KR20070106685A - 마찰교반용접에 사용하기 위한 연장 가능한 맨드릴 - Google Patents

Abstract

파이프(90)의 외측 상에 또는 마찰교반용접 도구에 의해 그 외의 활모양의 표면상에 가해진 압력에 대한 카운터포스(counter-force)에 의해 맨드릴(72)이 제공되며, 상기 맨드릴(72)은 웨지(82)를 이용하여 연장 가능하고, 맨드릴(72)은 활모양의 표면상에 용접을 동시에 수행하기 위하여 다수의 마찰교반용접헤드를 작동시킨다.

Description

마찰교반용접에 사용하기 위한 연장 가능한 맨드릴{EXPANDABLE MANDREL FOR USE IN FRICTION STIR WELDING}

본 발명은 일반적으로 마찰교반용접에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 파이프 또는 그 외의 활모양의 물체들에 대해 마찰교반용접을 수행하기 위한 작동에 있어서 개선사항들을 기술하며, 맨드릴은 용접되어야 하는 활모양의 내측 표면들에 대해 카운터밸런싱 하중을 제공하기 위하여 필요하고, 상기 맨드릴은 활모양의 외측 표면과 접촉하는 마찰교반용접 툴이 용접되는 가공품을 손상하지 못하도록 방지한다.

마찰교반용접(이후부터는 "FSW"로 언급)은 금속 및 금속합금을 용접하기 위해 개발되어온 기술이다. FSW 공정은 종종 회전하는 교반 핀 또는 스핀들에 의한 결합부의 한 측부 상에서 2개의 인접한 가공품들의 재료를 연결하는 단계를 포함한다. 하중은 스핀들과 가공품이 함께 추진(urge)되도록 가해지며, 상기 스핀들과 가공품 사이의 상호작동에 의해 야기된 마찰열은 결합부의 한 측부 상에서 재료를 가소화(plasticization) 시킨다. 스핀들은 결합부를 따라 가로지르며, 상기 스핀들이 전진함에 따라, 가소 재료와 전진하는 스핀들의 바로 뒤에 남겨진 가소된 재료(plasticized material)는 용접을 형성하도록 냉각된다.

도 1은 마찰교반용접을 위해 사용되는 툴의 투시도이며, 상기 마찰교반용접은 숄더(12)와 상기 숄더로부터 외부를 향해 연장되는 핀(14)을 가진 원통형 툴(10)에 의해 일반적으로 특징지어진다. 상기 핀(14)은 충분한 열이 발생될 때까지 가공품(16)에 대해 회전되며, 이 지점에서, 툴의 핀은 가소된 가공품 재료 내로 끼워진다. 가공품(16)은 종종 결합부 라인(18)에서 함께 접하는 재료의 플레이트 또는 2개의 시트들로 구성된다. 핀(14)은 상기 결합부 라인(18)에서 가공품(16) 내에 끼워진다.

가공품 재료(16)에 대하여, 핀(14)의 회전운동에 의해 야기된 마찰열은 융점에 도달하지 않고 가공품 재료를 연화시킨다. 툴(10)은 결합부 라인(18)을 따라 가로지르도록 이동되며, 가소된 재료가 핀 주위에서 리딩 에지로부터 트레일링 에지로 이동됨에 따라 용접을 발생시킨다. 이로 인한 결합부 라인(18)에서의 고상 결합(solid phase bond, 20)은 그 외의 다른 용접들과 비교할 때 가공품 재료(16)와 일반적으로 분간할 수 없다.

숄더(12)가 가공품의 표면과 접촉할 때 숄더의 회전으로 인해 삽입된 핀(14) 주위로 재료의 상대적으로 긴 원통형 칼럼을 가소화시키는 추가적인 마찰열이 발생된다. 숄더(12)는 단조 하중(forging force)을 제공하며 상기 단조 하중은 툴 핀(14)에 의해 야기된 금속 흐름을 포함한다.

