JP2017534469A - 切断工具の予備材料を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、切断工具用の予備材料、特に鋸刃や鋸帯の予備材料を製造する方法に関連する。当該方法においては、金属キャリア材料からなるバンド状のキャリアと高速度鋼からなるワイヤが、当該キャリアの側縁に沿って連続的に当接されながら溶接装置へ搬送される。前記側縁に沿って前記キャリアが前記ワイヤに溶接されることによりバイメタルバンドが形成される。前記キャリアと前記ワイヤは、少なくとも第一溶接装置と第二溶接装置によって溶接される。前記第一溶接装置は、前記キャリアの一方の側に配置される。前記第二溶接装置は、前記キャリアの前記一方の側とは反対側に配置される。【選択図】図１
Description
本発明は、切断工具（特に鋸刃や鋸帯）の予備材料を製造する方法に関する。
木材や金属を加工するための鋸のような工具は、経済的に利用可能とされるために幾つもの要件の全てを満足する必要がある。例えば、鋸刃や鋸帯は、可撓性かつ弾性を有する材料からなる必要がある。噛合の結果として当該鋸刃が曝される引張応力を吸収可能であるだけでなく、切断作業中に当該鋸刃や鋸帯が曝される曲げ力および対応する捩りモーメントや、切断テーブルの上下に延びる縦軸を中心とする回転中あるいは切断位置の前後において曝される応力に耐えられることも要する。加えて、加工される材料に係合する個々の歯によって生じる動的負荷だけでなく、歯領域（特に歯先）において６００℃以上に達する温度による熱的負荷も存在する。帯状部材の冷却によりこの熱が除去されると、熱負荷のみならず、温度勾配とこれに対応する熱応力が生じ、機械的応力（特に動的応力）に加わる。
鋸刃や鋸帯の靱性および曲げ強度と、鋸刃の高温硬さおよび耐摩耗性に関する要求は、単一の材料（金属や合金など）では十分に満足されない。高性能切断工具の初期要素あるいは予備材料として、いわゆるバイメタルのバンドやストリップが好適に使用される。当該バイメタルのバンドやストリップは、キャリア材料のシート状キャリアからなる。当該キャリアは、後に切断工具となったときに必要な靱性と曲げ強度を有しており、例えば低合金鋼あるいは炭素鋼のキャリアである。一般に、より高い耐摩耗性と高温硬さを有する刃先材料のエッジワイヤが、当該シート状キャリアの縁際領域に溶接される。高速度鋼（ＨＳＳ）が、当該刃先材料として一般的に使用される。
鋸の製造者は、続いてこの予備材料から鋸刃や鋸帯を製造する。そのため、圧延や研磨などによって、後の鋸刃や鋸帯の歯型が、溶接された高速度鋼ワイヤが位置するシート状キャリアの端に形成される。高速度鋼の尖った領域に歯が形成されるため、鋸刃や鋸帯の残りの部分は、強靭かつ柔軟な鋼のシート状キャリアからなる。鋸に対する要求によっては、歯は刃先材料のみから形成されてもよいし、歯の先端のみが刃先材料から形成されてもよい。後者の場合、シート状キャリアに至る歯の基端は、強靭で柔軟なキャリア材料からなる。しかしながら、キャリア材料と刃先材料の溶接部は、歯領域に位置することになる。
このような切断工具用のバイメタル予備材料を製造するために、金属キャリア材料からなる帯状のキャリアと高速度鋼からなるワイヤが、当該帯状キャリアの側縁に沿って連続的に合流され、溶接装置へと搬送されることが一般的である。当該溶接装置において、帯状キャリアの側縁に沿ってワイヤとの溶接がなされ、バイメタルバンドが製造される。これに一般的に用いられるのがレーザ溶接ヘッドである。レーザ溶接ヘッドは、溶接されるアセンブリの一方の側に配置され、深溶接処理によって帯状キャリアと高速度鋼のエッジワイヤとの間にフィラーフリーの接続部を形成する。レーザ溶接に代えて、他の溶接法（電子ビーム溶接法など）も用いられうる。
キャリア材料と高速度鋼の間の溶接部は、歯領域に位置することが一般的である。しかしながら、当該領域は、技術製造上の観点や冶金上の観点からは問題となりうる領域である。他方、帯状キャリアの狭い側部とワイヤの完全な溶接は達成される。また、溶接継ぎ目の望ましくない隆起や邪魔になる溶接ビードの形成が避けられる。さらに、溶接中に形成される溶接継ぎ目や様々な材料が混ざった領域は、硬度が低く、大きな変形抵抗を有する。
