TW201515751A - 利用攪拌摩擦焊接將管件連接至元件的方法和由其製成的結構 - Google Patents

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Abstract

一種利用攪拌摩擦焊接技術以將一管件如壁厚約為0.100英寸以下的薄壁規格管，連接至另一元件如熱交換器的管板的方法。該方法採用了被安裝到該管件的端部中的管狀砧座，該管狀砧座在一個實施例中能在攪拌摩擦焊接過程中提供材料。在完成焊接後，管狀砧座和管件之間的焊接區被加工掉並且砧座管被移除。

Description

利用攪拌摩擦焊接將管件連接至元件的方法和由其製成的結 構
本發明有關一種攪拌摩擦焊管的管端接頭，尤指一種熱交換器的攪拌摩擦焊管端接頭。
攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)製程正被應用在許多熱交換器的應用場合中，用於連接熱交換器內的某些元件。例如，在被用於殼管式熱交換器的攪拌摩擦焊接製程中，採用了固態焊接法或攪拌法，其中管壁的端部被“攪拌”到周圍的管板材料中，而不需要引入不同的金屬且沒有對金屬晶體結構產生不利的影響。在熱交換器應用場合中的攪拌摩擦焊接製程的例子公開於美國專利8,439,250和美國專利申請公開號2013/0037601。
由於由攪拌摩擦焊接製程帶來的獨特負荷係數，攪拌摩擦焊接僅被成功地應用到厚壁規格例如大於約0.100英寸壁厚的管件上。總體來說，薄壁規格的管件如約0.100英寸壁厚或更薄的管件對熱交換器是更理想的，這是因為它們能節省材料成本並且減小熱阻。然而，採用攪拌摩擦焊接薄壁規格的管件是相當困難的，這是因為攪拌摩擦焊接點核的幾何形狀會使得難以保持令人滿意的焊接深度，並且也會增加焊前和焊後加工製程的敏感性和成本。
為了解決上述問題，本發明提供了一種利用攪拌摩擦焊接將一管 件連接至另一元件的方法以及利用此方法所形成的結構。該管件例如可以是熱交換器的管件，該元件例如可以是熱交換器的管板。熱交換器可以是任何類型的熱交換器設計，在該熱交換器中希望將該管件連接至另一元件。可採用上述方法的熱交換器的一個例子包括，但不限於殼管式熱交換器。應注意的是，該方法不局限於與熱交換器連用，而是可以被應用在人們希望利用攪拌摩擦焊接將管件連接至另一元件的任何應用場合中。
本發明所提供的方法可被應用在具有任何壁厚的管件上，特別是該方法可被用在薄壁規格的管件，例如壁厚約為0.100英寸以下的管件上。當該管件被用在熱交換器中時，該管件可運送工作流體或冷卻流體，這取決於熱交換器設計。
在一個具體描述的實施例中，採用了獨特的砧座技術，它使得攪拌摩擦焊接工具能夠將薄壁規格的管端以最大穿透深度連接到熱交換器的管板中，並且允許經濟划算地利用管端切削工具進行焊前焊後準備。
在本發明的實施例中，包括將該管件的一端部插入該元件內的一孔中，該孔從位於該元件的第一側的第一表面延伸到位於元件的第二側的第二表面。接著使該管端相對於該孔固定不動。接著從該元件的第一側將一管狀砧座安裝到該管件的該端部中，其中該管狀砧座具有位於該元件的第一表面處的一擴口端。接著採用攪拌摩擦焊接在該元件的第一側焊接該管件的該端部、該管狀砧座的該擴口端和該元件，以將該管件、該管狀砧座和該元件的材料混合。接著，加工該元件的第一表面以除去該管件的該端部和該管狀砧座之間的攪拌摩擦焊接點，接著從該管件移除該管狀砧座。
在一個實施例中，砧座材料未與該管件和該元件的材料混合，因 而只在該管件和元件之間形成攪拌摩擦焊焊接部。
在另一實施例中，該管件是製程管，該元件是熱交換器如殼管式熱交換器的管板。
