特許 7179621 流体システムおよび摩擦溶接による製造方法

(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】

(24)【登録日】2022-11-18

(45)【発行日】2022-11-29

(54)【発明の名称】流体システムおよび摩擦溶接による製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20221121BHJP

   F16L 13/02 20060101ALI20221121BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 G

F16L13/02

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2018565838

(86)(22)【出願日】2017-06-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-09-26

(86)【国際出願番号】 US2017040227

(87)【国際公開番号】W WO2018005938

(87)【国際公開日】2018-01-04

【審査請求日】2019-02-14

【審判番号】

【審判請求日】2021-11-05

(31)【優先権主張番号】62/451,206

(32)【優先日】2017-01-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/357,669

(32)【優先日】2016-07-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】518100030

【氏名又は名称】レンロック ホールディングズ エルエルシー

【氏名又は名称原語表記】Ｌｅｎｌｏｋ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ， ＬＬＣ

【住所又は居所原語表記】３８３７６ Ａｐｏｌｌｏ Ｐａｒｋｗａｙ， Ｗｉｌｌｏｕｇｈｂｙ， ＯＨ ４４０９４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ウィリアム エイチ． レノン

(72)【発明者】

【氏名】ジョージ ホドソン

【合議体】

【審判長】見目 省二

【審判官】田々井 正吾

【審判官】中里 翔平

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５０－０５１９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１５４４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１１８２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０５２５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－０２３０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４８－９８７１２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６３－０６００８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０１６３１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０１－１２２６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１８０７２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

B23K 20/00 - 20/26

F16L 13/00 - 13/16

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体継手および前記流体継手の少なくとも一部に取り付けられる第１のワークピースを提供し、
前記流体継手は、
少なくとも１つの端部で、内部に管を収容するための孔を画定する内面を有していて、
溶接により前記第１のワークピースに恒久的に接続されているカップリングボディ、
前記管に前記カップリングボディを機械的に取り付けるために、前記カップリングボデ
ィの前記少なくとも１つの端部の上に嵌合されるように構成されたリング、
および
前記管を係合するために前記カップリングボディの前記内面に形成されたメインシールであって、前記リングが、力によって、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部に取り付けられたときに、前記リングと前記カップリングボディとが、前記リングの半径方向外側への弾性変形を引き起こし、かつ前記カップリングボディと前記管との恒久的な変形を引き起こし、これにより、前記管を前記カップリングボディに漏れのない形で取り付けるのに十分な圧縮力を前記メインシールに付与する、メインシール、を備え、
前記流体継手および前記第１のワークピースを提供するステップは、
前記第１のワークピースの溶接面と第２のワークピースの溶接面の両方に設けられた位置合わせ構造を介して、前記第１のワークピースを前記第２のワークピースと同心円状に整列させること、
前記第１のワークピースの第１のピースの溶接面を、前記第２のワークピースの第２のピースの溶接面に接触するように配置すること、
前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの一方を、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの他方に沿って、所定のパターンで駆動すること、
前記駆動することにより、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面の温度を溶接温度にまで上昇させるのに十分な時間、摩擦と熱とを発生させるように、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面の間に、プレス軸線に沿って圧力を加えること、
前記第１のピースの溶接面と前記第２のピースの溶接面が溶接継手を形成するまで前記圧力を加えながら前記駆動を停止すること、および
前記溶接継手が形成された後、前記第１のワークピースが溶接接合により前記流体継手の前記カップリングボディの溶接面に漏れのない形で恒久的にシールされるように、前記第２のワークピースの少なくとも一部を機械加工して前記流体継手の少なくとも一部を形成すること、を備え、
前記位置合わせ構造は、前記第１のワークピースまたは前記第２のワークピースの一方に適用される切欠溝と、前記第１のワークピースまたは前記第２のワークピースの他方に適用される隆起部とから構成される流体システムを製造する方法。

【請求項2】

前記所定のパターンは、前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記一方を、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記他方に沿って前記所定のパターンで駆動するステップと同時に、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記他方を、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記一方に沿って第２の所定のパターンで駆動するステップをさらに有している、請求項１記載の方法。

【請求項4】

前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記一方の前記駆動を停止する前記ステップは、前記第１のピースの溶接面および前記第２のピースの溶接面のうちの前記他方の前記駆動を停止するステップを含む、請求項３記載の方法。

【請求項5】

前記所定のパターンは、第１の回転方向での前記プレス軸線周りの回転運動であり、前記第２の所定のパターンは、前記第１の回転方向とは反対方向の第２の回転方向での前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項３記載の方法。

【請求項6】

前記所定のパターンは、第１の回転速度での前記プレス軸線周りの回転運動であり、前記第２の所定のパターンは、前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度での前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項３記載の方法。

【請求項7】

前記溶接継手が形成される前に、前記第２のワークピースを機械加工して、前記流体継手の少なくとも他の一部を形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。

【請求項8】

前記溶接継手が形成された後に、前記機械加工するステップは、前記第２のワークピースを機械加工して、前記流体継手の別の部分を形成する、請求項７記載の方法。

【請求項9】

流体継手および前記流体継手の少なくとも一部に取り付けられる第１のワークピースを提供し、
前記流体継手は、
少なくとも１つの端部で、内部に管を収容するための孔を画定する内面を有していて、
溶接により前記第１のワークピースに恒久的に接続されているカップリングボディ、
前記管に前記カップリングボディを機械的に取り付けるために、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部の上に嵌合されるように構成されたリング、
および
前記管を係合するために前記カップリングボディの前記内面に形成されたメインシールであって、前記リングが、力によって、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部に取り付けられたときに、前記リングと前記カップリングボディとが、前記リングの半径方向外側への弾性変形を引き起こし、かつ前記カップリングボディと前記管との恒久的な変形を引き起こし、これにより、前記管を前記カップリングボディに漏れのない形で取り付けるのに十分な圧縮力を前記メインシールに付与する、メインシール、を備え、
前記流体継手および前記第１のワークピースを提供するステップは、
前記カップリングボディの流体継手溶接面と前記第１のワークピースの溶接面の両方に設けられた位置合わせ構造を介して、前記流体継手と前記第１のワークピースとの位置合わせをすること、
前記カップリングボディの前記流体継手溶接面を、前記第１のワークピースの第１のピースの溶接面に接触するように配置すること、
前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの一方を、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの他方に沿って、所定のパターンで駆動すること、
前記駆動することにより、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面の温度を溶接温度にまで上昇させるのに十分な時間、摩擦と熱とを発生させるように、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面の間に、プレス軸線に沿って圧力を加えること、および
前記流体継手溶接面と前記第１のピースの溶接面が溶接継手を形成するまで、前記第１のワークピースが溶接接合により前記カップリングボディの前記流体継手溶接面に漏れのない形で恒久的にシールされるように、前記圧力を加えながら、前記駆動を停止すること、を備え、
前記位置合わせ構造は、前記流体継手と前記第１のワークピースとの同心性を可能にする、
ことを特徴とする流体システムを製造する方法。

【請求項10】

前記所定のパターンは、前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項９記載の方法。

【請求項11】

前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの一方を、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの他方に沿って前記所定のパターンで駆動するステップと同時に、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの前記他方を、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの前記一方に沿って第２の所定のパターンで駆動するステップをさらに有している、請求項９記載の方法。

【請求項12】

前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの前記一方の前記駆動を停止する前記ステップは、前記流体継手溶接面および前記第１のピースの溶接面のうちの前記他方の前記駆動を停止することを含む、請求項１１記載の方法。

【請求項13】

前記所定のパターンは、第１の回転方向での前記プレス軸線周りの回転運動であり、前記第２の所定のパターンは、前記第１の回転方向とは反対方向の第２の回転方向での前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項１１記載の方法。

【請求項14】

前記所定のパターンは、第１の回転速度での前記プレス軸線周りの回転運動であり、前記第２の所定のパターンは、前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度での前記プレス軸線周りの回転運動である、請求項１１記載の方法。

