特許 6254082 熱交換器用の管端を摩擦撹拌溶接するための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6254082

(24)【登録日】2017年12月8日

(45)【発行日】2017年12月27日

(54)【発明の名称】熱交換器用の管端を摩擦撹拌溶接するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20171218BHJP

   F16L 13/02 20060101ALI20171218BHJP

   F28F 9/013 20060101ALI20171218BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 360

   B23K20/12 368

   B23K20/12 340

   F16L13/02

   F28F9/013 J

【請求項の数】17

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-525152(P2014-525152)

(86)(22)【出願日】2012年8月9日

(65)【公表番号】特表2014-527467(P2014-527467A)

(43)【公表日】2014年10月16日

(86)【国際出願番号】US2012050183

(87)【国際公開番号】WO2013023083

(87)【国際公開日】20130214

【審査請求日】2015年7月31日

(31)【優先権主張番号】61/521,589

(32)【優先日】2011年8月9日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】598111021

【氏名又は名称】ロッキード マーティン コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(74)【代理人】

【識別番号】100148596

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 和弘

(72)【発明者】

【氏名】エラー， マイケル アール．

(72)【発明者】

【氏名】リ， ルシェン

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 英国特許出願公告第０１３１０１０７（ＧＢ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公告第０１３０３６４２（ＧＢ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００００９５２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００４９９１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５６−０６６３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２０２１８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

Ｆ１６Ｌ １３／０２

Ｆ２８Ｆ ９／０１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管と管板との間の継手を形成する方法であって、
管の第一の端部を管板の主表面と実質的に同一平面に位置付けるステップであって、前記管の外径は、前記管の長さに沿ったものと実質的に等しく、前記管板内の開口の内径と実質的に等しい、前記ステップと、
前記第一の端部付近の前記管内に少なくとも一部分を有するアンビル組立体を形成するステップと、
前記アンビル組立体が前記管内にある間、前記アンビル組立体の前記一部分を前記管内に拡張するステップであって、前記アンビル組立体は、前記管と前記管板との溶接を可能にするように、取り外し可能な支持体を形成する、前記ステップと、
前記アンビル組立体上に、および、前記管の前記第一の端部および前記管板の前記主表面との接触面に座金を配置するステップと、
前記管を前記管板に溶接するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記管を前記管板に溶接することが摩擦撹拌溶接を含む、請求項１記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項3】

前記管内に前記アンビル組立体がある間、前記アンビル組立体の前記一部分を前記管内に拡張するステップが、前記一部分を拡張して前記管板に対して前記管の前記第一の端部を保持することを含む、請求項１記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項4】

前記アンビル組立体がアンカーを含む、請求項１記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項5】

前記管の前記第一の端部内の前記アンビル組立体の前記一部分が弾性アンカーである、請求項１記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項6】

前記管の第二の端部を保持するステップをさらに含む、請求項１記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項7】

前記管の前記第二の端部を保持することが、第二のアンカーを前記管の前記第二の端部に配置することを含む、請求項６記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項8】

前記管の前記第二の端部を保持することが、第二のアンビル組立体を前記管の前記第二の端部に連結することをさらに含み、この連結が、
前記管の前記第二の端部を第二の管板における開口を通るように延長することと、
バッキングバッフルを前記第二の管板に実質的に固定して取り付けることと、
第二のアンカーを前記管の前記第二の端部内部に配置することと、
前記第二のアンカーを前記バッキングバッフルに取り付けることと、をさらに含む、請求項６記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項9】

第二のアンカーを前記管の前記第二の端部内部に配置することが、前記第二のアンカーを前記管の前記第二の端部内に拡張することを含む、請求項８記載の管と管板との間の継手を形成する方法。

【請求項10】

第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法であって、
前記第一の管板の主表面と実質的に同一平面に前記第一の管の第一の端部を位置付けるステップであって、前記第一の管の前記第一の端部から前記第一の管の第二の端部まで前記第一の管は実質的に同一外径を有し、前記第一の管の前記外径は、前記第一の管板内の開口の内径と実質的に同一である、前記ステップと、
前記第一の管の前記第二の端部を前記第二の管板における開口を通るように位置付けるステップであって、前記第一の管の前記外径は、前記第二の管板における前記開口の前記内径と実質的に同一である、前記ステップと、
拡張可能なアンカー部を備える第一のアンビル組立体を前記第一の管の前記第一の端部内に少なくとも部分的に挿入するステップと、
前記第一のアンビル組立体の上に座金を配置するステップであって、前記座金は、前記第一の管の前記第一の端部の内径に適合する大きさの外径を有し、前記座金は、前記第一の管の前記第一の端部内に少なくとも部分的に配置される、前記ステップと、
前記第一のアンビル組立体の前記拡張可能なアンカー部を、前記第一のアンビル組立体が前記第一の管の前記第一の端部内にある間、拡張して、前記第一の管板に対して前記第一の管の前記第一の端部を保持するステップと、
前記第二の管板の前記第二の端部に対して前記第一の管の前記第二の端部を保持するステップと、
前記第一の管の前記第一の端部を前記第一の管板に溶接するステップと、
を含む、方法。

