JP5769793B2 - 耐食位置測定システム及びこのシステムを形成する方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１０年３月１６日に出願された米国特許仮出願第６１／３１４，２４８号の利益を主張し、その全体を参照として本明細書に組み込む。

本発明の開示は、概して位置測定システム及び位置測定システムを形成する方法に関する。

海洋石油掘削装置は、大抵、波に誘発された運動を補償するために、直接作動するテンショナーを含む。さらに具体的に言うと、直接動作するテンショナーは、一つまたはそれ以上のピストンロッドを有する重厚な油圧シリンダを含む。油圧シリンダは、連続して波に誘発された運動を減衰させ、それによって、掘削装置を平衡に保ち、かつ／または、掘削装置を安定させる。そのようなものとして、波の運動を減衰させることは、油圧シリンダ内のピストンロッドの位置を測定し、監視し、かつ、調整することによって、最適化される。さらに、油圧シリンダは、概して、掘削装置のデッキの下、つまり飛沫帯に取付けられ、かつ、それ故に大抵、風による塩水スプレー、海水、氷、移動するケーブル、及び／または、がれき等の非常に腐食しやすく、かつ、摩擦を誘発する環境にさらされる。その結果として、このような油圧シリンダのピストンロッドは、優れた耐食性と耐磨耗性とを示さなければならず、かつ、耐用年数にわたって亀裂がないことを維持しなければならない。

ピストンロッド及び油圧シリンダの他の型は、運河、水門、水力発電所、鋳造工場、及び、金属加工施設を含む適用に対する大きな仕切り弁を作動させることができる。仕切り弁を作動させることは、油圧シリンダ内のピストンロッドの位置または変位を測定し、かつ、調整することによって制御される。さらに、ピストンロッドは、多数の摩擦を誘発する変位を受けるかもしれないし、及び／または、油圧シリンダを動作させる間に機械、構成要素、及びシールの移動を経験するかもしれない。

位置測定システムを形成する方法は、第１材料から形成された基材の表面を溶解することを含み、この表面は、その中に少なくとも一つの溝を形成し、かつ、この表面は、少なくとも一つの溝の中で溶解される。また、この方法は、第２材料を溶解させ、少なくとも一つの溝に第２材料を堆積させ、第１材料と第２材料の混合物を形成することを同時に含む。さらに、この方法は、第１材料と区別可能であり、かつ、第１材料に金属結合されたインジケータ材料を形成するために、混合物を凝固させることを含む。また、この方法は、基材の上に合金を堆積させ、インジケータ材料及び表面を覆う耐食性クラッドを形成し、それによって位置測定システムを形成することを含む。

本発明における一つの実施形態において、この方法は、基材の表面を機械加工し、その中に複数の溝を形成することを含む。基材は第１磁性材料から形成され、かつ、縦軸を有する円柱ロッドである。複数の溝の各々は、縦軸に沿って複数の溝の隣接した一つから距離を置いて配置されており、かつ、この方法は、複数の溝の各々の中の表面を溶解し、それによって縦軸に沿って均一に複数の溝を分配することを含む。さらに、この方法は、複数の溝の各々の中に第２非磁性材料を溶解し、同時に第２非磁性材料を堆積させ、それによって、第１磁性材料と第２非磁性材料との複数のそれぞれの混合物を形成することを含む。また、この方法は、第１磁性材料と区別することができ、かつ、第１磁性材料に金属結合された非磁性のインジケータ材料を形成するために、複数のそれぞれの混合物の各々を凝固させることを含む。さらに、この方法は、基材の上に非磁性の合金を堆積させ、非磁性のインジケータ材料及び表面の各々を覆い、かつ、金属結合される耐食性クラッドを形成し、それによって位置測定システムを形成することを含む。

位置測定システムは、第１材料から形成される基材、及び、その中に少なくとも一つの溝を形成する表面を有することを含む。さらに、位置測定センサは、少なくとも一つの溝の中に配置されたインジケータ材料を含む。インジケータ材料は、第１材料と第２材料との混合物から形成され、かつ、第１材料と区別することができかつ第１材料に金属結合されている。その上、位置測定システムは、インジケータ材料及び表面を覆うために、合金から形成され、かつ、基材の上に配置された耐食性クラッドを含む。

上述の特徴と利点、および本発明の他の特徴と利点は、添付した図面と関連して本発明を実施するための以下の最良の形態の詳細な説明から容易に明らかとなる。

図１は、位置測定システムの概略斜視図である。

図２は、図１の切断線２−２に沿って取り出された位置測定システムの概略断面図である。

図３は、図１及び図２の位置測定システムの複数の溝の概略断面図である。

これらの図を参照すると、同様の参照番号は同様の要素を示しており、位置測定システム１０を形成する方法がここに示される。位置測定システム１０は、腐食環境において動作する基材１２の位置を検知するために役立つ。換言すれば、位置測定センサ１０は、優れた耐食性を示し、かつ、位置測定システム１０は、基準位置に対する基材１２の位置または変位を算出することに役立つ。故に、位置測定システム１０は、油圧シリンダ内の基材１２、例えばピストンロッド、の位置を示すために、海洋石油掘削装置のような海洋用途に対して有用である。しかしながら、位置測定システム１０は、用水路、水門、水力発電所、鋳物、及び、金属加工設備（これらに限定されないが）を含む、位置の測定、及び、耐食性を必要とする非海洋用途に対しても有用である。

