通过摩擦焊接制造的流体系统及其方法与流程

在此要求于2016年7月1日提交的美国临时专利申请序列号62/357,669以及于2017年1月27日提交的美国临时专利申请序列号62/451,206的权益，并且上述申请的公开内容通过参引并入本文。

背景技术：

1.发明领域

以下描述总体上涉及一种用于机械地附接和密封流体元件的流体系统，更具体地，涉及一种通过摩擦焊接过程制造该流体系统的方法。

2.相关技术和背景

流体系统通常包括多个流体元件，这些流体元件流体地联接在一起以形成将流体从一个区域输送到另一区域的系统。通常希望流体元件彼此永久地连接。为了将流体元件永久地连接并防止流体元件之间的泄漏，通常将流体元件焊接在一起。

技术实现要素：

以下呈现了本发明的示例实施例的简化概述。该概述并非旨在确定关键元素或划定本发明的范围。

根据一个方面，一种将工件摩擦焊接到流体元件的方法，所述方法包括以下步骤：将所述工件的焊接表面放置成与所述流体元件的焊接表面接触；以及沿靠所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的另一者以预定样式对所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的一者进行驱动。所述方法还包括以下步骤：在所述工件的所述焊接表面与所述流体元件的所述焊接表面之间沿压合轴线施加压力，使得沿靠所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述另一者以所述预定样式对所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述一者的所述驱动在一段时间内产生足以使所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面的温度升高至焊接温度的摩擦和热量。所述方法还包括以下步骤：停止对所述工件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述一者的所述驱动，同时在所述工件与所述流体元件之间施加压力，直到所述焊接表面形成焊接式结合；并且在形成所述焊接式结合之后，对所述工件的至少一部分进行机加工以形成流体配装件的至少一部分，所述流体配装件的所述至少一部分构造成容纳管道并以非泄漏方式密封地附接至所述管道，以穿过所述流体配装件输送流体流。

根据另一方面，一种将流体配装件摩擦焊接到流体元件的方法，所述方法包括下述步骤：将所述流体配装件的焊接表面放置成与所述流体元件的焊接表面接触；以及沿靠所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的另一者以预定样式对所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的一者进行驱动。所述方法还包括下述步骤：在所述流体配装件的所述焊接表面与所述流体元件的所述焊接表面之间沿压合轴线施加压力，使得沿靠所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述另一者以所述预定样式对所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述一者的所述驱动在一段时间内产生足以使所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面的温度升高至焊接温度的摩擦和热量。所述方法还包括下述步骤：停止对所述流体配装件的所述焊接表面和所述流体元件的所述焊接表面中的所述一者的所述驱动，同时在所述流体配装件与所述流体元件之间施加压力，直到所述焊接表面形成焊接式结合；其中，所述流体配装件构造成容纳管道并以非泄漏方式密封地附接至所述管道，以穿过所述流体配装件输送流体流。

根据又一方面，提供了一种永久地密封的流体系统，所述流体系统包括流体配装件，所述流体配装件包括：联接本体，所述联接本体在所述联接本体的至少一个端部处具有内表面，所述内表面限定有孔，所述孔用于在其中容纳管道；以及流体配装件焊接表面，所述流体配装件焊接表面至少部分地设置在所述孔的端面表面(facesurface)上。环定位成越过所述联接本体的所述至少一个端部而配装，以用于将所述联接本体与所述管道机械地附接，并且主密封件形成在所述联接本体的所述内表面上以与所述管道接合。当所述环经由力而安装在所述联接本体的所述至少一个端部上时，所述环和所述联接本体向所述主密封件施加压紧力，所述压紧力足以造成所述环的弹性变形以及所述联接本体和所述管道的永久变形，从而以非泄漏方式将所述管道与所述联接本体附接。所述永久地密封的流体系统进一步包括：第一工件，所述第一工件包括第一件焊接表面，所述第一件焊接表面通过焊接连结部以非泄漏方式永久地密封到所述流体配装件焊接表面，所述焊接连结部能够通过将所述流体配装件焊接表面和所述第一件焊接表面摩擦焊接在一起以形成密封的流体连接而获得。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本申请的实施例，在附图中：

图1示意性地示出了示例流体配装件的截面图；

图2示出了第一坯料块和第二坯料块的示例；

图3示出了第一坯料块和图1中所示的示例流体配装件；

图4示出了第一坯料块和示例端连接器；

图5示出了图4中所示的示例端连接器和图1中所示的示例流体配装件；

图6a至图6d示意性地示出了对准结构的示例；

图7示意性地示出对准结构的另一示例；

图8示意性地示出了对准结构的又一示例；

图9示出了摩擦焊接到管道部段的流体配装件；

图10a至图10b示出了利用本文的摩擦焊接制造方法可能实现的“按订单生产”(mto)歧管的示例；以及

图11a至图11d示出了摩擦焊接到各种流体元件的流体配装件的各种示例。

具体实施方式

在本发明的以下描述中，对形成本发明的一部分的附图进行了参照，其中在附图中以图示的方式示出了说明本发明的原理以及可以如何实践本发明的示例实施例。应理解，可以利用其他实施例来实践本发明，并且可以对本发明做出结构和功能的改变而不脱离本发明的范围。

本发明的实施例涉及摩擦焊接的流体系统。现在将参照附图来描述本发明，其中所有附图中的相似的附图标记用于表示相似的元件。应理解，在不同的视图之间或在给定的视图内，各个图形不一定按比例绘制。而且，部件的尺寸在某种程度上任意地绘制，以便于理解附图。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，但是在某些情况下可以在不具备那些具体细节的情况下实践本发明。另外，所讨论的示例并非旨在限制本发明。例如，在其他示例甚至是其他类型的装置、设备和方法中，可以利用所公开示例的一个或多个方面。

