JP2015510452A - フラッシュバット溶接によって鋼構成要素を製造する方法、および本方法を用いて作成された構成要素 - Google Patents

フラッシュバット溶接によって鋼構成要素を製造する方法、および本方法を用いて作成された構成要素 Download PDF

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Abstract

フラッシュバット溶接接合部(24)を有する鋼構成要素(14、30、32)を製造する方法は、フラッシングによって溶接接合部(24)をフラッシュバット溶接し、その溶接部をアプセットする段階を含む。この方法は、溶接部をアプセットする段階後に、前記構成要素(14、30、32)の少なくとも溶接接合部(24)に熱(22)を供給して溶接接合部(24)の温度を増大させる、または溶接接合部(24)の温度を高温で維持する段階を含む。

Description

本発明は、鋼から軸受リングなどの構成要素を製造する方法に関する。本発明はまた、かかる方法を用いて製造された構成要素に関する。
フラッシュバット溶接、または「フラッシュ溶接」は、金属レール、ロッド、チェーン、またはパイプのセグメントを接合する抵抗溶接技術であり、この技術では、セグメントの端部同士を位置合せし、帯電させ、電気アークを生成し、この電気アークによってセグメントのこれら端部を溶融し、溶接し、それによって極めて強力かつ平滑な接合部をもたらす。
フラッシュバット溶接回路は通常、低電圧、高電流のエネルギー源(通常は溶接変圧器)と、2つのクランプ電極とからなる。溶接すべき2つのセグメントを電極で把持し、それらのセグメント同士が対合し軽く接触するまで互いに引き合わせる。変圧器に通電することによって、高密度の電流を、互いに接触している領域に流す。フラッシングが開始し、フラッシング作用を維持するのに十分な力および速度でセグメントが一体に鍛造される。溶接すべき2つの表面で熱勾配が確立された後、アプセット力を印加すると溶接が完了する。このアプセット力によって、溶接ゾーンからスラグ、酸化物、および溶融金属が押し出され、加熱された金属のより低温のゾーンに溶接付着物が残ることになる。次いで、この接合部を僅かに冷却してから、クランプを開いて溶接済物品を解放する。溶接付着物は、要件に応じてそのまま残しておいても、または溶接済物品がまだ熱いうちにシャーリング加工によって除去しても、またはグラインディングによって除去してもよい。
フラッシュバット溶接は簡単かつ効率のよい溶接技術であるが、フラッシュバット溶接によって、構成要素の溶接接合部近傍の物理的特性に悪影響が及ぼされることがあり、その原因は、フラッシュバット溶接中および溶接後に生じる、溶接割れ／焼割れなどの欠陥であり、また、溶接接合部の周囲の溶接熱影響部(HAZ)において、鋼のミクロ組織がフラッシュバット溶接によって改変されることにもよる。
本発明の目的は、フラッシュバット溶接接合部を有する鋼構成要素を製造する改善された方法を提供することである。
この目的は、フラッシングによって接合部をフラッシュバット溶接し、その溶接部をアプセットする段階と、次いで溶接部をアプセットする段階後に、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給して溶接接合部の温度を増大させる、または溶接接合部の温度を高温に維持する段階と、を含む方法によって達成される。
溶接部をアプセットする段階後に、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給することによって、溶接割れ／焼割れなどの欠陥を回避する、または低減させることができる。さらに、溶接接合部の周囲の溶接熱影響部(HAZ)のミクロ組織を、少なくとも部分的にフラッシュバット溶接前のミクロ組織に回復させることができ、それによって製造された構成要素の溶接接合部の周囲に軟化ゾーンが生じることはない。すなわち、フラッシュバット溶接後に溶接熱影響部(HAZ)に通常見られる粗大なベイナイト組織は、フラッシュバット溶接後に、少なくとも溶接接合部に熱を供給することによって少なくとも部分的に変態させることができ、それによってHAZにおける鋼の硬度／靱性が少なくとも部分的に回復または改変されて、フラッシュバット溶接工程からの熱によって悪影響を受けなかった鋼の残りの部分の硬度／靱性と実質的に一致させることができる。
熱は、溶接接合部の近傍だけに供給しても、構成要素の1つまたは複数の部分に供給してもよく、そうするとすぐに、例えば構成要素自体の伝導によって、熱を溶接接合部に伝達することができる。すなわち、熱は、少なくともフラッシュバット溶接によって悪影響を受けた鋼、すなわち構成要素の溶接接合部の周囲または各溶接接合部の周囲の溶接熱影響部(HAZ)における鋼に供給される。
