(57)【要約】  垂直レーザ被覆システムは、管状構造体の内面に特に効果的である。垂直被覆法は、下から上まで役に立ち、従って、先のクラッド層が次に行われる被覆用粉末塗布のための棚を形成するようになる。このシステムは、二重ボア型可塑化バレルの取り扱いにも特に効果的である。
2013541423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管状構造体の内部を被覆するレーザ被覆システムであって、前記被覆システムは、
ａ）前記管状構造体を保持してこれを所定の速度で且つ所定の非水平角度で回転させるサブシステムと、
ｂ）前記管状構造体の内面を前記管状構造体の内側部の垂直方向に対して所定の角度をなした状態で照射するよう構成されたレーザ被覆ヘッドと、
ｃ）前記レーザ被覆ヘッドを前記管状構造体の底部から頂部に向かう方向に動かすよう構成された並進システムとを含む、レーザ被覆システム。
【請求項２】
ｄ）前記管状構造体の温度を１５００°Ｆ（８１５．６℃）よりも高い温度まで上げるよう構成された加熱器を更に含む、請求項１記載のレーザ被覆システム。
【請求項３】
前記レーザ被覆ヘッドは、被覆用粉末小出しノズルを有する、請求項１記載のレーザ被覆システム。
【請求項４】
前記保持及び回転サブシステムは、前記管状構造体を毎分２〜５０回転の速度で回転させるよう構成されている、請求項１記載のレーザ被覆システム。
【請求項５】
前記加熱器は、誘導加熱ユニットから成る、請求項２記載のレーザ被覆システム。
【請求項６】
前記被覆用粉末小出しノズルは、炭化タングステン含有被膜を備えている、請求項３記載のレーザ被覆システム。
【請求項７】
ｅ）空気を前記管状構造体の上方開口部から前記管状構造体の下方開口部に引き出すよう構成されたダウンドラフトシステムを更に含む、請求項２記載のレーザ被覆システム。
【請求項８】
前記管状構造体の前記内側部の垂直方向に対する前記所定の角度は、３０°〜６０°である、請求項１記載のレーザ被覆システム。
【請求項９】
前記レーザ被覆ヘッドは、鏡を更に有する、請求項８記載のレーザ被覆システム。
【請求項１０】
前記レーザ被覆ヘッドは、前記レーザ被覆ヘッドの動作を誘導する少なくとも１つのセンサを更に有する、請求項９記載のレーザ被覆システム。
【請求項１１】
管状構造体の内部を被覆する方法であって、
ａ）前記管状構造体を非水平位置に配置するステップと、
ｂ）前記管状構造体を所定の速度で回転させるステップと、
ｃ）前記管状構造体の内面を移動中のレーザヘッドから前記管状構造体の前記内面に対し非垂直角度をなして下方へ照射するステップと、
ｄ）前記レーザ被覆ヘッドを前記管状構造体の底部開口部の近くから前記管状構造体の頂部開口部の近くまで上方に動かすステップとを含む、方法。
【請求項１２】
前記管状構造体の前記内面に対する前記非垂直角度は、３０°〜６０°である、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記被覆全体を通じて前記管状構造体の所定の箇所を加熱するステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記管状構造体の前記加熱は、誘導加熱器を用いて実施される、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記管状構造体を回転させる前記所定の速度は、毎分２〜１０回転である、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記レーザヘッドは、１／２キロワット〜２０キロワットで動作する、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記方法は、前記管状構造体の底部開口部の近くに位置する開始箇所で始まって前記管状構造体の頂部開口部の近くに位置する箇所で終わる連続螺旋被覆ビードを作る、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記ビードの隣り合う部分は、３０％〜５０％オーバーラップする、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
被覆内部を備えた二重バレル型構造体を製造する方法であって、前記二重バレル型構造体は、単一のサブストレート素材片中に設けられた２つのオーバーラップした円筒形ボアを有し、前記方法は、
ａ）前記ボアの各々の半径方向レーザ被覆を底部から頂部まで行うステップと、
ｂ）少なくとも１回の直線被覆を底部から頂部まで前記ボア相互間の各インターフェース交叉点のところで行うステップとを含む、製造方法。
【請求項２０】
前記ステップｂ）は、複数回のオーバーラップ直線被覆を各前記インターフェース交叉点のところで行うステップを更に含む、請求項１９記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、多種多様な分野で用いられているコンポーネント、例えば管やバレルの不規則な表面のレーザ被覆分野に関する。特に、本発明は、特に直径の小さな管状構造体の内部を被覆し又は補修する方法及びシステムに関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本発明は、２０１０年１０月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／４０５，７４７号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
管又は管状構造体の内部の内張り、保護又は補修は、管が応力の高い用途に供され始めてからは望ましい応急措置である。幾つかの例は、温水暖房器、蒸気エンジン又は蒸気発生器内への管の使用である。しかしながら、管状構造体の被覆及び／又は補修に関しては他の多くの用途が存在する。これら用途としては、小火器、油圧ピストン等が挙げられる。さらに、被覆及び表面補修は、多種多様な外部表面及び不規則な表面、例えば油圧ピストン等と相互作用する表面について利用できる。特殊な表面材、例えばクロムの補修は、被覆のための別の潜在的な使用である。別の用途は、相当高い応力又は劣化物質への暴露に耐えなければならない場合の多い可塑化管又はバレルのための用途である。
【０００４】
温度及びデューティサイクルがこれら用途のうちの多くに関与しているので、多くの金属製管材料は、迅速に劣化し、その結果、管が劣化し又は機能を発揮しなくなるので問題の管を交換しなければならないようになる。管状構造体が十分に大型である場合、管の動作寿命を長くすると共に機能発揮を向上させるために専用の金属製ライナ又は内張りを挿入する場合がある。しかしながら、管が或る特定の機能について絶えず小型化しているので、内張りの挿入は、より困難になっている。
【０００５】
管の内部を被覆することは、多くの外側ライナインサートが提供する内面よりも極めて強固であり且つ耐久性の高い内面を提供しており、従って、応力の高い用途に供される比較的大型の管、例えば可塑化バレルに関して極めて一般的になっている。アーク被覆又は酸素アセチレントーチ被覆に関する大きな問題は、これにより得られる表面が極めて粗く且つ不規則であり、この表面厚さを多くの用途に合わせて十分に一様に且つ滑らかにするには大幅な機械加工（クリーンアップ）が必要であるということにある。
【０００６】
また、管サイズが減少するにつれて、従来型アーク又はトーチ被覆は、実施不可能になった。従来、このことは、管ライナを管の２つの端部の近くでしか形成することができないということを意味している。したがって、多くの用途に関し、管の内部の被覆は、選択肢ではあり得なかった。
【０００７】
この状況は、管の内部を被覆する遠心鋳造の使用により大々的に取り組まれた。しかしながら、特に比較的小さな直径の可塑化バレルに関し或る特定の問題が未解決のままである。
