使用管狀砧將管摩擦攪拌焊接至元件的方法及通過該方法制造的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種使用摩擦攪拌焊接將管連接至另一元件的過程，其中，管例如是壁厚約為2.54mm(0.100英寸)或更小的細(xì)直徑管，另一元件諸如為熱交換器的管板。該過程使用了管狀砧，其中，管狀砧安裝在管的端部中，且在一個(gè)實(shí)施方式中，管狀砧可在摩擦攪拌焊接過程期間提供材料。在完成焊接之后，加工掉管狀砧和管之間的焊接區(qū)并移除砧管。
【專利說明】
使用管狀砧將管摩擦攪拌焊接至元件的方法及通過該方法制造的結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本公開涉及在熱交換器上摩擦攪拌焊接管端部接合部。【背景技術(shù)】
[0002]摩擦攪拌焊接(FSW)過程用于許多交換器應(yīng)用中，以連接熱交換器中的某些元件。 例如，在如應(yīng)用至殼管式熱交換器的FSW過程中，使用了固態(tài)焊接或攪拌過程，其中，管壁的端部“攪拌”成環(huán)繞管板材料而不引入不同的金屬或者不對金屬晶粒結(jié)構(gòu)的造成不利影響。 第8，439,250號(hào)美國專利和第2013/0037601號(hào)美國公開專利申請公開了熱交換器應(yīng)用中的 FSW過程的示例。
[0003]因?yàn)橛蒄SW過程引起的獨(dú)特的加載因素的影響，F(xiàn)SW僅僅成功應(yīng)用至具有厚規(guī)格的管，例如具有大于約0.100英寸的壁厚?？偟膩碚f，細(xì)規(guī)格管(例如約0.100英寸或更小的壁厚)對于熱交換器而言更可取，因?yàn)槠涔?jié)約了材料成本并減小了熱阻。但是，應(yīng)用FSW細(xì)規(guī)格管的問題是困難的，因?yàn)镕SW焊接塊的幾何形狀可能使得難以保持滿足要求的焊接深度，且可能增加預(yù)焊接和后焊接加工過程的敏感性和成本。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]過程描述為使用FSW將管連接至另一元件。管例如可以是熱交換器的管，且元件例如可以是熱交換器的管板。熱交換器可以是期望將管連接至另一元件的任何類型的熱交換器設(shè)計(jì)?？墒褂盟鲞^程的熱交換器的一個(gè)示例包括但不限于殼管式熱交換器。應(yīng)意識(shí)到， 該過程不局限于與熱交換器一起使用，且可在個(gè)人期望使用FSW將管連接至另一元件的任何應(yīng)用中使用。
[0005]所描述的過程可在具有任何壁厚的管上使用。但是，該過程可在細(xì)規(guī)格管上使用， 例如具有約0.100英寸或更小的壁厚的管。當(dāng)管在熱交換器中使用時(shí)，管可根據(jù)熱交換器設(shè)計(jì)承載工作流體或冷卻流體。
[0006]在一個(gè)具體描述的示例性過程中，使用了獨(dú)特的砧技術(shù)，該技術(shù)使FSW工具能夠以最大的插入深度將細(xì)規(guī)格管端部接合至熱交換器的管板中，并允許使用管端部切削工具以成本有效的方式準(zhǔn)備預(yù)焊接和后焊接。
[0007]在一個(gè)實(shí)施方式中，將管連接至元件的過程包括:將管的端部插至元件中的孔內(nèi)， 其中，該孔從元件的第一側(cè)處的第一表面延伸至元件的第二側(cè)處的第二表面。然后，使管的端部相對于孔固定。然后，從元件的第一側(cè)將管狀砧安裝到管的端部，且管狀砧具有位于元件的第一表面處的擴(kuò)口端部。然后，在元件的第一側(cè)處，應(yīng)用FSW來焊接管的端部、管狀砧的擴(kuò)口端部和元件，從而使管、管狀砧和元件的材料混合。然后，對元件的第一表面進(jìn)行加工以移除管的端部和管狀砧之間的摩擦攪拌焊接部，然后從管移除管狀砧。
[0008]在一個(gè)實(shí)施方式中，砧的材料不與管和元件的材料混合，從而使得FSW焊接部僅形成于管和元件之間。
[0009]在另一實(shí)施方式中，管是處理管并且元件是熱交換器(例如殼管式熱交換器)的管板。
[0010]在另一實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)包括元件和管。元件具有第一表面、第二表面、以及從第一表面至第二表面延伸通過元件的多個(gè)孔。管具有第一端部和第二端部，且管的第一端部布置在元件的多個(gè)孔中的一個(gè)中，且管具有約0.100英寸或更小的厚度。此外，管的第一端部和元件在元件的第一表面處FSW至彼此。