本発明の一実施形態によれば、本方法は、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給して前記構成要素の溶接接合部の温度を増大させる段階前、かつ溶接部をアプセットする段階後に、パーライト/ベイナイトを形成するために、構成要素をマルテンサイト開始温度(Ms)を超える温度まで冷却する段階を含む。
本発明の一実施形態によれば、熱は、誘導加熱手段などの加熱手段を用いて少なくとも溶接接合部を加熱することによって供給される。
本発明のさらなる実施形態によれば、熱は、フラッシュバット溶接装置を用いて少なくとも溶接接合部を加熱することによって供給される。熱は、好ましくはフラッシュバット溶接装置を用い、交流(AC)を使用して少なくとも溶接接合部を加熱することによって供給され、したがって直流(DC)を使用した場合よりも構成要素を低温に保持することができる。
本発明の一実施形態によれば、熱は、付加的にまたは代替的に、溶接部をアプセットする段階後に、少なくとも溶接接合部を断熱することによって供給される。熱絶縁材料を少なくとも溶接接合部の周りに設けて、構成要素の冷却を防止する、または冷却速度を低減させることができる。溶接部をアプセットする段階後に、例えば熱絶縁材料のスリーブを溶接接合部の周りに配置してもよい。
本発明の別の実施形態によれば、本方法は、少なくとも溶接接合部に熱を供給する段階後だけに、構成要素を例えば室温まで冷却する段階を含む。
本発明のさらなる実施形態によれば、本方法は、熱を供給する段階後に、構成要素の少なくとも一部を硬化させる段階を含む。構成要素は、例えば熱を供給する段階と硬化させる段階との間で、例えば室温まで、冷却することができる。
本発明のさらなる実施形態によれば、構成要素は、軸受リングなどのリングである。本発明による方法は、それだけに限られるものではないが、特に、大型寸法のリング(すなわち0.5m以上、1m以上、2m以上、または3m以上の外径を有するリング)の製造に適している。
本発明の別の実施形態によれば、鋼は、0.1〜1.1重量%、好ましくは0.6〜1.1重量%、または最も好ましくは0.8〜1.05重量%の炭素含有量を有する。
本発明の一実施形態によれば、鋼は重量%で以下の組成、すなわち
C： 0.5〜1.1
Si： 0〜0.15
Mn： 0〜1.0
Cr： 0.01〜2.0
Mo： 0.01〜1.0
Ni： 0.01〜2.0
Vおよび/またはNb： Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0
S： 0〜0.002
P： 0〜0.010
Cu： 0〜0.15
Al： 0.010〜1.0
および通常生じる不純物
であって、残部がFe
の組成を有する。
鋼のケイ素含有量を最小限に抑え、かつマンガンおよびクロム(これらは酸化しやすい合金元素である)の含有量を上記のレベルまで低減することによって、この鋼はより安定となり、フラッシュバット溶接中に容易には酸化しなくなる。鋼の硫黄含有量を絶対最小値まで低減させると、フラッシュバット溶接を施した鋼における望ましくない非金属介在物の含有量が最小限に抑えられる。硫黄含有量を極めて低くすることを保証するとともに、非金属介在物の形状の制御を確保する製鋼中の特殊な取鍋処理によって、高度な板厚全体を通じた延性を得ることができる。
鋼にフラッシュバット溶接を施す際に、鋼の残留元素またはトランプ元素がオーステナイト粒界に移動するのを妨げるように、鋼の燐含有量をもやはり絶対最小値まで低減され、そうでない場合には溶接部がかなり脆弱となる。モリブデン、ニッケル、および任意にバナジウムを添加することによって、大型構成要素(すなわち外径が500mm以上の構成要素)の無心焼入れが可能となるのに十分な焼入れ性が鋼に付与される。
したがって、かかる鋼を使用することによって、フラッシュバット溶接から生じる好ましくない材料流れの悪影響を制限することができる。すなわち、かかる鋼を使用することによって、接合済／溶接済構成要素に、そうでない場合には生じ得た構造的脆弱領域が含まれないため、優れた接合部／溶接部を有する接合済／溶接済構成要素が得られる。したがって、かかる接合済／溶接済構成要素は、かかる鋼を備えない接合済／溶接済構成要素に比べて高度の構造一体性を有する。したがって、かかる鋼はフラッシュバット溶接に、特に高い疲労特性および靱性特性が求められる用途向けの構成要素の製造に適しており、このような構成要素には、製造中、または製造後にフラッシュバット溶接が施される。
本発明はまた、本発明の実施形態のいずれかによる方法を用いて製造された構成要素に関する。この構成要素は、軸受に使用される軸受リングなどのリングでよく、軸受には、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、トロイダルころ軸受、スラスト軸受、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなど、ヘルツ応力を交番して受けるいかなる用途にも適した軸受などが含まれる。軸受は、例えば自動車、風力、海洋、金属生産、または他の機械用途など、高い耐摩耗性、および／または増強された疲労強度および引張り強度が求められる用途に使用することができる。