【請求項11】

前記第一の管の前記第一の端部を前記第一の管板に溶接するステップが摩擦撹拌溶接を含む、請求項１０記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項12】

前記第二の管板に対して前記第一の管の前記第二の端部を保持するステップが、配置されるバッキングバッフルを前記第二の管板に対するオフセット位置に取り付けることを含む、請求項１０記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項13】

前記第二の管板に対して前記第一の管の前記第二の端部を保持するステップが、前記第一の管の前記第二の端部を前記バッキングバッフルに取り付けることを含む、請求項１２記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項14】

前記第一の管の前記第二の端部を前記バッキングバッフルに取り付けることが、第二のアンビル組立体を前記第一の管の前記第二の端部および前記バッキングバッフルに取り付けることを含む、請求項１３記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項15】

前記第二の管板と実質的に同一平面に形成することができるように前記第一の管の前記第二の端部が移動される、請求項１０記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項16】

前記第一の管の前記第二の端部を前記第二の管板に溶接することをさらに含む、請求項１０記載の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法。

【請求項17】

管と管板との間の継手を形成する方法であって、
管の第一の端部を管板の主表面と実質的に同一平面に位置付けるステップであって、前記管は、前記管の前記第一の端部から前記管の第二の端部まで実質的に同一の外径を有し、前記管の前記外径は、前記管板の開口の内径と実質的に等しい、前記ステップと、
拡張可能なアンカー部を備えるアンビル組立体を前記管の前記第一の端部内に少なくとも部分的に挿入するステップと、
前記アンビル組立体の上に座金を配置するステップであって、前記座金は、前記第一の管の前記第一の端部の内径に適合する大きさの外径を有し、前記座金は、前記第一の管の前記第一の端部内に少なくとも部分的に配置され、前記管シートに接触しない、前記ステップと、
工具を前記アンビル組立体に連結させ、前記拡張可能なアンカー部を拡張するように前記工具を回転させるステップと、
前記管板に前記管の前記第一の端部を溶接するステップと、
前記工具を前記アンビル組立体に連結させ、前記拡張可能なアンカー部を収縮させるように前記工具を回転させるステップと、
前記管から前記アンビル組立体を取り外すステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１１年８月９日に出願された先の米国仮特許出願第６１／５２１，５８９号の米国特許法第３５条１１９（ｅ）項に基づく利益を主張するものである。

【技術分野】

【0002】

本明細書に記述するさまざまな実施態様は、熱交換器における管の管端を圧力容器における管板に摩擦撹拌溶接するための方法および装置に関する。

【背景技術】

【0003】

一般の工業用熱交換器は、２つの管板の間に配置され、圧力容器シェル内に密閉された複数の管を含む。異なる温度の流体または気体が熱交換器を通り抜け、ある媒体から他の媒体に熱エネルギーを移動させる。管は所定位置に圧入または溶接することができる。原子力熱交換器および化学プラントなどにあるように液体または気体の分離が重大である場合には、市場に出す前に、管を所定位置に溶接し、漏れのチェックを行う必要がある。熱交換管を溶接するプロセスには、以下を含む多くの欠点がある。（１）手作業の融接技術により管継手の全てを用意および溶接するための高い労働費、（２）複雑な手作業または半自動の融接プロセスに起因する欠損修復費用、および（３）融接継手の腐食感受性の増大。腐食は、特に、システムの一つが腐食性を有する場合には、作動流体の汚染の主な原因となる。

【発明の概要】

【0004】

本発明は、管と熱交換器における管板とを接合する固相溶接継手を具現化する。固相溶接継手は、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）に類似する。管および管板は、同じまたは類似する材料から作ることができる。この結果、同じまたは類似する材料を用いて溶接が形成される。この方法が、多くの事例では材料の混合体を用いて溶接を形成する現在の融接プロセスに取って代わる。本発明の固相溶接継手は、かなりの費用、欠損を削減し、長期腐食に関連する不具合の削減または減少を通じて性能を改善する。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1A】例示の実施態様に従う、管板に対して位置付けられた、管端付近に位置付けられたアンカーを示す斜視図である。

【図1B】例示の実施態様に従う、管端内に位置付けられたアンカーを持つ、管板に対して位置付けられた管端を示す斜視図である。

【図2】例示の実施態様に従う、管端内に挿入されたアンカーの上に位置付けられた座金を示す斜視図である。

【図3】例示の実施態様に従う、管端内のアンカー内部にねじ込まれたソケットヘッドキャップスクリューを示す斜視図である。

【図4】例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接プロセスのための支持体として用いるために配置されたアンビル組立体を含む管および管端を示す部分側断面図である。

