JP3267795B2 - 連続熱間圧延におけるレーザ接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホットストリップを完全
連続圧延によって製造できるようにした連続熱間圧延に
おけるレーザによる接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱間圧延ラインはスラブを加熱炉
から１本ずつ抽出して粗圧延機群により、所要厚のシー
トバーに圧延し、このシートバーを仕上圧延機群により
所要厚のストリップに圧延した後コイラーによってコイ
ルに巻取るようになっている。この従来の熱間圧延ライ
ンにあっては圧延材を１本ずつという非連続圧延であ
り、能率が悪く、品質も良くないという欠点がある。

【０００３】これら従来の熱間圧延ラインの問題を解決
すべく、近年、シートバーを連続的に熱間圧延するた
め、圧延中の先行圧延材の後端部と後行圧延材の先端部
とをシャー切断の切断面のまま突合せ接合し、この接合
したシートバーを連続圧延する方法が提案されている。
例えば特開昭６１−１２６９８３号公報にはホットスカ
ファーで接合端面を同時に加熱し、突き合わせて圧接す
る方法や特開平４−８９１０９号公報には、接合端面を
接触させ、その領域にて鋼片の厚み方向に貫通する交番
磁界を印加して加熱し、押圧して接合する方法が開示さ
れている。また、特開平４−３６７３８４号公報や特開
昭５６−１６３０８８号公報には厚さ数ｍｍの熱延鋼板
等ではあるがその接合に対し、レーザで切断した後、レ
ーザで接合することが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した特開昭６１−
１２６９８３号公報や特開平４−８９１０９号公報のよ
うに、押圧を必要とする接合方法では、一般に押圧力が
面圧にして３ｋｇｆ／ｍｍ² 以上と高く、この押圧力を
発生させるために必要な熱間圧延材のクランプ力は、熱
間圧延材とクランプバーの摩擦力で決定されるので、過
大なクランプ力が加わる。このため、クランプ部で熱間
圧延材表面のスケールを押し込み、製品疵を発生させる
という問題があった。また、特開平４−３６７３８４号
公報や特開昭５６−１６３０８８号公報のように板幅方
向の一方からレーザ接合を進めると、溶接完了部から凝
固による収縮が起こり、未接合の反対側の突合せ間隔が
初期の突合せ時に対して拡大する方向に変化し、レーザ
接合を行えない間隔になってしまったり、レーザ接合で
溶け落ちが発生し、接合不良の原因になる問題があっ
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記したよう
な問題を解決したもので、レーザを２台使用し、レーザ
接合を両端部において同時に行うことにより両端部の凝
固による収縮を同程度に発生させ、両端部の突合せ間隔
が常にレーザ接合可能な間隔に保ち、かつ先行材温度と
後行材温度に対する入熱量の制御をすることにより溶融
部の溶け落ちの発生を防止するレーザ接合方法を提供す
るものである。その発明の要旨とするところは、熱間圧
延装置の圧延機の仕上げ入側で、先行の圧延材の後端部
と後行の圧延材の先端部をレーザで突合せ接合した後、
該接合した圧延材を連続圧延するためのレーザによる接
合方法において、該先行材の後端部と該後行材の先端部
をレーザビームを使用して溶接する際、生じる熱変形を
最小限に抑えるため、ＣＯ₂ レーザ２台を使用して接合
材両端部から同時に接合し、圧延材の温度と突合せ間隔
に合わせレーザ出力と溶接速度の一方または両方を制御
して溶け落ちの発生を防止することを特徴とする連続熱
間圧延におけるレーザ接合方法にある。

【０００６】

【作用】以下、本発明について図面に従って詳細に説明
する。図１は本発明に係る接合材に対するレーザ溶接方
向を示す説明図である。図１（Ａ）のように先行圧延材
１ａの後端部と後行圧延材１ｂの先端部を、従来法での
一つの加工ヘッドによる一方向からのみのレーザ溶接を
行うと、接合が完了した部位から凝固が発生するため、
接合完了部付近に局部的に先行材と後行材の間の引力が
発生する。このため、図１（Ｃ）に示すように接合完了
部付近は突合せ間隔が狭くなり、反対端の未接合部では
突合せ間隔が広がってしまう。この結果、突合せ間隔が
場所毎に変化し、突合せ線の直線性も崩れることにな
る。突合せ間隔が場所毎に変化するとレーザ溶接での入
熱バランスが崩れ未溶解または過溶解による溶け落ちが
発生する。また、直線性が崩れることにより、レーザビ
ームを突合せの中心に制御することが困難になる場合が
あり、レーザ溶接が出来なくなる。

