JP3120013B2 - 熱間圧延鋼片の接合方法 - Google Patents

熱間圧延鋼片の接合方法

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JP3120013B2 JP07061159A JP6115995A JP3120013B2 JP 3120013 B2 JP3120013 B2 JP 3120013B2 JP 07061159 A JP07061159 A JP 07061159A JP 6115995 A JP6115995 A JP 6115995A JP 3120013 B2 JP3120013 B2 JP 3120013B2
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/26Seam welding of rectilinear seams

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はスラブまたはシートバ
ーなどの鋼片を連続熱間圧延し、熱間圧延鋼板または帯
鋼を製造する際の鋼片の接合方法、特にその接合方法に
おけるレーザ溶接に関するものである。
【0002】
【従来の技術】熱間圧延ラインにおいて、スラブまたは
シートバーといった鋼片を連続的に熱間圧延するため
に、圧延中の先行圧延材の後端部と後行圧延材の先端と
を接合し、接合した鋼片を連続圧延する方法がある。
【0003】WO.94/6838号公報には、圧延中
の先行圧延材の後端部と後行圧延材の先端とを突き合わ
せた後、突合せ部をレーザビームにより溶接して連続圧
延を行う方法が開示されている。しかし、鋼片の先端部
および後端部は走間シャーなどで切断されるが、鋼片の
性状や切断方法などによって切断部の形状が直線とはな
らず、曲線になることは避けられない。このため、先行
鋼片と後行鋼片との間にギャップgが生じる。溶融ビー
ド幅wb に対し(wb −g)/2以下の範囲で、レーザ
ビームを鋼片の突合せ線に沿って走査しなければならな
い。このようにレーザビームを鋼片の突合せ線に沿って
走査しても、溶接ヘッドの振れ、開先位置の計測誤差な
どにより、レーザビームの照射位置が突合せ部からずれ
る「目外れ」が起きて、安定した接合ができない場合が
ある。
【0004】この問題を解決するための方法として、レ
ーザビームの集光照射位置を高精度に制御して、鋼片の
突合せ部からずれないようにする方法がある。しかしこ
の方法は、高精度の開先位置計測装置および溶接ヘッド
の倣い制御装置を必要とし、接合装置の大型・複雑化を
招くという欠点がある。
【0005】目外れを防ぐ他の方法として、溶接速度を
低速にしてビード幅を拡大し、見掛けの目外れ許容値を
拡大する方法がある。レーザ溶接における溶融ビード幅
は、レーザ出力、溶接速度(加工位置の走査速度)、お
よび材料の熱物性値により決定される。図1に、出力4
5kWのレーザビームを鋼片(40mm厚み)に用いた場合
の溶接速度とビード幅の関係を示す。図1からも明らか
なように、レーザビームの出力が一定であれば、溶接速
度を低速にすることにより、ビード幅の拡大は容易に達
成できる。しかしこの方法では、溶接速度を低速にする
ため溶接時間が長くなりコスト高になる。また溶接継手
性能の点から見ても、溶込み深さが深くなるとともに入
熱量が高くなり、熱影響層が広くなり機械的な強度が低
下して、後段の圧延プロセスにおける接合部の破断事故
の原因となり得るため、連続圧延工程内で鋼片を接合す
る方法には適していない。
【0006】目外れを防ぐ更に他の方法として、レーザ
ビームの集光照射位置を図2に示すように振動させて、
溶融ビード幅を拡大するという技術が知られている。こ
の技術では、レーザビームを振動させずに低い溶接速度
で溶接する場合の溶融ビード幅を振動の振幅とし、レー
ザビームを極めて高速に振動させながら、突合せ部を溶
接する。このために、レーザビームの目外れはなく、突
合せ部に未溶接部は発生しない。この結果、幅広で均一
なビードを突合せ部の全面に生じさせることができ、接
合部全面にわたって均一な強度を得ることができる。し
かし、この方法も溶接速度が低く、低溶接速度により生
じる上述の問題と同様の問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、鋼片接合装
置の小型・簡単化を図ることができ、鋼片を高速で仮付
溶接することができる熱間圧延鋼片の接合方法を提供す
るものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザビームを
用いた鋼片の圧延接合方法は、複数の熱間圧延鋼片を連
続熱間圧延して熱間圧延鋼板または帯鋼を製造する際
に、先行鋼片の後端部と後行鋼片の先端部とを突き合わ
せ、突合わせ部をレーザビームで仮付溶接し、引き続き
突合わせ部を圧接して鋼片を接合する方法において、前
記レーザ溶接時にレーザビームを突合わせ線に沿って走