【請求項15】

流体継手であって、
カップリングボディであって、少なくとも該カップリングボディの１つの端部で、内部に管を収容するための孔を画定する内面を有しているカップリングボディ、
前記管に前記カップリングボディを機械的に取り付けるために、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部の上に嵌合されるように構成されたリング、および
前記管を係合するために前記カップリングボディの前記内面に形成されたメインシールであって、前記リングが、力によって、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部に取り付けられたときに、前記リングと前記カップリングボディとが、前記リングの半径方向外側への弾性変形を引き起こし、かつ前記カップリングボディと前記管との恒久的な変形を引き起こし、これにより、前記管を前記カップリングボディに漏れのない形で取り付けるのに十分な圧縮力を前記メインシールに付与する、メインシール、を有する流体継手、および
第１のワークピース、を備える恒久的にシールされた流体システムであって、
前記流体継手の前記カップリングボディは、少なくとも１つの突出部を構成する流体継手溶接面を含み、
前記第１のワークピースは、前記少なくとも１つの突出部を収容するように構成された少なくとも１つの凹部を構成する溶接面を含み、
前記第１のワークピースは、前記少なくとも１つの突出部及び前記少なくとも１つの凹部を介して前記カップリングボディと同心となるように位置合わせし、前記第１のワークピースと前記カップリングボディとを摩擦溶接することにより得られる溶接接合により前記流体継手の前記カップリングボディの流体継手溶接面に漏れのない形で恒久的にシールされる、
恒久的にシールされた流体システム。

【請求項16】

前記第１のワークピースは、前記第１のワークピースを通して前記流体継手からの材料の流れを漏れのない形で可能にするように構成された流体コネクタを有している、請求項１５記載の流体システム。

【請求項17】

少なくとも１つの第２のワークピースが、摩擦溶接により前記第１のワークピースに接続されている、請求項１５記載の流体システム。

【請求項18】

前記少なくとも１つの第２のワークピースが流体継手を有しており、前記第２のワークピースの流体継手は、
カップリングボディであって、少なくとも該カップリングボディの１つの端部で、内部に管を収容するための孔を画定する内面を有しているカップリングボディ、
前記管に前記カップリングボディを機械的に取り付けるために、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部に嵌合するように構成されたリング、および
前記管を係合するために前記カップリングボディの前記内面上に形成されたメインシールであって、前記リングが、力によって、前記カップリングボディの前記少なくとも１つの端部に取り付けられたときに、前記リングと前記カップリングボディとが、前記リングの弾性変形を引き起こし、かつ前記カップリングボディと前記管の恒久的な変形を引き起こし、これにより、前記管を前記カップリングボディに漏れのない形で取り付けるのに十分な圧縮力をメインシールに付与する、メインシールを、有している、請求項１７に記載の流体システム。

【請求項19】

前記第１のワークピースは、第１のピースの溶接面を含み、前記第１のピースの溶接面は、前記少なくとも１つの突出部を収容するように構成された空間を画定する少なくとも２つの第２の突出部を有している、請求項１５記載の流体システム。

【請求項20】

前記流体継手の前記少なくとも１つの突出部は、内径位置合わせボスを有しており、前記内径位置合わせボスは、前記第１のワークピースの内径に対応する外径を有するように構成されている、請求項１５記載の流体システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願に関する相互参照
本願は、２０１６年７月１日に出願された米国特許仮出願第６２／３５７６６９号明細書（U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/357,669）および２０１７年１月２７日に出願された米国特許仮出願第６２／４５１２０６号明細書（U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/451,206）の利益を請求し、その開示は、引用により本明細書に組み込まれる。

【0002】

背景
１．技術分野
以下の説明は概して、流体エレメントを機械的に取り付け、シールするための流体システムに関し、より具体的には、摩擦溶接プロセスを介して流体システムを製造する方法に関する。

【0003】

２．関連技術および背景
流体システムは通常、複数の流体エレメントを有しており、これら流体エレメントは互いに流体的に連結されて、１つの領域から別の領域へと流体を搬送するシステムを形成する。流体エレメントが恒久的に互いに接続されることがしばしば所望される。流体エレメントを恒久的に接続し、流体エレメント間の漏れを防止するために、通常、流体エレメントは互いに溶接される。

【0004】

発明の簡単な概要
以下に、本発明の例示的な実施形態の簡単な概要を示す。この概要は、本発明の重要な要素を特定しようとする、または請求の範囲を表そうとするものではない。

【0005】

１つの態様によれば、流体エレメントにワークピースを摩擦溶接する方法は、ワークピースの溶接面を、流体エレメントの溶接面に接触するように配置するステップと、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの一方を、ワークピースの溶接面および流体エレメント溶接面のうちの他方に沿って、所定のパターンで駆動するステップと、を有している。本方法はさらに、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面の間に、プレス軸線に沿って圧力を加え、これにより、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの前記一方を、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの他方に沿って所定のパターンで駆動する前記ステップにより、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面の温度を溶接温度にまで上昇させるのに十分な時間、摩擦と熱とを発生させるステップを有する。本方法はさらに、両溶接面が溶接接合部を形成するまでワークピースと流体エレメントとの間に圧力を加えながら、ワークピースの溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの前記一方の前記駆動を停止するステップと、溶接接合部が形成された後、ワークピースの少なくとも一部を機械加工して、流体継手であって、流体継手を通る流体の流れを搬送するために、漏れのない形で管を受け入れると共にこの管にシールされて結合するように構成された流体継手の少なくとも一部を形成するステップと、を有している。

【0006】

別の態様によれば、流体エレメントに流体継手を摩擦溶接する方法は、流体継手の溶接面を、流体エレメントの溶接面に接触するように配置するステップと、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの一方を、流体継手の溶接面および流体エレメント溶接面のうちの他方に沿って、所定のパターンで駆動するステップと、を有している。本方法はさらに、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面の間に、プレス軸線に沿って圧力を加え、これにより、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの前記一方を、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの他方に沿って所定のパターンで駆動する前記ステップにより、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面の温度を溶接温度にまで上昇させるのに十分な時間、摩擦と熱とを発生させるステップを有している。本方法はさらに、溶接面が溶接接合部を形成するまで流体継手と流体エレメントとの間に圧力を加えながら、流体継手の溶接面および流体エレメントの溶接面のうちの前記一方の前記駆動を停止するステップを有していて、流体継手は、流体継手を通る流体の流れを搬送するために、漏れのない形で管を受け入れると共にこの管にシールされて結合するように構成されている。

【0007】

別の態様によれば、恒久的にシールされた流体システムが設けられており、本流体システムには、流体継手が設けられており、この流体継手は、カップリングボディであって、少なくともその１つの端部で、内部に管を収容するための孔を画定する内面を有しているカップリングボディと、孔の接面に少なくとも部分的に配置された流体継手の溶接面と、を有している。管にカップリングボディを機械的に取り付けるために、カップリングボディの少なくとも１つの端部の上に嵌合されるようにリングが位置しており、管に係合するためにカップリングボディの内面上にメインシールが形成されている。リングが、力によって、カップリングボディの少なくとも１つの端部上に設置されたとき、リングとカップリングボディとが、リングの弾性変形を引き起こし、かつカップリングボディと管との恒久的な変形を引き起こし、これにより、管をカップリングボディに漏れの生じない形式で取り付けるのに十分な圧縮力をメインシールに付与する。この恒久的にシールされた流体システムはさらに、第１のワークピースを有しており、第１のワークピースは、溶接接合により流体継手の溶接面に漏れのない形で恒久的にシールされる第１のピース溶接面を有しており、この溶接接合は、流体継手の溶接面と第１のピース溶接面とを互いに摩擦溶接し、シールされた流体接続部を形成することにより得られる。

【0008】

図面の簡単な説明
以下に、本出願の実施形態を添付の図面につきさらに詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】例示的な流体継手を概略的に示す断面図である。

【図2】第１の素材スラグおよび第２の素材スラグの例を示す図である。

【図3】第１の素材スラグと、図１に示した例示的な流体継手を示す図である。

【図4】第１の素材スラグと、例示的な端部コネクタとを示す図である。

【図5】図４に示した例示的な端部コネクタと、図１に示した例示的な流体継手とを示す図である。

【図6A】例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図6B】例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図6C】例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図6D】例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図7】別の例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図8】さらに別の例示的な位置合わせ構造を概略的に示す図である。

【図9】管区分に摩擦溶接された流体継手を示す図である。

【図10A】本摩擦溶接製造法により可能な例示的な「受注生産」（ＭＴＯ）マニホルドを示す図である。

【図10B】本摩擦溶接製造法により可能な例示的な「受注生産」（ＭＴＯ）マニホルドを示す図である。

【図11A】様々な流体エレメントに摩擦溶接された流体継手の例を示す図である。

【図11B】様々な流体エレメントに摩擦溶接された流体継手の例を示す図である。

【図11C】様々な流体エレメントに摩擦溶接された流体継手の例を示す図である。

【図11D】様々な流体エレメントに摩擦溶接された流体継手の例を示す図である。

【0010】

発明の詳細な説明
以下の本発明の説明では、本発明の一部を成す添付の図面が参照される。添付の図面には図によって、本発明の原理を示す例示的な実施形態と、それを実施する方法が示されている。本発明の範囲から離れることなく、本発明を実現するために別の実施形態を行うことができ、構造的機能的変更が行われてよいと理解される。