【０００８】
高応力可塑化及びプラスチック押出し用の押出機及びチューバ（ゴム押出機）が少なくとも２０世紀の初めから用いられている。過去半世紀においてプラスチックの利用が極めて盛んになるにつれて、かかる押出機に対する需要は、実質的に高くなっており、加工条件がますます厳しくなっている。当初の可塑化装置は、本質的には、内張りなしで単一材料をバレル内で回転する簡単なスクリューであった。これは、より複雑で且つより腐食性の高い材料が加工されると共に小径の可塑化バレルが必要なので、もはやこれが用いられる状況ではない。
【０００９】
可塑化バレルのバレルとスクリューの両方は、金属間接触及びプラスチック又はゴムコンパウンド中の研磨剤及び／又は腐食充填剤に起因する摩滅を生じる。初期のバレルは、耐摩耗性を向上させるよう窒化された内面を備えていた。１９５０年代後半において、「プラスティケイティング・コンポーネンツ・テクノロジー（Plasticating Components Technology）」，１９９７年という題名の添付のスピレックス（Spirex）刊行物に概略的に記載されているように遠心鋳造法を用いてバイメタリック（二種金属）バレルが開発された。なお、このスピレックス刊行物を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。また、かかる改良型バレルは、従来型プラスチック押出機システムに加えて、射出成形機に用いられるようになった。
【００１０】
可塑化バレルの遠心鋳造は、バレルの内面をバレルの裏材料又はサブストレート（基材）とは異なる耐摩耗性且つ／又は耐腐食性ライナで内張りするために用いられる方法である。この方法では、内張り材料、例えば粉末を室温で厚肉バレル筒体内部に追加する。バレルの端部をキャップで塞ぎ（通常、被覆し）、バレル及び非溶融状態の粉末を鋳造オーブン内に配置する。次に、バレルを回転させて加熱し、ついには、ライナ材料が溶けてバレルの内面上に一様に分布するようになる。早期のライナ材料は、幾分かの金属炭化物を形成し、従来型窒化バレルよりも耐摩滅性が極めて高い鉄／ボロン材料であった。１９６８年、炭化タングステン及び／又は均等材料のような極めて小さい別々の金属炭化物粒子の追加によって改良型ライナの耐摩耗性が高くなった。
【００１１】
大抵の回転式鋳造オーブンは、熱風加熱式であるが、誘導加熱式のものもある。いずれの場合においても、バレルの内部は、ライナ粉末が溶けるが、厚肉バレル材料又はサブストレートは溶けない温度まで加熱されなければならない。粉末の溶解が達成された後、バレルは、周囲環境中への炉熱の輻射によってゆっくりと冷却され、従って、応力が生じることがなく、しかもライナ材料に亀裂が生じることもない。冷却後、ホーニング仕上げし、歪み取りし又はくせ取りし、そしてその最終形態及び寸法に機械加工する。これら技術には多くの欠点がある。
【００１２】
例えば、このプロセスではバレルの放出端部のところに高圧スリーブを設置する必要がある。回転機器用に構成された炉は、極めて高価であり大々的な保守を必要とする。これは、オーブンの耐火性表面を再内張りして回転機械を改装するのに定期的且つ長期間にわたる作動停止を含む。さらに、炉は、正しく機能している場合であっても、各バレルの被覆のためのセットアップは、厄介であり且つ時間のかかるプロセスである。
【００１３】
また、遠心被覆プロセスでは、ライナ材料又は材料マトリックスが裏材料又はサブストレート材料よりも低い温度で溶けることが必要である。これにより、用いることができるライナ材料に過酷な制約が生じる。その結果、耐摩耗性且つ耐腐食性の材料は、バレルサブストレートよりも低い温度で溶ける処方に制限される。多くの場合、材料を取り扱うのに好ましい最適バレルサブストレート及びライナ材料を一緒に用いることができない。また、裏材料又はサブストレート材料をその融点の近くの温度まで上昇させ、次にゆっくりと冷却させて裏材料をライナ材料に合わせて焼きなますことが必要である。これにより、焼きなまされた裏材料の強度が低下する。残念ながら、今日、多くの高い応力の用途、例えば可塑化バレルには極めて高い強度が必要である。かかるバレルは、４０，０００ｐｓｉ以上の内圧及び最高７００°Ｆ（３７１．１℃）までの温度を受ける場合がある。これら条件に鑑みて、高圧スリーブを相当な費用をかけて設置しなければならない場合が多い。幾つかのより新しくより高価な合金が強度の低下を減少させることによってこの作用効果を幾分減少させることができる。しかしながら、多大な出費を伴い、かかる出費は、長い処理時間及び複雑な製造設備を含む。
【００１４】
バレル内張りを形成するための回転鋳造プロセスの実施中、重い金属炭化物粒子は、遠心力により外方に投げ出される傾向がある。これにより、これら粒子は、内面から遠ざけられ、この場合、これら粒子は、耐摩耗性のために必要である。その結果、結果としての内張りは、金属炭化物粒子が内張りの内面上に又はそのすぐ近くに正しく配置され又は内張り若しくは被覆材の厚さ全体にわたって均等に分布して配置された場合よりも摩耗により生じる摩滅の影響を非常に受けやすい。
【００１５】
さらに、遠心鋳造中、高いバレル温度に達するので、次のプラスチック処理作業にとって重要なバレル真直度及び健全性を維持することが困難である。バレルの歪み取りは、従来型歪み取りプレスによっては実施できない。というのは、繰り返し曲げにより比較的脆弱なライナに亀裂が生じるからである。回転鋳造法では、ライナ及びバレルサブストレートを昇温するのに長い時間が必要である。内張り作業後のゆっくりとした冷却（熱を周囲環境中に放射することによる）のために追加の時間が必要である。これにより、労働費及び電気費に追加の出費が生じる。
【００１６】
遠心内張り法は、極めて狭い処理時間及び温度範囲で首尾良く行うことができるに過ぎないので、結果は、満足のいかない場合が多い。高い温度及びかかる高い温度で費やされる長い期間により、バレル内張り材料又はマトリックス中へのサブストレート材料の移動により稀釈が生じる。これにより、硬度が減少すると共に耐摩耗性が低下する。また、鉄基材のサブストレート移動により、或る特定の用途では耐腐食性が貧弱になる場合がある。また、高温での期間が長くなることにより、ライナの内面を被覆している金属炭化物粒子が溶けてマトリックス物質（ライナを構成する）中で溶液になり、摩耗防止目的にとって炭化物粒子が役に立たなくなる。
【００１７】
温度が低すぎると共に適正な処理温度での期間が短すぎる場合、結果として、結合部が不適切になる場合がある。かかる不適切な結合部は、ライナがバレルサブストレート又は裏材料から分離状態になる場合があることを意味する。この状態により、どのような目的についてもバレル全体が役に立たなくなる場合がある。さらに、場合によっては、ライナが部分的に脱落状態になって溶融プラスチックを汚染すると共に／或いはスクリューを汚損し、それにより溶融プラスチックがバレル中に押し込まれる。いずれの場合においても、バレルは、大きな破損を生じ、この中で処理されるプラスチックが台無しになる。
【００１８】
内張り管又はバレルが可塑化用途において用いられようとしない場合であっても、基材に対するライナの脱落は、問題になることが分かっていると言える。例えば、ボイラ用途では、管の基材は、時期尚早に腐食する場合がある。管を通って流れる液体は、極めて重要な熱伝達特性が損なわれる時点まで妨げられる場合があり、ルーズなライナ材料が剥ぎ取られる場合があり、それにより水運搬システム全体に乱れが生じる。明らかなこととして、このような種類の用途に関し、強固な冶金学的結合部が必要であり、しかもこれを損なう訳にはいかない。
【００１９】
バレルの内周部（ＩＤ）の従来型ＭＩＧ又はＴＩＧ被覆は、冶金学的結合部を形成するよう実施できるが、かかる被覆ヘッドを小径バレル中に入れることは困難である。熱により影響を受ける領域は、レーザ被覆の場合よりもはるかに広く、被覆された表面は、レーザ被覆の結果として得られる被覆表面よりも貧弱である。この結果、レーザ被覆の「ニヤネットシェイプ（素形材）」と比較して被覆後仕上げのためにはるかに多大な出費が生じる。