図１を参照すると、位置測定システム１０は、第１材料から形成された基材１２を含む。一つの限定されない例において、基材１２は、図１に示されるように油圧シリンダのピストンロッド（図示せず）のような縦軸１４を有する円柱ロッドである。さらに、基材１２は、所望の適用により如何なる適切なサイズも有することができる。例えば、シールされたシリンダまたはバルブハウジング（図示せず）に出入りする基材１２を必要とする適用に対して、基材１２は、約１．５ｍから約１８ｍまでの全長１６、及び、約１２０ｍｍから約５１０ｍｍまでの直径１８を有することができる。故に、基材１２は、特大（ＸＬ）の油圧シリンダのピストンロッドとして特徴付けられる。

第１材料は金属である。その上、第１材料は鉄である。従って、第１材料は、磁性を帯び、かつ、第１透磁率を有する。第１材料は、スチール、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、鋳鉄、及びこれらの複合のような（これらに限定されないが）材料から選択される。一つの限定されない例において、第１材料は、ＳＡＥ（ソサエティ・オブ・オートモーティブ・エンジニアズ）４１３０鋼またはＳＡＥ４３４０鋼のような熱処理された低合金の高張力鋼である。他の限定されない例においては、第１材料はＳＡＥ１０４５鋼のような普通炭素鋼である。

ここで図２を参照すると、基材１２は、その場所に少なくとも一つの溝２２を形成する表面２０を有する。図３に示されるように、少なくとも一つの溝２２はＶ字型を有し、かつ、約０．３ｍｍから約０．７ｍｍまでの、例えば約０．５ｍｍの半径を有する曲線的な頂点２４を実質的に形成する。故に、少なくとも一つの溝２２の各側面２６、２８は、それらの間に約５５°から約６５°までの、例えば約６０°の角度３０を形成することができる。
すなわち、少なくとも一つの溝２２の各側面２６、２８は、表面２０に対して傾斜している。故に、衝突または磨耗誘発の事象の間に圧力を集中させ、基材１２に亀裂が入ることを引き起こす正方形（図示せず）または鋭角の頂点（図示せず）を有するよりはむしろ、溝２２は、圧力を分散させるように構成された曲線的な頂点２４を実質的に有する。

図１、２を続けて参照すると、表面２０は、その場所に複数の溝２２を形成する。複数の溝２２の各々は、表面２０から約０．９ｍｍから約１．３ｍｍまで、例えば１．１ｍｍの深さ３２（図３）で基材１２中へ伸び、かつ、約１．９ｍｍから約２．１ｍｍまで、例えば２．０ｍｍの溝幅３４（図２）を有する。さらに、図３に最もよく示されているように、二つの隣接した溝２２は、それらの間に約１．９ｍｍから約２．１ｍｍまで、例えば２．０ｍｍのギャップ幅３８を有するギャップ３６を形成するため、複数の溝２２の各々は、縦軸１４（図１）に沿って複数の溝２２の隣接した一つから間隔を置かれている。
故に、表面２０は、縦軸１４（図１）に沿って均一に分配された複数の溝２２をその場所に形成する。換言すると、各ギャップ３６は、溝幅３４（図２）とギャップ幅３８（図３）との間の比率がおよそ１：１になるように、溝２２による隣接したギャップ３６から等距離に間隔を置かれている。故に、一つのギャップ３６及び一つの溝２２の合計幅は、位置測定システム１０の１周期またはピッチ４０を約４．０ｍｍにするために、約４．０ｍｍにしている。その上、図１に示されるように、複数の溝２２の各々は、縦軸１４に対してほぼ直交して配置されている。すなわち、表面２０は、基材１２において円周または放射状の溝２２を形成する。

図２を再び参照すると、位置測定システム１０は、少なくとも一つの溝２２の中に配置されたインジケータ材料４２もまた含む。インジケータ材料４２は、以下にさらに詳しく記載されるが、動作中に基材１２の位置を示すことができる。インジケータ材料４２は、第１材料と第２材料との混合物から形成されている。

さらに具体的に言うと、第２材料は、以下にさらに詳しく記載されるが、レーザー溶接作業のための金属フィラーである。故に、第２材料は、非磁性であり、かつ、レーザー（図示せず）によって注入・溶融するための粉末または線材として提供される。故に、インジケータ材料４２もまた非磁性である。他の限定されないバリエーションとして、第２材料は磁性を帯びることができる。このバリエーションに対して、インジケータ材料４２もまた、磁性を帯び、かつ、上記の第１材料の第１透磁率と異なる第２透磁率を有することができる。