特に高速度鋼が刃先材料に用いられる場合、製造上の理由により、溶接継ぎ目の隆起や溶接ビードの形成が避けられない。そのような溶接ビードは、後続の処理において邪魔になるだけでなく、被加工物との摩擦が大きくなるために鋸帯や鋸刃としての後の使用時に問題となる。よって、キャリア材料を高速度鋼ワイヤに溶接した後、形成されたバイメタルバンドを圧延処理したり厚さを調節したりすることが一般的である。当該処理は、ドレッシング処理として知られている。しかしながら、バンド表面における溶接ビードの隆起した領域は変形量が大きく、当該バンドの所定断面内に押し込まれる。結果として、圧延された領域の両側における材料の収縮が生ずる。これにより、変形された溶接ビードの両側に長手方向に延びるスコアが形成される。ドレッシングによる当該スコアの形成は、例えば特許文献１の図１から図３に示されている。このような溶接継ぎ目の再加工は、特許文献２にも記載されている。当該文献においては、当該スコアの形成を避けるために、溶接後にバイメタルバンドの表面を機械加工（研削など）することによって溶接継ぎ目や溶接ビードの隆起した領域を除去することが提案されている。
これにより、続くドレッシング処理においてはバイメタルバンドの断面内に押し込まれる材料が存在しなくなり、長手方向に延びるスコアも生じないという効果が得られる。
上述のスコアは、不要なものである。歯間の隙間が成形されて各歯部が鋸刃あるいは鋸帯面に対して曲げられた（セッティング）後、歯領域のスコアは、溝の底部により大きなストレスをもたらし、クラックが生じるリスクを高める。これにより、鋸の使用中における歯の先端の破損や鋸の寿命の短縮が生じうる。しかしながら、特許文献１において提案されているバイメタルバンドの機械加工は、製造プロセスのコストを高める。他方、特に比較的簡易な鋸刃や鋸帯の場合において、製造コストの上昇を可能な限り回避するように強く求められている。
よって、本発明の課題は、上述のような種別の切断工具の予備材料を製造する方法であって、バイメタルバンドの製造コストを抑制可能であるとともに、上述のようなスコアの形成と続く溶接部の機械加工を回避可能であり、高品質の鋸刃または鋸帯を低コストで製造可能であるものを提供することにある。
上記の技術的問題は、請求項１に記載された切断工具の予備材料を製造する方法によって解決される。当該方法に係る有利な詳細事項は、従属請求項に記載されている。
本発明は、切断工具用の予備材料、特に鋸刃や鋸帯の予備材料を製造する方法に関する。当該方法においては、金属キャリア材料からなるバンド状のキャリアと高速度鋼からなるワイヤが、当該キャリアの側縁に沿って連続的に当接されながら溶接装置へ搬送される。前記側縁に沿って前記キャリアが前記ワイヤに溶接されることによりバイメタルバンドが形成される。前記キャリアと前記ワイヤは、少なくとも第一溶接装置と第二溶接装置によって溶接される。前記第一溶接装置は、前記キャリアの一方の側に配置される。前記第二溶接装置は、前記キャリアの前記一方の側とは反対側に配置される。
本発明は、バンド状のキャリアとＨＳＳワイヤを含む被溶接アセンブリを挟んで反対側に配置された少なくとも二つの溶接装置を使用することによって、各溶接装置により導入される熱エネルギーが大幅に低減されうるという思想に基づいている。これにより、各面に加えられるエネルギーを少なくしても複合材料の溶接が可能である。この手法によれば、溶接継ぎ目の隆起や溶接ビードの形成が顕著に抑制されうるとともに、バンドの両面が同等とされうる。
シートまたはバンドに対する両側溶接法は長きにわたり知られているが、当該手法は、技術的に洗練されたプロセス（積層複合材料、被覆材料、軽金属合金などの溶接必要性がより高い材料）において使用されることが常である（特許文献３と４を参照）。しかしながら、当業者は鋸刃や鋸帯用のバイメタルバンドの製造に当該手法を適用しようとは考えなかった。シート状キャリアの両側に配置された少なくとも二つの溶接装置の使用は、技術的により複雑であり、バイメタルバンドの製造に使用される従来の片側溶接法よりも高価だからである。当業者は、このように製造されたバイメタルバンドが鋸刃の製造について価格競争力を持つとは期待しない。
しかしながら、より複雑な溶接法でありながら、結果的にコスト削減が可能であることが驚きとともに見出された。生産性が向上されうるだけでなく、本発明に係る方法によれば、後で溶接部を機械加工しなくても溶接継ぎ目の隆起や溶接ビードの形成が非常に僅かであることが驚きとともに示された。これにより、バンドのドレッシングのような後の加工工程において長手方向に延びるスコアが形成されない。よって、溶接部を研磨しなくても非常に高品質の鋸刃とバンドが製造されうる。この驚くべき結果は、金属の板やバンドの両側溶接に関する従来技術からは予期できなかった。また、この手法により、溶接継ぎ目のストレス抑制と難しい材料の組合せにおけるホットクラックの抑制がなされうる。さらに、上側のビードを均す必要のない新規な製品が製造されうる。