关于本文的公开内容，仅出于方便和清楚的目的，可以使用方向性术语，诸如，顶部、底部、左、右、向上、向下、上、下、上方、之上、下方、之下、后以及前。这些方向性术语不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。应理解，本文呈现的实施例是举例形式而非限制形式的。尽管对示例实施例进行讨论，但是以下详细描述的意图应被解释为覆盖可能落入发明的精神和范围内的实施例的所有改型、替代方案和等同物。

流体系统通常包括多个流体元件，这些流体元件流体地联接在一起以形成将流体从一个区域输送到另一个区域的系统。出于本公开的目的，术语“流体”是指任何液体或气体，而并非仅仅涉及任何特定类型的流体。另外，可以预见，除了流体之外或代替流体，本文所述的流体系统能够运送散体颗粒。出于本公开的目的，本文所使用的术语“流体元件”是指构造成经其容纳流体、分配流体、接收流体和/或输送流体的结构。这种流体元件可以包括例如管状体、管道、歧管、流体连接器、阀、泵、喷嘴、贮存器、传感器系统、其任意组合或构造成经其容纳流体、分配流体、接收流体和/或输送流体的任何其他元件。

往往希望流体配装件与用于将流体元件与一些对应结构流体地联接起来的端连接器永久地连接。这种端连接器可以是现成的或定制的。常规而言，流体配装件热焊接到端连接器。流体配装件、诸如以手动的方式或通过“机器式”脉冲气体钨极电弧焊接过程(gtaw-p)、焊接到端连接器。成品的组合式配装件提供了代替传统的现场焊接的管道配装件的独特且成本经济的替代方案。然而，尽管机器式gtaw-p过程产生了优于传统“现场”焊接过程的一致的高质量焊接部，但它产生相对较大的焊接表面面积和热影响区(haz)。gtaw-p过程是一种“热作业”过程，其中由于焊接电弧所产生的热量，材料从固态转变为熔融状态。该过程需要保护气体以及将填料金属引入熔融焊池中，从而使得焊接连结部易受污染，进而导致产生气孔(焊接部中的气窝)。需要改进的永久连接。

摩擦焊接是低温、固态焊接过程。该过程不会使金属液化，而是将材料加热至塑性状态。通过使一个部件相对另一部件运动而经摩擦产生热量，然后向相匹配的部件施加锻压力。在相匹配的材料之间形成的焊合线产生非常小的热影响区(haz)、较小的焊接表面面积，并且维持材料微结构和大多数材料特性。摩擦焊接产生全断面表面锻造件，这种锻造件产生不存在气孔的强度非常高、应力较低的焊接部，并且在大多数情况下，不需要特殊的连结部设计或重要的连结部配合。焊接连结部强度始终等于或强于母材强度。

摩擦焊接过程可以在不使用填充金属、焊剂或保护气体的情况下得以完成。摩擦焊接过程还使能源消耗最小化，产生少量的或不产生烟尘、气体、烟雾或废物。该过程高度可控，并且产生可重复的cnc控制的高质量焊接连结部。通常，摩擦焊接的部件是圆形的。然而，利用当今的技术，可以连结的应用、部件、材料类型、尺寸和形状几乎是无穷无尽的。制造近成形(near-netshape)坯料的能力创造了减少材料消耗和缩短机加工周期时间的机会。将类似不锈钢合金的异种金属连结至其他金属提供了独特的设计灵活性。

转到图1，其示出了流体配装件10的一个实施例。该示例配装件包括配装件本体12，并且还可以包括驱动环14，配装件本体和驱动环一起用于将(多个)管道16连结到流体配装件10。在一个实施例中，配装件本体12、驱动环14和管道16大体上关于中心轴线x对称，并且它们之间沿圆筒形接触区域的长度的干涉具有预定比。流体配装件10可以用于连接薄壁管道或厚壁管道，诸如尺寸从1/4“nps到4”nps的管道，但是其他管道尺寸也可以从示例配装件中获得益处。在共同拥有的美国专利第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号和第5,110,163号中示出了各种示例配装件，上述各专利的整体内容均通过参引而明确地并入本文。

广义而言，在管道16上安装流体配装件10可能使与其联接的管道16产生永久的、不可逆转的变形，从而在管道16与配装件本体12之间提供金属对金属的密封。在图1中所示的实施例中，配装件本体12具有第一部分18和第二部分20，第一部分18和第二部分20分别限定第一开口22和第二开口24。配装件本体12可以根据所需用途包括任意数量的部分。第一开口22和第二开口24经配装件本体12中的通道或孔26而彼此流体连通。

在一个实施例中，配装件本体12的第一部分18呈大体上关于中心轴线x对称的套筒的形式。第一部分18包括内表面28和外表面30。内表面28可以限定一个或多个向内指向的脊32或齿，该脊32或齿可以在流体配装件10与管道16之间形成密封件。脊32可以绕中心轴线x完全地或部分地沿内表面28延伸。当流体配装件10与管道16连接时，脊32形成构造为夹紧管道16的齿。密封件可以包括内侧密封件、(多个)主密封件、外侧密封件等中的任意一者。当前实施例中的配装件本体12的第二部分20同样呈大体上关于中心轴线x对称的套筒的形式。然而，配装件本体12的第一部分18和第二部分20可以采用用于所需用途的任何形状。

