(57)【要約】摩擦攪拌加工材料を、湾曲状の表面を有する基板上の所定場所に、固体プロセスを用いて摩擦攪拌加工材料を湾曲状基板内へ混成することを目的に、保持するためのシステム及び方法であり、システムは、摩擦攪拌加工材料を基板へ付着させる各種機械的手段であって、摩擦攪拌加工が経済的、効率的、且つ安全なものとして遂行されることを可能にする機械的手段のうちの１つを選択する段階を含んでいる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を保持し湾曲状表面を有する基板中へ摩擦攪拌加工するための方法において、
１）湾曲状表面を有する基板を提供する工程と、
２）固体接合プロセスを用いて前記基板中へ混成させ、それにより当該基板の特性を改質しようとする摩擦攪拌加工材料を提供する工程と、
３）前記摩擦攪拌加工材料を前記基板の所定場所に当接に位置付け及び付着させる工程と、
４）前記摩擦攪拌加工材料が動かないようにしながら当該摩擦攪拌加工材料を前記基板中へ摩擦攪拌加工する工程と、を備えている方法。
【請求項２】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工材料を配置させることのできるポケットを前記湾曲面に形成する工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、更に、干渉嵌めを用いて前記摩擦攪拌加工材料を前記ポケットの中へ配置する工程を備えている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法は、更に、前記ポケット内に配置されたときの前記摩擦攪拌加工材料の少なくとも１つの縁に沿って少なくとも１つのギャップを提供する工程であって、それにより、摩擦攪拌加工中の前記摩擦攪拌加工材料のその長さに沿った少なくとも１つの方向への熱的膨張を可能にする、ギャップを提供する工程を備えている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工材料を、前記ポケットの中で前記基板の前記湾曲状表面に対し法線方向にある接触面を有するように製造する工程を備えている、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、更に、前記ポケットを前記基板の周囲の一部のみを廻って延在させる工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、更に、前記ポケットを前記基板の全周を廻って延在させて当該基板に溝を形成する工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、更に、前記基板の全周を廻って複数の個別のポケットを作る工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工材料を前記基板の周囲を完全に包囲する連続した摩擦攪拌加工帯体として形成する工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工帯体を取り囲む少なくとも１つの脱着式環体であって当該少なくとも１つの脱着式環体内の複数の止めねじを用いて当該摩擦攪拌加工帯体を押圧する、少なくとも１つの脱着式環体を用いて、前記摩擦攪拌加工帯体を付着させる工程を更に備えている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工帯体を取り囲み当該前記摩擦攪拌加工帯体を押圧する少なくとも１つの脱着式環体を用いて、前記摩擦攪拌加工帯体を付着させる工程を備えており、前記少なくとも１つの脱着式環体は、前記摩擦攪拌加工帯体への付着及びそれからの脱着を可能にする継手とラッチの組立体を含んでいる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、更に、
１）前記摩擦攪拌加工帯体を前記基板に当接に保持するために機械的な付着手段を提供するべく少なくとも１つの犠牲帯体を提供する工程と、
２）前記摩擦攪拌加工帯体を前記基板中へ摩擦攪拌加工する工程と、を備えている、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、更に、前記摩擦攪拌加工帯体が前記基板中へ加工された後に前記少なくとも１つの犠牲帯体を除去する工程を備えている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法は、前記機械的付着手段を、摩擦ビット接合、ボルト止め、リベット止め、仮付け溶接、ろう付け、前記摩擦攪拌加工帯体周囲へのケーブル巻き付け、ローラーシステムの使用、及び接着剤の使用、から成る機械的付着の群から選択して、前記摩擦攪拌加工帯体を前記基板へ付着させる工程を備えている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