【0011】

本発明の実施形態は、摩擦溶接された流体システムに関する。本発明を図面につき説明するが、この場合、全体にわたって同じ参照符号は同じ要素を示すために使用されている。図面は、１つの図面と他の図面とにおいて、または同じ図面内において、必ずしも縮尺通りに描かれていなくてもよいと理解される。また、構成要素のサイズは、図面の理解を容易にするために、幾分任意に描かれている。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が述べられているが、場合によってはそれらの具体的な詳細なしに本発明を実施することも可能である。さらに、説明されている例は、本発明を限定しようとする意図はない。例えば、開示された例の１つ以上の態様は、他の例、さらには他の形式の装置、デバイス、方法で利用することができる。

【0012】

本明細書の開示を参照する際に、便宜上、明瞭にするためだけに、方向を示す用語、例えば、上部、底部、左、右、上へ、下へ、上方へ、下方へ、の上、の上方、の下、の下方、近傍、および前方のような用語を使用することができる。このような方向を示す用語は、いかなる形式においても、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本明細書に記載した実施形態は例示であり、限定するものではないと理解される。以下の詳細な説明の意図は、例示的な実施形態を論じてはいるが、本発明の思想および範囲内にある実施形態のすべての改変形態、代替形態および等価物を網羅すると解釈されるべきである。

【0013】

流体システムは通常、複数の流体エレメントを有しており、これら流体エレメントは互いに流体的に連結されて、１つの領域から別の領域へと流体を搬送するシステムを形成する。本開示については、「流体」の用語は、任意の液体または気体を意味するものであり、特定の種類の流体のみに関連するものではない。さらに、本明細書に記載の流体システムは、流体に加えて、または流体の代わりにバルク状の固体を搬送することもできると考えられる。本開示については、本明細書で使用する「流体エレメント」という用語は、流体を含み、流体を分配し、流体を受け取り、かつ／またはそれを通して流体を搬送するように構成された構造を示す。このような流体エレメントは、例えば、管、パイプ、マニホルド、流体コネクタ、弁、ポンプ、ノズル、リザーバ、センサシステム、これらの任意の組み合わせ、または流体を含む、流体を分配する、流体を受け取る、かつ／またはそれを通して流体を搬送するように構成された任意の別のエレメントを含むことができる。

【0014】

流体エレメントをいくつかの対応する構造に流体的に接続するために使用される端部コネクタに、流体継手を恒久的に接続することがしばしば所望されている。このような端部コネクタは、既製品であっても、顧客特注製造品であってもよい。従来は、流体継手は、端部コネクタに高温溶接される。流体継手は端部コネクタに、例えば手動で、または「機械式」のパルスガスタングステンアーク溶接プロセス（ＧＴＡＷ－Ｐ）によって、溶接される。完成した結合された継手は、従来の現場溶接されたものに代わる、独創的で費用対効果の高い管継手を提供する。しかしながら、機械式のＧＴＡＷ－Ｐプロセスが、従来の「現場」溶接プロセスより優れた一貫した高品質溶接を提供するとはいえ、これは比較的大きな溶接表面積および熱影響部（ＨＡＺ）を生成する。ＧＴＡＷ－Ｐプロセスは、溶接アークによって発生した熱の結果として、材料が固体状態から溶融状態に移行する「高温作業」プロセスである。このプロセスは、保護ガスと、溶融溶接プールへの溶加材の導入を要し、溶接接合部を汚染されやすくし、結果として気泡（溶接部のエアポケット）が生じる。恒久的な接続部の改善が所望されている。

【0015】

摩擦溶接は低温であり、固体状態の溶接プロセスである。このプロセスは、金属を液化させないが、材料を加熱して塑性状態にする。一方の部品を他方の部品に対して移動させることにより摩擦によって熱が発生し、次いで、互いに対にさせられた部品に鍛接力が加えられる。互いに対となる材料間に形成される接合線は極めて小さい熱影響部（ＨＡＺ）と、小さい溶接表面積を形成し、材料のミクロ構造と殆どの材料特性を維持する。摩擦溶接は、非常に高い強度と、気泡のない低応力溶接とを奏する全断面表面鍛造を提供し、多くの場合、特別な接合部設計や臨界的な仮付け溶接作業は必要ない。溶接接合部の強度は一貫して、母材の強度と同等かそれ以上である。

【0016】

摩擦溶接プロセスは、溶加材、フラックス、または保護ガスを使用せずに実施することができる。また、エネルギ消費も最小限であり、溶接ヒューム、ガス、煙、または廃材を殆どまたは全く排出しない。このプロセスは高度に制御され、繰り返し再現可能なＣＮＣ制御された高品質の溶接接合部を生成する。典型的には、摩擦溶接される構成要素は円形である。しかしながら、今日の技術によれば、接合することのできる適用例、構成要素、材料形式、サイズおよび形状は殆ど無限である。ニアネットシェイプの素材を形成することができることにより、材料消費を低減し、機械加工サイクル時間を短縮することが見込まれる。ステンレス鋼合金と別の金属のように異種金属の接合により、独自の設計柔軟性が提供される。

【0017】

図１に戻るが、流体継手１０の１つの実施形態が示されている。例示的な継手は、継手本体１２を含み、さらに管１６を流体継手１０に結合するために一緒に利用される駆動リング１４を含んでいてよい。１つの実施形態では、継手本体１２、駆動リング１４、管１６は、中心軸線Ｘを中心としてほぼ対称的であり、円筒状の接触領域の長さに沿って、これらの間に所定の割合の締め代を有している。流体継手１０は、例えば１／４‘‘ＮＰＳから４’’ＮＰＳのサイズ範囲にあるような肉薄の管または肉厚の管を接続するために利用することができるが、別の管サイズのものも、例示した継手を利用することができる。様々な継手の例が、共同所有の米国特許第８，８７０，２３７号、第７，５７５，２５７号、第６，６９２，０４０号、第６，１３１，９６４号、第５，７０９，４１８号、第５，３０５，５１０号、および第５，１１０，１６３号に示されており、これら全ては、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0018】

概して、流体継手１０を管１６の上に設置することにより、この流体継手が連結される管１６に、管１６と継手本体１２との間の金属対金属のシールを提供する恒久的かつ不可逆的な変形をさせることができると言える。図１に示した実施形態では、継手本体１２は、それぞれ第１の開口２２と第２の開口２４とを画定する第１の部分１８と第２の部分２０とを有している。継手本体１２は、所望の使用に応じて、任意の数の部分を有することができる。第１の開口２２と第２の開口２４とは、継手本体１２に設けられた通路または孔２６によって互いに流体連通されている。

【0019】

１つの実施形態では、継手本体１２の第１の部分１８は、中心軸線Ｘを中心としてほぼ対称的なスリーブの形状である。第１の部分１８は、内面２８と外面３０とを有している。内面２８は、内側に向けられた１つ以上の隆起部３２または歯列を画定していてよく、この隆起部３２または歯列は、流体継手１０と管１６との間のシールを形成することができる。隆起部３２は、中心軸線Ｘを中心として完全に、または部分的に内面２８に沿って延在していてよい。隆起部３２は、流体継手１０が管１６に接続されるときに、管１６を把持するように構成された歯を形成する。シールは、内側シール、メインシール、外側シール等のいずれを含んでいてもよい。この実施形態の継手本体１２の第２の部分２０は同様に、中心軸線Ｘを中心としてほぼ対称的なスリーブの形状である。しかしながら、継手本体１２の第１の部分１８および第２の部分２０は、所望される使用のために任意の形状をとることができる。

【0020】

１つの実施形態では、第１の部分１８および第２の部分２０は、中心軸線Ｘに沿ったまっすぐな通路における流路または孔２６を通って第１の開口２２と第２の開口２４との間で流体が連通できるように、位置合わせされている。しかしながら、第１の部分１８および第２の部分２０は、別の例において選択的な態様で位置合わせされていてよい。例えば、１つの例では、第２の部分２０は、中心軸線Ｘに対して横方向に（例えば、ほぼ垂直に）位置合わせされていてもよく、流路または孔２６は、第１の開口２２と第２の開口２４との間の流体連通を可能にするように屈曲部（例えば、９０°の曲がり）を有していてもよい。別の例では、屈曲部は９０°未満の曲がりであってよい。さらに、第１の部分１８および第２の部分２０は上述したようにほぼ対称的な構造であるが、いくつかの例では、第１の部分１８および第２の部分２０の一方または両方が非対称的であってもよい。

