JP2864804B2

JP2864804B2 - 鋼材の熱間接合方法

Info

Publication number: JP2864804B2
Application number: JP3222553A
Authority: JP
Inventors: 隆夫高; 康人深田; 誠司岡田; 豊鈴木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JPH058058A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱間鋼材（熱間圧延
工程等において高温の状態にある鋼材）を室温まで冷却
することなく、しかも事前に特別の脱スケールを行うこ
となく高能率で接合し、高品質の接合部を得る方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄工場の様々な工程で歩留りと生産効
率の向上、熱エネルギーの節約を目的としたラインの連
続化が進められている。この連続化の中で最近最も重要
視されているのは、例えば 500〜1000℃の熱間鋼材を圧
延機の前で接合して連続圧延を行う技術である。

【０００３】従来、鋼板の酸洗ラインや冷間圧延のタン
デムミルの前に接合機を設置し、先行するコイルの後端
と後続するコイルの先端とを接合する技術は知られてお
り、その溶接法としては、フラッシュ溶接、レーザー溶
接、マッシュシーム溶接、アーク溶接等が用いられてい
る。これらの溶接法の対象は全て一旦冷却した材料であ
って、溶接時には高温の状態ではない。

【０００４】上記のような溶接法を高温でしかも走行中
の鋼材の接合に用いるのは極めて困難である。例えば、
フラッシュ溶接法では、電極が高温のため損傷し、また
被接合材のスケールのため通電が安定せず、さらにフラ
ッシュの発生が電極その他の装置のメインテナンスの大
きな障害となる。また、レーザー溶接法では高々数mmの
板厚の材料の溶接しかできず、熱間材の場合に要求が多
い厚物の溶接が今の技術では困難である。仮に板厚の薄
いものを対象にしても、熱間鋼材では高い突き合わせ精
度を出すのが不可能であり、溶接機のレンズ、ミラー等
の熱による損傷という問題もある。アーク溶接法も、熱
のためワイヤの送給等が不安定になり、しかも板両端の
溶け落ち、裏ビードの不安定、低能率といった問題があ
る。

【０００５】上記のような問題点を解決する方法とし
て、特開昭61−137691号公報に提案されるような機械的
接合方法もあるが、接合強度が不十分である。接合強度
が足りずに次の圧延工程で接合部の破断が起きると、工
程の乱れやロールの破損などの深刻なトラブルを招くこ
とになる。

【０００６】特開昭61−1489号公報には鋼板を重ね合わ
せて圧接する方法が提案されている。この方法は、圧接
する場合の最大の問題点であるスケールの除去を考慮し
た方法であるが、湿式脱スケールやグラインダーによる
脱スケールを行っても、母材が高温なので接合工程に入
るまでに表面が再酸化して十分な接合強度が得られな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧延工程の
連続化を実現するために必須である熱間鋼材の接合を、
実際の工場で簡単にかつ能率的に行うことができる技
術、しかも後続の圧延工程に障害のない程度に高い接合
強度を得られる技術、の開発を課題としてなされたもの
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
鋼材の熱間接合方法にある。

【０００９】(1) 熱間鋼材を重ね合わせ、または突き合
わせて還元雰囲気下で加熱し圧接することを特徴とする
鋼材の熱間接合方法。

【００１０】(2) 加熱を下記式および式を同時に満
足する条件で燃焼させた還元炎で行う上記(1) の鋼材の
熱間接合方法。

【００１１】Ｐ≧ 214ｍ−75・・・Ｐ≧−150 ｍ＋90・・・
ただし、Ｐは燃焼用空気中の酸素濃度 (体積％) ｍは燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量に対する実
際に使用した酸素量の比 (3) 加熱を還元性ガス雰囲気中での誘導加熱によって行
う上記(1)の鋼材の熱間接合方法。

【００１２】ここで、熱間鋼材とは、前記の熱間鋼板を
代表として熱間線材、棒鋼、条鋼、或る種の形鋼などで
ある。熱間接合というのは、上記の鋼材を例えば圧延ラ
イン上で、熱いままの状態で接合することを意味する。