【００２０】
バレルライナを作るための全体的に異なる方法は、レーザ被覆によって行われる。具体的に説明すると、レーザ被覆は、ライナ材料を母材又はサブストレート金属に結合し、安定した冶金学的結合部を形成することができる。この新プロセスにより、上述の欠点が減少し又はこれら欠点の全てがなくなるが、この新プロセスには、それ自体の或る特定の欠点がある。
【００２１】
バレル又は他の管状構造体の内周部（ＩＤ）のレーザ被覆では、被覆前に又は被覆プロセス中、ペーストの形態のライナ材料又は別個のライナ管の被着が必要である。変形例では、粉末又は連続ワイヤを被着させても良い。レーザ被覆システムは、通常、遠隔源から光ファイバ及び光学システムを介して送られるレーザビームによって又は直接のレーザビームによって構成される。
【００２２】
この技術には多くの明らかな利点がある。例えば、１インチ（２．５４ｃｍ）という小さな管直径のレーザ被覆を可能にする装置が作られた。レーザ被覆は又、これによる熱影響深さが極めて浅く、それによりバレルサブストレート中へのライナ材料の稀釈の度合いが極めて小さい。この技術は又、サブストレート中に極めて小さい応力を生じさせ、曲げ又は歪み傾向を小さくする。レーザ被覆は又、極めて迅速な冷却プロセスを可能にする。というのは、被覆温度まで加熱されたバレル又は管のサブストレートが極めて少ないからである。迅速な冷却は、製造効率全体に相当な利点をもたらす。しかしながら、迅速な冷却により、以下に説明するように或る特定の状況下では問題が生じる場合がある。
【００２３】
レーザ被覆は、バレルサブストレートよりも高い温度で溶ける材料を含む多種多様な材料を用いることができる比較的堅牢なプロセスである。これにより、ライナに被着される耐摩耗性被膜として改良型マトリックス材料及び改良型セラミック又は炭化物材料を用いることができる。別々の耐摩耗性炭化物又はセラミック粒子は、例えば回転鋳造中、サブストレートに向かって移動することはない。これにより、これら粒子は、これらが必要とされるライナの表面の近くに均等に分布したままになる。
【００２４】
さらに、サブストレートは、必ずしも、レーザ被覆に先立って予熱される必要はなく、かくして製造時間及び費用が減少する。レーザ被覆プロセスにより与えられる熱は、極めて局所化され、被覆プロセス中、種々の内部及び外部方法によって迅速に除熱できる。このことは、長い冷却時間を不要にすることができるということを意味している。その結果、この被覆プロセスは、遠心鋳造よりも時間がはるかにかからない。
【００２５】
レーザ被覆は、ライナが例えば回転炉鋳造の場合のようにサブストレートよりも低い温度で溶ける（機械的結合部を形成するために）ろう付けプロセスではなく、冶金学的結合部を用いたプロセスである。レーザ被覆機器は、一般に、バレル及び回転機器全体を収容するのに必要なガス燃焼又は誘導炉よりもコストが低い。レーザ被覆は、稀釈（ライナ材料と基材との間の移動）が通常２％未満であるレーザ溶接とは幾分異なっているが、冶金学的結合部を形成するには依然として十分である。これとは対照的に、溶接は、通常、基材からの移動によって溶接マトリックスの５％を超え又はそれどころか１０％を超える稀釈を呈する。或る特定の用途、例えば可塑化バレルでは、真の意味での溶接は、移動又は稀釈のレベルが高いので不適切であろう。真の意味での被覆（一般に、稀釈率が２％未満）だけが妥当である。
【００２６】
パイプの内部のレーザ被覆のための幾つかのシステムが案出されて市販されている。これらシステムとしては、ＥＰＲＩ（米国電力研究所）の米国特許第５，６５３，８９７号明細書及び同第５，６５６，１８５号明細書並びにＩＨＩ（石川島播磨重工業）社の米国特許第５，４２６，２７８号明細書に開示されているシステムが挙げられる。また、米国特許第５，４９６，４２２号明細書、同第５，１９６，２７２号明細書及び同第５，３８７，２９２号明細書に記載されたシステムが挙げられる。本発明の良好な理解を容易にするためにこれら米国特許の全てを参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。これらシステムは、発電所における損傷した又は腐食した熱交換管を補修するよう設計されている。具体的に説明すると、これらシステムは、回転することができない比較的長くて固定されたパイプの短く且つ局所化された補修を行うよう設計されている。
【００２７】
被覆を達成するため、これらシステムの各々は、回転レーザヘッドを用いている。上述の米国特許に記載されたシステムでは、ワイヤ、粉末、ペースト又は薄肉管による被覆又はインレイ材料の挿入が行われる。ペースト及び管は、レーザ被覆前に既に定位置に位置している。ＥＰＲＩ特許の場合、コイル状のワイヤを補修領域の真上でパイプ内に配置する。その目的は、コイル状ワイヤに容易に接近できるようにすると共に被覆が進んでいるときに送りを容易にすることにある。この方法は、一般にボイラ補修で必要とされる短い長手方向長さのクラッドに制限される。粉末は、水平位置で導入するのが困難である。というのは、粉末は、重力の支援なしで、詰まって被覆を妨害する傾向があるからである。これら種々の被覆システムの図がそれぞれの特許明細書に示されている。
【００２８】
２０：１（長さと直径の比）以上の長い被覆又は全長被覆の場合、パイプ、管、バレル、被覆ヘッド及び特にこれと関連した反射鏡は、冷却されなければならない。これは、冷却用流体、例えば空気又は水で行われるのが良い。ＥＰＲＩ特許発明は、パイプ内でヘッドを回転させるのに必要な軸受を除き、かかる冷却を行わない。ＩＨＩ装置は、レーザ源の方向から来た冷却（空気による）を可能にする。
【００２９】
上述のシステムの全ては、管のレーザヘッド側の端から導入される大規模な補助サービスを備えなければならない。というのは、反対側の端からの接近は、利用できず、これをレーザ端部から提供されるアクティビティと協調させることができないからである。これら補助サービスとしては、光ファイバービューア、ワイヤ／粉末供給装置、冷却用媒体、光学部品（レンズ）及び集束装置が挙げられる。
【００３０】
また、かかる装置をより小型にする必要がある。特に、１４ｍｍ（０．５５１インチ）という小さなバレルＩＤが可塑化バレルについて用いられる。かくして、適当な被覆装置は、可塑化バレルの内部を被覆し又は内張りするために必要である。従来型回転被覆装置は、もっぱら、内張りされ又は被覆されている管の一端から稼働する。その結果、かかる被覆装置のサイズ減少は、厳しく制限される。これは、被覆ヘッドは、補助サービス全て並びに被覆ヘッドの迅速な回転に必要な軸受を備えなければならないので、特にそうである。この構造体全体は、被覆されるべき管中に管の一方の横側からのみ送り込まれる。その結果、被覆装置全体のサイズ減少は、極めて問題になり、可塑化バレルに用いられる幾つかの小さなサイズに対応することができない。
【００３１】
従来型システムにおける上述の課題、可塑化バレルのための滑らかで一様な内張りを作ることができないという課題は、２００２年１１月２６日にコルビー等（Colby et al.）に付与された米国特許第６，４８６，４３２号明細書に大部分が開示されているシステムによって取り扱われており、この米国特許を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。この特許明細書は、管状構造体、例えば可塑化バレル中に滑らかで一様な内張りを得る多種多様な方式を提供している。
【００３２】
