KR20140119071A - 마찰 교반 용접 또는 처리를 위해 아치형상의 표면들을 가진 재료를 제 위치에 고정하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

마찰 교반 용접 또는 처리를 위해 아치형상의 표면들을 가진 재료를 제 위치에 고정하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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폴 티. 히긴스
데이비드 로잘
새뮤얼 씨. 샌더슨
러쎌 제이. 스틸
스콧 엠. 패커
제레미 페터슨
스티브 더블유. 라젠
조나단 에이. 바브
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메가스터 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

고상 처리를 이용하여 곡선 표면속으로 마찰 교반 처리 재료를 혼합하기 위해 곡선 표면을 가진 기질상에 마찰 교반 처리 재료를 고정하는 시스템 및 방법에 있어서, 상기 시스템은 상기 마찰 교반 처리 재료를 상기 기질에 부착하기 위한 다양한 기계적 수단들 중 한 개를 선택하여 마찰 교반 처리가 경제적이고 효율적이며 안전하게 수행될 수 있다.

Description

마찰 교반 용접 또는 처리를 위해 아치형상의 표면들을 가진 재료를 제 위치에 고정하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR HOLDING MATERIALS HAVING ARCUATE SURFACES IN PLACE FOR FRICTION STIR WELDING OR PROCESSING}
본 발명은 일반적으로 마찰 교반 처리(Friction Stir Processing)에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 고상 과정(solid state process)을 이용하여 마찰 교반 처리 재료를 아치형상(arcuate)의 기질속에 혼합하기 위한 방법과 시스템에 관한 것으로서, 상기 방법은 상기 마찰 교반 처리 재료가 상기 아치형상의 기질속으로 마찰 교반 처리되는 동안 상기 마찰 교반 처리 재료를 제 위치에 단단하게 고정하거나 클램핑하는 다양한 방법을 공개한다.
마찰 교반 처리(이하 "FSP")는, 금속 및 금속합금을 용접하기 위해 개발된 기술이다. 상기 마찰 교반 처리는, 종종 회전 교반 핀(rotating stir pin) 또는 스핀들(spindle)에 의해 조인트(joint)의 양쪽 측부에 인접한 두 개의 공작물들의 재료를 결합시키는 것을 포함한다. 상기 스핀들과 공작물을 서로 가압하기 위한 하중이 가해지고 상기 스핀들과 공작물들사이의 상호작용에 의해 발생되는 마찰 열(friction heating)은 상기 조인트의 양쪽 측부에서 재료를 소성화(plasticization)시킨다. 상기 스핀들은 상기 조인트를 따라 횡단운동하고 스핀들이 진행함에 따라 재료를 소성화시키며 이동하는 스핀들의 궤적에 남겨진 소성화된 재료는 용접부(weld)를 형성하기 위해 냉각된다.
도 1은, 마찰 교반 처리를 위해 이용되는 공구의 사시도이며, 숄더(shoulder)(12)를 가지고 상기 숄더로부터 외부를 향해 연장되는 핀(14)을 가지며 일반적으로 원통 형상을 가진 공구(10)를 특징으로 한다. 상기 핀(14)은, 상기 공구의 핀이 소성화된 공작물 재료속으로 잠겨지고 충분한 열이 발생될 때까지 공작물(16)에 대해 회전한다. 상기 공작물(16)은 종종, 조인트 라인(joint line)(18)에서 서로 맞대기(butt) 배열된 두 개의 재료 시트들 또는 플레이트들이다. 상기 핀(14)은 상기 조인트 라인(18)에서 상기 공작물(16)속으로 잠긴다.
상기 공작물 재료(16)에 대해 상기 핀(14)이 회전운동하여 발생되는 마찰열에 의해 상기 공작물 재료는 용융점에 도달하지 않고도 연화(soften)된다. 상기 공구(10)는 상기 조인트 라인(18)을 따라 횡방향으로 이동하여, 소성화된 재료가 리딩에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)까지 핀 주위에서 유동함에 따라 용접부를 형성한다. 그 결과, 다른 용접부들과 비교하여 공작물 재료(16) 자체로부터 두드러지지 않는 고상 결합(solid phase bond)(20)이 상기 조인트 라인(18)에 형성된다.
상기 숄더(12)가 상기 공작물의 표면과 접촉할 때, 숄더의 회전은 추가로 말찰열을 발생시키고 상기 마찰열은 삽입된 핀(14)주위에서 상대적으로 더 큰 재료의 원통형 칼럼을 소성화한다. 상기 숄더(12)는, 상기 공구 핀(14)에 의해 발생된 상향 재료 유동을 구속하는 단조하중(forging force)을 제공한다.
마찰 교반 처리 과정동안, 용접되어야 하는 영역과 공구가 서로에 대해 상대운동하여, 공구는 용접 조인트의 원하는 길이를 횡단운동한다. 회전하는 마찰 교반 처리 공구는 연속적인 고온 작업반응을 제공하고 공구가 기저금속을 따라 횡 방향으로 이동할 때 좁은 영역내에서 금속을 소성화하며 핀의 리딩 면(leading face)으로부터 핀의 트레일링 변부까지 금속을 전달한다. 공구가 통과할 때 액체가 형성되지 않기 때문에 용접부 영역이 냉각될 때 전형적으로 고형화과정(solidification)은 존재하지 않는다. 항상 그런 것은 아니지만 종종, 결과적으로 형성된 용접부는 결합이 없고 재결정되며 미세한 그레인(grain) 미세구조가 상기 용접부의 영역에 형성된다.