【0021】

第１の部分１８は、その内部に管１６の部分を収容するように構成されている。駆動リング１４は、第１の部分１８の上を軸方向に摺動することができ（すなわち、中心軸線Ｘに沿って）、管１６は、管１６が第１の部分１８に固定されるように、第１の部分１８内に収容される。より具体的には、流体継手１０は、中心軸線Ｘを中心として、駆動リング１４と、第１の部分１８と、管１６との間に所定の比の締め代を有するように設計されている。したがって、駆動リング１４が第１の部分１８の上を沿って軸方向で継手本体１２のフランジ３４に向かって摺動するとき、駆動リング１４は、第１の部分１８と締まりばめされて、第１の部分１８を半径方向内側に向かって（例えば、中心軸線Ｘに向かって）圧縮し、第１の部分１８が管１６と締まりばめされて、管１６を変形させることになる。特に、第１の部分１８の少なくとも１つの隆起部３２は、管１６の外面内に（すなわち管１６の外周面内に）食い込み、これにより管１６を変形させ、管１６と第１の部分１８との間に液密な金属対金属のシールを形成し、これにより、管１６を第１の部分１８に固定する。１つの実施形態では、第１の部分１８は、管１６と締まりばめされるように設計されていて、これにより少なくとも１つの隆起部３２は、管１６を圧縮し、最初は弾性的に、次いで塑性的に変形させる。これにより管１６と第１の部分１８との間に、３６０°の円周状の恒久的な金属対金属のシールが形成される。

【0022】

したがって流体継手１０の第１の部分１８は、管１６の一部を流体継手１０の第１の部分１８内に挿入し、次いで駆動リング１４を軸方向でフランジ３４に向かって第１の部分１８の上を摺動させることにより、流体継手１０が管１６に固定され得るように設計されている。さらに、流体継手１０の第１の部分１８内に挿入された管１６の部分は、開口３６を有ししていてよく、これにより、流体継手１０と管１６とがそのように固定されたとき、管１６のこの開口３６が流体継手１０の通路または孔２６に流体連通するようになっている。したがって、流体継手１０の第１の部分１８と駆動リング１４とは、管１６と流体継手１０との間の流体連通を可能にすることができる。

【0023】

シールプロセス中に、駆動リング１４を、最終設置位置までスリーブに沿って軸方向で強制的に動かすことができる。最終設置位置では、駆動リング１４はフランジ３４に当接または係合することができる。選択的に、駆動リング１４は、最終設置位置で、フランジ３４に接触せずにフランジ３４に隣接して位置することもできる。別の選択的な例では、流体継手１０は、フランジを有していなくてもよく、駆動リング１４は、所望の最終設置位置に達するまで軸方向に強制的に動かされる。第１の部分１８の半径方向の動きおよび管１６の変形と同時に、駆動リング１４の半径方向の動きも外側に向かって生じる。駆動リング１４のこの半径方向の動きは通常は弾性的であり、結果として駆動リング１４の直径はごく僅かに増加する。しかしながら別の実施形態における駆動リング１４の半径方向の動きは、弾性的な半径方向の動きより大きくてもよい。

【0024】

いくつかの実施例では、流体継手１０の第２の部分２０は、第１の部分１８と同様に構成されていてよく、したがって管１６を内部に挿入させることができ、駆動リング１４は第２の部分２０の上を沿って摺動することができ、管１６は第２の部分２０に流体連通するようになっている。しかしながら、いくつかの用途では、例えば、ねじ接続または押しつぶし可能なフェルール等、異なる種類の接続が所望される場合もある。さらにいくつかの用途では、流体継手１０の第２の部分２０について、別の流体エレメントに恒久的に取り付けられ、これにより流体継手１０の、現場における流体エレメントへの設置が不要となることが所望される場合もある。このような様々な用途のための流体継手１０を製造する１つのアプローチとして、複数の流体継手１０を、継手本体の第２の部分２０と一体的に形成された様々な種類の流体エレメント（例えば、管、コネクタ等）と共に製造することができる。しかしながら、このような一体的なアプローチは、それぞれ異なる流体継手１０のために使用される異なるプロセス技術を必要とする（例えば、異なる機械加工技術、および固定、異なる成形等）。さらには、本体１２と別の構造のために異なる材料が所望される場合には、従来の製造技術によれば、別の構造と流体継手１０の本体１２との統合は望ましくないかもしれない。したがって、以下には、各流体継手１０の第２の部分２０が、摩擦溶接プロセスにより別の非一体構造に恒久的に接続され、これにより、構造と流体継手１０の一体化に関連する従来の欠点を排除することができる新規の製造プロセスについて説明する。

【0025】

本出願人は、本明細書に記載した形態の結合された継手を製造するのに適した２つの異なる形態の摩擦溶接を発見した。第１の形態はいわゆる「スピン溶接」であり、この場合、第１のワークピースの少なくとも１つの表面を継続的に第２のワークピースの表面の周りで回転させることにより摩擦を発生させ、このときこれらのワークピースに、２つの表面を互いに押圧させる鍛接力を加える。第２の形態はいわゆる「直線摩擦溶接」であり、この場合、第１のワークピースの少なくとも１つの表面を第２のワークピースの表面にわたって前後に摺動させること（すなわち直線スライド運動）により摩擦を発生させ、このときこれらのワークピースに、２つの表面を互いに押圧させる鍛接力を加える。

【0026】

次に様々な製造組み合わせを以下に説明する。上述した摩擦溶接法のどちらかを以下の組み合わせで使用することができ、または別の摩擦溶接法を、ワークピース間の摩擦の発生のために使用することができる。

【0027】

第１の方法では、図２に示したように、第１の素材スラグ３８と第２の素材スラグ４０とを設けることができる。第１および第２の素材スラグ３８，４０のそれぞれはほぼ円筒状の形状であってよいが、様々な別の形状も可能である（例えば、四角形、正方形、三角形、八角形、多角形等）。実際に、摩擦溶接の１つの利点は、互いに溶接したい２つの要素が、同じ形状、プロファイル、または断面積を有している必要はないことにある。さらに、第１および第２の素材スラグ３８，４０は、実質的に同じ形状および／またはサイズであってよく、または第１および第２の素材スラグ３８，４０は異なる形状および／またはサイズであってよい。第１および第２の素材スラグ３８，４０は摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができる。１つの実施形態では、第１の素材スラグ３８の表面４２は、第２の素材スラグ４０の表面４４にわたって所定のパターンに沿って駆動され、その間に、両素材スラグ３８，４０にプレス軸線Ｙに沿った鍛接力が加えられて、表面４２，４４が共に圧縮されてこれら表面間に摩擦が発生する。「スピン溶接」技術を使用する場合には、好適にはスラグは回転対称的な形状を有しており、プレス軸線Ｙはスラグの回転軸線であるが、これは必須要件ではない。

【0028】

第１の実施形態では、第１および第２の素材スラグ３８，４０を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は周期的に振動式に第２の素材スラグ４０の表面４４にわたって前後にスライドさせられ（すなわち、直線スライド／並進移動）、この間にプレス軸線Ｙに沿って素材スラグ３８，４０に鍛接力が加えられ、表面４２，４４が一緒に圧縮される。別の実施形態では、第１および第２の素材スラグ３８，４０を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接させることができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は、プレス軸線Ｙを中心として回転させられる。鍛接力がプレス軸線Ｙに沿って素材スラグ３８，４０に加えられて、第１の素材スラグ３８の回転表面４２および第２の素材スラグ４０の表面４４を共に圧縮する。

【0029】

互いに溶接されると、第１の素材スラグ３８は、継手、例えば上述したような流体継手１０を形成するように機械加工されてよい。さらに、第２の素材スラグ４０は、流体エレメント、例えばフランジ、またはその他の種類の流体コネクタを形成するように機械加工されてよい。しかしながら、第１および第２の素材スラグ３８，４０の最終的に機械加工される形状は限定されるものではなく、第１および第２の素材スラグ３８，４０は、所望の使用のために任意の所望の形状となるように機械加工されてよい。第１および第２の素材スラグ３８，４０のこのような機械加工には例えば、第１および第２の素材スラグ３８，４０から材料を除去するための、旋盤加工、穿孔加工、および／またはフライス加工プロセスが含まれてよい。さらにこのような機械加工は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により、または機械加工設備の手動操作により実施することができる。