在另一個實施例中，一種結構包括元件和管件。該元件具有一第一表面、一第二表面和複數個孔，該複數個孔穿過該元件從該第一表面延伸到該第二表面。該管件具有一端部，其中該管件的該端部設置在該元件的該複數個孔中的一個孔內，並且該管件的厚度約為0.100英寸以下。另外，該管件的該端部和該元件在該元件的該第一表面處被攪拌摩擦焊接在一起。
在一個實施例中，該結構的該元件是一管板，該管件是熱交換器例如殼管式熱交換器的製程管。
10‧‧‧熱交換器
12‧‧‧管件
14‧‧‧管板
16‧‧‧導流板
18‧‧‧輸入增壓裝置
20‧‧‧輸出增壓裝置
22‧‧‧殼體
24,28‧‧‧入口
26,30‧‧‧出口
32‧‧‧第一表面
34‧‧‧第二表面
40‧‧‧端部
44‧‧‧管狀砧座
46‧‧‧擴口端
50‧‧‧方法
52~62‧‧‧步驟
100‧‧‧加工裝置
102‧‧‧芯桿
104‧‧‧切削裝置
110‧‧‧塞塊
120‧‧‧連接部
130,132‧‧‧焊接部
150,160,170,180‧‧‧端銑刀
152,162,172,182‧‧‧切削器
154‧‧‧中心探頭
164,174,186‧‧‧感測器
166,176‧‧‧軸承
184‧‧‧凹部
第1圖為本發明攪拌摩擦焊接技術的殼管式熱交換器實施例的剖視圖。
第2圖為本發明攪拌摩擦焊接製程的示意流程圖。
第3圖為管板和被插入管板中的製程管的一部分的示意圖。
第4圖為第3圖的圓圈4所包圍的部分的放大圖。
第5圖為被插入管狀砧座中的管端加工裝置的芯桿的示意圖。
第6圖為被完全插入的芯桿的示意圖。
第7圖為加工管狀砧座的端部的加工裝置的示意圖。
第8圖為可被插入管狀砧座的端部中的可選實心錐形砧座的示意圖。
第9圖為被加工成與管板的端部平齊的管狀砧座的示意剖視圖。
第10圖為攪拌摩擦焊接的結果的示意性等軸剖視圖。
第11圖為在攪拌摩擦焊接區上的斜切口的示意等軸剖視圖。
第12A、12B和12C圖為可被用於加工攪拌摩擦焊接部的加工工具的另一實施例的示意圖。
第13A、13B和13C圖為可被用於加工攪拌摩擦焊接部的加工工具的另一實施例的示意圖。
第14A、14B和14C圖為可被用於加工攪拌摩擦焊接部的加工工具的另一實施例的示意圖。
第15A、15B和15C圖為可被用於加工攪拌摩擦焊接部的加工工具的另一實施例的示意圖。
本說明書描述了一種方法和所形成的產品，該產品利用攪拌摩擦焊接將管件連接至另一元件。該管件例如可以是熱交換器的管件，該元件例如可以是熱交換器的管板。熱交換器可以是任何類型的熱交換器設計，在該熱交換器中，希望將管件連接至另一元件。可採用該方法的熱交換器的一個例子包括但不限於殼管式熱交換器。特別說明的是，該方法不局限於與熱交換器連用，也可以被用在利用攪拌摩擦焊接將管件連接至另一元件的任何應用場合。
為了方便起見，將針對如第1圖所示的熱交換器10描述該方法和產品。但是，第1圖所示的熱交換器只是示例性的。熱交換器10被建構成按照單道的主要逆流(兩種流體主要在兩個彼此相反的方向上流動)的佈置形式，以在第一流體和第二流體之間換熱。熱交換器10具有複數個管件12、位於管件12的每一端部處的一管板14、可選的一導流板16、用於第一流體的一輸入增壓裝置18、用於第一流體的一輸出增壓裝置20、設有管件12和管板14的一殼體22、在殼體22內的用於第一流體的輸入增壓裝置18的一入口24、在殼體22內的用於第一流體的輸出增壓裝置20的一出口26。另外，殼 體22包括用於第二流體的一入口28和用於第二流體的一出口30。
第一流體和第二流體處於不同的溫度。例如第一流體可以處於比第二流體低的溫度，從而第二流體被第一流體冷卻。