이전의 특허 문헌은, 이전에 기능적으로 용접될 수 없는 것으로 알려진 재료들을 가지고 마찰 교반 처리를 수행할 수 있는 장점들을 설명한다. 상기 재료들 중 일부는 비용융 상태로 용접가능(non-fusion weldable)하거나 단지 용접이 어렵다. 예를 들어, 상기 재료들은 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composites), 강 및 스테인레스 강과 같은 철합금 및 비철 재료를 포함한다. 마찰 교반 처리를 이용할 수 있었던 또 다른 분류의 재료는 수퍼알로이(superalloy)들이다. 수퍼알로이는 청동 또는 알루미늄보다 높은 용융온도를 가진 재료일 수 있고 다른 요소들이 혼합될 수 있다. 수퍼알로이의 예들은, 니켈, 철- 니켈 및 1000 F도보다 높은 온도에서 일반적으로 이용되는 코발트 기초 합금이다. 수퍼알로이에서 공통적으로 발견되는 추가요소들은 크롬, 몰리브데늄, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오비움, 탄탈륨 및 레늄(rhenium)을 포함하지만 이들로 한정되지 않는다.
티타늄은 또한 마찰 교반 처리를 위해 바람직한 재료이다. 티타늄은 비철 재료이지만 다른 비철재료보다 더 높은 용융점을 가진다.
상기 특허들에 의하면, 마찰 교반 처리되는 재료보다 더 높은 용융온도를 가진 재료를 이용하여 형성되는 공구가 필요하다. 일부 실시예에서, 초연삭제(super abrasive)가 상기 공구에서 이용된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 수퍼합금(superalloy) 및 상기 기능적으로 용접될 수 없는 재료들과 관련되고 본 명세서에 걸쳐서 이후에 "고 용융점 재료(HMTM)으로서 설명된다. 그러나 본 발명의 원리는, 알루미늄 및 다른 금속들 및 고용융점 재료의 일부분으로서 고려되지 않는 금속합금과 같은 저용융점 재료에도 적용될 수 있다.
최신 FSW 기술진보에 의해 마찰 교반 용접의 고상 결합처리 동안 강 및 스테인레스 강과 같은 고용융점 재료들을 함께 결합하기 위해 이용될 수 있는 공구들이 제공된다.
상기 설명과 같이, 상기 기술은 특수 마찰 교반 용접 공구를 이용하는 것을 포함한다. 도 2는, 다결정 입방 질화붕소(PCBN) 팁(30), 구속 칼라(collar)(32), 이동을 방지하기 위한 열전대 세트 스크류(thermocouple set screw)(34) 및 생크(shank)(36)를 도시한다. 상기 공구의 다른 설계가 발명자의 종래기술에 공개되고 모노리식 공구 및 다른 설계를 포함한다.
상기 마찰 교반 용접 공구가 이용될 때, 상기 공구는 다양한 재료의 마찰 교반 용접에서 효과적이다. 상기 공구 설계는 또한, PCBN 및 PCD(다결정 다이아몬드)이외의 다양한 공구 팁 재료를 이용할 때 효과적이다. 상기 재료들 중 일부는 텅스텐, 레늄, 이리듐, 티타늄, 몰리브데늄 등을 포함한다.
발명자들은, 강, 스테인레스강, 니켈기초 합금 및 다수의 다른 합금과 같은 고용융점 합금들에서 이용하기 위한 마찰 교반 용접 기술을 개발하는 선구자들이다. 상기 기술은 종종 다결정 입방 질화 붕소 공구, 액상 냉각 공구 홀더(liquid cooled tool holder), 온도 포착 시스템(temperature acquisition system) 및 적합한 장비가 마찰 교반 용접과정을 제어하는 것을 요구한다.
상기 기술이 상기 재료들을 결합하기 위한 최고의 방법으로서 개발되어왔기 때문에, 메가스터 테크놀로지스 엘엘씨(MegaStir Technologies LLC) 사는 상기 기술로부터 가장 큰 장점을 가지는 적용예들을 탐색하기 시작했다. 마찰 교반 용접(FSW)을 위한 가장 큰 적용예들 중 하나는, 파이프라인과 같은 곡선의 표면들을 연결하는 것이다.
더 적은 재료가 필요할수록 더 높은 강도 특성이 구해지고 전체 파이프라인 비용이 감소되기 때문에 고등 고강도 강(AHSS)이 파이프라인에 구성되고 있다. AHSS 와 관련한 어려움은 이용되는 종래기술의 용융 용접 방법에 있다. 산업상 모든 파이프라인 결합은 결함(defect) 또는 크랙(crack)을 포함하는 것으로 받아들여 진다. 상기 결함은 심지어 정교하게 자동화된 용융 용접 시스템에 의해서도 제거될 수 없기 때문에 상기 결함들은 받아들여진다. AHSS 용접은, 재료 성분이 본래 상대적으로 더 많은 용접결함을 야기하기 때문에 현존하는 파이프라인 강보다 더 어렵다.