【０００７】これに対し図１（Ｂ）のように両端方向か
ら同時に中心方向に向かってレーザ溶接すると、先行材
と後行材の両端に等しく、前述した凝固による引力が働
くため、図１（Ｄ）に示すように両材の突合せ間隔は初
期突合せ状態の平行度および直線性を保ったままであ
る。また、両端に等しい凝固引力が働いた場合は、間隔
変化量は僅かなものであり、間隔が変化してもレーザ溶
接の際の接合不良は起こらない。また、直線性も保たれ
るので、レーザビームを突合せの中心に制御出来る。

【０００８】図２は接合材突き合わせ部の断面図であ
る。レーザ溶接時、先行材、後行材それぞれの温度Ｔ
ａ、Ｔｂは９００〜１０００℃であり、接合材上面方向
から入熱量Ｑのレーザ光が入射する時、この先行材温度
Ｔａ、後行材温度Ｔｂに対しＱが大きすぎる場合、溶接
幅Ｍｗがそれに応じて大きくなり溶融部の溶け落ちの発
生が懸念される。よって、Ｔａ、Ｔｂに対する入熱量Ｑ
の制御が必要である。この入熱制御をレーザ出力、溶接
速度、ビード集光径及び加工ガス流量により制御する。
符号２は溶融部を示す。

【０００９】図３はレーザ出力が充分大きいレーザ（出
力４５ＫＷ）を用いて同時溶接する例である。レーザ出
力が充分大きれば一つのレーザビーム３をハーフミラー
４により出力を２分割して２つの加工ヘッド５を用いる
ことで両端を同時に溶接でき、２台による同時溶接と同
様の効果が期待できる。図４は本発明に係る接合材に対
するレーザ溶接方向側を示す図である。このように、２
台のレーザ装置を用いて同時溶接した場合の溶接パター
ンの例としては、凝固作用が板の中心に対して対称に働
くという観点から、図４（Ａ）に示すように板幅中心部
方向から各々の端部に向かって溶接しても良い。また図
４（Ｂ）のように板幅の一方の端部から他の端部に向か
って同一方向に溶接しても良い。この場合、凝固により
働く引力は板幅中心に対して完全に対称ではないが、本
発明による接合長さは実施例でも示したように通常数１
００ｍｍであり、この程度であれば両端部付近が同時に
溶接される図４（Ｂ）の溶接方法でも板幅の場所毎の突
合せ間隔変化を発生させることなく安定した接合が可能
となる。

【００１０】

【実施例】

実施例１ 加熱炉で加熱されたスラブを粗圧延機によって圧延した
後の板厚６０ｍｍ、幅１９８０ｍｍ、温度１０００℃、
１００ｍｐｍで走行中の先行圧延材の後端部と同条件の
後行圧延材の先端部とをそれぞれベンデュラムシャーで
切断して端部形状を備えて突合わせ、レーザ出力２５ｋ
ｗとし、焦点距離５００ｍｍの集光ミラーで集光し、切
断速度６０ｍｍ／秒で溶接速度３０ｍｍ／秒なる条件の
レーザ装置２台を用いて、全幅をレーザ切断した後、圧
延材の上面より材料端部からそれぞれ１８０ｍｍ（片側
接合断面積率は圧延全断面積の３％条件）で接合した。
その後、仕上げ圧延機で圧下率４０％の圧延を実施し
た。その結果を調査すると、非レーザ接合面は圧延機に
より圧接されており、レーザ接合部と合計すれば接合断
面積は７５％以上に達した。この条件で後続の仕上げ圧
延機を用いて連続熱間圧延を実施し、板厚６ｍｍの製品
を仕上げたところ、破断なく良好な圧延が実施された。

【００１１】実施例２ 実施例１と同様に、加熱炉で加熱されたスラブを粗圧延
機によって圧延した後の板厚４０ｍｍ、幅１５５０ｍ
ｍ、温度１０５０℃、５０ｍｐｍで走行中の圧延材の先
行材後端部と後行材先端部とを、レーザ出力２５ｋｗと
し、焦点距離５００ｍｍの集光ミラーで集光し、切断速
度１２０ｍｍ／秒で溶接速度６０ｍｍ／秒なる切断、溶
接条件のレーザ装置２台を用いて、全幅をレーザ切断し
た後、圧延材の上面より材料端部からそれぞれ３２０ｍ
ｍ（片側接合断面積率は圧延全断面積の８％条件）で接
合した。この条件で、後続の仕上げ圧延機を用いて連続
熱間圧延を実施し、板厚２．０ｍｍの製品を仕上げたと
ころ、破断なく良好な圧延が実施された。

