JP4266417B2 - 中空ロール胴体用筒体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属板を曲げ加工して溶接する板巻法によって製造される中空ロール胴体用筒体に優れた性能と耐久性を具備させるための、溶接部を中心とした筒体構成を有利に製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板その他の金属板あるいはプラスチックフィルムなどのシート材の製造・加工プロセスにおいてはロールが多数使用される。これらのロールは、圧延機やレベラーのワークロールのように特に大きい荷重を受けながら使用されるものを除けば、殆どのロールは胴体部分が中空状に形成された中空ロールである。
【０００３】
中空ロールの胴体の製造方法としては、前記板巻き法の他に遠心鋳造法，鍛造法などが挙げられるが、寸法対応性，材質の均一性、あるいは、安価に製造できるといった点で板巻き法が格段に勝っている。しかしながら、その製造過程に由来して、ロール製品には必ず溶接部が存在する。
【０００４】
しかして、溶接部は、高能率指向により多用されているサブマージアーク溶接法の適用に際して溶接割れが起こらないようにするために溶加材が母材以上に材質面の制約を受けるという成分面の差異により、あるいは、溶加材ないしは母材金属が溶融したのち凝固して形成されるという履歴の溶接部の材質は母材部分と大なり小なり異なったものとなり、ついてはロール表面硬さが溶接部で偏倚して前記シート材の製造に好ましくない影響を及ぼすことがあった。よって、溶接部を母材部分と大差のない材質に形成するために種々の工夫がなされており、その代表例として、本出願人の出願になる特許第２５２１４５２号公報に記載の発明を挙げることができる。
【０００５】
上記発明においては、板巻き法における、金属板を曲げ加工して湾曲させた筒体母材の直線端縁同志の溶接を、溶加材を用いずに平端面を突合わせた開先の母材自体を電子ビーム等により溶融させて行って、溶接部と母材の材質差を極小化しており、この発明によって、表面硬さ偏倚の殆どない板巻き法中空ロールが提供された。しかしながら、肉厚が50mm，溶接長さが２mに及ぶこともある板巻き体への電子ビーム溶接法の適用は、板面との直角度，直線性、及び、端面同志の平行度を0.1mmオーダーの高精度に確保した突合わせ開先を上記深さと長さに亘って形成することを要し、又、特大の高真空装置などを要する点から、コストがかかり過ぎるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に、鑑みてなされたものであって、ロールの表面特性に係る溶接部材質の母材部からの偏倚を極小化した、低コストで供給することのできる板巻き法中空ロール胴体用筒体の製造方法を提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべくなされた本発明中空ロール胴体用筒体の製造方法は、金属板を曲げ加工により湾曲させた１体構成又は複数体構成の筒体母材をその直線端縁同志を溶接接続して筒状に閉じる筒体の製造方法において、前記溶接接続を、先ず、溶接部の筒体内面側に位置する過半厚さ乃至は全厚さに亘る溶接を炭素量が0.05〜0.20％の溶加材によりサブマージアーク溶接法又は炭酸ガス溶接法で行って一次溶接部を形成した後、該一次溶接部の筒体外面側を掘削整形して二次溶接のための所望寸法・形状の開先を形成し、次いで、該開先に対する溶接を炭素量が前記筒体母材よりも0.01〜0.10％高い溶加材によりプラズマ溶接法又はレーザー溶接法で行って二次溶接部を形成する手順で行うことを特徴とするものである。
【０００８】
なお、上記本発明で云う、焼入硬さに関する「同等」とは、焼入後ないしは焼入・焼戻し後の硬さの差異が、硬さレベルに応じて、前記シート材の製造・加工時における影響の無視できる±３％程度に納まっていることを意味している。
【０００９】
即ち、本発明中空ロール胴体用筒体の製造方法にあっては、先ず、溶接部の筒体内面側に位置する過半厚さを内層領域とし、該領域を溶着後の高温から急冷しても割れない炭素量の溶着金属を以て形成するようにしたことにより、溶接施工の大半をサブマージ溶接法などの高能率の大入熱溶接法によって行うことができ、しかも、該溶着金属が焼入硬化していないことから高温への再加熱による割れの懸念が払拭された。よって、残る外層領域については、その溶接施工に当って、内層領域のわれを懸念せずに外層領域自体の割れだけを考慮すればよくなり、加えて、厚い内層領域の存在により外層領域の施工負荷が小さくなって、割れを生じないようにする技術集約が容易となり、この結果、溶着金属の炭素量を筒体母材の部分と同等の焼入硬さが得られるレベルに設定できるところとなった。
【００１０】
