使用管状砧将管摩擦搅拌焊接至元件的方法及通过该方法制造的结构技术

一种使用摩擦搅拌焊接将管连接至另一元件的过程，其中，管例如是壁厚约为2.54mm(0.100英寸)或更小的细直径管，另一元件诸如为热交换器的管板。该过程使用了管状砧，其中，管状砧安装在管的端部中，且在一个实施方式中，管状砧可在摩擦搅拌焊接过程期间提供材料。在完成焊接之后，加工掉管状砧和管之间的焊接区并移除砧管。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及在热交换器上摩擦搅拌焊接管端部接合部。
技术介绍
摩擦搅拌焊接(FSW)过程用于许多交换器应用中，以连接热交换器中的某些元件。例如，在如应用至壳管式热交换器的FSW过程中，使用了固态焊接或搅拌过程，其中，管壁的端部“搅拌”成环绕管板材料而不引入不同的金属或者不对金属晶粒结构的造成不利影响。第8,439,250号美国专利和第2013/0037601号美国公开专利申请公开了热交换器应用中的FSW过程的示例。因为由FSW过程引起的独特的加载因素的影响，FSW仅仅成功应用至具有厚规格的管，例如具有大于约0.100英寸的壁厚。总的来说，细规格管(例如约0.100英寸或更小的壁厚)对于热交换器而言更可取，因为其节约了材料成本并减小了热阻。但是，应用FSW细规格管的问题是困难的，因为FSW焊接块的几何形状可能使得难以保持满足要求的焊接深度，且可能增加预焊接和后焊接加工过程的敏感性和成本。
技术实现思路
过程描述为使用FSW将管连接至另一元件。管例如可以是热交换器的管，且元件例如可以是热交换器的管板。热交换器可以是期望将管连接至另一元件的任何类型的热交换器设计。可使用所述过程的热交换器的一个示例包括但不限于壳管式热交换器。应意识到，该过程不局限于与热交换器一起使用，且可在个人期望使用FSW将管连接至另一元件的任何应用中使用。所描述的过程可在具有任何壁厚的管上使用。但是，该过程可在细规格管上使用，例如具有约0.100英寸或更小的壁厚的管。当管在热交换器中使用时，管可根据热交换器设计承载工作流体或冷却流体。在一个具体描述的示例性过程中，使用了独特的砧技术，该技术使FSW工具能够以最大的插入深度将细规格管端部接合至热交换器的管板中，并允许使用管端部切削工具以成本有效的方式准备预焊接和后焊接。在一个实施方式中，将管连接至元件的过程包括：将管的端部插至元件中的孔内，其中，该孔从元件的第一侧处的第一表面延伸至元件的第二侧处的第二表面。然后，使管的端部相对于孔固定。然后，从元件的第一侧将管状砧安装到管的端部，且管状砧具有位于元件的第一表面处的扩口端部。然后，在元件的第一侧处，应用FSW来焊接管的端部、管状砧的扩口端部和元件，从而使管、管状砧和元件的材料混合。然后，对元件的第一表面进行加工以移除管的端部和管状砧之间的摩擦搅拌焊接部，然后从管移除管状砧。在一个实施方式中，砧的材料不与管和元件的材料混合，从而使得FSW焊接部仅形成于管和元件之间。在另一实施方式中，管是处理管并且元件是热交换器(例如壳管式热交换器)的管板。在另一实施方式中，结构包括元件和管。元件具有第一表面、第二表面、以及从第一表面至第二表面延伸通过元件的多个孔。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个孔中的一个中，且管具有约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处FSW至彼此。在一个实施方式中，结构的元件是管板且管是热交换器(例如，壳管式热交换器)的处理管。附图说明图1是可应用本文所描述的FSW技术的壳管式热交换器的实施方式的剖视图。图2是本文所描述的FSW过程的示意性流程图。图3是管板的一部分和插至管板中的处理管的示意图。图4是包括在图3的圆4中的部分的局部放大图。图5示出了正在插入砧管中的管端部加工设备的心轴。图6示出了完全插入的心轴。图7示出了加工砧管的端部的加工设备。图8示出了可插入砧管端部中的可选的实心锥形砧。图9是加工成与管板的端部齐平的砧管的示意性剖视图。图10是FSW的结果的示意性剖视等比例图。图11是FSW区上的斜切面的示意性剖视等比例图。图12A、图12B和图12C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。图13A、图13B和图13C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。图14A、图14B和图14C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。图15A、图15B和图15C示出了可用于加工FWS焊接部的加工工具的另一示例。具体实施方式该说明书描述了使用FSW将管连接至另一元件的过程和形成的产品。管例如可以是热交换器的管，以及元件例如可以是热交换器的管板。热交换器可以是期望将管连接至另一元件的任何类型的热交换器设计。可使用所述过程的热交换器的一个示例包括但不限于壳管式热交换器。应注意，该过程不局限于与热交换器一起使用，并且可在期望使用FSW将管连接至另一元件的任何应用中使用。为了方便起见，将参照图1所示的壳管式热交换器10描述该过程和产品。但是，图1所示的热交换器仅是示例性的。在单通道布置中，主要是对流(两个流体主要在相反的方向上流动)布置中，壳管式热交换器10配置成在第一流体和第二流体之间交换热量。热交换器10