FSW 공정 시, 용접되는 영역과 툴은 상기 툴이 용접점의 원하는 길이를 가로 지르도록 각각 이동된다. 금속이 베이스 금속(base metal)을 따라 가로지르며 이동됨에 따라 회전 FSW 툴은 좁은 영역에서 금속을 가소화하는 연속 고온 작업을 제공하며, 이때 메탈은 핀의 리딩 면으로부터 트레일링 에지로 이동된다. 용접영역이 냉각될 때 툴이 지나가더라도 어떠한 액체도 생성되지 않아서, 일반적으로 경화가 발생되지 않는다. 항상은 아니지만, 결과적으로 용접은 용접영역에서 형성된 미세입자 마이크로구조를 가지며 무결점이고 재결정되는(recrystallized) 경우가 종종 있다.

종래의 특허는 기능적으로 용접 불가능하다고 고려된 재료로서 마찰교반용접을 수행할 수 있는 이점이 있다고 공지되었다. 상기 재료들의 몇몇의 재료들은 비융접(non-fusion weldable) 또는 단순히 용접하기에 까다로운 재료들이다. 이러한 재료들은, 예를 들어, 금속 매트릭스 혼합물, 스틸과 스테인리스 스틸 같은 철합금 및 비철 재료들을 포함한다. 마찰교반용접의 이점을 사용할 수 없는 또 다른 재료군은 초합금이다. 초합금은 높은 융점을 가진 청동 또는 알루미늄 재료들이 될 수 있으며 그 외의 다른 요소들과 혼합될 수도 있다. 초합금의 몇몇 예들로는 일반적으로 1000 ℉ 이상의 온도에서 사용되는 니켈, 철-니켈 및 코발트계 합급들이다. 초합금에서 종종 사용되는 추가적인 요소들은, 제한적이지는 않지만, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨 및 레늄을 포함한다.

티타늄이 마찰교반용접에 적합한 재료임을 유의해야 한다. 티타늄은 비철 재료이지만 그 외의 다른 비철 재료들보다 상대적으로 높은 융점을 가진다.

종래의 특허들은 마찰교반용접 된 재료들보다 상대적으로 높은 융점을 가지 는 재료를 사용하여 형성되는 툴이 필요하다고 공지한다. 몇몇의 실시예들에서, 초연마제는 상기 툴에서 사용된다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 초합금뿐만 아니라 기능적으로 용접 불가능한 재료들을 고려하며, 이후부터는 본 명세서에서 고융점 재료로 언급된다.

마찰교반용접(FSW)에 있어서 최근의 진보된 기술은 마찰교반용접의 고체 상태 결합 과정 시, 스틸과 스테인리스 스틸 같은 고융점 재료들과 함께 결합할 수 있는 툴을 사용할 수 있도록 허용한다.

이미 기술한 바와 같이, 이러한 기술은 특별한 마찰교반용접 툴의 사용을 포함한다. 도 2는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 팁(30), 로킹 칼라(locking collar, 32), 이동을 방지하기 위한 써머커플 셋 스크루(thermocouple set screw, 34) 및 생크(shank, 36)를 도시한다. 상기 툴의 그 외의 다른 구조는 본 발명의 종래 기술에서 도시되며 모놀리식 툴과 그 외의 다른 구조를 포함한다.

상기 특정 마찰교반용접 툴은 다양한 재료들로 구성된 마찰교반용접에서 효과적이다. 또한 상기 툴의 구조는 PCBN과 PCD(다결정질 다이아몬드) 외에도 다양한 툴 팁 재료들을 사용할 때 효과적이다. 상기 재료들의 몇몇은 텅스텐, 레늄, 이리듐, 티타늄, 몰리브덴 등과 같은 내열성 물질을 포함한다.

발명자들은 스틸, 스테인리스 스틸, 니켈계 합금 및 그 외의 다른 다수의 합금과 같은 고융점 합금과 함께 사용하기 위하여 마찰교반용접 기술 개발에 선도적인 역할을 해 왔다. 상기 기술은 종종 다결정질 입방정 질화붕소 툴, 수냉식 툴 홀더, 온도 획득 시스템(temperature acquisition system) 및 마찰교반용접 공정을 제어하기 위한 적절한 장치의 사용을 필요로 한다.