【図5A】例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接に用いられる固定されたピンツールまたはデバイスの例を例証する側面図である。

【図5B】例示の実施態様に従う、ワークピースの溶接中の固定されたピンツールまたはデバイスを示す概略図である。

【図6】例示の実施態様に従う、据え付けられたアンビル組立体を持つ複数個の管端を有する管板を示す斜視図である。

【図7】例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）を実行し、据え付けられたアンビルを持つ管端に向かい移動するピンツールを示す斜視図である。

【図8】例示の実施態様に従う、管シートに溶接された２つの管端を示す斜視図である。例示の実施態様に従う、管内のアンカーから取り外された無傷のソケットキャップスクリューも示す。

【図9】例示の実施態様に従う、機械加工およびデバリング後の管溶接を示す平面図である。

【図10A】別の例示の実施態様に従う、ダブルウェッジアンカーを示す側面図である。

【図10B】別の例示の実施態様に従う、内部にねじ込まれたドロップインアンカーを示す側面図である。

【図10C】別の例示の実施態様に従う、弾性アンカーを示す側面図である。

【図10D】別の例示の実施態様に従う、弾性アンカーを示す側面図である。

【図10E】別の例示の実施態様に従う、弾性アンカーを示す側面図である。

【図10F】別の例示の実施態様に従う、弾性アンカーを示す側面図である。

【図10G】別の例示の実施態様に従う、弾性アンカーを示す側面図である。

【図11】別の例示の実施態様に従う、熱交換器本体のフランジに取り付けられたバッキングアンビルバッフルプレートを示す斜視図である。

【図12】別の例示の実施態様に従う、バッキングアンビルバッフルプレートおよび複数個の伸長したアンカー組立体を示す断面側面図である。

【図13】別の例示の実施態様に従う、図１２のバッキングアンビルバッフルプレートおよび複数個の伸長したアンカー組立体を示す拡大図である。

【図14】例示の実施態様に従う、伸長したアンカー１２００を示す斜視図である。

【図15】例示の実施態様に従う、ランキンサイクルを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

図１５は、ランキンサイクル９００の模式図である。示すサイクルは、ポンプ９１０、ボイラー９２０、タービン９３０、および凝縮器９４０を含む。凝縮器９４０は熱交換器を含み、これは、冷却液を用いてタービン９３０を通り抜けた後の気体から熱を除去する。冷却液は腐食性を有するものでもよい。気体も腐食性を有するものでもよい。凝縮器９４０に熱交換器が付随するため、これは特定の用途では腐食環境で動作する。熱交換器は、種々の方法で形成することができる。ある形態の熱交換器は、２つの管板の間に配置され、圧力容器シェル内に密閉された複数の管を含む。熱交換器は、それ故、管と管シートとの間に形成された一以上の継手を含む。熱交換器が本明細書に記述する装置および方法のための一つの適用例であり、本明細書に記述する装置および方法のための他の可能な適用例があることが理解されるべきである。

【0007】

摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）は、固相接合プロセスであり、融接プロセスよりも優れたいくつかの利点がある。例として、この利点はより高い結合強度およびより低いゆがみを含む。さらに、摩擦撹拌溶接プロセスは、融接または他の溶接プロセスでは溶接することができない合金を接合することができる。これらの特性によって、摩擦撹拌溶接プロセスは、多くの産業において有益な接合プロセスとなっている。ＦＳＷをアルミニウムまたは他の高温の管合金に実行して管−管板継手を形成することができる。しかしながら、溶接したアルミニウムシェルおよび管熱交換器に適用可能な市場は、全世界のシェルおよび管市場のたった１％以下であると見積もられている。反対に、溶接した炭素鋼シェルおよび管熱交換器が、全世界の溶接したシェルおよび管市場の約７０％を占める。溶接したシェルおよび管熱交換器の残りの２９％以下は、ステンレス鋼、チタン、および他の高温合金から構成される。炭素鋼は、アルミニウム（および、他の高温金属）よりも遥かに多く出回っている。というのは、ポンド当たりの値段が遥かに安価であり、遥かに高い圧力および温度に耐性があり、粗い作動流体、例えば、油、気体および酸とより融和性があるからである。それ故、管−管板継手を形成するプロセスは、アルミニウム、アルミニウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、および他の高温の管合金に広く適用できる必要がある。管−管板継手の形成を可能な限り多くの高温の管合金に広く適用できるようにすることによって、熱交換器に適用可能な市場のシェア拡大に取り組むことができる。さらに、管−管板継手を形成するプロセスをより堅固にすることによって、大きなシェアを占める適用可能な市場がプロセスを受け入れる程度がより高くなる。