しかしながら、多くの欠点が依然として存在する。例えば、水平に位置決めされる管では、煙及びデブリが特に管が長く、そして管ではなく被覆ヘッドが移動する場合、重力により堆積する傾向がある。煙及びデブリのこの堆積は、被覆プロセスの速度を損ね、その結果、被覆用粉末が無駄になり、高速回転管内であっても生じる場合のある堆積状態のデブリにより被覆材が劣化する。また、水平に整列した管では、最善の被覆角度を得るのは困難である場合があり、その結果、エネルギーが失われると共に被覆プロセスが遅くなる。レーザ被覆の目的物である滑らかな被覆表面からのレーザエネルギーからの反射も又、機器を損傷させる場合があると共にエネルギーを無駄にする場合がある。
【００３３】
可塑化スクリューで処理されている材料の多くに必要な極めて硬質で且つ耐摩耗性の表面を提供するために炭化物粒子がクラッドに追加される場合が多い。残念ながら、従来型被覆技術は、クラッド中の深いところの位置までのクラッドの表面からのこれら炭化物粒子の移動を可能にし、かかる位置では、炭化物粒子は、ほとんど効果的ではなくなる。また、従来型被覆技術の結果として、通常、プロセス中に用いられる炭化物粒子の多くが失われ、それにより相当多くの不必要な出費が伴う。従来型クラッド内の粒子は又、従来型クラッド内に粒子があるために、相当な被覆後仕上げ又は研磨技術を利用することが必要になる。かかる技術は、性質上極めて費用が高くつく場合があり、製造プロセス全体のコスト及び複雑さを大幅に増大させる場合がある。被覆後機械加工又は研磨（滑らかにして一様なライナ厚さを得るため）の程度は、管及びバレル、特に可塑化バレルの内張りにおいて大きな運用上の要因であることに注目することが重要である。
【００３４】
また、過度に迅速な冷却又は不均一な冷却に起因して亀裂の入るレーザクラッドについて周知の問題が存在する。これは、従来技術の例では取り組まれておらず、被覆プロセスにおいて用いられる材料の種類に応じてレーザ被覆に関する主要な問題であると言える。さらに、多ボア可塑化バレルを取り扱う上での周知の課題が従来型システムについて依然として存在する。
【００３５】
したがって、バレル、管状構造体及び他の表面のための改良型レーザ被覆システムが小径のバレルのための滑らかで一様な内張りを提供しながら従来型システムの上述の欠点の全てを解決する。改良型レーザ被覆システムは又、二重ボア形態のバレルを効率的に被覆する能力を提供する一方で多種多様な表面及び材料、例えばクロムめっきのための補修システムを提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】米国特許第５，６５３，８９７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６５６，１８５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４２６，２７８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４９６，４２２号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１９６，２７２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３８７，２９２号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４８６，４３２号明細書
【非特許文献】
【００３７】
【非特許文献１】スピレックス（Spirex），「プラスティケイティング・コンポーネンツ・テクノロジー（Plasticating Components Technology）」，１９９７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
本発明の主目的は、レーザ被覆及び遠心被覆の従来技術の欠点を解決し又は軽減することにある。
【００３９】
本発明の別の目的は、多種多様な管サイズ及び被覆材料に対応することができるよう十分融通性のある内面の被覆システムを提供することにある。
【００４０】
本発明の追加の目的は、既存の被覆技術で可能な一様性よりも高い一様性の内張りを達成することができる管の内周部の内張りシステムを提供することにある。
【００４１】
本発明の更に別の目的は、平滑化技術が可塑化バレルの被覆材を構成するクラッドの各々について一様な仕方で働く内面の内張りシステムを提供することにある。
【００４２】
本発明の更に別の目的は、金属管の内部をレーザ被覆するシステムであって、このシステムが従来型システムと比較してセットアップ及び作動が比較的簡単なシステムを提供することにある。
【００４３】
本発明の更に別の目的は、金属管の内部をレーザ被覆する方法であって、作動時間の短縮を可能にする方法を提供することにある。
【００４４】
本発明の更に別の目的は、従来型システムで生じるコストよりも実質的に低いコストで金属管を迅速且つ容易に補修すると共に内張りするシステムを提供することにある。
【００４５】
本発明の更に別の目的は、従来必要であった回転レーザヘッドを不要にすることができるレーザ被覆による金属管の内部の内張りシステムを提供することにある。
【００４６】
本発明の更に別の目的は、被覆中の管の軸線に沿う被覆ヘッドの運動しか必要としないレーザ被覆を用いた金属管の内張りシステムを提供することにある。
【００４７】
本発明の更に別の目的は、耐摩耗性材料がレーザヘッドの表面上又はこの近くで一様に分布されたままであるようにするよう耐摩耗性材料が追加されるレーザ被覆を用いて金属管を内張りすることにある。
【００４８】
本発明の更に別の目的は、従来型被覆技術、特にＭＩＧ及びＴＩＧ方法から得ることができるクラッドよりも滑らかで且つあらかじめ予備加工されたクラッドを提供することにある。
【００４９】
本発明の更に別の目的は、被覆後機械加工が最小限に抑えられたレーザ被覆システムを提供することにある。
【００５０】
本発明の更に別の目的は、内面への被覆作業を容易にするよう内面上に正確な量の材料を一様にあらかじめ被覆する方法を提供することにある。
【００５１】
本発明の更に別の目的は、耐摩耗性材料を溶解し又は違ったやり方で劣化させることなくクラッドメルト中に耐摩耗性材料の一様なパターンを正確に配置する被覆システムを提供することにある。
【００５２】
本発明の更に別の目的は、管及びバレルの迅速な被覆前セットアップを容易にすることにある。
【００５３】
本発明の更に別の目的は、過剰に迅速な冷却に起因した亀裂の発生を回避することができるレーザ被覆システムを提供することにある。
【００５４】
本発明の更に別の目的は、二重ボアを備えた可塑化バレルの製造及び被覆を容易にする被覆システムを提供することにある。
【００５５】
本発明の更に別の目的は、被覆用粉末の無駄を実質的に減少させる被覆システムを提供することにある。
【００５６】
本発明の更に別の目的は、堆積状態のデブリ、煙等を被覆中の管から容易に排出する被覆システムを提供することにある。
【００５７】
本発明の別の目的は、被覆効率の向上を容易にするよう最適被覆角度を容易に得ることができる被覆システムを提供することにある。
【００５８】
本発明の更に別の目的は、反射エネルギーからの被覆ヘッドの損傷を回避するレーザ被覆システムを提供することにある。
【００５９】
本発明の更に別の目的は、使用されなかった被覆用粉末を容易に回収することができる被覆システムを提供することにある。
【００６０】
本発明の別の目的は、既存のクラッドの輪郭形状を用いて隣り合うクラッドの滑らかで正確な製作を容易にすることができる被覆システムを提供することにある。
【００６１】
本発明の更に別の目的は、結果的に生成物がクリーンアップ（表面厚さの一様化）をほとんど必要とせず、滑らかな仕上がりを達成するためにホーニング仕上げをほとんど必要としない被覆システムを提供することにある。
【００６２】
本発明の更に別の目的は、耐摩耗性材料を有する表面を含む多種多様な表面に対して優れた補修を行って元の被覆材とほぼ同じ補修後部分が得られるようにすることができる被覆システムを提供することにある。