在一个实施例中，第一部分18和第二部分20对准，使得流体可以以沿中心轴线x的直线路径穿过通道或孔26而在第一开口22与第二开口24之间连通。但是，应理解，在其他示例中，第一部分18和第二部分20可以以替代的方式对准。例如，在一个示例中，第二部分20可以横向于(例如，基本上垂直于)中心轴线x而对准，并且通道或孔26可以具有弯曲部(例如，90°的转向)以允许第一开口22与第二开口24之间的流体连通。在其他示例中，弯曲部可以小于90°的转向。此外，尽管上文将第一部分18和第二部分20描述为大体上对称的结构，但应理解，在一些示例中，第一部分18和第二部分20中的任一者或二者可以是不对称的。

第一部分18构造为在其中接纳管道16的一部分。在管道16被接纳于第一部分18内的同时，驱动环14可以轴向地(即，沿中心轴线x)滑动越过第一部分18，以将管道16固定至第一部分18。更具体地，流体配装件10被设计成包括驱动环14、第一部分18以及管道16之间绕中心轴线x的预定干涉比。因此，当驱动环14朝向配装件本体12的凸缘34轴向地滑动越过第一部分18时，驱动环14将干涉第一部分18并径向向内(即，朝向中心轴线x)地压紧第一部分18，该第一部分18又将干涉管道16并使管道16变形。特别地，第一部分18的所述至少一个脊32将咬合到管道16的外表面中(例如，管道16的外周中)，从而使管道16变形并在管道16与第一部分18之间形成将管道16固定至第一部分18的流体不能透过的金属对金属的密封件。在一个实施例中，第一部分18设计成干涉管道16，使得上述至少一个脊32将压紧管道16并使管道16首先弹性地然后塑性地压紧变形，从而在管道16与第一部分18之间形成360°周向的永久金属对金属的密封件。

因此，流体配装件10的第一部分18设计成使得流体配装件10可以通过将管道16的一部分插入流体配装件10的第一部分18中然后使驱动环14朝向凸缘34轴向地滑动越过在一部分18而固定至管道16。此外，管道16的插入流体配装件10的第一部分18中的部分可以具有开口36，使得当流体配装件10和管道16如此固定时，管道16的开口36将与流体配装件10的通道或孔26流体连通。因此，流体配装件10的第一部分18和驱动环14可以允许管道16与流体配装件10之间的流体联接。

在密封过程期间，可以在套筒上将驱动环14轴向地推动至最终安装位置。在最终安装位置，驱动环14可以与凸缘34抵接或接合。可替代地，驱动环14可以定位成邻近凸缘34而在最终安装位置中不与其接触。在另一替代方案中，流体配装件10可以不包括凸缘，并且将轴向地推动驱动环14直至到达所需的最终安装位置。在第一部分18的径向移动和管道16的变形的同时，驱动环14向外地径向移动。驱动环14的这种径向移动通常是弹性的，并且导致驱动环14的直径仅少量地增加。然而，在其他实施例中，驱动环14的径向移动可以不只是弹性的径向移动。

在一些示例中，流体配装件10的第二部分20可以以类似于第一部分18的方式构造，使得管道16可以插入其内，并且驱动环14可以滑动越过第二部分20以将管道16流体地联接到第二部分20。然而，在一些应用中，可能需要、例如、诸如螺纹连接或可压扁的套管等之类的不同类型的连接。此外，在一些应用中，可能需要流体配装件10的第二部分20与另一流体元件永久地附接，使得不需要在现场将流体配装件10安装至流体元件。作为制造用于这些不同应用的流体配装件10的一种方法，可以生产出多种流体配装件10，其具有与其本体的第二部分20一体地形成的不同类型的流体元件(例如，管道、连接器等)。然而，这种集成方法可能需要针对每个不同的流体配装件10使用不同的处理技术(例如，不同的机加工技术和固定装置、不同的模具等)。此外，在常规的制造技术的情况下，如果需要流体配装件10的本体12和另一结构的材料不同，则可能不希望将本体12与其它结构集成。因此，现在将描述一种新颖的制造过程，其中每个流体配装件10的第二部分20均经由摩擦焊接过程与另一非集成的结构永久地连接，其可以消除与使该结构与流体配装件10集成相关联的常规缺陷。

申请人已经发现了两种不同类型的摩擦焊接，它们非常适合于制造本文所述类型的组合式配装件。第一种是所谓的“自旋焊接”，其中通过使至少第一工件的表面在第二工件的表面上连续地旋转、同时向工件施加锻压力以将两个表面压合在一起而产生摩擦。第二种是所谓的“线性摩擦焊接”，其中通过使至少第一工件的表面在第二工件的表面上来回地滑动(即，线性滑动运动)、同时向工件施加锻压力以将两个表面压合在一起而产生摩擦。

现在将讨论各种制造组合。上面讨论的摩擦焊接方法中的任一种均可以在以下组合中使用，或者可以使用其他摩擦焊接方法以在工件之间产生摩擦。

在第一种方法中，如图2所示，可以提供第一坯料块38和第二坯料块40。第一坯料块38和第二坯料块40中每一者的形状均可以大体呈圆柱形，但是各种其他形状也是可能的(例如，正方形、矩形、三角形、八角形、多角形等)。实际上，摩擦焊接的一个优点是待焊接在一起的两个元件不需要具有相同的形状、轮廓或横截面面积。此外，第一坯料块38和第二坯料块40的形状和/或尺寸可以基本上相同，或者第一坯料块38和第二坯料块40的形状和/或尺寸可以不同。第一坯料块38和第二坯料块40可以通过摩擦焊接过程焊接在一起。在一个实施例中，在第二坯料块40的表面44上沿预定样式驱动第一坯料块38的表面42，同时沿压合轴线y向两个坯料块38、40施加锻压力以将表面42、44压紧在一起，进而在其间产生摩擦。当使用“自旋焊接”技术时，优选地，这些块具有旋转对称的形状，并且压合轴线y是块的旋转轴线，但这不是必需的。