【0008】

ＦＳＷ高温管−管板継手は、新規のアンビルおよびＦＳＷにおける負荷に対応でき、発生した温度に耐性があり、溶接を汚染しない関連する技法を用いて溶解される。ＦＳＷを用いる場合では、回転ツールが継手に負荷を与えることがある。アンビル技法では、溶接プロセス中にツールによって生成される負荷に対抗する力に対応するか、力を生成するように継手を保持できる。

【0009】

図１Ａは、例示の実施態様に従う、管板１２０に対して位置付けられた管端１１０付近のアンカー１００の斜視図であり、図１Ｂは、管の管端１１０内に位置付けられたアンカー１００を持つ、管板１２０に対して位置付けられた管端１１０の斜視図である。図２は、例示の実施態様に従う、管端１１０内に挿入されたアンカー１００の上に位置付けられた座金２００の斜視図である。図３は、例示の実施態様に従う、管端１００内のアンカー１００内部にねじ込まれたソケットヘッドキャップスクリュー３００の斜視図である。ここで図１Ａ、図１Ｂ、図２および図３を参照し、アンビル組立体３１０の第一の実施態様をさらに詳細に記載する。第一の実施態様では、アンビル組立体３２０は、コンクリートアンカー１００、ソケットヘッドキャップスクリュー３００、および座金２００を含む。アンビル組立体３２０は取り外し可能な支持体として機能し、これにより、管１１１、より具体的には管端１１０および管板１２０を、摩擦撹拌溶接ツールおよびＦＳＷ技法を用いて溶接することができる。仮にアンビル組立体３２０がないと、ＦＳＷ溶接プロセスの実行は遥かに困難となる。その結果、一貫性が少なくなる。

【0010】

図４は、例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接プロセスのための支持体として用いるために配置されたアンビル組立体３２０を含む管１１１および管端１１０の部分側断面図である。形成されたアンビル組立体３２０は、円筒状の上部３００（ソケットヘッドキャップスクリュー３００の環状面）を含む。これを用いて、ＦＳＷを実行するツール、および管１１１の管端１１０内部にアンカーされたアンカー１００をガイドし、一定の間隔に配置する。座金２００が、管板１２０と実質的に同一平面に位置付けられたアンカー１００に配置される。

【0011】

アンカー１００は、第一の本体部１３１および第二の本体部１３２を含む。第一の本体部１３１および第二の本体部１３２は、内部ウェッジ（図示せず）に隣接する。アンカー１００はねじ込み開口１０２を有する。アンカー１００は、ねじ込み開口１０２の少なくとも一部分を含み得る内部ウェッジも有する。ねじ込み開口１０２が係合すると、ウェッジは、管板１２０および管１１１の管端１１０と実質的に同一平面にあるアンカー１００の一方の端部に向かい移動する。ウェッジはてことして作動し、第一の本体部１３１および第二の本体部１３２を半径方向外側に押し進める。ウェッジは、管１１１、具体的には管端１１０と係合する。ウェッジは、結果的に管１１１のための固体支持体としても作動する。図４に示すように、ソケットヘッドネジ部３００は、アンカー１００の内部ネジ部と係合するねじ込み端部３０２を有する。ソケットヘッドネジ部３００は環状ヘッド端部３０４も有する。

【0012】

図４に示すように、環状ヘッド端部３０４は六角形の開口３０６を有し、これは、その中にドライバー、例えば、六角レンチまたは同様のものを受け入れる寸法に形成される。一部の実施態様では、ねじ込みヘッド端部３０４はギザギザのある外面を有し、この外面により、人の指でねじ込み端部３０２を締め付けるかつ緩めることが可能になる。他の実施態様では、ねじ込みヘッド端部３０４は実質的に平坦な外面を有する。この平坦な外面により、固定されたピンツールの肩部５２０が、摩擦がほとんどまたは全くなく外面に係合するまたはそれを通り越すことが可能になる。管の内側に加えられる力の量は、ドライバー、例えば、六角レンチに加えるトルクを変化させることによって調節することができる。加えて、アンカー１００のネジ部からソケットヘッドネジ部３００を緩めることによって、アンカーを、管１１１、より具体的には、管端１１０の内壁から取り外すことができる。他の実施態様では、ソケットヘッドネジ部３００は、ドライバーを受け入れるための他の開口を含むことができる。例として、ソケットヘッドネジ部３００は、スクリュードライバーを受け入れるためのスロット、または十字ねじのスクリュードライバーを受け入れるための十字開口を有することができる。

【0013】

図４に示すように、ソケットヘッドネジ部３００は、管端１１０の上部と、ソケットヘッドネジ部３００の底部との間に座金２００も保持する。座金２００は、管１１１および管板１２０と同じ材料から作られる。これにより、溶接を形成する全ての材料が同じ材料から作られることが保証される。このことは、電流反応によって引き起こされることがある腐食の可能性を小さくする。ピン５２０が回転して摩擦に起因する熱を生成し、管１１１、管シート１２０、および座金の金属を加熱して、管端１１０を管板１２０に溶接する。