材料を保持し湾曲状表面を有する基板中へ摩擦攪拌加工するためのシステムにおいて、
湾曲状表面を有する基板と、
摩擦攪拌加工材料と、
前記基板に配置されている、前記湾曲状表面に一致するポケットであって、前記摩擦攪拌加工材料のための干渉嵌めを提供するポケットと、
前記摩擦攪拌加工材料を前記基板中へ摩擦攪拌加工するための摩擦攪拌加工工具と、を備えているシステム。
【請求項１６】
前記システムは、更に、前記ポケットの前記湾曲状表面に対し法線方向にある接触面を有する前記摩擦攪拌加工材料で構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
材料を保持し湾曲状表面を有する基板中へ摩擦攪拌加工するためのシステムにおいて、
湾曲状表面を有する基板と、
摩擦攪拌加工材料と、
前記摩擦攪拌加工材料を前記基板に当接に保持するための機械的付着システムと、
前記摩擦攪拌加工材料を前記基板中へ摩擦攪拌加工するための摩擦攪拌加工工具と、を備えているシステム。
【請求項１８】
前記システムは、更に、前記基板の周囲を完全に包囲する連続した摩擦攪拌加工帯体を形成している前記摩擦攪拌加工材料を備えている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記システムは、更に、
前記摩擦攪拌加工帯体を取り囲む少なくとも１つの脱着式環体と、
前記少なくとも１つの脱着式環体内の複数の止めねじと、を備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムは、更に、前記摩擦攪拌加工帯体を取り囲む少なくとも１つの脱着式環体であって、前記摩擦攪拌加工帯体への付着及びそれからの脱着を可能にする継手とラッチの組立体を有する少なくとも１つの脱着式環体、を備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記システムは、更に、前記摩擦攪拌加工帯体を前記基板に当接に保持するために機械的な付着手段を提供する少なくとも１つの犠牲帯体を備えており、前記少なくとも１つの犠牲帯体は、摩擦攪拌加工後に除去することもできるし、又はそれは前記摩擦攪拌加工帯体と一体に前記基板中へ加工されるようになっていてもよい、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムは、更に、前記機械的付着手段を、摩擦ビット接合、ボルト止め、リベット止め、仮付け溶接、ろう付け、前記摩擦攪拌加工帯体周囲へのケーブル巻き付け、ローラーシステムの使用、及び接着剤の使用、から成る機械的付着の群から選択して、前記摩擦攪拌加工帯体を前記基板へ付着させる段階を備えている、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、摩擦攪拌加工に関する。より厳密には、本発明は、固体プロセスを用いて摩擦攪拌加工材料を弓状基板中へ混成させることを可能にするための方法及びシステムであり、方法は、摩擦攪拌加工材料が弓状基板中へ摩擦攪拌加工されてゆく間、当該材料を所定位置に締め付け又は堅持する様々な方法を開示している。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接（以下「ＦＳＷ」）は、金属類及び合金類を溶接するために開発された技術である。ＦＳＷプロセスには、多くの場合、２つの隣接する工作物材料の双方の接合面を回転する攪拌ピン又はスピンドルによって係合させることが係わる。スピンドル及び工作物を一体に推し進めるために力を働かせると、スピンドルと工作物の間の相互作用によって摩擦熱が生じ、材料の双方の接合面に可塑化が引き起こされる。スピンドルを接合部に沿って横断させ、進ませながら材料を可塑化させると、前進するスピンドルの後に残される可塑化した材料が冷えて溶接が形成される。
【０００３】
図１は、摩擦攪拌溶接に使用されている工具であって、肩部１２と、肩部から外向きに延びているピン１４と、を有する略円筒形の工具１０を特徴とした工具の斜視図である。ピン１４を工作物１６に押し当てて十分な熱が発生するまで回転させ、十分な熱が発生した時点で、工具のピンを可塑化される工作物材料へ突き刺す。工作物１６は、多くの場合、接合線１８のところで一体に突き合わされる２つの薄板材料又は板材料である。ピン１４は接合線１８のところで工作物１６へ突き刺される。
【０００４】
工作物材料１６に押し当てられたピン１４の回転運動によって生じる摩擦熱は、工作物材料を、溶融点に達することなく軟化させる。工具１０が接合線１８に沿って横切るように動かされると、それにより、可塑化した材料がピンの周りを先導縁から追従縁へ流動してゆくことで、溶接が作り出される。その結果、接合線１８に固相結合部２０が得られるが、この結合部は、一般に、他の溶接に比べ工作物材料１６そのものと見分けがつかないものとなる。
【０００５】
