JP4486639B2 - 連続製造工程のためのレーザー溶接方法、その装置、及びレーザー溶接用圧延板材 - Google Patents

Description

本発明は、連続製造工程において、圧延材を相互接合して連続的に生産する圧延材の溶接方法に関する。より詳細には、レーザー溶接で圧延材を接合した後、溶接部の硬化組織を低減させ溶接部の溶接品質を安定的に提供できる連続製造工程のためのレーザー接合方法及びその装置に関する。

金属板材を生産する技術分野において、圧延を連続化することによって生産性と品質を向上させ、そして製造できる製品サイズを拡大化する要求が強まりつつある。

かかる連続圧延は、電気鋼板やフェライト系ステンレス鋼板のような高級鋼種にまでその適用が拡大されつつある。熱延コイルを持って連続製造工程で生産する代表例には、酸洗いと連続圧延が繋がって同時進行するＰＣＭ（Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｔａｎｄｅｍ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ）工程がある。熱延コイルから得られる冷延コイルは、酸洗いと連続圧延（Ｔａｎｄｅｍ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ）をそれぞれ施行する方法があるが、酸洗いと連続圧延が繋がって同時進行するＰＣＭ（Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｔａｎｄｅｍ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ）工程でも製造することが出来る。ＰＣＭ工程は、酸洗いとＴＣＭをそれぞれ施行する工程に比べ生産性を大きく向上させることができ、最近多く適用されている。

このような連続圧延分野において重要なのは、先行する圧延板材の後端と後行する圧延板材の先端とを相互接合する圧延板材の接合技術にある。

連続圧延のために圧延板材を接合する技術には、固相接合方法と溶接による接合方法がある。

溶接による接合方法は、連続圧延ラインの入口側で、先行する圧延板材の後端と後行する圧延板材の先端とを相互溶接して溶接部を形成した後、続いて後続圧延ラインを通過することになる。この場合、溶接部の品質が良くない場合には、後続圧延ラインを通過する間に溶接部が板破断し、生産が全面中断される深刻な問題を引き起こす。従って、連続圧延のためには熱延、冷延コイルの溶接部の品質特性を確保するのが重要な技術とみられる。特に、ＰＣＭラインでは、既存の酸洗ラインとＴＣＭラインに比べ、生産ラインが長くコイルを入れるルーパーの数が多いため、既存ラインに比べ厳しい溶接品質を要求している。

連続圧延ラインに適用される溶接方法には、短絡とフラッシング（Ｆｌａｓｈｉｎｇ）を繰り返し発生させるフラッシュバット溶接（Ｆｌａｓｈ ｂｕｔｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）と高密度の熱源を利用するレーザー溶接がある。

フラッシュバット溶接は、入熱量が大きいため被溶接材の選択に限界がある。その一例として電気鋼板、フェライト系ステンレス鋼、高炭素鋼などに対しては接合強度が確保されず、冷間圧延中に板破断が発生する場合がある。特に、高炭素鋼のように炭素（Ｃ）の含有量が高い鋼種は、フラッシュバット溶接が非常に難しい材料と評価されている。また、溶接日程及び溶接条件を一定に設定して反復作業を実施した場合にも、個々の溶接部の品質特性にバラツキを示すなど、再現性にも問題があるものと指摘されている。

レーザー溶接は、エネルギー密度が高く入熱量が少ないため、既存のフラッシュバット溶接に比べて優れた品質特性が得られるものと知られている。

しかし、レーザー溶接で高炭素鋼を溶接して連続圧延する場合、溶接金属部に気孔やピンホールが発生し、溶接金属と溶接熱影響部に亀裂が発生する問題点がある。

気孔やピンホールは、素材内の炭素含量と深い関係がある。溶接時に、溶融金属内の炭素が大気中の酸素と反応し、ＣＯガスを作りながら外部に放出できなかったガスが凝固時に残留し気孔が発生するものと知られている。

従って、溶融金属部の炭素含量を低減させることが重要で、適切な溶接材料を使用することにより気孔発生を低減させることが出来る。

溶接部の亀裂は硬化組織と関係があり、高炭素鋼では、溶接時の急加熱と急冷却過程から生成されるマルテンサイトまたはベイナイト組織が主な原因とされている。溶接部の硬化組織は、溶接金属部と溶接熱影響部が同時に発生するため、その改善方法も複雑で様々である。

以上のように、硬化組織が発生する鋼材を連続圧延するための先行技術としては次のような技術がある。

先ず、特許文献１は、溶接部を熱処理することに関するものであって、固定式熱源を使用して、圧延材の炭素含有量に応じて特定の熱処理温度で一定時間維持する方法を開示している。しかし、この方法は熱処理の維持時間によって全体的な溶接施工時間が増加するという問題点がある。