在第一实施例中，第一坯料块38和第二坯料块40可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42在第二坯料块40的表面44上以周期性的摆动方式来回地滑动(即，线性滑动/平移运动)，同时沿压合轴线y向坯料块38、40施加锻压力，以将表面42、44压紧在一起。在另一实施例中，第一坯料块38和第二坯料块40可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42绕压合轴线y旋转。沿压合轴线y向坯料块38、40施加锻压力，以将第一坯料块38的旋转表面42和第二坯料块40的表面44压紧在一起。

一旦焊接在一起，那么就可以对第一坯料块38进行机加工以形成、例如、诸如上述的流体配装件10之类的配装件。而且，可以对第二坯料块40进行机加工以形成、例如、诸如凸缘或其他类型的流体连接器之类的流体元件。然而，第一坯料块38和第二坯料块40的最终机加工而成的形状不限于此，而是第一坯料块38和第二坯料块40可以机加工成用于所需用途的任意所需形状。第一坯料块38和第二坯料块40的这种机加工可以包括例如车削、钻孔和/或铣削过程，以从第一坯料块38和第二坯料块40中去除材料。此外，这种机加工可以通过机加工设备的计算机数控(cnc)或通过机加工设备的手动操作进行。

上述第一种方法对于连接在焊接之前不能进行机加工或者不希望进行机加工的两个工件而言特别有用。例如，如果两个工件的机加工部分不能承受摩擦焊接的温度或运动，则可以首先将第一坯料块38和第二坯料块40焊接在一起，然后可以对坯料块进行机加工以形成所需的工件。

在第二种方法中，如图3所示，可以一同提供第一坯料块38以及、例如、诸如上述的流体配装件10之类的预制的配装件。第一坯料块38和流体配装件10可以通过摩擦焊接过程焊接在一起。在一个实施例中，在流体配装件10的表面46上沿预定样式驱动第一坯料块38的表面42，同时沿压合轴线y向第一坯料块38和流体配装件10二者施加锻压力以将表面42、46压紧在一起，从而在其间产生摩擦。

在第一实施例中，第一坯料块38和流体配装件10可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42在流体配装件10的表面46上以周期性的摆动方式来回地滑动(即，线性滑动/平移运动)，同时沿压合轴线y向第一坯料块38和流体配装件10施加锻压力以将表面42、46压紧在一起。在另一实施例中，第一坯料块38和流体配装件10可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42绕压合轴线y旋转。沿压合轴线y向第一坯料块38和流体配装件10施加锻压力，以将第一坯料块38的旋转表面42和流体配装件10的表面46压紧在一起。

一旦焊接在一起，那么就可以对第一坯料块38进行机加工以形成、例如、诸如凸缘或其他类型的流体连接器之类的流体元件。然而，第一坯料块38的最终机加工而成的形状不限于此，而是第一坯料块38可以机加工成用于所需用途的任意所需形状。第一坯料块38的这种机加工可以包括例如车削、钻孔和/或铣削过程，以从第一坯料块38中去除材料。此外，这种机加工可以通过机加工设备的计算机数控(cnc)或通过机加工设备的手动操作进行。

在第三种方法中，如图4所示，可以一同提供第一坯料块38以及、例如、诸如现成的或定制的连接器48之类的预制的流体元件。第一坯料块38和连接器48可以通过摩擦焊接过程焊接在一起。在一个实施例中，在连接器48的表面50上沿预定样式驱动第一坯料块38的表面42，同时沿压合轴线y向第一坯料块38和连接器48二者施加锻压力以将表面42、50压紧在一起，从而在其间产生摩擦。

在第一实施例中，第一坯料块38和连接器48可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42在连接器48的表面50上以周期性的摆动方式来回地滑动(即，线性滑动/平移运动)，同时沿压合轴线y向第一坯料块38和连接器48施加锻压力以将表面42、50压紧在一起。在另一实施例中，第一坯料块38和连接器48可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中第一坯料块38的表面42绕压合轴线y旋转。沿压合轴线y向第一坯料块38和连接器48施加锻压力，以将第一坯料块38的旋转表面42和连接器48的表面50压紧在一起。

一旦焊接在一起，那么就可以对第一坯料块38进行机加工以形成、例如、诸如上述的流体配装件10之类的配装件。然而，第一坯料块38的最终机加工而成的形状不限于此，而是第一坯料块38可以机加工成用于所需用途的任意所需形状。第一坯料块38的这种机加工可以包括例如车削、钻孔和/或铣削过程，以从第一坯料块38中去除材料。此外，这种机加工可以通过机加工设备的计算机数控(cnc)或通过机加工设备的手动操作进行。

上述第二种方法和第三种方法对于在下述情况下连接两个工件而言可能特别有用，其中一个部件是预制的而另一个部件在焊接之前不能进行机加工或者不希望进行机加工。此外，上述第二种方法和第三种方法对于在下述情况下连接两个工件而言可能特别有用，其中在焊接后将会难以对一个部件进行机加工。