FSW는 현재 파이프 부분들을 연결하기 위한 성공적인 기술로서 개발되어 있다. 상기 파이프 부분들을 연결하기 위한 마찰 교반 용접 기계가 개발되어 왔다. 회전하는 공구가 마찰열을 발생시킬 때 회전하는 공구는 연결부(joint)속으로 잠긴다. 상기 공구가 공작물 횡 단면속으로 잠기면, 상기 연결부가 서로 교반(stirred)되는 동안 상기 공구는 파이프주변에서 원주방향으로 이동하게 된다. 다음에 상기 FSW 공구는 빠지고 상기 기계는 마찰 교반 용접하기 위해 파이프를 따라 다음 파이프 연결부로 이동한다.
HMTM의 FSW동안 이루어지는 최근 관찰대상들 중 하나는 과정동안 공구주위에서 유동하는 재료로서 상기 재료는 결합되는 기저 재료(base material)보다 더 미세한 그레인을 가지도록 변경될 수 있다. 교반되는 재료의 온도에서 매우 짧은 공정 시간이 훨씬 더 신속한 담금질(quenching) 및 더 높은 강도(hardness)를 형성하고 공지된 열처리 방법에서 달성될 수 없는 효과를 가지기 때문에 일부 고용융점 합금들에서 상기 연결부의 특성은 추가로 향상될 수 있다. 상기 관찰대상들은 하기 설명에서 마찰 교반 처리(FSP)로서 언급되는 새로운 기술을 제공하였다.
일부 HMTM은 매우 높은 강도 및 강인도 특성을 가지도록 마찰교반처리될 수 있다. 이것은, FSP 동안 재료를 경화시키는 해결책(solution) 및 입자구조를 동시에 미세화하여 달성된다. 이러한 혁신적인 재료 처리 방법을 위한 계류중인 특허 및 본 발명 뒤에 있는 과학을 설명하는 평판있는 저널에 공개된 논문들이 존재한다. FSP는 재료의 강도와 강인도를 극적으로 증가시키기 위해 이용되기 때문에, 상기 FSP는 정유 및 가스 산업, 핵관련 산업, 자동차 산업, 항공산업 및 건설업에서 상당한 관심을 만들고 있다. 상기 기술에 앞서, 하나의 재료내에서 상기 특성들을 함께 형성하는 공지된 방법이 존재하지 않았다. 예를 들어, FSP는, 순철(mild steel)의 인성을 유지하면서도 탄화텅스텐(tungsten carbide)의 강도를 가진 재료 또는 재료의 국소 부분을 형성할 수 있다. 상기 기술을 이용하고 시판되는 상업용 제품의 예는, FRICTION FORGEDTM 이라는 휴대용 나이프(hand held knife)이다. 상기 나이프는 FSP 기술을 이용하고 전세계 다른 나이프들에 비해 날카로움(shrapness), 강도 및 강인도가 어떻게 우수한 지를 보여주는 데이터 및 인쇄물들을 가진다.
FSP는 전형적인 FSW 장비 및 툴링(tooling) 방법을 이용하여 개발되어 왔다. 연구 또는 생산을 위해 현재 FSW를 수행하는 대부분의 시설은 전형적으로 평평한 부분들을 연결하고 있다. 이러한 일부 예들은 선박 데킹(ship decking), 철도차량 데킹 및 플로어링(flooring), 열교환기 및 평평한 패널 결합을 포함한다. 상기 FSW 공구에 가해지는 하중은 전형적으로 축 방향으로 수 톤(ton)에 이르고 축방향 하중의 50%에 이르는 횡방향 공구 하중을 가진다. 평평한 판 및 평평한 부분들을 가지고 작업할 때, 공작물은 상업적으로 시판되고 테이블에 나사로 장착될 수 있는 클램프(clamp)에 의해 고정될 수 있다. 상기 클램프는 기계적으로 조여지거나 유압에 의해 조여질 수 있다. FSW는 종래기술의 금속 기계가공과 매우 유사한 기계공정이기 때문에, 상기 종래기술의 클램프는 양호하게 작동한다. 일부 경우들에서, 상대적으로 두꺼운 부분들의 FSW를 위해 공구하중이 증가되어야 하기 때문에, 클램프가 추가로 필요하다.
본 명세서에서, FSP는 고상 결합방법을 말한다. 상업적으로 시판되고 곡선 또는 아치형상의 표면상에서 FSP에 적용될 수 있는 고정 또는 클램핑 시스템들은 현재 없다. 구체화된 아치형상의 테이블을 이용하고 평평한 적용예들에서 이용된 동일한 클램핑 시스템을 부착시키는 커스텀 클램핑 시스템(custom clamping system)이 설계되고 제조될 수 있지만, 상기 시스템들은 변화할 수 있는 반경 또는 복잡한 아치형 표면들을 수용할 수 없기 때문에 상기 시스템들은 실용적이지 못하다.
또한, FSP는 비용 및 폐기물을 증가시키는 후처리(post processing) 요건 뿐만아니라 종종 한 개이상의 재료 형태들이 다른 재료의 아치형 표면에 부착되거나 클래드(clad)되는 것을 요구한다. 이것은 또한, FSP 공구 처리 하중에 저항하기 위해 기저 공작물이 고정되는 방법 뿐만 아니라 표면에 배열되는 FSP 재료를 복잡하게 만든다. 상기 기저 재료에 대해 마찰 교반 처리되기 위해 재료 또는 재료들의 열팽창은 종종 기저 공작물 재료와 다르고, 재료를 제 위치에 고정하는 열팽창의 차이를 설명해야 한다. 따라서, 마찰 교반처리되어야 하는 아치형상 표면에서 재료를 제 위치에 경제적으로 고정하기 위해 신규하고 창의적인 방법들이 필요하다.
