JP2979837B2

JP2979837B2 - 鋼材の熱間接合方法

Info

Publication number: JP2979837B2
Application number: JP4095214A
Authority: JP
Inventors: 誠司岡田; 豊鈴木; 隆夫高; 康人深田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1999-11-15
Anticipated expiration: 2014-11-15
Also published as: JPH05285506A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間圧延ラインにおい
て先行圧延鋼材の後端部と後行圧延鋼材の先端部を、重
ね合わせ、あるいは突き合わせて圧接することにより両
圧延材を接合して連続化させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄工場の圧延工程では、歩留り向上と
生産効率の向上を主目的に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℃の熱間材（熱いままの鋼材）を
圧延機の前で接合する技術である。従来、酸洗や冷間
圧延のタンデムミル等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。

【０００３】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、機械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、熱間鋼材の場合に要求の多い厚物
の溶接が現状では困難である。仮に板厚の薄い物を対象
にする場合には、熱間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、ミラー等が熱によ
って損傷するという問題が起こる。

【０００４】アーク溶接法も、熱のためワイヤーの送給
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】以上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、この方法では接合強度が不十分であ
る。

【０００６】また、特開昭61−1489号公報には板を重ね
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、湿式デスケールやグラインダーによ
るデスケールを行っても、母材が高温なので瞬間的に表
面が酸化し、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】本発明の目的は、でき
るだけ簡単で能率的な、しかも高い接合強度を得ること
ができる鋼材の熱間接合方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の鋼材の
熱間接合方法を要旨とする。

【０００９】(1) 熱間鋼材を粗圧延工程前もしくは仕上
げ圧延工程前の段階で、先行圧延材の後端部と後行圧延
材の先端部を、重ね合わせ、あるいは突き合わせて接合
する方法において、接合部の両端部を含む板幅の30％以
上の局所部を還元雰囲気下で加熱し、接合することを特
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富化度（燃焼用空気中
の酸素割合、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。

【００１２】ここで、熱間鋼材とは、前記の熱間鋼板を
代表とし、熱間の線材、棒鋼、条鋼、ある種の形鋼等で
ある。熱間接合というのは、前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】

【作用】本発明方法の大きな特徴は、圧接前には還元炎
を用いて鋼材表面の酸化スケールを還元すること、局所
的に還元炎を用いて加熱して圧接時の接合面の変形を接
合に有利に行うこと、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。

【００１４】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だした。

【００１５】上記のように、本発明の方法では従来のよ
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、あるいは
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
オングストロームから数10μｍ程度であり、この程度な
らばそのまま圧接を行っても差し支えない。

【００１６】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、高強度の接合が得られる。しかし、こ
の接合強度については、後の圧延工程で通板可能な強度
が確保できれば十分である。

【００１７】従って、必ずしも接合面全体を過剰な強度
に接合する必要はない。

【００１８】圧接の場合、接合強度に関係してくる因子
として、接合面の伸び率があげられる。例えば、ＤＣバ
ット、フラッシュバットなどによる突き合わせ接合法で
は、冷間で接合面のみを局所的に加熱し，その後突き合
わせ加圧して、加熱された接合面のみを変形させて圧接
を行っている。接合面のみが加熱されると、仮に接合面
にスケールが存在しても、接合面の伸び率が大きくな
り、そのスケールが剥離し、スケールの下の新生面が現
れ、接合強度が強くなる。しかし熱間材の場合は、重ね
合わせあるいは突き合わせ接合であるかを問わず、鋼材
全体の温度が高いので、接合面全幅を加熱しても、鋼材
全体と接合面との温度勾配がそれほど大きくないので、
その後の圧延において、接合面だけではなく全体の体積
が変形し、接合にとっては必ずしも有利な変形とはなら
ない。

【００１９】そこで本発明では、熱間材を還元雰囲気で
圧接する場合に、接合部全体を均一に加熱接合するので
はなく、還元炎を用いて局所的に加熱することにより、
接合面の温度分布を不均一とし、加熱高温部分のみを特
に変形させて接合させるのである。ただし、接合面の両
端部は確実に接合しなければ、圧延過程で破断の起点に
なる。接合部の両端部を確実に加熱し、両端部を含む板
幅の30％以上の局所部を接合すれば、実用上問題のない
接合強度が得られることを確認した。

【００２０】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) が重ね合わせ接合、(b) が突き合わ
せ接合である。いずれも採用できるが、接合界面に還元
炎が直接当たるようにするのは言うまでもない。この
時、還元火炎は被接合材１の全接合部をカバーする必要
はなく、両端部とその他数ヵ所に全体の30％以上をカバ
ーするようにバーナー２を配置すればよい。

