(57)【要約】      （修正有）【課題】小径管類を摩擦攪拌溶接するシステムであって、該管類は、配置保持システムにより適切な位置に保持され回転させることができ、その間ＦＳＷ工具は固定され、またはその逆もあり得るシステム。【解決手段】小径管類のより小さい寸法の管類の内側に嵌合することができ、ＦＳＷ工具により力がかけられた場合に拡張して対抗力を与えて管類の変形を防止することができる内部心棒８０であって、ＦＳＷ工具が工具／被加工物界面上により多くの熱を送って、管の湾曲に因るＦＳＷ肩部と被加工物との間の接触の欠如を減殺することを可能にする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融解温度材料の位置ずれ摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）を実施するために第１の管状物体を保持する回転締付け配置固定具（ＲＣＰＦ）システムであって、
第１の管状物体の正確な配置を可能にする一組の機械的顎部と、
正確な配置後に、前記第１の管状物体が保持されることを可能にする一組の油圧顎部と、
前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部を保持する筺体であって、前記機械的顎部および前記油圧顎部が、前記第１の管状物体と共通の軸の周囲に同心に配置される、筺体と
を備える、システム。
【請求項２】
前記システムは、前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部により形成されている貫通孔をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、４０．６４ｃｍ（１６インチ）の大きさの直径を有する前記第１の管状物体を保持することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムは、
内部締付けリングであって、前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部が前記内部締付けリングの内部に配設されており、内部締付けリングが前記筺体の内部で回転する、内部締付けリングと、
前記内部締付けリングを回転させる駆動システムと
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記内部締付けリングと前記筺体との間の滑動摩擦軸受面をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記内部締付けリングと前記筺体との間の前記滑動摩擦軸受面上に配設されている油圧流体をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、前記一組の機械的顎部を調節する駆動小歯車をさらに備え、前記駆動小歯車は、手動調節システムまたは自動調節システムを使用して調節可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記筺体は摩擦攪拌溶接機械に取り付けられており、前記筺体は、前記第１の管状物体を水平姿勢または垂直姿勢に保持する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記システムは、第２の管状物体を保持する第２のＲＣＰＦをさらに備え、前記第１のＲＣＰＦおよび前記第２のＲＣＰＦが、摩擦攪拌溶接のために、前記第１の管状物体の端部と前記第２の管状物体の端部とを互いに当接させて同心に保持するように配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の管状物体および前記第２の管状物体は、ケーシングおよびパイプからなる管状物体の群から選択される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
高融解温度材料から作製されている管状物体の摩擦攪拌溶接で使用するための心棒であって、
管状物体の内径より小さい外径を有する中空シリンダとして形成されている拡張外郭であて、その上縁部および底縁部に対して垂直な隙間を有する、拡張外郭と、
前記隙間内にかつそこから外へ移動することにより、前記拡張外郭の拡張または収縮を引き起こすために、前記心棒外郭の内部に配設されている拡張楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されている第１の楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されておりかつ前記第１の楔部と滑動可能に係合されている第２の楔部であって、前記第１の楔部の軸方向移動により、前記第２の楔部が前記拡張楔部に当接して力をかけ、前記拡張外郭を拡張させる、第２の楔部と
を含む、心棒。
【請求項１２】
前記心棒は、前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こすシステムをさらに備える、請求項１１に記載の心棒。
【請求項１３】
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、油圧システムをさらに備える、請求項１２に記載の心棒。
【請求項１４】
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、回転運動システムをさらに備える、請求項１２に記載の心棒。
【請求項１５】
前記拡張外郭は、交換され得る交換可能部分をさらに備える、請求項１１に記載の心棒。
【請求項１６】
前記交換可能部分は、ＦＳＷ工具経路の真下に配設されるように位置調整される、請求項１１に記載の心棒。
【請求項１７】
前記交換可能部分は、熱を前記ＦＳＷ工具経路に送る加熱システムをさらに備える、請求項１５に記載の心棒。
【請求項１８】
前記加熱システムは、液体加熱および抵抗加熱からなる加熱システムの群から選択される、請求項１７に記載の心棒。
【請求項１９】
前記交換可能部分は、前記ＦＳＷ工具経路を冷却する冷却システムをさらに備える、請求項１５に記載の心棒。
【請求項２０】
前記心棒は、１２ロックウェルＣと７５ロックウェルＣの間の硬度を有する、請求項１１に記載の心棒。
【請求項２１】
前記心棒は前記拡張外郭上の被覆をさらに備え、それにより、前記管状物体の前記拡張外郭への拡散接合を防止する、請求項１１に記載の心棒。
【請求項２２】
前記心棒は、前記拡張外郭の内径にある複数の逃げ部をさらに備え、前記逃げ部は前記隙間に平行である、請求項１１に記載の心棒。
【請求項２３】
前記心棒は２つのへり部をさらに備え、各へり部は、前記隙間に隣接してかつその両端部上に配設されている、請求項２２に記載の心棒。
【請求項２４】
前記へり部の各々は、互いからかつ前記隙間から離れて先細になっている、請求項２３に記載の心棒。
【請求項２５】
前記拡張外郭の前記隙間は、前記拡張外郭が静止している時に閉じられている、請求項１１に記載の心棒。
【請求項２６】
前記拡張外郭は、前記拡張外郭が静止している時に、前記拡張外郭を前記隙間において閉じる残留応力を有する、請求項１１に記載の心棒。
【請求項２７】
前記残留応力は、前記拡張外郭に、前記隙間に平行にかつ互いから等距離で離間されて、複数の融接ビードを配設することにより生成される、請求項２６に記載の心棒。
【請求項２８】
前記拡張楔部の大きさは、より大きな拡張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより拡大させ、かつより小さい張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより小さい程度まで拡張させ、それにより、同一の拡張外郭を使用して異なる直径の管状物体を収容するように変更され得る、請求項１１に記載の心棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）、摩擦攪拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）および摩擦攪拌混合（ＦＳＭ）（以後、総称して「摩擦攪拌溶接」と呼ばれる）を含む、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）ならびにその変種に関する。具体的には、本発明は、高温材料が小さいパイプまたは管状物体（以後、「管、複数の管、または管類」）の形状および大きさである場合の、高温材料の摩擦攪拌溶接に特有な問題に関する。本発明の具体的な主眼は、１）摩擦攪拌溶接を実施するために小径管を保持すること、２）内部心棒を設けることにより、ＦＳＷ工具の力に起因する小径管の変形を防止すること、３）小径管上でのＦＳＷの実施に一意的に適合されている形状を有するＦＳＷ工具を提供すること、および４）小径管上でのＦＳＷ実施時に用いられなければならない工程パラメータ、である。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接は、金属および金属合金を溶接するために開発されてきた技術である。摩擦攪拌溶接は、一般に、固相プロセスである。本明細書において、固相プロセスは、通常は液相を含まない可塑化状態への一時的な変態と定義される。しかし、いくつかの実施形態が、１つまたは複数の元素が液相を通過することを可能にし、さらに本発明の恩恵を得ることに留意されたい。