본 발명의 목적은, 마찰교반 처리를 수행하기 위해 평평하거나 아치형상인 표면을 가진 기질에 대해 평평하거나 아치형상인 표면들을 가진 재료들이 제 위치에 고정될 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 고상공정(solid state process)을 이용하여 마찰 교반 처리 재료를 곡선의 기질속으로 혼합하기 위하여 곡선 표면을 가진 기질상에서 마찰 교반 처리 재료를 제 위치에 고정시키기 위한 시스템 및 방법이고, 상기 시스템은 경제적이고 효율적이며 안전한 마찰교반 처리가 수행될 수 있고 상기 마찰 교반 처리 재료를 기질에 부착시키는 다양한 기계적 부착수단들 중 한 개를 선택하는 것을 포함한다.
본 발명에 관한 상기 및 다른 목적, 특징, 장점 및 선택적인 특징들이 첨부된 도면들과 조합하여 제공되는 하기 상세한 설명을 고려하여 당업자들에게 이해된다.
도 1은, 마찰 교반 용접을 위한 종래기술에서 이용되는 공구의 사시도.
도 2는, 제거될 수 있는 다결정 입방 질화 붕소(PCBN) 팁, 구속 칼라 및 생크의 사시도.
도 3은, 상기 FSP 재료가 상기 기질와 면일치되도록 상기 FSP 재료가 상기 FSP 기질의 포켓속에 삽입되는 방법에 관한 개념을 도시하는 사시도.
도 4는, 상기 FSP 재료를 상기 파이프에 고정하기 전에 드릴 파이프 조인트의 단부 주위에 배열된 FSP 재료를 도시하는 사시도.
도 5는, 클램핑 하중을 가하기 위해 세트 스크류를 포함한 링들에 의해 제 위치에 배열되고 고정되는 FSP 재료를 도시하는 사시도.
도 6은, 나중에 제거될 수 있는 동일하거나 서로 다른 재료의 밴드들에 의해 제 위치에 배열되고 고정되는 FSP 재료를 도시한 사시도.
도 7은, 기질상의 위치를 고정하고 유지하기 위해 FSP 재료가 상기 FSP 밴드와 결합하는 두 가지 가능성들을 도시한 사시도.
도 8은, 마찰 비트 결합을 이용하여 FSP 재료가 제 위치에 고정되는 방법을 도시하는 사시도. 유사한 고정기능이 간섭식 기계적 고정구(즉, 가압 조립핀, 리벳 등)를 이용하여 형성될 수 있다.
도 9는, 마찰 비트 결합을 이용하여 FSP 재료가 제 위치에 고정되는 방법을 도시하는 사시도.
도 10은, FSP 재료가 배열된 상태를 유지하기 위해 동적 고정 시스템으로서 핀치 롤러들이 이용될 수 있는 방법을 도시한 사시도.
도 11은, FSP 재료를 기질에 고정시키는 동적 인장력을 가하기 위해 케이블 또는 체인이 이용될 수 있는 방법을 도시한 사시도.
본 발명의 세부구성을 참고할 때, 본 발명의 여러 가지 요소들이 설명되고 논의되어 당업자들은 본 발명을 이용할 수 있다. 본 발명의 원리에 관한 유일한 예가 다음과 같이 설명되고 청구범위를 축소하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
마찰 교반 처리를 위한 아치형상의 표면에서 재료를 제 위치에 배열하고 고정하기 위한 "모든 것에 들어맞는 한 가지 방법"의 솔루션이 존재할 수는 없다. 그러므로, 아치형상 표면에서 마찰 교반 처리하여 발생되는 문제를 경제적이고 효율적이며 안전하게 해결할 수 있는 혁신적인 개념들이 개발되어왔다. 상기 개념들은 서로 조합되어 이용될 수 있고 상기 개념들의 실시예들은 본 발명의 범위내에서 이용될 수 있다는 것을 아는 것이 중요하다.
개선된 드릴 파이프 마모저항(abrasion resistance)은, 마찰 교반 처리를 유리하게 이용하고 결과적으로 본 발명의 실시예들이 성공할 수 있는 상업적 적용예이다. 드릴 비트(drill bit)가 지면속으로 드릴링될 때 드릴 비트는 회전해야하고 드릴 교반(drill stiring)작용을 형성하며 서로 나사체결된 다수의 파이프 섹션들은 또한 드릴링 과정을 위해 회전한다. 필수적으로, 일정하게 회전하는 드릴 파이프는 직경에서 마모되고 계속해서 교체되어야 한다. 드릴파이프의 교체작업은 상당한 경제적 비용을 요구하고 전세계로 다수의 드릴링 장비들을 공급하려면 물류와 관련한 어려움을 발생시킨다.
드릴링 작업은, 드릴링된 구멍의 섹션들내에 시멘트(cemented)고정된 금속 케이싱(casing)(튜빙(tubing))을 통해 연장되는 드릴 스트링(drill string)으로 수행되기도 한다. 케이싱은, 상대적으로 깊은 구멍 섹션들이 드릴링됨에 따라 상기 구멍이 스스로 붕괴(collapsing)되는 것을 방지하기 위해 이용된다. 드릴 스트링은 마모될 뿐만 아니라, 드릴 스트링의 회전은 또한 케이싱을 마모시켜서 케이싱 고장이 발생될 수 있다. 상기 문제는, 수평 드릴링이 발생될 때 훨씬 더 현저하다. 상기 드릴 스트링이 수평 방향으로 휘어지기 시작할 때 케이싱의 구부러진 부분이 마모된다. 케이싱이 고장나면, 이 위치에서 드릴링은 중지되어야 하고 정(well) 투자는 손실을 가질 수 있다.