この評価は、例えば１９５４年に発行された特許文献５によって無効にされるものではない。当該文献は、鋸刃用の複合材料バンドを製造する複雑な方法を記載している。当該方法の一実施形態においては、両側溶接法（アーク溶接、サブマージアーク溶接）も用いられている。しかしながら、これらの溶接法は、フィラーの使用が必須である。また、本発明とは異なり、両側溶接がなされる特定の場合において高速度鋼だけでなく炭素含有量の多いクロム鋼が使用される。特許文献５に記載された方法では、低コストの製造は不可能である。
特許文献６に記載されている鋸刃の製法においては、高速度鋼のワイヤがバンド状キャリアに溶接される。当該製法において用いられているのは、抵抗溶接法である。抵抗溶接法においては、対向するローラが電極として機能する。言わばバンド状キャリアを境に一つの溶接装置が分割されているかのようであり、当該電極間を流れる電流は、間に位置する材料を均一に加熱する。本発明とは異なり、バンド状キャリアの一方の側に第一の溶接装置が配置され、その反対側に第二の溶接装置が配置されている構成ではない。
本発明に係る方法は、さらに以下の利点を有する。シート状キャリアの両側で溶接動作が行なわれるため、より高い対称性を有する溶接継ぎ目が形成される。結果として、後段の鋸刃や鋸帯の歯の形成中においてより均一な挙動がもたらされる。これにより、切断中において鋸帯により導入される切断力をより均一にできる。
さらに、溶接深さを低減することにより（好ましくは材料厚の半分まで）、深溶接の物理的制限を回避でき、例えば溶接継ぎ目の幅が低減されうる。特に小さな歯を形成する場合には、溶接幅が小さいことが重要である。溶接継ぎ目は常に歯領域に形成される一方、できる限り大きなＨＳＳフラクションが要求されるからである。ＨＳＳのレベルが高ければ、歯あたりの溶接継ぎ目長さが長くなり、歯の破損に対する剪断安定性が向上する。
こうした利点は、特許文献５では示唆されていない。むしろ当該文献に記載された技術の狙いは、かなりの幅の中間領域を形成することにあり、溶接領域にフィラーを使用することを必要とする。隆起の小さい溶接継ぎ目が形成されうる点は特許文献５にも記載されているが、溶接が片側になされるか両側になされるかには依らない。
本発明に係る方法において提供される少なくとも二つの溶接装置は、直接対向するように配置されてもよいし、バンド状キャリアの搬送方向についてオフセットするように配置されてもよい。後者の場合、溶接装置同士がダメージを与えうる事態が防止されて有利である。二つの溶接装置が直接対向する場合、キャリアの表面へ垂直にエネルギーが導入されるのではなく僅かに角度をなすように溶接装置のアライメントがなされうる。これにより、当該場合においても相互ダメージが大きく排除されうる。
本発明に係る方法は、様々な溶接装置を用いて遂行されうるが、電子ビーム溶接装置が用いられることが好ましく、レーザ溶接装置が用いられることがより好ましい。
特許文献６に記載された抵抗溶接法と比較すると、本発明において好適に用いられるレーザ溶接は、多くの利点を有する。局所的に高いエネルギー強度が使用されて好適に深溶接プロセスが遂行される結果、特に抵抗溶接よりも非常に小さな領域のみが加熱および溶融される。これにより、接続プロセス後のコンポーネント全体の歪みが非常に僅かであるか皆無であるという利点がある。さらに、エネルギー強度が局所的に導入されることは、接続領域の溶融によってレーザ放射がよく吸収されうることを意味する。これにより、非常に小さく、とりわけ均一な溶接継ぎ目の隆起が形成される。不均一な溶接継ぎ目の隆起または溶接継ぎ目の窪み（すなわち充填されていない接続領域）は、鋸刃や鋸帯の意図された使用において不適当でありうる。そのような欠陥は、歯が破損するリスクを生じるからである。さらに、レーザ溶接中においては抵抗溶接よりも局所的に導入されるエネルギー量が大きいため、溶接がより速くなされうる。これにより、生産性が顕著に向上する。特に特許文献６に記載された抵抗溶接の特別な態様とは異なり、レーザ溶接中においてはワイヤとキャリアの間に相対移動がない。よって、加熱後のプレス中におけるワイヤの幅方向や延びる方向の歪みがない。