在工作中，第一流體經入口24進入並通過歧管或輸入增壓裝置18分佈到管件12中，管件12的兩端與輸入增壓裝置18流體連通。第一流體流過管件12而到達管件12的一端並流入輸出增壓裝置20並接著流過出口26。與此同時，第二流體通過入口28被引入殼體22中。第二流體以與管件12的外表面接觸的方式繞管件12流動並流過管件12，與流經管件12的第一流體換熱。導流板16(如果被使用)幫助延長第二流體的流道長度，由此增強在殼側的第二流體與管壁之間的相互作用和滯留時間。第二流體最終經出口30流出。如全文被援引納入本文的美國專利US8,439,250進一步所述，管件12的兩端以攪拌摩擦焊接的方式連接到管板14。
每個管板14是機械剛性板，包括從面向輸入增壓裝置18、輸出增壓裝置20的一第一表面32穿過管板14延伸到面向殼體22的內部的一第二表面34的複數個孔。每個管件12的每一端都在該孔處被結合至管板14。管板14和導流板16(如果使用)按照以下佈置形式保持管件12，即，它有助於在沿管件12的外表面流動的流體和流過管件12的流體之間的熱傳遞。在一個實施例中，管件12和管板14可以由鋁或者鋁合金製造。管板14可以是圓形的、長方形的、三角形的或者任何其它形狀的。
管件12可具有圓柱形、三角形、長方形或者可適當地裝配到管板14中的孔內的任何其它形狀的橫截面形狀。
對於許多應用場合例如海洋熱能轉換(OTEC)、核級熱交換器、化工廠等，熱交換器10在第一和第二流體之間提供出色的分離是重要的。因此，這些管件12與管板14結合而具有基本氣密密封是相當重要的。此外，在許多應用場合(尤其是OTEC應用場合)中，這些密封也基本上具備了耐蝕性。因此，在本發明較佳實施例中，管件12與管板14利用攪拌摩擦焊接結合，從而使管件12和管板14之間形成同時具有基本氣密以及基本耐蝕的密封結構。
攪拌摩擦焊接是眾所周知的用於將相同材料或不同材料的兩個元件接合的方法。傳統的攪拌摩擦焊接採用了旋轉探頭，其被迫進入該兩個元件之間的介面中。探頭和材料之間的強烈摩擦造成緊鄰該探頭的材料被加熱到低於其熔點的溫度。這樣會軟化這些接合部段，但因為材料仍保持固態，因此仍能維持其初始材料性能。探頭沿焊接線的運動迫使軟化材料從兩個元件流向尾邊，造成相鄰區域熔合，由此形成焊接部。
不同於其它常見的結合技術例如熔合焊接、硬針焊等，攪拌摩擦焊接具有幾個性能優點。其中一個特點是：所形成的焊接部由與結合部段相同的材料構成，因此可減輕或消除在接頭處因不同的金屬之間的接觸所引起的電腐蝕。另外，所形成的攪拌摩擦焊接部仍保持了結合部段材料的材料性能。
雖然在所示的實施例中攪拌摩擦焊接一般被用於結合由相同材料構成的兩個元件，但在本發明的某些實施例中，攪拌摩擦焊接可被用於焊接由不同材料形成的元件。
此外，雖然本發明的實施例包括都是由鋁或鋁合金製造的管件和 管板，但本領域技術人員在讀了本說明書後將會明白如何具體規定、完成和利用非鋁材料的本發明替代實施例。所用的材料可以包括適用於利用攪拌摩擦焊接結合管件和管板的任何材料，包括但不限於鋁及其合金、鈦及其合金、不銹鋼、銅、青銅、塑膠等。
請參考第2圖，第2圖為將管件12連接至管板14的方法50的流程圖。首先，管件12的端部40被安裝到其中一個管板14的孔中。該安裝過程可以包括將端部40插入管板14中的孔內的步驟52。在第3圖和第4圖繪示了複數個端部40被插入管板14中的孔內的例子。這些孔從在管板14的第一側的第一表面32延伸到在管板第二側的第二表面34。在端部40被插入後，即使管件12的端部40相對於該孔固定不動，如步驟54所示。
管件12的端部40可以透過任何合適的方式被固定不動，從而管件12的端部40被固定在該孔內，使得管件12不能相對於該孔轉動並且管件12的端部40無法輕易從該孔被拔出。在某些實施例中，管件12的外徑小於孔的直徑以便於將管件12插入該孔。在另一個實施例中，管件12的外徑只是略小於孔的直徑，為了將管件12插入該孔時，每個管件12的端面可大致與第一表面32平齊以減小在以下所述的隨後步驟中的加工量。但是，管件12的端面可以略微超出第一表面32。