상기 기술이 상기 재료들을 결합하기 위한 최상의 방법으로서 수립된 뒤(본 명세서는 상기 기술의 상태를 나타냄), MegaDiamond and Advanced Metal Products (MegaStir Technologies와 함께)는 상기 기술로부터 크게 혜택받을 수 있는 분야들을 조사하기 시작하였다. 마찰교반용접(FSW)의 가장 큰 적용분야 중 하나는 파이프 라인의 결합이다. 상기 파이프의 결합은 구성요소들을 이동시키는 장비와 용접인력으로 인해 상당한 비용이 소요된다. 도 3은 일반적인 파이프라인을 융접하기 위해 필요한 인력과 장비를 도시한다. 파이프(40)는 복수의 용접 스테이션(42)을 포함하여 도시되며(각각의 하얀색 엔클로저), 상기 용접 스테이션(42)은 파이프의 세그먼트들 사이에서 융접된 결합부를 생성시키기 위하여 용접 와이어의 진행 층(progressive layer)들을 배열하도록 요구된다.

많은 재료가 필요하지 않음으로 인해, 초고강도 스틸(AHSS)이 파이프 라인에 제공되어 고강도 특성이 구현되고 파이프 라인 전체 비용이 저렴해질 수 있다. 종래의 융접 방법이 사용되기에 AHSS는 어려움이 있다. 모든 파이프 라인 결합부들은 결점 또는 크랙을 포함한다고 관련 산업계에서는 받아들인다. 상기 결점들은 심지어 정교한 자동 융접 시스템으로도 제거될 수 없다는 점에서 허용된다. 초고강도 스틸의 용접은 재료 구조가 상대적으로 더 많은 융접 결점을 야기시킴으로 인해 현재의 파이프 라인 용접보다 훨씬 더 어렵다.

FSW는 파이프 세그먼트를 결합하기 위한 기술로서 확립되어 왔다. 파이프 세그먼트를 결합하기 위한 마찰교반용접 머신(50)은 도 4에 도시된 바와 같이 개발되 어 왔다. 회전하는 툴이 결합부 내로 삽입될 때 마찰열이 발생한다. 툴이 가공품 횡단면 내로 삽입된 뒤, 상기 툴은 파이프 주위에서 원주 방향으로 이동되며, 이때 결합부는 함께 "교반"된다. 그 뒤 PSW 툴은 후퇴되어 PSW 머신(50)은 파이프를 따라 마찰교반용접 되어야 하는 그 다음 파이프 결합부로 이동된다.

도 4에 도시된 마찰교반용접 머신(50)은 용접되는 파이프 외부 상에 작동하는 머신을 도시한다. FSW의 요구사항들 중 임의 형태의 한 요구사항은 용접되는 가공품의 후방 측면(툴의 반대편) 상에서 카운터밸런싱 하중을 가지는 것이다. 이는 툴에 의해 가공품에 대해 제공되는 큰 하중으로부터 발생된다. 마찰교반용접의 특징은 가공품을 굽힘 또는 그 외의 경우에서는 손상되는 것으로부터 방지하기 위하여 특정적인 지지가 제공되어야 한다는 것이다. 도 5는 마찰교반용접 파이프에 현재 사용되는 “파이프 피그” 또는 회전 맨드릴(60)의 현 구조를 도시한다.