[0011]在一個(gè)實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)的元件是管板且管是熱交換器(例如，殼管式熱交換器) 的處理管?！靖綀D說明】
[0012]圖1是可應(yīng)用本文所描述的FSW技術(shù)的殼管式熱交換器的實(shí)施方式的剖視圖。
[0013]圖2是本文所描述的FSW過程的示意性流程圖。[〇〇14]圖3是管板的一部分和插至管板中的處理管的示意圖。
[0015]圖4是包括在圖3的圓4中的部分的局部放大圖。
[0016]圖5示出了正在插入砧管中的管端部加工設(shè)備的心軸。[〇〇17]圖6示出了完全插入的心軸。[〇〇18]圖7示出了加工砧管的端部的加工設(shè)備。[〇〇19]圖8示出了可插入砧管端部中的可選的實(shí)心錐形砧。
[0020]圖9是加工成與管板的端部齊平的砧管的示意性剖視圖。[0021 ]圖10是FSW的結(jié)果的示意性剖視等比例圖。[〇〇22]圖11是FSW區(qū)上的斜切面的示意性剖視等比例圖。[〇〇23]圖12A、圖12B和圖12C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。[〇〇24]圖13A、圖13B和圖13C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。[〇〇25]圖14A、圖14B和圖14C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。[〇〇26]圖15A、圖15B和圖15C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。【具體實(shí)施方式】
[0027]該說明書描述了使用FSW將管連接至另一元件的過程和形成的產(chǎn)品。管例如可以是熱交換器的管，以及元件例如可以是熱交換器的管板。熱交換器可以是期望將管連接至另一元件的任何類型的熱交換器設(shè)計(jì)。可使用所述過程的熱交換器的一個(gè)示例包括但不限于殼管式熱交換器。應(yīng)注意，該過程不局限于與熱交換器一起使用，并且可在期望使用FSW 將管連接至另一元件的任何應(yīng)用中使用。
[0028]為了方便起見，將參照圖1所示的殼管式熱交換器10描述該過程和產(chǎn)品。但是，圖1 所示的熱交換器僅是示例性的。在單通道布置中，主要是對流(兩個(gè)流體主要在相反的方向上流動(dòng))布置中，殼管式熱交換器10配置成在第一流體和第二流體之間交換熱量。熱交換器 10具有多個(gè)管12、位于管的每個(gè)端部處的管板14、可選擋板16、用于第一流體的輸入集氣室 18、用于第一流體的輸出集氣室20、殼22、殼22中的入口 24、以及殼22中的出口 26,其中，管 12和管板14設(shè)置在殼22中，入口24通向用于第一流體的輸入集氣室18,出口26從用于第一流體的輸出集氣室20延伸。此外，殼22包括用于第二流體的入口 28和用于第二流體的出口30 〇
[0029]第一流體和第二流體處于不同的溫度處。例如，第一流體可處于比第二流體的溫度更低的溫度處，以使得第二流體通過第一流體冷卻。
[0030]在操作期間，第一流體通過入口24進(jìn)入并通過歧管或集氣室18分布在管12中，管 12的端部與集氣室18流體連通。第一流體通過管12流至管的第二端部并進(jìn)入輸出集氣室20 然后穿過出口 26。同時(shí)，第二流體通過入口28引至殼22中。第二流體圍繞管12并與管12的外表面接觸地流經(jīng)管12，從而與流經(jīng)管12的第一流體交換熱量。如果使用擋板16，則該擋板16 有助于增加第二流體的流動(dòng)路徑長度，從而增加殼側(cè)的第二流體和管壁之間的相互作用和停留時(shí)間。第二流體最終通過出口 30退出。如第8，439,250號(hào)美國專利進(jìn)一步討論的，管12 的端部FSW至管板14，其中，該美國專利通過引用整體地并入本文。
[0031]管板14中的每個(gè)是包括多個(gè)孔的機(jī)械剛性板，其中，該多個(gè)孔從面對歧管18、20的第一表面32至面對殼22的內(nèi)部的第二表面34延伸通過管板。每個(gè)管12的每個(gè)端部在孔處接合至管板14。如果使用擋板16,則管板14和擋板16將管12保持在有助于沿著管的外表面流動(dòng)的流體和流經(jīng)管的流體之間的熱傳遞的布置中。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，管12和管板 14可由鋁或其合金制成。管板14可以是圓形、長方形、三角形或任何其它形狀。[〇〇32]管12可具有圓柱形、三角形、長方形、或者可適于配合在管板14的孔中的任何其它形狀的橫截面形狀。