査するとともに、レーザビームを突合わせ線に対して垂
直に下記平均速度で振動させることにより突合わせ部の
20〜90%程度を間欠的に溶接することを特徴とする
熱間圧延鋼片の接合方法。ただし、 1≦V/v≦2 5≦V≦20 V:突合わせ線方向のレーザビーム走査速度(m/mi
n) v:レーザビーム振動方向の平均速度(m/min)
【0009】本発明におけるレーザ溶接は仮付溶接であ
って、鋼片の圧延接合の前段階で行われるものである。
したがってレーザ溶接だけで鋼片を接合する場合とは異
なり、突合せ部の全面にわたって未溶接部をなくし、均
一な溶接を行う必要はない。実質的には、全突合せ部の
少なくとも0%以上が、間欠的にでも溶接されていれ
ば、後段の圧延接合により十分な強度の製品を得ること
ができる。
【0010】以上の点を考慮して、突合せ線方向のレー
ザビーム走査速度V(m/min )とレーザビームの振動方
向の平均速度v(m/min )の比であるV/vの範囲を、
1≦V/v≦2とする。V/v≧1としたのは、V/v
<1としてレーザビームの振動を高速にしても、後段の
圧延接合により得られる製品の継手性能に有利な点がな
いためである。V/v≦2としたのは、V/v>2とす
ると未溶接部の比率が高くなり過ぎて、後段で圧延接合
を行っても十分な接合強度が得られないためである。
【0011】また、突合せ線方向のレーザビーム走査速
度V(m/min )は5≦V≦20の範囲とする。5≦Vと
したのは、レーザビーム走査速度がV<5であると、溶
接速度が低下するとともに、溶込み深さが深くなること
に伴い継手性能が劣化するためである。また、走査速度
が速すぎても溶接が十分に行えず、十分な接合強度が得
られないのでV≦20とした。
【0012】レーザビームは突合せ線方向に対して垂直
に振動させる。レーザビームの振動は単振動、あるいは
その重ね合わせであってもよい。このような場合におけ
る振動方向の平均速度vは、1周期間の平均速度とす
る。
【0013】レーザビームの振動の振幅は、ギャップg
の1〜4倍程度が適切である。
【0014】
【作用】先行鋼片と後行鋼片とは、それらの後端部と先
端部との突合せ部をレーザビームによって仮付溶接され
てから、後段の圧延接合で接合される。先行鋼片と後行
鋼片の突合せ部の形状は、性状や切断方法等により直線
からずれている部分があるので、レーザビームは突合せ
線に沿って速度Vで走査させると同時に、突合せ線に対
して垂直な方向に速度vで振動させる。速度Vおよび速
度vは、1≦V/v≦2、5≦V≦20により規定す
る。
【0015】ここで、レーザビームの振動数をf、振幅
をAとすれば、v=4Afである。また、レーザビーム
の走査波形の波長をλとすれば、V=fλである。した
がって、1≦V/v≦2より4≦λ/A≦8であり、レ
ーザビームは突合せ線に対して、波長の長い波形に走査
されることがわかる。突合せ部が直線からずれていて
も、ずれの大きさがレーザビーム走査の際の振幅以下で
あれば、突合せ部はレーザビームの走査範囲に含まれる
ので、目外れは起こらず、仮付溶接される。
【0016】レーザビームを波長の長い波状に走査する
ので、突合せ部の全面にわたっての均一な溶接はでき
ず、溶融ビード幅によって突合せ部の20〜90%程度
のみが間欠的に溶接されることになる。図3に、鋼片の
突き合わせ部全体に対する未溶接部の割合(スリット
率)と、その鋼片を後段で圧延接合して得られた製品の
接合部の引張強度との関係を示す。図3より、スリット
率が50%以下であれば接合部の引張強度に影響はみら
れず、70%程度になると初めて引張強度に影響が現れ
ている。したがって、本発明の方法により突合せ部の2
0〜90%程度のみが間欠的に溶接された鋼片を後段で
圧延接合することにより、十分な接合強度を得ることが
できることがわかる。
【0017】そして、鋼片の幅に応じて、例えば120
0〜1800mmの場合はレーザ発振器としてレーザ加工
ヘッドをそれぞれ2台にし、幅方向を2分割して、一方
のレーザは端部より、他方は鋼片の中央より溶接を開始
し、幅広の鋼片に対応し、総合溶接時間を短縮すること
もできる。
【0018】
【実施例】図4および図5は、この発明の方法を実施す
る鋼片接合設備の一例を示している。板厚45mm、幅1
800mm、長さ20m 、温度1000℃、90mpm で走
行中の粗シートバー1の先端部および後端部を走間シャ
ー11によって切断して、端部形状を整える。ついで先
行シートバー3の後端部と後行シートバー4の先端部と
は突き合わされ、この突合せ線6に沿ってレーザ溶接を
行う。ここで板幅方向を2分割し、レーザ加工ヘッド1
5aはシートバー端部より、レーザ加工ヘッド15bは
シートバー中央より同時に走査して溶接を開始する。
【0019】レーザ発振器13a,13bは、それぞれ
出力45kWのCO2 レーザであり、レーザビームはレー
ザビーム伝送光学系14a,14bを介して、レーザ加
工ヘッド15a,15bに伝送され、レーザ加工ヘッド
15a,15bから突合せ部5に集光される。ビームス