【0014】

ここで図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３および図６に戻り、例示の実施態様に従う、管端１１０におけるアンビル組立体３２０の組立体を詳細に記載する。初めに、管プレート１２０と実質的に同一平面にある位置に管端１１０を備え付ける。アンビル組立体３２０のアンカー１００を、管端１１０付近に位置付ける。次に、アンカー１００を管端１１０内部および管１１１内部に挿入する。ねじ込み開口１０２を有する端部が管端１１１および管板１２０と実質的に同一平面にくるまで、アンカー１００を挿入する。一実施態様では、管端１１０または端部付近の管１１１の一部分が拡張し、管板１２０における開口内により密接に適合する。座金２００がアンカー１００に位置付けられる。座金２００の一方の側面は、管端１１０および管板１２０と実質的に同一平面にある。座金２００の他方の側面は、管板１２０および管端１１０のわずかに前に位置付けられる。ソケットヘッドキャップスクリュー３００が、座金２００を通じてアンカー１００のネジ部１０２内部に挿入される。ソケットヘッドキャップスクリュー３００のねじ込み端部３０２が、アンカー１００のネジ部１０２とねじ込み式に係合する。ツール、例えば、六角レンチ、スクリュードライバー、または他のドライバーを用いて、ソケットヘッドキャップスクリュー３００を回転させる。例として、ソケットヘッドキャップスクリュー３００を右回りのねじ山を用いて右回りに回転させることによって、それを内部ウェッジに係合させ、アンカーの本体部分を推し進めて管１１１の壁に係合させる。初期では、アンカーをその位置に保持しつつ、ソケットヘッドキャップスクリュー３００の軽い押し込みまたは引き込みによってアンカーを移動可能な程度に、ソケットヘッドキャップスクリュー３００をわずかに締め付ける。このようにして、アンカーが管１１１と管板１２０との接触面と実質的に同一平面にくるようにアンカーを位置付けることができる。この位置付けにより、アンカー１００が拡張し始め、管１１１の内壁に噛み合うときに、座金２００も管−管板表面に位置付けられる。最終的な締め付けトルクがソケットヘッドキャップスクリュー３００に加えられることにより、ソケットヘッドキャップ３００が座金２００にきつく締められ、座金２００の上面が管−管板表面と同一平面（または、わずかに突き出る）にくる。

【0015】

これは、管板１２０におけるいくつかの管１１１に繰り返される。図６は、例示の実施態様に従う、据え付けられたアンビル組立体３２０を持つ複数個の管端１１０を有する管板１２０を示す斜視図である。示すように、管端１１０にまたはその付近にアンビル組立体３２０が据え付けられた２つのサイト６０１、６０２がある。アンビル組立体が据え付けられていない２つのサイト６０３、６０４がある。管シートと管端との間の継手を仕上げるために、アンビル組立体をサイト６０３、６０４に据え付ける必要がある。当然ながら、管板１２０において終端処理されるさらに多くの管端を有する熱交換器がある。プロセスは、そのような管板と厳密に同じであろうが、その仕上がりは、管板１２０に摩擦撹拌溶接された２つのバンド１１０を有する必要があるより多くのサイトを生じるであろう。

【0016】

図５Ａは、例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接に用いられる固定されたピンツール５００またはデバイスの例を例証する側面図である。摩擦撹拌溶接プロセス（たとえば、摩擦撹拌溶接プロセスまたは自動的に反応する摩擦撹拌溶接プロセス）に用いられるいくつかの異なる技法がある。第一の技法は、図１Ａに例証する固定されたピンツール技法である。固定されたピンツール５００は、肩部５１０およびピン５２０を含む。固定されたピンツール５００は、一実施態様では、一体構造の材料（ピン５２０および肩部５１０を含む）から作られる。ピン５２０の全長は一定である。固定されたピンツール５００を用いて、一定の厚さを持つプレートまたはワークピースを溶接する。

