KR101548792B1 - 작은 직경의 튜브 또는 파이프 및 케이싱의 아웃오브포지션 마찰교반용접 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 작은 직경의 튜브를 마찰교반용접하기 위한 시스템이 제공되는데, 여기서 튜브는 정확한 위치에 고정되고 마찰교반용접 공구가 정지상태로 유지될 때 배치 및 고정 시스템에 의해 회전될 수 있거나, 혹은 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 내부 맨드릴도 기술되는데, 상기 내부 맨드릴은 작은 수치들을 가진 작은 직경의 튜브의 내부에 끼워넣어질 수 있으며 힘들이 마찰교반용접 공구에 의해 가해질 때 튜브가 변형되는 것을 방지하기 위해 대항력을 제공하도록 팽창될 수 있다. 신규한 마찰교반용접 공구는 튜브 곡률로 인해 마찰교반용접 숄더와 작업소재 사이가 접촉되지 않을 때 반작용하도록 마찰교반용접 공구가 공구/작업소재 경계면에 더 많은 열을 안내할 수 있게 한다. 마찰교반용접 공구는 결합부/작업소재 경계면 및 표면 마감부에 원하는 열을 제공하기 위해 결합부에 후속 배치함으로써 작은 직경의 튜브 상에 위치된다.

Description

작은 직경의 튜브 또는 파이프 및 케이싱의 아웃오브포지션 마찰교반용접{OUT OF POSITION FRICTION STIR WELDING OF CASING AND SMALL DIAMETER TUBING OR PIPE}

본 발명은 일반적으로 마찰교반용접(friction stir welding; FSW) 및 마찰교반용접의 변형예들에 관한 것으로서, 마찰교반용접의 변형예들에는 마찰교반공정(friction stir processing; FSP), 마찰교반점용접(friction stir spot welding; FSSW) 및 마찰교반혼합(friction stir mixing; FSM)이 포함된다(그리고, 본 명세서에서는, 이제부터, 전체적으로 "마찰교반용접"으로 지칭된다).

구체적으로, 본 발명은 고온의 재료들이 작은 파이프 또는 관형 물체(tubular object)(여기서는, "튜브, 튜브들, 또는 튜빙(tubing)"의 크기와 형태를 가질 때, 고온의 재료들을 마찰교반용접 하는 데 특유한 문제점들에 관한 것이다. 본 발명의 특정의 관심사항은, (1) 마찰교반용접을 수행하기 위하여 작은 직경의 튜브를 유지하고, (2) 내부 맨드릴을 제공함으로서 마찰교반용접 공구의 힘에 의해 발생된 작은 직경의 튜브의 변형을 방지하며, (3) 작은 직경의 튜브 상에서 마찰교반용접을 수행하도록 구성된 기하학적 형상을 가지는 마찰교반용접 공구를 제공하고, 그리고 (4) 작은 직경의 튜브 상에서 마찰교반용접을 수행할 때 사용되어야 하는 공정 변수들이다.

마찰교반용접은 금속들 및 금속 합금을 용접하기 위해 개발되어온 기술이다. 마찰교반용접은 일반적으로 고상 공정(solid state process)이다. 본 명세서에서, 고상 공정은 통상 액상 상태(liquid phase)를 포함하지 않는 소성화된 상태(plasticized state)로 일시적으로 변형(transformation)되는 것으로 정의된다. 하지만, 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 요소들이 액상 상태를 통과할 수 있게 하고 본 발명의 혜택을 구현할 수 있게 한다는 점을 유의해야 한다.

마찰교반용접 공정은, 종종, 회전 교반 핀(stir pin)에 의해 결합부(joint)의 양 측면(side) 상에서 2개의 인접한 작업소재(workpiece) 재료들을 결합하는 과정을 포함한다. 힘이 가해져서 핀과 작업소재들이 함께 움직이며(urge) 핀, 숄더(shoulder) 및 작업소재들 사이의 상호작용(interaction)에 의해 발생된 마찰열로 인해 결합부의 양 측면 상에서 재료들이 소성화(plasticization)된다. 핀과 숄더의 조합(combination) 또는 "마찰교반용접 말단부(tip)"는 결합부를 따라 횡단되고(traversed), 이들이 전진함에 따라 재료를 소성화하고, 마찰교반용접 말단부가 전짐함에 따라 남겨진 소성화된 재료가 냉각되어 용접부(weld)를 형성한다. 또한, 마찰교반용접 말단부는 숄더가 마찰교반공정을 통해 또 다른 재료를 처리하도록 핀을 사용하지 않는 공구일 수 있다.

도 1은 섕크(8), 숄더(12) 및 숄더로부터 외부 방향으로 연장되는 핀(14)을 가진 일반적으로 원통형 공구(10) 형태인 마찰교반용접에 사용되는 공구의 사시도이다. 핀(14)은 공구의 핀이 소성화된 작업소재 재료 내에 삽입되는(plunged) 지점에서 충분한 열이 발생될 때까지 작업소재(16)에 맞닿아 회전된다. 통상적으로, 핀(14)은 작업소재 내로 추가로 관통되는 것이 방지되도록 숄더(12)에 도달될 때까지 작업소재(16) 내에 삽입된다. 작업소재(16)는, 종종, 결합부 라인(18)에 함께 접하게 되는 재료의 2개의 시트(sheet) 또는 플레이트(plate)이다. 이 예에서, 핀(14)은 결합부 라인(18)에서 작업소재(16) 내에 삽입된다.

도 2는 공구(10)의 횡단면도이다. 섕크(8)와 마찰교반용접 말단부(24) 둘 모두를 그리핑(gripping)하는 칼라(22)가 도시되어 있는데, 여기서 마찰교반용접 말단부는 숄더(12)와 핀(14)으로 구성된다. 공구(10)가 회전함에 따라, 회전하는 섕크(8)로부터 칼라(22)로 토크가 전달되고 그 뒤 마찰교반용접 말단부(24)로 토크가 전달된다. 공구(10)가 고온 용융성(또는 연성) 재료, 가령, 스틸(steel)인 작업소재 상에서 사용될 때, 마찰교반용접 말단부(24)는, 마찰열에 의해 연화되는(softened) 스틸을 횡단하면서, 상기 말단부(24)가 회전될 때 1000℃를 초과하는 온도에 종종 노출된다.

도 1을 참조하면, 작업소재 재료(16)에 맞닿는 핀(14)의 회전 운동에 의해 발생되는 마찰열로 인해, 용융점에 도달하지 않고도 작업소재 재료가 연화된다. 공구(10)는 결합부 라인(18)을 따라 횡방향으로 이동되고(moved transversely) 이에 따라 소성화된 재료가 핀 주위에서 공구 경로(tool path)(20)를 따라 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)로 흐를 때 용접(weld)이 발생된다. 그 결과, 종래의 비-마찰교반용접 용접공법을 사용할 때 생성된 용접부와는 대조적으로 공구 경로(20)를 따라 결합부 라인(18)에서 고상 결합되어(solid phase bond), 작업소재 재료(16)와 구분할 수 없게 된다.

숄더(12)가 작업소재의 표면과 접촉할 때 숄더(12)가 회전하여 삽입된 핀(14) 주위에서 재료의 상대적으로 큰 원통형 칼럼을 소성화시키는 추가적인 마찰열이 생성되는 것을 볼 수 있다. 숄더(12)는 공구 핀(14)에 의해 생성된 상부 방향으로의 금속 흐름(metal flow)을 포함하는 단조 힘(forging force)을 제공한다.

마찰교반용접 동안, 공구는 공구/작업소재 경계면(interface)에서 용접 결합부의 원하는 길이를 횡단하도록 용접되어야 하는 영역 및 공구와 서로에 대해 이동된다. 회전하는 마찰교반용접 공구(10)는 지속적인 고온 가공 작용을 제공하며, 핀(14)의 리딩 에지로부터 트레일링 에지로 금속을 이송시키면서, 상기 공구가 기초 금속(base metal)을 따라 횡단 방향으로 이동할 때, 좁은 영역 내에서 금속을 소성화시킨다. 공구(10)가 통과될 때, 액체가 발생하지 않기 때문에 용접 영역이 냉각될 때, 통상, 응고(solidification)가 발생하지 않는다. 이것은, 항상은 아니지만, 용접부는 대개, 용접부 영역에서 형성된, 결점이 없고 재-결정화되며(re-crystallized), 미세한 입자 미세구조가 된다. 이동 속도(travel speed)는 통상 200 내지 2000 rpm의 회전 속도로 10 내지 500 mm/분이 된다. 도달되는 온도는 보통 고상온도(solidus temperature)에 가깝지만 이보다는 낮다. 마찰교반용접 변수들은 재료의 열특성, 고온의 흐름 응력 및 관통 깊이의 함수이다.

선행 특허들은 종래에 기능적으로 용접할 수 없는(functionally unweldable) 것으로 간주된 재료를 사용하여 마찰교반용접을 수행할 수 있는 이점에 대해 기술하고 있다. 이런 재료들 중 몇몇 재료는 비-융합 용접성을 가지거나(non-fusion weldable), 또는 전체적으로 용접하기가 어려운 것이었다. 이러한 재료들은, 예를 들어, 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite), 철합금(ferrous alloy), 가령, 스틸 및 스테인리스 스틸, 및 비철 재료들을 포함한다. 마찰교반용접을 이용할 수 있는 또 다른 재료는 초합금(superalloy)이다. 초합금은 고온 용융성의 청동(bronze) 또는 알루미늄을 가지는 재료일 수 있으며, 또한 내부에 그 외의 다른 요소들을 가질 수도 있다. 초합금의 몇몇 예들은 니켈, 아이언-니켈, 및 일반적으로 1000℉ 이상의 온도에서 사용되는 코발트계 합금이다. 초합금으로 일반적으로 인정되는 추가적인 요소들은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 레늄을 포함하지만 이들에만 제한되는 것은 아니다.