【0030】

上述した第１の方法は、溶接前に機械加工することができない、またはそうすることが望ましくない２つのワークピースを接続するために特に有効であり得る。例えば、２つのワークピースが、摩擦溶接の温度または動きに耐えることができない機械加工部分を有している場合には、最初に第１および第２の素材スラグ３８，４０を互いに溶接することができ、次いでスラグを機械加工して所望のワークピースを形成することができる。

【0031】

第２の方法では、図３に示したように、第１の素材スラグ３８は、予め製造された継手、例えば上述したような流体継手１０と共に設けることができる。第１の素材スラグ３８と流体継手１０とは摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができる。１つの実施形態では、第１の素材スラグ３８の表面４２は、流体継手１０の表面４６にわたって所定のパターンに沿って駆動され、その間に、第１の素材スラグ３８と流体継手１０の両方に、プレス軸線Ｙに沿った鍛接力が加えられて、表面４２，４６が共に圧縮されてこれら表面間に摩擦が発生する。

【0032】

第１の実施形態では、第１の素材スラグ３８および流体継手１０を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は周期的に振動式に流体継手１０の表面４６にわたって前後にスライドさせられ（すなわち、直線スライド／並進移動）、この間にプレス軸線Ｙに沿って第１の素材スラグ３８および流体継手１０に鍛接力が加えられ、表面４２，４６が一緒に圧縮される。別の実施形態では、第１の素材スラグ３８および流体継手１０を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接させることができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は、プレス軸線Ｙを中心として回転させられる。鍛接力がプレス軸線Ｙに沿って第１の素材スラグ３８および流体継手１０に加えられて、第１の素材スラグ３８の回転表面４２および流体継手１０の表面４６を共に圧縮する。

【0033】

互いに溶接されると、第１の素材スラグ３８は、流体エレメント、例えばフランジ、または別の形式の流体コネクタのようなエレメントを形成するように機械加工されてよい。しかしながら、第１の素材スラグ３８の最終的に機械加工される形状は限定されるものではなく、第１の素材スラグ３８は、所望の使用のために任意の所望の形状となるように機械加工されてよい。第１の素材スラグ３８のこのような機械加工には例えば、第１の素材スラグ３８から材料を除去するための、旋盤加工、穿孔加工、および／またはフライス加工プロセスが含まれてよい。さらにこのような機械加工は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により、または機械加工設備の手動操作により実施することができる。

【0034】

第３の方法では、図４に示したように、第１の素材スラグ３８は、予め製造された流体エレメント、例えば既製品または特注品のコネクタ４８のようなエレメントと共に設けることができる。第１の素材スラグ３８とコネクタ４８とは摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができる。１つの実施形態では、第１の素材スラグ３８の表面４２は、コネクタ４８の表面５０にわたって所定のパターンに沿って駆動され、その間に、第１の素材スラグ３８とコネクタ４８の両方に、プレス軸線Ｙに沿った鍛接力が加えられて、表面４２，５０が共に圧縮されてこれら表面間に摩擦が発生する。

【0035】

第１の実施形態では、第１の素材スラグ３８およびコネクタ４８を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は周期的に振動式にコネクタ４８の表面５０にわたって前後にスライドさせられ（すなわち、直線スライド／並進移動）、この間にプレス軸線Ｙに沿って第１の素材スラグ３８およびコネクタ４８に鍛接力が加えられ、表面４２，５０が一緒に圧縮される。別の実施形態では、第１の素材スラグ３８およびコネクタ４８を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接させることができ、この場合、第１の素材スラグ３８の表面４２は、プレス軸線Ｙを中心として回転させられる。鍛接力がプレス軸線Ｙに沿って第１の素材スラグ３８およびコネクタ４８に加えられて、第１の素材スラグ３８の回転表面４２およびコネクタ４８の表面５０を共に圧縮する。

【0036】

互いに溶接されると、第１の素材スラグ３８は、継手、例えば上述したような流体継手１０を形成するように機械加工されてよい。しかしながら、第１の素材スラグ３８の最終的に機械加工される形状は限定されるものではなく、第１の素材スラグ３８は、所望の使用のために任意の所望の形状となるように機械加工されてよい。第１の素材スラグ３８のこのような機械加工には例えば、第１の素材スラグ３８から材料を除去するための、旋盤加工、穿孔加工、および／またはフライス加工プロセスが含まれてよい。さらにこのような機械加工は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により、または機械加工設備の手動操作により実施することができる。

【0037】

上述した第２および第３の方法は、溶接前に一方の構成要素は既に製造されていて、他方の構成要素は溶接前に機械加工することができない、または機械加工されることが望ましくない２つのワークピースを接続するために特に有効であり得る。さらに、上述した第２および第３の方法は、一方の構成要素の機械加工が、溶接後には困難である２つのワークピースを接続するために特に有効であり得る。

【0038】

第４の方法では、図５に示したように、予め製造された流体エレメント、例えば既製品のコネクタ４８のような流体エレメントを設けることができる。さらに、例えば上述した流体継手１０のような予め製造された継手も設けることができる。流体継手１０とコネクタ４８とは摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができる。１つの実施形態では、流体継手１０の表面４６は、コネクタ４８の表面５０にわたって所定のパターンに沿って駆動され、その間に、流体継手１０とコネクタ４８の両方に、プレス軸線Ｙに沿った鍛接力が加えられて、表面４６，５０が共に圧縮されてこれら表面間に摩擦が発生する。

【0039】

第１の実施形態では、流体継手１０およびコネクタ４８を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができ、この場合、流体継手１０の表面４６は周期的に振動式にコネクタ４８の表面５０にわたって前後にスライドさせられ（すなわち、直線スライド／並進移動）、この間にプレス軸線Ｙに沿って流体継手１０およびコネクタ４８に鍛接力が加えられ、表面４６，５０が一緒に圧縮される。別の実施形態では、流体継手１０およびコネクタ４８を摩擦溶接プロセスにより互いに溶接することができ、この場合、流体継手１０の表面４６はコネクタ４８の表面５０にわたってプレス軸線Ｙを中心として回転させられ、この間にプレス軸線Ｙに沿って流体継手１０およびコネクタ４８に鍛接力が加えられ、表面４６，５０が一緒に圧縮される。別の実施形態では、流体継手１０およびコネクタ４８を摩擦溶接プロセスにより共に溶接させることができ、この場合、流体継手１０の表面４６は、プレス軸線Ｙを中心として回転させられる。鍛接力がプレス軸線Ｙに沿って流体継手１０およびコネクタ４８に加えられて、流体継手１０の回転表面４６およびコネクタ４８の表面５０を共に圧縮する。

【0040】

上述した第４の方法は、両方のワークピースが予め製造された２つのワークピースを接続するために特に有効であり得る。さらに、上述した第４の方法は、両方のワークピースの機械加工が、溶接後には困難である２つのワークピースを接続するためにも有効であり得る。

【0041】

「直線摩擦溶接」中は、所望の摩擦を発生させるために、プレス軸線Ｙに対して垂直に、１つの軸線に沿ってワークピースを摺動させるのが好適となり得る。しかしながら、ワークピースが沿って摺動する軸線の角度は垂直である必要はなく、ワークピースの移動により十分な摩擦が発生するならば、任意の角度であってよい。さらに、ワークピースを、プレス軸線Ｙに対して様々な角度で、複数の軸線に沿って摺動させて、所望の摩擦を発生させることができることも考えられる。

【0042】

上記の製造方法のいずれにも、部分的な機械加工ステップをさらに加えることができる。例えば、素材スラグを部分的に機械加工して、１つの構成要素を部分的に形成し、次いで別の構成要素に摩擦溶接し、次いで最終的に機械加工して完成部品を提供することもできる。同様に、任意の構成要素を、所望の通り、事前にかつ／または事後に機械加工することができる。