肩部１２が工作物の表面に接触したとき、その回転が追加の摩擦熱を生じさせて、差し込まれたピン１４周りのより大きな材料円柱を可塑化させることが観察される。肩部１２は、工具ピン１４によって引き起こされる上向きの金属流動を封じ込める鍛造力を提供する。
【０００６】
ＦＳＷ中、溶接されるべき区域と工具は互いに対して、工具が所望の溶接継ぎ長さを横断するよう動かされる。回転するＦＳＷ工具は、連続的な高温加工行為を提供しており、基材金属に沿って横切るように動き、その間、金属をピン１４の先導面からその追従縁へ運びながら、狭い区画内の金属を可塑化させてゆく。工具が通過する際に液体は一切生じないので、溶接区画が冷めても典型的に固化は起こらない。いつもというわけではないが多くの場合、結果としてもたらされる溶接は、溶接の区域に形成された欠陥のない再結晶化細粒微細構造である。
【０００７】
これまでの特許文献は、以前には機能上溶接できないと考えられていた材料を用いて摩擦攪拌溶接を遂行できることの恩恵を教示している。これらの材料の中には、融解溶接できないものもあれば、とにかく溶接するのが難しいだけのものもある。これらの材料には、例えば、金属マトリックス複合材、鋼やステンレス鋼の様な合金鉄、及び非鉄材料が含まれる。同様に摩擦攪拌溶接の利点を生かすことができた材料のもう１つの部類に超合金がある。超合金は、より高い溶融温度の青銅又はアルミニウムを有する材料のこともあり、更に他の元素が混和されていることもある。超合金の例を幾つか挙げると、ニッケル、鉄−ニッケル、及び一般的に華氏１０００度より上の温度で使用されるコバルトを基材とする合金がある。超合金の中によく見られる追加の元素には、限定するわけではないが、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオビウム、タンタル、及びレニウムが含まれる。
【０００８】
チタンも摩擦攪拌溶接にとって望ましい材料であることに留意されたい。チタンは、非鉄材料ではあるが、他の非鉄材料より高い溶融点を有している。
これまでの特許は、摩擦攪拌溶接される材料よりも高い溶融温度を有する材料を使用して形成された工具が必要であることを教示している。幾つかの実施形態では、超砥粒が工具中に使用された。
【０００９】
本発明の実施形態は、概して、これらの機能上溶接できない材料並びに超合金に関係するものであり、その様な材料及び超合金は、本書全体を通じてこれ以後「高溶融温度材料（ＨＭＴＭ）」と呼称されている。また一方、本発明の原理は、アルミニウムの様な低溶融温度材料及び高溶融温度材料の一部と見なされていない他の金属類及び合金類にも適用できる。
【００１０】
ＦＳＷ技術における昨今の進歩は、鋼及びステンレス鋼の様な高溶融温度材料同士を摩擦攪拌溶接の固体接合プロセス中に一体に接合するのに使用することのできる工具をもたらした。
【００１１】
先に解説されている様に、この技術には特別な摩擦攪拌溶接工具を使用することが係わる。図２は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ：Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）チップ３０、固定用カラー３２、動きを防止するための熱電対止めねじ３４、及びシャンク３６、を示している。この工具の他の設計も本発明人らの先行技術に示されており、それらはモノリシックな工具や他の設計を含んでいる。
【００１２】
この摩擦攪拌溶接工具を使用すると、様々な材料の摩擦攪拌溶接に効果的である。この工具設計は、ＰＣＢＮ及びＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）の他に各種工具チップ材料を使用する場合にも効果的である。これらの材料の幾つかは、タングステン、レニウム、イリジウム、チタン、モリブデン、など、の様な耐熱性物質を含んでいる。
【００１３】
本発明人らは、鋼、ステンレス鋼、ニッケルを基材とする合金、及び多くの他の合金の様な、高溶融温度合金類と共に使用するための摩擦攪拌溶接技術の開発における先導者となってきた。この技術は、多くの場合、多結晶立方晶窒化ホウ素工具、液冷式工具保持具、温度捕捉システム、及び制御された摩擦攪拌溶接プロセスを持つための適正な機器、を必要とする。
【００１４】
当技術がこれらの材料を接合するための優れた方法として確立されるや、ＭｅｇａＳｔｉｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬＬＣ社は、この技術から大いに恩恵を受ける応用の探求を開始した。摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）の最大の応用の１つは、パイプラインの様な弓状表面を接合することである。
【００１５】