在一個實施例中，通過使用用於膨脹位於該孔內的管件12的端部40的機械膨脹工具使管件12相對於該孔固定不動。當被膨脹時，每個端部40的外徑實質上等於孔的直徑。這迫使管壁的一部分接觸到側壁而形成該孔的一部分，從而摩擦接觸而使管件12在孔內固定不動。不需要膨脹設於該孔內的端部40的整個長度，儘管可以膨脹管端整個長度。特別注意的是，端部40可以透過被認為合適的任何方式而不局限於機械膨脹地被固定不動，從而 這些端部40被固定在該孔內。
管件12的相對兩端因此可以被安裝到對置的管板14中，或者該相對兩端的安裝可以等到方法50中的其它步驟完成時進行。
一旦管件12被安裝到管板14中，管狀砧座44就在步驟56中被裝到管件12的端部40中。請參考第3圖和第4圖，管狀砧座44安裝過程包括從管板14的第一側將管狀砧座44插入管件12的端部40中。為了防止管狀砧座44落入管件12中，管狀砧座44可具有位於管板14的第一側的擴口端46，從而擴口端46的直徑大於管狀砧座44的其餘部分的直徑。管狀砧座44的長度較佳地足以允許如下進一步所述的加工裝置的芯杆被鎖入管狀砧座44的內部。在一個非限定實施例中已發現大約3.0至4.0英寸的砧座長度足以起效。
在管狀砧座44被插入端部40後，管狀砧座44安裝通過將管狀砧座44的擴口端46壓配合到管件12的端部40中完成。這使管狀砧座44在端部40內固定不動。擴口端46的壓配合可以例如透過使用槌或錘子來敲擊管狀砧座44的突出端以迫使管狀砧座44進一步深入端部40中來實現。但可以採用迫使管狀砧座44進一步進入端部40的任何手段。
另外，端部40可以在插入管狀砧座44之前配設有擴口結構。例如端部40的內徑可以用錐形鑽頭或錐形鉸刀來鑽設，錐形鑽頭或錐形鉸刀在端部40中切削出與管狀砧座44的錐形匹配或密切匹配的略錐體。端部40和管狀砧座44都製成錐形將允許管狀砧座44更緊密地配合到端部40中，並且幾乎不需要來自槌或錘子的力。而且，錐形的管狀砧座44在被迫進入錐形管的端部40中時與非錐形管的端部40相比將幾乎不造成擦傷和刮擦。減小和/ 或消除端部40的內側的擦傷和刮傷有助於在腐蝕性流體如海水通過管件12來處理時避免腐蝕優先位點。
如第3圖和第4圖所示，在管狀砧座44安裝之後，擴口端46的一部分將從端部40伸出超過第一表面32。管狀砧座44的突出部和端部40的任何突出部接著可被加工掉，從而管狀砧座44和管件12與管板14的第一表面32平齊。
第5圖至第7圖顯示加工管狀砧座44以使其與第一表面32齊平的技術的例子。該加工可利用任何合適的加工裝置進行，該加工裝置可切削管狀砧座44(和如果需要切削管件12)，從而使它們齊平。在所示的例子中，可用的加工裝置100包括芯桿102，芯桿102的尺寸確定成能裝配在管狀砧座44中並且芯桿102可鎖定到管狀砧座44的內側。加工裝置100另包含執行管狀砧座44的突出部(和端部40)的實際切削或加工的切削裝置104，以使其與第一表面32同平面。合適的可用的這種加工裝置是Mini K坡口機，其可以從德克薩斯州南休斯頓的USA GBC LLC獲得。
如第5圖和第6圖所示，芯桿102被插入管狀砧座44中並被鎖定就位在管狀砧座44的內側。驅動馬達接著被接合並且切削裝置如第7圖所示被驅動進入砧座端部40，直到它變得與第一表面32齊平。如果端部40尚未與第一表面32齊平，則端部40也同時被切削。第9圖顯示了在加工後與第一表面32平齊的管狀砧座44的擴口端46和端部40。一旦加工結束，則芯桿102就可被抽出，加工過程可進至攪拌摩擦焊接。
