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的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
技术领域
[0001 ]本公开涉及在热交换器上摩擦搅拌焊接管端部接合部。【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
【发明内容】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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】
[0012]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。
[0013]图2是本文所描述的FSW过程的示意性流程图。[〇〇14]图3是管板的一部分和插至管板中的处理管的示意图。
[0015]图4是包括在图3的圆4中的部分的局部放大图。
[0016]图5示出了正在插入砧管中的管端部加工设备的心轴。[〇〇17]图6示出了完全插入的心轴。[〇〇18]图7示出了加工砧管的端部的加工设备。[〇〇19]图8示出了可插入砧管端部中的可选的实心锥形砧。
[0020]图9是加工成与管板的端部齐平的砧管的示意性剖视图。[0021 ]图10是FSW的结果的示意性剖视等比例图。[〇〇22]图11是FSW区上的斜切面的示意性剖视等比例图。[〇〇23]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。[〇〇24]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。[〇〇25]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。[〇〇26]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】
[0027]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。
[0028]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 〇
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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。[〇〇32]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。
[0033]对于诸如海洋热能转换(0TEC)、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，0TEC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。
[0034]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至低于其熔点的温度。这使得邻接部分软化，但是因为材料保持为固态，所以保持了其原始的材料特性。探针沿着焊接线的运动迫使软化的材料从两构件朝向后缘，从而使得相邻区域熔合进而形成焊接部。[〇〇35]与诸如熔合焊接、铜焊等的其它通用接合技术相反，FSW具有一些性能优势。具体地，生成的焊接部由与接合部分相同的材料组成。因此，降低了或消除了接合部处由于不同金属之间的接触而引起的电偶腐蚀。此外，生成的FSW焊接部保持接合部分的材料的材料特性。
[0036]虽然在示例性实施方式中FSW通常用于接合由相同材料形成的两个元件，但是在本发明的一些实施方式中，FSW用于焊接由不同材料形成的元件。