第１材料が低合金の高張力鋼、または、普通炭素鋼である実施形態に対して、第２材料は、ニッケル、コバルト、及びそれらの複合材から選択された成分を含む合金である。ニッケル及び／またはコバルトは、インジケータ材料４２に耐食性を提供するために第２材料中に存在する。具体的に言うと、ニッケル及び／またはコバルトは、第２材料の１００重量部に対して、約１重量部から約９０重量部の量で第２材料中に存在する。例えば、インジケータ材料４２に優れた耐食性を提供するための適切な第２材料重量部は、金属合金の１００重量部に対して、約６５重量部のニッケル、約２０重量部のクロム、約８重量部のモリブデン、約３．５重量部のニオブとタンタルの複合材、及び、約４．５重量部の鉄を含み、かつ、ニューヨーク州、ニューハートフォードのスペシャルメタルズ社から商標名インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）（登録商標）６２５のもとに市販されている。同様に、適切な第２材料重量部は、約５４重量部のコバルト、約２６重量部のクロム、約９重量部のニッケル、約５重量部のモリブデン、約３重量部の鉄、約２重量部のタングステン、及び、約１重量部のマンガン、シリコン、窒素及び炭素の複合材を含み、かつ、インディアナ州、ココモ市の米ヘインズ社から商標名アルティメット（ＵＬＴＩＭＥＴ）（登録商標）のもとに市販されている。さらに、他の適切な非限定例の第２材料は、ペンシルバニア州、レディングのカーペンター・ テクノロジー社から商標名マイクロメルト（ＭＩＣＲＯ―ＭＥＬＴ）（登録商標）ＣＣＷ合金と、インディアナ州、ゴーシェンのステライトコーティングから商標名ステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）（登録商標）２１と、オハイオ州、クリーブランド市のイートン社からイートナイト（Ｅａｔｏｎｉｔｅ）ＡＢＣ−Ｌ１とのもとに市販されている合金を含む。

あるいは、第２材料はステンレス鋼でもよい。適切なステンレス鋼は、これらに限定されないが、３０８、３１６、３２１、及び、３４７級オーステナイトステンレス鋼を含む。あるいは、比較的短い耐用年数、例えば約１５年未満、にわたり、または、比較的腐食性が低い動作環境、例えば汽水、の下で、優れた耐食性を必要とするいくつかの適用に対して、適切な第２材料は、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、スーパーフェライト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、スーパー二相ステンレス鋼、及びそれらの複合を含むことができる。

図２を再び参照すると、インジケータ材料４２は、第１材料と区別することができる。例えば、インジケータ４２が非磁性であり、かつ、第１材料が磁性を帯びているから、インジケータ材料４２は区別可能であり、つまり、磁場における変化に応じて出力電圧を変化させるために構成されるホール効果センサまたはトランスデューサなどのセンサ（図示せず）によって感知されかつ検知されることができる。他の非限定例において、インジケータ材料４２は、インジケータ材料４２の第２透磁率と第１材料の第１透磁率との差に基づいて、第１材料と区別することができる。例えば、インジケータ材料４２及び第１材料の各々は磁性を帯びるが、インジケータ材料４２は、第１材料の第１透磁率と異なる第２透磁率を有する。故に、センサは、インジケータ材料４２と第１材料それぞれの第２透磁率と第１透磁率との差に反応することができる。さらなる他の非限定例において、インジケータ４２は、密度のような他の特性に基づいて第１材料と区別することができる。

またインジケータ材料４２は、第１材料に金属結合されている。例えば、インジケータ４２は、第１材料に溶接接合される。すなわち、インジケータ材料４２は第１材料と第２材料との混合物から形成されるので、以下にさらに詳しく記載されるように、例えば溶解後に、インジケータ材料４２は第１材料に金属結合される。

図２を続けて参照すると、位置測定システム１０は、インジケータ材料４２及び表面２０を覆うために、合金から形成され、かつ、基材１２の上に配置された耐食性クラッド４４をさらに含む。耐食性クラッド４４は、以下にさらに詳しく記載されるが、位置測定システム１０に優れた耐食性及び耐磨耗性を提供する。

耐食性クラッド４４の合金は、レーザークラッディング作業のための金属合金である。故に、合金は、レーザーによる注入及び溶解（図示せず）のために粉末または線材として提供される。その上、合金及び耐食性クラッド４４は、非磁性である。また、合金及び耐食性クラッド４４は磁性を帯びることもできるが、上記の第１材料の第１透磁率とは異なる透磁率を有する。

耐食性クラッド４４の合金は、第２材料と同類である。例えば、第２材料がインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）（登録商標）６２５である適用に対して、耐食性クラッド４４の合金もまた、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）（登録商標）６２５である。同様に、第２材料が３１６級ステンレス鋼である適用に対して、耐食性クラッド４４の合金もまた、３１６級ステンレス鋼である。また、第２材料及び耐食性クラッド４４の合金は、異種のものであることもできる。例えば、コストまたは質量を考慮することにより、第２材料は３１６級ステンレス鋼であり、かつ、耐食性クラッド４４の合金は、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）（登録商標）６２５であることができる。

第１材料が低合金の高張力鋼、または、普通炭素鋼である実施形態に対して、耐食性クラッド４４の合金は、ニッケル、コバルト、及びそれらの複合材から選択された成分を含む。ニッケル及び／またはコバルトは、位置測定システム１０に耐食性を提供するために合金中に存在する。さらに具体的に言うと、ニッケル及び／またはコバルトは、合金の１００重量部に対して、約１重量部から約９０重量部で合金中に存在する。例えば、耐食性クラッド４４の適切な合金は、合金の１００重量部に対して、約６５重量部のニッケル、約２０重量部のクロム、約８重量部のモリブデン、約３．５重量部のニオブとタンタルの複合材、及び、約４．５重量部の鉄を含み、かつ、ニューヨーク州、ニューハートフォードのスペシャルメタルズ社から商標名インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）（登録商標）６２５のもとに市販されている。同様に、耐食性クラッド４４の適切な合金は、約５４重量部のコバルト、約２６重量部のクロム、約９重量部のニッケル、約５重量部のモリブデン、約３重量部の鉄、約２重量部のタングステン、及び、約１重量部のマンガン、シリコン、窒素及び炭素の複合材を含み、かつ、インディアナ州、ココモ市の米ヘインズ社から商標名アルティメット（ＵＬＴＩＭＥＴ）（登録商標）のもとに市販されている。さらに、他の適切な非限定例の合金は、ペンシルバニア州、レディングのカーペンター・ テクノロジー社から商標名マイクロメルト（ＭＩＣＲＯ―ＭＥＬＴ）（登録商標）ＣＣＷ合金、インディアナ州、ゴーシェンのステライトコーティングから商標名ステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）（登録商標）２１、及び、オハイオ州、クリーブランド市のイートン社からイートナイト（Ｅａｔｏｎｉｔｅ）ＡＢＣ−Ｌ１のもとに市販されている。