【０００３】
摩擦攪拌溶接法は、回転攪拌ピンにより、接合部の両側の２つの隣接する被加工物の材料を係合することを含むことが多い。力がかけられてピンと被加工物とを一緒に動かし、ピンと肩部と被加工物との間の相互作用により生じる摩擦熱が、接合部の両側の材料の可塑化をもたらす。ピンと肩部との組合せすなわち「ＦＳＷ先端部」が接合部に沿って横断し、該ＦＳＷ先端部が前進する時に材料を可塑化し、前進するＦＳＷ先端部の結果として残された可塑化された材料は、冷えて溶接部を形成する。ＦＳＷ先端部はまた、ＦＳＰを通じて肩部が別の材料を処理しているように、ピンを用いない工具とすることができる。
【０００４】
図１は、軸部８と肩部１２と肩部から外側に延出しているピン１４とを有する略円筒形の工具１０を特徴とする、摩擦攪拌溶接に使用されている工具の斜視図である。ピン１４は、十分な熱が発生するまで被加工物１６に当接して回転し、その発生時点で、工具のピンが可塑化被加工物材料中に突き刺される。通常、ピン１４は、被加工物内へのさらなる侵入を防止する肩部１２に到達するまで被加工物１６内に突き刺される。被加工物１６は、接合線１８で突き合わせられた２枚の材料薄板または材料平板であることが多い。この例では、ピン１４は、接合線１８において被加工物１６内に突き刺される。
【０００５】
図２は、工具１０の横断面図である。軸部８およびＦＳＷ先端部２４の両方を握持してつば２２が示されており、該ＦＳＷ先端部は、肩部１２とピン１４とからなる。工具１０が回転すると、回転している軸部８からつば２２まで、次いでＦＳＷ先端部２４まで、トルクが伝達される。鋼鉄などの高融解（または軟化）温度材料である被加工物上で工具１０が使用されている場合、ＦＳＷ先端部２４は、多くの場合、摩擦熱で軟化される鋼鉄を横断しながら回転する時に、１０００℃を超える温度に暴露される。
【０００６】
図１を参照すると、被加工物材料１６に当接するピン１４の回転運動により生じる摩擦熱は、融点に到達することなく被加工物材料を軟化させる。工具１０は、接合線１８に沿って横方向に移動し、それにより、工具経路２０に沿って前縁部から後縁部まで可塑化材料がピンの周囲を流動して溶接部を作り出す。その結果、従来のＦＳＷでない溶接技術の使用時に作り出される溶接部とは対照的に、工具経路２０に沿った接合線１８に固相接合をもたらし、該接合は、通常、被加工物材料１６と見分けられないものとなり得る。
【０００７】
肩部１２が被加工物の表面に接触した場合、その回転により、挿入されたピン１４の周囲でより大きな材料円柱を可塑化する付加的な摩擦熱が発生することが観察される。肩部１２は、工具ピン１４により生じる上向きの金属流を含む鍛造力をもたらす。
【０００８】
摩擦攪拌溶接中、工具が工具／被加工物界面において溶接接合の所望の長さを横断するように、溶接される領域と工具とが互いに対して移動する。回転している摩擦攪拌溶接工具１０は連続的な熱間加工作用をもたらし、摩擦攪拌溶接工具が母材に沿って横方向に移動するにつれて狭い区域内の金属を可塑化させる一方、ピン１４の前縁からその後縁まで金属を移送する。工具１０が通過する時に液体が生じないので、溶接区域が冷える時、通常は凝固が生じない。常にそうではないが、結果として得られる溶接部が溶接の領域に形成される欠陥のない再結晶した微粒子微細構造であることは、事実であることが多い。移動速度は、通常、２００から２０００ｒｐｍの回転速度で１０から５００ｍｍ／分である。到達する温度は、通常、固相線温度に近いがそれより下である。摩擦攪拌溶接パラメータは、材料の熱特性、高温流動応力、および侵入深さの関数である。
【０００９】
先行する特許は、以前は機能的に溶接不可能であると考えられていた材料を用いて摩擦攪拌溶接を実施することができることの便益を教示してきた。これら材料の中には、融接不可能、または溶接することが全く困難なものがある。これら材料には、例えば、金属マトリクス複合材料、鋼鉄およびステンレス鋼などの鉄合金、ならびに非鉄材料が含まれる。やはり摩擦攪拌溶接を活用することができた別の部類の材料が、超合金である。超合金は、より高い融解温度の青銅またはアルミニウムを有する材料とすることができ、同様に混入された他の元素を有していてもよい。超合金のいくつかの例は、一般に５３７．８℃（１０００°Ｆ）より上で使用される、ニッケル合金、鉄−ニッケル合金、およびコバルト基合金である。超合金に一般的に認められる付加的元素には、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタニウム、ニオブ、タンタル、およびレニウムが含まれるが、それらに限定されない。
【００１０】
チタニウムもまた摩擦攪拌溶接に使用するのに望ましい材料であることに留意されたい。チタニウムは非鉄材料であるが、他の非鉄材料より高い融点を有する。先行する特許は、高温材料の摩擦攪拌溶接のための工具が、摩擦攪拌溶接されている材料より高い融解温度を有する単数または複数の材料で作製されていることを教示している。いくつかの実施形態では、工具に超砥粒が使用され、時には被覆として使用された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３２５９９６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の実施形態は、全般的に、これら機能的に溶接不可能な材料および超合金に関係しており、以後、これらは本文献を通して「高融解温度」材料または「高軟化温度」材料と呼ばれる。それにも関わらず、本明細書において教示される工具は、低融解温度材料が使用されている場合のそれほど過酷でない摩擦攪拌溶接環境においても使用され得る。
【００１３】
本発明は、多くの用途に使用されている工具に有用であるが、特に、高融解温度材料の摩擦攪拌処理の実施時に最も有用である。
（ケーシングおよびパイプを含む）小径管が、広い温度範囲に亘って封止を維持するために異種物質で作製されていることが多い、機械的に固定される連結器を必要とすることが多い。結果として、２つの材料が異なる速度で拡大または縮小するので、接合部は、極度の温度勾配に因り漏出しやすくなる。液体天然ガスを搬送する管状システムは、極端な温度範囲に亘って機能しなければならない機械構成要素の一例である。
【００１４】
高融解温度摩擦攪拌溶接の工具
固相変態に液体を必要とする材料の生成に関連する問題と併せて、摩擦攪拌溶接技術の進歩により、摩擦攪拌溶接の固体状態接合工程中に、鋼鉄およびステンレス鋼などの高融解温度材料を接合するのに使用され得る工具がもたらされた。
【００１５】
その工具は、種々の材料の摩擦攪拌溶接において効果的である。また、その工具設計は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）および多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）に加えて、種々の工具先端材料の使用時に効果的である。これら材料のいくつかには、タングステン、レニウム、イリジウム、チタニウム、モリブデン等の難溶性物質が含まれる。
【００１６】
前に説明された通り、摩擦攪拌溶接は、互いに隣接して配置されている２つの金属本体間の接合線を工具が横断する時、回転工具を使用して摩擦熱を発生させる固相接合法である。接合するための本方法は、接合される本体を最初に融解し、次に凝固させる融接工程を凌ぐ、優れた接合部をもたらす。
【００１７】
高融解温度材料を接合するのに使用されるＦＳＷ機器は、２つの重要な制御選択肢：軸方向荷重またはＺ軸荷重と；軸方向位置またはＺ軸位置とを有する。これら２つの制御選択肢は、ＦＳＷ法の間に工具横断速度および工具回転速度と共に用いられて、摩擦攪拌溶接された接合部を作り出す。一般に、これら変数（Ｚ軸荷重、Ｚ軸位置、工具横断速度、および工具回転速度）の全４つは互いに独立しており、特定の設定点に対してプログラムされている閉ループフィードバックアルゴリズムにより制御される。現時点で、ＦＳＷ製造での用途の大部分がアルミニウム摩擦攪拌溶接構成要素からなり、そこでは、製造ＦＳＷ法の間に、操作者の介入が僅かに必要とされる。大部分のアルミニウム用途では、ＦＳＷは、アルミニウムの流動および延性が高く、アルミニウムの高い熱伝導性に因りＦＳＷ法の間に発生する熱が工具の経路から離されて迅速に伝達される、許容度の高い方法（ｆｏｒｇｉｖｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）である。
【００１８】
ＦＳＷが高強度、高融解温度材料の用途に進むにつれて、欠陥のない信頼性のある接合部を作り出すためのプロセスウィンドウは、アルミニウムよりずっと小さい。このより小さいウィンドウは、工具の周囲のより急な温度勾配、接合されている材料の比較的低い熱伝導性、高い流動応力、およびより低い材料延性に因る。
【００１９】