[0037]此外，尽管示例性实施方式包括每个都由铝或铝合金制成的管和管板，但是在阅读该说明书之后，对本领域技术人员明确的是如何指定、制造和使用本发明的使用了除铝之外的材料的替代实施方式。所使用的材料可包括适于利用FSW接合管和管板的任何材料， 包括但不限于:铝及其合金、钛及其合金、不锈钢、铜、青铜、塑料等。[〇〇38]转至图2,其示出了将管12连接至管板14的示例性过程50。首先，管12的第一端部 40安装在管板14中的一个的孔中。安装过程可包括将第一端部40插至管板14中的孔中的步骤52。这在图3和图4中可见，其中，图3和图4示出了插至管板14中的孔中的多个管端部40的示例。孔从位于管板14的第一侧处的第一表面32延伸至位于管板的第二侧处的第二表面 34。在插入端部40之后，通过使管12的端部40相对于孔不动的步骤54来完成安装。[〇〇39]管端部40能以各人认为合适的任何方式保持不动，以使得管端部40固定在孔的内部，从而使得管无法相对于孔旋转且无法容易地从孔拉出管端部。在一些实施方式中，管的外径小于孔的直径以便于将管插至孔中。在另一实施方式中，管的外径仅稍小于孔的直径。 期望的是，将管插至孔中以使得每个管的端面与表面32大致齐平，从而减小如下所述的后续步骤中的加工量。但是，管的端面也可稍微突出至表面32之外。
[0040]在一个实施方式中，通过使用机械扩张器以使管的位于孔内的端部扩张而使管相对于孔不动。当扩张时，每个管端部40的外径大致等于孔的直径。这迫使管壁的一部分与形成孔的侧壁的一部分接触，从而摩擦使得管在孔中基本不动。虽然可以使管端部的整个长度扩张，但是不必使管端部40的设置在孔内的整个长度扩张。应认识到，可以个体认为合适的任何方式使管端部40保持不动，而不限于机械扩张，以使得管端部40固定在孔内。
[0041]随后可将管的相对端部安装到相对的管板14中，或者可等到完成过程50中的其他步骤之后再安装相对端部。[〇〇42] 一旦管安装到管板中，便在步骤56中将管状砧44安装到管12的端部40中。参照图3 和图4,砧安装过程包括:从管板14的第一侧将砧44插至管12的端部40中。为了防止管状砧落入管12中，砧44可具有扩口端部46，该扩口端部46位于管板14的第一侧处，从而使得扩口端部46的直径大于砧44的其余部分的直径。优选地，砧44的长度足以允许加工设备的心轴 (下面进一步描述)锁定在砧44的内部。在一个非限制性实施方式中，已发现约3.0-4.0英寸的砧长度足以进行工作。[〇〇43] 在砧44插至管端部40中之后，通过将砧的扩口端部46压配合到管12的端部40中来完成砧安装。这使得砧44在管端部40中保持不动。扩口端部46的压配合可通过例如，使用槌棒或锤重击砧44的突出端部，从而迫使砧44进一步进入管端部40中来实现。但是，可使用迫使砧44进一步进入管端部40中的任何装置。[〇〇44]另外，管端部40可在将砧44插入之前设有扩口特征。例如，管端部40的内径可利用锥柄麻花钻刀头或锥形扩孔器进行钻孔，其中，锥柄麻花钻刀头或锥形扩孔器在管端部40 中切削出与砧44的锥形匹配或近似匹配的轻微的锥形。使管端部40和砧44都成锥形将允许砧44更紧密地配合到管端部40中，并需要来自槌棒或锤的较少的力。此外，与非锥形管端部 40相比，当锥形砧44被迫进入锥形管端部40时，该锥形砧44将引起更少的擦伤和刮伤。当通过管12处理诸如海水的腐蚀性流体时，减少和/或消除管端部40内部的擦伤和刮伤有助于避免优先位置发生腐蚀。[〇〇45] 如图3和图4所示，在安装了砧之后，扩口端部46的一部分将从管40突出表面32之夕卜。随后可加工掉砧44的突出部和管端部40的任何突出部，从而使得砧和管与管板14的表面32齐平。
[0046]图5至图7示出了加工砧44从而使其与表面32齐平的示例性技术。该加工可使用能够切削砧44(以及必要时的管12)以使其齐平的任何合适的加工设备来执行。在所示的示例中，可使用的加工设备100包括心轴102,该心轴102的尺寸设计成配合至砧44内且心轴102 可锁定至砧管的内侧上。加工设备100还包括切削设备104，该切削设备104对砧管的突出部(和管端部40)执行实际的切削或加工，从而使其与表面32在同一平面上。可使用的这类合适的加工设备是可从德克萨斯南休斯敦(South Houston,Texas)的美国GBC有限责任公司 (USA GBC LLC)获得的迷你K型坡口机(Mini K Beveling Machine)。[〇〇47]如图5和图6所示，心轴102插至砧管44中并锁定在砧内侧上的适当位置。然后使用驱动电机，并将切削设备驱动至砧管端部中(如图7所示)直到其变成与表面32齐平。如果管端部40尚未与表面32齐平，则还同时切削管40。图9示出了在加工之后与表面32齐平的砧44 的扩口端部46和管端部40。一旦加工完成，心轴102便可撤回且该过程可转到FSW。[〇〇48]参照图8，在一些实施方式中，较小直径的砧管44可由于生成的FSW载荷向内皱缩。 如果发生皱缩，则可在进行FSW之前将附加的锥形砧或塞子110插至砧管44的扩口端部46 中，从而防止管壁皱缩。