あるいは、耐食性クラッド４４の合金は、ステンレス鋼でもよい。適切なステンレス鋼は、これらに限定されないが、３０８、３１６、３２１、及び、３４７級オーステナイトステンレス鋼を含む。あるいは、いくつかの適用に対する適切な合金は、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、スーパーフェライト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、スーパー二相ステンレス鋼、及びそれらの複合を含むことができる。

耐食性クラッド４４の合金はニッケル及び／またはコバルトを含むため、耐食性クラッド４４は優れた耐食性を示す。さらに具体的にいうと、耐食性クラッド４４は、約−４０℃から約５０℃までの雰囲気温度の海水からの腐食に実質的に耐えることができる。換言すると、耐食性クラッド４４は、海水にさらした後の外気において基材１２の表面２０の酸化を最小化する。淡水とは対照的に、ここで用いられる専門用語としての“海水”は、海水の１兆容量部に対して約３１容量部から約４０容量部まで、つまり約３１ｐｐｔ（約１兆分の３１）から約４０ｐｐｔ（約１兆分の４０）まで（約３．１％から約４％まで）、の塩分、及び、４℃において約１．０２５ｇ／ｍｌの密度を有する水溶液に言及する。さらに、海水は、塩化物、ナトリウム、硫酸塩、マグネシウム、カルシウム、カリウム、重炭酸塩、臭化物、ホウ酸塩、ストロンチウム、フッ化物、及びそれらの複合を含むグループから選択された一つまたはそれ以上のイオンの溶解塩を含む。海水は、汽水性の塩水及びかん水を含む。

また、耐食性クラッド４４は、−０．２００以下の自由腐食電位Ｅ_ｃｏｒｒを示す。ここで用いられる専門用語“自由腐食電位”は、基準電極に関連する海水における基材１２に流れるか、または、基材１２から流れる正味電流の欠如に関する。さらに、耐食性クラッド４４は、約０．０００２５４［ｍｍ／年］以下の腐食速度を示す。ここで用いられる専門用語“腐食速度”は、単位時間における腐食によってもたらされる基材１２及び／または耐食性クラッド４４の変化に関し、かつ、一年における腐食の深さの増加分として表される。故に、耐食性クラッド４４は、例えば、孔食及び／または亀裂伝播からの局部的な腐食に対して最小化された感受性を示す。

図２に示されているように、耐食性クラッド４４は、約０．６ｍｍから約１．６ｍｍまで、例えば約１．３ｍｍの厚み４６を有する。さらに、耐食性クラッド４４は、それについて実質的に滑らかな外表面４８を形成する。すなわち、外表面４８は、約０．１ミクロンから約０．１５ミクロンまで、ここで１ミクロンは１×１０^−６ｍ、の表面粗さＲａを有する。ここで用いられる専門用語“表面粗さＲａ”は、耐食性クラッド４４の外表面４８の質感の測定に関し、かつ、外表面４８の頂点と低点との間（図示せず）の平均距離に関する。さらに具体的に言うと、耐食性クラッド４４の外表面４８における微小な低点は、平均線より下に位置する外表面４８のポイントに相当する。同様に、耐食性クラッド４４の外表面４８における微小な頂点は、平均線より上に位置する外表面４８のポイントに相当する。このように、上記の頂点と低点との間の距離を測定することは、表面粗さＲａを算出する。外表面４８の表面粗さＲａは、以下にさらに詳しく記載されるが、耐食性クラッド４４を研磨するか、または、仕上げることによって提供される。

表面における頂点と低点のような凹凸は、亀裂、圧力ゾーン、及び／または腐食に向かう開始部位を形成するので、比較的粗い表面は、概して、相対的により滑らかな表面と比較して、より少ない耐摩耗性を示し、より早く磨耗する。故に、外表面４８は実質的に滑らかであるので、耐食性クラッド４４は、優れた滑らかさと、結果として生じる耐摩耗性及び耐食性と、を示す。

図２を再び参照すると、耐食性クラッド４４は、インジケータ材料４２及び基材１２の表面２０を覆う。さらに具体的に言うと、耐食性クラッド４４は、クラッディングの結合強度に対するＡＳＴＭ多段階式のせん断試験に従って判断される約７０ＭＰａより大きい結合強度、例えば約３４０ＭＰａより大きい結合強度、でインジケータ材料４２及び表面２０のそれぞれに金属結合される。上記の結合強度は、耐食性クラッド４４の層間剥離を最小限に抑え、かつ、特に加熱と冷却が繰り返されるうえでの、例えば直射日光への暴露からの、熱膨張を最小化する材料を必要とする適用に対して特に有益である。