툴이 외부의 파이프 결합부 주위에서 원주 방향을 따를 때, 맨드릴(60)은 파이프의 내측 상의 툴 경로를 따르도록 유압식으로 작동된다. 파이프 결합이 완료되면 맨드릴(60)은 재형상되어 그 다음 파이프 결합부로 이동될 수 있다. 상기 맨드릴(60)이 툴의 반대편 상에 지지하기 위한 효과적인 수단인 반면, 유압식 제어는 비용이 많이 소요되고 따라서 파이프의 설계비용도 비싸게 된다. 상기 설계를 이용한 직경 12 인치 파이프의 FSW용 맨드릴(60)은 대략 800 파운드 가량의 무게를 가진다. 이는 맨드릴 이동 시 추가적인 장비와 지지가 필요함을 뜻한다. 추가적인 단점으로는, 상기 맨드릴 형상이 2개의 파이프 세그먼트를 정렬하기 위하여 부가된 추가적인 유압장치와 램(ram)을 포함하여야 하며 이는 맨드릴(60)의 무게에 또 다 른 무게가 추가됨을 뜻한다. 상기 설계가 산업분야에 쓰일 때, 상대적으로 경량이며 저비용 맨드릴 설계가 선호되며 이에 따라 파이프라인의 FSW 비용을 감소시키고 작동속도를 증가시킬 수 있다.

따라서 값이 저렴하고 복잡하지 않으며, 경량인 파이프 피그가 현장에서 상대적으로 용이하게 채택될 수 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술에서 사용된 것보다 상대적으로 단순하며 연장 가능한 맨드릴을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상대적으로 경량이므로 종래 기술에서 사용된 것보다 용이하게 사용할 수 있는 연장 가능한 맨드릴을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 마찰교반용접 작업현장에서 사용하기 위해 연속적으로 재위치가 가능하도록 파이프의 길이를 따라 용이하게 이동할 수 있는 연장 가능한 맨드릴을 제공하는 데 있다.

본 발명은 마찰교반용접 툴에 의해 파이프의 외측 또는 그 외의 다른 활모양의 표면상에 가해진 압력에 대해 카운터밸런싱 하중을 제공하는 맨드릴에 관한 것이며, 상기 맨드릴은 웨지를 사용함으로써 연장 가능하고 또한 상기 맨드릴은 활모양의 표면상에서 용접을 동시에 수행하기 위한 복수의 마찰교반용접 헤드를 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 및 그 외의 다른 목적, 특징, 장점 및 대안적인 특징들은 당업자들이 첨부된 도면들과 함께, 하기 상세한 설명을 고려함으로써 자명하게 될 것이다.

도 1은 마출교반용접을 위하여 종래 기술에서 기술된 툴을 도시한 투시도.

도 2는 제거 가능한 다결정질 입방정 붕화질소(PCBN) 팁, 로킹 칼라 및 생크를 도시한 투시도.

도 3은 종래 기술에서 파이프 세그먼트 사이에 융접 결합을 생성시키도록 용접 와이서의 진행 층을 배열하기에 필요한 복수의 용접 스테이션을 도시한 투시도.

도 4는 파이프 세그먼트를 결합시킬 수 있는 마찰교반용접 머신을 도시한 투시도.

도 5는 마찰교반용접 파이프에 현재 사용되는 회전 맨드릴 파이프 피그의 현 구조를 도시한 투시도.

도 6은 맨드릴 셸을 도시한 투시도.

도 7은 갭을 연장하기 위하여 부착된 립을 가진 매드릴 셸을 도시한 투시도.

도 8은 맨드릴 셸에서 갭을 연장하기 위한 수단을 도시한 맨드릴 투시도.

도 9는 맨드릴 셸에서 갭을 연장하기 위한 수단과 맨드릴 셸을 도시한 횡단면 투시도.

도 10은 파이프 내측에 배치된 맨드릴 셸에서 갭을 연장하기 위한 수단과 맨드릴 셸을 도시한 횡단면 투시도.

도 11은 연장 웨지가 후퇴될 때 갭을 밀폐하기 위한 핀과 케이블 시스템을 도시한 맨드릴 셸의 단면도.

참조문헌은 본 발명의 세부사항을 기술할 것이며 본 발명의 다양한 요소들은 당업자가 본 발명을 이용할 수 있도록 기술하고 논의할 것이다. 하기 설명은 단지 본 발명에 따른 사상들의 실례이며 청구항들의 범위를 축소하도록 해서는 안 된다.