請參考第8圖，在某些實施例中，較小直徑的管狀砧座44可能因為所形成的攪拌摩擦焊接負荷而向內塌縮。如果發生此種情形，則附加的錐 形砧座或塞塊110可在攪拌摩擦焊接之前被插入管狀砧座44的擴口端46中，以防止管壁塌縮。但如果管狀砧座44沒有塌縮，則可以省掉塞入塞塊110的步驟。在所示的例子中，塞塊110是實心結構。但可以採用任何形式的砧座結構，只要它防止管狀砧座44塌縮。
回到第2圖，管件12的端部40、管狀砧座44的擴口端46和管板14接著在步驟58中在第一表面32進行攪拌摩擦焊接，以混合該製程管(管件12)、管狀砧座44和管板14的材料。攪拌摩擦焊接製程是眾所周知的接合相同材料或不同材料的兩個元件的方法，因此無需詳述。關於攪拌摩擦焊接過程的進一步資訊可以在美國專利US8439250中找到。總之，攪拌摩擦焊接採用了旋轉的探頭或銷，該探頭或銷被迫進入端部40、擴口端46和第一表面32之間的介面中。在探頭和材料之間的強烈摩擦造成緊鄰該探頭的材料加熱至低於其熔點的溫度。這軟化了結合部段，但因為該材料保持於固態，故其原始材料性能得以保留。該探頭沿焊接線運動迫使軟化材料流向尾邊，從而造成相鄰的區域熔合，由此形成焊接部。探頭將材料攪拌在一起，從而形成管板連接部120(第4圖，即管板14的材料位於相鄰的管件12之間)、端部40和管狀砧座44的擴口端46。因此，管狀砧座44的擴口端46提供了添加材料，該添加材料被用於形成端部40和管板14之間的焊接部。如果採用錐形的塞塊110，則較佳地，攪拌摩擦焊接的攪拌銷不碰到塞塊110，並且塞塊110的材料沒有形成焊接部的一部分。因此，塞塊110只執行支撐功能，並且不需要隨後的加工步驟來使塞塊110從管狀砧座44移除。但在以下進一步所述的某些實施例中，來自塞塊110的材料可以形成攪拌摩擦焊接部的一部分，因此，砧座可能需要是用於移除砧座的加工步驟的一部分。
第10圖顯示了源自步驟58的攪拌摩擦焊接部130的結果。端部40以最大深度被焊接，而管狀砧座44的擴口端46以最小深度被焊接。焊接 部130的一焊接部132出現在擴口端46和將管狀砧座44焊接至管件12的端部40之間。
回到第2圖，在完成攪拌摩擦焊接步驟58後，過程進至步驟60。在步驟60中，管板14的第一表面32被加工以除去在管件12的端部40和管狀砧座44的擴口端46之間的攪拌摩擦焊接部132。加工例如可以利用加工裝置100或者利用不同的加工裝置來進行。當使用加工裝置100時，加工裝置100的芯桿102又如以上針對第5圖和第6圖所述的那樣被插入管狀砧座44中並被鎖定就位。加工可以包括使用加工裝置100的扁平刀具來機工焊接部130，直到焊接渦卷已利用扁平切削器被加工掉。另外，加工裝置100的斜切削器可被用於斜切削焊接區130以加工掉製程管和砧座管之間的焊接部132。
第12A至12C圖、第13A至13C圖、第14A至14C圖和第15A至15C圖顯示了加工工具的附加例子，該加工工具可被用於移除在管件12的端部40和管狀砧座44的擴口端46之間的焊接部132。在每個例子中，塞塊110被用於幫助支撐管狀砧座44。在一個實施例中，塞塊110的材料沒有形成攪拌摩擦焊接部130或焊接部132的任何一個部分，因此塞塊110可在切削加工之前或之後被移除。在如第12A至12C圖、第13A至13C圖、第14A至14C圖和第15A至15C圖所示的另一個實施例中，來自塞塊110的材料沒有形成攪拌摩擦焊接部130的一部分，並且需要進行加工以移除塞塊110。
請參考第12A至12C圖，其顯示了兩件式端銑刀150，它被用於移除在管件12的端部40和管狀砧座44的擴口端46之間的攪拌摩擦焊接部。在攪拌摩擦焊接過程之前，塞塊110被安裝以幫助支撐管狀砧座44並防止它 在攪拌摩擦焊接中蹋縮。端銑刀150包括中空的切削器152，其能如箭頭所示移向焊接部130和離開焊接部130，端銑刀150另包含設置在切削器152的孔中的中心探頭154，中心探頭154能如箭頭所示相對於切削器152獨立地移向焊接部130和離開焊接部130。