【００６３】
本発明の更に別の目的は、真の意味での冶金学的結合部を確立しながら溶接材料で基材の移動を制御することができるレーザ被覆システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００６４】
本発明のこれら目的及び他の目的は、金属管状構造体の内部を被覆するレーザ被覆システムであって、管状構造体を保持してこれを所定の速度で且つ所定の非水平角度で回転させるサブシステムを含むレーザ被覆システムによって達成される。被覆ヘッドが管状構造体の内面を管状構造体の内側部の垂直方向に対して所定の角度をなした状態で照射するよう構成されている。また、レーザ被覆ヘッドを管状構造体の底部から頂部に向かう方向に動かすよう構成された並進システムが設けられる。
【００６５】
本発明の別の実施形態は、管状構造体の内部を被覆する方法を含む。この方法は、管状構造体を非水平位置に配置するステップ及び管状構造体を所定の速度で回転させるステップを含む。次に、管状構造体の内面を移動中のレーザヘッドから管状構造体の内面に対し非垂直角度をなして下方へ照射する。最後に、レーザ被覆ヘッドを管状構造体の底部開口部の近くから管状構造体の頂部開口部の近くまで上方に動かす。
【００６６】
本発明の更に別の実施形態は、被覆内部を備えた二重バレル型構造体を製造する方法を含み、二重バレル型構造体は、好ましくは、単一のサブストレート素材片中に設けられた２つのオーバーラップした円筒形ボアを有する。この製造方法では、ボアの各々の半径方向レーザ被覆を底部から頂部まで行い、直線被覆を底部から頂部までボア相互間の各インターフェース交叉点のところで行う。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】管内に配置された本発明のレーザクラッドヘッドを示す概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態を構成する二重ボアバレル構造を示す概略平面図（図２（ａ））及び図２（ａ）に示された略図の拡大断面図であり、二重ボアバレル構造内のインターフェースを示す図（図２（ｂ））である。
【図３】本発明のシステムの断面側面図であり、誘導加熱コイルと被覆中の単一ボアバレル実施形態との関係を示す図である。
【図４】ガス及び粒状物質を除去するためのダウンドラフトサブシステムを含む本発明のレーザ被覆システムの概略側面図である。
【図５】例えば図２（ａ）に示された二重バレル型構造の被覆を実施するために用いられるステップを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本発明の第１の実施形態が図１に示されている。被覆ヘッド１０が管１００の内部に位置した状態で示されている。レーザヘッド２（被覆ヘッド１０の一部）は、レーザビーム２０を差し向けてこれを管１００の内面１０１に当てる。被覆ノズル３は、レーザヘッド２と関連しており、被覆用粉末を正確な照射部位に提供して管１００の内面１０１上に被覆材層３０を形成するよう働く。
【００６９】
被覆プロセス中、距離センサ６がレーザヘッド２と表面１０１との間の正確な距離を測定する。距離センサ６からのデータにより、被覆ヘッド１０の調整（距離、電力及び他の被覆パラメータを含む）を行ってクラッド特性を維持し又は調節し、それにより所望の結果を達成することができる。被覆が起こった後、被覆厚さセンサ４は、被覆層３０が許容可能な公差内に収まっているかどうかを判定する。鏡５は、被覆ヘッド１０の一部がもしそのように構成されていなければ被覆ヘッド１０を損傷する恐れのある放射エネルギーから保護するのに役立つ。
【００７０】
被覆ヘッド１０が被覆プロセス中、管１００の底部から管１００の頂部に向かって上方に動くこと及び管１００が垂直位置にあることに注目することが重要である。管１００は、これを高速で回転させることができるような仕方で垂直位置に保持される。多種多様な運動及び保持装置を用いて管１００を回転させることができる。幾つかの例が添付の付録に見受けられると共に図４に概略的に示されている。
【００７１】
好ましくは、本発明のシステムは、毎分２回転（以下、“ｒｐｍ”）から最高５０ｒｐｍまでの速度で動作する。本発明のシステムは、約１／８インチ（０．３１８ｃｍ）の幅を有するレーザビームを用いる。これら速度と本発明の垂直被覆装置の特性の組み合わせは、山部と谷部との間の差が常時１／１００インチ（０．０２５４ｃｍ）になることを意味する。その結果、従来システムを用いた場合よりも被覆後機械加工が少なくなる。
【００７２】
被覆は、管１００の底部から頂部まで連続螺旋クラッドライン又はビード３１を形成するようレーザビーム２０の放射によって行われる。クラッドを形成する螺旋ビード３１は、１／２〜２０キロワットで動作するレーザによって作られる。管１００が回転するので、小さな被覆ヘッド１０の使用が可能である。本発明のシステムを用いて被覆することができる最も小さな管サイズは、約２５ｍｍである。
【００７３】
さらに、多くの場合、ビード高さ相互の差は、事実上測定不能である。垂直被覆特性により提供される滑らかな仕上がりの結果として、被覆後仕上げ時間が従来型プロセスを用いて必要な被覆後仕上げ時間の約１／５になる。多くの場合、一様な厚さの層を形成するのに必要な被覆後仕上げ（即ち、「クリーンアップ」）は事実上実施されない。
【００７４】
溶接ビード３１は、連続螺旋の状態で施され、次のビード層は、管状構造体１００の内部に沿って上方に移動する。１つの層から次の層まで３０％〜５０％のオーバーラップが存在する。この間隔は、垂直管で用いられた場合、管の長さ全体にわたって極めて一様な溶接厚さを生じさせることが判明した。
【００７５】
被覆の仕上がりが滑らかであれば滑らかであるほど、被覆された製品の被覆後研削及び研磨に必要な時間がそれだけ一層短くなる。本発明の非水平被覆プロセスの実施の結果として、クラッド３０の厚さがクラッドの長さ全体に沿って一様である程度に比較的近いようにより一様な被覆レベルが得られる。このことは、本発明で必要な「クリーンアップ」（クラッドの厚さを一様にすること）が極めて少ないことを意味している。この「クリーンアップ」プロセスは、通常、クラッドを滑らかな仕上がりに単に研磨するよりも問題となる。一様な被覆厚さの結果として、本発明のプロセス全体は、より効率的になると共に実質的に費用がそれほどかからない。
【００７６】
レーザビーム２０は、管１００の内壁１０１に対して角度をなして照射される。この角度は、好ましくは、管の内壁に対して垂直な方向から３０°〜６０°であり、レーザヘッド２０は、クラッドビード３１が形成されている箇所よりも上方に位置する。クラッドを形成するための被覆用粉末は、これ又クラッドの上方に配置された被覆ノズル３から小出しされる。
【００７７】
被覆プロセスは、管１００の底部で始まる。元の被覆材層３０は、管の末端のところの被覆材を支持する型を用いて支持されるのが良い。元の被覆材層３０の次のビード又は段部３１を次に被覆材層３０の下側の段部又はビード３１の各々の上側の表面３２上に形成する。
【００７８】
管１００の内面１０１に垂直な軸線の上方の３０°〜６０°の角度が多くの有益な結果をもたらす。第１に、エネルギー効率が向上する。というのは、反射される照射エネルギーが大幅に減少するからである。また、照射レーザビーム２０が直接反射してレーザヘッド２中に戻ることがないので、レーザヘッド２又は被覆ノズル３の損傷が回避される。さらに又、被覆ビード３１の上側表面３２は、効率的な全体的プロセスを生じさせるようレーザビーム２０のエネルギーを吸収する良好な構造体を形成する。
【００７９】