본 발명의 현재 선호되는 실시예는 파이프와 같은 활모양의 표면상에 마찰교반용접 작업에 사용하기 위한 연장 가능한 맨드릴에 관한 것이다. 연장 가능한 맨드릴의 사상은 단순하고, 저중량이며 경제적이도록 개발되었다. 맨드릴 제조는 하기 단계에서 기술된다.

도 6은 본 발명에 따른 맨드릴의 외부 셸 또는 "파이프 피그(pipe pig)"를 형성하는 맨드릴 셸(72)의 제 1 실시예를 도시한다. 맨드릴 셸(72)은 길이를 따라 갭(gap, 74) 또는 개구부를 가진 중공 실린더이다. 맨드릴 셸(72)의 직경은 상기 갭(74)이 밀폐될 때 상기 맨드릴 셸이 용접될 수 있는 파이프 세그먼트의 내측을 슬라이딩하도록 선택된다.

또한 도 6은 릴리프 컷(relief cut, 76)을 도시하며, 상기 릴리프 컷(76)은 맨드릴 셸(72)의 내측 직경(78) 상에 형성되어 이에 따라 맨드릴 셸은 상기 릴리프 컷(76)의 위치에서 튀어 오르고(spring) 굽혀질(flex) 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 맨드릴 셸(72)이 가공될 때 립(lip, 80)은 갭(74)에 바로 인접한 맨드릴 셸(72)의 내측 직경(78) 상에 용접되어 장착된다.

립(80)이 용접되어 장착될 때 맨드릴 셸(72)은 추가적으로 개조되며, 맨드릴 셸에 제공되는 외부 하중이 없을 시 갭(74)은 일반적으로 밀폐 위치에 놓인다. 당업자들에게 공지된 바와 같이, 갭(74)의 상기 밀폐작동은 릴리프 컷(76)의 길이에 평행하고 서로에 대해 등각 위치인 융접 비드(fusion weld bead)를 이동시킴으로써 구현된다. 달리 말하면, 충분한 용착비드(weld bead)는 맨드릴 셸을 비트는 일정한 위치에서 맨드릴 셸(72)의 내측 상에 배치되며 이에 따라 갭(74)은 용착비드를 응고함으로써 야기된 잔류응력의 결과로서 밀폐된다. 따라서 맨드릴 셸(72)은 갭(74)이 강압적으로 분리될 때 밀폐위치로 다시 튀어 오른다.

도 8에서, 파이프 피그(70)의 다음 구성요소는, 맨드릴 셸(72)이 필요 시에 갭(74)을 개방시키고 연장되도록 야기될 수 있는 메커니즘을 제공하려는 것이다. 따라서 연장 웨지(expanding wedge, 82)는 맨드릴 셸(72)의 립(20) 사이에서 삽입 가능하도록 제공된다. 연장 웨지가 상부를 향하여 갭(74) 내로 용이하게 이동되도록 상기 립(80)과 접촉하는 연장 웨지(82)의 각도가 형성되며, 상기 각도로 인해 연장 웨지가 립(80)들에 대해 가압될 수 있는 한, 갭은 지속적으로 벌어진다.

연장 웨지(82)가 파이프의 내측을 접촉할 때 또는 맨드릴 셸(72)의 외측 직경이 파이프의 내측 직경에 대해 외부를 향하여 더 이상 연장될 수 없을 때, 맨드릴 셸(72)의 연장은 중지된다.

도 8은 또한 플랫폼 또는 플레이트(84) 및 상기 플레이트 상에 배치되는 복수의 유압식 실린더(86)를 도시한다. 유압식 실린더(86)는 연장 가능한 웨 지(expandable wedge, 82)와 플레이트(84)를 가압하여 연장 가능한 웨지가 상부를 향하여 갭(74) 내로 이동되도록 한다. 유압식 실린더(86)의 바닥은 또한 맨드릴 셸(72)의 내측과 끼워맞춤 되도록 개조될 수 있다고 고려된다. 하지만 맨드릴 셸이 연장되고 축소되도록 설계된 것과 같이, 유압식 실린더(86)의 바닥은 형태에 있어서 변형을 상쇄할 필요가 있을 수도 있다.