【００１２】実施例３ 実施例１と同様に、加熱炉で加熱されたスラブを粗圧延
機によって圧延した後の板厚２５ｍｍ、幅１２００ｍ
ｍ、温度１０８０℃、４８ｍｐｍで走行中の圧延材の先
行材後端部と後行先端部とを、レーザ出力２５ｋｗと
し、焦点距離５００ｍｍの集光ミラーで集光し、切断速
度２００ｍｍ／秒で溶接速度１００ｍｍ／秒なる切断、
溶接条件のレーザ装置２台を用いて、全幅をレーザ切断
した後、圧延材の上面より材料端部からそれぞれ６００
ｍｍ（片側接合断面積率は圧延全断面積の２３％条件）
で接合した。この条件で、後続の仕上げ圧延機を用いて
連続熱間圧延を実施し、板厚１．２ｍｍの製品を仕上げ
たところ、破断なく良好な圧延が実施された。

【００１３】実施例４ 実施例１と同様に、加熱炉で加熱されたスラブを粗圧延
機によって圧延した後の板厚２５ｍｍ、幅１２００ｍ
ｍ、温度１０８０℃、４８ｍｐｍで走行中の圧延材の先
行材後端部と後行先端部とを、レーザ出力４５ｋｗとし
ビームを２分割し（図３）、各々のビームを焦点距離５
００ｍｍの集光ミラーで集光し、切断速度２００ｍｍ／
秒で溶接速度１００ｍｍ／秒なる切断・溶接条件のレー
ザ装置２台を用いて、全幅をレーザ切断した後、圧延材
の上面より材料端部からそれぞれ６００ｍｍ（片側接合
断面積率は圧延全断面積の２３％条件）で接合した。こ
の条件で、後続の仕上げ圧延機を用いて連続熱間圧延を
実施し、板厚１．２ｍｍの製品を仕上げたところ、破断
なく良好な圧延が実施された。このようにレーザ出力が
充分大きければ一つのビームをハーフミラーにより出力
を２分割して２つの加工ヘッドを用いることで両端を同
時に溶接することが出来る。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるレーザ
を２台使用し、レーザ接合を両端部において同時に行う
ことにより、両端部の凝固による収縮を同程度に発生さ
せることにより、両端部の突合せ間隔が常にレーザ接合
可能な間隔に保たれることにより、先行材の後端部と後
行材の先端部をレーザビームにより溶接する際生ずる熱
変形を最小限に抑え、板幅方向に均一に溶接が可能とな
り、かつ先行材温度と後行材温度に対する入熱量を制御
することにより溶融部の溶け落ちの発生を防止し、溶接
部の欠陥をなくし、安定したレーザ溶接が可能となり、
粗圧延後の圧延材を先行する仕上げ圧延中の圧延材に材
料を停止することなく、連続的に仕上げ圧延がされると
共に、品質の良好な熱間圧延材を得ることが出来、生産
性の向上並びに圧延品質の向上を図ることが出来る優れ
た効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接合材に対するレーザ溶接方向を
示す説明図、

【図２】接合材突合せ部の断面図、

【図３】本発明に係るレーザ装置を用いて同時溶接する
実施例を示す図、

【図４】本発明に係る接合材に対するレーザ溶接方向側
を示す図である。

【符号の説明】

１ａ 先行圧延材 １ｂ 後行圧延材 ２ 溶融部 ３ レーザビーム ４ ハーフミラー ５ 加工ヘッド Ｑ レーザ照射による入熱量 Ｔａ 先行材接合温度 Ｔｂ 後行材接合温度 Ｍｗ レーザ照射による溶融幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 31/00 Ｂ２３Ｋ 31/00 Ｆ (72)発明者 山本 博之 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新 日本製鐵株式会 エレクトロニクス研究 所内 (56)参考文献 特開 平７−256304（ＪＰ，Ａ) 国際公開94／16838（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 1/00 - 1/46 B21B 15/00 B23K 26/00 B23K 31/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間圧延装置の圧延機の仕上げ入側で、
   先行の圧延材の後端部と後行の圧延材の先端部をレーザ
   で突合せ接合した後、該接合した圧延材を連続圧延する
   ためのレーザによる接合方法において、該先行材の後端
   部と該後行材の先端部をレーザビームを使用して溶接す
   る際、生じる熱変形を最小限に抑えるため、ＣＯ₂ レー
   ザ２台を使用して接合材両端部から同時に接合し、圧延
   材の温度と突合せ間隔に合わせレーザ出力と溶接速度の
   一方または両方を制御して溶け落ちの発生を防止するこ
   とを特徴とする連続熱間圧延におけるレーザ接合方法。