【0043】

一方のエレメントのみが並進または回転されて、他方のエレメントが静止していることが考えられるが、一方のエレメントと他方のエレメントの間に摩擦を発生させるのに十分な相対運動があるならば、両エレメントが並進させられてもよい。例えば、１つの実施形態では、第１のワークピースが、所定の経路に沿って駆動される間、すなわち「スピン溶接」のために回転される、または「直線摩擦溶接」のために直線状に摺動される間、第２のワークピースはまだ保持されている。別の実施形態では、第２のワークピースを、第１のワークピースの所定の経路とは異なる第２の所定の経路に沿って駆動することができる。この実施形態の形式では、第２のワークピースは、「スピン溶接」操作における第１のワークピースの回転方向とは逆の方向で、プッシュ軸線を中心として回転する。別の形式では、第１のワークピースは第１の回転速度でプッシュ軸線を中心として回転し、第２のワークピースは第２の回転速度でプッシュ軸線を中心として回転する。第２の回転速度は、速度および／または方向のいずれにおいても第１の回転速度と類似のもの、または異なるものであってよい。この実施形態の別の形式では、第１のワークピースは第１の軸線に沿って直線状に摺動し、第２のワークピースは第１の軸線とは異なる第２の軸線に沿って直線状に摺動する。この実施形態のさらに別の形式では、第１のワークピースは第１の軸線に沿って直線状に第１の速度で摺動し、第２のワークピースは第１の速度と類似のもの、または異なるものであってよい第２の速度で直線状に摺動する。上述した実施形態のいずれも、単独で、または組み合わせた形式で所望の摩擦を発生させるために使用することができる。さらに、相対移動が、両者の間に摩擦を発生させるのに十分であるならば、所望の使用に合わせて任意の所望のパターンに沿ってエレメントを駆動することができる。

【0044】

互いに対して面を駆動するためのプロセスの２つの例示的な形態は、直接駆動式回転摩擦溶接およびイナーシャ式摩擦溶接であり、以下に説明する。直接駆動法は、サイクルを通して連続的な速度制御を提供し、その部品のために開発されたコンピュータパラメータにしたがって停止する。イナーシャ式摩擦溶接は、フライホイールを使用して、「スピン溶接」操作において、部品保持チャックに回転モーメントを発生させる。フライホイール駆動チャックは、溶接部が加熱されて停止するまで回転する。これら２つの形式のプロセスを使用することができるが、別の形態の摩擦溶接駆動プロセスも使用できることが理解される。

【0045】

さらに、上記いずれの製造法においても第１のワークピースの表面を第２のワークピースの表面に位置合わせするために、第１のワークピースおよび第２のワークピースの一方または両方は位置合わせ構造を有していてよい。１つの実施形態では、位置合わせ構造は、摩擦溶接プロセス中にワークピースの精密な同心性を確実にするために使用される。このことは特に、回転する「スピン溶接」技術のために有効であり得る。図６～図７には、例示的な実施形態が、素材スラグ３８，４０の表面に示されているが、これらの実施形態は、流体継手１０、予め製造された管１６または流体エレメント、端部コネクタ４８等の表面、および／または所望の使用に適合した任意の別の形式のワークピースの表面にも含まれてよい。

【0046】

図６Ａに示した１つの実施形態では、第２の素材スラグ４０が、第２の素材スラグ４０の表面４４内に機械加工された切り欠かれた円形溝５２を有していてよく、第１の素材スラグ３８は、表面４２に機械加工された、第２の素材スラグ４０の溝５２内に嵌合する、対応する隆起部または円形リング５４を有していてよい。またはその逆であってよい。さらに別の例では、二重位置合わせ構造を提供するために、第１および第２の素材スラグ３８，４０の両方が、対向部分の溝内に嵌合する隆起した円形リングを特徴としていてよい。これらの隆起したリングは、同心的であってよく、異なる直径を有していてよく（例えば第１のワークピースの隆起したリングの直径は、第２のワークピースの隆起したリングの直径よりも大きくてよく、またはその逆であってよく）、同じ直径を有していてもよく、同心的でなくてもよく、または所望の使用のための任意の別の所望の構造を有していてよい。位置合わせ構造は、連続的なリングを有していてよく、または不連続の部分であってよい。好適には、位置合わせ構造は、回転軸線を中心として回転対称的であり、部品の偏心振動を回避するために回転的に均衡もとられている。リング・溝の組み合わせにより生じる長さのずれによって、表面４２，４４の少なくともいくつかの部分が、摩擦溶接のために所望される直接接触を損なわれることがあってはならない。

【0047】

さらに、隆起部５４および／または対応する溝５２のいずれかが、隆起リングの、対応する溝への位置合わせおよび適切な挿入を容易にする丸み付けされた縁部またはテーパ状の縁部ジオメトリを有することができることが考えられる。例えば図６Ｂ～図６Ｄに示したように、様々な実施形態において、テーパ状の縁部が、回転軸線から外側に向かって（すなわち、図６Ｂに示した５４Ｂのように、外径／外周に向かって）延在していてよく、または回転軸線から内側に向かって（すなわち、図６Ｃに示した５４Ｃのように、回転軸線に向かって）延在していてよく、または三角形状（図６Ｄに示した５４Ｄのような）を形成していてよい。鍛接力がこれらの部分に加えられると、傾斜面は、これらの部分間の位置合わせ構造を自動的に整列させるカムとして機能することができ、これにより部品の回転軸線を同心にする。しかしながら、このように説明した形状は限定的なものではなく、隆起部は、所望の使用のために任意の形状であってよい。２つ以上の隆起リングが使用される場合、そのいくつかは内側に向かってテーパしており、その他のものは外側に向かってテーパしていることが考えられるが、リング間の関係はそのように限定されるものではなく、任意の所望の形状をとることができる。１つの実施形態では、第１および／または第２の素材スラグの溶接面が、隆起リング、切欠溝、または円形リングを形成するように機械加工されてよい。別の実施形態では、隆起部、切欠溝、または円形リングが別個に形成されて、第１および／または第２の素材スラグに取り付けられてもよい。

【0048】

図７に示したさらなる実施形態では、隆起部を溝なしで使用することもでき、この場合、第１および第２の素材スラグ３８，４０の両方が隆起部５６Ａ，５６Ｂを有している。１つの実施形態では、第２の素材スラグ４０が、表面４４に機械加工された一対の隆起部５６Ａを有しており、第１の素材スラグ３８は、一対の隆起部５６Ａ間に収容され、中心合わせされる中間直径の隆起部５６Ｂを有している。換言すると、互いに半径方向に間隔を置いて位置している一対の隆起部５６Ａの間のギャップまたは谷間は、対向する隆起部５６Ｂのためのセンタリング溝として機能することができる。さらに、２つ以上の隆起部を、両ワークピースにおいて使用することができる。さらに、各部分がただ１つの延在する隆起部を、すなわち１つだけの隆起部５６Ａと１つだけの隆起部５６Ｂとを使用することも考えられる。この方式では、鍛接力の付与下での２つの対向する隆起部５６Ａ，５６Ｂの間の接触により、部品が位置合わせされて同心的になる。これらの隆起部の様々な組み合わせおよび変化態様は、スピン溶接プロセス中にワークピースの同心性を維持するために所望のように使用することができる。さらに、隆起部は、隆起リングの、適切なギャップまたは谷間への位置合わせおよび適切な挿入を容易にする丸み付けされた縁部またはテーパ状の縁部ジオメトリを有することができる。例えば、隆起部は、上述したようにテーパ状の縁部を有していてよく、または所望の使用に応じて任意の形状を使用することができる。位置合わせ構造は、連続的なリングを有していてよく、または不連続の部分であってよい。好適には、位置合わせ構造は、回転軸線を中心として回転対称的であり、部品の偏心振動を回避するために回転的に均衡もとられている。さらに、リングの組み合わせにより生じる長さのずれによって、表面４２，４４の少なくともいくつかの部分が、摩擦溶接のために所望される直接接触を損なわれることがあってはならない。

【0049】

１つの実施形態では、第１および／または第２の素材スラグの溶接面が、隆起部または円形リングを形成するように機械加工されてよい。別の実施形態では、隆起部または円形リングが別個に形成されて、第１および／または第２の素材スラグに取り付けられてもよい。最後に、隆起部または溝は、摩擦溶接される端面または面に示されているが、これらの構造または別の位置合わせ構造は、第１のワークピースおよび／または第２のワークピースの外径および／または内径のように、溶接面ではないところに位置していてもよい。回転プロセスによる使用に適した別の形態の位置合わせ構造を使用することができ、この場合、２つの部分は、互いに相対的に回転する間に一緒に動かされる。

【0050】

図８に示したさらに別の実施形態では、内径（「ＩＤ」）位置合わせボス５８が、第１または第２のワークピースの一方または両方に設けられている。より具体的には、ＩＤ位置合わせボス５８は、対向するボディのＩＤに対応する最大外径を有するように設計されている。以下の説明では、流体継手１０に位置するＩＤ位置合わせボス５８が参照されるが、これは限定的なものではなく、ＩＤ位置合わせボス５８は、所望の使用に応じて任意の所望のワークピースに取り付けることができる。