これから方法を参照すると、位置測定システム１０を形成する方法は、図１から３の一般参照を用いて記述される。この方法は、第１材料から形成された基材１２の表面２０を溶解することを含み、このとき、表面２０は、その中に少なくとも一つの溝２２を形成し、また、表面２０は、少なくとも一つの溝２２の中で溶解される。すなわち、表面２０は、少なくとも一つの溝２２の中、つまり、少なくとも一つの溝２２の位置で溶解される。少なくとも一つの溝２２の中の表面２０、例えば複数の溝２２は、任意の既知の工程によって溶解される。例えば、少なくとも一つの溝２２内の表面２０は、約２ｍｍのスポットサイズを有するレーザー（図示せず）を用いて少なくとも一つの溝２２を形成する表面２０を溶接するレーザーによって溶解される。

故に、溶解に先立って、この方法は、表面２０を機械加工し、その中に複数の溝２２を形成することを含み、複数の溝２２の各々は、縦軸１４（図１）に対してほぼ直交して配置され、かつ、縦軸１４に沿って複数の溝２２の隣接した一つから離れて配置される。基材１２は、機械加工にふさわしい基材１２を用意するために真っ直ぐにされ、かつ、掃除される。基材１２の表面２０は、複数の溝２２を形成するためにその後、例えば旋盤または複数の切削差込工具を有する切削ツール（図示せず）を用いて、機械加工される。４つ、６つ、またはそれ以上の溝２２が、表面２０の中に同時に機械加工される。図３を参照すると、複数の溝２２は、基材１２を機械加工した結果として生じ、かつ、上記の例えば約１．１０ｍｍの深さ３２で基材１２中へ伸びる。図３に示されるように、溝２２の機械加工された幅５０は、溶解後の溝２２の最終的な幅３４より狭い。すなわち、溝２２の機械加工された幅５０は、溶解中での溝２２のほんの僅かな膨張を考慮して、約１．８ｍｍから約２．０ｍｍまで、例えば約１．９ｍｍである。

図２を再び参照すると、この方法は、第１材料と第２材料との混合物を形成するために、溶解することと同時に、少なくとも一つの溝２２へ第２材料を堆積させることをさらに含む。すなわち、溶解すること及び同時に堆積させることは、第２材料が堆積されるときに少なくとも一つの溝２２中の表面２０が溶解するように、少なくとも一つの溝２２における表面２０をレーザー溶接することとしてさらに定義される。つまり、第２材料、及び、少なくとも一つの溝２２を形成する表面２０は、少なくとも一つの溝２２の一部分が溶解し、かつ、混合物を形成するために第２材料と混合するようにレーザー溶接、つまり、融接される。例えば、粉末または線材の第２材料は、第１材料と第２材料との混合物を形成するために、溶解した溝２２に注入される。レーザー溶接は、各溝２２中に液化して溶けた溶接される金属の塊を形成することができ、溶接される金属の塊は、第１材料と第２材料との混合物から形成される。故に、混合物の構成は、溶解される第１材料の量、及び、少なくとも一つの溝２２中へ堆積されるかまたは注入される第２材料の量を変化させることにより、制御される。

レーザー溶接、つまり少なくとも一つの溝２２の表面２０を溶解すること、及び、同時に少なくとも一つの溝２２中へ第２材料を堆積させることは、溶接ヘッドから放射されるレーザーを含んだレーザー溶接装置（図示せず）によって遂行される。また、このレーザー溶接装置は、複数の溝２２の上方での溶接ヘッドの正確で自動的な位置調整を可能にするために、溶接ヘッドに取り付けられたレーザー構造の光線シーム追跡装置を含む。このような装置は、機械加工の間の機械加工及び位置調整の誤差を最小化することができる。

少なくとも一つの溝２２の形状は、混合物の収縮ひび割れ及び気孔率を最小化することができる。ここで用いられる専門用語としての気孔率は、材料中の空間量に言及し、かつ、全体的な材料の割合として表される。さらに、少なくとも一つの溝２２は、レーザー溶接の間に溶解する第１材料の量を最小化し、同様に、結果として生じる第１材料と第２材料との混合物における鉄の量を最小化する。このような混合物の最小化された鉄含量は、位置測定システム１０の耐食性を増進させる。

図２を再び参照すると、この方法は、第１材料と区別可能であり、かつ、第１材料に金属結合されるインジケータ材料４２を形成するために、混合物を凝固させることをさらに含む。すなわち、混合物は、インジケータ材料４２またはレーザー溶接部を凝固させ、形づくるようにレーザー溶接の終了後に硬化する。インジケータ材料４２が第１材料と第２材料との混合物を凝固させることによって形成されているゆえに、インジケータ材料４２は、基材１２の第１材料に融接される。上記の溶解、同時に起こる堆積、及び、混合物を凝固させることは、優れた結合強度及び最小化された気孔率を有するインジケータ材料４２を形成する。すなわち、インジケータ材料４２の結合強度は、たったの約１３ＭＰａから約６９ＭＰａまでの結合強度を示す、ろう着、はんだ付け、電気めっき、及び／または溶射によって形成される比較材料（図示せず）の結合強度よりかなり大きい。このインジケータ材料４２の増大した結合強度は、加熱と冷却が繰り返されるうえで、例えば直射日光への暴露から、の熱膨張を最小化する材料を必要とする適用に特に有益である。