在第四种方法中，如图5所示，可以提供、例如、诸如现成的连接器48之类的预制的流体元件。此外，还可以提供、例如、诸如上述的流体配装件10之类的预制的配装件。流体配装件10和连接器48可以通过摩擦焊接过程焊接在一起。在一个实施例中，在连接器48的表面50上沿预定样式驱动流体配装件10的表面46，同时沿压合轴线y向流体配装件10和连接器48二者施加锻压力以将表面46、50压紧在一起，从而在其间产生摩擦。

在第一实施例中，流体配装件10和连接器48可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中流体配装件10的表面46在连接器48的表面50上以周期性的摆动方式来回地滑动(即，线性滑动/平移运动)，同时沿压合轴线y向流体配装件10和连接器48施加锻压力，以将表面46、50压紧在一起。在另一实施例中，流体配装件10和连接器48可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中流体配装件10的表面46在连接器48的表面50上绕压合轴线y旋转，同时沿压合轴线y向流体配装件10和连接器48施加锻压力，以将表面46、50压紧在一起。在另一实施例中，流体配装件10和连接器48可以通过下述摩擦焊接过程焊接在一起，其中流体配装件10的表面46绕压合轴线y旋转。沿压合轴线y向流体配装件10和连接器48施加锻压力，以将流体配装件10的旋转表面46和连接器48的表面50压紧在一起。

上述第四种方法对于在下述情况下连接两个工件而言可能特别有用，其中两个工件都是预制的。此外，上述第四种方法对于在下述情况下连接两个工件而言可能也是有用的，其中在焊接后将会难以对上述两个部件进行机加工。

在“线性摩擦焊接”期间，优选的是使工件沿与压合轴线y垂直的轴线滑动以产生所需的摩擦。然而，使工件滑动所沿的轴线的角度不需要是竖直的，而是可以是任一角度，只要工件的运动产生足够的摩擦即可。而且，可以设想，工件可以相对于压合轴线y以各种角度沿多个轴线滑动，以产生所需的摩擦。

上述任意制造方法可以通过部分机加工步骤而进一步增得到强。例如，可以对坯料块进行部分地机加工以部分地形成部件，然后将其摩擦焊接到另一部件，然后进行精加工以提供成品部件。类似地，根据需要，可以对任意部件进行预加工和/或后加工。

应理解，仅一个元件可以平移或旋转而另一元件固定，但是也可以设想两个元件都可以平移，只要存在足以在其间造成摩擦的相对运动即可。例如，在一个实施例中，第二工件保持静止，而沿预定路径驱动第一工件，即对于“自旋焊接”而言使其旋转或者对于“线性摩擦焊接”而言使其线性地滑动。在另一实施例中，可以沿与第一工件的预定路径不同的第二预定路径驱动第二工件。在该实施例的一种变体中，第二工件沿与第一工件在“自旋焊接”操作中的旋转方向相比而言相反的方向绕推压轴线旋转。在另一种变体中，第一工件以第一旋转速度绕推压轴线旋转，而第二工件以第二旋转速度绕推压轴线旋转。第二旋转速度在速度和/或方向中任意方面可以与第一旋转速度相似或不同。在该实施例的另一变体中，第一工件沿第一轴线线性地滑动，而第二工件沿与第一轴线不同的第二轴线线性地滑动。在该实施例的又一变体中，第一工件沿第一轴线以第一速度线性地滑动，而第二工件以第二速度线性地滑动，第二速度可以与第一速度相似或不同。上述任意实施例均可以单独使用或以组合的方式使用以产生所需的摩擦。此外，可以根据所需用途沿任何期望的样式驱动元件，只要存在足以在其间造成摩擦的相对运动即可。

现在将讨论用于抵靠彼此地驱动表面的过程的两种示例类型：直驱式旋转摩擦焊接和惯性摩擦焊接。直驱式方法在整个周期中提供持续的速度控制，并根据专为该部件开发的计算机参数而停止。惯性摩擦焊接使用惯性轮在“自旋焊接”操作中在部件保持卡盘中产生旋转动量。飞轮驱动的卡盘自旋直至焊接区咬接住(seize)时停止。尽管可以使用这两种类型的过程，但是应理解，也可以使用其他类型的摩擦焊接驱动过程。

另外，为了使第一工件的表面与第二工件的表面对准以用于上述任意制造方法，第一工件和第二工件中的任一者或两者可以包括对准结构。在一个实施例中，对准结构用于在摩擦焊接过程期间确保工件的精确同心度。这对于旋转的“自旋焊接”技术而言特别有用。应理解，尽管在图6至图7中例示的实施例在坯料块38、40的表面上示出，但是在流体配装件10、预制管道16或流体元件、端部连接器48等和/或与所需用途相符的任何其他类型的工件的表面上也可以包括上述实施例。

在图6a所示的一个实施例中，第二坯料块40可以包括机加工到第二坯料块40的表面44中的凹入的圆形槽52，而第一坯料块38可以包括在表面42上机加工出的配装在第二坯料块40的槽52内的对应的凸脊或圆环54，反之亦然。在又一示例中，第一坯料块38和第二坯料块40二者都可以具有配装在相对部件的槽内的凸起的圆环，以提供双重对准结构。这些凸起环可以是同心的、具有不同的直径(例如，第一工件上的凸起环的直径可以大于第二工件上的凸起环的直径，反之亦然)、具有相似的直径、非同心的，或者用于所需用途的任何其他所需构型。对准结构可以包括连续的环或者可以包括离散的部件。优选地，对准结构关于旋转轴线旋转对称并且还旋转平衡以避免部件的偏心振动。另外，由环/槽的组合造成的长度偏移不应阻止表面42、44的至少一些部分的进行摩擦焊接所需的直接接触。