[0033]對于諸如海洋熱能轉(zhuǎn)換(0TEC)、核熱交換器、化工廠等的諸多應(yīng)用而言，熱交換器 10在第一流體和第二流體之間提供良好的分隔是重要的。因此，管12與管板14接合從而形成大致的密封是重要的。另外，在許多應(yīng)用(具體地，0TEC應(yīng)用)中，這些密封大體上抗腐蝕也是重要的。因此，優(yōu)選的是，管12與管板14利用FSW以管和管板形成既大體密封又大體抗腐蝕的密封的方式接合。
[0034]FSW是用于接合具有相同或不同材料的兩個(gè)元件的公知方法。傳統(tǒng)FSW使用強(qiáng)制進(jìn)入兩個(gè)元件之間的交界面中的旋轉(zhuǎn)探針。探針和材料之間的巨大摩擦使得緊接探針的材料加熱至低于其熔點(diǎn)的溫度。這使得鄰接部分軟化，但是因?yàn)椴牧媳３譃楣虘B(tài)，所以保持了其原始的材料特性。探針沿著焊接線的運(yùn)動(dòng)迫使軟化的材料從兩構(gòu)件朝向后緣，從而使得相鄰區(qū)域熔合進(jìn)而形成焊接部。[〇〇35]與諸如熔合焊接、銅焊等的其它通用接合技術(shù)相反，F(xiàn)SW具有一些性能優(yōu)勢。具體地，生成的焊接部由與接合部分相同的材料組成。因此，降低了或消除了接合部處由于不同金屬之間的接觸而引起的電偶腐蝕。此外，生成的FSW焊接部保持接合部分的材料的材料特性。
[0036]雖然在示例性實(shí)施方式中FSW通常用于接合由相同材料形成的兩個(gè)元件，但是在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，F(xiàn)SW用于焊接由不同材料形成的元件。
[0037]此外，盡管示例性實(shí)施方式包括每個(gè)都由鋁或鋁合金制成的管和管板，但是在閱讀該說明書之后，對本領(lǐng)域技術(shù)人員明確的是如何指定、制造和使用本發(fā)明的使用了除鋁之外的材料的替代實(shí)施方式。所使用的材料可包括適于利用FSW接合管和管板的任何材料， 包括但不限于:鋁及其合金、鈦及其合金、不銹鋼、銅、青銅、塑料等。[〇〇38]轉(zhuǎn)至圖2,其示出了將管12連接至管板14的示例性過程50。首先，管12的第一端部 40安裝在管板14中的一個(gè)的孔中。安裝過程可包括將第一端部40插至管板14中的孔中的步驟52。這在圖3和圖4中可見，其中，圖3和圖4示出了插至管板14中的孔中的多個(gè)管端部40的示例?？讖奈挥诠馨?4的第一側(cè)處的第一表面32延伸至位于管板的第二側(cè)處的第二表面 34。在插入端部40之后，通過使管12的端部40相對于孔不動(dòng)的步驟54來完成安裝。[〇〇39]管端部40能以各人認(rèn)為合適的任何方式保持不動(dòng)，以使得管端部40固定在孔的內(nèi)部，從而使得管無法相對于孔旋轉(zhuǎn)且無法容易地從孔拉出管端部。在一些實(shí)施方式中，管的外徑小于孔的直徑以便于將管插至孔中。在另一實(shí)施方式中，管的外徑僅稍小于孔的直徑。 期望的是，將管插至孔中以使得每個(gè)管的端面與表面32大致齊平，從而減小如下所述的后續(xù)步驟中的加工量。但是，管的端面也可稍微突出至表面32之外。
[0040]在一個(gè)實(shí)施方式中，通過使用機(jī)械擴(kuò)張器以使管的位于孔內(nèi)的端部擴(kuò)張而使管相對于孔不動(dòng)。當(dāng)擴(kuò)張時(shí)，每個(gè)管端部40的外徑大致等于孔的直徑。這迫使管壁的一部分與形成孔的側(cè)壁的一部分接觸，從而摩擦使得管在孔中基本不動(dòng)。雖然可以使管端部的整個(gè)長度擴(kuò)張，但是不必使管端部40的設(shè)置在孔內(nèi)的整個(gè)長度擴(kuò)張。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以個(gè)體認(rèn)為合適的任何方式使管端部40保持不動(dòng)，而不限于機(jī)械擴(kuò)張，以使得管端部40固定在孔內(nèi)。