被覆ビード３１の棚状上面３２は、被覆用粉末ノズル３からの被覆用粉末を保持する場所となる。次の段部又は被覆ビード３１を形成するようレーザビーム２０からのエネルギーによって溶けるのは、この粉末である。被覆ビード３１の上側表面３２が粉末を保持するので、これが殆ど失われることはなく、しかも次の被覆ビード３１を形成するためにこの大部分が用いられる。
【００８０】
本発明は、水平位置決め管とは対照的に、単純な重力の作用により被覆用粉末の多くを利用すると共に用いられなかった粉末を容易に処分する。その結果、被覆プロセス中、管１００内に堆積するデブリは殆どない。
【００８１】
また、管１００は、実質的に垂直位置で被覆されるので、デブリに変わって被覆層３０を汚染する煙が管内に籠もることがない。これとは異なり、煙は、管１００の上方開口端部を通って上方に容易に逃げ出ることができる。その結果、次の被覆段部（ビード）の煙による汚染が実質的になくなる。
【００８２】
管１００の上方開口端部を通る煙の排出は又、被覆プロセス中に増大する追加の熱を排出する手段として働く。管が水平位置にあるとき、引用した従来技術で起こるように、熱及び煙の増大が問題となる場合がある。これは、本発明によれば、熱を被覆プロセスからの煙と共に上方に排出することによって回避される。
【００８３】
変形例では、煙を排出すると共に粒状物質、例えば被覆用粉末を回収するためにダウンドラフトシステム７を用いても良い。かかるシステムが図４に示されている。このシステムは、被覆中のバレルを支持すると共にこれを動かす回転テーブル８０の下に設けられている。回転テーブル８０に取り付けられた支持筒体８１が被覆中のバレル１００（図４には示されていない）を支持するのに役立つ。支持筒体８１及び回転テーブル８０の下の領域は、漏斗状収集部分７１によって包囲されており、この漏斗状収集部分は、回転テーブル８０の近くに独立して設けられている。回転テーブル８０の下に位置する領域全体は、被覆プロセスから生じた煙及び粒状物質の全てを収容すると共に移動させるために収集部分７１によって包囲されている。真空ポンプ及び再利用システム７３が空気を筒体／バレル構造体の頂部から引き出し、バレル／筒体を通って下方に引き、回転テーブル８０を通って収集部分７１に流入させることによってダウンドラフトシステムに動力供給する。真空ポンプは、収集部分７１から、煙と粒状物質の両方を空気流管７２を通って真空ポンプと関連した再利用システム中に引き込む。
【００８４】
図４のダウンドラフトシステム７の主要な利点は、比較的重い煙霧が最終的にはバレルの頂部まで上昇する前に被覆中のバレル１００内に留まる恐れが低いことである。望ましくない煙霧、煙及び粒状物質の除去が容易であり、ダウンドラフトシステムによりはるかに効率的に行われる。さらに、ダウンドラフトシステムは、未使用被覆用粉末を集めてこれを他の作業で再使用することができるようにすることができる。ダウンドラフトシステムを用いた場合の結果として、被覆された表面は、綺麗なままであり、被覆時間が最小限に抑えられ、被覆材料が再循環するのでプロセスに要するコストがそれほどかからず、被覆システムの近くの環境全体を極めて綺麗に保つことができる。
【００８５】
被覆ヘッド１０ではなく管１００が回転することは、極めて小型のレーザ被覆ヘッド１０を使用することができるということを意味している。これは、システムが従来利用できる直径よりも最低２５ｍｍという小さな直径の内側管を利用できるということを意味している。さらに、上側被覆表面３２により形成される棚の使用により、段部相互間でより一様な被覆ビード３１の実現が容易である。その結果、必要な被覆後機械加工又は研磨が極めて少なくなる。これは、特に、比較的小さな内径を有する可塑化バレル用の管について重要である。
【００８６】
既存の設備、例えばボイラにおいて管を補修するために管の内部を被覆することが知られているが、従来技術は、垂直管を高速回転させると共に管の上端部が開口しているシステムを開示していない。その結果、本発明で得られる利点は、従来型システムのどれにも見受けることができない。
【００８７】
本発明の別の利点は、例えば図２（ａ）及び図２（ｂ）に示された構造体を被覆する場合に見受けられる。二重ボア可塑化バレルが極めて望ましいが、従来通り製造するのは極めて困難である。伝統的に、２つの素材片に切断機械でボアを設ける。次に、各素材片を切断してこれを図２（ａ）に示されているように「８の字」形パターンで他方の素材片に溶接することができるようにする。２つの素材片をいったん互いに溶接すると、次に、二重バレル型構造体を内張りする。通常、これは、金属スリーブインサートをろう付けして（多種多様な技術を用いて）これらを素材に取り付け保持することによって達成される。
【００８８】
従来型二重ボアバレルは、極めて高価であり、幾分不安定である。さらに、従来型ろう付け内張りは、或る特定の使用には適していない。本発明は、この状況を是正する。特に、本発明では、ボア５１，５２を単一の素材片５０に形成し（好ましくは、穴あけにより）、その結果、素材片を後で互いに溶接する必要がないようにする。二重ボア構造体を垂直位置で回転させ、そして単一管又はバレル１００に関して上述した仕方と同様な仕方で底部から頂部まで被覆するのが良い。
【００８９】
素材５０を被覆するため、被覆ヘッド１０をボア５１，５２の各々中に挿入し、素材片５０を回転させる。素材５０の回転と関連して被覆ヘッド（図１において符号１０で示されている）の運動を制御するソフトウェアを改造して被覆が２つのボア５１，５２相互間の開放空間５３で起こることがないようにするのが良い。これは、容易なソフトウェア改造であり、被覆を素材片の回転の或る特定の部分の間停止させる点においてのみ単一ボアの被覆を命じるために用いられるソフトウェアとは異なっている。このように、従来通りでは困難な二重バレル型構造体を単一バレル型構造体とほぼ同じほど容易に形成することができる。さらに、素材表面の直接的被覆により、ろう付けが必要な別個の金属ライナの従来の挿入よりも望ましい製品をもたらす。
【００９０】
図５の流れ図は、レーザ被覆二重バレル型構造体を形成する際に実施される製造ステップを示している。このプロセスの第１の部分は、図２（ａ）に示されているようにオーバーラップ状態の二重バレルを備えた素材５０を用意することである。レーザ被覆ヘッド１０を第１のボアの中央の上方に直接動かすことができるような位置で二重バレル素材５０を回転テーブル８０又は旋回機構体（図４に示されている）上に配置する（ステップ６０）。次に、第１のボアを閉鎖管に関して上述した仕方と同様な仕方で半径方向に被覆する（ステップ６１）。違いは、レーザ被覆作業を制御するソフトウェアを作業が２つのボア５１，５２相互間の交差空間５３のところで起こることがないように調節することにある。被覆作業の残りは、上述したのと同じである。
【００９１】
ステップ６２では、二重ボア素材５０を回転テーブル又は旋回機構体上で調節して被覆ヘッドがいまや第２のボア８０の中央に位置するようにする。変形例では、第２のボアを回転テーブル上の別の位置に動かしても良い。ステップ６３において、第２の半円筒形内面をステップ６１で第１のボアについて行ったのと同じ仕方で被覆する。いつも通りに被覆プロセスは被覆ヘッド１０が被覆されるべき表面に沿って低い位置から高い位置まで動くことによって行われる。
【００９２】
各ボア５１，５２の２つの半円筒形表面の半径方向被覆をいったん完了すると、２つのボアが出会う頂点５４，５５に取り組む。この場合も又、被覆ヘッド１０を再び再位置決めする（ステップ６４）。第１のインターフェース頂点は、一連の直線クラッド又は溶接部３３を底部から頂部まで受け入れる（ステップ６５）。直線溶接部３３を繰り返し形成して頂点が完全に覆われ、被覆材が半径方向被覆材上に延びるようにする（ステップ６６）。
【００９３】