还可以设想，凸脊54和/或对应的槽52中的任一者可以具有促进凸起环与适当的槽的对准及在其中的正确插入的倒圆边缘或渐缩边缘几何形状。例如，如图6b至图6d所示，在各种实施例中，渐缩边缘可以从旋转轴线向外(即，朝向外径/外周，诸如图6b中所示的54b)延伸，或者可以从旋转轴线向内(即，朝向旋转轴线，诸如图6c中所示的54c)延伸，或者可以形成三角形形状(诸如，图6d中所示的54d)。当向部件施加锻压力时，成角度的表面可以用作凸轮，以使部件之间的对准结构自对准，从而使部件的旋转轴线同心。然而，所讨论的这些形状不是限制性的，而是脊可以采用用于所需用途的任何形状。在使用两个或更多个凸起环的情况下，可以设想一些凸起环可以向内渐缩而另一些凸起环可以向外渐缩，然而，环之间的关系不限于此并且它们可以采取任何所需的形状。在一个实施例中，可以对第一坯料块和/或第二坯料块的焊接表面进行机加工以形成凸脊、凹槽或圆环。在另一实施例中，凸脊、凹槽或圆环可以与第一坯料块和/或第二坯料块分离地形成并与第一坯料块和/或第二坯料块附接。

在图7所示的又一实施例中，可以使用凸脊而不设置槽，由此第一坯料块38和第二坯料块40二者均包括凸脊56a、56b。在一个实施例中，第二坯料块40包括在表面44上机加工出的一对脊56a，而第一坯料块38包括具有中间直径的脊56b，该脊容纳于成对的脊56a之间并在其之间居中。换句话说，成对的径向间隔开的凸脊56a之间的间隙或谷可以用作用于相对的脊56b的定心槽。还可以在两个工件上均使用两个或更多个凸脊。还可以设想，每个部件均可以仅利用一个延伸脊，即仅利用一个凸脊56a和一个凸脊56b。以这种方式，在施加锻压力的情况下，两个对置的凸脊56a、56b之间的接触将使部件对准成同心。根据在自旋焊接过程期间保持工件的同心度的需要，可以使用这些脊的各种组合和变形。此外，凸脊可以具有促进凸起环与适当的间隙或谷的对准及在其中的正确插入的倒圆边缘或渐缩边缘几何形状。例如，凸脊可以具有如上所讨论的渐缩边缘，或者可以根据所需用途使用任何形状。对准结构可以包括连续的环或者可以包括离散的部件。优选地，对准结构关于旋转轴线旋转对称并且还旋转平衡以避免部件的偏心振动。另外，由环的组合造成的长度偏移不应阻止表面42、44的至少一些部分的进行摩擦焊接所需的直接接触。

在一个实施例中，可以对第一坯料块和/或第二坯料块的焊接表面进行机加工以形成凸脊或圆环。在另一实施例中，凸脊或圆环可以与第一坯料块和/或第二坯料块分离地形成并与第一坯料块和/或第二坯料块附接。最后，尽管凸脊和槽示出为位于将被摩擦焊接的端面或表面上，但是可以设想，这些或其他对准结构可以位于非焊接表面上，诸如第一工件和/或第二工件的外径和/或内径。可以使用适合与旋转过程一起使用的其他类型的对准结构，由此两个部件在相对于彼此旋转的同时被带动聚在一起。

在图8所示的又一实施例中，在第一工件或第二工件中任一者或两者上设置内径(“id”)对准凸台58。更具体地，id对准凸台58设计成具有对应于相对的本体的id的最大外径。在下面的讨论中，对位于流体配装件10上的id对准凸台58进行参照，然而，它不限于此，而是id对准凸台58可以与符合所需用途的任何所需工件附接。

在图8所示的该实施例中，在流体配装件10上设置id对准凸台58，并且id对准凸台58的最大外径可以对应于端连接器48的id。id对准凸台58的最大外径可以与端连接器48的id相等或者基本上相等(略微更大或更小，或是有意地或是因制造公差而导致)。这种方法的一个优点是，考虑到对准凸台将被焊接缩锻(weldupset)消耗，该设计提供的附加表面区域可以提供更稳定且一致的摩擦焊接并可能降低未焊透(lackoffusion)的可能性。id对准凸台58从流体配装件10的焊接表面46向外延伸预定距离。在对准凸台与流体配装件10成整体的情况下，id对准凸台58的最靠后的点可以延伸通道或孔26的整个长度。在另一实施例中，最靠后的点可以与流体配装件10的焊接表面46处于同一直线上，或者id对准凸起58可以向内延伸到通道或孔26中一预定距离处。在一个实施例中，id对准凸台58沿通道或孔26的长度的一部分延伸到由虚线60示意性指示的位置处。

id对准凸台58可以以与所需用途相符的任何方式形成。在一个实施例中，id对准凸台58与流体配装件10成整体(尽管图8中示出为不同的示意性交叉阴影线图案)并且通过使流体配装件10形成有通道或孔26和总壁厚t来制造。然后，沿流体配装件10的预选长度移除(即，机加工)壁的外表面的一部分(厚度d)，以形成id对准凸台58。去除的厚度d使得对准凸台58的外径小于或基本上等于端连接器48的内径。在另一实施例中，流体配装件10形成有通道或孔26和总壁厚d。对应于id对准凸台58的所需形状和尺寸的单独件(例如另一管道或插入件)可以之后以非泄漏方式、例如、通过部分地插入到通道或孔26中与流体配装件10附接。