티타늄 또한 마찰교반용접 용도로 사용하기에 바람직한 재료라는 사실을 유의해야 한다. 티타늄은 비철함금이지만 그 외의 다른 비철금속보다 더 높은 용융점을 가진다. 종래 특허에서 밝혀진 바에 따르면, 고온의 재료들을 마찰교반용접 하기 위한 공구는 마찰교반용접되는 재료들보다 더 고온 용융성를 가지는 재료 또는 재료들로 제조된다. 몇몇 실시예들에서, 공구에는 초연마제(superabrasive)가 사용되며, 종종 코팅(coating)으로 사용되었다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 초합금 뿐만 아니라 상기 기능적으로 용접불가능한 재료들을 다루고 있으며, 본 명세서 전반에 걸쳐 "고온 용융성(high melting temperature)" 또는 "고온의 연성 온도(high softening temperature)"로서 지칭된다. 하지만, 본 명세서에서 다뤄지는 공구는 낮은 용융 온도 재료들이 사용될 때 덜 가혹한(less harsh) 마찰교반용접 환경에서도 사용될 수 있다.

본 발명은 다수의 분야에서 사용되는 공구에 유용하지만, 특히, 고온 용융성 재료들의 마찰교반용접을 수행할 때 가장 유용하다.

작은 직경의 튜브(케이싱과 파이프 포함)는 종종 넓은 온도 범위에 걸쳐 밀봉상태(seal)를 유지하기 위해 종종 서로 유사하지 않은 재료들로 제조된 기계식으로 조여진 커넥터(mechanically fastened connector)를 필요로 한다. 그 결과, 결합부는, 두 재료들이 서로 다른 속도로 팽창되거나 또는 수축될 때, 극심한 온도 구배(temperature gradient)로 인해 누출되기 쉽다. 액상 천연가스를 수송하는 관형 시스템(tubular system)은 심한 온도 범위에 걸쳐 작동하는 기계 구성요소들의 한 일례이다.

고온 용융성 의 마찰교반용접 공구

고상 변환을 위해 액체를 필요로 하는 재료들을 생성하는 데 대한 문제점들과 함께, 마찰교반용접 기술의 진보에 따라, 마찰교반용접의 고상 결합 공정 동안 스틸과 스테인리스 스틸과 같은 고온 용융성 재료들을 접합하도록 하는 공구들이 사용될 수 있다.

상기 공구는 다양한 재료들의 마찰교반용접에 효율적이다. 공구 설계는 폴리크리스탈린 큐빅 보론 니트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN) 및 폴리크리스탈린 다이아몬드(polycrystalline diamond) 외에도 다양한 공구 말단부 재료들을 사용할 때 효율적이다. 이러한 재료들 중 몇몇 재료는 내화재, 가령, 텅스텐, 레늄, 이리듐, 티타늄, 몰리브덴 등을 포함한다.

상술한 바과 같이, 마찰교반용접은 서로에 인접하게 위치된 2개의 금속 몸체(metal body) 사이에서 공구가 결합부 라인을 횡단할 때 마찰열을 발생시키기 위해 회전 공구를 사용하는 고상 결합 공정이다. 상기 결합 방법은 결합되는 몸체를 우선 용융시키고 그 뒤 경화하는 융합 용접 공정에 걸쳐 상위 결합부(superior joint)를 제공한다.

고온 용융성 재료들을 결합하는데 사용되는 마찰교반용접 기기는 2개의 우수한 조절 옵션(control option) 즉 축방향 또는 Z축 하중(load), 및 축방향 또는 Z축 위치를 가진다. 상기 두 조절 옵션은 마찰교반용접된 결합부를 생성하기 위하여 마찰교반용접 공정 동안 공구 횡단 속도와 공구 회전 속도와 함께 사용된다. 일반적으로, 상기 4개의 모든 변수(Z축 하중, Z축 위치, 공구 횡단 속도, 및 공구 회전 속도)들은 서로에 대해 독립적이며 특정 설정지점(set point)에 프로그래밍된 폐루프 피드백 알고리듬(closed loop feedback algorithm)에 의해 조절된다. 현재, 마찰교반용접 생산에서 대부분의 분야는 생산 마찰교반용접 공정 동안 운영자가 개입하는 것이(intervention) 최소로 요구되는 알루미늄 마찰교반용접된 구성요소들로 구성된다. 대부분의 알루미늄 분야에서, 마찰교반용접은 알루미늄의 연성(ductility)과 흐름(flow)이 높고 마찰교반용접 공정 동안 발생된 열이 알루미늄의 높은 열전도성 때문에 공구 경로로부터 신속하게 외부로 전달되는 공정이다.

마찰교반용접이 고강도, 고온 용융성 재료 분야에서 진행됨에 따라, 결점이 없는 안정적인 결합부를 생성하기 위한 공정 윈도(process window)는 알루미늄보다 훨씬 더 작다. 상기 작은 윈도는 공구 주위에서 급격한 온도 구배(temperature gradient), 결합되는 재료들의 상대적으로 낮은 열전도성, 높은 흐름 응력(flow stress), 및 낮은 재료 연성(material ductility) 때문이다.

급격한 온도 구배는 공구 주위에서 재료 흐름을 소성화하기에 필요한 높은 온도와 조합된 재료의 낮은 열전도성의 결과이다. 알루미늄에서, 열은 재료를 통해 우수하게 전달되며, 고온 용융성 재료, 가령, 스틸에서 열이 재료를 통해 흐르는 동안, 재료의 후면(back side)은 공구를 통해 경계면과 표면으로부터 내부적으로 반사된다(reflected). 또한, 마찰교반용접 동안 공구에 가해진 열 및 기계 하중은 상당하며, 마모 또는 파열에 의해 공구가 고장나는 것을 방지하고 예측가능하며 일정한 결합부 특징을 생성하기 위해 정밀한 공정 조절이 요구된다.

알루미늄과 같은 낮은 온도 재료들을 마찰교반용접하기 위한 조절 및 공정 기준은 고온 용융성 재료들을 마찰교반용접하는 동안 공구에 대해 반드시 필요하고 동적 공정(dynamic process)을 수행하기에는 불충분하다. 고온 용융성 재료들을 마찰교반용접을 수행하는데 있어서의 문제점은 작업소재가 작은 직경의 튜브일 때 더 어려워지며, 이는, 튜브 직경이 작아지면 작아질수록 히트 싱크(heat sink)로서 작용하는 재료가 더욱 적어짐에 따라 용접부 내에 입력되는(input) 열에 점점 더 민감하게(sensitive) 되기 때문이다. 이에 따라, 작은 직경의 튜브의 정상상태 처리(steady state processing)를 보장하기 위해 새로운 방법이 강구되어야 한다.

공구의 기하학적 형상 및 공구 기능

본 발명의 또 다른 형태는 공구 자체의 기하학적 형상(geometry)에 관한 것이다. 공구의 기하학적 형상은 기능과 성능에 영향을 끼치도록 마찰교반용접 공구의 숄더 및/또는 핀 위에 배열될 수 있는 표면 특징(surface feature)들을 가리킨다. 종래 기술에 따르면, 알루미늄 합금과 같은 낮은 용융 온도 재료를 마찰교반용접하기 위해 공구의 다수의 기하학적 형상을 제공한다. "용접양호성(aggressive)"으로 분류될 수 있는 이러한 공구의 기하학적 형상은 거의 낮은 용융 온도 재료 분야에만 한정된다. 이는 고온 용융성 재료들을 마찰교반용접하기 위한 공구가 이러한 용접양호성이 있는 종래 기술의 공구들에 공통적으로 발견되는 표면 특징들을 가지는 경우 즉시 작동하지 않을 수도 있는 초연마제 코팅(superabrasive coating)을 가지기 때문이다. 고온 용융성 재료, 가령, 스틸, 스테인리스 스틸, 및 니켈계 합금을 처리하거나 또는 결합하도록 사용되는 공구에서 초연마제 코팅에 가해진 응력은 알루미늄과 구리와 같은 낮은 용융 온도 재료들을 위해 사용되는 공구에서 보다 훨씬 높다.

낮은 용융 온도 재료 분야를 위해 개발되었던 공구의 기하학적 형상은 고온 용융성 재료 분야에 사용하기에는 너무 "용접양호성"이 있는 것으로 간주된다. 용접양호성 표면 특징은 날카로운 각도, 더 거친 스레드(coarser thread), 커다란 나선형 스텝(spiral step), 커다란 반경방향 플랫(radial flat), 및 핀의 말단부로부터 반경 방향으로 연장되는 에어 포일(air foiil)과 닯은 지느러미(fin)를 포함하지만 이들에만 제한되는 것은 아니다.

공구의 기하학적 형상의 주된 기능 중 하나는 작업소재 재료의 교반 작용(stirring action)을 일으키는 것이다. 이 교반 작용은 재료를 공구로 이동시키거나 또는 재료를 공구로부터 멀어지도록 이동시킬 때 유용하다. 교반 작용은 용접양호성 표면 특징들을 포함하는 핀 및/또는 숄더 형상을 생성함으로써 증가된다. 또한, 교반 작용은 작은 직경의 튜브에서 마찰교반용접을 수행할 때 특별한 의의를 가지는 중요한 변수이다.

고온 용융성 재료들과 낮은 용융 온도 재료들에 사용되는 마찰교반용접 공구의 표면 특징의 차이점들이 생기는데는 여러가지 이유가 있다. 첫 번째로, 낮은 용융 온도 재료들 상에서 통상적으로 사용되는 용접양호성 표면 특징 형상 중 몇몇 형상은 기술적으로 불가능한 것으로 간주된다. 특히, 고온 용융성 재료들을 고상 처리하는 동안의 공구 재료의 강도는 너무 높다.

두 번째로, 고온 용융성 재료 내에 결합된 상태로(engaged) 유지하기 위해 용접양호성 표면 특징이 유지되는 경향(tendency)이 있다. 그에 따라, 마찰교반용접 공구가 철회될 때(retracted) 핀이 종종 파열되어, 고온 용융성의 재료 내에 남아있게 되고, 용접 실패(failed weld) 및 마찰교반용접 공구가 파손되게 된다.