次に、被覆ヘッド１０を第２の頂点に合わせて再位置決めする（ステップ６７）。次に、直線被覆を実施し（ステップ６８）、頂点が完全に被覆されるまで繰り返し実施する（ステップ６９）。通常、頂点のところの直線溶接では、各頂点について２回〜５回の被覆パスが必要である。直線被覆を連続的に実施して各溶接部３３がバレルの頂点の最上部から最下部まで連続線となるようにする。直線クラッドは、溶接部の幅の２５％〜７５％にわたって互いにオーバーラップする。
【００９４】
本発明の主要な利点は、先に表面処理剤で被覆され、ろう付けされ又は各表面処理剤が設けられた古い管又はボアを本発明の方法により被覆することができるということにある。かくして、先にボアが設けられると共に内張りされた管片に本発明の方法を施すと、これに内張り材料とサブストレート素材との間の被覆（冶金学的）結合部を提供することができる。従来製造されると共に内張りされるバレルを再仕上げすることにより、相当な節約を行うことができ、再仕上げは、経済的に見合う。
【００９５】
被覆技術の大きな課題は、熱の制御である。レーザ被覆は、上述したように従来型（非レーザ）被覆に固有の熱に関する問題のうちの多くを解決するものとして既に良く知られている。レーザによる加熱は、極めて強烈であり且つ局所化される。その結果、迅速な加熱と迅速な冷却の両方が容易であり、多くの場合、加工物の予熱は、全く不要である。しかしながら、加工物の急激すぎる冷却により、クラッドに亀裂が生じる場合がある。これは、特に、垂直管の開口上端部の煙突効果によって生じる急激な冷却の場合に生じる場合がある。本発明の特性により、被覆表面の迅速な冷却が容易であり、かくして、クラッド亀裂発生の問題が生じる。これにより、被覆バレル全体が使い物にならなくなり、従来型構成と比較した本発明のシステムの高い効率にもかかわらず、時間及び資源の無駄が生じる。
【００９６】
本発明の追加の実施形態は、垂直に整列した管又はバレル１００周りに配置された誘導加熱器を用いることによってこの欠点を解決する。誘導加熱は、被覆中バレルが回転するにもかかわらずプロセス全体を複雑にはしない。本発明では、被覆プロセスが起こる前、起こっている間及び起こった後に誘導加熱器を用いることができる。かかる加熱を利用すると、冷却時間を長くすることができ、それによりクラッドの亀裂発生を回避することができる。誘導加熱器は、これらが外部から且つ管又はバレル１００から遠ざかって入り込むことができる一方で被覆ビード３１がレーザ被覆により形成されたその内部まで相当な熱を依然として提供することができるので特に効率的である。
【００９７】
図３は、バレルのレーザ被覆作業を助けるよう設けられた誘導加熱器の一構成例を示している。誘導加熱システムは、永続的であっても良く一時的であっても良い。いずれの場合においても、誘導加熱器の巻線９１は、被覆システムの残部を包囲する絶縁層９２の周りに配置されている。これは、回転テーブル８０又は支持筒体８１（両方とも図４に示されている）周りに位置する静止構造体を含むのが良いが、これが必ずしも必要であるという訳ではない。必要なことは、熱を被覆中の管又はバレル１００に効率的に運ぶということだけである。
【００９８】
電源９３は、予熱作業においてバレル１００を最高１３００°Ｆ（７０４．４℃）まで加熱するのに十分な電力を提供するようなサイズのものである。被覆中のバレルの予熱は、クラッドの亀裂発生を阻止するために行われる。さらに、被覆の際に用いられる合金の多くの冷却が早すぎ、それによりクラッド内に張力が生じ、その結果亀裂が生じる場合がある。予熱プロセス（被覆後加熱と共に）は、遅い冷却プロセスを可能にする。誘導加熱器は、冷却期間を２時間から２日まで制御するために任意適当なレベルに維持されるのが良い。また、断熱ブランケット（図示せず）を用いると冷却期間を一段と制御することができる。誘導加熱システムは、システム全体を複雑にしないで種々の形式の断熱の使用を可能にする。注目されるべきこととして、断熱材９２は、プラスチック被覆誘導コイルを保護するためにも重要である。かかる断熱は又、被覆バレルの冷却期間の制御を助けるのにも有用である。それと同時に、断熱は、被覆バレルから誘導加熱システムのコイル及び被覆システムの周りの周囲環境への過剰な熱の伝達を阻止する。
【００９９】
誘導加熱器９１は、垂直管１００の周りに設けられ、管１００の内部を加熱することができる事実上任意の形態で設けることができる。かかる形態は、誘導加熱分野において既に周知である。しかしながら、誘導加熱は、冷却プロセスを遅くするために高速回転垂直管１００に従来利用されたことがなかった。周囲誘導加熱器を備えた本発明の垂直被覆構成の実施例が添付の付録の写真に見受けられる。
【０１００】
付録に示されている管は、長さが比較的制限されているが、理解されるべきこととして、本発明のシステムは、長さ２０フィート（６．１ｍ）の管２０を被覆することができる。また、理解されるべきこととして、本発明は、付録の添付の写真に示されているシステムに限定されることはない。これとは異なり、本発明は、多種多様な管サイズ及び材料に対応することができる。
【０１０１】
本発明の利点は、顕著である。本発明の各細部は、予期しない全体的結果及び作動上の優位性に寄与する。例えば、高価な被覆用粉末の無駄が本発明の構成を用いると２５％〜５０％までの範囲で減少する。さらに、被覆デブリによる汚染は、ほぼ１００％減少する。被覆時間は、全ての周知の被覆システム及び装置と比較して、実質的に短縮される。さらに、この全ては、可塑化バレルで用いられる最も小さな内径の管（最低１４ｍｍまで）について実施できる。
【０１０２】
好ましくは、管又は管状構造体１００は、被覆のための垂直位置に設けられ、被覆ヘッド１０は、管の底部から頂部まで直線的に動く。専用回転装置は殆ど不要である。本発明の教示がいったん分かると、多種多様な機械的装置８０を用いて管を回転位置で回転させることができる。例示が付録に見受けられる。したがって、これら種々の装置のこれ以上の説明は、本発明の理解にとって不要である。
【０１０３】
垂直装置は又、被覆材３０の表面の近くに保たれる必要がある耐摩耗性材料のより正確な被着を可能にする。被覆用粉末の場合と同様、この耐摩耗性材料の無駄は、クラッドによって保持されることのない粒子による汚染の恐れが最小限に抑えられる。その結果、耐摩耗性材料のうちの多くが用いられ、その高い割合が被覆材３０の表面の近くに位置したままである。耐摩耗性材料をクラッドの表面の近くに（クラッドの本体内の深いところではなく）配置することは、耐摩耗性材料を露出させるために機械加工し又は研磨しなければならないクラッド材料が極めて少ないことを意味している。その結果、全体的製造時間及び出費が減少する。
【０１０４】
本発明は、レーザ被覆の特性、高速の管回転及び上述の垂直管位置決めの利点により処理時間を短縮させることができる。また、急速冷却の欠点は、安価な補助誘導加熱器（図３）を用いて取り組まれる。その結果、冷却時間を正確に制御して本発明のシステムにより容易になる迅速冷却の利点の全てを損なうことがないようにする。時間の節約も又、クラッドの表面の近くに耐摩耗性粒子を配置することによって容易になり、それにより耐摩耗性粒子を露出させるための被覆後機械加工及び研磨が殆ど不要である。
【０１０５】
さらに、本発明を改造して管１１ではなく、被覆ヘッド１０が回転するようにすることができる。しかしながら、これを行った場合の欠点は、周知であり、従って、この構成は、好ましくは、大径管についてだけである。それにもかかわらず、被覆後研磨が少なくてすむこと、被覆状粉末及び耐摩耗性材料の無駄が少ないこと、ばらばらになっている被覆用粉末からの汚染が少ないこと及び関与する材料の全てが効率的に使用されることを含む垂直構成の利点のうちの多くを静止垂直管の場合であっても達成することができる。
【０１０６】