より急な温度勾配は、工具の周囲の材料流を軟化するのに必要なより高い温度と組み合わさった低い材料熱伝導性の結果である。アルミニウムでは、熱伝達が主に材料を通過するが、鋼鉄などの高融解温度材料では、熱が材料、材料の背面を通って流れ、表面および界面からかつ工具を通過して、内部で反射される。さらに、ＦＳＷ中に工具にかけられる熱負荷および機械的負荷が極度であり、磨耗または破損による工具故障を防止するためばかりでなく、予測可能な一貫した接合特性を作り出すために、正確な工程制御が必要とされる。
【００２０】
アルミニウムなどの低温材料のＦＳＷの制御および工程基準は、高融解温度材料のＦＳＷ中に工具の周囲での重要かつ動的な工程を管理するには不十分である。管径が小さくなると、放熱板として作用する材料がより少ないことに因り溶接部内への入熱がより不安定になるため、高融解温度材料のＦＳＷを実施することの問題は、被加工物が小径管類である場合にさらに難しくなる。したがって、小径管類の定常状態処理を確実にするために、新規の手法が取られなければならない。
【００２１】
工具形状および工具の機能
本発明の別の態様が工具自体の形状に関する。工具形状は、ＦＳＷ工具のピンおよび／または肩部上に配設されて機能および性能に影響を及ぼし得る表面特徴を指す。先行技術は、アルミニウム合金などの低融解温度材料の摩擦攪拌溶接のための多数の工具形状を教示している。「アグレッシブ（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）」と分類され得るこれら工具形状は、ほとんど排他的に低融解温度材料用途のためのものである。何故なら、高融解温度のＦＳＷのための工具が、これら切れが良い先行技術工具に一般的に認められる表面特徴をそれらが有していた場合はすぐに機能しなくなると考えられる超砥粒被覆を有するからである。鋼鉄、ステンレス鋼およびニッケル基合金などの高融解温度材料を接合または処理するのに使用される工具上の超砥粒被覆への応力は、アルミニウムおよび銅などの低融解温度材料に使用される工具上の場合よりずっと高い。
【００２２】
低融解温度材料用途のために開発された工具形状は、高融解温度材料用途には切れが良過ぎると考えられる。切れが良い表面特徴には、鋭角、粗いねじ、大きな螺旋階段、より大きな放射状平面、およびピンの先端部から放射状に延在している翼に似た鰭部が含まれるが、それらに限定されない。
【００２３】
工具形状の主要機能の１つが、被加工物材料の攪拌作用を引き起こすことである。攪拌作用は、工具へまたは工具から離して材料を移動させることにおいて有用である。攪拌作用は、切れが良い表面特徴を含むピン形状および／または肩部形状を作り出すことにより増強される。攪拌作用はまた、小径管類上でのＦＳＷ実施時に特別な意味を持つ重要なパラメータである。
【００２４】
低融解温度材料と高融解温度材料とに使用されるＦＳＷ工具上の表面特徴の過去の相違には、いくつかの理由がある。第１に、一般的に低融解温度材料に使用される切れが良い表面特徴形状のいくつかは、技術的に実現可能と考えられない。具体的には、工具材料の強度は、高融解温度材料の固相プロセス中に超過される。
【００２５】
第２に、切れが良い表面特徴が、高融解温度材料中に係合されたままになる傾向がある。その結果として、ＦＳＷ工具が引っ込められた場合、ピンが折れて取れ、高融解温度材料中に残留することが多く、溶接の失敗およびＦＳＷ工具の破損という結果になる。
【００２６】
第３に、（アルミニウムおよび銅などの）最も一般的な低融解温度材料の熱伝導性は、工具（通常は工具の鋼鉄）の熱伝導性より大きい。対照的に、高融解温度材料の熱伝導性は、一般に、溶接に使用されるＦＳＷ工具の熱伝導性より低い。
【００２７】
第４に、ＦＳＷ工具と被加工物との間の摩擦係数が異なる。低融解温度材料では摩擦係数は高く、一方、高融解温度材料では摩擦係数は低い。この係数によりＦＳＷ法の発熱が著しく変わるので、工具設計に関して考慮すべき重要な事項である。
【００２８】
要約すれば、ＦＳＷに使用される大部分の工具形状が、平面および低融解温度材料のために設計されている。管の直径が小さくなると、これら工具形状は、溶接部の下部をえぐる可能性が高くなるか、または摩擦攪拌溶接接合を強固にできなくなる。小径管類への特定の考慮が、工具設計に関してもなされなければならない。
【００２９】
小径管類の位置ずれ摩擦攪拌溶接
非平面表面の径方向溶接および長手方向溶接を実施する大きな必要性がある。ここに、パイプ、フランジ、タンクおよび側板などの物体上での摩擦攪拌溶接を可能にする種々のデバイスがある。これらのシステムは、能動心棒または受動心棒を使用して、摩擦攪拌溶接法のための支持を実現する。
【００３０】
しかし、液体、気体および半固体、ならびに構成成分を輸送するために小径管類の使用を要する石油化学産業、石油ガス産業、電力産業、原子力産業、製紙産業、化学工業、および他の産業では、多数の用途がある。２〜３例を挙げると、ステンレス鋼、ニッケル基合金およびフェライト鋼を含む、管類およびパイプに使用される種々の材料がある。従来の溶接手法は、これら材料の多くを接合するために用いられてきたが、環境への懸念の理由で溶接が用いられ得ない、またはその材料特性要件の理由で溶接不可能な材料が使用されなければならない、多くの用途がある。これらの用途では、溶接接合の代わりに機械的接合が用いられる。ねじ接合またはフランジが、パイプの端部を機械的に取り付ける典型的な方法である。
【００３１】
機械的接合の例が、石油ガス産業において使用されているケーシングと呼ばれる管状システムにあると考えられる。地層内に孔があけられると、孔の下方へ管状ケーシングが挿入され、地層を安定化させかつ大地から抽出される生産物からそれを封止する。孔の部分があけられた後にケーシングが配置され、次いで、孔のその部分にケーシングが据え付けられると掘削が開始する。より小さいドリルビットが既存のケーシングを通過しかつ次の部分を掘削しなければならないので、次の部分にはより小さい直径のケーシングが使用される。ケーシングは、各端部上にねじが切られており、孔内に挿入されると共に回し締められる。ケーシング端部は、雌ねじおよび雄ねじの両方を収容するために直径がより大きくなければならずかつそれらが孔の下方へ挿入されると接合部において曲がるかまたは捻じれやすくなるため、ねじ接合は問題を生じる。ケーシングの設置中に接合部が曲るかまたは折れるかした場合にケーシング列全体が回収されなければならない可能性がある沖合の水深の深い所でこれらの孔が掘削される場合、これはより大きな問題である。
【００３２】
より新しいケーシング技術が、孔の下方へ挿入された後にケーシングを拡張することを含む。この技術により孔の大きさが大きくなり、孔を完成させるのに必要とされるケーシング直径の数、および掘削される可能性がある深さが減少する。この技術の欠点は、ケーシングの拡張された接合部は、拡張されないねじよりも漏出の可能性がさらに高いことである。溶接部の伸長が元のパイプ材料より小さいため、従来の溶接は選択肢ではない。
【００３３】
機械的接合が実践的でないそれらの用途では、ＴＩＧ、ＭＩＧ、Ｏｘｙ−Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ、Ｓｔｉｃｋ等を含む従来の溶接法を用いて管またはパイプを接合することは、何十年もの間、一般的な手法であった。これらの方法の全てが、電気または可燃性ガスどちらかからの高エネルギーを使用して、突き合わせられている２つ以上の管の接合部を融解する。この工程中、金属は共に融解し、凝固する。材料が凝固すると、融解された材料と母材との間に熱影響域が形成される。この熱影響域は、通常、母材より柔らかく、より弱い。熱影響域はまた、材料の微細構造における亀裂、多孔性、および好ましくない相を含む凝固欠陥につながる傾向がある。
【００３４】
多くの場合、溶接工程中、高強度溶加材が使用されて接合部の強度を向上させる。残念ながら、高強度溶加材の添加により、凝固した溶加材は管母材より硬くなり、それにより溶加材と母材との間の硬度の相違をさらに増大させる。この相違は、亀裂が始まり故障が起こる応力上昇要因となる。
【００３５】
管またはパイプを溶接することに関する別の難題は、溶接工程中の溶融物質の流動への重力の影響に起因する、不均一な溶接接合部の厚さである。実際、米国石油協会（ＡＰＩ：Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）などの溶接の質を認証する機関が、これら従来の溶接法を使用している全ての溶接は不完全性を含んでいてもやむを得ないと許諾している。これらの不完全性は、これらの溶接方法に固有の変数の全てに因り必然的に起こる亀裂、欠陥、多孔性、および他の異常である。不完全性は、ある大きさに達した場合に欠陥と見なされる。結果として、パイプおよび管システムの設計技術者は、「不完全性」および溶接接合部におけるより低い強度の責任を取るために、より厚い横断面を有するパイプ構造および管構造を過剰設計することを強いられる。設計技師にとって、母材特性の４０％の溶接接合部強度を許諾することはよくあることである。
【００３６】
摩擦攪拌溶接が、材料を接合する改良された手段として文献で十分に立証されている。凝固欠陥がなく、ＦＳＷに溶加材が必要とされない。本方法は、上記の従来の方法の２７分の１のエネルギーを使用する。
【００３７】