さらに他の先行技術には、特許文献２がある。この技術は、溶接部をレーザー溶接で溶接した後、１分以内に４００℃以上、Ａ_Ｃ１点以下の温度範囲で熱処理する方法に関する。しかし、この技術は４００℃以上、Ａ_Ｃ１点以下で硬化組織を完全に除去させるためには非常に長い時間維持しなければならず、またレーザー溶接のように急冷却される場合には、溶接後数秒以内に溶接部を急加熱して熱処理する必要があるため、熱処理施工方法が非常に複雑になるという問題点がある。

また他の先行技術には、特許文献３がある。この技術は、高炭素鋼板の接合部の間に溶接性に優れた低炭素鋼を挿入して溶接する方法に関する。この技術は、他の溶接法に比べて溶接工程数が２倍以上増加する上に、リーダーストリップ（Ｌｅａｄｅｒ ｓｔｒｉｐ）を毎回用意しなければならないという問題点があって、大量生産には適さない。

また他の先行技術には、特許文献４がある。この技術は、レーザー溶接部がフェライトとパーライトの混合領域を通過するうちに冷却されるよう熱処理する方法に関する。この技術は、レーザー溶接に関するものであって、アーク溶接に比べて急加熱し急冷却するため、フェライトとパーライトが混在する領域に変態させにくいという問題がある。特に、高炭素鋼に対して溶接する場合、硬化現象が著しく発生するという問題点がある。

さらに他の先行技術には、特許文献５がある。この技術は、接合部に対してレーザー溶接が完了した後、圧延材を熱処理する方法に関する。しかし、この技術もレーザー溶接を適用するため溶接部が急冷却され熱処理を行う直前にマルテンサイト組織に変態が完了し、微細亀裂が発生するという問題点がある。従って、この技術はＰＣＭのように高品質を要求する生産ラインでは適用が困難である。

また他の先行技術には、特許文献６がある。この技術は、高炭素鋼と低炭素鋼の異種接合部でフィラーワイヤ（Ｆｉｌｌｅｒ ｗｉｒｅ）を使用し、熱処理を行わず、低炭素鋼側にレーザービームを照射して溶接部の亀裂を防ぐ方法に関する。しかし、この技術は、溶融されない高炭素鋼側の溶接熱影響部から発生する硬化組織を除去できないという問題点がある。

さらに他の先行技術には、特許文献７がある。この技術は、フラッシュバット溶接に関するものであって、溶接部に熱処理を実施する方法に関する。溶接方法は異なるが、溶接部に熱処理を実施する上記技術と類似する技術として、特許文献８と特許文献９そして特許文献１０がある。しかし、これら技術は何れも炭素が０．５％以上含まれている高炭素鋼板の溶接部の品質を、安定的に確保することが困難であるという問題点がある。

以上のように、連続圧延のための鋼板の接合技術は多数あるが、殆どの場合が炭素の含有量が比較的低い高炭素鋼や、溶接品質が大して要求されない生産ラインに適用する方法である。

従って、炭素含有量が０．５％以上になる高炭素鋼や素材の強度が４５０ＭＰａ以上の鋼種、例えば自動車用高強度鋼のようにレーザー溶接を遂行した後、冷却中に硬化組織であるマルテンサイトやベイナイトのような硬化組織が発生する鋼種に対しても、連続製造工程を遂行するのに適用できる程度の溶接接合部の品質特性を確保できる技術が要求されている。

日本特許公開公報平５−５０２７６号 日本特許公開公報平５−１３２７１９号 日本特許公開公報平８−５７５０２号 日本特許公開公報平８−２１５８７２号 日本特許公開公報第２０００−３１７６４２号 日本特許公開公報第２００１−３５３５８７号 日本特許公開公報第２０００−３１７６４２号 日本特許公開公報平５−１３２７１９号 日本特許公開公報第２０００−３１７６４２号 日本特許公開公報第２００４−７６１５９号

従って本発明は、このような従来の問題点を解消するためのものであって、本発明の目的は、レーザー溶接部の硬化組織を低減させ、溶接部の品質を安定的に確保して、連続製造工程に対する生産性を大幅に改善出来るレーザー溶接方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、レーザー溶接部の硬化組織を低減させ溶接部の品質を安定的に確保して、連続製造工程に対する生産性を大幅に改善出来る連続製造工程のためのレーザー溶接装置を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明の連続製造工程のためのレーザー溶接方法は、 低温変態組織が発生する圧延材を相互に接触させる段階と、上記圧延材の接触部分に対してレーザー溶接して溶接部を形成する段階と、上記圧延材の溶接部に対して加圧機で強制圧下する段階と、を含んで構成される。

