JP2020157371A - 組立スラブの組立方法及びこれを用いたクラッド鋼板の製造方法並びに組立スラブ - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の接合品質を向上させて組立スラブの不良の発生を抑える。【解決手段】１対の母材１０の間に、母材１０より面積が小さい２枚の合せ材２０を挟むように重ねるとともに、合せ材２０の外周に形成された母材１０同士の隙間にスペーサ材３０を配置する組立工程と、母材１０とスペーサ材３０とを溶接する工程と、を有し、母材１０は、合せ材２０が載置される載置面１０ｚと、載置面１０ｚに対し段差を有し、スペーサ材３０が接合される平坦状の接合面１０ｘ、１０ｙと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、母材と合せ材とを組み立ててクラッド鋼材を製造するための組立スラブの組立方法及びこれを用いたクラッド鋼板の製造方法並びに組立スラブに関する。

クラッド鋼材は、普通鋼の母材にステンレス鋼やチタンの合せ材を積層して被覆した鋼材である。クラッド鋼材は、ステンレス鋼やチタンなどを単独で使用する場合に比べて、低コストで同等の耐食性や耐摩耗性などの機能を発揮する。このため、材料費削減の観点から、その需要は増加している。

クラッド鋼材は、部材と合せ材とを積層させた組立スラブを製造し、組立スラブを熱間圧延等して製造される。この組立スラブの組立方法として、種々の技術が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１には、母材と合せ材とを重ね合わせ、母材と合せ材との接合面に電子ビームを照射して密閉溶接を行うことが開示されている。特許文献２には、母材と合せ材とを重ね合わせ、母材同士の隙間にスペーサ材を配置し、母材とスペーサ材とを真空中において高エネルギービーム溶接を行うことが開示されている。

特開昭６２−４５４８５号公報 特開平４−３０５３８４号公報

ここで、母材及び合せ材は、平坦な形状ではなく、反りもしくは歪みを有する形状になっている。このため、特許文献１のように母材と合せ材とを溶接する際、もしくは、特許文献２のように母材とスペーサ材とを溶接する際、両者の間に隙間が生じた状態で溶接が行われる可能性がある。溶接部分の隙間が所定量よりも大きい場合、溶接に支障をきたし、結果として組立スラブに不良が発生してしまう可能性がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、溶接部の接合品質を向上させて組立スラブの不良の発生を抑えることができる組立スラブの組立方法及びこれを用いたクラッド鋼板の製造方法並びに組立スラブを提供することを目的とする。

本発明は、これら課題を解決するために以下の構成を有する。
［１］ クラッド鋼材の素材になる組立スラブの組立方法であって、
１対の母材の間に前記母材より面積が小さい２枚の合せ材を挟むとともに、前記母材同士の隙間にスペーサ材を配置する組立工程と、
前記母材と前記スペーサ材とを溶接する溶接工程と、
を有し、
前記母材は、前記合せ材が載置される載置面と、前記載置面に対して段差になっており、前記スペーサ材が接合される平坦状の接合面と、を備えたことを特徴とする組立スラブの組立方法。
［２］ 前記組立工程において、前記母材の前記載置面に前記合せ材を接合し、前記母材に接合された前記合せ材同士を剥離材を介して積層することにより、１対の前記母材の間に前記２枚の合せ材を挟むように配置することを特徴とする［１］に記載の組立スラブの組立方法。
［３］ 前記母材に前記接合面を形成する際、
前記母材の周縁の形状を計測し、
計測した前記母材の周縁の形状のうち、基準面に対して最も低い最低位置を検知し、
検知した最低位置よりも低い位置に切削面を設定し、
設定した前記切削面に沿って前記母材の周縁を切削する
ことを特徴とする［１］または［２］に記載の組立スラブの組立方法。
［４］ 前記最低位置を検知する際、前記基準面に対する前記母材の周縁の高さ位置のばらつきが最も小さくなるように前記母材を傾斜させ、前記母材を傾斜させた状態で前記最低位置を検知することを特徴とする請求項３に記載の組立スラブの組立方法。
［５］ ［１］〜［３］のいずれかに記載のスラブの組立方法よって組み立てられたスラブを圧延してクラッド鋼板を製造することを特徴とするクラッド鋼板の製造方法。
［６］ クラッド鋼材の素材になる組立スラブであって、
１対の母材と、
１対の前記母材の間に挟まれており、前記母材より小さい面積の２枚の合せ材と、
１対の前記母材同士の隙間に配置されており、１対の前記母材のそれぞれと接合したスペーサ材と、
を有し、
前記母材は、前記合せ材が載置される載置面と、前記載置面に対し段差を有し、前記スペーサ材が接合される平坦状の接合面と、を備えたことを特徴とする組立スラブ。