단일 유압식 실린더(86)는 복수의 유압식 실린더가 도시된 위치에 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 더욱이 맨드릴 셸(72), 립(80), 연장 가능한 웨지(82) 및 플레이트(84)의 길이는 모두 필요한 분야에 따라 개조될 수 있다. 따라서 길이에 있어서 상대적으로 작은 시스템은 파이프 내의 수평 섹션들의 길이 또는 공간이 제한되는 분야에서 유용할 수 있다.

이와 유사하게, 파이프가 단일 파이프 피그(70)에 의해 지지될 때, 상기에 기재된 구성요소들의 길이는 복수의 도구들이 마찰교반용접을 동시에 수행할 수 있게 사용되도록 연장될 수 있다.

도 9 및 도 10은 갭(74)이 가능한 최대로 벌어질 때 상기 갭(74)이 연장 웨지를 수용하기에 충분히 넓다면, 연장 웨지(82)가 맨드릴 셸(72)의 립(80)을 통해 외부를 향하여 슬라이딩 되도록 위치되는 방식을 도시한다. 도 9는 유압식 실린더(86)의 횡단면을 도시한 도면이다. 도 10은 도 9에 도시된 모든 요소들을 도시한 횡단면도이며 파이프(90)를 추가한 도면이다. 상기 형상은 또한 마찰교반용접 된 파이프들 사이의 이음매(seam)인 결합부(96)를 도시한다.

도 10은 립(80) 사이에서 완전히 삽입된 연장 웨지(82)를 도시한다. 수압이 유압식 실린더(86)로부터 제거될 때 맨드릴 셸(72)은 후퇴되며 맨드릴 셸은 반동되어 밀폐된다. 맨드릴 셸(72)은 이제 파이프(90) 내의 다른 위치로 이동될 수 있다. 맨드릴 셸(72)은 상기 맨드릴 셸이 연장되는 그 다음 파이프 결합부로 이동된다. 유압식 실린더(86)를 이끄는 유압식 호스와 그 부속품(fitting)들은 도시되지 아니한다. 하지만 상기 호스와 부속품들은 맨드릴 셸(72)의 한 단부 상에 배치되어 이에 따라 유압식 실린더(86)에 결합된다.

파이프 피그(70)는 파이프(90)의 마찰교반용접을 위해 필요한 카운터밸런싱 하중(counter-balancing force)을 제공할 뿐만 아니라, 상기 파이프 피그(70)는 파이프(90)의 세그먼트들을 추가적으로 일렬로 정렬시키는 기능을 할 수 있다.

또한, 유압식 실린더(86)를 지지하는 플레이트(84)는 맨드릴 셸(72)에 결합되며 이에 따라 연장 웨지(82)는 플레이트를 들어올리는 대신 갭(74)으로부터 후퇴될 수 있다.

하기는 파이프 피그(70)의 작동을 높일 수 있는 상기 맨드릴 셸(72)의 개조사항들이다. 예를 들어, 홀은 맨드릴 셸(72)을 통해 가공될 수 있으며 이에 따라 공기는 맨드릴 셸이 붕괴될 때(collapsed) 홀들을 통해 이동될 수 있다. 이는 맨드릴 셸(72)의 바닥 상에서 "공기지지(air bearing)"를 생성시켜 이에 따라 파이프 피그(70)는 마찰교반용접 되어야 하는 그 다음 파이프 결합부로 용이하게 슬라이딩 될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 유압식 실린더(86)에 결합된 유압식 호스가 재빨리 단절되어 이에 따라 파이프 피그(70)가 그 다음 파이프 결합부에 재위치될 때 상기 호스들은 재빨리 단절되고 재연결되는 데 있다.