세 번째로, 가장 일반적인 낮은 용융 온도 재료(알루미늄 및 구리와 같은)의 열전도성은 공구(통상 스틸 공구)의 열전도성보다 더 크다. 이에 비해, 고온 용융성 재료들의 열전도성은 일반적으로 용접에 사용되는 마찰교반용접 공구의 열전도성보다 더 작다.

네 번째로, 작업소재와 마찰교반용접 공구 사이의 마찰계수가 상이하다. 낮은 용융 온도 재료들에 대한 마찰계수는 높지만, 고온 용융성 재료들의 마찰계수는 낮다. 상기 요인은 마찰교반용접 공정의 열생성(heat generation)을 현저하게 변경시키며, 이는 공구 설계에 있어서 중요한 고려요인이다.

요약하면, 마찰교반용접에서 사용되는 대부분의 공구의 기하학적 형상은 평평한 표면들과 낮은 용융 온도 재료들을 위해 설계된다. 튜브의 직경이 점점 더 작아질수록, 이러한 공구의 기하학적 형상은 용접부를 언더컷(undercut)할 가능성이 높아지게 하거나, 마찰교반용접된 결합부를 견고하게 하지 않는다. 작은 직경의 튜브에 대한 특정 고려사항들은 공구 설계에 대해서도 고려되어야 한다.

작은 직경의 튜브의 아웃오브포지션 마찰교반용접

비-평면의 표면들을 반경방향과 세로방향으로(longitudinal) 용접하기 위한 실질적인 필요성이 있다. 이제, 파이프(pipe), 플랜지(flange), 탱크(tank), 및 덮개(shroud)와 같은 물체 상에 마찰교반용접을 수행할 수 있게 하는 다양한 장치들이 있다. 이러한 시스템은 마찰교반용접 공정을 위해 지지력(support)을 제공하기 위해 액티브(active) 또는 패시브(passive) 맨드릴(mandrel)을 사용한다.

하지만, 액체, 가스 및 반고형물질(semisolid) 뿐 아니라 구조적 구성요소들을 이동시키기 위하여, 석유화학, 오일 및 가스, 파워, 원자력, 종이, 화학 및 작은 직경의 튜브를 사용할 필요가 있는 그 외의 다른 산업계에 많은 분야가 있다. 몇 가지만 예를 들자면, 스테인리스 스틸, 니켈계 합금, 및 철스틸(ferritic steel)을 포함하는 파이프 및 튜브 용도로 사용되는 다양한 재료들이 있다. 종래의 용접 공정은 이러한 재료들을 다수로 접합하여 사용되어 왔으나, 환경 문제로 인해 용접이 사용될 수 없거나 또는 재료 특징 필요조건 때문에 용접할 수 없는 재료(non-weldable material)가 사용되어야 하는 분야들이 많다. 이러한 분야에는, 용접된 결합부(welded joint) 대신 기계식 결합(mechanical joint)이 사용된다. 나사 결합(threaded joint) 또는 플랜지가 파이프의 단부(end)를 기계식으로 부착하기 위한 통상적인 방법들이 있다.

기계식 결합의 한 예는 오일 및 가스 산업에서 사용되는 관형 시스템(tubular system)으로 불리는 케이싱(casing)일 것이다. 홀(hole)이 지질 형태(geological formation)으로 드릴링될 때, 관형 케이싱이 홀 아래에 삽입되어 지구로부터 추출된 제품(product)들로부터 지구 형태(earth formation)를 고정시키고 밀봉한다. 홀의 한 섹션(section)이 드릴링되고 난 뒤, 케이싱이 위치되고, 그 뒤, 상기 홀의 섹션이 케이싱과 함께 세팅되고 나면(set with) 드릴링 작업이 재개된다. 상대적으로 작은 드릴 비트(drill bit)가 기존의 케이싱을 관통하고 홀의 그 다음 섹션을 드릴링해야 하기 때문에 추후 단계를 위해서 상대적으로 작은 직경의 케이싱이 사용된다. 상기 케이싱은 각각의 단부 상에서 나사가 구성되고 홀 내에 삽입될 때 함께 나사고정된다(screwed). 나사구성된 결합부는 문제가 있는데, 수 나사(male thread)와 암 나사(female thread)를 수용하여 홀 밑으로 삽입될 때 결합부에서 굽어지거나 또는 비틀려지기 쉽기 때문에 케이싱 단부의 직경이 커야만 한다. 이것은, 케이싱 장착 동안 결합부가 굽어지거나 또는 고장나는 경우, 전체 케이싱 스트링(string)이 철회되어야 할 가능성이 있는데, 수심이 깊은 바다에서 이러한 홀이 드릴링 되면 더욱 더 큰 문제가 된다.

신규한 케이싱 기술은 홀 아래 삽입되고 난 뒤 케이싱을 팽창하는 과정을 포함한다. 이 기술은 홀의 크기를 증가시키고 홀을 완성하는데 필요한 케이싱 직경의 개수, 및 드릴링될 수 있는 깊이를 감소시킨다. 이 기술에 대한 결점으로는, 케이싱의 팽창된 결합부가 팽창되지 않는 스레드보다 더 누출되기 쉽다는 것이다. 종래의 용접은 용접부의 연신율(elongation)이 원래의 파이프 재료보다 더 적기 때문에 옵션사항이 아니다.

기계식 결합부가 실용적이지 않은 이러한 분야에 대해서, TIG, MIG, Oxy-Acetlen, Stick 등을 포함하여, 종래의 용접 방법들로 튜브 또는 파이프를 결합하는 것은 오랜 세월동안 일반적인 작업이었다. 이 모든 방법들은 2개 또는 그 이상의 튜브의 결합부를 함께 용융시키기 위해 전기 또는 연소 가스로부터 고에너지를 사용한다. 이러한 공정 동안 금속은 함께 용융되어 경화된다. 재료들이 경화됨에 따라, 열에 영향을 받는 영역(heat affected zone)은 기초 금속과 용융된 재료 사이에 형성된다. 상기 열에 영향을 받는 영역은 원료(base material)보다 더 부드럽고 취약하다. 또한, 재료의 미세구조에 있어서, 균열(crack), 공극(porosity) 및 바람직하지 못한 상(phase)을 포함하는, 경화되는 데 결함이 되기 쉽다.

많은 경우, 결합부의 강도를 향상시키기 위해 용접 공정 동안 고강도의 충전금속(filler metal)이 사용된다. 불행하게도, 고강도의 충전금속을 첨가하면, 경화된 충전금속이 원료보다 더 견고하게 되며, 이에 따라 원료와 충전재 사이의 경도에 있어서 차이가 추가로 증가된다. 이 차이는 균열이 시작되고 고장이 발생되는 응력 발생인자(stress raiser)가 된다.

용접 튜브 또는 파이프에 관한 또 다른 어려움은 용접 공정 동안 용융된 재료의 흐름 상에 중력 효과로 인한 용접 결합부 두께가 일정하지 않다는 것이다. 사실, API(American Petroleum Institute; 미국석유학회)와 같이 용접 품질 보증 기관은 결함을 포함하도록 허용하는 종래의 용접 방법들을 사용하는, 이러한 모든 용접을 수용한다. 이러한 결함들은 균열, 결함, 공극, 및 이러한 용접 방법들에 대해 고유한(inherent) 모든 변수들로 인해 자연스럽게 발생하는 그 외의 다른 이상요인(anomaly)들이다. 결함은 특정 크기에 도달할 때 결함으로 간주된다. 그 결과, 파이프 및 튜브 시스템 디자인 엔지니어는 용접 결합부에서 낮은 강도와 "결함"을 수용하기 위해 상대적으로 두꺼운 횡단면을 가진 파이프 및 튜브 형상으로 과도 설계할 수밖에 없다(over design). 시스템 디자인 엔지니어가 원료 금속 특징의 40%에서 용접 결합 강도를 수용하는 것이 통상적이다.

마찰교반용접은 재료들을 접합하기 위해 개선된 수단으로서 공보에 잘 기술되어 있다. 마찰교반용접을 위해 어떠한 경화 결함(solidificatuion defect) 및 어떠한 충전금속도 필요 없다. 이 공정은 위에서 나열된 종래 방법들에 비해 27배 더 적은 에너지를 사용한다.

앞에서 설명한 것과 같이, 마찰교반용접 공정은, 작업소재가 평면 또는 비-평면이든지 간에, 재료를 접합하고 소성화시키기에 충분한 열을 발생시키기 위해 회전 공구(rotating tool)를 사용한다. 회전 공구를 재료 내에 삽입하고(plunge) 하중을 유지하기 위해 축방향 또는 Z축 공구 힘이 필요하다. 공구가 결합부를 통해 운동할 때 횡단방향 또는 X축 힘도 공구에 가해지고, 연화되고 재료를 함께 교반시킨다. 마찰교반용접 공정 동안 공구에는 회전 토크(rotational torque)도 가해진다.

본 명세서에서, 작은 직경의 튜브는 16 인치 또는 그 미만의 내측 직경을 가지거나 또는 종종 약 9 인치가 되는 것으로 정의된다. 튜브의 직경이 더 작아질수록, 공구에 의해 가해지는 힘에 저항하고 튜브를 고정하도록 사용되는 접촉 영역도 점점 더 감소된다. 하지만, 공구에 의해 가해지는 힘은 감소되지 않음에 따라 마찰교반용접 동안 튜브를 고정하기가 더 어려워지게 된다. 또한, 직경이 선형으로 감소함에 따라 튜브의 관성모멘트는 제 4 의 힘(forth power)에 의해 감소된다. 이는 공구가 결합부에 수직으로 맞추어지면 공구의 Z축 하중으로 인해 튜브가 구부러지기 쉽게 되는 것을 의미한다.