최근에, 드릴 파이프의 마모저항을 향상시키기 위해 하드 밴딩(hardbanding)이라고 하는 융합(fusion) 또는 용융/고형화 공정이 이용된다. 융합 하드 밴딩은, 혼합된 카바이드 경화입자를 가진 금속을 용융하고 상기 혼합물을 파이프의 표면에 도포시켜서 수행된다. 용융된 혼합물이 고형화되면, 하드 밴딩이 이용되는 위치에서 파이프의 표면 외관은 매우 거칠다. 드릴링 작업동안, 하드 밴딩 영역의 경화입자들은 드릴링동안 케이싱의 불필요한 절삭, 연삭 또는 기계가공을 야기할 수 있다. 상기 문제는 심각해서, 드릴링 유체내에 부유하는 케이싱의 조각들을 제거하기 위해 대형 전자석이 드릴 장비내에서 이용될 수 있다. 상기 케이싱 조각들은, 하드 밴딩이 수행된 위치에서 케이싱의 부분과 접촉하는 드릴 파이프에 의해 드릴링 작업동안 케이싱으로부터 떨어져 기계가공될 수 있다.
다수의 가능한 예들 중 하나로서, 아치형 표면을 가진 드릴 파이프 연결이, 하드 밴딩을 위해 이용되는 재료가 아치형 표면에서 제 위치에 배열되고 고정되는 동안 마찰 교반 처리되는 방법을 설명하기 위해 이용될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 사시도이다. 도면은, 곡선 표면을 가진 마찰 교반 처리(FSP) 기질(42)을 도시한다. 상기 FSP 기질(42)은 곡선 표면을 가진 파이프 또는 다른 공작물일 수 있다. 상기 FSP 기질(42)은 곡선 표면내에 형성된 포켓(pocket)(44) 또는 오목부를 가질 수 있다. 상기 포켓(44)을 형성하는 방법은, 본 발명의 특허성(patentable aspect)으로 간주되지 않는다. 중요한 것은, 상기 포켓(44)이 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면내에 형성된다는 것이다. 상기 포켓(44)의 윤곽이 상기 FSP 기질(42)위에 도시된다. 상기 포켓(44)은 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면과 일치한다.
마찰 교반 처리(FSP) 재료(48)는 다음에 상기 포켓(44)내에 배열된다. 상기 FSP 재료(48)는 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면과 일치하도록 형성될 수 있다. 상기 FSP 재료(48)는 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면과 일치할 수 있지만 요구되지 않는다.
상기 FSP 재료(48)는, 나중에 제거되거나 상기 FSP 기질(42) 및 FSP 재료(48)속으로 마찰 교반 처리되는 확산 결합(diffusion bonding), 간섭 조립(interference fit), 리벳, 택 용접(tack weld), 접착제 및 브레이징 재료를 포함하지만 한정되지 않는 적합한 수단을 이용하여 제 위치에 고정될 수 있다.
FSP 기질(42)속에 마찰 교반 처리되는 FSP 재료(48)는 상기 FSP 기질과 다른 재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 FSP 재료(48)는, 상기 FSP 기질(42) 상에 상기 최초의 FSP 기질 재료보다 더 강한 세그멘트(segment)를 형성하기 위해 상기 FSP 기질(42)보다 더 강한 재료 또는 재료들을 포함할 수 있다. 상기 FSP 재료(48)는, 상기 FSP 기질(42)과 달라서 FSP 기질을 향상시키는 특성 또는 상태를 가질 수 있다. 상대적으로 강한 재료를 상기 최초의 FSP 기질(42)속에 마찰 교반 처리하는 상기 과정은 상기 FSP 기질에서 하드 밴딩을 형성할 수 있다.
상기 포켓(44)은, 상기 포켓내부에 배열된 FSP 재료(48)보다 더 클 수 있다. 상기 포켓(44)을 상기 기질 재료(48)보다 더 크게 제조하면, 상기 FSP 기질(42), FSP 재료(48) 또는 양자의 팽창을 허용하는 팽창 간격(46)이 제공될 수 있다. 재표의 팽창은, 상기 FSP 기질(42) 및 FSP 재료(48)가 가열됨에 따라 발생될 수 있다. 상기 FSP 재료(48)의 팽창은 한 개이상의 방향으로 형성되고 팽창을 위한 자유도(degree of freedom)들 중 한 개를 요구한다. 도 3은 또한, 상기 FSP 재료(48)를 FSP 기질(42)속에 마찰 교반 처리하기 위해 이용될 수 있는 마찰 교반 처리 공구(40)를 도시한다.
상기 포켓(44)은 상기 FSP 기질(42) 주위에서 단지 부분적으로 연장되거나 상기 FSP 기질(42)의 전체 주변부(circumference)에서 연장될 수 있다. 또한 상기 FSP 기질(42)의 다수 위치들에서 다수의 포켓(44)들이 존재할 수 있다.