[0041]隨后可將管的相對端部安裝到相對的管板14中，或者可等到完成過程50中的其他步驟之后再安裝相對端部。[〇〇42] 一旦管安裝到管板中，便在步驟56中將管狀砧44安裝到管12的端部40中。參照圖3 和圖4,砧安裝過程包括:從管板14的第一側(cè)將砧44插至管12的端部40中。為了防止管狀砧落入管12中，砧44可具有擴(kuò)口端部46，該擴(kuò)口端部46位于管板14的第一側(cè)處，從而使得擴(kuò)口端部46的直徑大于砧44的其余部分的直徑。優(yōu)選地，砧44的長度足以允許加工設(shè)備的心軸 (下面進(jìn)一步描述)鎖定在砧44的內(nèi)部。在一個(gè)非限制性實(shí)施方式中，已發(fā)現(xiàn)約3.0-4.0英寸的砧長度足以進(jìn)行工作。[〇〇43] 在砧44插至管端部40中之后，通過將砧的擴(kuò)口端部46壓配合到管12的端部40中來完成砧安裝。這使得砧44在管端部40中保持不動(dòng)。擴(kuò)口端部46的壓配合可通過例如，使用槌棒或錘重?fù)粽?4的突出端部，從而迫使砧44進(jìn)一步進(jìn)入管端部40中來實(shí)現(xiàn)。但是，可使用迫使砧44進(jìn)一步進(jìn)入管端部40中的任何裝置。[〇〇44]另外，管端部40可在將砧44插入之前設(shè)有擴(kuò)口特征。例如，管端部40的內(nèi)徑可利用錐柄麻花鉆刀頭或錐形擴(kuò)孔器進(jìn)行鉆孔，其中，錐柄麻花鉆刀頭或錐形擴(kuò)孔器在管端部40 中切削出與砧44的錐形匹配或近似匹配的輕微的錐形。使管端部40和砧44都成錐形將允許砧44更緊密地配合到管端部40中，并需要來自槌棒或錘的較少的力。此外，與非錐形管端部 40相比，當(dāng)錐形砧44被迫進(jìn)入錐形管端部40時(shí)，該錐形砧44將引起更少的擦傷和刮傷。當(dāng)通過管12處理諸如海水的腐蝕性流體時(shí)，減少和/或消除管端部40內(nèi)部的擦傷和刮傷有助于避免優(yōu)先位置發(fā)生腐蝕。[〇〇45] 如圖3和圖4所示，在安裝了砧之后，擴(kuò)口端部46的一部分將從管40突出表面32之夕卜。隨后可加工掉砧44的突出部和管端部40的任何突出部，從而使得砧和管與管板14的表面32齊平。
[0046]圖5至圖7示出了加工砧44從而使其與表面32齊平的示例性技術(shù)。該加工可使用能夠切削砧44(以及必要時(shí)的管12)以使其齊平的任何合適的加工設(shè)備來執(zhí)行。在所示的示例中，可使用的加工設(shè)備100包括心軸102,該心軸102的尺寸設(shè)計(jì)成配合至砧44內(nèi)且心軸102 可鎖定至砧管的內(nèi)側(cè)上。加工設(shè)備100還包括切削設(shè)備104，該切削設(shè)備104對砧管的突出部(和管端部40)執(zhí)行實(shí)際的切削或加工，從而使其與表面32在同一平面上?？墒褂玫倪@類合適的加工設(shè)備是可從德克薩斯南休斯敦(South Houston,Texas)的美國GBC有限責(zé)任公司 (USA GBC LLC)獲得的迷你K型坡口機(jī)(Mini K Beveling Machine)。[〇〇47]如圖5和圖6所示，心軸102插至砧管44中并鎖定在砧內(nèi)側(cè)上的適當(dāng)位置。然后使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并將切削設(shè)備驅(qū)動(dòng)至砧管端部中(如圖7所示)直到其變成與表面32齊平。如果管端部40尚未與表面32齊平，則還同時(shí)切削管40。圖9示出了在加工之后與表面32齊平的砧44 的擴(kuò)口端部46和管端部40。一旦加工完成，心軸102便可撤回且該過程可轉(zhuǎn)到FSW。[〇〇48]參照圖8，在一些實(shí)施方式中，較小直徑的砧管44可由于生成的FSW載荷向內(nèi)皺縮。 如果發(fā)生皺縮，則可在進(jìn)行FSW之前將附加的錐形砧或塞子110插至砧管44的擴(kuò)口端部46 中，從而防止管壁皺縮。但是，如果砧管不皺縮，則可省略插入錐形砧110的這個(gè)步驟。在所示的示例中，砧110是實(shí)心結(jié)構(gòu)。但是，任何形式的砧結(jié)構(gòu)均可使用，只要其防止砧管44皺縮。[〇〇49]返回圖2,然后在步驟58中，在第一表面32處FSW管12的端部40、管狀砧44的擴(kuò)口端部46、以及管板14,從而使處理管、管狀砧和管板的材料混合。FSW過程是用于接合具有相同材料或不同材料的兩個(gè)元件的公知方法，且無須詳細(xì)描述。關(guān)于FWS過程的進(jìn)一步的信息可在第8439250號(hào)美國專利中找到?？