但是，如果砧管不皱缩，则可省略插入锥形砧110的这个步骤。在所示的示例中，砧110是实心结构。但是，任何形式的砧结构均可使用，只要其防止砧管44皱缩。[〇〇49]返回图2,然后在步骤58中，在第一表面32处FSW管12的端部40、管状砧44的扩口端部46、以及管板14,从而使处理管、管状砧和管板的材料混合。FSW过程是用于接合具有相同材料或不同材料的两个元件的公知方法，且无须详细描述。关于FWS过程的进一步的信息可在第8439250号美国专利中找到。总之，FSW使用了被迫进入管端部40与扩口端部46之间的交界面中并环绕表面32的旋转探针或销。探针和材料之间巨大摩擦使得紧邻探针的材料加热至低于其熔点的温度。这使得邻接部分软化，但是因为材料保持为固态所以保持了其原始的材料特性。探针沿着焊接线的运动迫使软化的材料朝向后缘，从而使得相邻区域熔化进而形成焊接部。探针将形成管板结合部(ligament)120(即管板14的位于相邻管之间的材料)、管端部40、和砧管44的扩口端部46的材料搅拌在一起。因此，砧管的扩口端部46提供用于在管端部40和管板14之间形成焊接部的附加材料。如果使用锥形砧110,则优选的是，FSW 销工具不冲击砧110且砧110的材料不形成焊接部的一部分。因此，砧110仅执行支撑功能， 且后续加工步骤无需从砧管移除砧110。然而，在下面进一步讨论的一些实施方式中，来自砧110的材料可形成FSW焊接部的一部分，因此砧可能需要成为加工步骤的一部分以移除砧。
[0050]图10示出了由步骤58引起的FSW焊接部130的结果。管端部40以最大深度进行焊接，且砧管44的扩口端部46以最小深度进行焊接。焊接部130的一部分132处于扩口端部46 和管端部40之间，从而将砧管44焊接至管12。[〇〇511 返回图2，在完成FSW步骤58之后，该过程转到步骤60。在步骤60中，加工管板14的第一表面32,从而移除管12的端部40和管状砧44的扩口端部46之间的FSW焊接部132。加工管板14的第一表面32例如可利用加工设备100或利用不同的加工设备来执行。当使用加工设备100时，将加工设备100的心轴102再次插至管状砧44中，并锁定在如上面关于图5和图6 所讨论的位置中。加工管板14的第一表面32可包括使用加工设备100的平切刀来加工焊接区130,直至通过平切刀加工掉焊接卷边。此外，加工设备100的斜切刀可用于斜切焊接区， 以加工掉处理管和砧管之间的焊接部132。
[0052] 图12A至图12C、图13A至图13C、图14A至图14C和图15A至15C示出了可用于移除管 12的端部40和管状砧44的扩口端部46之间的FSW焊接部132的加工工具的附加示例。在这些示例中的每一个中，砧110用于辅助支撑管状砧44。在一个实施方式中，砧110的材料不形成FSW焊接区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。在图12A 至图12C、图13A至图13C、图14A至图14C和图15A至图15C所示的另一实施方式中，来自砧110 的材料不形成FSW焊接区130的一部分，且需要进行加工以移除砧110。[〇〇53]参照图12A至图12C，双片端铣刀150示为用于移除管12的端部和管状砧44的扩口端部46之间的FSW部。在FSW过程之前，安装砧110以辅助支撑管状砧44并防止其在FSW期间皱缩。端铣刀150包括中空的切削件152以及设置在切削件的孔中的中央探针154，其中，切削件152可如箭头所指示的那样朝向和远离焊接区130运动；中央探针154可如箭头所指示的那样相对于切削件152朝向和远离焊接区130独立地运动。[〇〇54]探针154可突出经过切削件152的端部并接触砧110的平整面，从而如图12A所示的那样定位其位置。如图12B所示，然后探针154可缩回切削件152的孔中，直至其与切削件152 的端部齐平，且切削件152可开始旋转并朝向焊接区130运动同时探针154保持静止。切削件 152可从探针154接触砧110的点切削或加工至预定深度，例如从约0.005英寸到约0.035英寸的任何位置。
[0055]可替代地，探针154可保持在其接触砧110的表面上，且切削件152可向下运动直至其与探针尖端和焊接区130齐平。然后，切削件152可以开始旋转并切削至预定深度。