更には、内層領域を形成するための溶接（一次溶接）を炭素量が0.20％以下の溶加材により、サブマージ溶接法などの大入熱溶接法で行って、割れを生じることなく溶接部を形成できること、又、このあと、外層領域を形成するための溶接（二次溶接）をプラズマ溶接法などの高エネルギー密度溶接法により行って、上記炭素量の溶接部を割れを生じることなく形成できることも確認できて、前記本発明の課題が解決されたのである。なお、上記一次溶接において、溶加材の炭素量を0.05％以上としたのは、溶接部全体の強度に大きく関わる内層領域の強度を、中空ロール内に生じる応力に照らして十分堅牢と見なせるレベルに確保するためである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による中空ロール胴体用筒体に充てる、金属板を素材とする母材の材質としては、炭素鋼の他に、ステンレス鋼，焼入れ性ないしは耐摩耗性を強化したクロム鋼，あるいはクロムモリブデン鋼を例示できる。しかして、通常入手でき且つ曲げ加工しやすいのは炭素量が0.25〜0.55％程度の素材であり、焼入硬さで云えば、HRc（ロックウェルＣスケール硬さ）で35〜65程度の範囲に亘る。
【００１２】
よって、溶接部外層領域についても上記範囲の焼入硬さが得られるように材質を選定するものであるが、これは、必ずしも同鋼種且つ同炭素量とすることを意味しない。例えば、母材にはクロムモリブデン鋼を充て、溶加材には溶接時に割れにくい炭素鋼を当てて両者の焼入硬さが同等となるように夫々の炭素量を設定してもよい。
【００１３】
一方、溶接部の内層領域の溶加材については、低コスト且つ堅牢に形成するために、通常は低炭素鋼が適しており、たとえば、サブマージ用溶接棒として通常市販されている50kg級溶接棒を好適材料として挙げることができる。
さて、上記本発明筒体の製造方法について以下に述べる。
【００１４】
＜筒体母材の調製＞
公知の手法により、金属板を曲げ加工して、図２に示すような筒体全周分に当る１体構成の板巻き体１、又は、図３に示すような２体合わせて全周分となる２体構成の半周板巻き体1´を用意する。又、素材事情などに応じて３体構成あるいはそれ以上としてもよい。上記板巻き体は、略円形に形成して溶接後に略真円状の筒体となるようにしてもよく、又、前記特許公報に開示されているように、巻き始めと巻き終りの部分を溶接がしやすいように一先ず平坦なまゝに残した異形円形に形成し、溶接後の異形円形筒体を略真円状に整形するようにしてもよい。
以下、略円形に形成した１体構成板巻き体によるケースを例にとって説明する。
【００１５】
＜一次溶接部の形成＞
図２に示した１体構成板巻き体の、向き合った直線端縁２同志を、先ず、図４あるいは図５に示すような形に溶接接合する。図４の例では溶接部の筒体内面側に位置する過半領域に溶接を施し、図５の例では溶接部の全厚さに亘って溶接を施して一次溶接部３を形成している。図４，図５において2aは上記一次溶接のための溶接開先である。
【００１６】
上記一次溶接部の形成は、サブマージアーク溶接法あるいは炭酸ガス溶接法のような大入熱溶接法で高能率，低コストで行うことが望ましい。本発明においては、炭素量が0.05〜0.20％程度の溶加材を用いて行って、これとほゞ同レベルの炭素量の金属を溶着させることとなるので、大入熱溶接法を適用しても溶接部が急冷割れすることはない。又、通常、溶接前に行われる100〜300℃の予熱により、割れは更に確実に防止される。
【００１７】
＜二次溶接用開先加工＞
図６に示すように、一次溶接部の一部及び熱影響部４を掘削整形して開先５を形成する。開先５を形成するための掘削整形は、アークや火焔によるガウジング（ほじくり加工）、フライス盤やシェイパーなどの工作機械による加工あるいはサンダー加工などの加工手段を適宜利用して行えばよい。
【００１８】
上記開先加工で残された部分3aが、図１に示す本発明による中空ロール胴体用筒体６の溶接部７の内層領域7aとなり、又、開先５が、二次溶接（後述）を経て外層領域7bとなるものである。上記外層領域7bを如何ほどの厚さに設定するかは、ロールの用途・使用条件等に応じて適宜定めるべき事項であるが、多くの用途・使用条件に対応できる仕上り厚さの目安は１〜10mmである。１mm未満では耐スポーリング性や摩耗寿命などのロールに必要な性能が確保しにくゝ、又、上記厚さを10mm程に留めることで、溶接部外層領域形成のための二次溶接における前述の技術集約が容易になる。
【００１９】
＜二次溶接部の形成＞
上記開先５に所定の炭素量の溶加材により溶接施工を行って、二次溶接部即ち図１に示す本発明筒体溶接部外層領域7bを形成する。ここで、上記所定の炭素量とは、本発明筒体の溶接部７の外層領域7bが、筒体６の焼入後において母材８と同等の硬さとなるように定めるものであり、実験的には、溶加材の炭素量を母材より0.01〜0.10％高くすることによって硬さが同等になることを確認している。
【００２０】
二次溶接部は、上述のように焼入硬化に適した組成になるので、サブマージアーク溶接法のような大入熱溶接法で施工すると急冷割れすることになる。よって、二次溶接部はプラズマ溶接法，レーザー溶接法などの高エネルギー密度溶接法により形成することが望ましい。これらの高エネルギー密度溶接法は、溶加材の小体積に高い密度で入熱できて熱劣化の極小化された清浄な溶接部を形成するのに適している。又、入熱密度は高くても、単位時間当りの入熱量はサブマージアーク溶接法などの数分の１であり、上記割れの問題が大巾に軽減され、更には溶接前後の予熱（100〜350℃），後加熱（300〜500℃）などの急冷防止のための常套手段を講じることによって割れを皆無にできる。