前に説明した通り、ＦＳＷ法は、被加工物が平面であるか非平面であるかに関わらず、回転工具を使用して十分な熱を発生させ、材料を軟化しかつ接合する。回転工具を材料中に突き刺しかつ荷重を維持するために、軸方向力すなわちＺ工具力が必要とされる。また、工具が材料を軟化し一緒に攪拌しながら工具が接合部を通って移動すると、工具に横の力すなわちＸ力がかけられる。また、ＦＳＷ法の間に回転トルクが工具にかけられる。
【００３８】
本文献において、小径管類が４０．６４ｃｍ（１６インチ）以下の内径を有することと定義されているが、約２２．８６ｃｍ（９インチ）となることがより多い。管類の直径が小さくなると、管類を保持しかつ工具によってかけられる力に抵抗するために利用可能な接触面積もまた小さくなる。しかし、工具によってかけられる力は小さくならないことにより、ＦＳＷ中に管を保持することがさらに困難になる。さらに、直径が直線的に減少するにつれて、管の慣性モーメントは第４の力により小さくなる。このことは、工具が接合部に対して垂直に当てられると、工具のＺ荷重に因り管が曲がりやすくなることを意味する。
【００３９】
管壁が薄くなると、管の横強度もまた減少する。管径が小さくなると、同じｚ力は、管の内側に嵌合することが必要とされるより小さい心棒に対抗されなければならない。
小径管類のＦＳＷに使用するための内部心棒
弧状面上の摩擦攪拌溶接が、溶接されている弧状面の内側にかかる釣合せ力を用いることを必要とすることが多い。釣合せ力がないと、ＦＳＷ工具によってかけられる力により、弧状面は損傷を受ける可能性がある。
【００４０】
本発明は、小径のケーシングおよびパイプまたは管を含むがそれらに限定されない弧状面のＦＳＷに関し、弧状面の湾曲は、ＦＳＷ工具の大きさと比較して大きい。大径管類と比較して、小径管類のＦＳＷに関連する特有の問題がある。これらの問題は、先行技術において使用される内部心棒では対処されない。
【００４１】
ＦＳＷが、大径の管類または管部分を接合するための実行可能な技術として既に確立されている。大径パイプ部分を接合することができる摩擦攪拌溶接機械５０の例が、図３に示されている。回転工具が、摩擦熱を生じながら２つのパイプ間の接合部内に侵入する。工具が被加工物内に突き刺されると、工具は、パイプの周囲で円周方向に移動する一方、接合部は共に「攪拌される」。ＦＳＷ工具は、次いで引っ込められ、機械５０はパイプに沿って、溶接される次のパイプ接合部へ移動する。
【００４２】
図３に示されている摩擦攪拌溶接機械５０は、溶接されるパイプの外側上で動作する機械を示している。かけられている力と比較して被加工物の厚さが薄い場合、接合されている被加工物の裏面（工具の反対側）上に釣合せ力を与える必要がある。対抗力がないと、被加工物は変形を被る可能性がある。Ｚ軸工具荷重が極めて高く、２．５４ｃｍ（１インチ）のＦＳＷ工具直径に亘って略１８１４ｋｇ（４０００ポンド）から３６２９ｋｇ（８０００ポンド）までがかけられるため、小径管では、ＦＳＷ中に接合されている管の内側を支持するために、内部心棒が必要とされる。
【００４３】
図４は、先行技術において認められる心棒の図である。心棒３６は、管のＩＤに当接して力を与えるシステムを含む。含まれていてもよい別の特徴が、心棒が必要とされる所に配置され得るように、管の内側に沿って心棒を移動させるシステムである。
【００４４】
小径管のための発明
大径の弧状面のＦＳＷに関連する問題は、当業者に周知である。しかし、小径管類のＦＳＷ実施時に生じる特有の問題がある。本発明は、これらおよび他の位置ずれ摩擦攪拌溶接法を適用する。したがって、１）ＦＳＷが小径管上で実施され得るように、小径管を保持するためのシステムおよび方法と、２）小径管類のＦＳＷを可能にする表面特徴を有する新しい工具形状と、３）小径管類に使用され得る新しい心棒と、を提供することが、先行技術を凌ぐ利点であると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
本発明は、摩擦攪拌溶接工具の大きさと比較して小径を有するケーシング、パイプ、管類、および他の弧状面に高融解温度材料が使用されている場合に、高融解温度材料上で摩擦攪拌溶接を実施するためのシステムおよび方法であり、該システムは、摩擦攪拌溶接工具上の切れが良い表面特徴と、新しい工具使用時に変更される工程パラメータと、大きな力がかけられた場合に小径管類を保持するための新しいシステムと、新しい内部心棒とを含む。
【００４６】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、利点ならびに代替的態様が、添付図面と併用されている以下の詳細な説明の検討事項から、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】平面被加工物の摩擦攪拌溶接を示している、先行技術の図である。
【図２】先行技術を用いて平面上で摩擦攪拌溶接を実施している工具の横断面図である。
【図３】ＦＳＷのために２つの管を保持するように配置されている大きな締め具の先行技術を用いて大径パイプ部分を接合することができる摩擦攪拌溶接機械の図である。
【図４】先行技術において認められる心棒の図である。
【図５】小径管および大径管の斜視図である。
【図６】小径管用の回転締付け配置固定具（ＲＣＰＦ：Ｒｏｔａｒｙ  Ｃｌａｍｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｆｉｘｔｕｒｅ）の斜視図である。
【図７】図６のＲＣＰＦの第１の側の反対側の第２の側の斜視図である。
【図８】溶接される管内に挿入されるのに十分に小さい、新しい内部心棒の第１の実施形態の斜視図である。
【図９】図８の心棒の内部構成要素の切取り斜視図である。
【図１０】駆動端ボールねじと、締付けナットと、４つの独立したばね荷重拡張外郭とを含む、異なる心棒の斜視図である。
【図１１】閉じた構成の心棒の斜視図であり、締付けナットが回されて、連動装置内で４つの独立したばね荷重拡張外郭の側面が互いを通り過ぎて滑動する図である。
【図１２】改変された心棒のＯＤの斜視図である。
【図１３】加熱口／冷却口を有する拡張外郭の交換可能部分を含む、図１２で教示された心棒の斜視図である。
【図１４】肩部の縦断面が被加工物の接線である約１８度の範囲内に保たれるべきであることを示す、ＦＳＷ工具の側面図である。
【図１５】ピン（図示せず）が小径管内に突き刺されたと仮定した、小径管およびＦＳＷ工具の側面図である。
【図１６】肩部およびピンが切れが良い表面特徴を含む、ＦＳＷ工具の斜視図である。
【図１７】ＦＳＷ工具が小径管上の中心におかれている、横断面図である。
【図１８】ＦＳＷ工具が小径管の前側にある横断面図である。
【図１９】ＦＳＷ工具が小径管の後側にある横断面図である。
【図２０】２つのケーシング間の接合部の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
ここで、本発明の種々の要素に数字の記号表示が与えられておりかつ当業者が本発明を作製し使用することを可能にするために本発明が検討される図面を参照する。当然のことながら、以下の記載は本発明の原理の例示に過ぎず、後に続く特許請求の範囲を狭めていると見られるべきではない。
【００４９】
本発明は、管が高融解温度材料からなる場合にＦＳＷを実施するのに十分なしっかりした握持で小径管を適正な位置に保持するためのシステムおよび方法を記載している。小径管類は配置保持システムにより回転することができるが、ＦＳＷ工具が固定されており、またはその逆もあり得る。また、内部心棒の種々の実施形態が記載されており、それらは、小径管類のより小さい寸法の内側に嵌合することができ、ＦＳＷ工具によって力がかけられた場合、拡張して対抗力を与え、管類の変形を防止する。
【００５０】
また、新しいＦＳＷ工具形状が記載されており、それらは、ＦＳＷ工具１００がより多くの熱を工具／被加工物界面上に送って、ＦＳＷ肩部と被加工物との間の接触の欠如を減殺することを可能にする。最後に、ＦＳＷ工具は接合部の後ろに続けて小径管上に注意深く配置されて、接合部／被加工物界面での望ましい加熱および表面仕上げをもたらす。
【００５１】
本発明の第１の実施形態が、高融解温度材料から作製されている弧状面の位置ずれ摩擦攪拌溶接を実施するシステムおよび方法である。より具体的には、本発明は、小径管類上でのＦＳＷ実施時に生じる特有の問題に対処する。
【００５２】
本発明は、石油ガス探鉱産業および同輸送産業において使用されている高融解温度材料から製造される小径のケーシング、配管、および管状物体上でＦＳＷを実施する産業における必要に応答して開発された。しかし、本発明は、小径管状物体が摩擦攪拌溶接を必要とするいかなる用途にも、特に溶接されている材料が高融解温度を有する場合に、適用可能である。
【００５３】
図５は、小径管５０および大径管５２と係合されている摩擦攪拌溶接工具の斜視図である。本文献の目的のために、何が小径管類で何が大径管類であるかの定義に重複がある可能性がある。しかし、本発明は、直径が最大４０．６４ｃｍ（１６インチ）の管類に関して適切に機能するであろうことが考えられる。使用者は、ＦＳＷされている被加工物の特徴に基づいて、どの種類のシステムが彼らの用途に最良であるかを決定することを必要とするであろう。
【００５４】
