 내에서 확장시켜 상기 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트에 대해 지지하는 단계,
상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트의 제 2단에 대해 지지하는 단계, 및
상기 튜브의 제 1단을 제 1 튜브시트에 용접하는 단계를 포함하는 제 1 튜브와 제 1 튜브시트, 및 제 2 튜브와 제 2 튜브시트 간에 접합을 형성하는 방법.
제 10항에 있어서,
상기 튜브의 제 1단을 상기 제 1 튜브시트에 용접하는 단계는 마찰 교반 용접을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트에 대해 지지하는 단계는 받침 배플을 상기 제 2 튜브시트에 대해 오프셋(offset) 위치에 배치된 받침 배플을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트에 대해 지지하는 단계는 상기 튜브의 제 2단을 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단을 상기 받침 배플에 부착하는 단계는 제 2앤빌 조립체를 상기 튜브의 제 2단 및 상기 받침 배플에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10항에 있어서, 상기 튜브의 제 2단을 제거하여, 상기 제 2단을 상기 제 2 튜브시트와 실질적으로 동일한 높이에 형성될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,
상기 방법은 상기 튜브의 제 2단을 상기 제 2 튜브시트에 용접하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항에 있어서,
상기 튜브의 제 2단은 상기 제 2 튜브시트에 용접되는 것을 특징으로 하는 방법.