傊現(xiàn)SW使用了被迫進(jìn)入管端部40與擴(kuò)口端部46之間的交界面中并環(huán)繞表面32的旋轉(zhuǎn)探針或銷。探針和材料之間巨大摩擦使得緊鄰探針的材料加熱至低于其熔點(diǎn)的溫度。這使得鄰接部分軟化，但是因?yàn)椴牧媳３譃楣虘B(tài)所以保持了其原始的材料特性。探針沿著焊接線的運(yùn)動(dòng)迫使軟化的材料朝向后緣，從而使得相鄰區(qū)域熔化進(jìn)而形成焊接部。探針將形成管板結(jié)合部(ligament)120(即管板14的位于相鄰管之間的材料)、管端部40、和砧管44的擴(kuò)口端部46的材料攪拌在一起。因此，砧管的擴(kuò)口端部46提供用于在管端部40和管板14之間形成焊接部的附加材料。如果使用錐形砧110,則優(yōu)選的是，F(xiàn)SW 銷工具不沖擊砧110且砧110的材料不形成焊接部的一部分。因此，砧110僅執(zhí)行支撐功能， 且后續(xù)加工步驟無需從砧管移除砧110。然而，在下面進(jìn)一步討論的一些實(shí)施方式中，來自砧110的材料可形成FSW焊接部的一部分，因此砧可能需要成為加工步驟的一部分以移除砧。
[0050]圖10示出了由步驟58引起的FSW焊接部130的結(jié)果。管端部40以最大深度進(jìn)行焊接，且砧管44的擴(kuò)口端部46以最小深度進(jìn)行焊接。焊接部130的一部分132處于擴(kuò)口端部46 和管端部40之間，從而將砧管44焊接至管12。[〇〇511 返回圖2，在完成FSW步驟58之后，該過程轉(zhuǎn)到步驟60。在步驟60中，加工管板14的第一表面32,從而移除管12的端部40和管狀砧44的擴(kuò)口端部46之間的FSW焊接部132。加工管板14的第一表面32例如可利用加工設(shè)備100或利用不同的加工設(shè)備來執(zhí)行。當(dāng)使用加工設(shè)備100時(shí)，將加工設(shè)備100的心軸102再次插至管狀砧44中，并鎖定在如上面關(guān)于圖5和圖6 所討論的位置中。加工管板14的第一表面32可包括使用加工設(shè)備100的平切刀來加工焊接區(qū)130,直至通過平切刀加工掉焊接卷邊。此外，加工設(shè)備100的斜切刀可用于斜切焊接區(qū)， 以加工掉處理管和砧管之間的焊接部132。
[0052] 圖12A至圖12C、圖13A至圖13C、圖14A至圖14C和圖15A至15C示出了可用于移除管 12的端部40和管狀砧44的擴(kuò)口端部46之間的FSW焊接部132的加工工具的附加示例。在這些示例中的每一個(gè)中，砧110用于輔助支撐管狀砧44。在一個(gè)實(shí)施方式中，砧110的材料不形成FSW焊接區(qū)130或FSW焊接部132的任何部分，因此可在加工之前或之后移除砧110。在圖12A 至圖12C、圖13A至圖13C、圖14A至圖14C和圖15A至圖15C所示的另一實(shí)施方式中，來自砧110 的材料不形成FSW焊接區(qū)130的一部分，且需要進(jìn)行加工以移除砧110。[〇〇53]參照圖12A至圖12C，雙片端銑刀150示為用于移除管12的端部和管狀砧44的擴(kuò)口端部46之間的FSW部。在FSW過程之前，安裝砧110以輔助支撐管狀砧44并防止其在FSW期間皺縮。端銑刀150包括中空的切削件152以及設(shè)置在切削件的孔中的中央探針154，其中，切削件152可如箭頭所指示的那樣朝向和遠(yuǎn)離焊接區(qū)130運(yùn)動(dòng)；中央探針154可如箭頭所指示的那樣相對于切削件152朝向和遠(yuǎn)離焊接區(qū)130獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。[〇〇54]探針154可突出經(jīng)過切削件152的端部并接觸砧110的平整面，從而如圖12A所示的那樣定位其位置。如圖12B所示，然后探針154可縮回切削件152的孔中，直至其與切削件152 的端部齊平，且切削件152可開始旋轉(zhuǎn)并朝向焊接區(qū)130運(yùn)動(dòng)同時(shí)探針154保持靜止。切削件 152可從探針154接觸砧110的點(diǎn)切削或加工至預(yù)定深度，例如從約0.005英寸到約0.035英寸的任何位置。
[0055]可替代地，探針154可保持在其接觸砧110的表面上，且切削件152可向下運(yùn)動(dòng)直至其與探針尖端和焊接區(qū)130齊平。然后，切削件152可以開始旋轉(zhuǎn)并切削至預(yù)定深度。