상기 FSP 재료(48)는 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면과 수직을 이루는 접촉표면을 가질 수 있다. 상기 FSP 공구(40)는 소모성 공구이거나 비소모성 공구일 수 있다.
도 4는 본 발명의 선택적 실시예를 도시하는 사시도이다. 구체적으로 포켓(44)이 FSP 기질(42)내부에 제공되지 않을 수 있다. 대신에, FSP 재료(48)는 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면에 배열될 수 있다. 상기 도면은, 상기 FSP 재료가 FSP 밴드(48)로서 형성되는 것을 도시한다. 상기 FSP 밴드(48)는 재료 스트립(strip)이거나 상기 FSP 기질(42)주위에 조립된 완성된 튜브를 형성할 수 있다.
상기 FSP 밴드(48)는 적합한 수단을 이용하여 상기 FSP 기질(42)에 고정될 수 있다. 도 4는, FSP 기질(42)을 형성하는 드릴 파이프의 단부를 도시한다. 상기 FSP 밴드(48)는 상기 FSP 기질(42)속으로 마찰 교반 처리되기 전에 고정되어 FSP 밴드는 마찰 교반 처리동안 위치로부터 움직이지 못하게 하는 것이 필요하다.
도 5는, 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정하는 동시에 마찰 교반 처리를 수행하기 위한 본 발명의 실시예를 도시하는 사시도이다. 상기 도면은, 클램핑 링(clamping ring)(50)이 상기 FSP 밴드(48)의 양쪽 단부에 배열될 수 있다. 상기 클램핑 링(50)은, 상기 FSP 밴드(48)의 상부에서 상기 클램핑 링을 제 위치에 고정하기 위한 세트 스크류(set screw)(70)를 포함할 수 있다. 단지 한 개의 클램핑 링(50)이 상기 FSP 밴드(48)를 고정하기 위해 필요할 수 있다.
상기 실시예는 상기 세트 스크류(70)의 이용을 도시하고 상기 실시예는 상기 클램핑 링(50)을 제 위치에 고정하기 위한 적합한 수단을 이용할 수 있고 원통형 FSP 기질(42)의 장축(long axis)아래로 미끄럼없이 반경 방향으로 제거되는 조인트 및 래치(joint and latch) 조립체를 포함한다. 상기 클램핑 링(50)은 또한 상기 FSP 밴드(48)를 포착하기 위해 상기 FSP 기질(42)의 곡선 표면에 융합결합되고 다음에 당업자에게 알려진 기계가공, 연삭 및 다른 후공정 기술과 같은 기계적 제거방법을 이용하여 제거될 수 있는 재료로 제조된 소모성 링(ring)들 또는 아크(arcs)들을 포함할 수 있다.
도 6은, 상기 FSP 기질(42)상에서 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정하기 위한 서로 다른 실시예를 도시한 사시도이며, 상기 FSP 공구(40)는 마찰 교반 처리를 위해 이용된다. 상기 실시예는, 상기 FSP 밴드(48)의 한쪽 또는 양쪽 단부들에 한 개이상의 희생 밴드(sacrificial band)(52)들이 배열되는 것을 도시한다. 상기 희생 밴드(52)는 적합한 모든 재료로 제조될 수 있다. 상기 희생 밴드(52)는 상기 FSP 기질(42)속으로 마찰 교반 처리되거나 적합한 후공정 수단에 의해 전부 또는 부분적으로 제거될 수 있다.
도 7의 확대 사시도는, 마찰 교반 처리를 위해 상기 희생 밴드(52)가 상기 FSP 밴드(48)를 제위치에 고정하는 방법에 관해 상세하게 도시한다. 실시예에서, 상기 희생 밴드(52)는 FSP 밴드(48)를 가진 앵글(angle)(54)을 형성한다. 상기 FSP 밴드(48)는, 상기 희생 밴드(52)상에서 상기 앵글에 대해 짝을 이루는 앵글(complimentary angle)(54)을 가질 수 있다.
선택적인 실시예에서, 도 7에 의하면 상기 희생 밴드(52) 및 FSP 밴드(48)는 중첩되고 짝을 이루는 평행한 표면(56)들을 가질 수 있다. 상기 중첩되는 평행한 표면(56)들에 의해 상기 희생 밴드(52)는 상기 FSP 기질(42)에서 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정할 수 있다. 상기 평행한 표면(56)들이 가지는 장점에 의하면, 상기 FSP 밴드(48), 희생 밴드(52) 또는 모두의 열적 팽창을 허용하는 간격(66)이 제공될 수 있다.
상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정하기 위한 다른 수단이 또한 제공될 수 있다. 상기 다른 수단은 당업자들에게 공지된 가압 조립 핀(press fit pin), 리벳 및 다른 수단을 포함하지만 한정되지 않는다. 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정하기 위한 기계적 포착(entrapment) 또는 부착기능의 모든 수단이 이용될 수 있다는 것이 중요하다.
도 8은 본 발명을 따르는 다른 실시예를 도시한 사시도이다. 상기 FSP 밴드(48)는 마찰 교반 처리되기 전에 한 개이상의 위치에서 상기 FSP 기질(42)에 부착될 수 있다. 상기 선택적 실시예에서, 이들을 서로 부착시키기 위해 마찰 교반 결합(friction stir joining)이 이용된다. 예를 들어, 마찰 교반 비트(bit)(58)가 상기 FSP 밴드(48)와 FSP 기질(42)을 절단하기 위해 이용될 수 있다. 높은 회전속도를 이용하여 양쪽 재료들을 절단한 후에, 상기 마찰 교반 비트(58)의 회전속도는 감소되고 상기 FSP 밴드(48)와 FSP 기질(42)의 고상 처리(solid state processing)를 형성할 수 있으며 FSP 밴드와 FSP 기질사이에 고상 결합을 가능하게 한다.