튜브 벽이 점점더 얇아지기 때문에, 튜브의 횡단방향 강도도 감소된다. 튜브 직경이 점점더 작아지기 때문에, 튜브 내에 끼워넣어지기에 필요한 상대적으로 작은 맨드릴에 대해 똑같은 Z축 힘이 반응해야 한다(reacted).

작은 직경의 튜브를 마찰교반용접 하는데 사용하기 위한 내부 맨드릴

아치형 표면(arcuate surface) 상에 수행되는 마찰교반용접은 종종 용접되는 아치형 표면의 내측에 대해 카운터-밸런싱 힘(counter-balancing force)을 사용할 필요가 있다. 카운터-밸런싱 힘 없이는, 아치형 표면이 마찰교반용접 공구에 의해 가해진 힘들에 의해 손상될 수 있다.

본 발명은 아치형 표면을 마찰교반용접하는데 관한 것으로서, 상기 아치형 표면은 작은 직경의 케이싱, 파이프 및 아치형 표면의 곡률이 마찰교반용접 공구의 크기에 비해 더 큰 튜브를 포함하지만, 이들에만 제한되지는 않는다. 큰 직경의 튜브에 비해 작은 직경의 튜브를 마찰교반용접 하는데 관한 독특한 문제점들이 있다. 이 문제점들은 종래 기술에 사용되는 내부 맨드릴에 의해 해결되지 않는다.

마찰교반용접은 이미 큰 직경의 튜브 또는 파이프 세그먼트를 결합하기 위한 실용적인 기술로서 확립되었다. 큰 직경의 파이프 세그먼트를 결합할 수 있는 마찰교반용접 기계(50)의 한 예가 도 3에 도시되어 있다. 두 파이프 사이의 결합부 내로 회전하는 공구가 삽입되기 때문에 마찰열이 생성된다. 일단, 공구가 작업소재 내에 삽입되고 나면, 공구는 결합부가 함께 교반되는 동안 파이프 주위에서 주변 방향으로 이동하게 된다(travel circumferentially). 그 뒤, 마찰교반용접 공구가 철회되고(retracted) 마찰교반용접 기계(50)가 파이프를 따라 용접되어야 하는 그 다음 파이프 결합부로 이동된다.

도 3에 도시된 마찰교반용접 기계(50)는 용접되는 파이프의 외부 상에 작동하는 기계장치를 예시한다. 가해지는 힘에 비해 작업소재의 두께가 작을 때, 결합되는 작업소재의 후면(공구의 맞은편)에 카운터-밸런싱 힘을 제공할 필요가 있다. 카운터-밸런싱 힘이 없으면, 작업소재는 변형될 수 있다. 작은 직경의 튜브에서, 마찰교반용접 동안 결합되는 튜브의 내측을 지지하기 위해 내부 맨드릴이 필요한데, 이는 Z축 공구 하중이, 일반적으로, 1 인치의 마찰교반용접 공구 직경에 걸쳐 4000 내지 8000 파운드로 꽤 높기 때문이다.

도 4는 종래 기술에서 볼 수 있는 맨드릴을 예시한 한 예이다. 맨드릴(36)은 튜브의 내경(ID, Inside Diameter)에 대해 힘을 제공하기 위한 시스템을 포함한다. 포함될 수 있는 또 다른 특징은 필요 시에 위치될 수 있도록 튜브의 내측을 따라 맨드릴을 이동시키기 위한 시스템이다.

작은 직경의 튜브에 대한 발명

커다란 직경의 아치형 표면을 마찰교반용접 하는데 관련된 문제점들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 하지만, 작은 직경의 튜브를 마찰교반용접할 때 발생되는 독특한 문제점들이 있다. 본 발명은 이러한 마찰교반용접 공정과 그 외의 다른 아웃오브포지션(out of position) 마찰교반용접 공정에 관한 것이다. 따라서, 종래 기술에 비해, 1) 마찰교반용접이 작은 직경의 튜브 상에서 수행될 수 있도록 작은 직경의 튜브를 고정하기 위한 시스템 및 방법, 2) 작은 직경의 튜브를 마찰교반용접할 수 있게 하는 표면 특징들을 가진 신규한 공구의 기하학적 형상, 및 3) 작은 직경의 튜브에서 사용될 수 있는 신규한 맨드릴을 제공하는 것이 이득이 있을 것이다.

본 발명은, 고온 용융성 재료들이 케이싱, 파이프, 튜브 및 마찰교반용접 공구의 크기에 비해 작은 직경을 가지는 그 외의 다른 아치형 표면에 사용될 때, 고온 용융성 재료들 상에서 마찰교반용접을 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 상기 시스템은 마찰교반용접 공구 상에 있는 용접양호성 표면 특징들, 신규한 공구를 사용할 때 개선된 공정 변수들, 큰 힘이 가해질 때 작은 직경의 튜브를 고정하기 위한 신규한 시스템, 및 신규한 내부 맨드릴을 포함한다.

이러한 목적, 특징, 이점들과 그 외의 다른 목적, 특징, 이점들과 본 발명의 대안의 형태들은 첨부된 도면들과 조합하여 하기 상세한 설명을 고려함으로써 당업자들에게 자명해질 것이다.

도 1은 평면의 작업소재의 마찰교반용접을 보여주는 종래 기술을 예시한 도면이다.
도 2는 종래 기술을 사용하여 평면의 표면에 마찰교반용접을 수행하는 공구를 도시한 횡단면도이다.
도 3은 2개의 마찰교반용접용 튜브를 고정시키도록 배치된 커다란 클램프의 종래 기술을 사용하여 큰 직경의 파이프 세그먼트를 결합할 수 있는 마찰교반용접 기계를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 기술에서 입증된 맨드릴을 예시한 도면이다.
도 5는 작은 직경의 튜브와 큰 직경의 튜브를 예시한 사시도이다.
도 6은 작은 직경의 튜브를 위한 회전식 클램핑 및 배치 설비(RCPF)를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 RCPF의 제 1 면의 맞은편에 있는 제 2 면을 도시한 사시도이다.
도 8은 용접되어야 하는 튜브 내에 삽입되기에 충분히 작은 신규한 내부 맨드릴의 제 1 실시예를 예시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 맨드릴의 내부 구성요소들을 절단하여 도시한 사시도이다.
도 10은 구동 단부 볼 스크루, 조임 너트, 및 4개의 독립 스프링이 장착된 팽창 쉘을 포함하는 또 다른 맨드릴을 도시한 사시도이다.
도 11은 닫힌 형상에 있는 맨드릴을 예시한 사시도이며, 여기서 조임 너트는 회전되어 있어서 4개의 독립 스프링이 장착된 팽창 쉘의 면들이 연동된 배열상태로 서로를 지나 슬라이딩 이동되게 한다.
도 12는 변형된 맨드릴의 외경(OD, Outside Diameter)을 도시한 사시도이다.
도 13은 가열/냉각 포트를 가진 팽창 쉘의 교체가능한 섹션을 포함하는 도 12의 맨드릴을 도시한 사시도이다.
도 14는 숄더의 외형이 작업소재에 대해 접선의 약 18° 내에 유지되어야 하는 것을 보여주는 마찰교반용접 공구의 측면도이다.
도 15는 핀(도시되지 않음)이 작은 직경의 튜브 내에 삽입된 경우, 마찰교반용접 공구와 작은 직경의 튜브를 도시한 측면도이다.
도 16은 숄더와 핀이 용접양호성 표면 특징(aggressive surface feature)들을 포함하는 마찰교반용접 공구를 예시한 사시도이다.
도 17은 작은 직경의 튜브 위에 마찰교반용접 공구의 중심이 위치된 횡단면도이다.
도 18은 마찰교반용접 공구가 작은 직경의 튜브를 리딩하는 횡단면도이다.
도 19는 마찰교반용접 공구가 작은 직경의 튜브에 후속배치되는 횡단면도이다.
도 20은 2개의 케이싱 사이에 있는 결합부를 도시한 횡단면도이다.

이제, 도면을 참조해 보면, 당업자가 본 발명을 이용할 수 있게 하기 위하여 본 발명이 논의될 것이며 본 발명의 여러 요소들이 도면부호로 표시되어 있다. 하기 내용은 본 발명의 원리를 단지 예시한 것이며 청구항들의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다.

본 발명은 튜브가 고온 용융성 재료들로 구성될 때 마찰교반용접을 수행하기에 충분히 견고한 조임력(firm grasp)으로 작은 직경의 튜브를 정확한 위치에 고정시키기 위한 시스템 및 방법들을 기술한다. 작은 직경의 튜브는 마찰교반용접 공구가 정지상태로 유지될 때 배치 및 고정 시스템에 의해 회전될 수 있거나, 또는 그 반대로 마찬가지이다. 내부 맨드릴의 여러 실시예들도 기술되는데, 이 내부 맨드릴은 더 작은 수치를 가진 작은 직경의 튜브 내에 끼워질 수 있으며 마찰교반용접 공구에 의해 힘들이 가해질 때 튜브가 변형되는 것을 방지하기 위하여 대항력(counter force)을 제공하도록 팽창된다.

신규한 마찰교반용접 공구의 기하학적 형상(geometry)도 기술되는데, 마찰교반용접 공구(100)는 공구/작업소재 경계면에 더 많은 열을 보내어 마찰교반용접 숄더와 작업소재 사이의 접촉 부족을 완화하도록 한다. 마지막으로, 마찰교반용접 공구는 결합부를 따라 작은 직경의 튜브에 정밀하게 배치되어 결합부/작업소재 경계면의 바람직한 가열과 표면 마감을 제공한다.

본 발명의 제 1 실시예는 고온 용융성 재료들로 제조된 아치형 표면(arcuate surface)의 아웃오브포지션(out of position) 마찰교반용접을 수행하는 시스템과 방법이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 작은 직경의 튜브에 마찰교반용접을 수행할 때 생기는 고유의 문제점들을 다룬다.