【0017】

図５Ｂは、例示の実施態様に従う、ワークピースの溶接中の固定されたピンツールまたはデバイスの概略図である。この実施態様では、ピン５２０および肩部５１０が共に回転し、互いと独立しては動かない。溶接中、ピンツールデバイス５００は回転し、一方で同時に、一以上のワークピース、例えば、ワークピース５３０を横切るように溶接方向に平行移動する。ピンツールデバイス５００によって圧力または力が一以上のワークピース５３０に加えられる。図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３および図４の支持体またはアンビル組立体３２０が、ピンツールデバイス５００からの圧力に耐えるように支える。支持体またはアンビル組立体３２０は、ＦＳＷプロセス中にピンツールデバイス５００に加えられる力に対抗する反力も与える。前述のように、ピンツールデバイス５００が一つの材料の固体片から作られるため、ピン５２０および肩部５１０は共に回転する。他の実施態様では、ピンが上方または上部肩部とは独立して回転し、肩部とは独立して上下に移動することによって、ピン全長を変化させることができる。これにより、テーパーまたは幅が可変のストックを溶接することができる。アンビル組立体３２０、具体的には、アンカー１００も十分な熱質量を有し、ＦＳＷプロセスによって生成された熱の一部を吸収する。アンカー１００の熱質量によって、管１１１の内側の溶接が防がれる。ＦＳＷで固定されたピンツール５００を高い回転速度で駆動し、金属内部に突っ込む。ドライバーは、ピンを回転させることに加えて、管−管板継手周囲のピンツール５００の平行移動も行う。これにより、ピンツールの肩部５１０を管端１１０および座金２００の上で平行移動させるが、ソケットヘッドキャップスクリュー３００が管の中心からはみ出ることは回避される。

【0018】

図７は、例示の実施態様に従う、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）を実行し、据え付けられたアンビル組立体３２０を持つ管端１１０に向かい移動するピンツール７００の斜視図である。ピンツール７００は、管１１１−管板１２０継手の周囲に、ピンツール５００を回転させるドライバー７１０を含む。ピンツール７００は、一実施態様では、コンピュータ化された装置ツールによって制御される。ピンツール７００は、その制御によって、管端１１０と管板１２０との各々の摩擦撹拌溶接においてその周囲を平行移動する。１つまたは２つの管板継手が終了すると、装置ツールは、ピンツール７００を次の管−管板継手に移動させる。

【0019】

図８は、例示の実施態様に従う、管シート１２０に溶接された２つの管端１１０の斜視図である。ピンツール５００、７００は、管板１２０にわずかなくぼみ、または渦巻きマークを残す。溶接の完了後、ソケットキャップスクリュー３００を取り外すことができる。図８に、管１１１内のアンカー１００から取り外された無傷のソケットキャップスクリュー３００も示す。摩擦撹拌溶接後、アンカー１００は管１１１内にとどまる。座金２００も管端１１０を覆う。座金２００は、管端１１０の上部に溶接される。溶接バリおよび表面の渦巻きマークは、装置ツール、例えば、一実施態様では、フライカッター、正面フライス、エンドミルを用いて取り除かれる。別の実施態様では、グラインダー、サンダーまたは研磨機を用いて、材料の必須の深みを取り除くことができる。材料の必須の深みの除去は、座金の継目の外径および管の内径が見えるときに成し遂げられる。

【0020】

図９は、例示の実施態様に従う、機械加工およびデバリング後の管溶接の平面図である。適切な量の材料を管板１２０から取り除いた時点で、金属棒を用いて裏面から部品を押し込むか、またはツールを用いて表面側からアンビル１００と座金２００との組み合わせを引き込むことによって、アンビル１００と座金２００との組み合わせを取り外すことができる。次に、管１１１の内径を、デバリングツールを用いてデバリングしてもよいし、円錐ドリルビットを用いて面取りしてもよい。仕上がりを図９に示す。図９に示す仕上がりが、管板１２０に溶接された２つの管１１１のみを含むことが留意されるべきである。多くの用途では、多数の管１１１が管板１２０に溶接される。

【0021】

前述の座金２００は管および管板と同じ材料から作られ、これにより一貫性のある溶接特性を促進し、溶接内部へのあらゆる不純物の導き入れが回避される。ソケットキャップスクリュー３００およびアンカー１００は、溶接において消耗しないため、必ずしも同じ材料から作らなくてもよい。ソケットキャップスクリュー３００およびアンカー１００は、摩擦撹拌溶接プロセスにおいて発生する力および高温に対応する、適正な強度および高温への耐性を有する必要があることが留意されるべきである。熱交換器が低炭素鋼から作られる場合は、座金２００、管１１０および管板１２０は全て低炭素鋼である。チタン管板１２０内部にチタン管１１０を溶接する場合は、座金２００はチタンから作られるであろう。

【0022】

前の図に描写するアンカーは、ダブルウェッジアンカーである。他のアンカーを用いてアンビル１００を形成できることが留意されるべきである。図１０Ａ〜図１０Ｇに、他のアンカー１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆ、および１０００Ｇを示す。図１０Ａに示すような別のダブルウェッジアンカー１０００Ａを用いてアンビル１００の一部を形成できる。図１０Ｂに示すような内部にねじ込まれたドロップインアンカー１０００Ｂを用いてアンビルの一部を形成できる。アンカー１０００Ｃ、１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆ、および１０００Ｇの全ては、第二のプレートにおける第一のプレートの間に取り込まれた弾性材料を含む。ねじ込みファスナーが締め付けられると、第一のプレートが第二のプレートの方に引き付けられる。これにより、弾性材料が圧縮して外側に膨らむ。アンカー１０００Ｃ、１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆ、および１０００Ｇは、管１１０内に引っかき傷または他のマーキングを生成する可能性が低いという利点を有する。引っかき傷または他のマーキングがある箇所は、腐食をより受けやすくなり得る。当然ながら、摩擦撹拌溶接に弾性材料を用いる場合は、弾性材料は、摩擦撹拌溶接プロセスによって発生する熱に耐性を持つことができるような十分な耐熱性質を有する必要がある。アンカー１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆ、および１０００Ｇは全て、スクリュー３００がアンカー１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆ、および１０００Ｇの内部ねじ山内に挿入されたときに、管１１０壁の内側に対して外側に拡張するという点において同じ目的を果たす。