図２を続けて参照すると、この方法は、インジケータ材料４２及び表面２０を覆う耐食性クラッド４４を形成しそれによって位置測定システム１０を形成するために、基材１２の上に合金を堆積させることもまた含む。すなわち、合金を堆積させることは、インジケータ材料４２及び表面２０の各々が溶解し、かつ、耐食性クラッド４４に金属結合するように、インジケータ材料４２及び表面２０をレーザークラッディングすることとしてさらに定められる。換言すれば、耐食性クラッド４４は、インジケータ材料４２及び表面２０の一部が溶解し、かつ、合金と溶け合い、耐食性クラッド４４を形成するようなインジケータ材料４２及び表面２０へのレーザークラッド、つまり融接である。故に、レーザークラッディングは、合金を基材１２及びインジケータ材料４２の各々に融合させ、基材１２の上に耐食性クラッド４４を形成することができる。

レーザークラッディング、つまり耐食性クラッド４４を形成するために基材の上に合金を堆積させることは、溶接ヘッドから放射されるレーザーを含むレーザークラッディングシステム（図示せず）によって遂行される。耐食性クラッド４４は、縦軸１４に沿って密に螺旋状の経路をなして表面２０及びインジケータ材料４２の上に堆積される。例えば、基材１２は、レーザークラッディングシステムが密に螺旋状の経路をなして表面２０及びインジケータ材料４２の上に耐食性クラッド４４を堆積させながら、回転させられる。

耐食性クラッド４４は、インジケータ材料４２を覆うようにインジケータ材料４２の上に直接堆積させられる。故に、この方法は、耐食性クラッド４４を形成するために合金を堆積させる前の、中間的なグラインダまたはインジケータ４２の機械加工を必要としない。合金は、耐食性クラッド４４が約１．７ｍｍから約２．０ｍｍまで、例えば約１．８ｍｍから約１．９ｍｍまでの予備的な厚み（図示せず）を有する単一の層であるように堆積させられる。その後、耐食性クラッド４４は、約０．６ｍｍから約１．６ｍｍまで、例えば約１．３ｍｍの厚み４６（図２参照）にとどめられる。

合金は、上記のようにインジケータ材料４２及び表面２０の一部を溶解し、同時に第２材料を堆積させ、かつ、混合物を凝固させた後に、基材１２の上に堆積されることが、理解される。また、この方法は、インジケータ材料４２及び表面２０の一部を溶解し、第２材料を堆積させ、かつ、合金を堆積させることを同時に含むことができる。すなわち、インジケータ材料４２及び表面２０の一部を溶解し、第２材料を堆積させ、かつ、合金を堆積させることは、同時に起こるものである。さらに具体的に言うと、第２材料及び合金は、合金が基材１２の上に堆積されると、第２材料が少なくとも一つの溝２２の中へ堆積され、耐食性クラッド４４を形成するように、同じ構成をしており、つまり、同じ材料である。

この方法は、実質的に滑らかな外表面４８を形成するために、耐食性クラッド４４を仕上げることをさらに含むことができる。例えば、耐食性クラッドは、外表面４８が約０．１ミクロンから約０．１５ミクロンまでの表面粗さＲａを有するように機械加工され、研がれ、かつ／または、研磨される。

この方法は、耐食性クラッド４４とインジケータ材料４２及び第１材料のそれぞれとの間の結合強度を高めることをさらに含む。すなわち、耐食性クラッド４４がレーザークラッディングによって堆積される合金から形成されるゆえに、耐食性クラッド４４は、上記のように優れた結合強度を示す。

図１に関連して記述されているような他の実施形態において、位置測定システム１０を形成する方法は、複数の溝２２を形成するために基材１２の表面２０を機械加工することを含み、基材１２は第１磁性材料から形成され、かつ、縦軸１４を有する円柱ロッドである。複数の溝２２の各々は、縦軸１４に沿って互いに距離をおいて配置される。

この実施形態に対して、方法は、さらに、複数の溝２２の各々の中の表面２０を溶解させ、それによって、縦軸１４に沿って均一に複数の溝２２を分配することを含む。すなわち、複数の溝２２のそれぞれの表面２０は、隣接する溝２２から距離をおいて各溝２２を配置し、かつ、それらによってギャップ３６を形成するために、溶解し、かつ、それによって機械加工された幅５０から溝幅３４まで膨張する。故に、溶解することは、溝幅３４とギャップ幅３８の比率がおよそ１：１になるように、縦軸１４に沿って均一に複数の溝２２を分配することができる。

複数の溝２２の各々の中の表面２０を溶解することと同時に、この方法は、複数の溝２２の各々の中に第２非磁性材料を堆積させることを含み、それによって、第１磁性材料と第２非磁性材料の複数の個別の混合物を形成する。また、方法は、複数の個別の混合物を凝固させ、第１磁性材料と区別可能であり、かつ、第１磁性材料に金属結合された非磁性インジケータ材料４２を形成することを含む。さらにこの方法は、基材１２の上に非磁性合金を堆積させ、非磁性インジケータ材料４２と表面２０のそれぞれを覆い、かつ、非磁性インジケータ材料４２と表面２０のそれぞれに金属結合された耐食性クラッド４４を形成することを含み、それによって、位置測定システム１０を形成する。複数の溝２２の各々の中の表面２０を溶解すること、第２非磁性材料を堆積させること、及び、非磁性合金を堆積させることが同時のものであることが、理解される。この方法は、耐食性クラッド４４と非磁性材料インジケータ材料４２及び第１磁性材料それぞれとの間の結合強度を高めることをさらに含む。