【００１３】還元雰囲気下とは、H₂ガスのような還元性
ガスを含む雰囲気、または後述するように燃焼用空気の
酸素量等を制御して得られる還元炎雰囲気を意味する。
還元炎雰囲気を用いる場合には、還元炎自体が加熱手段
となる。

【００１４】

【作用】本発明方法の大きな特徴は、圧接工程の前では
積極的なスケール除去を行わないこと、および圧接を熱
間でしかも還元雰囲気で行うことにある。通常、圧接を
行う場合には、前記の特開昭61−1489号公報にもあるよ
うに、接合面の酸化スケールを除去し可能な限り清浄化
しておくのが常識である。しかし、本発明者は、圧接工
程を適切な還元雰囲気中で行うならば、スケールが表面
に付着した状態でも、実用上問題のない接合が可能であ
ることを見い出した。

【００１５】溶製から鋳造、圧延の工程を経てきた鋼材
の表面には、酸化鉄と鋼に含まれているSi、Mn等の酸化
物との複合酸化物からなるスケールが生成している。通
常の大気中で行う圧接では、このようなスケールの存在
は接合を阻害し、十分な接合強度を得ることができない
ため、事前に脱スケールを行って接合面を清浄化しなけ
ればならない。

【００１６】本発明者は、熱間鋼材を還元雰囲気で圧接
する場合には、事前の脱スケールは必ずしも必要でない
のではないかと考え、多数の実験を繰り返した結果、後
の実施例に示すように、事前に脱スケールを行わなくて
も実用上問題のない接合ができることを確認した。

【００１７】前記のように本発明方法では従来のよう
な接合面の脱スケール、清浄化をしないで圧接を行う。
ただし、酸化スケールが極端に厚い場合、或いはスケー
ルが鋼材の表面に浮いているような場合は、これを取り
除いておくのが望ましい。スケールが厚すぎる場合に
は、圧接の際の還元雰囲気でのスケールの還元に時間が
かかり、作業効率が悪くなるからである。通常の鋼材の
スケール厚みは、製造履歴にもよるが、およそ数千Åか
ら 500μm 程度であり、この程度ならば、そのまま圧接
工程に送っても何ら差し支えはない。

【００１８】圧接は、還元雰囲気で行わなければならな
い。圧接を還元雰囲気で行うと、スケールを構成する酸
化物が還元されるのとほぼ同時に圧接されることにな
り、前述の再酸化の問題がなくなり高強度の接合が得ら
れる。

【００１９】図１は、還元炎を使用する場合の接合の態
様を示す図で、（ａ）が被接合材（熱間鋼材）１を重ね
合わせ接合する場合、（ｂ）は突き合わせ接合の場合で
ある。いずれの場合も接合界面に還元炎が直接当たるよ
うにする必要がある。

【００２０】還元性ガスを使用する場合には、接合部を
覆うシールドボックスを設けて、その中に、例えば、Ar
とH₂の混合ガスのような還元性ガスを供給する。この場
合、加熱方法としては、高周波誘導加熱等が採用でき
る。加熱した後は、同じシールドボックス内に設けた後
述の加圧ロールまたは加圧治具で直ちに接合を行う。

【００２１】被接合材の温度は特に限定されないが、高
温の方が還元されやすい。約 500℃以上で接合はできる
が、接合した後、直ちに圧延を行う場合、圧延荷重を小
さくするために鋼材温度は1000℃以上にするのが普通で
ある。従って、接合部の加熱温度もそれ以上とするのが
望ましい。

【００２２】熱間圧延ラインでの接合には、還元性ガス
でシールドするよりも、加熱と還元を同時に行う還元炎
加熱の方が設備も簡略で実用的である。以下、この方法
について詳しく説明する。