[0056]在進(jìn)行切削之后，探針154和切削件152都可縮回至管板14上方的指定位置，例如縮回至管板上方約0.005英寸至約0.050英寸的距離，并且轉(zhuǎn)移到下一管板孔以重復(fù)該過程。[〇〇57]如圖12C所示，在切削之后，可從管12的端部40移除砧110和管狀砧44。
[0058]圖13A至圖13C示出了具有與切削件152類似的切削件162的雙片端銑刀160。但是切削件162的孔中設(shè)有彈簧加載的傳感器或阻尼傳感器164而不是探針。當(dāng)切削件162接合焊接區(qū)130并開始加工時(shí)，傳感器164配置成尋找砧110表面的位置，并且可壓縮到切削件 162的孔中。傳感器164的端部可包括軸承166,該軸承166在切削件162的轉(zhuǎn)動(dòng)期間繞砧110 轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器164的行進(jìn)或壓縮距離確定和控制切削件162切削的深度。圖13A示出了正在向下運(yùn)動(dòng)以使傳感器164可接合砧110的端銑刀160。圖13B示出了在加工期間與砧110接合的傳感器164和旋轉(zhuǎn)的切削件162。圖13C示出了在切削之后移除端銑刀160以使得可從管12的端部40移除砧110和管狀砧44。
[0059]圖14A至圖14C示出了具有與切削件152類似的切削件172的另一雙片端銑刀170。 在該實(shí)施方式中，端銑刀170包括剛性附接至端銑刀170的至少一個(gè)外部深度探測儀或傳感器174,該深度探測儀或傳感器174的功能與圖13A至13C中的傳感器164類似。深度探測儀 174包括在切削件172轉(zhuǎn)動(dòng)期間繞管板14的表面32轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承176。在另一實(shí)施方式中，端銑刀170包括圍繞切削件172均等地在周向上間隔開的多個(gè)深度探測儀174,例如三個(gè)深度探測儀174。圖14A示出了向下運(yùn)動(dòng)以使得深度探測儀174能接合管板14的端銑刀170。圖14B示出了在加工期間與管板14接合的深度探測儀174和旋轉(zhuǎn)的切削件172。圖14C示出了在切削之后，移除端銑刀170以使得可從管12的端部40移除砧110和管狀砧44。
[0060]圖15A至圖15C示出了單片端銑刀180的示例，其中，端銑刀180可如箭頭所指示朝向或遠(yuǎn)離焊接區(qū)運(yùn)動(dòng)。端銑刀180包括功能與切削件152、162、172類似的切削件182。端銑刀 180還包括凹口 184,以在加工期間容納砧110。為了定位管板14并控制加工的深度，端銑刀 180還包括一個(gè)或多個(gè)傳感器186,該一個(gè)或多個(gè)傳感器186中的每一個(gè)都起深度停止件的作用。傳感器186利用負(fù)載反饋、氣動(dòng)感測、電感測、磁感測等起作用。傳感器186用于控制切削的深度，并且一旦到達(dá)傳感器設(shè)定處便停止。圖15A示出了向下運(yùn)動(dòng)以接合管板14的端銑刀180。圖15B示出了正在旋轉(zhuǎn)并且一旦到達(dá)預(yù)定深度便在加工完成之后向上撤回的切削件 182。圖15C示出了在切削之后，移除端銑刀180以使得可從管12的端部40移除砧110和管狀砧44。
[0061]圖11示出了在利用本文所述的任何加工技術(shù)進(jìn)行步驟60的加工之后的FSW焊接部 130。擴(kuò)口端部46和管端部40是斜面。焊接部132已經(jīng)被加工掉，從而使得擴(kuò)口端部46和管端部40不再焊接在一起。[〇〇62] 返回圖2,在加工步驟60之后，在步驟62中從管12移除砧44。砧44能以個(gè)人發(fā)現(xiàn)合適的任何方式來移除。例如，可利用拉錘來移除砧管44,或者利用桿從管12的相對端部將砧管44推出管12之外。該移除是可行的，因?yàn)檎?4和管12之間的FSW焊接部已經(jīng)被移除，這允許通過克服剩余擴(kuò)口端部46與管端部40之間的壓配合力來移除。[〇〇63]在另一實(shí)施方式中，當(dāng)管壁厚度約為0.100英寸或更大時(shí)，直至砧管44與管板的表面齊平才將砧管44加工掉。0.100英寸或更大的壁厚可具有足夠的焊接范圍，從而以足夠的焊接深度將管12接合至管板。在該實(shí)施方式中，砧管44仍可被迫進(jìn)入如上所述的管端部40 中，從而防止處理管壁皺縮。