본 발명의 또 다른 특징에서, 다양한 재료들은 맨드릴 셸(72)을 구성하도록 사용될 수 있다. 스프링 스틸은 맨드릴 셸(72)의 완화된 밀폐 위치를 항상 유지하도록 사용될 수 있다. 상기 재료는 항상 탄성 영역에 위치하며 응력을 용이하게 경감시키지 않는다. 상기 방식으로 맨드릴 셸(72)은 그 형태를 항상 유지하게 될 것이다. 완화된 위치에서, 맨드릴 셸의 형태가 붕괴되기 시작하고 외부를 향해 반동되어 이에 따라 갭(74)이 가시화되며, 상대적으로 많은 용착비드는 내측 직경의 길이를 따라 잔류응력을 회복하도록 이동되어 맨드릴 셸(72)이 밀폐된다.

본 발명의 또 다른 특징은 연장 웨지가 파이프 세그먼트의 다양한 허용오차를 상홰하도록 다양한 크기로 제공될 수 있다는 점이다.

본 발명의 또 다른 특징은 코팅(TiN, TiCN 등)은 파이프 결합부가 마찰교반용접 시 맨드릴 셸에 확산용접(diffusion welding)을 방지하도록 맨드릴 셸(72)의 외측 표면상에 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 본 발명이 임의의 직경을 가진 파이프에 사용될 수 있다는 점이다.

(도시되지 않은) 로드(rod)가 부착되어 파이프의 그 다음 섹션을 통해 유압식 호스에 삽입되는 점에 유의해야 한다.

본 발명의 또 다른 특징은 완화된 위치에서 맨드릴 셸(72)을 풀링(pulling)하기 위한 수단과 관련이 있다는 점이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 연장 웨지(82)는 포스트 또는 핀(92)과 이들 사이에 배치된 케이블(94)을 포함할 수 있다. 케이블(94)은 맨드릴 셸(72)의 양 립(80) 상에서 핀(92) 주위로 이동된다. 연장 웨지(82)가 후퇴될 때, 케이블(94)은 2개 립(80) 상에서 풀링하는 기능을 수행하며 이에 따라 상기 립들은 함께 갭(74)을 밀폐한다. 핀(92)들과 케이플(94)로 구성된 상기 시스템은, 필요하다면, 맨드릴 셸(72)의 양 단부들 상에 배치될 수 있다고 이해된다.

상기 기술한 장치들은 오직 본 발명의 사상들이 적용되는 분야만을 설명한다. 본 발명의 범위와 취지로부터 벗어나지 않고, 당업자들에 의해 다수의 개조사항들과 대안적인 장치들이 고안될 수 있다. 첨부된 청구항들은 상기의 개조사항들과 장치들을 다루기 위한 의도이다.

Claims (20)

1. 파이프를 마찰교반용접하는데 사용하기 위한 맨드릴에 있어서, 상기 맨드릴은

   -외측 직경을 가진 중공 실린더로서 형성된 맨드릴 셸을 포함하고, 상기 외측 직경은 파이프의 내측 직경보다 작으며, 상기 실린더는 상측 변부와 바닥 변부에 수직인 갭을 가지며,

   -상기 갭을 목표 폭으로 넓히기 위해 상기 맨드릴 셸을 연장하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
2. 제 1 항에 있어서, 맨드릴 셸을 연장하기 위한 수단은