본 발명은 작은 직경의 케이싱(casing), 파이프 및 오일 및 가스 탐사 및 수송 산업에서 사용되는 고온 용융성 재료들로 제작되는 관형 물체(tubular object)에 마찰교반용접을 수행하기 위하여 산업계에서 제기된 필요성에 대응하여 개발되었다. 하지만, 본 발명은 작은 직경의 관형 물체들이 마찰교반용접을 필요로 하는 임의의 분야, 특히, 재료가 고온 용융성에서 용접될 때 사용된다.

도 5는 작은 직경의 튜브(50) 및 큰 직경의 튜브(52)와 결합된 마찰교반용접 공구를 예시한 사시도이다. 이를 위하여, 작은 직경의 튜브와 큰 직경의 튜브에 대한 정의 사이에 중첩되는 부분이 있을 수 있다. 하지만, 본 발명이 직경이 최대 16 인치까지의 튜브에 적합하도록 기능할 것이라고 믿어진다. 사용자는 마찰교반용접되고 있는 작업소재의 특징들에 따라 어떤 타입의 시스템이 적용분야에 최적일 지를 결정할 필요가 있을 것이다.

고온 용융성의 큰 직경의 튜브를 마찰교반용접하기 위한 종래 기술의 시스템들은, 통상, 도 3에 도시된 것과 같이 배치되고 2개의 튜브를 고정하는 커다란 클램프 시스템을 사용한다. 이러한 튜브를 마찰교반용접하려면, 공구가 튜브의 주변(circumference) 주위로 이동하거나 또는 공구가 정지된 상태로 유지되고 튜브가 회전할 필요가 있다. 어떤 구성요소가 회전하던지 간에, 마찰교반용접 공구에 의해 가해진 힘들에 작용하기 위하여 고정 메커니즘에 의해 튜브를 통해 힘들이 결합되어야 한다(coupled).

종래 기술은 큰 직경의 튜브가 이러한 힘들에 작용하기 위하여 다수의 클램프 및/또는 플랜지 볼트들을 가진 기어 시스템과 매우 무거운 턴테이블(turntable)을 사용하여 회전되는 것을 보여준다. 용접할 필요가 없기 때문에 기다린 길이가 용접될 수 있도록 하기 위하여, 이러한 턴테이블 또는 회전식 구동 설비(rotary drive fixture)는 중앙에서 관통-홀을 가지지 않는다. 게다가, 베어링 시스템이 매우 비용이 비쌀 수도 있다. 마찰교반용접에 필요한 힘들이라 하더라도, 이러한 클램핑 힘들을 작은 직경의 튜브에 가하는 것은 실용적이지도 않고 가능하지도 않다.

정확하게 수행되어야 하는 마찰교반용접에 대하여, 튜브는 마찰교반용접되는 결합부에서 공구가 일정하게 관통할 수 있게 하기 위하여 마찰교반용접 공구의 위치에 대해 동심구성 상태로(concentric) 유지되어야 한다. 튜브가 오프-센터(off-center) 또는 편심(eccentric) 구성이면, 용접부가 부분적으로 관통되어 튜브의 내측에 결함이 생기게 될 수 있다.

도 6은 작은 직경의 튜브에 적절한 그리핑 강도(gripping strength) 및 마찰교반용접 공구에 대해 튜브를 정확하게 배치하는 문제에 대한 해결책을 나타내는 제 1 실시예를 도시한다. 도 6은 작은 직경의 튜브에 대해 회전식 클램핑 및 배치 설비(Rotary Clamping and Positioning Fixture; RCPF)의 제 1 면(66)을 도시한다.

상기 회전식 클램핑 및 배치 설비는 마찰교반용접 되어야 하는 튜브의 길이를 기다랗게 하기 위해 관통-홀(62)을 제공한다. 튜브(70)를 정확하게 배치하기 위하여 3개의 기계식 조(jaw)(64)가 제공된다. 이 기계식 조(64)들은 튜브(70) 주위에서 수동 또는 자동으로 닫힐 수 있다. 기계식 조(64)들을 닫는 과정은 RCPF(60)의 제 2 면(68) 상에서 수행된다.

도 7은 RCPF(60)의 제 1 면(66)의 맞은편에 있는 제 2 면(68)을 도시하고 있는 한 예시이다. 제 2 면(68)은 3개의 기계식 조(64)들을 조절하도록 사용되는 구동 피니언(77)을 도시한다. 튜브(70)와 같은 원형의 작업소재가 클램핑 고정될 수 있을 때, 상기 조들이 셀프-센터링(self-centering)되는 3개의 조 클램핑 시스템을 사용하는 것이 일반적인 방법이다. 하나의 조(64)를 이런 방식으로 조절하면, 다른 두 조들이 조절되어 조들이 균등하게 이동된다. 따라서, 원형의 작업소재를 조(64)들의 중앙에 위치하는 것은 단순한 이동이다. 조(64)들을 원형의 작업소재 주위에 조이기 위한 시스템은 하우징(72) 내에서 회전 가능하게 작동되는 원형의 스크롤(scroll)을 포함하는데, 상기 원형의 스크롤은 하나 이상의 키(key) 작동식 구동 피니언(77)에 의해 구동된다.

위에서는 3개의 기계식 조(64)들이 기술되었지만, 이 개수는 조정될 수 있다. 하지만, 셀프-센터링 조들에 의해 정확하게 중앙에 위치되는 것이 요구되는 타입의 분야에서는 통상적으로 3개의 기계식 조들이 사용된다.

또한, 도 6에서, 3개의 기계식 조(64)들이 3개의 유압식 조(74)들에 의해 보조되는(assisted) 것이 도시되어 있다. 일단, 튜브(70)가 기계식 조(64)들에 의해 제 자리에 클램프 고정되면, 유압작동식 조(74)들은 튜브(70)가 조(64) 내에서 회전 또는 이동되지 않기에 필요한 추가적인 힘들을 가한다. 유압식 조들이 CNC 타입의 기계 설비에서 유용하지만, 유압식 조들에는 마찰교반용접 분야에서 필요한 요구 힘들이 없다.

다수의 마찰교반용접 분야에서의 한 문제점은, 조들이 FCPF(60)의 중앙을 관통해야 하는 튜브의 서로 다른 횡단면 직경(cross sectional diameter)을 수용하기에 충분하게 개방될 수 있어야 한다는 점이다. 유압식 조(74)는 조(64, 74) 내에 동심성(concentricity)을 유지하기에 필요하도록 매우 제한적인 행정(stroke)을 가진다. 따라서, 본 발명의 클램핑 시스템은 훨씬 더 큰 직경의 튜브들이 중앙의 관통-홀(62)을 통과할 수 있게 하면서도, 상대적으로 작은 횡단면 직경의 튜브 상에 클램프 고정될 수도 있다.

또한, 도 6은 기계식 조(64)들과 유압식 조(74)들이 내부 클램핑 링(76) 내에 배열되어 있는 것을 보여준다. 내부 클램핑 링(76)은 정지 하우징(78)에 의해 고정된다. 상기 정지 하우징은 마찰교반용접 기계에 장착된다. 상기 마찰교반용접 기계는 수직 또는 수평 구성에서 작동될 수 있으며 이에 따라 마찰교반용접 공정은 유연한 적용분야를 가질 수 있다.

중요하게도, 내부 클램핑 링(76)은 자유로이 회전되어 조(64, 74) 내의 튜브(70)가 RCPF(60)와 튜브의 중앙축(79) 주위로 회전될 수 있게 한다. 상기 실시예에서, 내부 클램핑 링(76)의 회전은 스퍼 기어(spur gear)에 의해 구동되지만 임의의 적절한 시스템도 사용될 수 있다. 내부 클램핑 링(76)이 하우징(78) 내에서 회전할 때 슬라이딩 마찰 베어링 표면 상에 유압식 오일 윤활제가 사용된다.

작은 직경의 튜브(70)를 적절하게 배치하고 고정하는 과정은 통상적인 것이 아니라 실험을 통해 결정된 것이다. 마찰교반용접 공구에 가해진 힘들로 마찰교반용접을 가능하게 하기 위해 유압식 조(74)의 힘과 결합하여 셀프-센터링 기계식 조(64)들의 조합할 것을 필요로 한다.

작은 직경의 튜브를 고정하기 위하여 RCPF(60)를 사용하는 것은, 튜브의 횡단면적과 벽 두께가 마찰교반용접 공구 힘들에 저항하기에 충분한 경우 굴절(deflection)에 저항하는 내부 맨드릴(internal mandrel)과 무관할 수 있다. 맨드릴을 필요로 하지 않는 경우의 한 예는, 드릴링 분야에 사용된 케이싱의 나사구성된 결합부(threaded joint)를 마찰교반용접하여 용접부가 밀봉부를 형성하고 상대적으로 두꺼운 나사구성된 부분(threaded portion)이 마찰교반용접 동안 벽이 파열되는 것에 대해 저항하기 위해 증가된 관성모멘트를 제공하는 것이다. 따라서, 상대적으로 튜브의 더 두꺼운 벽은 내부에 대항력(coutnering force)을 불필요하게 할 수 있다. 그 외의 다른 경우, 튜브가 굴절(deflection)되는 것을 방지하고 RCPF(60)가 회전됨으로써 생성되는 토크에 대해 저항하기 위하여 맨드릴이 필요하다.

내부 맨드릴이 커다란 직경의 튜브를 지지하기 위해 사용된다는 것은 앞에서 이미 설명하였다. 종래 기술, 가령, 동시계속출원 11/244,824호에 기술된 맨드릴은 본 발명의 용접 물체인 좁은 범위의 작은 직경의 튜브에 맞기에는 너무 크지만 상대적으로 큰 직경 범위의 튜브에는 적합하다. 따라서, 상대적으로 작은 직경 범위에 사용될 수 있는 신규한 맨드릴 디자인을 제공하는 것이 필요하다.

튜브의 벽들이 마찰교반용접 공구 힘들을 견뎌낼 수 없는 경우, 맨드릴은 마찰교반용접 동안 결합되는 튜브의 내측을 지지할 필요가 있다. 통상, Z축 공구 하중(tool load)은 1인치 직경을 가진 일반적인 마찰교반용접 공구에 걸쳐 가해진 4000 내지 8000 파운드이다.