先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｈｉｇｈ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｓｔｅｅｌｓ）がパイプラインへ実施されようとしており、というのも、必要な材料が少なくて済み、より高い強度特性が得られ、パイプライン全体の費用を低くできるからである。従来の融接方法を使用することには、ＡＨＳＳに係る課題が横たわる。産業界では、パイプラインの継ぎ目はことごとく欠陥又はひび割れを内包することが容認されている。これらの欠陥は、高度自動式融接システムを用いてさえ排除することは無理との理由で容認されている。ＡＨＳＳを溶接することは、当該材料の組成が本質的により多くの融接欠陥を引き起こすことから、既存のパイプライン鋼よりもはるかに難しい。
【００１６】
ＦＳＷは今やパイプ部分同士を接合するための実行可能な技術として確立されている。パイプ部分同士を接合するための摩擦攪拌溶接機械が開発されている。回転式の工具が摩擦熱を発生させながら接合部へ突き入る。工具が工作物断面へ突き入ってしまえば、工具は、接合部を一体に「攪拌」させながらパイプの周りを周方向に進行するよう仕向けられる。次いでＦＳＷ工具は待避させられ、機械はパイプに沿って摩擦攪拌溶接されるべき次のパイプ接合部へ動かされる。
【００１７】
ＨＭＴＭのＦＳＷ中に最近観察されることの１つは、プロセス中に工具の周りに流動する材料は改質されて接合される基材よりも細かい粒構造を有するようになることである。一部の高溶融温度合金では、攪拌される材料の温度での非常に短いプロセス時間がはるかに高速な急冷とより高い硬度を生み出すので、接合部の特性が更に強化されることもあり、それは何れの既知の熱処理方式でも実現され得ない偉業である。これらの観察は、以下に摩擦攪拌加工（ＦＳＰ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）として呼称されている新しい技術を生み出した。
【００１８】
一部の特定のＨＭＴＭは、摩擦攪拌加工されると非常に高い硬度と靭性の特性を持つものとなり得る。これは、ＦＳＰ中に粒構造の精錬と材料の溶液硬化が同時に起こることによって成就される。この革命的な材料加工方法については、係属中の特許に加え、名高い学術誌に発表されている、本発明の裏にある科学知識を記載した論文がある。ＦＳＰは、それを使用すれば材料の硬度及び靭性を劇的に高めることができることから、石油及びガス産業、原子力産業、自動車産業、航空宇宙産業、及び建設産業に強い関心をかき立てている。この技術以前には、１つの材料にこれらの特性を併せて実現する既知の方策はなかった。例えば、ＦＳＰは、軟鋼の延性を維持しながら炭化タングステンの硬度を持つ材料又は材料の限局部分を作成することができよう。この技術を利用して販売されている商業製品の１つの例がＦＲＩＣＴＩＯＮ  ＦＯＲＧＥＤ（商標）手持ち式ナイフである。このナイフは、ＦＳＰ技術を利用しており、鋭利さ、硬度、及び靭性が世界中の他のどのナイフよりどれ程優れているかを示すデータ及び公開文献を有している。
【００１９】
ＦＳＰは、典型的なＦＳＰ機器及び工具使い法を使用して開発されてきた。研究或いは生産の何れかのために現在ＦＳＷを遂行している殆どの施設は、典型的に、平坦な部分同士を接合している。これの幾つかの例には、船の甲板材、列車のデッキ及び床材、熱交換器、及び平パネル接合、が含まれる。ＦＳＷ工具に掛けられる荷重は、典型的に、軸方向への数トンに軸力の５０％までの横方向工具力を合わせたものになろう。平板や平部分相手の作業では、工作物は台へねじで取り付けられている商業的に入手可能なクランプによって保持させることができる。これらのクランプは、機械式か又は油圧式かのどちらかの方式で締めることができるようになっている。ＦＳＷは、従来の金属機械加工によく似た機械プロセスであるため、これらの従来式クランプが十分間に合う。場合によっては、より厚肉の部分同士のＦＳＷには増加された工具荷重が必要になるため、追加のクランプが必要になる。
【００２０】
本書では、ＦＳＰとは何れかの固体接合法をいう。湾曲状又は弓状の表面へのＦＳＰに適合され得る商業的に入手可能な保持システム又は締め付けシステムは無い。特化された弓状の台を利用し平坦用途で使用されているのと同じ締め付けシステムを取り付けた特注仕様の締め付けシステムを設計し製造することはできるかもしれないが、これらのシステムは、可変半径又は複雑な弓状表面に対応することができないため実用性がない。
【００２１】