本発明において、上記強制圧下段階で上記圧延材の強制圧下は、上記溶接部の温度がＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３の範囲で行われることが好ましい。そして、上記溶接部の強制圧下は、７５ＭＰａ以下の加圧力で実施することが好ましい。また、上記溶接部の強制圧下は、強制圧下によって溶接部の厚さ減少率が５．８％以下であることが好ましい。そして上記溶接部の強制圧下は、上記圧延材の上下で平坦ロールを用いて実施することが好ましい。

本発明において上記低温変態組織が発生する圧延材は、Ｃの含量が０．５重量％以上の高炭素鋼、ＤＰ鋼、ＴＲＩＰ鋼、ＣＰ鋼から選択される。上記高炭素鋼の例としては、重量％としてＣ：０．５％以上、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ａｌ：０．０５％以下を含み、その他の不可避な不純物と残りのＦｅから成るものである。

本発明において上記溶接段階では、Ｃ：０．１重量％以下、Ｃｒ：０−１．２２重量％を含む炭素鋼またはＣ：０．１重量％以下、Ｃｒ：０−１．２２重量％を含むＮｉ合金から選択された溶接材料を使用することが好ましい。このような溶接材料は、線材または粉末または薄膜の何れか一つの形態のものを使用することが出来る。

そして上記溶接段階の前に上記圧延材の接触部分を６００℃乃至８００℃の範囲で予熱処理するか、または、上記溶接段階の後に上記溶接部を７００℃乃至１１００℃の範囲で加熱して後熱処理することが好ましい。

本発明による連続製造工程のためのレーザー溶接は、酸洗いと冷延する工程（ＰＣＭ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）、酸洗いとオイル塗布する工程（ＰＯＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｏｉｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、焼き鈍しと酸洗いする工程（ＡＰＬ、Ａｎｎｅａｌｉｎｇ＆Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、酸洗いする工程（ＰＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、冷延する工程（ＴＣＭ、Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）等の何れか一つの工程に適用される。

また本発明は、低温変態組織が発生する鋼種の圧延材に対して、連続製造工程によって圧延材の溶接部と溶接部付近の圧延材との間の硬度のバラツキが９０Ｈｖ以下であることを特徴とするレーザー溶接用圧延板材を提供する。

また、本発明による圧延材をレーザー溶接する装置は、
上記圧延材を溶接するレーザー溶接機と、
上記溶接機の前端で圧延材の溶接部を予熱する予熱機と、
上記溶接機の後端で圧延材の溶接部を後熱する後熱機及び上記後熱機の後端で圧延材の溶接部を強制圧下する圧下機から成る。最も好ましくは、上記レーザー溶接機と上記予熱機と上記後熱機そして上記圧下機が、全て一体になっていることである。

本発明による硬化組織が発生する鋼種の連続製造工程のためのレーザー溶接方法は、これまで適用されていなかった溶接条件を提供し、連続製造工程で圧延材が生産できる技術的効果がある。

また、本発明は実施例の一つとして提示したように、０．５％以上の高炭素鋼を連続圧延するために圧延材を溶接する場合、溶接欠陥のない良好なレーザー溶接接合部を得ることができ、図５のように、レーザー溶接部が板破断せずに連続作業を可能とする技術的効果を提供する。

また本発明は、鋼材の炭素含有量に関係なく溶接施工時間を一般鋼水準の２５秒範囲に短縮することにより、連続圧延での鋼材生産性を大幅に向上させる技術的効果がある。

以上のように、本発明の溶接条件を適用すると、硬化組織が発生し得る鋼種であっても連続製造工程ラインに印加される強い圧縮荷重と、スタンドとの間にかかる引っ張り荷重にも耐えられるため、連続圧延中にも溶接部の破断が起きない連続製造工程を遂行することを可能とする。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照にさらに詳しく説明する。
本発明において“低温変態組織が発生する圧延材”とは、レーザー溶接方法で相互接合させ溶接部を形成した後、冷却時に溶接部の組織が低温変態組織に相変態する圧延材を意味する。低温変態組織とは、マルテンサイトやベイナイトが含まれた組織を意味する。レーザー溶接後に低温変態組織が発生する圧延材には、高炭素鋼または高強度鋼素材がある。

高炭素鋼は、Ｃの含量が０．５重量％以上の鋼を意味する。高炭素鋼の代表例には、重量％（以下、本発明において％は特に説明が無い限り重量％を意味する。）として、Ｃ：０．５％以上、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ａｌ：０．０５％以下を含み、その他の不可避な不純物と残りのＦｅから成るものである。炭素含有量の側面でＣが０．５％以上含まれている鋼であれば、何れも本発明で意味する高炭素鋼に含まれるものと解釈すべきであり、高炭素鋼に特殊な機能を付加するため、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｂ、Ｎｂ、Ｓｂ等の元素が添加されているか否かは関係ない。