【0023】

他の実施態様では、これらの種類のアンカーの他の代替物を用いることができることが考慮される。代替物は、スプリングピン、スプリング圧縮式アンカー、圧入ピン、テーパーピン、および同類のものを含む。なおも他の実施態様では、座金を用いる代わりに、アンカーまたはスクリューヘッド、例えば、ソケットヘッドキャップ３００を溶接中に消費して、ピンツールの肩部に接触するように達せさせることができる。

【0024】

図１１は、別の例示の実施態様に従う、熱交換器本体１１１０上のフランジに取り付けられたバッキングアンビルバッフルプレート１１００の斜視図である。熱交換器本体１１１０は、通常、フランジ１１１２または閉鎖フランジを含む。一部の実施態様では、バッキングアンビルバッフルプレート１１００は、前の図１〜図９に記述するような管板１２０に溶接するときに、管１１０の自由端を保持するのに用いられる。バッキングアンビルプレート１１００は、一実施態様では、約１／２インチの厚さであり、バッキングアンビルプレート１１００における開口１１３０は、ドリルした穴をリーマーで広げる代わりに、パンチまたはレーザー切断で開けることが可能である。バッキングアンビルプレート１１００は、フランジ１１１２とオフセットされる。バッキングアンビルプレート１１００は、熱交換器本体１１１０のフランジ１１１２に隣接するフランジ１１０２も含む。フランジ１１０２における開口１１０４は、フランジ１１１２における開口に合致する。したがって、バッキングアンビルプレート１１００をフランジ１１１２にボルトで留めてもよいし、別の方法で接続してもよい。バッキングアンビルプレート１１００における開口１１３０は、熱交換器の管１１１に合致する。

【0025】

図１２は、別の例示の実施態様に従う、バッキングアンビルバッフルプレート１１００および複数個の伸長したアンカー組立体１２００の断面側面図である。伸長したアンカー組立体１２００を用いて、管１１１の自由端１１２をバッキングアンビルバッフルプレート１１００に取り付ける。管１１１の内側および熱交換器シェルの内側の伸長したアンカー組立体１２００を用いることによって、摩擦撹拌溶接プロセス中、熱交換器の他の端部における管板１２０の管端１１０が所定位置にさらに保持される。（図１〜９に示すような）管１１１の端部をバッキングアンビルバッフルプレート１１００にアンカーすることによって、管板１２０に対する管端１１０の平行移動が防がれる。

【0026】

図１３は、別の例示の実施態様に従う、図１２のバッキングアンビルバッフルプレートおよび複数個の伸長したアンカー組立体１２００の拡大図である。アンカー組立体１２００は、約３インチの長さである。他の実施態様では、アンカー組立体１２００の全長は異なる長さでもよい。アンカー組立体１２００は、管１１１の自由端１１２内部に拡張する。管１１１の自由端１１２は、アンカー組立体１２００を受け入れた後、わずかに拡張できる。しかしながら、切除される管の自由端が第二の管板１２２０に取り付けられる場合には、処理期間の後に管１１１の自由端を切除する。したがって、第二の管板１２２０に形成される管−管板継手のコーリング（ｃａｌｌｉｎｇ）または汚染のリスクがない。管１１１の第一の端部１１０を管板１２０に溶接した後、アンカー１２００およびバッキングアンビルバッフルプレート１１００を取り外す。管１１１の自由端１１２における余分な丈は、管およびカッターツールを用いて削られて加工される。次に、自由端１１２を、図１〜図９に関して先に記載したのと同じ方法で管板１２２０に取り付ける。