【００２１】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残
存酸化物が還元され、高強度の接合が得られる。還元雰
囲気として、還元性ガスあるいは還元炎があげられる。
還元性ガスを用いる場合、同時に加熱する方法として高
周波誘導加熱、抵抗加熱などがあげられるが、圧接時に
もガスシールド中で行わねばならず、装置が大きくなる
し、局所的に加熱するには複雑な装置が必要になってく
る。しかし、還元炎を用いれば還元と同時に加熱が行
え、加熱場所はバーナーの本数や配置を変えるだけでよ
いので設備も簡略で実用的である。

【００２２】アセチレン、ＬＰＧ、ＣＯＧ等の可燃性ガ
スを完全燃焼させた炎を中性炎という。還元炎はそれよ
りも少ない酸素量で燃焼させた炎を意味し、酸素量が少
ないため火炎中は還元雰囲気となっている。これらの可
燃性ガスと燃焼空気との混合気の燃料過濃の度合い、あ
るいは酸素不足の度合いは、可燃性ガスを完全燃焼させ
るのに必要な酸素量をＶ₀としたときの、実際に用いら
れた酸素量Ｖ₁の比ｍ＝Ｖ₁／Ｖ₀で表される（このｍ
を、以下「酸素比」と記す）。酸素比ｍは、酸素富化を
行わない場合は空気比といわれるものである。この還元
炎は、Ｈ、CH₂Oラジカル等の還元成分を含有し、火炎温
度が高いほど含有（生成）量が多くなり還元力は大きく
なる。

【００２３】大気開放状態で還元燃焼を行う場合、周囲
の空気を巻き込むため、実際の火炎中の酸素比ｍは、バ
ーナーでの酸素比ｍより大きくなり火炎温度も下がるこ
とになる。火炎温度を上げる方法として、酸素富化とい
う方法がある。酸素富化とは燃焼用空気中の酸素濃度を
上げることで、酸素量は一定のままで窒素などの不燃分
が減るため全体の体積が減り、同じ発熱量でも火炎温度
が高くなる。この酸素富化度をｐで表す。

【００２４】本発明者らは、還元加熱に適正な燃焼条件
があることを実験により明らかにした。図２は、バーナ
ーでの酸素比ｍと酸素富化度ｐとの関係を示す図であ
り、還元雰囲気下においても、火炎温度を高くするため
に望ましい燃焼条件の範囲があることを示している。

【００２５】還元は、酸素比ｍが小さいほど、また酸素
富化度の程度が大きいほど良好であり、表面数10μ以上
の還元効果が得られるのは、図２の直線以上の領域、
すなわち、ｐ≧ 214ｍ−75である。これは、酸素比が低
いほど還元成分が多くなるため、また酸素富化を行うほ
どＨ、CH₂Oラジカルの発生が増大して、還元性が向上す
るためである。

【００２６】一方、酸素比ｍが低下すると火炎温度は低
下するので加熱能力は低くなるが、酸素富化を行うと火
炎温度は上昇して加熱能力が上昇する。酸素富化を行う
ことにより、表面数10μ以上の還元効果が得られるの
は、図２の直線以上の領域、すなわち、ｐ≧−150 ｍ
＋90である。

【００２７】圧接は次のようにして行う。すなわち、重
ね合わせの場合には図３に示すように、バーナー２を用
いて還元加熱後ラインの上下に配置した一対の加圧ロー
ル３により被接合材１の板端からもう一方の板端までを
所定の圧力で圧下していく。

【００２８】被接合材が小さい場合には図４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装置４
で上下から加圧して一回で全幅を圧接してもよい。加圧
ロール３及び加圧装置４の金型の形状は、接合部の変形
を促すために図５に示すように加圧表面に凹凸をつけて
もよい。

【００２９】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。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。
突き合わせの接合の場合は図６に示すように、被接合材
１を把持する加圧装置５を使用して被接合材の接合しよ
うとする両端面を押しつける。

【００３０】本発明の方法は、スケールが付着したまま
の状態で圧接するのが特徴であり、特に積極的にデスケ
ールを行う必要はない。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。この脱スケールの後に、再酸
化してスケールが生成しても接合の障害にはならない。

【００３１】以上、主に板材を例にして説明したが、本
発明の方法は棒鋼等その他の形状の材料の熱間接合にも
適用できることは言うまでもない。

【００３２】

【実施例】板圧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実施した。

【００３３】バーナーはノズル内混合のものを用い、リ
ング状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。

【００３４】表１(1) および表１(2) に接合条件と接合
後の圧延における通板可否（◎が可で特に良好、○が
可、×が割れ等による不可を意味する）の結果を示す。
区分欄の○印が本発明例、その他は比較例である。表１
(1) および表１(2) に示す以外の条件は次のとおりであ
る。