   -하나 이상의 유압식 작동 장치를 추가적으로 포함하고,

   -상기 하나 이상의 유압식 작동 장치가 작동될 때 갭을 넓히기 위해 배치되며 하나 이상의 유압식 작동 장치에 결합된 연장 웨지를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
3. 제 2 항에 있어서, 하나 이상의 유압식 작동 장치는 유압식 실린더인 것을 특징으로 하는 맨드릴.
4. 제 2 항에 있어서, 하나 이상의 유압식 작동 장치는 상기 하나 이상의 유압 식 작동 장치가 장착될 수 있는 플랫폼을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
5. 제 4 항에 있어서, 플랫폼은 상기 플랫폼을 통해 배치된 복수의 홀들을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
6. 제 2 항에 있어서, 맨드릴은 상기 맨드릴의 내측 직경에 복수의 릴리프 컷을 추가적으로 포함하고, 상기 릴리프 컷은 맨드릴의 상측 변부와 바닥 변부에 수직인 것을 특징으로 하는 맨드릴.
7. 제 2 항에 있어서, 맨드릴은 2개의 립을 추가적으로 포함하고, 한 립은 갭의 임의의 측부 상에 배치되고 다른 립은 갭의 측부에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
8. 제 7 항에 있어서, 각각의 립은 서로에 대해 및 갭으로부터 이격되어 테이퍼 되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
9. 제 2 항에 있어서, 맨드릴 셸이 정지상태에 있을 때 맨드릴 셸 내의 갭은 밀폐되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
10. 제 9 항에 있어서, 맨드릴 셸은 잔류응력을 가져 상기 맨드릴 셸이 갭에서 밀폐되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
11. 제 10 항에 있어서, 잔류응력은 복수의 융접 비드들을 맨드릴 셸에서 서로 등거리로 이격시키고 갭에 대해 평행하게 배치시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
12. 제 2 항에 있어서, 상대적으로 큰 연장 웨지가 사용될 때 맨드릴이 보다 더 연장되고, 상대적으로 작은 연장 웨지가 사용될 때 맨드릴 셸이 상대적으로 작게 연장되도록 연장 웨지의 크기가 가변될 수 있으며, 이에 따라 동일한 맨드릴 셸을 이용하여 다양한 직경의 파이프가 수용되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
13. 제 2 항에 있어서, 마찰교반용접 시, 맨드릴 셸의 외측 직경은 파이프가 맨드릴 셸로 확산용접되는 것을 방지하기 위한 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
14. 제 7 항에 있어서, 맨드릴은 갭의 변부들을 연장 가능한 웨지에 결합하기 위한 수단을 추가적으로 포함하며, 연장 가능한 웨지를 갭으로부터 후퇴시켜 갭의 변부들이 서로를 향해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
15. 제 7 항에 있어서, 맨드릴은

    -립의 제 1 단부에 배치된 제 1 포스트와 제 2 포스트를 추가적으로 포함하고,

    -연장 가능한 웨지의 제 1 단부에 배치된 제 3 포스트와 제 4 포스트를 추가적으로 포함하며 및

    -제 3 포스트와 제 4 포스트에 결합되고 제 1 포스트와 제 2 포스트 주위에 배치된 케이블을 추가적으로 포함하며, 연장 가능한 웨지를 갭으로부터 후퇴시켜 케이블이 갭을 밀폐하는 것을 특징으로 하는 맨드릴.
16. 마찰교반용접 된 파이프 내측에 맨드릴을 제공하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

    -외측 직경을 가진 중공 실린더로서 형성된 맨드릴 셸을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 외측 직경은 파이프의 내측 직경보다 작으며, 상기 실린더는 상측 변부와 바닥 변부에 수직인 갭을 가지고,

    -상기 갭이 원하는 폭으로 벌어질 수 있도록 맨드릴 셸을 연장하기 위한 수단을 제공하는 단계를 포함하며 및

    -맨드릴 셸의 외측 직경이 파이프의 내측 직경과 접촉하도록 맨드릴 셸을 연장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 방법은

    -하나 이상의 유압식 작동 장치를 제공하는 단계,

    -상기 하나 이상의 유압식 작동 장치에 결합된 연장 웨지를 제공하는 단계 및

    -상기 하나 이상의 유압식 작동 장치가 작동될 때 갭을 넓히는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 맨드릴 셸에 하중이 제공되지 않을 때 상기 맨드릴 셸이 갭에서 밀폐되도록 맨드릴 셸 내의 잔류응력을 생성하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 갭의 변부들이 서로를 향해 이동되도록 연장 가능한 웨지를 상기 갭으로부터 후퇴시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 16 항에 있어서, 맨드릴 셸을 연장하고 축소하도록 하기 위하여 맨드릴 셸에서 복수의 컷(cut)을 생성하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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