상기 FSP 밴드(48)위로 상승하는 마찰 교반 비트(58)의 일부분은, 전단되거나 FSP 밴드와 FSP 기질속으로 마찰 교반 처리되기 위해 남겨둘 수 있다. 또한, 간섭식 기계적 고정구(interference mechanical fastener)( 즉 가압 조립 핀, 리벳 등) 형태를 이용하여 상기 FSP 밴드(48)를 상기 FSP 기질(42)에 고정시킬 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
도 9는, 본 발명을 따르는 선택적 실시예를 도시하는 사시도이다. 핀(60)이 상기 FSP 밴드(48)를 상기 FSP 기질(42)에 고정하기 위해 이용될 수 있다. 상기 핀(60)은 구멍(68)을 통해 FSP 밴드(48)내에 삽입된다. 상기 구멍(68)은, 마찰 교반 처리동안 상기 FSP 밴드(48)가 열팽창될 수 있는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 구멍(68)은 상기 FSP 기질(42)의 장축을 따라 연장될 수 있다.
상기 핀(60)은 간섭식 조립, 스크류 나사 또는 상기 핀을 부착하기 적합한 다른 수단을 이용하여 상기 FSP 기질(42)에 부착될 수 있다. 나사가 있건 없건 간에 상기 FSP 기질(42)내에 구멍을 드릴링하는 것이 필요하다. 상기 핀(60)은 헤드(head)를 가지거나 헤드를 가지지 않을 수 있다.
도 10은, 본 발명을 따르는 또 다른 실시예의 사시도이다. 상기 실시예에서, 한 개이상의 핀치 롤러(pinch roller)(62)들이 상기 FSP 밴드(48)를 상기 FSP 기질(42)에 고정하기 위해 이용될 수 있다. 상기 FSP 공구(40)가 마찰 교반 처리를 수행할 때 상기 FSP 공구는 상기 FSP 밴드(48)를 상기 핀치 롤러(62)에 가압한다. 상기 핀치 롤러(62)들은, 상기 FSP 기질(42)상에 상기 FSP 밴드(48)를 정확한 위치에 유지하기 위한 동적 고정 시스템(dynamic holding system)을 형성할 수 있다.
도 11은, 상기 FSP 기질(42)상에서 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정시키는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이다. 상기 실시예에서, 상기 FSP 밴드(48)를 제 위치에 고정하는 동적 인장력(dynamic tension)을 가하기 위한 케이블(64) 또는 체인이 이용될 수 있다. 상기 케이블(64)은 작업자 또는 자동화에 의해 상기 FSP 밴드(48)주위에 하중을 가하여 FSP 밴드를 제 위치에 클램핑하기 위해 상기 FSP 밴드(48)주위에서 조임(tightening) 하중을 가할 수 있다.
본 발명의 모든 실시예들을 위해 상기 FSP 밴드(48)를 상기 FSP 기질(42)내부로 마찰 교반 처리하는 과정을 완료한 후에 상기 FSP 공구(40)로부터 구멍을 제거하기 위해 런 오프 탭(run-off tab)이 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 냉각기능을 제공하기 위해 액체 또는 공기가 상기 FSP 밴드(48) 및 FSP 기질(42)에 가해질 수 있다. 냉각은, 마찰 교반 처리동안 열 팽창을 최소화하는 것을 돕는다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 FSP 기질(42)의 외경(OD)에서 나사를 절삭하고 상기 FSP 밴드(48)의 내경(ID)에서 짝을 이루는 나사를 절삭하는 것이다. 다음에 상기 FSP 밴드(48)는 상기 FSP 기질(42)상에 나사체결된다. 상기 나사들은 마찰 교반 처리동안 소모될 수 있다.
상기 장치들은 단지 본 발명의 원리를 적용하는 것을 설명하기 위한 것이라는 것을 이해해야 한다. 다수의 수정예들 및 선택적인 장치들이 본 발명의 범위와 사상으로부터 당업자들에 의해 발명될 수 있다. 첨부된 청구범위는 상기 수정예들과 장치들을 포함하기 위한 것이다.
48....FSP 재료,
42....FSP 기질,
40....FSP 공구.