上述制造方法对于支持“按订单生产”(mto)操作的柔性制造而言同样有用。例如，使用如本文所述的摩擦焊接过程可以容易地制造无数种类型和构型的流体歧管或其他定制流体联接器。尽管这里以示例方式使用术语“歧管”，但是应理解，该描述可以类似地适用于传输流体但可能不符合“歧管”的传统定义的各种管道部段或元件。不同类型的流体配装件、连接器等可以以流体不可透过的方式焊接至主歧管元件上的不同位置。这些流体配装件和连接器可以包括本文所述的流体配装件10或各种其他类型的预制流体部件。主歧管元件可以呈具有相对平坦侧面的正方形或矩形几何形状、具有弯曲外表面的弯曲几何形状(例如，具有圆形或椭圆形横截面)或与所需用途相符的任何几何形状。

为了制造定制歧管或其他“按订单生产”部件，可以首先在主歧管元件的外表面中开设(cut)通孔或孔隙。接下来，将待附接的部件在所开设的孔的上方对准(例如，使该部件的轴线与所开设的孔的轴线同轴)，并且使用本文所述的任意方法通过摩擦焊接而附接。可以执行任何焊前或焊后机加工操作。可以设想，可以沿预定路径驱动歧管和部件中的任一者或两者，以提供足以进行摩擦焊接的相对运动。

在待焊接在一起的表面明显为圆形的情况下，可以优选地使用本文所述的任意自旋焊接方法来将表面摩擦焊接在一起，然而也可以使用本文所述的任意线性摩擦焊接方法。在待焊接在一起的表面并非明显圆形的情况下或者在一个部件不能相对于另一部件旋转的情况下，可以优选地使用本文所述的任意线性摩擦焊接方法来对表面进行摩擦焊接。线性摩擦焊接提供了明显的益处，即可以根据需要使最终用户/客户所需的精确的流体配装件、连接器等在主歧管元件上精确地定位和取向，在进行更换或将新元件改装到旧的现有系统时经常需要这种操作。

图9示出了利用了流体配装件62的“按订单生产”t形连接器示例，流体配装件62使用本文所述的线性摩擦焊接方法与标准管道部段64附接。尽管在该示例中使用了标准管道部段64，但是应理解，实际上，任何流体本体、包括非标准管道部段或歧管、都可以用于将一个或多个流体配装件与其连接。管道部段64还可以包括附加流体配装件66(预制的或后制的)。当流体配装件62摩擦焊接到管道部段64时，流体配装件62的流体通道68将与管道部段64的流体通道70流体连通。另外的工件可以附加地摩擦焊接至管道部段64。可以首先在管道部段64的外表面中开设通孔或孔隙，诸如在由虚线72、74标记的部段处。接下来，将待附接的工件在所开设的孔的上方对准(例如，使该工件的轴线与所开设的孔的轴线同轴)，然后使用本文所述的任意方法通过摩擦焊接而附接工件。在图9所示的示例中，使用线性摩擦焊接，但是也可以使用旋转式摩擦焊接。如可以理解的那样，在多个工件或流体配装件与管道部段附接的情况下，更有可能的是每一者均通过单独的线性摩擦焊接技术而附接(特别是在制造出的组合并非旋转对称或旋转平衡并且不能使用旋转式自旋焊接的情况下)。之后，可以执行任何焊前或焊后机加工操作。在图9所示的示例实施例中，孔或孔隙基本上呈圆形，但是孔或孔隙可以采用用于所需用途的任何形状或尺寸。

图10a和图10b示出了“按订单生产”部件的另一示例实施例。该示例实施例包括具有使用本文所述的线性摩擦焊接方法附接的多个工件的歧管。例如，如图10所示，使用如本文所述的线性摩擦焊接过程可以容易地制造无数种类型和构型的流体歧管或其他定制流体联接器。尽管这里以示例方式使用术语“歧管”，但是应理解，该描述可以类似地适用于传输流体但可能不符合“歧管”的传统定义的各种管道部段或元件。如各图示示例所示，不同类型的流体配装件、连接器等可以以流体不可透过的方式焊接至主歧管元件上的不同位置。这些流体配装件和连接器可以包括本文所述的配装件10或各种其他类型的预制流体部件。在图10a所示的示例中，歧管76被示出为呈具有大致方形横截面的大致矩形形状，但这仅仅是为了便于说明。应理解，歧管76可以具有与所需用途相符的各种几何形状、长度等。此外，尽管主歧管元件被示意性地描绘为成具有相对平坦侧面的正方形或矩形几何形状，但是可以设想，主歧管元件也可以是具有弯曲外表面的弯曲管道(例如，具有圆形横截面)。在图10b所示的示例中，多个工件包括各种尺寸的圆柱形块78。然而，上述多个工件可以包括尺寸和形状全部统一的工件，或者可以包括尺寸和/或形状不同的工件。因此，可以设想与所需用途相符的上述多个工件中每一者的尺寸或形状的任意组合。摩擦焊接的优点在于，多个工件可以以各种取向焊接至单个歧管。在图10b所示的示例中，特别地在歧管76具有非旋转对称形状的情况下或者在歧管位于或预安装在非制造位置中(即，在现场等)的情况下，块78以相对于其他工件的各种角度线性摩擦焊接在歧管76的各个侧面上。上述多个工件可以以与所需用途相符的任何所需取向焊接在歧管上。虽然图10b将多个工件示出为块78，但是在示例实施例中的一些或全部这些工件同样可以包括流体配装件10、预制管道16或流体元件、端连接器48等，和/或与所需用途相符的任何其他类型的工件。实际上，取决于所需的使用情况，利用预制的流体配装件10或管道16、流体元件、端连接器48等并将其附接至歧管76可以提供制造优势。