本発明に係る方法の好適な実施形態においては、溶接装置の出力が開ループ方式と閉ループ方式の少なくとも一方により制御可能である。例えば、溶接中に頻繁に生じる横収縮による熱歪み、およびその結果として生じる前記キャリアと前記ワイヤを備えた溶接アセンブリの曲がり（角度歪みとして知られる）は、記録されうる。対向配置された第一溶接装置と第二溶接装置からのエネルギーの導入は、当該角度歪みが最小となるように調節されうる。換言すると、第二溶接装置によってもたらされる横収縮は、第一溶接装置によってもたらされる横収縮に一致させられる。
本発明に係る方法でＨＳＳワイヤがキャリアに溶接される場合において得られる溶接継ぎ目の隆起が驚異的に小さいため、バイメタルバンドにドレッシングがなされる前の機械加工を省略できる。場合によっては、バイメタルバンドのドレッシングさえも省略可能であり、特に低コストの製法が実現される。
本発明は、上記の方法によって製造された予備材料からなる鋸刃または鋸帯にも関連する。この場合、当該鋸刃または鋸帯の切断部は、高速度鋼（ＨＳＳ）からなる。
鋸刃または鋸帯には、以下の組成を有するキャリア材料が用いられる。
炭素（Ｃ）：０．２〜１．５重量％
珪素（Ｓｉ）：２．０重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：２．０重量％以下
クロム（Ｃｒ）：７．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：３．０重量％以下
ニッケル（Ｎｉ）：１．５重量％以下
バナジウム（Ｖ）：０．６重量％以下
タングステン（Ｗ）：５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物
炭素（Ｃ）：０．２〜１．５重量％
珪素（Ｓｉ）：２．０重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：２．０重量％以下
クロム（Ｃｒ）：７．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：３．０重量％以下
ニッケル（Ｎｉ）：１．５重量％以下
バナジウム（Ｖ）：０．６重量％以下
タングステン（Ｗ）：５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物
このキャリア材料は、以下の組成を有する刃先材料とともに用いられる。
炭素（Ｃ）：０．５〜２．５重量％
珪素（Ｓｉ）：１．５重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：０．８重量％以下
クロム（Ｃｒ）：２．０〜６．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：１１．０重量％以下
バナジウム（Ｖ）：１０．０重量％以下
タングステン（Ｗ）：２０．０重量％以下
コバルト（Ｃｏ）：１５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物
Ｓｉ＋Ｖ＋Ｍｏ＋Ｗ／２の元素比率は、５重量％を上回る
炭素（Ｃ）：０．５〜２．５重量％
珪素（Ｓｉ）：１．５重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：０．８重量％以下
クロム（Ｃｒ）：２．０〜６．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：１１．０重量％以下
バナジウム（Ｖ）：１０．０重量％以下
タングステン（Ｗ）：２０．０重量％以下
コバルト（Ｃｏ）：１５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物
Ｓｉ＋Ｖ＋Ｍｏ＋Ｗ／２の元素比率は、５重量％を上回る
以下に列挙する添付の図面に示された実施形態例を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。
図１においては、切断工具の予備材料を製造するための本発明に係る方法の実施形態例が模式的に示されている。第一シート状キャリア１０の縁１１には、エッジワイヤとして形成されたＨＳＳワイヤ１３の縁１２が配置されていることがわかる。図示の例においては、当該シート状キャリアと当該ＨＳＳワイヤは、見やすさの観点から短い部品として描かれている。しかしながら、これらは不図示のリールから引き出された連続ストリップであることが好ましい。