本発明の組立スラブの組立方法及びこれを用いたクラッド鋼板の製造方法並びに組立スラブによれば、母材が、載置面に対し段差を有しスペーサ材が接合される平坦状の接合面を備えたことにより、母材全体の形状を矯正もしくは加工しなくとも、母材とスペーサ材とを隙間なく密着させた状態で溶接を行うことができるため、溶接部の接合品質を向上させて組立スラブの不良の発生を抑えることができる。

本発明の組立スラブの組立方法の好ましい実施形態を示す工程図である。 図１の母材に合せ材が接合される様子を示す模式図である。 図１及び図２の母材の一例を示す斜視図である。 図１及び図２の母材の一例を示す断面図である。 図３及び図４に示す母材に接合面を形成する様子を示す模式図である。 下に凸の反り形状を有する母材に接合面を形成した様子を示す斜視図である。 上に凸の反り形状を有する母材に接合面を形成した様子を示す斜視図である。 従来の組立スラブの一例を示す模式図である。 従来の組立スラブの組立方法の別の一例を示す工程図である。 図９の母材に合せ材が接合される様子を示す模式図である。 図９及び図１０の従来の組立スラブの組立方法により組み立てられた組立スラブの一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明のスラブの組立方法の好ましい実施形態を示す工程図であり、図２は、図１の母材に合せ材が接合される様子を示す模式図である。なお、図２において、組立スラブ１の内部構造を示すため、上部の母材１０を省略している。図１及び図２の組立スラブの組立方法は、クラッド鋼材を製造するための組立スラブ１を組み立てる方法であって、組立スラブ１の素材となる１対の母材１０と、２枚の合せ材２０と、スペーサ材３０とが予め用意される。

母材１０は、例えば炭素鋼または低合金鋼等の鋼板からなっている。後述するように、母材１０には、予めスペーサ材３０との接合面１０ｘ、１０ｙの切削、研磨及び面出等の所定の加工が施されている。合せ材２０は、ステンレス鋼、ニッケル鋼もしくはチタン鋼等からなっており、酸洗及び研磨等の各種加工が施されている。この合せ材２０の水平面（図２におけるＸ−Ｙ平面）の面積は、母材１０の面積より小さく形成されている。

スペーサ材３０は、例えば母材１０と同じ材料からなっている。スペーサ材３０は所定のサイズに切断されており、短冊状の板に形成されている。スペーサ材３０に対し形状の矯正及び研磨等が予め行われる。この際、母材１０との接合面の隙間は例えば０．７ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下に研磨される。

次に、図１及び図２を参照して、組立スラブの組み立て方法について説明する。まず、１対の母材１０の間に２枚の合せ材２０が挟まれるように配置され、合せ材２０の外周に形成された母材１０同士の隙間にスペーサ材３０が配置される（組立工程）。この際、母材１０の載置面１０ｚに合せ材２０が厚み方向（矢印Ｚ方向）に積層され、母材１０と合せ材２０とが仮溶接されて接合される。仮溶接された母材１０と合せ材２０との組み合わせが２つ用意され、合せ材２０同士が対向するように積層される。このとき、合せ材２０の対向面には、後工程で分離できるように剥離材（離型材）等が塗布されている。このとき、合せ材２０の周縁（４辺）には、１対の母材１０同士に挟まれた隙間が形成される。この各辺の母材１０同士の隙間にスペーサ材３０がそれぞれ配置されていく。

その後、母材１０とスペーサ材３０とが例えば真空状態内に設置されて真空溶接され（溶接工程）、組立スラブ１が作製される。真空状態で溶接工程を行うことにより、母材１０とスペーサ材３０との接合面の酸化を防止することができる。さらに、組立スラブ１は、熱間圧延ラインにおいて所定の厚さに圧延された後、合せ材２０間の剥離材の面で剥がされる。その結果、１つの組立スラブ１から２枚のクラッド板が製造される。

ここで、母材１０は、通常、反りや歪みの形状を有する。この反り形状等を有する母材１０上にスペーサ材３０が載置された場合、母材１０とスペーサ材３０とは隙間なく密着した状態にはならず、隙間が生じた状態になる。この隙間が生じた状態で溶接が行われると、溶接部分に不良が生じる可能性が生じる。そこで、母材１０とスペーサ材３０とが隙間なく密着した状態で溶接工程が行われるように、事前に母材１０の外縁には切削加工等により平坦に加工された接合面１０ｘ、１０ｙが形成される。