中心探頭154可突出經過切削器152的端部並接觸塞塊110的平面以定位其位置，如第12A圖所示。如第12B圖所示，中心探頭154接著可縮回到切削器152的孔中，直到它與孔的端部平齊，並且切削器152可以開始轉動並朝向焊接部130移動，而其中中心探頭154保持靜止。切削器152可以切削或加工至預定深度，例如從中心探頭154接觸塞塊110的接觸點起從約0.005英寸到約0.035英寸的任何地方。
另外，中心探頭154可保持在塞塊110的與之接觸的表面上，切削器152可以向下移動，直到它與探頭末端和焊接部130平齊。接著，切削器152可開始轉動並切削到預定深度。
在切削發生後，中心探頭154和切削器152都能縮回到管板14上方的指定位置，例如縮回到管板14上方約0.005英寸到約0.050英寸的距離處，並且平移向下一個管板14孔以重複該過程。
如圖12C所示，在切削之後，塞塊110和管狀砧座44可從管件12的端部40被移除。
第13A至13C圖顯示了兩件式端銑刀160，其所具有的切削器162與切削器152相似。但是，在切削器162的孔中設置彈簧載入的或阻尼的感測器164以代替探頭。感測器164被構造為用於發現塞塊110的表面的位置 並且可以在切削器162接合焊接部130並開始加工時被壓入切削器162的孔中。感測器164的端部可包括軸承166，其在切削器162的轉動過程中在塞塊110上轉動。感測器164的行進距離或者壓縮距離決定並控制了切削器162的切削深度。第13A圖顯示了端銑刀160向下移動從而感測器164可以接合塞塊110。第13B圖顯示了感測器164接合塞塊110和切削器162在加工過程中轉動。第13C圖顯示了切削後的情況，其中端銑刀160被移除，從而塞塊110和管狀砧座44可從管件12的端部40被移除。
第14A至14C圖顯示了帶有切削器172的另一個兩件式端銑刀170，切削器172與切削器152相似。在此實施例中，端銑刀170包括至少一個外部深度規或與之剛性附接的感測器174，感測器174的工作方式與第13A至13C圖中的感測器164相似。感測器174包括在切削器172的轉動過程中在管板14的第一表面32上轉動的軸承176。在另一個實施例中，端銑刀170包括複數個感測器174，例如三個深度規，它們圍繞切削器172在周向上等距地間隔開。第14A圖顯示了端銑刀170，其向下移動從而感測器174能接合管板14。第14B圖顯示了與管板14接合的感測器174和在加工過程中轉動的切削器172。第14C圖顯示了切削後的情況，其中端銑刀170被移除，從而塞塊110和管狀砧座44可從管件12的端部40被移除。
第15A至15C圖顯示了一體式端銑刀180的一個例子，其可以如箭頭所示朝向焊接區移動和離開焊接區。端銑刀180包括切削器182，其像切削器152、162、172一樣地作用。端銑刀180另包含用於在加工過程中容納塞塊110的凹部184。為了定位管板14並控制加工深度，端銑刀180另包含一個或複數個感測器186，每個感測器186均用作深度擋塊。感測器186利用載荷回饋、氣動感測、電氣感測、磁感測等來工作。感測器186被用於控制切削深度，其中一旦達到感測器186設定值則停止切削。第15A圖顯示 了端銑刀180向下移動以接合管板14。第15B圖顯示了轉動的並且一旦已達到期望深度則在切削加工完成後向上撤回的切削器182。第15C圖顯示切削後的情況，其中端銑刀180被移除，從而塞塊110和管狀砧座44可從管件12的端部40被移除。