Claims (22)

  1. 곡선 표면을 가진 기질속으로 재료를 고정하고 마찰 교반 처리하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    1) 곡선 표면을 가진 기질을 제공하는 단계,
    2) 고상 결합 공정을 이용하여 상기 기질속으로 혼합되어 상기 기질의 특성을 변화시키는 재료를 마찰 교반 처리하는 것을 제공하는 단계,
    3) 원하는 위치에서 상기 기질에 대해 마찰 교반 처리하는 재료를 배열하고 부착하는 단계 및,
    4) 상기 기질속으로 마찰 교반 처리 재료를 마찰 교반 처리하고 상기 마찰 교반 처리 재료가 이동하는 것을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 곡선 표면내에 포켓을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 포켓내에서 상기 마찰 교반 처리 재료가 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 방법은 간섭 조립을 이용하여 상기 포켓속으로 상기 마찰 교반 처리 재료를 배열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 방법은 상기 마찰 교반 처리 재료가 상기 포켓내부에 배열될 때 상기 마찰 교반 처리 재료의 적어도 한 개의 변부를 따라 적어도 한 개의 간격을 제공하여 마찰 교반 처리동안 마찰 교반 처리 재료의 길이를 따라 적어도 한 개의 방향으로 상기 마찰 교반 처리 재료의 열팽창을 가능하게 하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 방법은 상기 포켓내부에서 상기 기질의 곡선 표면에 대해 수직인 접촉 표면을 가지도록 상기 마찰 교반 처리 재료를 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 포켓이 상기 기질의 주변부 주위에서 단지 적어도 부분적으로 연장되도록 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 기질내부에 요홈을 형성하기 위해 상기 기질의 전체 주변부 주위에서 상기 포켓이 연장되도록 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 기질의 주변부 주위에서 복수 개의 구분된 포켓들을 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 기질의 주변부를 완전히 둘러싸는 연속적인 마찰 교반 처리 밴드로서 상기 마찰 교반 처리 재료를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은 상기 마찰 교반 처리 밴드를 둘러싸는 적어도 한 개의 분리가능한 링을 이용하여 상기 마찰 교반 처리 밴드를 부착하고 상기 링은 적어도 한 개의 상기 분리가능한 링내에서 복수 개의 세트 스크류들을 이용하여 상기 마찰 교반 처리 밴드에 대해 가압되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은 상기 마찰 교반 처리 밴드를 둘러싸는 적어도 한 개의 분리가능한 링을 이용하여 상기 마찰 교반 처리 밴드를 부착하고 상기 링은 상기 마찰 교반 처리 밴드에 대해 가압되며, 상기 적어도 한 개의 분리가능한 링은 상기 마찰 교반 처리 밴드로부터 분리 및 부착작용을 위하여 조인트 및 래치 조립체를 포함하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은,
    1) 상기 기질에 상기 마찰 교반 처리 밴드를 고정하는 기계적 부착 수단을 제공하기 위해 적어도 한 개의 희생밴드를 제공하는 단계 및,
    2) 상기 마찰 교반 처리 밴드를 상기 기질속으로 마찰 교반 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은 상기 마찰 교반 처리 밴드가 상기 기질속으로 용접된 후에 상기 적어도 한 개의 희생 밴드를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은, 마찰 비트 결합(friction bit joining), 볼팅(bolting), 리벳팅, 택 용접(tack welding), 브레이징(brazing), 마찰 교반 처리 밴드 주위에 케이블을 감싸기, 롤러시스템을 이용 및 상기 마찰 교반 처리 밴드를 상기 기질에 부착하기 위한 접착제를 이용하는 것을 포함한 기계적 부착들 중에서 기계적 부착 수단을 선택하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 곡선 표면을 가진 기질속으로 재료를 고정하고 마찰 교반 처리하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    곡선표면을 가진 기질,
    마찰 교반 처리 재료,
    상기 기질내부에 배열된 포켓을 포함하고, 상기 포켓은 상기 곡선 표면과 일치하며, 상기 포켓은 재료를 마찰 교반 처리하기 위한 간섭 조립을 제공하고,
    상기 마찰 교반 처리 재료를 상기 기질속으로 마찰 교반 처리하기 위한 마찰 교반 처리 공구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 포켓의 곡선표면과 수직인 접촉 표면을 가진 마찰 교반 처리 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 곡선 표면을 가진 기질속으로 재료를 고정하고 마찰 교반 처리하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    곡선표면을 가진 기질,
    마찰 교반 처리 재료,
    상기 기질에 대해 상기 마찰 교반 처리 재료를 고정하기 위한 기계적 부착 시스템 및,
    상기 마찰 교반 처리 재료를 상기 기질속으로 마찰 교반 처리하기 위한 마찰 교반 처리 공구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 기질의 주변부를 완전히 둘러싸는 연속적인 마찰 교반 처리 밴드를 형성하는 마찰 교반 처리 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 시스템은
    상기 마찰 교반 처리 밴드를 둘러싸는 적어도 한 개의 분리가능한 링 및,
    상기 적어도 한 개의 분리가능한 링내부의 복수 개의 세트 스크류를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 마찰 교반 처리 밴드를 둘러싸는 적어도 한 개의 분리가능한 링을 추가로 포함하고, 상기 적어도 한 개의 분리가능한 링은 상기 마찰 교반 처리 밴드로부터 분리 및 부착을 위한 조인트 및 래치 조립체를 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 기질에 대해 상기 마찰 교반 처리 밴드를 고정하는 기계적 부착수단을 제공하기 위해 적어도 한 개의 희생밴드를 추가로 포함하고, 상기 적어도 한 개의 희생 밴드는 마찰 교반 처리 후에 제거되거나 마찰 교반 처리 밴드에 의해 상기 기질속으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 시스템은, 마찰 비트 결합, 볼팅, 리벳팅, 택 용접, 브레이징, 마찰 교반 처리 밴드 주위에 케이블을 감싸기, 롤러시스템을 이용 및 상기 마찰 교반 처리 밴드를 상기 기질에 부착하기 위한 접착제를 이용하는 것을 포함한 기계적 부착들 중에서 기계적 부착 수단을 선택하는 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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