【0051】

図８に示した実施形態では、ＩＤ位置合わせボス５８は、流体継手１０に設けられていて、ＩＤ位置合わせボス５８の最大外径は、端部コネクタ４８のＩＤに対応することができる。ＩＤ位置合わせボス５８の最大外径は、端部コネクタ４８のＩＤと等しい、またはほぼ等しい（意図的に、または製造誤差により、僅かに大きいまたは小さい）ものであってよい。この方式の１つの利点は、この設計により提供される付加的な表面積によりより安定的で一貫した摩擦溶接を提供することができ、位置合わせボスは、溶接アップセットによって消費され、溶融不足の可能性を減じることができることにある。ＩＤ位置合わせボス５８は、流体継手１０の溶接表面４６から外側に向かって所定の距離延在している。位置合わせボスが流体継手１０と一体に形成されている場合は、ＩＤ位置合わせボス５８の最も後方の点は、通路または孔２６の全長にわたって延在していてもよい。別の実施形態では、最も後方の点は、流体継手１０の溶接表面４６と一致して位置していてよく、またはＩＤ位置合わせボス５８は、通路または孔２６内へと内側に向かって所定の距離だけ延在していてよい。１つの実施形態では、ＩＤ位置合わせボス５８は、部分的に通路または孔２６の長さに沿って、一点鎖線６０によって概略的に示された位置まで延在している。

【0052】

ＩＤ位置合わせボス５８は、所望の使用に合った任意の形式で形成することができる。１つの実施形態では、ＩＤ位置合わせボス５８は、（図８では概略的に異なる斜線パターンで示されてはいるが）流体継手１０と一体であってよく、流体継手１０を通路または孔２６と共に総肉厚Ｔを有するように形成することにより製造される。次いで、壁の外面の一部（厚さＤ）を、ＩＤ位置合わせボス５８を形成するために予め選択された流体継手１０の長さに沿って除去する（すなわち、機械加工する）。除去された厚さＤにより、位置合わせボス５８の外径は、端部コネクタ４８の内径よりも小さくなる、またはほぼ同じになる。別の実施形態では、流体継手１０は、通路または孔２６と共に、総肉厚Ｄで形成される。次いで、ＩＤ位置合わせボス５８の所望の形状およびサイズに対応する別個の部分（例えば別の管または挿入体）を、流体継手１０に漏れのない形式で、例えば通路または孔２６内への部分的な挿入により取り付けることができる。

【0053】

上述した製造法は、「受注生産」（ＭＴＯ）運用を行う柔軟な製造のためにも有効である。例えば、無数の種類および構造がある流体マニホルドまたは別の特注流体カップラは、本明細書に記載されるような摩擦溶接プロセスを利用して容易に製造することができる。「マニホルド」の用語をここでは例として使用しているが、この説明は、流体を搬送するが、「マニホルド」の従来の定義には当てはまらなくてもよい様々な管区分またはエレメントに同様に適用することができることが理解される。様々な種類の流体継手、コネクタ等を、主要なマニホルドエレメント上の異なる位置に液密な形態で溶接することができる。これらの流体継手とコネクタとは、本明細書で説明された流体継手１０を含んでよく、または別の様々な形態の予め製造された流体構成要素を含んでよい。主要なマニホルドエレメントは、比較的平らな側面、湾曲した外面を有する湾曲したジオメトリ（例えば、円形または楕円形の横断面）、または所望の使用に適した任意のジオメトリを有する四角形または長方形のジオメトリを有していてよい。

【0054】

特注のマニホルドまたはその他の「受注生産」部品を製造するために、最初にスルーホールまたは開口を、主要なマニホルドエレメントの外面内に切り込むことができる。次いで、取り付けたい構成要素が、切り込まれた孔の上に位置合わせされて（例えば構成要素の軸線は、切り込まれた孔の軸線と同心である）、本明細書に記載した任意の方法を使用して、摩擦溶接により取り付けられる。任意の溶接前または溶接後の機械加工操作を実施することができる。摩擦溶接のために十分な相対運動を提供するために、マニホルドおよび構成要素の一方または両方を所定の経路に沿って駆動することができると考えられる。

【0055】

互いに溶接すべき表面が明らかに円形である場合、表面を互いに摩擦溶接するために、本明細書で記載されたスピン溶接法のいずれかを使用するのが好ましいだろうが、本明細書で記載された直線的な摩擦溶接法のいずれかを使用することもできる。互いに溶接すべき表面が明らかに円形ではない場合、または一方の構成要素を他方の構成要素に対して相対的に回転させることができない場合、表面を摩擦溶接するために、本明細書で記載された直線的な摩擦溶接法のいずれかを使用するのが好ましい。直線的な摩擦溶接は、エンドユーザ／顧客によって所望される正確な流体継手、コネクタ等を、主要なマニホルドエレメント上に必要に応じて正確に位置決めし、方向付けることができるといった明確な利点を提供する。このようなことは新規のエレメントを古い既存のシステムと交換するまたは改装するときにしばしば求められる。

【0056】

図９には、本明細書に記載の直線的な摩擦溶接を使用して、標準的な管区分に６４に取り付けられた、流体継手６２を利用する「受注生産の」Ｔ字型コネクタの例が示されている。標準的な管区分６４がこの例では使用されているが、１つ以上の流体継手を接続するために標準的でない管区分またはマニホルドを含む事実上任意の流体ボディを使用できることが理解される。さらに管区分６４は、（予め機械加工された、または後から機械加工される）付加的な流体継手６６を含むことができる。流体継手６２が管区分６４に摩擦溶接されるとき、流体継手６２の流体通路６８が、管区分６４の流体通路７０に流体連通される。さらにワークピースを、付加的に、管区分６４に摩擦溶接することができる。二点鎖線７２，７４によって示した区分のように、スルーホールまたは開口を、管区分６４の外面に最初に切り込むことができる。次いで、取り付けたいワークピースが、切り込まれた孔の上に位置合わせされて（例えばワークピースの軸線は、切り込まれた孔の軸線と同心である）、本明細書に記載した任意の方法を使用して、摩擦溶接により取り付けられる。図９に示した例では、回転摩擦溶接を使用することもできるが、直線的な摩擦溶接が使用される。複数のワークピースまたは流体継手が管区分の取り付けられる場合、（製造される組み合わせの回転対称性が低くなる、または均衡性が低くなる場合、および回転スピン溶接に関する有効性が低い場合には特に、）それぞれが別々の直線的な摩擦溶接技術によって取り付けられる可能性が高い。その後、任意の溶接前または溶接後の機械加工操作を実施することができる。図９に示した例示的な実施形態では、孔または開口がほぼ円形であるが、孔または開口は、所望の使用のために任意の形状またはサイズをとることができる。

【0057】

図１０Ａおよび図１０Ｂには、「受注生産」部品の別の例示的な実施形態が示されている。この例示的な実施形態は、本明細書で説明した直線的な摩擦溶接法を使用して取り付けられた複数のワークピースを有するマニホルドを含む。例えば、図１０に示したように、無数の種類および構造がある流体マニホルドまたは別の特注流体カップラは、本明細書に記載されるような直線的な摩擦溶接プロセスを利用して容易に製造することができる。「マニホルド」の用語をここでは例として使用しているが、この説明は、流体を搬送するが、「マニホルド」の従来の定義には当てはまらない様々な管区分またはエレメントに同様に適用することができることが理解される。説明した様々な例に示されたように、様々な形式の流体継手、コネクタ等を、主要なマニホルドエレメント上の異なる位置に液密な形態で溶接することができる。これらの流体継手とコネクタとは、本明細書で説明された継手１０を含んでよく、または予め製造された流体構成要素の別の様々な形態を含んでよい。図１０Ａに示された例では、マニホルド７６は、概して正方形の横断面を有する概して長方形の形状として示されているが、これは単に説明の便宜上のためである。マニホルド７６は、所望の使用に適合した様々なジオメトリ、長さ等を有することができることが理解される。さらに、主要なマニホルドエレメントは、比較的平らな側面を有する正方形または長方形のジオメトリを有するものとして概略的に示されているが、主要なマニホルドエレメントは、湾曲した外面を有する（例えば、円形断面を有する）湾曲した管であってもよいことが考えられる。図１０Ｂに示された例では、複数のワークピースは、様々なサイズの円柱状スラグ７８を有している。しかしながら、複数のワークピースは、全てサイズおよび形状が一様であるワークピースを有することができ、またはサイズおよび／または形状が様々なワークピースを有することができる。これにより、複数のワークピースのそれぞれについて、所望の使用に適合した、サイズまたは形状の任意の組み合わせが考えられる。摩擦溶接の利点は、単一のマニホルドに対して様々な向きで複数のワークピースを溶接することができることである。図１０Ｂに示した例では、特に、マニホルド７６が非回転対称的な形状を有しているか、またはマニホルドが非製造場所（すなわち、現場等）に配置されているかまたは予め設置されている状況において、スラグ７８が、別のワークピースに対して様々な角度で、マニホルド７６の様々な面に直線的に摩擦溶接されている。複数のワークピースは、所望の用途と適合する任意の所望の向きでマニホルドに溶接することができる。図１０Ｂには、スラグ７８として複数のワークピースが示されているが、この例示的な実施形態ではこれらのワークピースのいくつかが、または全てが、流体継手１０、予め製造された管１６または流体エレメント、端部コネクタ４８等、および／または所望の使用に適合した任意の別の形態のワークピースをさらに含んでいてよい。実際に、所望の使用事例に応じて、予め製造された流体継手１０または管１６、流体エレメント、端部コネクタ４８等を利用して、これらをマニホルド７６に取り付けることが、製造上の利点をもたらすこともあり得る。