本発明について、添付の概略図を参照しながら非限定的な例によって以下にさらに説明する。
本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。 本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。 本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。 本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。 本発明の一実施形態によるフラッシュバット溶接段階後の軸受リングを示す図である。 本発明の一実施形態による方法の諸段階を示す図である。 本発明の一実施形態による軸受を示す図である。
図面は、原寸に比例して示されておらず、見やすいようにある特徴の寸法が誇張されていることに留意されたい。
図1〜図4は、本発明の一実施形態による方法の様々な方法段階を概略的に示す。図1は、鋼10が鍛造されて、2つの対向する端部12aおよび12bを有する棒鋼12が作製される様子を示す。重量が4トン超、10トン超、15トン超、20トン超、またはそれ以上のインゴットから、スラブ、ブルーム、またはビレットを鍛造することができる。少なくとも1本の棒鋼を、スラブ、ブルーム、またはビレットから鍛造または切り出すことができる。ビレットは、230cm2未満の面積の、円形または正方形の断面を有する1本の金属である。ブルームは、その断面積が230cm2よりも大きい点を除いて、ビレットと同様である。スラブは、断面が長方形の1本の金属である。鋼は、重量%で以下の組成、すなわちC：0.5〜11、Si：0〜0.15、Mn：0〜1.0、Cr：0.01〜2.0、Mo：0.01〜1.0、Ni：0.01〜2.0、Vおよび/またはNb：Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0、S：0〜0.002、P：0〜0.010、Cu：0〜0.15、Al：0.010〜1.0、ならびに通常生じる不純物の組成、残部Fe、を有することができる。
図示の実施形態に示す棒鋼12の端部12a、12bは、棒鋼12の側面12c、12dに対して90°の角度を成す端部を備えることに留意されたい。しかし、棒鋼12は、棒鋼の側面12c、12dに対して90°超の、または90°未満の角度を成す端部12a、12bを備えてもよく、すなわち棒鋼12は、斜めに傾斜した端部を備えてもよい。さらに、棒鋼12の端部12aおよび12bは、必ずしも平坦な表面を有しなくともよい。
棒鋼の少なくとも1つの表面12a、12b、12c、12dの少なくとも一部を、フラッシュバット溶接前に浸炭させてもよい。例えば、分解時に炭素を遊離させる別の材料の存在下で棒鋼を加熱し、次いで焼入れによって急冷する任意の従来方法を用いて、対向する端部を一様にまたは非一様に浸炭させて、連続した、または非連続の浸炭層を形成することができる。
図2は、単一の棒鋼12が、開口した軸受リング14に形成されたものを示す。あるいは、複数の棒鋼12をそれぞれ環状セグメントに形成し、次いで2つ以上の環状セグメントを一体にフラッシュバット溶接して、2つ以上の溶接接合部を備える軸受リング14を形成してもよいことに留意されたい。
図3は、開口した軸受リング14の端部12aと12bとが一体にフラッシュバット溶接されている様子を示す。開口した軸受リング14の端部12a、12bは、把持され、制御された速度で互いに引き合わせられ、変圧器16からの電流が印加される。2つの端部12aと12bとの間にアークが生成される。フラッシュバット溶接工程の始めには、アークギャップ18は、2つの表面12a、12bを平らにし、クリーンにするのに十分なほど広い。ギャップ18を減少させ、その後開閉させることによって、2つの表面12a、12bに熱が生じる。2つの表面12a、12bの温度が鍛造温度に達すると、図3のブロック矢印20の方向に圧力が印加される(または、移動可能な端部を、静止した端部に押し付けて鍛造する)。2つの表面12aと12bとの間にフラッシュが生じ、それによって溶接領域にあるいかなる炭素も、表面12a、12bから軸受リングの内側表面および外側表面12c、12dの方へと半径方向外方に流れることになり、その結果クリーンな溶接接合部が得られる。フラッシング後に、アプセット力を急激に印加すると、溶接が完了する。このアプセット力によって、溶接ゾーンからスラグ、酸化物、および溶融金属が押し出され、加熱された金属のより低温のゾーンに溶接付着物が残る。