図３は図１及び図２の母材の一例を示す斜視図であり、図４は図１及び図２の母材の一例を示すＸ−Ｚ断面図（もしくはＹ−Ｚ断面図）である。図３及び図４に示すように、母材１０は、合せ材２０が載置される載置面１０ｚと、載置面１０ｚに対して段差になっており、スペーサ材３０が接合される平坦状の接合面１０ｘ、１０ｙとを有する。載置面１０ｚは母材１０の中央部分に形成され、合せ材２０の面積よりも大きく形成されている。よって、載置面１０ｚ上に合せ材２０が載置されたとき、合せ材２０の側縁は載置面１０ｚの内側に位置する。

接合面１０ｘ、１０ｙは、載置面１０ｚの四方を囲うように母材１０の周縁に形成されており、例えば水平面（Ｘ−Ｙ平面）に沿って形成されている。接合面１０ｘ、１０ｙの幅は同一に形成されており（Ｗ１＝Ｄ１）、スペーサ材３０の幅とも同一になるように形成されている。これにより、母材１０の４つの各辺に同じ幅のスペーサ材３０を配置することができ、接合面１０ｘ、１０ｙごとに異なるサイズのスペーサ材３０を用意する必要がなくなる。

接合面１０ｘ、１０ｙは、例えばフライス盤等を用いた切削加工により形成されており、載置面１０ｚに対して低い段差になっている。一方、載置面１０ｚ内においては、反りもしくは歪みがあっても切削加工等は施されておらず、反り形状等を有する載置面１０ｚ上に合せ材２０が載置される。つまり、母材１０において切削加工等を行う領域は、接合面１０ｘ、１０ｙのみになっている。

ここで、接合面１０ｘ、１０ｙの切削方法として種々の方法を採用することができる。
図５は、図３及び図４に示す母材に接合面を形成する様子を示す模式図である。なお、
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）においてはＸ−Ｚ方向において下に凸の反り形状になっている母材１０の場合について例示する。まず、図５（Ａ）において、作業テーブル上に載置されたときの作業テーブル面（Ｘ−Ｚ平面）を基準面Ｚｒｅｆ（Ｚ＝０）とする。この状態において、最も高さ位置が低くなる最低位置Ｚｍｉｎを検出し、最低位置Ｚｍｉｎ以下の低い水平面（Ｘ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面）が切削面ＣＦ０として設定される。そして、切削面ＣＦ０に沿って切削加工が行われ、接合面１０ｘ、１０ｙが形成される。

なお、切削面ＣＦ０の設定は、切削加工時に切削装置にクランプされた状態で行うようにしてもよいし、事前に母材１０の周縁の形状を計測しておき、予め切削面ＣＦ０を設定しておいてもよい。すなわち、予め母材１０の周縁の反り高さが測定され、測定された母材１０の周縁の反り高さのうち、最も低い最低位置Ｚｍｉｎを検知し、検知した最低位置Ｚｍｉｎよりも低い位置に切削面ＣＦ０を設定するようにしてもよい。

図５（Ａ）においては、母材１０が作業テーブルに安定的にクランプされた状態で最低位置Ｚｍｉｎを規定した場合について例示している。これに対し、図５（Ｂ）に示すように、切削量が最も少なくなるように母材１０を傾斜させて切削面ＣＦ０を設定し、切削加工を行うようにしてもよい。

すなわち、切削量を最も少なくするためには、母材１０の周縁における高さ位置のばらつきが最も小さい姿勢になるように、母材１０自体を傾斜させて切削面ＣＦ０を設定すればよい。そこで、予め母材１０の周縁の形状を計測し、周縁の高さ位置に最もばらつきが少ない姿勢が算出される。このとき、母材１０の周縁の形状計測は、連続的に計測を行ってもよいし、所定のピッチ間隔で計測を行っても良い。そして、図５（Ｂ）に示すように、例えば支点４１が支点４２より高さΔｚだけ高い位置で母材１０を保持するようにして母材１０を傾斜させた状態で保持する。この状態で切削加工が行われることで、切削量及び作業時間を低減するようにしてもよい。