具有多个管12、位于管的每个端部处的管板14、可选挡板16、用于第一流体的输入集气室18、用于第一流体的输出集气室20、壳22、壳22中的入口24、以及壳22中的出口26，其中，管12和管板14设置在壳22中，入口24通向用于第一流体的输入集气室18，出口26从用于第一流体的输出集气室20延伸。此外，壳22包括用于第二流体的入口28和用于第二流体的出口30。第一流体和第二流体处于不同的温度处。例如，第一流体可处于比第二流体的温度更低的温度处，以使得第二流体通过第一流体冷却。在操作期间，第一流体通过入口24进入并通过歧管或集气室18分布在管12中，管12的端部与集气室18流体连通。第一流体通过管12流至管的第二端部并进入输出集气室20然后穿过出口26。同时，第二流体通过入口28引至壳22中。第二流体围绕管12并与管12的外表面接触地流经管12，从而与流经管12的第一流体交换热量。如果使用挡板16，则该挡板16有助于增加第二流体的流动路径长度，从而增加壳侧的第二流体和管壁之间的相互作用和停留时间。第二流体最终通过出口30退出。如第8,439,250号美国专利进一步讨论的，管12的端部FSW至管板14，其中，该美国专利通过引用整体地并入本文。管板14中的每个是包括多个孔的机械刚性板，其中，该多个孔从面对歧管18、20的第一表面32至面对壳22的内部的第二表面34延伸通过管板。每个管12的每个端部在孔处接合至管板14。如果使用挡板16，则管板14和挡板16将管12保持在有助于沿着管的外表面流动的流体和流经管的流体之间的热传递的布置中。在一个示例性实施方式中，管12和管板14可由铝或其合金制成。管板14可以是圆形、长方形、三角形或任何其它形状。管12可具有圆柱形、三角形、长方形、或者可适于配合在管板14的孔中的任何其它形状的横截面形状。对于诸如海洋热能转换(OTEC)、核热交换器、化工厂等的诸多应用而言，热交换器10在第一流体和第二流体之间提供良好的分隔是重要的。因此，管12与管板14接合从而形成大致的密封是重要的。
另外，在许多应用(具体地，OTEC应用)中，这些密封大体上抗腐蚀也是重要的。因此，优选的是，管12与管板14利用FSW以管和管板形成既大体密封又大体抗腐蚀的密封的方式接合。FSW是用于接合具有相同或不同材料的两个元件的公知方法。传统FSW使用强制进入两个元件之间的交界面中的旋转探针。探针和材料之间的巨大摩擦使得紧接探针的材料加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将管连接至元件的过程，包括：将所述管的端部插至所述元件中的孔内，所述孔从所述元件的第一侧处的第一表面延伸至所述元件的第二侧处的第二表面；使所述管的所述端部相对于所述孔固定；从所述元件的所述第一侧将管状砧安装至所述管的所述端部中，所述管状砧具有位于所述元件的所述第一表面处的扩口端部；在所述元件的所述第一侧处，摩擦搅拌焊接所述管的所述端部、所述管状砧的所述扩口端部和所述元件，以使所述管、所述管状砧和所述元件的材料混合；对所述元件的所述第一表面进行加工，以移除位于所述管的所述端部与所述管状砧之间的摩擦搅拌焊接部；以及从所述管移除所述管状砧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.26 US 61/869,8471.一种将管连接至元件的过程，包括：将所述管的端部插至所述元件中的孔内，所述孔从所述元件的第一侧处的第一表面延伸至所述元件的第二侧处的第二表面；使所述管的所述端部相对于所述孔固定；从所述元件的所述第一侧将管状砧安装至所述管的所述端部中，所述管状砧具有位于所述元件的所述第一表面处的扩口端部；在所述元件的所述第一侧处，摩擦搅拌焊接所述管的所述端部、所述管状砧的所述扩口端部和所述元件，以使所述管、所述管状砧和所述元件的材料混合；对所述元件的所述第一表面进行加工，以移除位于所述管的所述端部与所述管状砧之间的摩擦搅拌焊接部；以及从所述管移除所述管状砧。2.如权利要求1所述的过程，其中，所述元件是热交换器的管板，所述管是所述热交换器的处理管，且所述处理管的厚度约为0.100英寸或更小。3.如权利要求1所述的过程，将所述管状砧安装至所述管的所述端部中包括：将所述管状砧插至所述管的所述端部中，然后，向所述管状砧施加力，以利用所述扩口端部的、延伸超出所述元件的所述第一表面的部分，在所述管状砧和所述管之间创建压配合。4.如权利要求3所述的过程，其中，对所述元件的所述第一表面进行加工包括使用具有心轴的加工设备；以及将所述管状砧安装至所述管的所述端部中还包括：将所述加工设备的所述心轴插至所述管状砧中；以及使用所述加工设备加工所述管状砧的所述扩口端部的、延伸超出所述元件的所述第一表面的部分，以使所述扩口端部与所述元件的所述第一表面齐平。5.如权利要求1所述的过程，其中，使所述管的所述端部固定包括机械地扩张所述管的所述端部。6.如权利要求1所述的过程，其中，在安装所述管状砧之后且在进行摩擦搅拌焊接之前，将固态锥形砧安装至所述管状砧中，以防止所述管状砧在所述摩擦搅拌焊接期间皱缩。7.如权利要求1所述的过程，其中，对所述元件的所述第一表面进行加工包括使用具有心轴的加工设备，以及对所述第一表面进行加工包括将所述加工设备的所述心轴插至所...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·R·埃勒，兰迪·J·布朗，凯文·约翰·舒恩格尔，
申请(专利权)人：洛克希德马丁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US