加えて、ＦＳＰは、往々にして、１つ又はそれ以上の材料種を別の材料の弓状表面へ付着させるか又は貼り合わせることを要求することもあれば、同様に後加工が要求されることもあり、費用及び無駄が増える。このことが更に、基材工作物をＦＳＰ工具の加工荷重に耐えるようにどうやって保持するかのみならず、その表面上に配置されるＦＳＰ材料をどうやって保持するかをも複雑化させる。更に、基材工作物上へ摩擦攪拌加工されることになる単数材料又は複数材料の熱的膨張は基材工作物材料とは異なる場合が多く、材料同士を所定場所に保持するには熱的膨張の差を勘案せねばならない。従って、摩擦攪拌加工されることになる弓状表面上の所定場所に材料を経済的に保持するために、独創的且つ新奇性のある方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、摩擦攪拌加工を遂行するために、平坦又は弓状の表面を有する材料が、同じく平坦又は弓状の表面を有する基板に当接して所定場所に保持されることを可能にするための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、摩擦攪拌加工材料を、湾曲状の表面を有する基板上の所定場所に、固体プロセスを使用して摩擦攪拌加工材料を湾曲状基板中へ混成することを目的に、保持するためのシステム及び方法であり、システムは、摩擦攪拌加工材料を基板へ付着させる各種機械的手段であって、摩擦攪拌加工が経済的、効率的、且つ安全なものとして遂行されることを可能にするはずの機械的手段のうちの１つを選択する段階を含んでいる。
【００２４】
当業者には、以下の詳細な説明を添付図面と併せて考察することにより、本発明の上記及び他の目的、特徴、利点、及び代わりの態様が明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】摩擦攪拌溶接のための先行技術に教示されている工具の斜視図である。
【図２】脱着式多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）チップ、固定用カラー、及びシャンクの斜視図である。
【図３】どの様にＦＳＰ材料をＦＳＰ基板のポケットに挿入してＦＳＰ材料を基板と面一にさせるかという概念を示している斜視図である。
【図４】ＦＳＰ材料をドリルパイプへ固着させる前の、ドリルパイプ接合部の端の周りに位置付けられたＦＳＰ材料を示している斜視図である。
【図５】所定場所に位置付けられ、締め付け力を掛けるために止めねじを含んでいる環体で所定場所に保持されたＦＳＰ材料を示している斜視図である。
【図６】所定場所に位置付けられ、同じ又は異なった材料の帯体であって後で脱着させることのできる帯体によって所定場所に保持されたＦＳＰ材料を示している斜視図である。
【図７】どの様にＦＳＰ帯体がＦＳＰ材料と係合して基板上の位置を保持及び維持するかの２つの実現性を示している斜視図である。
【図８】摩擦ビット接合を用いての設置時にどの様にＦＳＰ材料が保持されるかを示している斜視図である。同様の保持は、干渉型の機械式締結具（即ち、押圧嵌めピン、リベット、など）を使用して実現させることができる。
【図９】摩擦ビット接合を用いての設置時にどの様にＦＳＰ材料が保持されるかを示している斜視図である。
【図１０】位置付けられたＦＳＰ材料を引き留めるためにどの様にピンチローラーが動的保持システムとして使用され得るかを示している斜視図である。
【図１１】ＦＳＰ材料を基板に対し保持する動的張力を掛けるのにどの様にケーブル又はチェーンが使用され得るかを示している斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
これより本発明の詳細事項を参照してゆくが、その中で本発明の様々な要素は、当業者が本発明を行ったり使用したりすることが可能になるように説明され論じられている。以下の記述は、本発明の原理の例示に過ぎず、付随の特許請求の範囲を矮小化するものと見るべきではないことを理解しておきたい。
【００２７】
材料をＦＳＰのために弓状表面を覆って所定場所に位置付け保持することに対する「一法全適」の解は無いであろう。そのため、弓状表面への摩擦攪拌加工によって提起される課題を経済的、効率的、且つ安全に解決することのできる画期的概念の一系列が開発された。これらの概念は相互に組み合わせて使用することができること、またこれらの概念の実施形態は本発明の範囲から逸脱することなく使用されてもよいこと、を認識しておくことが肝要である。
【００２８】
ドリルパイプ研磨耐性を改善することは、摩擦攪拌加工から恩恵を受けることのできる商業的応用の一例であり、それ故、本発明の実施形態が実行可能なものとなることが要求される。ドリルビットが地面を掘削してゆく際には回転しなくてはならず、一体にねじ止めされてドリルストリングを形成しているパイプの多くの部分もまた掘削プロセスを可能にするべく回転する。必然的に、絶えず回転するドリルパイプは直径が摩耗し、継続的に交換されねばならない。ドリルパイプの交換には経済的に莫大な費用が掛かり、世界中にくまなく多くの掘削リグを供給するとなれば物流的難儀を来す。
【００２９】