高融解温度大径管類を摩擦攪拌溶接するための先行技術のシステムは、通常、図３に示されているような、２つの管を配置し、次いでそれらを保持する大きな締め具のシステムを使用した。管類のＦＳＷは、工具が管の円周の周囲を移動すること、または工具が固定されておりかつ管が回転することのどちらかを必要とする。どの構成要素が回転するかに関わらず、ＦＳＷ工具によってかけられる力に反作用するために、保持機構により管を介して力が対にされなければならない。
【００５５】
先行技術は、大径管類が、非常に重い回転台と複数の締め具および／またはフランジボルトを有するギア機構とを使用して、これらの力に反作用して回転することを実証している。これらの回転台または回転駆動固定具は、その必要がないため、長い長さが溶接されることを可能にする中心の貫通孔を有さない。さらに、軸受システムは法外な費用がかかると考えられる。これらの締付け力を小管にかけることは、たとえ摩擦攪拌溶接するのに必要とされる力が同じだとしても、実践的でなく、不可能でもあった。
【００５６】
ＦＳＷが適正に実施されるために、摩擦攪拌溶接されている接合部における一定の工具侵入を確実にするために、管がＦＳＷ工具の位置に対して同心に保持されなければならない。管が中心を外れているかまたは偏心している場合、溶接部の部分侵入により、管の内側上でルート欠陥が生じる可能性がある。
【００５７】
図６は、摩擦攪拌溶接される小径管上での適切な握持強度の問題およびＦＳＷ工具に対する管の正確な配置の問題に対する解決策の第１の実施形態を示す。図６は、小径管のための回転締付け配置固定具（ＲＣＰＦ）６０の第１の側６６を示す。
【００５８】
ＲＣＰＦは貫通孔６２を提供して、長い長さの管が摩擦攪拌溶接されることを可能にする。管７０の正確な配置のために、３つの機械的顎部６４が設けられている。機械的顎部６４は、管７０の周囲で手動または自動で閉じられることが可能である。機械的顎部６４を閉じることは、ＲＣＰＦ６０の第２の側６６で実施される。
【００５９】
図７は、ＲＣＰＦ６０の第１の側６８の反対側の第２の側６６の図である。第２の側６８は、３つの機械的顎部６４を調節するのに使用される駆動小歯車７６を示す。管７０などの円形被加工物が締め付けられる場合、顎部が自動調心の３つの顎部締付けシステムを使用することが一般的な方法である。このようにして、１つの顎部６４の調節により、その他の２つの顎部が調節され、顎部が等しく移動することを確実にする。このように、それは、円形被加工物を顎部６４の中心に配置するための簡単な練習となる。円形被加工物の周囲で顎部６４をしっかり締めるシステムは、筺体７２の内部で回転作動される円形スクロールを含み、該円形スクロールは、少なくとも１つの鍵付き駆動小歯車７６により駆動される。
【００６０】
３つの機械的顎部６４が前述されているが、その数は調整されてもよい。しかし、３つの機械的顎部は、自動調心顎部による正確な調心が必要とされるこの種の用途に一般的に使用されている
図６では、また、３つの機械的顎部６４が３つの油圧顎部７４により補助されることが示されている。管７０が機械的顎部６４により定位置で締め付けられると、油圧作動された顎部７４は、管７０が顎部６４、７４の内部で動かないまたは回転しないことを確実にするために必要な付加的な力をかける。油圧顎部はＣＮＣ型の加工機器において利用可能であるが、それらは、ＦＳＷ用途に必要な力要件を欠く。
【００６１】
多くのＦＳＷ用途における問題は、顎部が、ＲＣＰＦ６０の中心を通過しなければならない管の異なる横断面直径を収容するのに十分遠くに開くことができなければならないことである。油圧顎部７４は、顎部６４、７４の内部での同心性を維持するのに必要な非常に制限された往復運動距離を有する。したがって、本発明の締付けシステムは、より小さい横断面直径の管上で締め付ける柔軟性を有しながら、ずっと大きな直径の管が中心貫通孔６２を通過することを可能にする。
【００６２】
図６はまた、機械的顎部６４と油圧顎部７４とが内部締付けリング７６の内部に配設されていることを示す。内部締付けリング７６は、固定筺体７８により保持されている。固定筺体は、ＦＳＷ機械に取り付けられている。ＦＳＷ機械は垂直構成または水平構成で動作することができ、それにより、ＦＳＷ法がその用途に関して柔軟であることを可能にする。
【００６３】
重要なことに、内部締付けリング７６は自由に回転し、顎部６４、７４の内部の管７０が、管およびＲＣＰＦ６０の中心軸７９を中心に回転することを可能にする。本実施形態では、内部締付けリング７６の回転が平歯車により駆動されるが、任意の適切なシステムが使用され得る。内部締付けリング７６が筺体７８の内部で回転する時、滑動摩擦軸受面上で作動油潤滑が用いられる。
【００６４】
小径管７０を正確に配置することおよび次いでそれを保持することは、実験を通して、ささいな事柄でないと判定された。それは、ＦＳＷ工具のかけられる力を用いたＦＳＷを可能にするために、油圧顎部７４の力と併せた自動調心の機械的顎部６４の組合せを必要とする。
【００６５】
管の壁厚および横断面面積がそれだけでＦＳＷ工具力に抵抗するのに十分である場合、小径管を保持するためのＲＣＰＦ６０の使用は、撓みに抵抗する内部心棒から独立していることができる。心棒を必要としない状況の例が、掘削用途において使用されるケーシングのねじ接合部を摩擦攪拌溶接することであると考えられ、その結果、溶接部は封止を形成し、より厚いねじ部は、慣性モーメントを増大させてＦＳＷ中の壁の破損に抵抗する。したがって、管のより厚い壁は、内部の抵抗力を不要にすることができる。他の場合には、管の撓みを防止しかつＲＣＰＦ６０の回転に起因するトルクに抵抗するために、心棒が必要である。
【００６６】
内部心棒が使用されて大径管を支持することが、前に説明された。同時係属出願第１１／２４４，８２４に記載のものなど、先行技術で記載されている心棒は、本発明の溶接物体であるより低い範囲の小径管の内部に嵌合するには大き過ぎるが、より大きな直径範囲の管に適合可能である。したがって、より小さい直径範囲で使用され得る新しい心棒設計を提供することが必要である。
【００６７】
管の壁がＦＳＷ工具力に耐えられない場合、心棒は、ＦＳＷ中に接合されている管の内側を支持することを必要とされる。通常、Ｚ軸工具荷重が、２．５４ｃｍ（１インチ）の直径を有する一般的なＦＳＷ工具上にかけられる１８１４ｋｇ（４０００ポンド）から３６２９ｋｇ（８０００ポンド）までである。
【００６８】
図８は、新しい内部心棒８０の第１の実施形態の斜視図である。内部心棒８０は、溶接される管７０内に挿入されるのに十分に小さい直径を必要とする。本実施形態では、内部心棒８０は、拡張外郭８２と、管７０のＩＤの方へ押され、それにより拡張外郭８２が管のＩＤに接触することを可能にする、径方向移動式拡張楔部８４とを含む。拡張楔部８４は、油圧シリンダ８６の作動により径方向に移動させられる。
【００６９】
拡張楔部８４の大きさは、心棒８０の動作を変更するために変更され得る。可能であれば、より大きい拡張楔部が、拡張外郭８２を強制的により広く開かせる。より小さい拡張楔部８４は、同じ力で拡張外郭８２を強制的に開かせない。
【００７０】
図９は、心棒８０の内部構成要素の切取り斜視図である。油圧シリンダ８６の移動により、二重楔組立体に当接して力がかかる。第１の楔部８８が、前方に押されて管７０内に入るように示されている。第１の楔部８８は、このかけられた力を第２の楔部９０に当接して伝達する。第２の楔部９０が拡張楔部８４を押すために、第１の楔部８８と第２の楔部９０とは、互いに通り過ぎて滑動することができることが必要である。拡張楔部８４は、拡張外郭８２が管７０のＩＤに接触するまで強制的に開かれるようにする。拡張外郭８２は、ＦＳＷ工具が当てられると必要な力を与えて、管７０の変形を防止する。
【００７１】
拡張外郭８２は、１２ロックウェルＣと７５ロックウェルＣの間の硬度を有するべきである。また、拡張外郭８２が被覆を有し、拡張外郭と被加工物との間の拡散接合を防止することが重要である。
【００７２】
拡張外郭８２は、拡張外郭が逃げ部の位置で跳ねかつ収縮することができるように、拡張外郭の内径上に作製されている逃げ部を含むべきである。拡張外郭８２が加工されると、へり部もまた、その隙間に直接隣接して、拡張外郭の内径上の所定の位置に溶接されてもよい。
【００７３】
へり部が所定の位置に溶接されたら、拡張外郭にかけられている外力がない場合に隙間が必然的に近接した位置あるように、拡張外郭８２がさらに変更される。隙間のこの近接は、当業者に既知である通り、逃げ部の長さに平行に互いに対して等角位置で融接ビードを走らせることにより達成される。換言すれば、凝固している溶接ビードにより生じる残留応力の結果として隙間が閉じられるように、十分な溶接ビードが拡張外郭８２の内側上の均等な位置に配設されて、拡張外郭を変形させる。したがって、ここで、隙間が強制的に離された場合、拡張外郭８２は閉じた位置に跳ね返る。
【００７４】
第１の楔部８８および第２の楔部８０に使用される材料は、互いに押し付けられることができるばかりでなく、互いに通り過ぎて滑動することができなければならない。いくつかのセラミックおよび陶性合金がこの機能をもたらすために十分に硬質であることを、当業者は理解する。例えば、ＴＯＵＧＨＭＥＴ（登録商標）がこの機能を実施することができる。
【００７５】