バンド状キャリアの上側１４の上方には、第一レーザ溶接装置１５が配置されている。当該バンド状キャリアの下側１６の下方には、第二レーザ溶接装置１７が配置されている。シート状キャリア１０とＨＳＳワイヤ１３は、レーザ溶接装置１５、１７を通過するように矢印１８で示される方向へ搬送される。接続部１９がシート状キャリア１０とＨＳＳワイヤ１３の間に形成される。
図２は、従来技術に係る方法によって形成された溶接部の断面を模式的に示している。図１に示される接続部１９は、キャリア１０の上側にのみ作用するレーザビーム装置によって、キャリア１０とＨＳＳワイヤ１３の間に形成されている。隆起した上側ビード２０と幾らか小さく隆起した下側ビード２１の双方が形成されていることがわかる。接続部は、上側の方が下側よりも広い楔状の輪郭を有している。
これに対し、図３は、本発明に係る方法によって形成された溶接部１９の断面を模式的に示している。上側ビード２０と下側ビード２１の隆起が非常に小さいことがわかる。これにより、続くドレッシング処理においてスコアが形成されない。溶接継ぎ目は、断面全体にわたって非常に高い対称性を伴って形成されている。
Claims (10)
- 切断工具用の予備材料、特に鋸刃や鋸帯の予備材料を製造する方法であって、
金属キャリア材料からなるバンド状のキャリアと高速度鋼からなるワイヤが、当該キャリアの側縁に沿って連続的に当接されながら溶接装置へ搬送され、
前記側縁に沿って前記キャリアが前記ワイヤに溶接されることによりバイメタルバンドが形成され、
前記キャリアと前記ワイヤは、少なくとも第一溶接装置と第二溶接装置によって溶接され、
前記第一溶接装置は、前記キャリアの一方の側に配置され、
前記第二溶接装置は、前記キャリアの前記一方の側とは反対側に配置される、
方法。 - 前記第一溶接装置と前記第二溶接装置は、前記キャリアの搬送方向にオフセットするように配置される、
請求項１に記載の方法。 - 前記第一溶接装置と前記第二溶接装置は、レーザ溶接装置である、
請求項１または２に記載の方法。 - 前記第一溶接装置と前記第二溶接装置の出力は、開ループ方式または閉ループ方式で制御される、
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記キャリアと前記ワイヤを備える溶接アセンブリの角度歪みと溶接継ぎ目の隆起高さが記録され、
対向配置されている前記第一溶接装置と前記第二溶接装置の前記出力は、前記角度歪みと前記隆起高さが最小となるように調節される、
請求項４に記載の方法。 - 前記キャリアと前記ワイヤの間に形成された溶接継ぎ目は、前記バイメタルに所望のドレッシングがなされる場合、当該ドレッシングの前に機械加工に供されない、
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。 - 前記バイメタルバンドは、ドレッシングに供されない、
請求項６に記載の方法。 - 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法によって製造された予備材料からなる、
鋸刃または鋸帯。 - 前記キャリア材料は、以下の組成を有している、
請求項８に記載の鋸刃または鋸帯。
炭素（Ｃ）：０．２〜１．５重量％
珪素（Ｓｉ）：２．０重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：２．０重量％以下
クロム（Ｃｒ）：７．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：３．０重量％以下
ニッケル（Ｎｉ）：１．５重量％以下
バナジウム（Ｖ）：０．６重量％以下
タングステン（Ｗ）：５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物 - 前記高速度鋼は、以下の組成を有している、
請求項８または９に記載の鋸刃または鋸帯。
炭素（Ｃ）：０．５〜２．５重量％
珪素（Ｓｉ）：１．５重量％以下
マンガン（Ｍｎ）：０．８重量％以下
クロム（Ｃｒ）：２．０〜６．０重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）：１１．０重量％以下
バナジウム（Ｖ）：１０．０重量％以下
タングステン（Ｗ）：２０．０重量％以下
コバルト（Ｃｏ）：１５．０重量％以下
残りは、鉄（Ｆｅ）および精錬時に導入された付随元素や不純物
Ｓｉ＋Ｖ＋Ｍｏ＋Ｗ／２の元素比率は、５重量％を上回る
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