도 8은 신규한 내부 맨드릴(80)의 제 1 실시예를 예시한 사시도이다. 맨드릴(80)은 용접되어야 하는 튜브(70) 내에 삽입되기에 충분히 작은 직경을 필요로 한다. 이 실시예에서, 맨드릴(80)은 팽창 쉘(82)과 튜브(70)의 내경(ID)를 향해 밀려서 팽창 쉘(82)이 튜브의 내경(ID)과 접촉할 수 있도록 반경 방향으로 이동하는 팽창 웨지(84)를 포함한다. 팽창 웨지(84)는 유압 실린더(86)의 작동을 통해 반경 방향으로 이동되게 한다.

팽창 웨지(84)의 크기는 맨드릴(80)의 작동을 변화시키기 위해 가변적일 수 있다. 상대적으로 큰 팽창 웨지는, 가능한 경우, 팽창 쉘(82)을 더 크게 개방되게 한다. 상대적으로 작은 팽창 웨지(84)는 똑같은 힘을 사용하여 팽창 쉘(82)을 개방시키지 못할 것이다.

도 9는 맨드릴(80)을 절단하여 내부 구성요소들을 도시한 사시도이다. 유압 실린더(86)가 이동되면(movement) 더블-웨지 조립체(double-wedge assembly)에 대해 힘이 가해진다. 제 1 웨지(88)가 튜브(70) 내로 전진되어 밀린 상태로 도시된다. 제 1 웨지(88)는 상기 가해진 힘을 제 2 웨지(90)에 대해 전달한다(transfer). 제 2 웨지(90)가 팽창 웨지(84)에 대해 밀리도록 하기 위하여 제 1 웨지(88)와 제 2 웨지(90)가 서로를 지나 슬라이딩 이동할 수 있는 것이 필요하다. 팽창 웨지(84)는 튜브(70)의 내경(ID)와 접촉할 때까지 팽창 쉘(82)이 개방될 수 있게 한다. 팽창 쉘(82)은 마찰교반용접 공구가 제공될 때 튜브(70)가 변형되는 것을 방지하기에 필요한 힘을 제공한다.

팽창 쉘(82)은 12 내지 75 Rockwell C 경도를 가져야 한다. 또한, 팽창 쉘(82)이 작업소재와 팽창 쉘 사이에 확산 결합(diffusion bonding)을 방지하기 위해 코팅을 가지는 것이 중요하다.

팽창 쉘(82)은 팽창 쉘의 내측 직경에 형성된 여유분(relief cut)들을 포함하여야 하며 이에 따라 팽창 쉘이 상기 여유분들의 위치에서 튀어오르고(spring) 굽어질 수 있다(flex). 팽창 쉘(82)이 기계가공되고 나면(machined), 테두리(lips)들이 틈새(gap)에 바로 인접한 팽창 쉘의 내측 직경 상의 위치에 용접될 수 있다.

테두리들(lips)이 그 자리에 용접되고 나면, 팽창 쉘(82)은 어떠한 외부 힘도 팽창 쉘에 가해지지 않을 때 틈새가 자연스럽게 닫힌 위치에 오도록 추가로 변형된다. 상기와 같이 틈새를 닫는 것은, 당업자에게 알려져 있는 것과 같이, 여유분의 길이에 대해 평행하고 서로에 대해 똑같은 각도 위치에 있는 융합 용접 비드(fusion weld bead)를 배열함으로써(running) 구현된다. 달리 말하면, 팽창 쉘을 비틀기 위해(distort) 일정한 위치에 있는 팽창 쉘(82)의 내측 상에 충분한 용접 비드가 배열되며 용접 비드를 경화시킴으로써 발생되는 잔여 응력(residual stress)으로 인해 틈새가 닫힌다. 따라서, 틈새가 벌어지는 경우(forced apart) 팽창 쉘(82)이 닫힌 위치로 되돌아간다(spring back).

제 1 및 제 2 웨지(88, 80)에 사용된 재료들은 서로에 대해 밀어낼 수 있어야 할 뿐 아니라 서로를 지나 슬라이딩 이동될 수 있어야 한다. 당업자는 특정 세라믹과 서멧(cermet)이 이러한 기능을 제공하기에 충분한 강성을 지닌다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, TOUGHMET®이 이러한 기능을 수행할 수 있다.

대안의 실시예에서, 도 10은 또 다른 맨드릴(100)을 도시한 사시도이다. 도 10에서, 맨드릴(100)은 튜브(70) 내로 장착할 준비상태가 된 개방 형상(open configuration)에 있다. 맨드릴(100)은 구동 단부 볼 스크루(drive end ball screw)(102), 조임 너트(tightening nut)(104), 및 4개의 독립 스프링이 장착된 팽창 쉘(106)을 포함한다. 맨드릴(100)은 조임 너트(104)의 맞은편에 있는 단부에서 시작하여 튜브(70) 내로 삽입된다.

도 11은 닫힌 형상(closed configuration)에 있는 맨드릴을 예시한 사시도이며, 여기서 조임 너트(104)는 회전되어 있어서 4개의 독립 스프링이 장착된 팽창 쉘(106)의 면들이 연동된 배열상태(interlocking arrangement)로 서로를 지나 슬라이딩 이동되게 하며, 따라서 도시된 것과 같이 외부 방향으로 팽창된다. 따라서, 4개의 독립 스프링이 장착된 팽창 쉘(106)의 외측 표면들은 튜브의 변형을 방지하기 위하여 튜브(70)의 내경(ID)에 대해 눌러진다(pressed).

내부 맨드릴의 최종의 대안의 실시예가 도 12에 도시되어 있다. 도 12는 맨드릴(110)의 외경(OD)을 도시한 사시도이다. 맨드릴(110)은 동시계속출원 11/244,824호(아직 허여되지 않음)에 기술된 맨드릴의 변형예이며, 상기 동시계속출원은 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용된다.

맨드릴(110)은 팽창 쉘(112), 팽창 웨지(114), 팽창 웨지에 힘을 가하기 위한 2개 이상의 레이디얼 작동 실린더(116), 팽창 쉘 자체에 작용하기 위한 레이디얼 작동 실린더(118), 및 팽창 쉘의 교체가능한 섹션(interchangeable section)(120)을 포함한다. 상기 교체가능한 섹션(120)은 작업소재와의 확산 결합을 방지하기 위해 코팅을 포함한다.

종래에 비해 새롭게 추가된 맨드릴(110)의 구성요소(element)는 팽창 쉘(112)의 교체가능한 섹션(120), 및 상기 팽창 쉘에 작용하기 위한 레이디얼 작동 실린더(118)이다.

교체가능한 섹션(120)은 고온 용융성 재료들로 제조된 작은 직경의 튜브 상에서 마찰교반용접을 수행할 때 특히 유용한 새로운 기능을 제공한다. 예를 들어, 발생할 수 있는 문제점으로는 열이 집중(concentration)되는 것과 고온 용융성 재료들가 열을 신속하게 발산시킬 수 없는 것이다. 저온의 용융 온도 재료들의 연성(ductility)과 흐름성(flow)은 높고, 마찰교반용접 공정 동안 발생된 열은 재료의 열전도성이 높기 때문에 공구 경로(tool path)로부터 신속하게 전달된다는 것이 앞에서 이미 설명된 바 있다.

하지만, 마찰교반용접이 고강도, 고온 용융성 재료 분야에서 진행됨에 따라, 결점이 없는 안정적인 결합을 생성하기 위한 공정 윈도(process window)는 알루미늄보다 훨씬 더 작다. 상기 작은 윈도는 공구 주위에서 급격한 온도 구배(temperature gradient), 결합되는 재료들의 상대적으로 낮은 열전도성, 높은 흐름 응력(flow stress), 및 낮은 재료 연성(material ductility) 때문이다.

이 문제점에 대한 한 해결책이 도 14에 예시된 사시도에 도시되어 있다. 도 13은 팽창 쉘(112)의 교체가능한 섹션(120)이 가열/냉각 포트(122)를 포함하는 것을 보여준다. 가열/냉각 포트(122)를 사용하면, 액상 가열 및 냉각 재료들이 교체가능한 섹션(120) 내에 유입될 수 있다. 이에 따라, 맨드릴(110)은 튜브(70)의 외경(OD)의 공구 경로를 따라 온도에 직접 영향을 미칠 수 있다. 공구 경로에 가열 및/또는 냉각을 통해 온도를 변경함으로써, 최적의 정상상태(steady state) 공정 조건을 유지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

교체가능한 섹션(120)이 액체 가열 시스템을 제안하지만, 저항 가열(resistive heating) 등을 포함하여, 공구 경로에 열을 제공하기 위한 그 외의 다른 수단도 사용될 수 있다.

공구 경로에 직접 가열 및 냉각을 제공하기 위한 기능은 마찰교반용접이 수행될 수 있는 환경에 실질적으로 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어, 주변 온도(surrounding temperature)는 극도의 추위 또는 열, 가령, 수면 밑 또는 결빙 또는 거의 결빙에 근접한 환경에 영향을 끼칠 수 있다. 맨드릴(110)은 마찰교반용접 공정이 이상적이지 않은 환경 조건들에도 불구하고 진행될 수 있게 한다.

교체가능한 섹션(120)은 고온 용융성 재료들의 마찰교반용접의 또 다른 바람직한 특징을 제공한다. 마찰교반용접 공정 자체로부터 또는 그 외의 목적(object)들을 위해 맨드릴이 변형될 수 있다. 뿐만아니라, 교체가능한 섹션(120)은 상기 교체가능한 섹션(120)이 설치되는(installed) 작은 직경의 튜브의 내경(ID)과 직접 접촉하는 것이 중요하다. 교체가능한 섹션(120)은 손상된 맨드릴(110)의 일부를 교체할 수 있어서 작업이 신속하게 계속될 수 있게 한다.