本発明の一実施形態によれば、溶接部をアプセットして前記構成要素の溶接接合部の温度を増大させる段階後に、パーライト/ベイナイトを形成するために、溶接済軸受リングをマルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで冷却する。
図4は、フラッシング、アプセット、および冷却段階後に、構成要素の溶接接合部24に熱22を供給して溶接接合部24の温度を増大させる、または溶接接合部24の温度を高温に維持する様子を示す。熱22は、誘導加熱手段など、適切ないかなる加熱手段によっても供給することができる。追加的にまたは代替的に、熱22は、フラッシュバット溶接装置自体を用いて、例えば交流(AC)を使用して供給することができる。代替的に、または追加的に、溶接接合部24は、少なくとも溶接接合部24の周囲に熱絶縁材料を設けることによって断熱されてもよい。例えば、熱絶縁材料のスリーブを、溶接接合部24の周囲に配置してもよい。熱は、溶接接合部の温度が少なくとも5分間、約900℃の温度に保持されるように、溶接接合部24に供給することができる。
熱を供給する段階の後に、溶接済構成要素の少なくとも一部は、その表面硬度、耐摩耗性、および/または疲労強度および引張り強度を増大させるために、浸炭などの溶接後熱処理にかけられてもよい。浸炭とは、分解時に炭素を遊離させる別の材料の存在下で、鉄または鋼の構成要素を加熱する熱処理工程である。構成要素の外側表面は、元の材料よりも高い炭素含有量を有することになる。鉄または鋼の構成要素を焼入れによって急冷すると、より高い炭素含有量を有する外側表面が硬化することになり、一方コアは軟質(すなわち延性を有する)かつ強靭なままとなる。
代替的に、熱を供給する段階後に、溶接済構成要素を、例えば水、油、またはポリマーベースの焼入れで冷却してもよい。
溶接済軸受リングの内側表面12dおよび外側表面12cに蓄積した、例えばスラグ、酸化物、および/または溶融金属を含有したいかなる溶接付着物26(図5に示す)も、例えばシャーリング加工またはグラインディングによって除去することができる。
図6は、本発明の一実施形態による、鋼から構成要素を製造する方法の諸段階を示す。本方法は、フラッシングによって構成要素をフラッシュバット溶接し、その溶接部をアプセットする段階と、パーライト/ベイナイトを形成するために、構成要素をマルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで冷却する段階と、次いで、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給して溶接接合部の温度を増大させる、または溶接接合部の温度を高温に維持する段階とを含む。構成要素を、溶接接合部をアプセットする段階と、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給する段階と、の間で実質的に冷却することは許容されず、すなわち、構成要素は、例えば少なくとも溶接接合部に熱が供給される前に、室温まで冷却されることはない。所定時間、溶接接合部に熱を供給した後、構成要素の少なくとも一部に、例えば硬化熱処理を施すこともできる。
図7は、軸受28、すなわち寸法が直径10mmから直径数メートルまでの範囲におよび、かつ数十グラムから数千トンまでの負荷容量を有し得る転がり軸受の一例を示す。すなわち、本発明による軸受28は、いかなる寸法のものでもよく、いかなる負荷容量をも有することができる。軸受28は、内輪30および外輪32を有し、その一方または両方を、本発明によるリングによって構成することができ、また、この軸受28は、1組の転動体34を有する。転がり軸受28の内輪30、外輪32、および/または転動体34、ならびに好ましくは転がり軸受28の全ての転がり接触部品は、0.20から0.40重量%の炭素を含む鋼から製造される。
フラッシュバット溶接後に、構成要素の少なくとも溶接接合部に熱を供給する、本発明の一実施形態による方法を用いて製造された構成要素は、フラッシュバット溶接後に、構成要素に熱が供給されず、いかなる熱絶縁も用いずに構成要素が冷却される従来の方法を用いて製造された対応する構成要素よりも、小さな溶接熱影響部(HAZ)を有する。したがって、かかる構成要素は、前記従来の方法を用いて製造された構成要素に比べて、物理的特性が改善され、かつ/またはより均質となる。
特許請求の範囲に含まれる本発明のさらなる改変が、当業者には明白であろう。
10 鋼
12 棒鋼
12a、12b 端部
12c 外側表面
12d 内側表面
14 軸受リング
16 変圧器
18 アークギャップ
20 ブロック矢印
22 熱
24 溶接接合部
26 溶接付着物
28 軸受
30 内輪
32 外輪
34 転動体

Claims (17)

  1. フラッシュバット溶接接合部(24)を有する鋼構成要素(14、30、32)を製造する方法であって、