为了制造定制歧管或其他“按订单生产”部件，可以使用与图9所述的过程相似的过程。例如，可以首先在主歧管元件的外表面中开设通孔或孔隙。接下来，将待附接的流体元件在所开设的孔的上方对准(例如，同轴地)，并且使用本文所述的任意方法(第一方法、第二方法、第三方法、第四方法)通过线性摩擦焊接而附接。可以执行任何焊前或焊后机加工操作。可以设想，可以移动/平移歧管和流体配装件中的任一者或两者，以提供足以进行摩擦焊接的相对线性运动。关于图10a至图10b中所示的独特且非对称形状，这提供了相比自旋焊接而言的明显优势。因此，线性摩擦焊接提供了明显的益处，即可以根据需要使最终用户/客户所需的精确的流体配装件、连接器等在主歧管元件上精确地定位和取向，在进行更换或将新元件改装到旧的现有系统时经常需要这种操作。

图11a至图11d仅示出了许多可能的“按订单生产”部件的一些更多的示例实施例。在这些示例实施例中，上述流体配装件10已经通过本文所述的摩擦焊接方法连接到各种流体元件。例如，图11a示出了与圆形凸缘连接器80连接的流体配装件10。此外，图11b示出了与六角形凸缘连接器82连接的流体配装件10，并且图11c示出了该六角形凸缘连接器的面向外部的表面84。尽管图11a至图11c所示的凸缘连接器是圆形的或六角形的，但是凸缘连接器可以采用与所需用途相符的任何形状(例如三角形、矩形、正方形、椭圆形、直角形、多角形、定制形状等)。此外，图11d示出了与示例t形连接器86的端部连接的三个流体配装件10。这些示例实施例例示了通过本文所述的摩擦焊接方法形成的可能的“按订单生产”部件，并且不起到限制所述发明的范围的作用；实际上，本文所述的摩擦焊接方法可以用于产生几乎任何所需的定制流体传输部件或组件。如可以理解的那样，这些或其他实施例可以利用申请人的流体配装件来创建，该流体配装件使用本文所述的旋转式摩擦焊接方法或线性摩擦焊接方法附接到标准管道部段、端连接器或包括(预加工或后加工的)附加流体配装件的管道部段。

本文所述的所提出的制造方法的若干优点包括：能够在部件的所有阶段(成品阶段、半成品阶段和原材料阶段)焊接复杂的形状或圆形形状；易于连结钢及有色金属的组合物；可以连结异种金属的组合物；可以将粉末金属部件焊接到其他粉末金属、锻造件、铸造件或可锻材料件；缩小haz(热影响区)；提高焊接质量；提高部件质量；独特地应用于含有压力的管道部件的先进技术过程；通过焊后机加工降低成本(消除昂贵半体的损失)；专为支持“按订单生产”(mto)操作而设计的柔性制造；无法在现场重复的先进技术过程；以及消除用于满足机械要求的昂贵的锻造件和所需的测试。

在该设备的开发期间，申请人还进行了实验测试，其产生了令人惊讶的结果，表明与现有技术相比，本文所述的摩擦焊接方法以降低的制造成本生产出优异的部件。在2”nps碳钢试样上进行初始试验。用于试样的材料是a106和astm513dom材料。试样上使用的连结部构型是方形对接连结部。在摩擦焊接试样上进行了非破坏性和破坏性测试。所有非破坏性测试包括按照asmeb31.3正常操作条件(normalservice)的放射线照相检查。破坏性测试包括拉伸和导向弯曲测试以及宏观硬度检查、包括全断面硬度测试。所有非破坏性和破坏性测试结果均可接受。

放射线照相检查显示焊接部在焊接连结部周围360度完全穿透，该焊接部中不存在气孔。由于相对较小的焊接界面和缩小的haz，在某种程度上难以将焊接部与基部金属区分开。焊道在x射线的作用下呈现为略微更亮的材料部段，这主要是由于焊道的均匀组成以及与基部金属相比略微更致密的焊接材料。宏观硬度测试中的蚀刻横截面显示出一致性焊道较窄、宽度约为1/8”，具有贯穿基部材料的完全一致的焊合线。焊接部尺寸约为常规gtaw-p焊接部的尺寸的一半。

硬度测试结果透露更多，并且显示出在焊道和焊合线两侧上的硬度变化相对较小。焊接部段显示出与haz和基部金属相比硬度略微增加。这些结果与均匀同质的焊接区域相符，这种焊接区域通常比基部材料更加兼顾并且维持基部金属的机械性能。相比之下，gtaw-p焊接部通常在haz中硬度提升，但是焊道中的硬度显著降低。硬度测试结果如下，按物理顺序(从左至右)：基部材料(sa106)：198；haz：225；焊接部：256haz：217；基部材料(sas13)：229。根据astma370进行的摩擦焊接到a513管状体的a106管状体的摩擦最终焊接强度的拉伸测试结果如下：宽度(英寸)：0.25；厚度(英寸)：0.168；面积(平方英寸)：0.042；量具长度(英寸)：1.0；屈服强度：54,000；抗拉强度：81,500；伸长率(％)：27；断裂位置：a106基部金属。

以上使用具体示例在此描述了本发明；然而，本领域技术人员将理解，可以使用各种替代方案，并且可以用等同物代替本文所述的元件或步骤，而不偏离本发明的范围。可能需要进行修改以使本发明适应特定情况或特定需要，而不脱离本发明的范围。本发明不应被限于本文所述的特定实施方案，而是应给予权利要求最宽泛的解释，以覆盖由文字或等同物所涵盖的所有实施例。