代替的実施形態において、図１０が異なる心棒１００の斜視図を示す。この図では、心棒１００は、管７０内に装填する準備ができている開いた構成にある。心棒１００は、駆動端ボールねじ１０２と、締付けナット１０４と、４つの独立したばね荷重拡張外郭１０６とを含む。心棒１００は、締付けナット１０４の反対側の端部で始まる管７０内に挿入される。
【００７６】
図１１は、閉じた構成にある心棒１００の斜視図であり、締付けナット１０４が回されて、連動装置において４つの独立したばね荷重拡張外郭１０６の側面を互いに通り過ぎて滑動させ、したがって図示の通り外側に拡張させる図である。したがって、４つの独立したばね荷重拡張外郭１０６の外面は管７０のＩＤに押し付けられ、管の変形を防止する。
【００７７】
内部心棒の最後の代替的実施形態が、図１２に示されている。図１２は、心棒１１０のＯＤの斜視図である。心棒１１０は、（現在は許可されている）同時係属出願第１１／２４４，８２４において教示されている心棒の改変型であり、本願は、参照により本明細書に組み込まれている。
【００７８】
心棒１１０は、拡張式外郭１１２と、拡張楔部１１４と、拡張楔部に力をかける少なくとも２つの径方向動シリンダ１１６と、拡張外郭自体に作用する径方向動シリンダ１１８と、拡張外郭の交換可能部分１２０とを含む。また、交換可能部分１２０は、被加工物との拡散接合を防止するために被覆を含むべきである。
【００７９】
心棒１１０の新しい要素は、拡張外郭１１２の交換可能部分１２０と、拡張外郭に作用する径方向動シリンダ１１８とである。
交換可能部分１２０は、高融解温度材料から作製されている小径管類上でのＦＳＷ実施時に特に有用な新しい機能をもたらす。例えば、生じる１つの問題が、熱集中、および高融解温度材料がその熱を迅速に消散させることができないことである。低融解温度材料の流動および延性は高く、ＦＳＷ法の間に発生した熱は、材料の高い熱伝導性のため工具経路から離されて迅速に伝達されることが、前に説明された。
【００８０】
しかし、ＦＳＷが高強度、高融解温度材料用途に進むにつれて、欠陥のない信頼性のある接合部を作り出すプロセスウィンドウは、アルミニウムよりずっと小さい。このより小さいウィンドウは、工具の周囲のより急な温度勾配、接合されている材料の比較的低い熱伝導性、高流動応力、およびより低い材料延性に因る。
【００８１】
この問題に対する１つの解決策が、図１３の斜視図に示されている。図１３は、拡張外郭１１２の交換可能部分１２０が加熱口／冷却口１２２を含むことを示す。加熱口／冷却口１２２を使用して、液体加熱材料および液体冷却材料が交換可能部分１２０内に導入され得る。したがって、心棒１１０は、管７０のＯＤ上の工具経路に沿った温度に直接影響を及ぼすことができる。工具経路への加熱および／または冷却の適用によって温度を変更することにより、結果として得られる溶接の質は、最適な定常状態処理条件を維持することにより向上し得る。
【００８２】
交換可能部分１２０は液体加熱システムを導入するが、抵抗加熱等を含む、工具経路に熱を与える他の手段もまた使用され得る。
また、工具経路に直接加熱および冷却をもたらす能力が、ＦＳＷが実施され得る環境に実質的に影響を及ぼし得る。例えば、水中でまたは氷点下の環境もしくは氷点下に近い環境においてなど、周囲の温度が極度の冷却または加熱をもたらす可能性がある。心棒１１０は、理想的でない環境条件に関わらずＦＳＷ法が進行することを可能にする。
【００８３】
交換可能部分１２０は、高融解温度材料のＦＳＷの別の望ましい能力をもたらす。他の物体によりまたはＦＳＷ法自体で心棒が変形され得る。しかし、また、交換可能部分１２０が、それが取り付けられる小径管のＩＤと直に接触していることが重要である。交換可能部分１２０は、作業が迅速に継続し得るように、損傷した心棒１１０の一部が交換されることを可能にする。
【００８４】
高融解温度材料のＦＳＷの既知の問題が、工具／被加工物界面において熱が発生しにくいことである。この問題は、工具と高融解温度被加工物との間の低摩擦係数、切れが良い表面特徴を使用してより多くの攪拌作用を生成することが可能でなかったことを含む、いくつかの特徴に因る。小径管類上でのＦＳＷ実施時のＦＳＷ工具肩部の問題のため、この問題は、ここでより困難になる。
【００８５】
図１４は、本発明の別の態様を示す。高融解温度材料のＦＳＷに関する許諾されている手法とは対照的に、本発明の別の態様は、ＦＳＷ工具１３０の工具形状に根本的変更を施すことである。最初のＦＳＷ試行が小径管７０上で実施された時、平面被加工物に使用された通常のＦＳＷ工具形状は、より狭い直径またはより小さい直径を有する表面上で良好に機能しなかったことが分かった。したがって、ＦＳＷ工具形状に施された第１の変更が、ＦＳＷ工具１３０上により平坦な肩部外形を用いて、肩部１３２が管７０の表面の下部をえぐることを防止することである。
【００８６】
図１４は、本発明のＦＳＷ工具１３０の側面図である。この図は、肩部１３２の縦断面が被加工物の接線１３４である約１８度の範囲内に保たれるべきであることを示す。このことは、被加工物の接線１３４に対するＦＳＷ工具１３０の角度が上方および下方に最大１８度であり得ることを意味する。図示の本実施形態では、肩部１３２は、接線１３４の範囲内で約９度の角度を有して示されている。
【００８７】
図１５は、小径管７０およびＦＳＷ工具１３０の側面図である。この図は、ピン（図示せず）が小径管７０内に突き刺されたと仮定し、ここでは、ＦＳＷ工具１３０の肩部１３２のみが可視である。実験中、小径管７０のより激しい湾曲のため、ＦＳＷ工具の肩部１３２は小径管７０との接触が著しく少ないことが分かった。換言すれば、肩部１３２の縁部が、小径管７０と接触していない。この肩部１３２の接触減少の結果として、ピンの周囲で材料流を増大させ、それにより、より多くの熱を発生させるために、ピン形状はより切れが良く作製されなければならないことが判定された。
【００８８】
本発明のＦＳＷ工具材料の低摩擦係数の理由で、滑らかな表面特徴を有する工具は、一般に、より多くの被加工物材料を機械的に捕獲し移送するように設計された表面特徴を有するものより摩擦熱の生成が少ない。小径管類７０のＦＳＷが成功するように、ＦＳＷ工具上のピン形状は、ピンの周囲で材料流を増大させかつより多くの熱を発生させるように変更される必要がある。攪拌作用が熱を発生させ、より切れが良い表面特徴を有するピン形状を作り出すことにより、攪拌作用が増大する。
【００８９】
図１６は、ＦＳＷ工具１３０の斜視図である。図は、肩部１３２とピン１３４とが切れが良い表面特徴を含むことを示す。ＦＳＷ工具１３０は、渦巻き模様を付けられた肩部１３２を備えて示されている。肩部１３２上の渦巻き模様付けは、ＦＳＷ工具１３０の回転が材料を被加工物からピン１３４の方へ抜き取るように加工されている。
【００９０】
同様の方法で、ピン１３４上の切れが良い表面特徴もまた、被加工物の材料を移動させるように機能する。本実施形態では、ピン１３４は、切れが良い段付き螺旋ねじ外形を有して示されている。肩部１３２およびピン１３４の攪拌作用は、先行技術ＦＳＷ工具の使用時に通常の場合より多くの変形熱を生じるように機能する。ＦＳＷ工具表面特徴によってより多くの熱を発生させることにより、ＦＳＷ工具１３０は、平面および大径管のＦＳＷ実施時により多く接触する肩部１３２により生成されていない熱を補償する。
【００９１】
ピン１３４の段付き螺旋ねじ外形は、２．５４ｃｍ（１インチ）当たり０．０５ねじ山（ｔｐｉ）と５０ｔｐｉの間のピッチを有していてもよい。
図１６に示されている実施形態は、ピン１３４上の段付き螺旋ねじ外形と併用されている渦巻き模様を付けられた肩部１３２示しているが、本発明はまた、肩部上にありピン上にない切れが良い表面特徴、ピン上にあり肩部上にない切れが良い表面特徴、および図１６に示されている組合せの概念を含むと考えられるべきである。
【００９２】
また、さらに強い攪拌作用のために、切れが良い表面特徴が組み合わせられ得る。例えば、ピン１３４上の段付き螺旋のより粗いねじ、より切れが良い放射状平面、またはこれらの特徴の組み合わせが、ＦＳＷ中により多くの変形熱を生じる。したがって、いかなる切れが良い表面特徴も、本発明の範囲内にあると見なされてもよく、図示の特定の切れが良い特徴に限定されると見なされるべきではない。
【００９３】
切れが良いと見なされるために、ピン１３４上の表面特徴が、その表面下にピン径の少なくとも０．０３４％延在しているべきである。
高融解温度材料をＦＳＷすることができるＦＳＷ工具上に切れが良い表面特徴を設ける能力は、新しいＦＳＷ工具の結果である。以前、切れが良い表面特徴は、超砥粒被覆の亀裂をもたらすと考えられた。使用が継続された場合、ＦＳＷ工具は最終的に作動しなくなると考えられた。高融解温度材料上で使用され得る超砥粒被覆と切れが良い表面特徴とを備えたＦＳＷ工具を作り出すための新しい方法が、新しい工具形状を可能にした。
【００９４】
また、前述の工具形状は、工具配置と組み合わせて用いられて、溶接特徴を改変し得る。例えば、小径７０の表面に対するＦＳＷ工具の位置は、許容可能な表面仕上げおよび完全に凝固した溶接部を作り出すのに使用され得る。このことは、小径管類７０の表面に対するＦＳＷ工具の位置と、工具ＲＰＭと、ＦＳＷ工具の移動速度との組合せにより達成され得る。ＦＳＷ工具の移動速度は、１分当たり０．０５０８ｃｍ（０．０２インチ）（ｉｐｍ）と１分当たり１２７ｃｍ（５０ｉｐｍ）の間であるべきである。