図５（Ｂ）において、切削面ＣＦ０は水平面に維持され、母材１０を傾斜させた場合について例示しているが、図５（Ｃ）のように、母材１０は作業テーブル上に安定的に載置させておき、切削面ＣＦ１を傾斜させるようにしてもよい。この場合、母材１０を作業テーブルへ固定する際の支点４１、４２の高さ調整が不要になる。なお、切削面ＣＦ１が水平面に対し傾斜していても、母材１０とスペーサ材３０とを接合する際には、切削面ＣＦ１が水平面に平行になるように位置決めすれば、母材１０とスペーサ材３０とは隙間なく接合することができる。

＜実施例＞
図６は、下に凸の反り形状を有する母材に接合面を形成した様子を示す斜視図であり、図７は、上に凸の反り形状を有する母材に接合面を形成した様子を示す斜視図である。なお、図６及び図７において、母材１０の材料は炭素鋼（ＪＩＳ鋼材規格：ＳＳ４００）であり、母材１０の寸法（図３におけるＷ０×Ｄ０×Ｈ０）は、３５００ｍｍ×２０００ｍｍ×７０ｍｍに形成されている。また、母材１０に対し上反りもしくは下反りの加工をＺ／Ｘ＝最大３．０／３５００ｍｍを施した。接合面１０ｘ、１０ｙの加工には、切削加工機の定盤にクランプして固定し、形状計測から接合面１０ｘ、１０ｙの加工の終了まで母材１０をクランプから外さずに実施した。形状計測の際の測定ピッチは、Ｘ方向及びＹ方向ともに全面１００ｍｍ、外縁（四周）のみ５０ｍｍで計測して、外縁の最低位置Ｚｍｉｎを検出した。

そして、最低位置Ｚｍｉｎからさらに０．５ｍｍ低い位置を切削面ＣＦ０として設定し、母材１０の周縁の幅Ｄ１＝Ｗ１＝７０ｍｍの範囲に対し面出し加工（高さ統一）を行った。その結果、母材１０の接合面１０ｘ、１０ｙに要した時間は、クランプ時間５分、加工時間１０分、払い出し時間５分であった。そして、図６及び図７のいずれの場合も、母材１０とスペーサ材３０との隙間は０．５ｍｍ以下となった。

上記実施の形態によれば、母材１０が、載置面１０ｚに対し段差になっており、スペーサ材３０が接合される平坦状の接合面１０ｘ、１０ｙを備えたことにより、母材１０全体の形状を矯正もしくは加工しなくとも、母材１０とスペーサ材３０とを隙間なく密着させた状態で溶接を行うことができる。このため、溶接部分の接合品質を向上させて組立スラブ１の不良の発生を抑えることができる。また、反っている母材１０の全面ではなく、接合する領域を部分的に切削すればよいため、全面を切削する場合に比べて作業時間は２０分の１以下に削減することができる。

図８は、従来の組立スラブの別の一例を示す模式図である。図８のように、母材１０と合せ材２０とを溶接する際、母材１０と合せ材２０との合わせ面に隙間ΔＨが存在すると、溶接ビードが形成されなくなる。クラッド鋼材が所望の機能を果たすには、母材１０と合せ材２０との強固な結合が必要である。母材１０と合せ材２０との結合を確保するため、組立スラブの内部を真空にする必要がある。この際、所望の真空度を得るには、間隙を０．５ｍｍ以内に抑えた状態で溶接しなければならない。このため、母材１０及び合せ材２０の双方について全面にわたって機械加工を施し、平坦な面に仕上げなければならず、作業コスト、作業時間を要してしまう。

図９は、従来の組立スラブの組立方法の一例を示す工程図であり、図１０は図９の母材に合せ材が接合される様子を示す模式図であり、図１１は、図９及び図１０の従来の組立スラブの組立方法により組み立てられた組立スラブの一例を示す模式図である。図９〜図１１に示すような組立スラブの組立方法の場合、母材１０とスペーサ材３０とを密着させるため、組立工程と溶接工程との間に、プレス矯正機やレベラーで母材１０の形状を平坦に整えるプレス工程が必要となる。あるいは、組立工程において、母材１０にスペーサ材３０を重ねる際に、油圧ジャッキ装置や油圧クランプ装置で母材１０間にスペーサ材３０を挟み込み、スペーサ材３０との隙間をなくすクランプ工程が必要となる。プレス工程やクランプ工程は、厚板の反りや歪み量に応じて矯正作業に試行錯誤が要求され、油圧ジャッキ等を用いた重筋作業であるため、作業効率が低下してしまう。