고온 용융성 재료들의 마찰교반용접이 지닌 공지된 문제점으로는, 공구/작업소재 경계면에서 열이 발생되기 어렵다는 점이다. 이 문제점은 몇 가지 특성들 때문인데, 이 특성들에는 고온 용융성 작업소재와 공구 사이의 낮은 마찰계수, 및 더 많은 교반 작용(stirring action)을 발생시키기 위하여 용접양호성 표면 특징(aggressive surface feature)을 사용하기가 가능하지 않다는 사실이 포함된다. 이제, 상기 문제점은 작은 직경의 튜브 상에서 마찰교반용접을 수행할 때 마찰교반용접 공구 숄더(shoulder)가 가지는 문제(issue) 때문에 더 어렵게 된다.

도 16는 본 발명의 또 다른 형태를 예시한다. 고온 용융성 재료들을 마찰교반용접하기 위해 허용되는 방법과는 대조적으로, 본 발명의 또 다른 형태는 마찰교반용접 공구(130)의 공구 형상(tool geometry)에 대해 근본적인 변화를 주기 위한 것이다. 초기 마찰교반용접 시도(trial)가 작은 직경의 튜브(70)에 수행될 때, 평면의(planar) 작업소재 용도로 사용되는 통상적인 마찰교반용접 공구 형상은 더 좁거나 작은 직경을 가진 표면에서는 제대로 기능하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 따라서, 마찰교반용접 공구 형상에 가해진 첫 번째 변형은 숄더(132)가 튜브(70)의 표면을 언더커팅(undercutting)하는 것을 방지하기 위해 마찰교반용접 공구(130) 상에 더 평평한 숄더 외형(shoulder profile)을 사용하는 것이다.

도 16은 본 발명의 마찰교반용접 공구(130)의 측면도이다. 도 15는 숄더(132)의 종단면이 작업소재에 대해 접선(134)의 약 18° 내에 유지되어야 하는 것을 보여준다. 이는 작업소재의 접선(134)에 대해 마찰교반용접 공구(130)의 각도가 상하로 최대 18°라는 것을 의미한다. 도시된 실시예에서, 숄더(132)는 접선(134) 내에서 약 9°의 각도를 가진 상태로 도시되어 있다.

도 16은 마찰교반용접 공구(130)와 작은 직경의 튜브(70)의 측면도이다. 도 16에는 핀(도시되지 않음)이 작은 직경의 튜브(70) 내에 삽입되어(plunged) 있지만, 단지 마찰교반용접 공구(130)의 숄더(132) 만을 볼 수 있다. 실험 중, 작은 직경의 튜브(70)의 매우 큰 곡률(curvature) 때문에 마찰교반용접 공구 숄더(132)가 작은 직경의 튜브(70)와 현저하게 덜 접촉하는 사실이 밝혀졌다. 달리 말하면, 숄더(132)의 에지(edge)들은 작은 직경의 튜브(70)와 접촉하지 않는다. 상기 숄더(132) 접촉의 감소로 인해, 핀 주위에 재료 흐름(material flow)을 증가시키고 이에 따라 더 많은 열을 발생시키기 위하여 핀 형상이 더 용접양호성이 있어야 한다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명의 마찰교반용접 공구 재료들에서 낮은 마찰계수로 인해, 매끄러운 표면을 가진 공구들은 일반적으로 더 많은 작업소재 재료를 기계적으로 포획하여(mechanically capture) 이송하도록(transport) 설계된 표면 특징들을 지닌 공구보다 더 적은 마찰력을 발생시키는 특징을 가진다. 작은 직경의 튜브(70)의 마찰교반용접이 성공적이 되게 하기 위해서는, 핀 주위의 재료 흐름을 증가시키고 더 많은 열을 발생시키도록 마찰교반용접 공구 상의 핀 형상을 변형시킬 필요가 있다. 교반 작용은 열을 발생시키고 더 용접양호성 표면 특징을 가지는 핀 형상을 형성함으로써 교반 작용이 증가된다.

도 17은 마찰교반용접 공구(130)를 예시한 사시도이다. 도 16은 숄더(132)와 핀(134)이 용접양호성 표면 특징(aggressive surface feature)들을 포함하는 것을 보여준다. 마찰교반용접 공구(130)는 소용돌이 형태(scrolled)의 숄더(132)로 도시된다. 숄더(132) 상의 소용돌이 형태(scrolling)는 마찰교반용접 공구(130)가 회전되어 재료가 작업소재로부터 핀(134)을 향해 빼내어 지도록 이루어진다.

이와 유사하게, 핀(134) 상의 용접양호성 표면 특징들도 작업소재의 재료를 이동시키는 기능을 한다. 상기 실시예에서, 핀(134)은 용접양호성 스텝형 나선 나사 외형(stepped spiral thread profile)을 가진 상태로 도시되어 있다. 핀(134)과 숄더(132)의 교반 작용은 종래 기술의 마찰교반용접 공구를 사용할 때 통상적인 것보다 더 많은 변형 열(deformation heating)을 발생하도록 사용된다. 마찰교반용접 공구 표면 특징들을 통해 더 많은 열을 발생시킴으로써, 마찰교반용접 공구(130)는 평면이며 큰 직경의 튜브의 마찰교반용접을 수행할 때, 더 많이 접촉되는 숄더(132)에 의해 발생되지 않는 열을 보상한다.

핀(134)의 스텝형 나선 나사 외형은 0.05 tpi(thread per inch; 인치당 스레드 개수) 내지 50 tpi 사이의 피치(pitch)를 가질 수 있다.

도 17에 도시된 실시예가 핀(134) 상에 스텝형 나선 나사 외형과 조합된 스크롤된 숄더(132)를 도시하지만, 본 발명은 핀 위가 아닌 숄더 위에 용접양호성 표면 특징, 숄더 위가 아닌 핀 상의 용접양호성 표면 특징, 뿐 아니라 도 16에 도시된 조합의 개념들을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

또한, 용접양호성 표면 특징들은 심지어 더 큰 교반 작용을 위해서도 조합될 수 있다. 예를 들어, 핀(134)의 스텝형 나선 상의 더 거친 스레드(coarser thread), 더 용접양호성의 반경방향 평탄함(radial flat), 또는 이러한 특징들의 조합은 마찰교반용접 동안 더 많은 변형 열을 발생시킨다. 따라서, 임의의 용접양호성 표면 특징들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주될 수 있으며 도시되어 있는 특정의 용접양호성 특징들에만 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.

용접양호성 것으로 간주되기 위해서는, 핀(134) 상의 표면 특징들은 표면 밑으로 핀 직경의 0.034% 이상 연장되어야 한다(extend).

고온 용융성 재료를 마찰교반용접할 수 있는 마찰교반용접 공구 상에 용접양호성 표면 특징들을 제공하기 위한 기능은 신규한 마찰교반용접 공구의 결과이다. 이전에는, 용접양호성 표면 특징들로 인해 초연마제 코팅(superabrasive coating)에 균열이 생길 수도 있다(crack). 그러면, 계속하여 사용되는 경우, 상기 마찰교반용접 공구가 고장날 수도 있다(fail). 고온 용융성 재료들 상에 사용될 수 있는 용접양호성 표면 특징들과 초연마제 코팅으로 마찰교반용접 공구를 생성하기 위한 신규한 공정은 신규한 공구의 기하학적 형상을 가능하게 만들었다.

위에서 기술된 공구 형상은 용접 특성들을 변형시키기 위해 공구 위치배열(tool positioning)과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 작은 직경의 튜브(70)의 표면에 대해 마찰교반용접 공구의 위치는 완전히 경화된 용접부(fully consolidated weld) 뿐 아니라 허용가능한 표면 마감부(surface finish)를 생성하도록 사용될 수 있다. 이는 작은 직경의 튜브(70)의 표면에 대한 마찰교반용접 공구 위치, 공구 RPM, 및 마찰교반용접 공구 이동 속도(travel speed)를 조합함으로써 구현될 수 있다. 마찰교반용접 공구 이동 속도는 0.02 ipm(inch per minute; 분당 인치) 내지 50 ipm 사이여야 한다.

마찰교반용접 공구 위치배열은 세 도면 즉 도 16, 18 및 19에 도시되어 있다. 도 16에서, 마찰교반용접 공구(130)는 횡단면에 표시된 작은 직경의 튜브(70)와 접촉하는 상태로 도시되며 마찰교반용접 공구는 튜브의 중심과 일치하게 위치된다. 도 18에서, 마찰교반용접 공구(130)는 횡단면이 표시된 작은 직경의 튜브(70)와 접촉하는 상태로 도시되며, 마찰교반용접 공구는 튜브의 중심(140)의 전방과 일치하게 위치된다. 마지막으로, 도 19에서, 마찰교반용접 공구(130)는 횡단면이 도시된 작은 직경의 튜브(70)와 접촉하는 상태로 도시되며, 마찰교반용접 공구가 튜브의 중심(140)의 후방에 일치하게 위치된다.

마찰교반용접 공구(130)의 각각의 상이한 위치는 마찰교반용접 결합부와 표면 특징들을 변경시킨다. 실험에 의해 밝혀진 바에 따르면, 대부분의 분야에서, 도 19에 도시된 것과 같이 마찰교반용접 공구(130)에 대한 후속 배치 구성(trailing configuration)이 바람직하다는 사실을 유의해야 할 것이다. 이 후속 배치 구성은 작은 직경의 튜브(70) 상에 숄더(132)의 실질적인 부분을 유지하며 바람직한 표면 마감부 특성을 용접부에 제공한다. 또한, 작은 직경의 튜브(70)에 대해 마찰교반용접 공구(130)가 더더욱 중앙으로부터 멀리 위치되면 될수록(off-center), 마찰교반용접 공구로부터 튜브로 더 높은 하중(load)이 가해질 것이라는 사실을 기억하는 것이 중요하다.