さらに又、多種多様な被覆ヘッドを本発明のコンセプトの範囲内で、特に管の垂直構成において用いることができる。例示が本出願人の先の特許明細書（即ち、コルビー等に付与された米国特許第６，４８２，４３２号明細書）に提供されており、これは既に参照により引用し、その記載内容が本明細書の一部として組み込まれている。したがって、全方向性被覆装置又は高速回転被覆ヘッドを本発明のコンセプトの範囲内で使用することができる。さらに、本発明は、被覆用粉末の損失又は他のクラッド部位の汚染を減少させるのに特に効果的であるが、本発明のコンセプトの範囲内で被覆用ワイヤを効果的に用いることができる。屑はどれも被覆部位の全てから離れて管の底部まで落下し、被覆プロセスから生じた煙は、管の頂部から排出される。
【０１０７】
本発明の好ましい実施形態のうちの１つは、鋼（又は合金鋼）可塑化バレルの内張りに関しているが、上述した本発明の種々の実施形態又はこれら実施形態の任意の組み合わせを用いて他の金属管又は管状構造体を内張りすることができる。また、本明細書において説明した好ましい実施形態の多くの変形例としての本発明の技術を用いて他の金属材料を内張りすることができる。内張り材料は、特定の形式のものである必要はない。それどころか、サブストレート及び最終製品の利用について適当なものとして広汎な材料を用いることができる。
【０１０８】
本発明は、金属管を内張りする改良技術に特に効果的であるが、他の非円筒形内面を本発明の技術により内張りすることができる。多種多様な形状が本発明の被覆作業に利用できる。例えば、レーザヘッド２を用いて不規則な形状の内面及び外面を被覆することができる。かかる作業のためには、レーザヘッドが動くことができるようにすることが必要である。具体的に説明すると、レーザビームへの角度を調節することができる（垂直から３０°〜６０°）ので、被覆プロセス中に照射角度を調節して不規則な表面に取り組むことが可能である。必要なことは、本発明の第１の実施形態の方法について説明したように管が高速回転している間、通常レーザヘッド２を制御するソフトウェアを用いてヘッドの運動を制御することだけである。不規則な表面、例えば図２の二重ボアを回転させると本発明の利点を達成することができる。
【０１０９】
本発明の多くの好ましい実施形態は、被覆されるべき構造体が垂直位置に保持される垂直被覆に関するが、他の角度の向きが可能である。例えば、本発明に関して上述した同一の利点のうちの多くを達成するために管を水平に対して４５°の角度をなして回転させることができる。被覆材を、回転速度、被覆厚さ及び管直径のような要因に基づいて、本発明のコンセプトの範囲内で「水平から外れた」多種多様な配向角度を用いることができる。
【０１１０】
最終的に注目されるように、レーザ被覆は、クロムめっき表面の補修に関して特に有用である。クロムめっきを受けた多種多様な表面、即ち内面と外面の両方が存在する。幾つかの例としては、小火器や油圧シリンダ（例えば、航空機着陸装置用に用いられる油圧シリンダ）が挙げられる。しかしながら、クロムめっきの用途は、これらの例には限定されない。
【０１１１】
多くの実施形態及び変形例を例示として挙げたが、本発明は、これらによって限定されることはない。これとは異なり、本発明は、本願によって本発明をいったん教示すると、当業者に想到される任意且つ全ての改造例、置換例、変形例、設計変更例及び実施形態を含むものと解されるべきである。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載にのみ基づいて定められるべきである。
【０１１２】
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【０１１３】
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【０１１４】
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【０１１５】
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【０１１６】
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【０１１７】
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【０１１８】
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【０１１９】
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【０１２０】
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【０１２１】
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【０１２２】
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【０１２３】
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【０１２４】
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【０１２５】
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【０１２６】
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【０１２７】
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【０１２８】
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【０１２９】
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【０１３０】
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【０１３１】
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【０１３２】
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【０１３３】
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【０１３４】
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【０１３５】
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【０１３６】
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【０１３７】
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【０１３８】
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【０１３９】
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【０１４０】
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【０１４１】
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【０１４２】
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【０１４３】
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【０１４４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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