【００９５】
ＦＳＷ工具の配置が、３つの図１７、１８および１９に示されている。図１７では、ＦＳＷ工具１３０は、横断面で示されている小径管７０と接触して示されており、ＦＳＷ工具は中心に置かれている。図１８では、ＦＳＷ工具１３０は、横断面で示されている小径管７０と接触して示されており、ＦＳＷ工具は中心１４０の前方にある。最後に、図１９では、ＦＳＷ工具１３０は、横断面で示されている小径管７０と接触して示されており、ＦＳＷ工具は中心１４０の後方に続いている。
【００９６】
ＦＳＷ工具１３０の各異なる位置が、ＦＳＷ接合部および表面の特徴を変更する。大部分の用途では、図１９に示されているＦＳＷ工具１３０の後続配置が好適であることを実験が示したことに留意されたい。後続配置は、肩部１３２のかなりの部分を小径管７０上に保ち、溶接部に望ましい表面仕上げ特徴をもたらす。また、ＦＳＷ工具１３０が、小径管７０に対してより多く中心から外れて配置されるほど、ＦＳＷ工具から管へより高い荷重があることを覚えておくことが重要である。
【００９７】
小径管上でのＦＳＷ実施時、ＦＳＷ工具１３０のピン１３４は、直径の約２８％だけ小径管の中心の前方または後方に移動してもよいと考えられる。さらに、ＦＳＷ中のＦＳＷ工具１３０のＲＰＭが、３６ＲＰＭと１２００ＲＰＭの間に保たれるべきである。
【００９８】
やはり本発明の範囲内にあると見なされるべきである付加的なＦＳＷ処理パラメータがある。具体的には、ＦＳＷ工具のＲＰＭ、ｚ軸荷重、ｘ軸荷重、ＦＳＷ工具回転速度、ＦＳＷ工具上のトルクおよび／または移動速度に調節を施すことにより、ＦＳＷ工具および溶接区域温度を制御することが可能である。
【００９９】
また、ＲＰＭを変更するためのｚ軸荷重、ｘ軸荷重、ＦＳＷ工具の位置、スピンドルトルクおよび／またはＦＳＷ移動速度を制御することが可能である。ｘ軸荷重を制御することは、ＲＰＭ、ｚ軸荷重、ＦＳＷ工具の位置、スピンドルトルクおよび／またはＦＳＷ移動速度を変更することにより可能である。ｚ軸位置を制御することは、ＲＰＭ、ｚ軸荷重、ｘ軸荷重、スピンドルトルクおよび／またはＦＳＷ工具移動速度を変更することにより可能である。
【０１００】
油圧作動およびサーボ作動を用いてｚ軸荷重を制御する。油圧作動およびサーボ作動を用いてｘ軸荷重を制御する。
また、ＦＳＷ工具の材料が、１２００℃より高い融点および昇華点を有することが重要である。
【０１０１】
前述の本発明の用途が、小径管類および略弧状の面の使用を必要とする任意のものを含むことが、前に記載された。しかし、これらの材料を使用することに因り、小径管類を摩擦攪拌溶接する能力から特に利益を得るのは、石油ガスの掘削産業および輸送産業である。
【０１０２】
パイプおよびケーシングなどの小径管を迅速に正確に溶接する能力は、パイプラインおよび掘削孔の工程に不可欠である。ケーシングが掘削孔内に挿入されて、掘削孔壁の崩壊を防止する。
【０１０３】
坑井の計画段階では、掘削が所望の深さ合計に到達するために、孔がケーシングされることを必要とする戦略的深さが選択される。ケーシングの深さが決定されると、掘削孔の大きさと対応するケーシングの大きさとが選択される。各ケーシング列のために掘削された孔は、ケーシングをその内側に容易に嵌合させるのに十分に大きく、ケーシングの外側と孔との間のセメント用の空間を可能にしなければならない。さらに、第１のケーシング列の内径は、掘削を継続する第２のビットを嵌合させるのに十分に大きくなければならない。したがって、各ケーシング列が、その後より小さい直径を有することになる。
【０１０４】
ケーシングを結合してケーシング列を作り出すことは、２つのケーシングを、それらが接合部を形成する端部で接合することを含む。ケーシングは、通常、広い雌端部と狭いねじ付きの雄端部とを有する。雄端部と雌端部とはねじを使用して接合され、それにより、より長い長さのパイプを作り出す。しかし、ケーシングは、機械的接合用のねじを含む必要はない。ケーシングはまた、フランジなどの自動位置調整形状を使用して、溶接のために適正に配置され、次いで、摩擦攪拌溶接されてケーシング列を作り出すことができる。
【０１０５】
図２０は、２つのケーシング１３０、１３２間の接合部の横断面図である。ケーシング１３０、１３２は、機械的ねじ１３４を含む部分と、それを含まない溶接部分１３６とを含む。ケーシング１３０、１３２は、溶接部分１３６に沿ってＦＳＷされる。
【０１０６】
図２０は、共に摩擦攪拌溶接されるケーシングのための多数の可能な配置のうちの一実施形態に過ぎないことを理解すべきである。摩擦攪拌溶接は、滑らかな接合部またはねじ接合部に沿って実施され得る。ケーシングは、何らかの種類の自動位置調整システムを有していてもよいか、または有していなくてもよい。重要なことは、本発明がケーシング１３０、１３２をＦＳＷすることができるということである。さらに、ＲＣＰＦ６０を使用して、ケーシングは、垂直姿勢または水平姿勢で摩擦攪拌溶接され得る。
【０１０７】
当然のことながら、前述の装置は、本発明の原理の応用の例示的なものに過ぎない。多数の改変形態および代替的装置が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者により考案されてもよい。添付の特許請求の範囲は、そのような改変形態および装置を包含するものとする。
【符号の説明】
【０１０８】
６０  回転締付け配置固定具（ＲＣＰＦ）
６２  貫通孔
６４  機械的顎部
７０  管
７６  駆動小歯車
７８  固定筐体
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月5日(2014.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融解温度材料から作製されている管状物体の摩擦攪拌溶接で使用するための心棒であって、
管状物体の内径より小さい外径を有する中空シリンダとして形成されている拡張外郭であて、その上縁部および底縁部に対して垂直な隙間を有する、拡張外郭と、
前記隙間内にかつそこから外へ移動することにより、前記拡張外郭の拡張または収縮を引き起こすために、前記心棒外郭の内部に配設されている拡張楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されている第１の楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されておりかつ前記第１の楔部と滑動可能に係合されている第２の楔部であって、前記第１の楔部の軸方向移動により、前記第２の楔部が前記拡張楔部に当接して力をかけ、前記拡張外郭を拡張させる、第２の楔部と
を含む、心棒。
【請求項２】
前記心棒は、前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こすシステムをさらに備える、請求項１に記載の心棒。
【請求項３】
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、油圧システムをさらに備える、請求項２に記載の心棒。
【請求項４】
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、回転運動システムをさらに備える、請求項２に記載の心棒。
【請求項５】
前記拡張外郭は、交換され得る交換可能部分をさらに備える、請求項１に記載の心棒。
【請求項６】
前記交換可能部分は、ＦＳＷ工具経路の真下に配設されるように位置調整される、請求項１に記載の心棒。
【請求項７】
前記交換可能部分は、熱を前記ＦＳＷ工具経路に送る加熱システムをさらに備える、請求項５に記載の心棒。
【請求項８】
前記加熱システムは、液体加熱および抵抗加熱からなる加熱システムの群から選択される、請求項７に記載の心棒。
【請求項９】
前記交換可能部分は、前記ＦＳＷ工具経路を冷却する冷却システムをさらに備える、請求項５に記載の心棒。
【請求項１０】
前記心棒は、１２ロックウェルＣと７５ロックウェルＣの間の硬度を有する、請求項１に記載の心棒。
【請求項１１】
前記心棒は前記拡張外郭上の被覆をさらに備え、それにより、前記管状物体の前記拡張外郭への拡散接合を防止する、請求項１に記載の心棒。
【請求項１２】
前記心棒は、前記拡張外郭の内径にある複数の逃げ部をさらに備え、前記逃げ部は前記隙間に平行である、請求項１に記載の心棒。
【請求項１３】
前記心棒は２つのへり部をさらに備え、各へり部は、前記隙間に隣接してかつその両端部上に配設されている、請求項１２に記載の心棒。
【請求項１４】
前記へり部の各々は、互いからかつ前記隙間から離れて先細になっている、請求項１３に記載の心棒。
【請求項１５】
前記拡張外郭の前記隙間は、前記拡張外郭が静止している時に閉じられている、請求項１に記載の心棒。
【請求項１６】
前記拡張外郭は、前記拡張外郭が静止している時に、前記拡張外郭を前記隙間において閉じる残留応力を有する、請求項１に記載の心棒。
【請求項１７】
前記残留応力は、前記拡張外郭に、前記隙間に平行にかつ互いから等距離で離間されて、複数の融接ビードを配設することにより生成される、請求項１６に記載の心棒。
【請求項１８】