掘削は、更に、ドリルストリングを、掘削された穴の区間にセメントで固められた金属ケーシング（管材）を通して延ばした状態で行われる。ケーシングは、穴の区間がより深く掘削されてゆく際に穴自体が崩落するのを防ぐために使用される。ドリルストリングの回転は、ドリルストリングを実際に摩耗させるのみならず、ケーシングをも、ケーシング失陥が起こりかねない程に摩耗させる。この問題は、水平掘削が行われる場合にはなおいっそう顕著となる。ドリルストリングが水平方向に曲がり始めると、それはケーシングの湾曲状部分を摩耗させる。ケーシングが失陥すれば、当該場所での掘削は停止しなくてはならず、かなりな投資金が失われることになろう。
【００３０】
現在、ハードバンディングと呼ばれる融解又は溶融／固化プロセスが、ドリルパイプの摩耗耐性を改善するべく使用されている。融解ハードバンディングは、炭化物の硬い粒子を混ぜた金属を溶かし、この混合物をパイプの表面へ塗工することによって遂行される。溶融混合物が固化したら、ハードバンディングが用いられたパイプの表面外観は非常に粗くなっている。掘削運転中、ハードバンディングの区域内の硬い粒子が、掘削中のケーシングの望まれざる切れ、擦れ、又は削れ、を引き起こすことがある。この問題があまりに激しいと、ドリルリグに大型磁石を使用して、今や掘削液中に漂うケーシングの部片が除去されることになる。これらのケーシング部片は、ハードバンディングが遂行された場合にドリルパイプが掘削中にケーシングの部分と接触することによってケーシングから削り取られるものである。
【００３１】
多くの考えられ得る例の単に１つとして、弓状表面を有するドリルパイプ接続部を使って、ハードバンディング用に使用されることになる材料がどうやって弓状表面上の所定場所に位置付けられ保持されながら摩擦攪拌加工されるかを説明してゆく。
【００３２】
図３は、本発明の第１の実施形態を斜視図に描いている。本図は、湾曲状表面を有する摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）基板４２を示している。ＦＳＰ基板４２は、パイプ又は湾曲状表面を有する何れかの他の工作物とすることができる。ＦＳＰ基板４２は、湾曲状表面に形成されているポケット４４又は窪みを有していてもよい。ポケット４４を形成する方法は、本発明の特許性のある態様であるとは考えていない。重要なことは、ポケット４４がＦＳＰ基板４２の湾曲状表面に作成されているということである。ポケット４４のアウトラインはＦＳＰ基板４２上に示されている。ポケット４４は、ＦＳＰ基板４２の湾曲状表面に一致するものとすることができる。
【００３３】
次いで、ポケット４４内に、摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）材料４８が配置される。ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板４２の湾曲状表面に一致するように形成されていよう。ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板４２の湾曲状表面と面一であってもよいが、それは必須ではない。
【００３４】
ＦＳＰ材料４８は、何れかの適切な手段を用いて所定場所に保持されるものであり、その様な手段には、拡散結合、緩衝嵌め、リベット、仮付け溶接、接着剤、及び後で除去されることになるか又はＦＳＰ基板４２及びＦＳＰ材料４８中へ摩擦攪拌加工されることになるろう付け材料、が含まれるが、それらに限定されると考えられてはならない。
【００３５】
ＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工されてしまうＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板とは異なった材料とすることができる。例えば、ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板４２上に元のＦＳＰ基板材料よりも硬い区分を作り出すために、ＦＳＰ基板４２よりも硬い単数材料又は複数材料を含んでいてもよい。ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ４２とは異なっていて、それによりＦＳＰ基板を強化することになる、特性又は品質を有していてもよい。より硬い材料を元のＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工するこのプロセスが、ＦＳＰ基板へのハードバンディングを成就することになる。
【００３６】
ポケット４４は、ポケット内に配置されるＦＳＰ材料４８よりも広く作られていてもよい。ポケット４４を基板材料４８よりも広く作ることにより、ＦＳＰ基板４２、ＦＳＰ材料４８、又はその両方、の膨張を許容する膨張ギャップ４６を提供することができる。何れかの材料の膨張は、ＦＳＰ基板４２及びＦＳＰ材料４８が熱せられた際に起こり得る。ＦＳＰ材料４８の膨張は、１つ又はそれ以上の方向であるかもしれず、より多くの膨張自由度の１つが必要になる。図３は、更に、ＦＳＰ材料４８をＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工するのに使用することのできる摩擦攪拌加工工具４０を示している。