【0027】

図１４は、例示の実施態様に従う、伸長したアンカー１２００の斜視図である。アンカー１２００は、バッキングアンビルバッフルプレート１１００における開口１１３０内に適合する襟を持つネジ部を含む。アンカー組立体１２００は、管板１２０および管板１２２０における適切な位置にフィン管を保持する。ねじ込みタブ襟は、バッフルプレート１１００と一体でもよいし、図１４に示すように別個の部片１４００が取り付けられてもよい。襟１４００は、摩擦撹拌溶接プロセスによって生成する負荷に対応するように十分に強く設計される。本発明の他の実施態様では、管の自由端はバッフルプレート１１００にエポキシ樹脂で接着される。前述のプロセスが固定されたピンツールを用いることも留意されるべきである。調節可能なピンツールを用いて、管端を管板内部に溶接できることも考慮される。調節可能なピンツールを使用して、ピンを固定された肩部に対して上下に移動することができる。調節可能なピンツールを用いて、プロセス中に必要に応じて管−管板溶接中の突き出しの深さを調節することができる。換言すると、摩擦撹拌プロセスが、既に摩擦撹拌溶接された先の管−管板継手を取り囲むことによって、管板１２０上にできた擦り傷に重なる場合には、ピンの深さをより短くすることができる。

【0028】

管と管板との間の継手を形成する方法を開示する。この方法は、管の第一の端部を管板の主表面と実質的に同一平面に位置付けることと、第一の端部付近の管内に少なくとも一部分を有するアンビル組立体を形成することと、アンビル組立体の一部分を管内に拡張することと、管を管板に溶接することと、を含む。一実施態様では、管を管板に溶接することは、摩擦撹拌溶接を含み、アンビル組立体の一部分を管内に拡張することは、一部分を拡張して管板に対して管端を保持することを含む。前の方法に用いられるアンビル組立体は、アンカーを含む。管と管板との間の継手を形成するためのリストした方法は、弾性アンカーの使用を含むことができる。前の方法のいずれかにおける管と管板との間の継手を形成する方法は、管の第二の端部を保持することをさらに含むことができる。管の第二の端部の保持は、第二のアンカーを管の第二の端部に配置することを含む。管の第二の端部の保持は、管の第二の端部を第二の管板における開口を通るように延長することによって、第二のアンビル組立体を管の第二の端部に連結することと、バッキングバッフルを第二の管板に実質的に固定して取り付けることと、第二のアンカーを管の第二の端部内部に配置することと、第二のアンカーをバッキングバッフルに取り付けることと、をさらに含む。前の方法のいずれかでは、第二のアンカーを管の第二の端部内部に配置することと、アンカーを管の第二の端部内に拡張することと、を含むことができる。

【0029】

第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法は、第一の管板の主表面と実質的に同一平面に第一の管の第一の端部を位置付けることと、第二の管の第二の端部を第二の管板における開口を通るように位置付けることと、第一のアンビル組立体の一部分を第一の端部付近の管内に配置することと、アンビル組立体の一部分を管の第一の端部内に拡張して、第一の管板に対して管の第一の端部を保持することと、第二の管板の第二の端部に対して管の第二の端部を保持することと、管の第一の端部を第一の管板に溶接することと、を含む。先に論じたような、第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法における、管の第一の端部を第一の管板に溶接することは、摩擦撹拌溶接を含む。先に論じたような、第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法における、第二の管板に対して管の第二の端部を保持することは、配置されるバッキングバッフルを第二の管板に対するオフセット位置に取り付けることを含む。先に論じたような、第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法における、第二の管板に対して管の第二の端部を保持することは、管の第二の端部をバッキングバッフルに取り付けることを含む。先に論じたような、第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法における、管の第二の端部をバッキングバッフルに取り付けることは、第二のアンビル組立体を、管の第二の端部およびバッキングバッフルに取り付けることを含む。先に論じたような、第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法では、管の第二の端部が、第二の管板と実質的に同一平面に形成することができるように取り外される。前の方法の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法は、管の第二の端部を第二の管板に溶接することをさらに含む。前の方法の第一の管と第一の管板との間の継手、および第二の管と第二の管板との間の継手を形成する方法では、管の第二の端部を第二の管板に溶接する。

【0030】

これは開示した主題に含まれる本発明の一部の例示的な実施態様（一つまたは複数）の詳細な説明である。そのような発明（一つまたは複数）は、実際に一つ以上が開示される場合には、任意の単一発明または発明概念に本願の範囲を制限することを意図することなく、単に便宜上、用語「発明」によって本明細書に個々および／または集合的に参照することができる。詳細な説明は添付図面を参照し、この図面は、本発明に関する一部を形成し、本発明の一部の具体的な実施態様を実例として示すが制限せず、好ましい態様を含む。これらの実施態様は、当業者が発明の主題を理解および具現化できるように十分に詳細に記述される。他の実施態様を利用でき、発明の主題の範囲から逸することなく変化を為すことができる。したがって、具体的な実施態様を本明細書に例証および記述したが、同じ目的を達成するように計算された任意の配置を、示す具体的な実施態様と置き換えることができる。この開示は、さまざまな実施態様の任意および全ての適応または変更をカバーすることが意図される。前の実施態様と、本明細書に具体的には記述しない他の実施態様との組み合わせが、前の説明を検討する当業者に明らかである。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図10E】

【図10F】

【図10G】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】