一方、上記実施の形態の場合、母材１０の周縁を切削加工して平坦状の接合面１０ｘ、１０ｙを備えたことにより、母材１０とスペーサ材３０とを隙間なく密着させた状態で溶接を行うことができる。また、反っている母材１０の全面ではなく、接合する領域を部分的に切削すればよいため、全面を切削する場合に比べて作業時間は２０分の１以下に削減することができ、反り矯正と同等以上の接合品質となる組立スラブ１が得られる。

さらに、接合面１０ｘ、１０ｙは、平坦状に研磨されているだけでなく、載置面１０ｚに対して段差になっている。このため、スペーサ材３０が載置面１０ｚ側に入り込むことない。すなわち、合せ材２０の側面とスペーサ材３０との間には隙間が形成されるような配置にすることができるため、溶接部が合せ材２０まで達するのを確実に防止することができる。また、図９〜図１１のようにプレス工程もしくはクランプ工程における試行錯誤が不要になり、組立スラブの組立の自動化を図ることができる。

特に、合せ材２０同士を剥離材を介して積層して、１対の母材１０の間に２枚の合せ材を挟むように配置することにより、圧延後に同時に製造された２枚のクラッド鋼材を容易に分離させることができる。

また、計測した母材１０の周縁の形状のうち、基準面に対して最も低い最低位置Ｚｍｉｎよりも低い位置に切削面ＣＦ０を設定して切削することにより、母材１０の周縁全体にわたり、母材１０とスペーサ材３０とを隙間なく密着させることができる。

なお、図５（Ｂ）のように、基準面Ｚｒｅｆに対する母材１０の周縁の高さ位置ｚのばらつきが最も小さくなるように母材１０を傾斜させ、母材１０を傾斜させた状態で最低位置を検知したとき、切削量を最小限に抑えることができ、作業の効率化を図ることができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。たとえば、上記実施の形態において、接合面１０ｘ、１０ｙは、水平面（ＸＹ平面）に対して平行な平坦面である場合について例示しているが、スペーサ材３０と隙間なく接合するものであればその形状を問わない。また、接合面１０ｘ、１０ｙのそれぞれの幅Ｗ１及びＤ１は、同一である場合について例示しているが、異なる幅を有していても良い。

１ 組立スラブ
１０ 母材
１０ｘ、１０ｙ 接合面
１０ｚ 載置面
２０ 合せ材
３０ スペーサ材
４１、４２ 支点
ＣＦ０、ＣＦ１ 切削面
Ｚｍｉｎ 最低位置
Ｚｒｅｆ 基準面

Claims (6)

1. クラッド鋼材の素材になる組立スラブの組立方法であって、
   １対の母材の間に前記母材より面積が小さい２枚の合せ材を挟むとともに、１対の前記母材同士の隙間にスペーサ材を配置する組立工程と、
   前記母材と前記スペーサ材とを溶接する溶接工程と、
   を有し、
   前記母材は、前記合せ材が載置される載置面と、前記載置面に対して段差になっており、前記スペーサ材が接合される平坦状の接合面と、を備えたことを特徴とする組立スラブの組立方法。
2. 前記組立工程において、前記母材の前記載置面に前記合せ材を接合し、前記母材に接合された前記合せ材同士を剥離材を介して積層することにより、１対の前記母材の間に前記２枚の合せ材を挟むことを特徴とする請求項１に記載の組立スラブの組立方法。
3. 前記母材に前記接合面を形成する際、
   前記母材の周縁の形状を計測し、
   計測した前記母材の周縁の形状のうち、基準面に対して最も低い最低位置を検知し、
   検知した最低位置よりも低い位置に切削面を設定し、
   設定した前記切削面に沿って前記母材の周縁を切削する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の組立スラブの組立方法。
4. 前記最低位置を検知する際、前記基準面に対する前記母材の周縁の高さ位置のばらつきが最も小さくなるように前記母材を傾斜させ、前記母材を傾斜させた状態で前記最低位置を検知することを特徴とする請求項３に記載の組立スラブの組立方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の組立スラブの組立方法よって組み立てられたスラブを圧延してクラッド鋼板を製造することを特徴とするクラッド鋼板の製造方法。
6. クラッド鋼材の素材になる組立スラブであって、
   １対の母材と、
   １対の前記母材の間に挟まれており、前記母材より小さい面積の２枚の合せ材と、
   １対の前記母材同士の隙間に配置されており、１対の前記母材のそれぞれと接合したスペーサ材と、
   を有し、
   前記母材は、前記合せ材が載置される載置面と、前記載置面に対し段差を有し、前記スペーサ材が接合される平坦状の接合面と、を備えたことを特徴とする組立スラブ。

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