【００３７】
ポケット４４はＦＳＰ基板４２を部分的に廻って延在していてもよいし、又はＦＳＰ４２の全周を廻って延在していてもよいものと理解されたい。また、複数のポケット４４がＦＳＰ基板４２上の複数の箇所に在ってもよい。
【００３８】
ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板４２の湾曲状表面に対し法線方向にある接触面を有するものとすることができる。ＦＳＰ工具４０は、消耗性工具であってもよいし、非消耗性工具であってもよい。
【００３９】
図４は、本発明の或る代わりの実施形態を示している斜視図である。具体的には、ＦＳＰ基板４２にはポケット４４が設けられていなくてもよい。代わりに、ＦＳＰ材料４８は、ＦＳＰ基板４２の湾曲状表面上に配置されることになる。本図は、ＦＳＰ材料が今回はＦＳＰ帯体４８として形成されていることを示している。ＦＳＰ帯体４８は、材料の条片であってもよいし、又はそれはＦＳＰ基板４２の周りに嵌る完全な管体を既に形成していてもよい。
【００４０】
ＦＳＰ帯体４８は、適切とされる何れかの手段を用いて、ＦＳＰ基板４２へ固着することができる。図４は、ＦＳＰ基板４２を形成しているドリルパイプの端を示している。ＦＳＰ帯体４８は、摩擦攪拌加工中に所定位置から脱しないように、ＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工される前に固着される必要があろう。
【００４１】
図５は、摩擦攪拌加工遂行時にＦＳＰ帯体４８を所定場所に保持するための本発明の１つの実施形態の斜視図である。この図は、締め付け環体５０をＦＳＰ帯体４８上に配置させることができることを示している。締め付け環体５０は、ＦＳＰ帯体４８の上の所定場所に締め付け環体を保持するための止めねじ７０を含んでいよう。ＦＳＰ帯体４８を保持するのに単一の締め付け環体５０しか必要でない場合もあるものと理解されたい。
【００４２】
この実施形態は止めねじ７０の使用を示しているが、この実施形態は、円筒状ＦＳＰ基板４２の長軸上を下方へ滑らせることなく半径方向に脱着させるようになった継手とラッチの組立体を含め、締め付け環体５０を所定場所に保持するための何れの適した手段を使用することもできよう。締め付け環体５０は、更に、ＦＳＰ帯体４８を捕えるようにＦＳＰ基板４２の湾曲状表面へ融解接合させ、その後、切削や研削及び当業者に知られている他の後加工技法の様な機械的な除去方法を用いて除去することのできる材料から作られた消耗性の環体又は弧体で構成されていてもよい。
【００４３】
図６は、ＦＳＰ工具４０が摩擦攪拌加工に使用されている間、ＦＳＰ帯体４８をＦＳＰ基板４２上の所定場所に保持するための或る異なった実施形態の斜視図である。この実施形態は、１つ又はそれ以上の犠牲帯体５２をＦＳＰ帯体４８の一端又は両端に配置させることができることを示している。犠牲帯体５２は、何れの適した材料で構成されていてもよい。犠牲帯体５２は、ＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工されるようになっていてもよいし、又はそれらは全部又は部分が何れかの適した後加工手段によって除去されるようになっていてもよい。
【００４４】
図７は、どうやって犠牲帯体５２はＦＳＰ帯体４８を摩擦攪拌加工のために所定場所に保持することができるかについての詳細を示している近接斜視図である。１つの実施形態では、犠牲帯体５２はＦＳＰ帯体４８と或る角度５４を形成している。ＦＳＰ帯体４８は犠牲帯体５２側の角度に対して相補的な角度５４を有していてもよい。
【００４５】
或る代わりの実施形態として、図７は、犠牲帯体５２とＦＳＰ帯体４８が重なり合う相補的な平行面５６を有していてもよいことを示している。重なり合う平行面５６は、犠牲帯体５２がＦＳＰ帯体４８をＦＳＰ基板４２上の所定場所に保持することを可能にする。平行面５６の１つの利点は、ＦＳＰ帯体４８、犠牲帯体５２、又はその両方、の熱的膨張を許容するギャップ６６を提供できることである。
【００４６】
ＦＳＰ帯体４８を所定場所に保持するのに他の手段が提供されてもよい。これらの他の手段には、押圧嵌めピン、リベット、及び当業者に知られている他の手段が含まれるが、それらに限定されると考えられてはならない。重要なことは、ＦＳＰ帯体４８を所定場所に保持するのに何れの機械的閉じ込め又は付着の手段が使用されてもよいということである。
【００４７】
図８は、本発明の別の実施形態の斜視図である。ＦＳＰ帯体４８は、ＦＳＰ基板４２が摩擦攪拌加工される前に、ＦＳＰ基板４２に対し１箇所又はそれ以上の箇所で付着されている。この代わりの実施形態では、それらを一体に付着するのに摩擦攪拌接合が使用されている。例えば、摩擦攪拌ビット５８を使用して、ＦＳＰ帯体４８及びＦＳＰ基板４２へ切り込むことができる。高回転速度を使用して両材料を貫いて切り込んだ後、摩擦攪拌ビット５８の回転速度を下げ、ＦＳＰ帯体４８とＦＳＰ基板４２と摩擦攪拌ビット５８の固体加工を生じさせれば、それらの間の固体結合が可能になろう。