【００２３】還元炎とは、アセチレン、ＬＰＧ、ＬＮ
Ｇ、ＣＯＧ（コークス炉ガス）等の可燃性ガスを完全燃
焼させる量よりも少ない酸素で燃焼させた炎を意味す
る。この還元炎は水素ラジカル、 CH₂O ラジカル等（以
下、これらを還元性ラジカルと記す）の還元成分を含有
し、これらの含有量が高いほど還元力が大きい。この還
元性ラジカルの生成量を高め、かつ加熱に必要な温度を
得るための条件が、前記の式および式の条件であ
る。

【００２４】大気開放下で還元燃焼を行う場合、周囲か
ら大気が侵入してきても火炎中の未燃焼の水素分子や一
酸化炭素等と反応して酸素は消耗される。同時に燃焼反
応にともない還元性ラジカルが形成される。このとき、
燃焼用空気に酸素を加える「酸素富化」を行えば、大気
をそのまま用いた場合に較べて火炎中に持ち込まれるN₂
分が減少し火炎温度が高まり還元性ラジカルの発生量が
増大する。火炎温度の上昇は、周囲の大気の混入による
火炎温度低下の防止にも役立つ。

【００２５】一方、火炎の還元性は、燃料と燃焼用空気
（その中の酸素）との混合比にも支配される。そこで、
本発明者は、熱間鋼材表面のスケールを還元し、かつ圧
接に必要な温度に加熱するのに必要な燃焼条件を求める
ため、次のような試験を行った。

【００２６】図２は試験方法を説明する図である。図示
のようにバーナー１に燃料ガス（ＣＯＧを使用）と空気
を供給し、この空気に酸素を富化できるようにした。火
炎を当てる鋼板１は10μm 厚のスケールが着いたもの
で、これを 900℃に予め加熱しておき、背面を断熱材３
で覆った。スケール厚を10μm にしたのは、本発明方法
によって接合しようとする熱間鋼板の通常の接合条件下
でのスケール厚さが10μm 程度であるからである。火炎
による還元の後は急冷して鋼板表面の還元状態を観察す
るために、冷却用窒素ガス吹付け装置４を使用した。

【００２７】まず、燃焼用空気に酸素富化を行った場合
の酸素濃度、即ち酸素富化率をＰ（体積％）とし、燃料
を完全燃焼させるのに必要な酸素量に対する実際に使用
する（供給する）酸素量の比（酸素比）をｍとして、良
好な還元効果が得られるＰとｍの関係を求めた。なお、
酸素比ｍは、酸素富化を行わない場合は空気比と呼ばれ
るものである。良好な還元効果とは、実際の圧延ライン
で接合に費やすことができる 10 秒程度の時間でスケー
ルがほぼ完全に無くなることである。

【００２８】上記の試験の結果、図４にとして示す直
線から上の領域、即ち、Ｐ≧ 214ｍ−75の範囲が還元良
好域であることが明らかになった。つまり、酸素比ｍが
小さい程、また酸素富化の程度が大きい（Ｐが大きい）
程、火炎の還元能力は大きくなる。これは、酸素比ｍが
小さいほど還元成分が多くなり、一方、酸素富化率を高
めるほど還元性ラジカルの発生量が増大し還元性が大き
くなるからである。

【００２９】本発明方法で使用する還元炎は、単にスケ
ールを還元するだけでなく、鋼材を熱間接合するのに十
分な温度に昇温、または保温する働きも持たねばならな
い。

【００３０】酸素比ｍが小さくなると、火炎温度が低下
するので加熱能力が低下する。一方、燃焼用空気に酸素
富化を行いＰの値を大きくすると火炎温度が上昇し加熱
能力が高くなる。

【００３１】図３ので示す直線から上の領域、即ち、
Ｐ≧−150 ｍ＋90の範囲は、火炎を当てることによっ
て、鋼板１の温度がおよそ1000℃以上まで上昇する領域
である。この直線より下の領域では、酸素富化率が小
さすぎて過度の還元炎になり、煤が発生して接合面に付
着し、介在物となって接合強度を弱める。結局、図３の
直線およびよりも上の領域（斜線を施した領域）、
即ち、前記の式と式を同時に満足する領域が、還元
炎によってスケールの還元と鋼材の加熱を行って接合す
るために好適な範囲である。