【００３５】（ａ）燃焼ガス：ＣＯＧ 20Nm³/hour を使
用。

【００３６】（ｂ）圧接時の圧下率：45％（すなわ
ち、重ね合わせた板厚30mmが16.5mmになるように加
圧）。

【００３７】（ｃ）圧接方法：図３に示す方法で上下一
対の加圧ロール３を板幅方向に回転移動させつつ圧接。

【００３８】（ｄ）圧延時の張力：３Kg/mm²。

【００３９】（ｅ）圧延時の圧下率：50％。

【００４０】試験No.2〜25( ２〜５、８、12〜25が本発
明例）は、 800℃までは酸素比ｍ＝1.0 の通常の燃焼炎
（酸化雰囲気）で、鋼板全体を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、接合部を各接合温度ま
で昇温して圧接した。

【００４１】試験 No.１（本発明例）は、まず 800℃ま
で上記 No.２〜25と同様に、鋼板全体を加熱してスケー
ルを付着させ、その後 500℃まで温度を下げ、以後接合
部を還元炎で加熱し圧接した。還元火炎の当たっていな
いところは、明らかに酸化されている状態であった。

【００４２】比較例のうち No.26〜30は、通常の完全燃
焼炎で、鋼板全体を所定温度まで昇温して圧接した例で
ある。 No.31は、事前に接合部の完全脱スケールを行っ
た後、還元雰囲気下で1200℃に加熱し圧接した参考例で
ある。

【００４３】上記の条件で接合した接合材で実際に圧延
テストを行った。圧延テストは二つのスタンドの圧延ロ
ール間に張力３kg/mm²をかけて行い、通板可能か否かで
評価した（通常圧延ライン中にかかる張力は１kg/mm²程
度）。

【００４４】比較例の No.26〜30においては、通常の加
熱（完全燃焼炎による加熱）で生成したスケールが圧接
時にも還元されないので、全て端部より破断した。これ
に対して、本発明の方法によれば、スケールが生成して
いても加熱時および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通板可能であった。

【００４５】一方、比較例の No.６、７は、接合部の両
端部を含んでいるものの、還元加熱した接合領域が30％
未満であったため、必要な強度が得られず破断した。同
じく比較例の No.９〜11は、還元雰囲気下ではあるが、
接合部の両端部を還元加熱しなかったため端部から破断
した。

【００４６】本発明例の試験 No.１、２、15、16、19、
22、23および25においては、接合強度は十分であったも
のの、接合部の温度が1000℃未満であったため、大きな
加圧力を必要とした。このように、圧接時に鋼材温度が
低い場合は、必要な加圧力が大きくなり、それに伴い装
置も大きくなるため、1000℃以上に加熱するのが望まし
い。

【００４７】事前に完全脱スケールを行って還元雰囲気
で圧接した No.31の参考例では、当然通板可能である
が、本発明例と比較すれば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。

【００４８】

【表１（１）】

【００４９】

【表１（２）】

【００５０】

【発明の効果】本発明の方法によれば、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。ま
た、接合面全体を還元加熱しなくても、両端部を含む30
％以上の局所部を還元加熱して接合すれば、圧延時に通
板可能な接合強度を得ることができる。例えば、機械的
な研削等でデスケールした後に接合を実施していた従来
の方法に比較して、本発明方法は簡易で高能率である
し、加熱設備も必要最低限のものでよく、その実用性は
極めて高い。

【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
である。(a) は重ね合わせ接合、(b) は突き合わせ接合
である。

【図２】本発明の方法における還元炎の酸素比ｍと酸素
富化度ｐとの関係を示す図である。

【図３】重ね合わせ接合の場合の還元炎加熱とロール圧
接の方法を示す図である。

【図４】重ね合わせ接合の場合の加圧装置による圧接の
方法を示す図である。

【図５】加圧ロールおよび加圧装置の表面形状の例を示
す図である。

【図６】突き合わせ接合の場合の把持加圧装置による圧
接方法を説明する図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者深田康人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)参考文献特開平６−114575（ＪＰ，Ａ) 特開平５−15902（ＪＰ，Ａ) 特開平６−335785（ＪＰ，Ａ) 特開平５−8058（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B21B 15/00 B21B 1/26 B23K 20/00 340

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間鋼材を粗圧延工程前もしくは仕上げ圧
延工程前の段階で、先行圧延材の後端部と後行圧延材の
先端部を、重ね合わせ、あるいは突き合わせて接合する
方法において、接合部の両端部を含む板幅の30％以上の
局所部を還元雰囲気下で加熱し、接合することを特徴と
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富化度（燃焼用空気中
の酸素割合、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。