第11圖顯示了在步驟60的利用本文所述的任何加工技術的加工之後的攪拌摩擦焊接部130。擴口端46和端部40被斜削。焊接部132已經被加工掉，從而擴口端46和管端部40不再焊接在一起。
回到第2圖，在加工步驟60後，管狀砧座44在步驟62中從管件12中被移除。管狀砧座44可以透過任何被認為合適的方式被移除。例如管狀砧座44可以利用拉錘被移除，或者利用棒從管件12的相反一端被推出管件12之外。移除是可行的，因為管狀砧座44和管件12之間的攪拌摩擦焊接部已經被去除，這允許透過克服剩下的擴口端46和端部40之間的壓配合力來移除。
在另一個實施例中，當管壁厚約為0.100英寸以上時，管狀砧座44不需要被加工掉直至其與管板14的表面平齊。0.100英寸以上的壁厚可具有足夠的焊接區域以便用足夠的焊接深度將管件12接合到管板14。在此實施例中，管狀砧座44還是可以如上所述被迫進入端部40中，以防止製程管壁蹋縮。但管狀砧座44能保持從管板14的表面突出。攪拌摩擦焊銷工具將圍繞突出的管狀砧座44平移，而不干擾或接合管狀砧座44或使其脫離製程管。在攪拌摩擦焊接已經完成之後，管狀砧座44可用錘子或滑動錘被移除，而無需加工掉它。在管狀砧座44被移除之後，攪拌摩擦焊渦卷(scroll)可利用上述的加工裝置被加工。另外，管件12可以還如上所述地利用斜切削器被切削，從而給製程管留下倒角進口。
加工裝置100和端銑刀150、160、170、180可透過機器如電腦數位控制(CNC)的、可程式設計的和/或自動化機器來操作，或者它們可以透過使用半自動的和/或自動的電動工具來人工作業。
在一個實施例中，一種將製程管連接至管板的方法包括將該製程管的一端部插入該管板內的從在管板第一側的第一表面延伸到在第二側的第二表面的孔中。接著使該製程管的該端部相對於該孔固定不動。接著，從管板的第一側將管狀砧座安裝到該製程管的該端部中，該管狀砧座具有位於管板的第一側的擴口端。該製程管的該端部、該管狀砧座的擴口端和該管板接著在管板第一側被攪拌摩擦焊接，以將該製程管、管狀砧座和管板的材料混合。接著，利用加工裝置來加工管板的第一表面，以便除去該製程管的端部和管狀砧座之間的攪拌摩擦焊接部，接著從該製程管移除該管狀砧座。
在另一個實施例中，一種將管件連接至元件的方法包括將該管件的一端部插入該元件內的孔中，該孔從在元件的第一側的第一表面延伸到在第二側的第二表面。接著使該管件的端部相對於該孔固定不動。接著從該元件的第一側將管狀砧座安裝入該管件的端部，該管狀砧座具有位於該元件的第一表面的且從第一表面突出的擴口端。該管件的端部和元件接著在圍繞管狀砧座的突出的擴口端平移但未使管狀砧座的材料與管件和元件混合的同時在該元件的第一側被攪拌摩擦焊接以混合該管件和元件的材料。接著從該管件中移除管狀砧座，並且該元件的第一表面被加工以除去該管件的端部和該元件上的攪拌摩擦焊渦卷。
在一個實施例中，熱交換器包括管板，該管板具有第一表面、第二表面和穿過管板從第一表面延伸到第二表面的複數個孔。具有端部的製程 管被固定至該管板，該製程管的端部設置在該管板中的其中一個孔內，該製程管的厚度約為0.100英寸以下。製程管的端部在管板的第一表面處被攪拌摩擦焊接至管板。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
32‧‧‧第一表面
40‧‧‧端部
44‧‧‧管狀砧座
46‧‧‧擴口端

Claims (17)