【００３２】接合部を還元するのに必要な時間は、被接
合材の酸化の程度（スケールの厚み）に依存する。ま
た、加熱温度にも依存し、低温ほど長い時間を必要とす
る。しかし、酸素富化の程度（Ｐ）と酸素比（ｍ）と
が、前記の式と式を同時に満足する条件内で、接合
しようとする鋼材のサイズ（厚さ）やスケールの付着状
態に応じて加熱時間等を調整して良好な還元と加熱を行
うことができる。

【００３３】圧接は次のようにして行う。即ち、重ね合
わせの場合には、図４に示すように、ラインの上下に配
置した一対の加圧ロール５により、板端からもう一方の
板端までを所定の圧力で圧下して行く。被接合材が小さ
い場合には、図５に示すように被接合材１と同等または
それ以上の幅の加圧治具６で上下から加圧して１回で全
幅を圧接してもよい。

【００３４】突き合わせ接合の場合は、図６に示すよう
に被接合材１を把持してその長手方向に加圧する治具７
を使用して、被接合材の端面どうしを押しつける。

【００３５】圧接は、接合部を静止させて行う場合と、
移動させながら行う場合とがある。

【００３６】熱延鋼板のような帯状の鋼材を静止させて
接合する場合は、接合部の前後にルーパーを設ける必要
がある。移動させつつ接合する場合は、被接合材と同期
して移動する接合装置を使用する。

【００３７】本発明方法は、スケールが付着したままの
鋼材を接合工程に送って、スケールの還元、接合部の加
熱および接合をほぼ同時に行うのが特徴である。即ち、
接合工程に付す前に予め積極的にデスケールを行う必要
がないことが大きな利点である。しかし、前記のとお
り、スケールが過度に付着している場合には、事前に簡
単なデスケールを実施するのが望ましい。この脱スケー
ル後、接合工程に入る前に再酸化が起こってスケールが
生成しても、接合の障害にはならない。

【００３８】以上、主に板材を例にして説明したが、本
発明方法は棒鋼その他の熱間接合にも適用できることは
言うまでもない。

【００３９】

【実施例】板厚15mm、幅 300mm、長さ 500mmの鋼板
（Ｃ：0.1 ％、Si： 0.5％、Mn： 1.2％) の端部25mmを
重ね合わせて接合する試験を行った。

【００４０】表１に還元、接合条件と接合部の曲げ試験
における割れ率を示す。表１の試験No.1〜22は還元炎を
用いて還元と加熱を兼ねて行った例、No. 23と24は、還
元性ガスを満たしたシールドボックスを使用し、加熱は
高周波誘導によって行った例である。それぞれの条件は
次のとおりである。

【００４１】（ａ）試験No.1〜22の条件ノズル内混合方式のバーナーを使用し、リング上のスリ
ットノズルから混合気を吹き出し火炎を形成させた。燃
料はＣＯＧを 20 Nm³/hour使用し、酸素比（ｍ）および
酸素富化率（Ｐ）は表１のように変化させた。この場合
は、シールドボックスを使用していない。

【００４２】(ｂ) 試験No. 23、24の条件シールドボックスを使用し、還元ガスとして、70体積％
Ar＋残りH₂の混合ガスをその中に満たし、加熱は高周波
誘導加熱によって実施した。

【００４３】その他の共通の条件は次のとおりである。

【００４４】（ｃ）圧下率：25％（即ち、重ね合わせた
板厚30mmが22.5mmになるように加圧) （ｄ）圧接方法：図４に示すように上下一対の加圧ロー
ル５を板幅方向に回転移動させつつ圧接。圧接時の温度
は表１に示すとおり。

【００４５】表１のNo.2〜22は 800℃までは酸素比ｍを
１とした通常の燃焼炎 (酸化雰囲気) で加熱して通常の
熱間材と同じスケール付着状態とした後、上記（ａ）の
還元炎で各接合温度まで加熱して圧接した。No.1は、ま
ず 800℃まで上記No.2〜22と同様に加熱してスケールを
付着させ、その後加熱を弱くして500 ℃まで温度を下
げ、以後還元炎で加熱し圧接した。No.23 と24は 800℃
まで大気中で高周波誘導加熱し、その後雰囲気を上記
（ｂ）の還元ガスに変えて所定の温度まで加熱して圧接
した。