動作中に、位置測定システム１０は、一つまたはそれ以上のセンサ、例えば一つまたはそれ以上のホール効果センサまたは磁気抵抗センサ（図示せず）と交信し、基準位置に対する基材１２の位置を示す。例えば、センサは、位置測定システム１０に連続して信号を伝えることができ、かつ、耐食性クラッド４４の下方に配置されたインジケータ材料４２を検知することができる。特に、位置測定システム１０が、センサを通り越して、例えば油圧シリンダ内で伸縮して移動するときに、センサは、磁性を帯びた第１材料と非磁性のインジケータ材料４２とが交互に存在することによって磁場の変化を検知することができ、かつ、基準位置に対する位置測定システム１０の変位が算出される。位置測定システム１０が位置を変化させると、センサは、約１ｍｍの精度で基材１２の位置を検知することができる。必要に応じて、センサは、パルス乗算トランスデューサ（図示せず）をさらに含み、センサの感度を上昇させる。例えば、センサ及びパルス乗算トランスデューサは、組み合わせて、約０．１ｍｍの精度で基材１２の位置を検知することができる。動作間の冗長性のために、位置測定システム１０は少なくとも二つのセンサ及び二つのパルス乗算トランスデューサと交信する。

前述のこの方法によって形成された位置測定システム１０は、ここで述べられるように、ニッケル・クロムコーティング、クロミア・チタニアコーティング及びアルミニウムチタニアコーティングのような熱的に散布されたセラミックコーティングと、コバルト、ニッケル・クロム、または、ニッケルバインダ相内に配置された炭化タングステン、炭化クロム、酸化物、及び、それらの組み合わせのような硬質粒子を含んだ高速度酸素・燃料ガス（ＨＶＯＦ）の熱的溶射されたセラミックコーティングと、プラズマ溶射コーティング、のような電気めっきを含む他のシステム（図示せず）と比較して優れた耐食性を示す。故に、位置測定システム１０は、海洋石油掘削装置の塩水がはねる領域内で使用される油圧シリンダのピストンロッドのような、長期にわたる耐用年数、例えば、約１５年またはそれ以上、にわたって連続的な耐食性を必要とする適用に特に適切である。

さらに、耐食性クラッド４４及びインジケータ材料４２はそれぞれ、最小化された気孔率を示す。例えば、耐食性クラッドは、０．０３重量部の気孔率を有することができ、亀裂を減らすこと、及び、耐食性を上げることに貢献する。すなわち、前述された気孔率は、耐食性クラッド４４中の相互接続された経路の形成を最小化する。このような相互接続された経路は、腐食要素の侵入を許し、かつ、位置測定システム１０の耐食性を落とす。その一方で、ＨＶＯＦコーティングは、約０．５重量部から約２．９重量部までの気孔率を有し、かつ、プラズマ溶射したセラミックコーティングは、約３．０重量部から約１０重量部までの気孔率を有することができる故に、低下した耐食性及び金属剥離を示す。

さらにまた、位置測定システム１０の耐食性クラッド４４は、延性のあるものである。故に、耐食性クラッド４４は、比較的高いエネルギー衝突において亀裂のないままであることができる。その一方で、ＨＶＯＦコーティング及びプラズマ溶射したコーティングは、概して脆弱であり、かつ、比較的低いエネルギー衝突においてひどく亀裂が入る。

位置測定システム１０及び関連した方法は、優れた硬度を有する耐食性クラッド４４、及び、耐食性を提供する。故に、位置測定システム１０は、海水にさらされるのに、例えば、沖合の掘削装置の飛沫帯内での作動に被覆金属基材１２を必要とする適用に、適している。耐食性クラッド４４は、滑らかで、かつ、優れた圧縮残留応力を示す。故に、位置測定システム１０は、改善された疲労寿命と引張応力への耐性、及び、疲労亀裂、収縮亀裂、及び他の欠陥の侵入と伝播の低下を示す。さらに、この方法は、コスト効率が良く、かつ、亀裂及び／または気孔のような耐食性クラッド４４及びインジケータ材料４２における不連続性を最小化する。

本発明を実施するための最良の形態を詳細にこれまで説明してきたが、本発明に関連する技術に熟知した者であれば、添付した請求の範囲内で本発明を実施するための様々な代案デザインおよび実施の形態を認識するであろう。

Claims (15)