然而，砧管可保持從管板的表面突出。FSW銷工具將圍繞突出的石占管移動(dòng)，而不妨礙站管或與站管接合或者從處理管撞出站管。在FSW完成之后，可利用錘或滑動(dòng)錘移除砧管，而不用對砧管進(jìn)行加工而使其不受約束。在移除砧管之后，可利用如上所述的加工設(shè)備來加工FSW卷邊。另外，如上所討論，還可利用斜面切削件加工處理管12,從而使處理管具有倒角入口。[〇〇64] 加工設(shè)備100和端銑刀150、160、170、180可通過例如計(jì)算機(jī)數(shù)值控制(CNC)機(jī)器、 可編程機(jī)器、和/或自動(dòng)化機(jī)器的機(jī)器進(jìn)行操作，或者其可通過使用半自動(dòng)和/或自動(dòng)動(dòng)力工具手動(dòng)地進(jìn)行操作。[〇〇65]在一個(gè)實(shí)施方式中，將處理管連接至管板的過程包括將處理管的端部插至管板中的孔中，其中，該孔從管板的第一側(cè)處的第一表面延伸至管板的第二側(cè)處的第二表面。然后，使處理管的端部相對于孔固定。然后，從管板的第一側(cè)將管狀砧安裝至處理管的端部中，其中，管狀砧具有置于管板的第一側(cè)處的擴(kuò)口端部。然后，處理管的端部、管狀砧的擴(kuò)口端部以及管板FSW在管板的第一側(cè)處，以使處理管、管狀砧和管板的材料混合。然后，使用加工設(shè)備加工管板的第一表面，從而移除處理管端部和管狀砧之間的摩擦攪拌焊接部，然后從處理管移除管狀砧。
[0066]在另一實(shí)施方式中，將管連接至元件的過程包括將管的端部插至元件的孔中，其中，孔從元件的第一側(cè)處的第一表面延伸至元件的第二側(cè)處的第二表面。然后，使管的端部相對于孔固定。然后，從元件的第一側(cè)處將管狀砧安裝在管的端部中，管狀砧具有置于元件的第一表面處并從該第一表面突出的擴(kuò)口端部。然后，在元件的第一側(cè)處FSW管的端部和元件，從而在管和元件圍繞管狀砧的突出擴(kuò)口端部移動(dòng)時(shí)使管和元件的材料混合，而不使管狀砧與管和元件的材料混合。然后，從管移除管狀砧并加工元件的第一表面，從而移除管的端部和元件上的摩擦攪拌焊接卷邊。[〇〇67]在實(shí)施方式中，熱交換器包括管板，管板具有第一表面、第二表面和從第一表面至第二表面延伸通過管板的多個(gè)孔。具有第一端部和第二端部的處理管固定至管板，且處理管的第一端部設(shè)置在管板中的多個(gè)孔中的一個(gè)中，且處理管具有約0.100英寸或更小的厚度。處理管的第一端部在管板的第一表面處摩擦攪拌焊接至管板。
[0068]本申請中所公開的示例在各個(gè)方面均被認(rèn)為是說明性的和非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求指定，而不是由前述說明書指定;且本文旨在囊括落入權(quán)利要求的等同的含義和范圍中的所有變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種將管連接至元件的過程，包括:將所述管的端部插至所述元件中的孔內(nèi)，所述孔從所述元件的第一側(cè)處的第一表面延 伸至所述元件的第二側(cè)處的第二表面；使所述管的所述端部相對于所述孔固定；從所述元件的所述第一側(cè)將管狀砧安裝至所述管的所述端部中，所述管狀砧具有位于 所述元件的所述第一表面處的擴(kuò)口端部；在所述元件的所述第一側(cè)處，摩擦攪拌焊接所述管的所述端部、所述管狀砧的所述擴(kuò) 口端部和所述元件，以使所述管、所述管狀砧和所述元件的材料混合；對所述元件的所述第一表面進(jìn)行加工，以移除位于所述管的所述端部與所述管狀砧之 間的摩擦攪拌焊接部；以及從所述管移除所述管狀砧。2.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，所述元件是熱交換器的管板，所述管是所述熱交換 器的處理管，且所述處理管的厚度約為0.100英寸或更小。3.如權(quán)利要求1所述的過程，將所述管狀砧安裝至所述管的所述端部中包括:將所述管 狀砧插至所述管的所述端部中，然后，向所述管狀砧施加力，以利用所述擴(kuò)口端部的、延伸 超出所述元件的所述第一表面的部分，在所述管狀砧和所述管之間創(chuàng)建壓配合。4.