    該方法が、フラッシングによって前記溶接接合部(24)をフラッシュバット溶接し、溶接部をアプセットするステップを含む方法において、
    前記溶接部をアプセットするステップの後に、前記構成要素(14、30、32)の少なくとも前記溶接接合部(24)に熱(22)を供給するステップであって、前記溶接接合部(24)の温度を上昇させるか、または前記溶接接合部(24)の温度を高温に維持する、ステップを含むことを特徴とする、方法。
  2. 前記構成要素(14、30、32)の少なくとも前記溶接接合部(24)に熱(22)を供給するステップの前、かつ前記溶接部をアプセットするステップの後に、前記構成要素(14、30、32)を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで冷却するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記熱(22)が、加熱手段を用いて少なくとも前記溶接接合部(24)を加熱することによって供給されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記加熱手段が、誘導加熱手段を備えることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
  5. 前記熱(22)が、フラッシュバット溶接装置を用いて少なくとも前記溶接接合部(24)を加熱することによって供給されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  6. 前記熱(22)が、フラッシュバット溶接装置を用い、交流(AC)を使用して少なくとも前記溶接接合部(24)を加熱することによって供給されることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  7. 前記熱(22)が、前記溶接部をアプセットするステップの後に、少なくとも前記溶接接合部(24)を断熱することによって供給されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 少なくとも前記溶接接合部(24)に熱(22)を供給するステップの後のみに、前記構成要素(14、30、32)を冷却するステップを含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記溶接接合部(24)に熱(22)を供給するステップの後に、前記構成要素(14、30、32)の少なくとも一部を硬化させるステップを含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
  10. 前記鋼(10)が、0.1〜1.1重量%、好ましくは0.6〜1.1重量%、または最も好ましくは0.8〜1.05重量%の炭素含有量を有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記構成要素(14、30、32)が、リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記リング(14、30、32)が、軸受リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. 前記リング(14、30、32)が、0.5m以上の外径を有することを特徴とする、請求項11または12に記載の方法。
  14. 前記鋼(10)が、重量%で以下の組成、すなわち
    C： 0.5〜1.1
    Si： 0〜0.15
    Mn： 0〜1.0
    Cr： 0.01〜2.0
    Mo： 0.01〜1.0
    Ni： 0.01〜2.0
    Vおよび/またはNb： Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0
    S： 0〜0.002
    P： 0〜0.010
    Cu： 0〜0.15
    Al： 0.010〜1.0
    および通常生じる不純物
    を有し、
    残部がFe
    の組成を有することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法を用いて製造された構成要素(14、30、32)。
  16. リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項15に記載の構成要素(14、30、32)。
  17. 軸受リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項16に記載の構成要素(14、30、32)。
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