【0058】

特注のマニホルドまたはその他の「受注生産」部品を製造するために、図９につき説明したのと類似のプロセスを使用することができる。例えば、最初にスルーホールまたは開口を、主要なマニホルドエレメントの外面内に切り込むことができる。次いで、取り付けたい流体エレメントが、切り込まれた孔の上に位置合わせされて（例えば同心とされて）、本明細書に記載した任意の方法（第１、第２、第３、第４）を使用して、直線的な摩擦溶接により取り付けられる。任意の溶接前または溶接後の機械加工操作を実施することができる。マニホルドおよび流体継手の一方または両方を動かして／並進運動させて、摩擦溶接に十分な相対的な直線運動を提供することができると考えられる。図１０Ａ～図１０Ｂに示した独特かつ非対称的な形状に関して、これによりスピン溶接を越える明らかな利点が提供される。したがって、直線的な摩擦溶接は、エンドユーザ／顧客によって所望される正確な流体継手、コネクタ等を、主要なマニホルドエレメント上に必要に応じて正確に位置決めし、方向付けることができるといった明確な利点を提供する。このようなことは新規のエレメントを古い既存のシステムと交換するまたは改装するときにしばしば求められる。

【0059】

図１１Ａ～図１１Ｄには、多くの可能な「受注生産」部品のさらにいくつかの例示的な実施形態が示されている。例示的な実施形態では、上述した流体継手１０が、本明細書で説明された摩擦溶接法により様々な流体エレメントに接続されている。例えば図１１Ａには、円形フランジコネクタ８０に接続された流体継手１０が示されている。さらに、図１１Ｂには、六角形フランジコネクタ８２に接続された流体継手１０が示されていて、図１１Ｃには、六角形フランジコネクタの外側に向いた面８４が示されている。図１１Ａ～図１１Ｃに示されたフランジコネクタは、円形または六角形であるが、フランジコネクタは、所望の用途に適合した任意の形状をとることができる（例えば、三角形、長方形、正方形、楕円形、直角を含む形状、多角形、特注の形状等）。さらに、図１１Ｄには、一例のＴ字型コネクタ８６の端部に接続された３つの流体継手１０が示されている。これらの例示的な実施形態は、本明細書で説明した摩擦溶接法により形成される可能な「受注生産」部品を例示しており、説明される発明の範囲を限定する機能のものではない。実際には、本明細書で説明される摩擦溶接法は、所望される事実上任意の特注の流体搬送部品またはアッセンブリを形成するために使用することができる。これらの、または他の実施形態は、本明細書に記載した回転摩擦溶接法または直線的な摩擦溶接法を使用して、標準的な管区分、端部コネクタ、または（予め機械加工された、または後から機械加工される）付加的な流体継手を含む管区分に取り付けられる、本出願人による流体継手を利用して、形成することができる。

【0060】

本明細書で説明された提案される製造方法のいくつかの利点は以下を含む：構成要素の全ての段階（完成、半完成、未加工材）において複雑な形状または円形状を溶接することができる；鋼と非鉄金属の組み合わせの容易な接合；異種金属の組み合わせを接合することができる；粉末金属構成要素を、別の粉末金属、鍛造品、鋳造品、または展伸材に溶接することができる；ＨＡＺ（熱影響部）の低減；溶接品質の改善；構成要素品質の改善；圧力を含む管構成要素に独特に適用される最先端のプロセス；溶接後機械加工によるコストの削減（高価な半製品の損失の解消）；「受注生産」（ＭＴＯ）運用を行うように特有に設計された柔軟な製造；現場では再現できない最先端のプロセス；高価な鍛造品、および機械的要件を満たすために必要な試験の廃止。

【0061】

本出願人はさらに、この装置の開発中に実験的試験を行い、この試験は驚くべき結果を示している。すなわち、本明細書に記載の摩擦溶接法は、従来技術と比較して減じられた製造コストで優れた部品を製造したことが示された。初期試験は、２’’ＮＰＳ炭素鋼試片で行われた。この試片に使用された材料は、Ａ１０６およびＡＳＴＭ規格の５１３ ＤＯＭ材料であった。試片に使用された接合構造は、四角形の突合わせ接合部であった。ＮＯＴおよび破壊試験は、摩擦溶接されたクーポンで行われた。全てのＮＯＴテストには、ＡＳＭＥ規格のＢ３１．３の通常サービスによる放射線検査が含まれていた。破壊試験には、引張り試験および誘導曲げ試験、ならびに全プロフィール硬度試験を含むマクロ硬度試験が含まれる。全てのＮＯＴ試験および破壊試験は受け入れられた。

【0062】

放射線撮影検査は、溶接部に気泡を含まない溶接接合部の周囲３６０°に完全に浸透した溶接部を示した。溶接部は、比較的小さい溶接境界面と減じられたＨＡＺのため、母材と区別するのが幾分困難であった。溶接ビードは、主として溶接ビードの均質な構成と、母材と比較して僅かに密度の高い溶接材料により、材料のやや明るい区分としてＸ線上に現れた。エッチングされた断面はマクロ硬さ試験において、母材を通る完全に一貫した接合線を有する、幅が約１／８インチの狭い一貫した溶接ビードを示した。溶接サイズは、従来のＧＴＡＷ－Ｐ溶接のサイズの約半分であった。

【0063】

硬さ試験の結果はより明らかであり、溶接ビードと接合線にわたって比較的小さい硬さ変化が示された。溶接区分は、ＨＡＺおよび母材において僅かに上昇した硬さを示した。これらの結果は、典型的には母材よりも強固であり、母材の機械的特性を維持している均一で均質な溶接部と一致するものである。比較すると、ＧＴＡＷ－Ｐ溶接は通常は、ＨＡＺにおいては高い硬度を有するが、溶接ビードにおいては著しく減じられた硬度を有している。硬さ試験の結果は以下の通りであった。物理的順序（左から右）で：母材（ＳＡ１０６）：１９８； ＨＡＺ：２２５；ＷＥＬＤ：２５６ ＨＡＺ：２１７； 母材（ＳＡＳ１３）：２２９。ＡＳＴＭ規格Ａ３７０にしたがって実施された、Ａ５１３管に摩擦溶接されたＡ１０６管の摩擦最終溶接強度の引張り試験結果は以下の通りであった：幅（ｉｎ）：０．２５； 厚さ（ｉｎ）：０．１６８； 面積（ｓｑ．ｉｎ.）：０．０４２； ゲージ長さ（ｉｎ）：１．０； 降伏強さ：５４，０００； 引張り強度：８１，５００； 延び（％）：２７； 破壊位置：Ａ１０６ 母材。

【0064】

本発明を、具体例を用いて本明細書において上述したが、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく様々な選択肢を使用することができ、均等なものを本明細書で説明した要素またはステップの代用とすることができるのは明らかである。本発明の範囲から逸脱することなく、本発明を特定の状況または特定の必要性に適合させるために修正が必要な場合がある。本発明は、本明細書に記載された特定の実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲は、それによって包含される文言通りのまたは均等なすべての実施態様を網羅する最も広い解釈を与えられることを意図する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】