[0056]在进行切削之后，探针154和切削件152都可缩回至管板14上方的指定位置，例如缩回至管板上方约0.005英寸至约0.050英寸的距离，并且转移到下一管板孔以重复该过程。[〇〇57]如图12C所示，在切削之后，可从管12的端部40移除砧110和管状砧44。
[0058]图13A至图13C示出了具有与切削件152类似的切削件162的双片端铣刀160。但是切削件162的孔中设有弹簧加载的传感器或阻尼传感器164而不是探针。当切削件162接合焊接区130并开始加工时，传感器164配置成寻找砧110表面的位置，并且可压缩到切削件 162的孔中。传感器164的端部可包括轴承166,该轴承166在切削件162的转动期间绕砧110 转动。传感器164的行进或压缩距离确定和控制切削件162切削的深度。图13A示出了正在向下运动以使传感器164可接合砧110的端铣刀160。图13B示出了在加工期间与砧110接合的传感器164和旋转的切削件162。图13C示出了在切削之后移除端铣刀160以使得可从管12的端部40移除砧110和管状砧44。
[0059]图14A至图14C示出了具有与切削件152类似的切削件172的另一双片端铣刀170。 在该实施方式中，端铣刀170包括刚性附接至端铣刀170的至少一个外部深度探测仪或传感器174,该深度探测仪或传感器174的功能与图13A至13C中的传感器164类似。深度探测仪 174包括在切削件172转动期间绕管板14的表面32转动的轴承176。在另一实施方式中，端铣刀170包括围绕切削件172均等地在周向上间隔开的多个深度探测仪174,例如三个深度探测仪174。图14A示出了向下运动以使得深度探测仪174能接合管板14的端铣刀170。图14B示出了在加工期间与管板14接合的深度探测仪174和旋转的切削件172。图14C示出了在切削之后，移除端铣刀170以使得可从管12的端部40移除砧110和管状砧44。
[0060]图15A至图15C示出了单片端铣刀180的示例，其中，端铣刀180可如箭头所指示朝向或远离焊接区运动。端铣刀180包括功能与切削件152、162、172类似的切削件182。端铣刀 180还包括凹口 184,以在加工期间容纳砧110。为了定位管板14并控制加工的深度，端铣刀 180还包括一个或多个传感器186,该一个或多个传感器186中的每一个都起深度停止件的作用。传感器186利用负载反馈、气动感测、电感测、磁感测等起作用。传感器186用于控制切削的深度，并且一旦到达传感器设定处便停止。图15A示出了向下运动以接合管板14的端铣刀180。图15B示出了正在旋转并且一旦到达预定深度便在加工完成之后向上撤回的切削件 182。图15C示出了在切削之后，移除端铣刀180以使得可从管12的端部40移除砧110和管状砧44。
[0061]图11示出了在利用本文所述的任何加工技术进行步骤60的加工之后的FSW焊接部 130。扩口端部46和管端部40是斜面。焊接部132已经被加工掉，从而使得扩口端部46和管端部40不再焊接在一起。[〇〇62] 返回图2,在加工步骤60之后，在步骤62中从管12移除砧44。砧44能以个人发现合适的任何方式来移除。例如，可利用拉锤来移除砧管44,或者利用杆从管12的相对端部将砧管44推出管12之外。该移除是可行的，因为砧44和管12之间的FSW焊接部已经被移除，这允许通过克服剩余扩口端部46与管端部40之间的压配合力来移除。[〇〇63]在另一实施方式中，当管壁厚度约为0.100英寸或更大时，直至砧管44与管板的表面齐平才将砧管44加工掉。0.100英寸或更大的壁厚可具有足够的焊接范围，从而以足够的焊接深度将管12接合至管板。在该实施方式中，砧管44仍可被迫进入如上所述的管端部40 中，从而防止处理管壁皱缩。然而，砧管可保持从管板的表面突出。FSW销工具将围绕突出的石占管移动，而不妨碍站管或与站管接合或者从处理管撞出站管。在FSW完成之后，可利用锤或滑动锤移除砧管，而不用对砧管进行加工而使其不受约束。在移除砧管之后，可利用如上所述的加工设备来加工FSW卷边。另外，如上所讨论，还可利用斜面切削件加工处理管12,从而使处理管具有倒角入口。[〇〇64] 加工设备100和端铣刀150、160、170、180可通过例如计算机数值控制(CNC)机器、 可编程机器、和/或自动化机器的机器进行操作，或者其可通过使用半自动和/或自动动力工具手动地进行操作。[〇〇65]在一个实施方式中，将处理管连接至管板的过程包括将处理管的端部插至管板中的孔中，其中，该孔从管板的第一侧处的第一表面延伸至管板的第二侧处的第二表面。然后，使处理管的端部相对于孔固定。然后，从管板的第一侧将管状砧安装至处理管的端部中，其中，管状砧具有置于管板的第一侧处的扩口端部。然后，处理管的端部、管状砧的扩口端部以及管板FSW在管板的第一侧处，以使处理管、管状砧和管板的材料混合。然后，使用加工设备加工管板的第一表面，从而移除处理管端部和管状砧之间的摩擦搅拌焊接部，然后从处理管移除管状砧。