  1. 一種利用攪拌摩擦焊接將一管件連接至一元件的方法，包含步驟：將該管件的一端部插入該元件內的一孔中，該孔從位於該元件的一第一側的一第一表面延伸至位於該元件的一第二側的一第二表面；使該管件的該端部相對於該孔固定不動；從該元件的該第一側將一管狀砧座安裝到該管件的該端部中，該管狀砧座具有位於該元件的該第一表面處的一擴口端；在該元件的該第一側攪拌摩擦焊接該管件的該端部、該管狀砧座的該擴口端和該元件，以將該管件、該管狀砧座和該元件的材料混合；加工該元件的該第一表面以除去該管件的該端部和該管狀砧座之間的一焊接部；以及從該管件移除該管狀砧座。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該元件是一熱交換器的一管板，該管件是該熱交換器的一製程管，該製程管的厚度為0.100英寸以下。
  3. 如請求項1所述的方法，安裝包括將該管狀砧座插入該管件的該端部中，接著對該管狀砧座施加力以在該管狀砧座和該管件之間產生壓配合，其中該擴口端的一部分延伸超過該元件的該第一表面。
  4. 如請求項3所述的方法，其中，加工包括使用具有一芯桿的一加工裝置，安裝另包含將該加工裝置的該芯桿插入該管狀砧座中，並且使用該加工裝置來加工該管狀砧座的該擴口端的延伸超過該元件的該第一表面的該部分，以使該擴口端與該元件的該第一表面平齊。
  5. 如請求項1所述的方法，其中，使該管件的該端部固定不動包括機械膨 脹該管件的該端部。
  6. 如請求項1所述的方法，其中，在安裝該管狀砧座之後且在攪拌摩擦焊接之前，將一實心的錐形砧座安裝到該管狀砧座中以防止該管狀砧座在攪拌摩擦焊接過程中蹋縮。
  7. 如請求項1所述的方法，其中，加工包括使用具有一芯桿的一加工裝置，並且加工該第一表面包括將該加工裝置的該芯桿插入該管狀砧座中。
  8. 如請求項1所述的方法，其中，加工該元件的該第一表面包括利用一兩件式端銑刀加工該第一表面。
  9. 如請求項8所述的方法，其中，該兩件式端銑刀包括具有一中心孔的一切削器，該切削器能朝向該元件的該第一表面移動以及離開該元件的該第一表面，該兩件式端銑刀另包含設於該中心孔中的一探頭，該探頭能獨立於該切削器朝向該元件的該第一表面移動以及離開該元件的該第一表面。
  10. 如請求項8所述的方法，其中，該兩件式端銑刀包括具有一中心孔的一切削器，該切削器能朝向該元件的該第一表面移動以及離開該元件的該第一表面，該兩件式端銑刀另包含設置在該中心孔中的被彈簧載入的一感測器。
  11. 如請求項8所述的方法，其中，該兩件式端銑刀包括具有一中心孔的一切削器，該切削器能朝向該元件的該第一表面移動以及離開該元件的該第一表面，該兩件式端銑刀另包含至少一深度規，該深度規在該中心孔之外的部位處被剛性地附接至該兩件式端銑刀。
  12. 如請求項1所述的方法，其中，加工該元件的該第一表面包括利用具有一切削器的一體式端銑刀加工該第一表面，該切削器能朝向該元件的該第一表面移動以及離開該元件的該第一表面，該一體式端銑刀另包含至少一深度擋塊的感測器，該感測器控制該切削器在該元件的該第一表面中的穿透深度。
  13. 一種結構，該結構根據請求項1至12中任一項所述的方法所製成。
  14. 如請求項13所述的結構，其中該結構是一熱交換器的一部分。
  15. 一種結構，該結構包括：一元件，該元件具有一第一表面、一第二表面和複數個孔，該複數個孔穿過該元件從該第一表面延伸到該第二表面；一管件，該管件具有一端部，該管件的該端部設置在該元件中的該複數個孔中的一個孔內，該管件的厚度為0.100英寸以下；該管件的該端部和該元件在該元件的該第一表面處被攪拌摩擦焊接在一起。
  16. 如請求項15所述的結構，其中該結構是一熱交換器的一部分，該元件是該熱交換器的一管板，該管件是該熱交換器的一製程管。
  17. 如請求項16所述的結構，其中，該熱交換器是殼管式熱交換器。
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