【００４６】No.25 〜29の比較例は、通常の完全燃焼炎
で所定温度まで加熱して圧接した例である。また、参考
例として、事前に接合部の完全脱スケールを行ってか
ら、還元炎で1200℃に加熱して圧接する試験も行った
(No.30)。

【００４７】上記の条件で得られた接合部を最も厳しい
といわれる常温曲げ試験 (曲げ半径15mm) により評価し
た。

【００４８】表１に上記曲げ試験後の割れ率を併記す
る。なお、割れ率の定義は下記のとおりである。割れ率＝（割れ長さの総計／接合線の全長）×100
(％) なお、表１の還元時間というのは、還元炎中または還元
雰囲気中での保持時間である。この保持をしてからロー
ルで加圧を開始した。

【００４９】表１のNo. 25〜29に見られるとおり、通常
の加熱 (完全燃焼炎による加熱) では、生成したスケー
ルが圧接時にも還元されないので、接合部の割れ率は極
めて高い。これに対して、本発明方法によれば、スケー
ルが生成していても、圧接時の還元雰囲気でそれが還元
されるため、良好な接合部が得られ割れ率は格段に小さ
くなる。還元性ガス中で圧接した No.23と24でも良好な
接合強度が得られている。

【００５０】しかし、No. 13、19および22のように前記
式を満足していないものでは、スケールの還元が十分
でなかったために割れ率が高くなっている。また、式
を満足していないNo.12 と20では煤が発生し、これが接
合部に介在物として残り、接合強度が弱くなっている。

【００５１】事前に完全脱スケールを行ってから還元雰
囲気で圧接したNo.30 の参考例では、その割れ率が小さ
いのは当然であるが、本発明例の割れ率はこれとほぼ同
等であり、事前の完全な脱スケールは、実用上、必須で
ないことが明らかである。

【００５２】

【表１（１）】

【００５３】

【表１（２）】

【００５４】

【発明の効果】従来、熱間鋼材の接合においては、事前
にスケールを除くことが必須と考えられていた。本発明
は、この従来の常識に反して、事前のデスケールを行わ
なくても良好な接合を行うことができる方法を提供する
ものである。例えば、機械的な研削等でデスケールした
のちに接合を実施していた従来法に比較して、本発明方
法は簡易で高能率であり、その実用性はきわめて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】還元炎を用いる本発明の接合方法を説明する図
で、（ａ）は重ね合わせ接合、（ｂ）は突き合わせ接合
である。

【図２】還元炎の望ましい条件を求めるために行った試
験の方法を説明する図である。

【図３】上記の試験の結果得られた酸素比（ｍ）と酸素
富化率Ｐとの望ましい範囲を示す図である。

【図４】重ね合わせ接合の場合のロールによる圧接方法
を示す図である。

【図５】重ね合わせ接合の場合の加圧治具による圧接方
法を示す図である。

【図６】突き合わせによる圧接の加圧方法を説明する図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木豊大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (56)参考文献特開昭61−176487（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 20/00 340 B21B 1/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間鋼材を重ね合わせ、または突き合わせ
て、還元雰囲気下で加熱し圧接することを特徴とする鋼
材の熱間接合方法。
【請求項２】加熱を下記式および式を同時に満足す
る条件で燃焼させた還元炎で行う請求項１の鋼材の熱間
接合方法。Ｐ≧ 214ｍ−75・・・Ｐ≧−150 ｍ＋90・・・
ただし、Ｐは燃焼用空気中の酸素濃度 (体積％) 、ｍは
燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量に対する実際に
使用する酸素量の比、である。
【請求項３】加熱を還元性ガス雰囲気中での誘導加熱に
よって行う請求項１の鋼材の熱間接合方法。