前記拡張楔部の大きさは、より大きな拡張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより拡大させ、かつより小さい張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより小さい程度まで拡張させ、それにより、同一の拡張外郭を使用して異なる直径の管状物体を収容するように変更され得る、請求項１に記載の心棒。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
本願発明の実施形態は、例えば、以下の如くである。
［実施形態１］
高融解温度材料の位置ずれ摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）を実施するために第１の管状物体を保持する回転締付け配置固定具（ＲＣＰＦ）システムであって、
第１の管状物体の正確な配置を可能にする一組の機械的顎部と、
正確な配置後に、前記第１の管状物体が保持されることを可能にする一組の油圧顎部と、
前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部を保持する筺体であって、前記機械的顎部および前記油圧顎部が、前記第１の管状物体と共通の軸の周囲に同心に配置される、筺体と
を備える、システム。
［実施形態２］
前記システムは、前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部により形成されている貫通孔をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態３］
前記システムは、４０．６４ｃｍ（１６インチ）の大きさの直径を有する前記第１の管状物体を保持することができる、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態４］
前記システムは、
内部締付けリングであって、前記一組の機械的顎部および前記一組の油圧顎部が前記内部締付けリングの内部に配設されており、内部締付けリングが前記筺体の内部で回転する、内部締付けリングと、
前記内部締付けリングを回転させる駆動システムと
をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態５］
前記内部締付けリングと前記筺体との間の滑動摩擦軸受面をさらに備える、実施形態４に記載のシステム。
［実施形態６］
前記システムは、前記内部締付けリングと前記筺体との間の前記滑動摩擦軸受面上に配設されている油圧流体をさらに備える、実施形態５に記載のシステム。
［実施形態７］
前記システムは、前記一組の機械的顎部を調節する駆動小歯車をさらに備え、前記駆動小歯車は、手動調節システムまたは自動調節システムを使用して調節可能である、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態８］
前記筺体は摩擦攪拌溶接機械に取り付けられており、前記筺体は、前記第１の管状物体を水平姿勢または垂直姿勢に保持する、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態９］
前記システムは、第２の管状物体を保持する第２のＲＣＰＦをさらに備え、前記第１のＲＣＰＦおよび前記第２のＲＣＰＦが、摩擦攪拌溶接のために、前記第１の管状物体の端部と前記第２の管状物体の端部とを互いに当接させて同心に保持するように配置されている、実施形態１に記載のシステム。
［実施形態１０］
前記第１の管状物体および前記第２の管状物体は、ケーシングおよびパイプからなる管状物体の群から選択される、実施形態９に記載のシステム。
［実施形態１１］
高融解温度材料から作製されている管状物体の摩擦攪拌溶接で使用するための心棒であって、
管状物体の内径より小さい外径を有する中空シリンダとして形成されている拡張外郭であて、その上縁部および底縁部に対して垂直な隙間を有する、拡張外郭と、
前記隙間内にかつそこから外へ移動することにより、前記拡張外郭の拡張または収縮を引き起こすために、前記心棒外郭の内部に配設されている拡張楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されている第１の楔部と、
前記拡張外郭の内部に配設されておりかつ前記第１の楔部と滑動可能に係合されている第２の楔部であって、前記第１の楔部の軸方向移動により、前記第２の楔部が前記拡張楔部に当接して力をかけ、前記拡張外郭を拡張させる、第２の楔部と
を含む、心棒。
［実施形態１２］
前記心棒は、前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こすシステムをさらに備える、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態１３］
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、油圧システムをさらに備える、実施形態１２に記載の心棒。
［実施形態１４］
前記第１の楔部の軸方向移動を引き起こす前記システムは、回転運動システムをさらに備える、実施形態１２に記載の心棒。
［実施形態１５］
前記拡張外郭は、交換され得る交換可能部分をさらに備える、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態１６］
前記交換可能部分は、ＦＳＷ工具経路の真下に配設されるように位置調整される、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態１７］
前記交換可能部分は、熱を前記ＦＳＷ工具経路に送る加熱システムをさらに備える、実施形態１５に記載の心棒。
［実施形態１８］
前記加熱システムは、液体加熱および抵抗加熱からなる加熱システムの群から選択される、実施形態１７に記載の心棒。
［実施形態１９］
前記交換可能部分は、前記ＦＳＷ工具経路を冷却する冷却システムをさらに備える、実施形態１５に記載の心棒。
［実施形態２０］
前記心棒は、１２ロックウェルＣと７５ロックウェルＣの間の硬度を有する、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態２１］
前記心棒は前記拡張外郭上の被覆をさらに備え、それにより、前記管状物体の前記拡張外郭への拡散接合を防止する、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態２２］
前記心棒は、前記拡張外郭の内径にある複数の逃げ部をさらに備え、前記逃げ部は前記隙間に平行である、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態２３］
前記心棒は２つのへり部をさらに備え、各へり部は、前記隙間に隣接してかつその両端部上に配設されている、実施形態２２に記載の心棒。
［実施形態２４］
前記へり部の各々は、互いからかつ前記隙間から離れて先細になっている、実施形態２３に記載の心棒。
［実施形態２５］
前記拡張外郭の前記隙間は、前記拡張外郭が静止している時に閉じられている、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態２６］
前記拡張外郭は、前記拡張外郭が静止している時に、前記拡張外郭を前記隙間において閉じる残留応力を有する、実施形態１１に記載の心棒。
［実施形態２７］
前記残留応力は、前記拡張外郭に、前記隙間に平行にかつ互いから等距離で離間されて、複数の融接ビードを配設することにより生成される、実施形態２６に記載の心棒。
［実施形態２８］
前記拡張楔部の大きさは、より大きな拡張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより拡大させ、かつより小さい張楔部が使用された場合に前記拡張外郭をより小さい程度まで拡張させ、それにより、同一の拡張外郭を使用して異なる直径の管状物体を収容するように変更され得る、実施形態１１に記載の心棒。
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、利点ならびに代替的態様が、添付図面と併用されている以下の詳細な説明の検討事項から、当業者に明らかになるであろう。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014193489.tif 000023
【図２】
2014193489.tif 000024
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2014193489.tif 000034
【図１３】
2014193489.tif 000035
【図１４】
2014193489.tif 000036
【図１５】
2014193489.tif 000037
【図１６】
2014193489.tif 000038
【図１７】
2014193489.tif 000039
【図１８】
2014193489.tif 000040
【図１９】
2014193489.tif 000041
【図２０】
2014193489.tif 000042
【外国語明細書】
2014193489000001.pdf