【００４８】
ＦＳＰ帯体４８上方に盛り上がっている摩擦攪拌ビット５８の部分は、剪断されてもよいし、又はＦＳＰ帯体及びＦＳＰ基板４２中へ摩擦攪拌加工されるように残留されてもよい。更に、ＦＳＰ帯体４８のＦＳＰ基板４２に対する保持は、何らかの種類の干渉型の機械式締結具（即ち、押圧嵌めピン、リベット、など）を用いて実現させることもできるものと理解されたい。
【００４９】
図９は、本発明の或る代わりの実施形態を示している斜視図である。ＦＳＰ帯体４８をＦＳＰ基板４２へ固着するのにピン６０を使用することができる。ピン６０は、ＦＳＰ帯体４８の孔６８に挿通されている。孔６８は、摩擦攪拌加工中のＦＳＰ帯体４８の熱的膨張を可能にする方向に長くなっていてもよい。例えば、保持部６８は、ＦＳＰ基板４２の長軸に沿って引き伸ばされていてもよい。
【００５０】
ピン６０は、干渉嵌め、ねじ、又はピンを取り付けるのに適切な何れかの他の手段を用いて、ＦＳＰ基板４２へ付着させることができる。更に、ＦＳＰ基板４２に、ねじ部有り又はねじ部無しの孔をあけることが必要である場合もあろう。ピン６０は、頭部が有っても無くてもよい。
【００５１】
図１０は、本発明の別の実施形態の斜視図である。この実施形態では、ＦＳＰ帯体４８をＦＳＰ基板４２に当接に保持するのに１つ又はそれ以上のピンチローラー６２を使用することができる。ＦＳＰ工具４０は、それが摩擦攪拌加工を遂行する際にＦＳＰ帯体４８をピンチローラー６２に当接に押圧することになる。ピンチローラー６２は、ＦＳＰ帯体４８をＦＳＰ基板４２上の正しい位置に引き留めるための動的保持システムを形成することができる。
【００５２】
図１１は、ＦＳＰ帯体４８がＦＳＰ基板４２上の所定場所に保持されることを可能にする本発明の別の実施形態の斜視図である。この実施形態では、ＦＳＰ帯体４８を所定場所に保持する動的張力を掛けるのにケーブル６４又はチェーンを使用することができる。ケーブル６４は、手動又は自動で、ＦＳＰ帯体４８の周りに引き締め力を掛けて、ＦＳＰ帯体４８の周りに力を加え、それを所定場所に締め付けることができる。
【００５３】
本発明の何れの実施形態についても、ＦＳＰ工具４０がＦＳＰ帯体４８のＦＳＰ基板４２中への摩擦攪拌加工を完遂した後、ＦＳＰ工具に因る何らかの孔を無くすためにランオフタブが使用されてもよいものと理解されたい。
【００５４】
本発明の別の態様は、ＦＳＰ帯体４８及びＦＳＰ基板４２へ、冷却を提供することを目的に、液体又は空気を適用することである。冷却は、摩擦攪拌加工中の熱的膨張を最小限にするのに助けとなろう。
【００５５】
本発明の別の実施形態は、ＦＳＰ基板４２のＯＤへねじ部を切り、ＦＳＰ帯体４８のＩＤへ相補的なねじ部を切る、というものである。次いで、ＦＳＰ帯体４８はＦＳＰ基板４２上へねじ付けられる。ねじ部は摩擦攪拌加工中に消耗してゆくことになる。
【００５６】
以上に説明されている配置構造は、本発明の原理の適用の単なる例示であると理解されたい。本発明の精神と範囲を逸脱することなく、数々の修正及び代わりの配置構造が当業者によって考案されるかもしれない。付随の特許請求の範囲は、その様な修正及び配置構造を網羅するものとする。
【符号の説明】
【００５７】
１０  工具（先行技術）
１２  肩部
１４  ピン
１６  工作物
１８  接合線
２０  固相結合部
３０  多結晶立方晶窒化ホウ素チップ
３２  固定用カラー
３４  熱電対止めねじ
３６  シャンク
４０  摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）工具
４２  摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）基板
４４  基板のポケット
４８  摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）材料、ＦＳＰ帯体
５０  締め付け環体
５２  犠牲帯体
６０  ピン
６２  ピンチローラー
６４  ケーブル
６６  ギャップ
６８  孔
７０  止めねじ
【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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【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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【国際調査報告】
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