上記高エネルギー密度溶接法は、大入熱でない分、サブマージアーク溶接法などに比べて高単価となるが、本発明においては溶接部の全層ではなく容積の小さい外層領域に適用すればよいので実用的なコストで実施できる。又、前記二次溶接用開先加工に先立って一次溶接済筒体を略真円状に整形しておくことにより、二次溶接部表面仕上のための二次溶接容積マージンを極小化できて、より確実にコストを抑制できる。
【００２１】
なお、二次溶接部の形成も、溶接部品質に影響しない範囲で高能率化すべきであり、この観点で粉体状の溶加材を用いるプラズマトランスファーアーク溶接法（略称ＰＴＡ法）によれば、パス毎のビード厚さを大きくとれて高能率化に有利であり、しかも溶接部の清浄度は損われない。又、上記粉体として酸化の少ない気中噴霧法（エアアトマイズ）粉体を用いることにより、水中アトマイズ粉体を用いた場合よりも清淨度が更に高位に確保され、フクレやワレも生じにくゝなる。
【００２２】
以上のようにして製造された本発明による筒体は、該筒体の両端部へのロールネック取付け、あるいは外周面の旋削・研摩などを経て最終製品である中空ロールになる。又、この間に焼入ないしは焼入・焼戻しを行うが、これに先立って溶接部に焼なまし，焼ならし等の熱処理を施しておくと、溶接部の特性偏倚を更に小さくできる。
【００２３】
（実施例）
100×500×32ｔ(mm)の鋼板の２枚１組を母材として、これの長辺を、本発明態様を含む各種態様で溶接接続し、溶接部表面を平坦に精整した後更に焼入・焼戻し処理を施して、溶接部の母材部からの硬さ偏倚を調べた。試験体仕様と試験結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１に見る通り、本発明例にあっては、溶接割れを生じることなく、溶接部での硬さ偏倚の殆どない溶接接合体が得られており、本発明の優位性が立証された。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、中空ロール胴体に用いる筒体を、板巻き法で形成し、この際、溶接部の過半に亘る内層領域を低炭素量とすることによって大入熱溶接を可能にして低価格を確保するとともに、残る外層領域を母材と同等の焼入硬さが得られる炭素量とすることによって溶接部での硬さ偏倚を極小化した。
即ち、高価な遠心鋳造法等と同様の、溶接部の硬度偏倚が実質的に存在せず、しかも、遠心鋳造法等より均質でピンホールなどのない筒体が、遠心鋳造法等に対するコスト面あるいは製造可能寸法範囲における優位性を維持した形で提供できたものであり、鋼板やプラスチックフィルムの製造・加工業などへの貢献は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 板巻き体に一次，二次溶接を施して本発明により中空ロール胴体用筒体に形成した要部の拡大断面図。
【図２】 １体構成の板巻き体の断面図。
【図３】 ２体構成の板巻き体の断面図。
【図４】 図１又は図２の板巻き体の一次溶接部の一例の拡大断面図。
【図５】 図１又は図２の板巻き体の一次溶接部の別例の拡大断面図。
【図６】 一次溶接した板巻き体に二次溶接を施すために形成した開先部の例を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１，1´ 板巻き体
２，2´ 直線端縁
2a 一次溶接開先
３ 一次溶接部
４ 熱影響部
５ 二次溶接開先
６ 本発明による中空ロール胴体用筒体
７ 溶接部
7a 内層領域
7b 外層

Claims (4)

1. 金属板を曲げ加工により湾曲させた１体構成又は複数体構成の筒体母材をその直線端縁同志を溶接接続して筒状に閉じる筒体の製造方法において、前記溶接接続を、先ず、溶接部の筒体内面側に位置する過半厚さ乃至は全厚さに亘る溶接を炭素量が0.05〜0.20％の溶加材によりサブマージアーク溶接法又は炭酸ガス溶接法で行って一次溶接部を形成した後、該一次溶接部の筒体外面側を掘削整形して二次溶接のための所望寸法・形状の開先を形成し、次いで、該開先に対する溶接を炭素量が前記筒体母材よりも0.01〜0.10％高い溶加材によりプラズマ溶接法又はレーザー溶接法で行って二次溶接部を形成する手順で行うことを特徴とする、中空ロール胴体用筒体の製造方法。
2. 前記溶接部外層領域の厚さを、溶着金属の仕上がり厚さで１〜10mmとした、請求項１に記載の中空ロール胴体用筒体の製造方法。
3. 前記筒体母材の炭素量が0.25〜0.55％である、請求項１又は２に記載の中空ロール胴体用筒体の製造方法。
4. 前記二次溶接部の形成を、粉体状の溶加材によりプラズマ溶接法で行う、請求項１〜３のいずれかに記載の中空ロール胴体用筒体の製造方法。

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