작은 직경의 튜브 상에 마찰교반용접을 수행할 때, 마찰교반용접 공구(130)의 핀(134)이 작은 직경의 튜브의 중심으로부터 직경의 약 28%만큼 앞으로 또는 뒤로 이동될 것이라고 믿어진다. 게다가, 마찰교반용접 동안 마찰교반용접 공구(130)의 RPM은 36 내지 1200 RPM 사이에 유지되어야 한다.

본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 하는 추가적인 마찰교반용접 공정 변수(parameter)들이 있다. 구체적으로, 마찰교반용접 공구 RPM, Z축 하중, X축 하중, 마찰교반용접 공구 회전 속도, 마찰교반용접 공구 상의 토크 및/또는 이동 속도를 조절함으로써, 마찰교반용접 공구 및 용접 영역 온도를 조절하는 것이 가능하다.

또한, RPM, X축 하중, 마찰교반용접 공구 위치, 스핀들 토크(spindel torque) 및/또는 마찰교반용접 이동 속도를 변경시키기 위하여 Z축 하중을 조절하는 것도 가능하다. RPM, Z축 하중, 마찰교반용접 공구 위치, 스핀들 토크 및/또는 마찰교반용접 공구 이동 속도를 변경시킴으로써 X축 하중을 조절하는 것도 가능하다. RPM, Z축 하중, X축 하중, 스핀들 토크 및/또는 마찰교반용접 공구 이동 속도를 변경시킴으로써 Z축 위치를 조절하는 것도 가능하다.

유압 액츄에이션(hydraulic actuation) 및 서보 액츄에이션(servo actuation)을 사용하여 Z축 하중을 조절할 수 있다. 유압 액츄에이션과 서보 액츄에이션을 사용하여 X축 하중도 조절할 수 있다.

또한, 마찰교반용접 공구 재료가 1200℃보다 높은 용융 또는 승화점을 가지는 것도 중요하다.

앞에서 언급한 것과 같이, 위에서 기술된 본 발명의 분야가 일반적인 아치형 표면(arcuate surface) 뿐 아니라 작은 직경의 튜브를 사용할 필요가 있는 어떠한 분야도 포함한다. 하지만, 이러한 재료들을 사용하기 때문에 작은 직경의 튜브를 마찰교반용접하는 기능으로부터 특히 혜택을 받을 수 있는 분야는 오일 및 가스 드릴링 및 수송 산업계이다.

파이프와 케이싱과 같이 작은 직경의 튜브를 신속하고 정밀하게 용접하는 기능은 파이프라인(pipeline) 및 보어홀(borehole) 작업에서 핵심적인 것이다. 보어홀 벽이 붕괴되는(collapse) 것을 방지하기 위해 보어홀 내에 케이싱이 삽입된다.

웰(well)의 플래닝 단계(planning stage)에서, 홀이 삽입될(cased) 필요가 있는 전략적 깊이(strategic depth)는 원하는 총 깊이에 도달하게끔 드릴링하도록 선택된다. 케이싱 깊이가 결정되면, 보어홀 크기 및 이에 상응하는 케이싱 크기가 결정된다. 각각의 케이싱 스트링(casing string)을 위해 드릴된 홀은 케이싱을 내부에 쉽게 끼워넣고 홀과 케이싱의 외측 사이에 시멘트(cement)를 위한 공간을 제공하기에 충분히 커야 한다. 게다가, 제 1 케이싱 스트링의 내측 직경은 계속 드릴링하는 제 2 비트(second bit)에 끼워넣기에 충분히 커야 한다. 따라서, 각각의 케이싱 스트링은 더 작은 직경을 가질 것이다.

케이싱 스트링을 생성하기 위해 케이싱을 결합하는(coupling) 과정은 결합부를 형성하는 단부에서 2개의 케이싱을 결합시키는 단계를 포함한다. 통상, 케이싱은 넓은 암단부(female end) 및 얇고 나사구성된(threaded) 수단부(male end)를 가진다. 이 수단부 및 암단부들은 나사구성된 나사(threaded screw)를 사용하여 결합되며 이에 따라 상대적으로 긴 길이의 파이프를 형성한다. 하지만, 케이싱은 기계식 결합부(mechanically joining)용 스레드를 포함할 필요가 없다. 케이싱은 플랜지(flange)와 같은 자체-정렬 기하학적 형상(self-aligning geometry)을 사용하여 용접하기 위해 정확하게 위치될 수 있으며, 그 뒤, 마찰교반용접되어 케이싱 스트링을 생성한다.

도 20은 2개의 케이싱(130, 132) 사이에 있는 결합부를 도시한 횡단면도이다. 케이싱(130, 132)들은 기계식 스레드(mechanical thread)를 포함하는 한 섹션(134)과 기계식 스레드를 포함하지 않는 용접 섹션(136)을 포함한다. 이 케이싱(130, 132)들은 용접 섹션(136)을 따라 마찰교반용접된다.

도 20은 함께 마찰교반용접 되어야 하는 케이싱을 위해 다수의 가능한 배열상태들의 단지 한 실시예라는 사실을 이해해야 한다. 매끄러운 결합부(smooth joint) 또는 나사구성된 결합부를 따라 마찰교반용접이 수행될 수도 있다. 이 케이싱들은 몇몇 타입의 자체-정렬 시스템(self-aligning system)을 가질 수도 있거나 혹은 가지지 않을 수도 있다. 본 발명에서 중요한 것은 마찰교반용접을 수행할 수 있는 케이싱(130, 132)이다. 더욱이, RCPF(60)를 사용하면, 케이싱들은 수직 또는 수평 위치에서 마찰교반용접될 수 있다.

위에서 기술된 장치들은, 단지, 본 발명의 원리를 예시한 것임을 이해해야 한다. 당업자들에 의해, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 다수의 변형예들과 대안의 장치들이 고안될 수 있다. 하기 청구항들은 이러한 변형예들과 대안의 장치들을 다루기 위한 것이다.

Claims (28)

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11. 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체를 마찰교반용접 하는데 사용하기 위한 맨드릴에 있어서,
    상기 맨드릴은:
    - 관형 물체의 내측 직경보다 더 작은 외측 직경을 가진 중공 구조의 실린더로서 형성된 팽창 쉘을 포함하고, 상기 팽창 쉘은 내부에 바닥 에지와 상부 에지에 대해 수직인 틈새를 가지며;
    - 상기 틈새로부터 이동하고 상기 틈새 내로 이동함으로써 상기 팽창 쉘이 팽창되거나 혹은 수축되게 하기 위해 맨드릴 쉘(mandrel shell) 내에 배열된 팽창 웨지를 포함하고;
    - 상기 팽창 쉘 내에 배열된 제 1 웨지를 포함하며;
    - 상기 제 1 웨지와 슬라이딩 이동가능하게 결합되고(slidingly engaged) 상기 팽창 쉘 내에 배열된 제 2 웨지를 포함하며, 상기 제 1 웨지가 축방향으로 이동하여 제 2 웨지가 상기 팽창 웨지에 대해 힘을 가하게 하여 팽창 쉘이 팽창되게 하고,
    상기 팽창 쉘은 교체될 수 있는 교체가능한 섹션(interchangeable section)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 맨드릴은 상기 제 1 웨지를 축방향으로 이동하게 하기 위한 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 웨지를 축방향으로 이동하게 하기 위한 시스템은 유압 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 웨지를 축방향으로 이동하게 하기 위한 시스템은 회전식 모션 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
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16. 제 11 항에 있어서,
    상기 마찰교반용접 공구 경로 밑에 배열될 수 있도록 정렬되는 교체가능한 섹션을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
17. 제 11 항에 있어서,
    상기 교체가능한 섹션은 열을 마찰교반용접 공구 경로에 안내하기(directing) 위해 가열 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가열 시스템은 저항 가열(resistive heating) 및 액체 가열(liquid heating)으로 구성된 가열 시스템 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
19. 제 11 항에 있어서,
    상기 교체가능한 섹션은 마찰교반용접 공구 경로를 냉각시키기 위해 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
20. 제 11 항에 있어서,
    상기 맨드릴은 12 내지 75 Rockwell C 경도를 가지는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
21. 제 11 항에 있어서,
    상기 맨드릴은 관형 물체가 팽창 쉘에 확산 결합(diffusion bonding)되는 것을 방지하기 위하여 팽창 쉘 상에 코팅을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
22. 제 11 항에 있어서,
    상기 맨드릴은 팽창 쉘의 내측 직경에 복수의 여유분(relief cut)들을 추가로 포함하며, 상기 여유분들은 상기 틈새에 대해 평행한 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 맨드릴은 2개의 테두리(lip)들을 추가로 포함하며, 상기 각각의 테두리는 상기 틈새의 양 측면 상에 배열되고 상기 틈새의 양 측면에 근접하게 배열되는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 각각의 테두리는 상기 틈새와 서로 멀어지도록 테이퍼구성되는(tapered) 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
25. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창 쉘 내에 있는 상기 틈새는 상기 팽창 쉘이 정지상태에 있을 때 닫혀 있는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
26. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창 쉘은 상기 팽창 쉘이 정지상태에 있을 때 상기 팽창 쉘이 상기 틈새에서 닫힐 수 있게 하는 잔여 응력(residual stress)을 가지는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 잔여 응력은 상기 팽창 쉘 내에서 서로로부터 같은 거리에 떨어져 있으며 상기 틈새에 대해 평행한 복수의 융합 용접 비드(fusion weld bead)를 배열함으로써 발생되는 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.
28. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창 웨지의 크기는 큰 팽창 웨지가 사용될 때에는 상기 팽창 쉘이 더 많이 팽창되게 하도록 변형될 수 있고, 작은 팽창 웨지가 사용될 때에는 상기 팽창 쉘이 더 적게 팽창되게 하도록 변형될 수 있으며, 이에 따라 똑같은 팽창 쉘을 사용하여 서로 다른 직경의 관형 물체를 수용할 수 있는(accommodate) 것을 특징으로 하는, 고온 용융성 재료들로 제조된 관형 물체의 마찰교반용접에 사용하기 위한 맨드릴.

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