如權(quán)利要求3所述的過程，其中，對所述元件的所述第一表面進(jìn)行加工包括使用具有 心軸的加工設(shè)備；以及將所述管狀砧安裝至所述管的所述端部中還包括:將所述加工設(shè)備 的所述心軸插至所述管狀砧中；以及使用所述加工設(shè)備加工所述管狀砧的所述擴(kuò)口端部 的、延伸超出所述元件的所述第一表面的部分，以使所述擴(kuò)口端部與所述元件的所述第一 表面齊平。5.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，使所述管的所述端部固定包括機(jī)械地?cái)U(kuò)張所述管的 所述端部。6.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，在安裝所述管狀砧之后且在進(jìn)行摩擦攪拌焊接之 前，將固態(tài)錐形砧安裝至所述管狀砧中，以防止所述管狀砧在所述摩擦攪拌焊接期間皺縮。7.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，對所述元件的所述第一表面進(jìn)行加工包括使用具有 心軸的加工設(shè)備，以及對所述第一表面進(jìn)行加工包括將所述加工設(shè)備的所述心軸插至所述 管狀站中。8.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，對所述元件的第一表面進(jìn)行加工包括使用雙片端銑 刀加工所述第一表面。9.如權(quán)利要求8所述的過程，其中，所述雙片端銑刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述元件的所述第一表面運(yùn)動(dòng)，并且所述雙片端銑刀還包括設(shè)置在所 述中央孔中的探針，所述探針能夠獨(dú)立于所述切削件朝向和遠(yuǎn)離所述元件的所述第一表面運(yùn)動(dòng)。10.如權(quán)利要求8所述的過程，其中，所述雙片端銑刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述元件的所述第一表面運(yùn)動(dòng)，且所述雙片端銑刀還包括設(shè)置在所述 中央孔中的彈簧加載傳感器。11.如權(quán)利要求8所述的過程，其中，所述雙片端銑刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述元件的所述第一表面運(yùn)動(dòng)，并且所述雙片端銑刀還包括至少一個(gè)深度探測儀，所述至少一個(gè)深度探測儀在所述中央孔外部的位置處剛性附接至所述雙片端 銑刀。12.如權(quán)利要求1所述的過程，其中，對所述元件的所述第一表面進(jìn)行加工包括使用具 有切削件的單片端銑刀加工所述第一表面，其中，所述切削件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述元件的 所述第一表面運(yùn)動(dòng)，所述單片端銑刀還包括至少一個(gè)深度停止傳感器，所述至少一個(gè)深度 停止傳感器控制所述切削件插入所述元件的所述第一表面中的深度。13.—種通過權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的過程形成的結(jié)構(gòu)。14.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)是熱交換器的一部分。15.—種結(jié)構(gòu)，包括:元件，具有第一表面、第二表面、以及從所述第一表面至所述第二表面延伸通過所述元 件的多個(gè)孔；管，具有第一端部和第二端部，所述管的所述第一端部設(shè)置在所述元件中的多個(gè)孔中 的一個(gè)中，并且所述管的厚度為約〇.1〇〇英寸或更小；以及所述管的所述第一端部以及所述元件在所述元件的所述第一表面處彼此摩擦攪拌焊接。16.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)是熱交換器的一部分，所述元件是所述 熱交換器的管板，并且所述管是所述熱交換器的處理管。17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述熱交換器是殼管式熱交換器。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK105980095SQ201480055067
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年8月25日
【發(fā)明人】邁克爾·R·埃勒, 蘭迪·J·布朗, 凱文·約翰·舒恩格爾
【申請人】洛克希德馬丁公司