ポット径はそれぞれ0.8 mm である。レーザ加工ヘッ
ド15a,15bは突合せ部5の走行に同期して移動す
ると同時に、レーザビームの集光位置を突合せ線6に対
して垂直に振動させながら突合せ線6に沿って走査す
る。レーザビームの振動は、周波数40Hz、平均速度1
20m/s 、振幅0.75mmの単振動で、走査速度は16
7 mm /sである。以上の条件で突き合わせ部に形成され
る溶融ビードの形状を図6に示す。このようにして、突
合せ部全体の40〜60%が溶接される。
【0020】突合せ部5のレーザ溶接の終了したシート
バーは、仕上圧延機列16で圧延ロール17により、シ
ートバーの厚み方向に圧下して、先行シートバー3の後
端部と後行シートバー4の先端部の接合を完了する。こ
の際の圧下率は30%である。
【0021】図7および図8に、レーザビームを振動さ
せる方法の例を示す。図7ではパラボラミラー21で集
光したレーザビームを、軸23を中心として回転可能な
ガルバノミラー25で反射してワークWの表面に集光し
ている。ガルバノミラー25を軸23を中心として振動
させれば、レーザビームの集光位置を振動させることが
できる。図8では軸23を中心として回転可能なガルバ
ノミラー25で反射したレーザビームを、パラボラミラ
ー21でワークWの表面に集光している。図7に示した
方法と同様にして、レーザビームの集光位置を振動させ
ることができる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、鋼片の突合せ部が直線
から外れていても、突合せ部の20〜90%程度をレー
ザ溶接することができ、これを後段で圧延接合すれば、
十分な接合強度で鋼片の接合を行うことができる。その
際、レーザビームを集光する加工位置を高精度に制御す
る必要がないので装置の構成が簡単となる。また、溶接
速度は高速となるので、鋼片への入熱量も少なくてす
み、接合部強度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】出力45kWのレーザビームで鋼片を溶接した場
合の、溶接速度と溶融ビード幅の関係を示す線図であ
る。
【図2】レーザビームの集光位置を振動させて、溶融ビ
ード幅を拡大する技術を説明する図面である。
【図3】鋼片の突合せ部全体に対する未溶接部の割合
(スリット率)と、その鋼片を後段で圧延接合して得ら
れた製品の接合部の引張強度との関係を示す線図であ
る。
【図4】この発明の方法を実施する鋼片接合設備の一例
を示す概略側面図である。
【図5】図4に示す設備の平面図である。
【図6】この発明の方法を実施した際に、突合せ部に形
成される溶融ビードの形状を示す図面である。
【図7】この発明の方法を実施する際の、レーザビーム
を振動させる方法の一例を示す図面である。
【図8】この発明の方法を実施する際の、レーザビーム
を振動させる方法の別の例を示す図面である。
【符号の説明】
1 粗シートバー 3 先行シートバー 4 後行シートバー 5 突合せ部 6 突合せ線 11 走間シャー 13a レーザ発振器 13b レーザ発振器 14a レーザビーム伝送光学系 14b レーザビーム伝送光学系 15a レーザ加工ヘッド 15b レーザ加工ヘッド 17 圧延接合用ロール 21 パラボラミラー 23 軸 25 ガルバノミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 城戸 基 神奈川県相模原市淵野辺5−10−1 新 日本製鐵株式会社 エレクトロニクス研 究所内 (56)参考文献 特開 平5−50277(JP,A) 特開 昭58−151984(JP,A) 特開 昭63−177992(JP,A) 特開 昭58−81586(JP,A) 特開 平1−162569(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 B21B 1/26 B21B 15/00 B23K 26/06 B23K 26/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の熱間圧延鋼片を連続熱間圧延して
    熱間圧延鋼板または帯鋼を製造する際に、先行鋼片の後
    端部と後行鋼片の先端部とを突き合わせ、突合わせ部を
    レーザビームで仮付溶接し、引き続き突合わせ部を圧接
    して鋼片を接合する方法において、前記レーザ溶接時に
    レーザビームを突合わせ線に沿って走査するとともに、
    レーザビームを突合わせ線に対して垂直に下記平均速度
    で振動させることにより突合わせ部の20〜90%程度
    を間欠的に溶接することを特徴とする熱間圧延鋼片の接
    合方法。ただし、 1≦V/v≦2 5≦V≦20 V:突合わせ線方向のレーザビーム走査速度(m/mi
    n) v:レーザビーム振動方向の平均速度(m/min)
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