1. 位置測定システム（１０）を形成する方法であって、該方法は、
   第１材料から形成される基材（１２）の表面（２０）を溶解し、このとき、前記表面（２０）は、前記表面（２０）に形成した少なくとも一つの溝（２２）の中で溶解すること、
   前記溶解することと同時に、前記少なくとも一つの溝（２２）内に第２材料を堆積させて、前記第１材料と前記第２材料との混合物を形成すること、
   前記混合物を凝固させて、前記第１材料と区別可能であり、かつ、前記第１材料に金属結合されるインジケータ材料（４２）を形成すること、及び、
   前記基材（１２）の上に合金を堆積させて、前記インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）を覆う耐食性クラッド（４４）を形成し、それによって前記位置測定システム（１０）を形成すること、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記表面（２０）を溶解すること，及び，それと同時に、前記少なくとも一つの溝（２２）内に前記第２材料を堆積させることは、前記第２材料が堆積されるときに前記少なくとも一つの溝（２２）内の前記表面（２０）が溶解するように、前記少なくとも一つの溝（２２）で前記表面（２０）をレーザー溶接することとして、さらに定義されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記合金を堆積させることは、前記インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）の各々が溶解して、前記耐食性クラッド（４４）に金属結合するように、前記インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）に前記合金をレーザークラッディングすることとして、さらに定義されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 複数の溝（２２）を形成するために前記表面（２０）を機械加工することを含み、前記基材（１２）は縦軸（１４）を有し、前記複数の溝（２２）は、前記縦軸（１４）に対してほぼ直交して配置され、かつ、前記複数の溝（２２）の各々は、前記縦軸（１４）に沿って前記複数の溝（２２）の隣接した一つから距離をおいて配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. レーザークラッディングによって、前記耐食性クラッド（４４）と、前記インジケータ材料（４２）及び前記第１材料のそれぞれとの間の結合強度を高めることをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 外表面（４８）を形成するために、前記耐食性クラッド（４４）を仕上げることをさらに含み、前記外表面（４８）は実質的に滑らかであることを特徴とした請求項１に記載の方法。
7. 位置測定システム（１０）を形成する方法であって、該方法は、
   複数の溝（２２）を形成するために基材（１２）の表面（２０）を機械加工すること、
   前記複数の溝（２２）の各々の中の前記表面（２０）を溶解し、それによって、縦軸（１４）に沿って均一に前記複数の溝（２２）を分配すること、
   溶解することと同時に、前記複数の溝（２２）の各々の中に第２非磁性材料を堆積させ、それによって、第１磁性材料と前記第２非磁性材料との複数の個別の混合物を形成すること、
   前記複数の個別の混合物を凝固させ、前記第１磁性材料と区別可能であり、かつ、前記第１磁性材料に金属結合された非磁性インジケータ材料（４２）を形成すること、及び、
   前記基材（１２）の上に非磁性合金を堆積させて、前記非磁性インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）のそれぞれを覆い、かつ、前記非磁性インジケータ材料（４２）と前記表面（２０）のそれぞれに金属結合される耐食性クラッド（４４）を形成し、それによって、前記位置測定システム（１０）を形成すること、
   を含み、
   前記基材（１２）は前記第１磁性材料から形成され、かつ、前記縦軸（１４）を有する円柱ロッドであり、かつ、前記複数の溝（２２）の各々は、前記縦軸（１４）に沿って前記複数の溝（２２）の隣接した一つから距離をおいて配置されることを特徴とする方法。
8. レーザークラッディングによって、前記耐食性クラッド（４４）と、前記非磁性インジケータ材料（４２）及び前記第１材料のそれぞれとの間の結合強度を高めることをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 位置測定システム（１０）は、
   第１材料から形成され、少なくとも一つの溝（２２）を形成する表面（２０）を有する基材（１２）、
   前記少なくとも一つの溝（２２）の中に配置されたインジケータ材料（４２）、及び、
   前記インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）を覆うために、合金から形成され、かつ、前記基材（１２）の上に配置された耐食性クラッド（４４）、
   を含み、
   前記インジケータ材料（４２）は、前記第１材料と第２材料との混合物から形成されており、かつ、前記第１材料と区別可能でありかつ前記第１材料に金属結合されていることを特徴とする位置測定システム（１０）。
10. 前記耐食性クラッド（４４）は、約７０ＭＰａより大きい結合強度で前記インジケータ材料（４２）及び前記表面（２０）のそれぞれに金属結合されることを特徴とする請求項９に記載の位置測定システム（１０）。
11. 前記少なくとも一つの溝（２２）はＶ字型を有し、かつ、約０．３ｍｍから約０．７ｍｍまでの半径を有する曲線的な頂点（２４）を実質的に形成することを特徴とする請求項９に記載の位置測定システム（１０）。
12. 前記第１材料は磁性を帯び、かつ、前記耐食性クラッド（４４）及び前記インジケータ材料（４２）は非磁性であることを特徴とする請求項９に記載の位置測定システム（１０）。
13. 前記基材（１２）は、縦軸（１４）を有する円柱ロッドであることを特徴とする請求項９に記載の位置測定システム（１０）。
14. 前記表面（２０）は、前記縦軸（１４）に沿って均一に分配された複数の溝（２２）を形成し、前記複数の溝（２２）の各々は、前記縦軸（１４）に対してほぼ直交して配置されることを特徴とする請求項１３に記載の位置測定システム（１０）。
15. 前記複数の溝（２２）の各々は、前記表面（２０）から約０．９ｍｍから約１．３ｍｍまでの深さ（３２）で前記基材（１２）中へ伸び、かつ、約１．９ｍｍから約２．１ｍｍまでの溝幅（３４）を有し、二つの隣接した溝（２２）は、それらの間に約１．９ｍｍから約２．１ｍｍまでのギャップ幅（３８）を有するギャップ（３６）を形成することを特徴とする請求項１４に記載の位置測定システム（１０）。

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