[0066]在另一实施方式中，将管连接至元件的过程包括将管的端部插至元件的孔中，其中，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，从元件的第一侧处将管状砧安装在管的端部中，管状砧具有置于元件的第一表面处并从该第一表面突出的扩口端部。然后，在元件的第一侧处FSW管的端部和元件，从而在管和元件围绕管状砧的突出扩口端部移动时使管和元件的材料混合，而不使管状砧与管和元件的材料混合。然后，从管移除管状砧并加工元件的第一表面，从而移除管的端部和元件上的摩擦搅拌焊接卷边。[〇〇67]在实施方式中，热交换器包括管板，管板具有第一表面、第二表面和从第一表面至第二表面延伸通过管板的多个孔。具有第一端部和第二端部的处理管固定至管板，且处理管的第一端部设置在管板中的多个孔中的一个中，且处理管具有约0.100英寸或更小的厚度。处理管的第一端部在管板的第一表面处摩擦搅拌焊接至管板。
[0068]本申请中所公开的示例在各个方面均被认为是说明性的和非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指定，而不是由前述说明书指定;且本文旨在囊括落入权利要求的等同的含义和范围中的所有变型。
【主权项】
1.一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述 管状站中。8.如权利要求1所述的过程，其中，对所述元件的第一表面进行加工包括使用双片端铣 刀加工所述第一表面。9.如权利要求8所述的过程，其中，所述双片端铣刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能够朝向和远离所述元件的所述第一表面运动，并且所述双片端铣刀还包括设置在所 述中央孔中的探针，所述探针能够独立于所述切削件朝向和远离所述元件的所述第一表面运动。10.如权利要求8所述的过程，其中，所述双片端铣刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能够朝向和远离所述元件的所述第一表面运动，且所述双片端铣刀还包括设置在所述 中央孔中的弹簧加载传感器。11.如权利要求8所述的过程，其中，所述双片端铣刀包括具有中央孔的切削件，所述切 削件能够朝向和远离所述元件的所述第一表面运动，并且所述双片端铣刀还包括至少一个深度探测仪，所述至少一个深度探测仪在所述中央孔外部的位置处刚性附接至所述双片端 铣刀。12.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 有切削件的单片端铣刀加工所述第一表面，其中，所述切削件能够朝向和远离所述元件的 所述第一表面运动，所述单片端铣刀还包括至少一个深度停止传感器，所述至少一个深度 停止传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.—种通过权利要求1至12中的任一项所述的过程形成的结构。14.如权利要求13所述的结构，其中，所述结构是热交换器的一部分。15.—种结构，包括:元件，具有第一表面、第二表面、以及从所述第一表面至所述第二表面延伸通过所述元 件的多个孔；管，具有第一端部和第二端部，所述管的所述第一端部设置在所述元件中的多个孔中 的一个中，并且所述管的厚度为约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处彼此摩擦搅拌焊接。16.如权利要求15所述的结构，其中，所述结构是热交换器的一部分，所述元件是所述 热交换器的管板，并且所述管是所述热交换器的处理管。17.如权利要求16所述的结构，其中，所述热交换器是壳管式热交换器。
【文档编号】B23K20/12GK105980095SQ201480055067
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年8月25日
【发明人】迈克尔·R·埃勒, 兰迪·J·布朗, 凯文·约翰·舒恩格尔
【申请人】洛克希德马丁公司