高強度素材は、引っ張り強度が４５０ＭＰａ以上を有するよう設計されたものであって、主に自動車用高強度鋼（Ｈｉｇｈ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｓｔｅｅｌ）がある。その例としては、変態組織を有するよう成分設計されたものとして、ＤＰ鋼（Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ鋼）とＴＲＩＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ、変態誘起塑性）鋼そしてＣＰ鋼（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｈａｓｅ鋼）などがある。ＤＰ鋼は軟らかいフェライトと強度が高いマルテンサイトという、２つの性質が異なる相が混合した鋼であって、少ない合金元素で優れた加工性と高い強度を同時に確保できる鋼種である。そしてＴＲＩＰ鋼は、鋼中に延性に優れたフェライト相と強度に優れたベイナイト相そして高温で存在する準安定オーステナイト相で構成されたもので、準安定オーステナイト相が変形されると、強度に優れたマルテンサイト相に変わる鋼種である。ＣＰ鋼は、マルテンサイトやベイナイトの少なくとも１種が含まれた組織に析出物が存在する鋼である。これら変態組織鋼は、低温変態組織を有するよう鋼成分が設計されたものであって、レーザー溶接後に変態組織に相変態することになる。

このように高炭素鋼や変態組織鋼を有するよう設計された鋼種は、連続製造工程のためにレーザー溶接方法で接合した後、冷却時に溶接部においてマルテンサイトやベイナイトまたは析出物のような脆性の強い組織に相変態が起こることとなる。

このように、低温変態組織が発生すると、連続圧延工程で溶接部に亀裂が発生したり、板破断が起きるなど様々な問題点が発生する。

また、本発明において“溶接部”とは、連続製造工程のために先行する圧延板材の後端と後行する圧延板材の先端とを、相互レーザー溶接機で溶接して形成される接合部であって、レーザーによって溶融された後、凝固する溶融金属部と、溶融はされないがレーザーの熱源によって熱影響を受ける溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）を含むことを意味する。

また、本発明において“連続製造工程”という用語は、熱間圧延や冷間圧延ラインで連続的に圧延材を圧延する工程を意味すると共に、圧延材を相互接合して２個以上のコイルが連結された状態で、研磨工程または溶融亜鉛メッキ工程または焼鈍工程などのように、連続的に通板する全ての連続ラインを含む意味として使用される。

先ず、本発明による目的を達成するため、低温変態組織が発生するレーザー溶接部の組織検査、及びエリクセン（Ｅｒｉｃｈｓｅｎ）試験を通じて確認された溶接部で、硬化現象の発生原因について検討してみる。

本発明の発明者等によって確認された結果によると、溶接部の硬化現象は溶接金属及び溶接熱影響部で各々発生し、マルテンサイトとベイナイトそして炭化物などが主な原因として働いていることが確認できた。

このような硬化組織は、溶接部に強制圧下技術を適用したり、溶接部の化学組成と熱処理を一定水準に制御することによって除去出来る。

本発明はこのために、溶接部に対して後続工程で強制圧下を遂行する方法と、炭素含有量が圧延材より低い溶接材料を使用して溶接金属部の炭素含有量を低減させる方法、そして溶接部全体を熱処理して硬度を減少させる方法を提供する。

そして硬化組織が発生する溶接部の品質特性は、上記のように溶接部の硬度によっても影響されるが、溶接部全体の硬度分布にも影響される。

即ち、例えば高炭素鋼では、熱処理によって溶接部の硬度をある程度低めることが可能だが、図１に示したように、溶接部と圧延材との間に硬度のノッチ現象が発生し、これによって溶接部の品質が通板を満足するような水準に確保するのが難しくなる。

従って本発明では、溶接部を熱処理すると共に、溶接部を強制圧下する技術を提供して、溶接部の硬度を減少させつつも、溶接部全体の硬度分布を図１の矢印方向のように緩和させ、硬化組織が発生する鋼種に対してレーザー溶接部の品質を安定的に確保出来るようにする。

また、ＰＣＭのような連続ラインでは、溶接と熱処理とを分離して実施すると、溶接施工時間が長くなるため、全体の生産速度が低下する。そして圧延材の炭素の含有量が増加するにつれ、熱処理時間も増加する。

従って本発明では、このような問題点を解決するため、図２のように熱処理装置と強制圧下装置を溶接機と共に一体型で構成して、圧延材の溶接部が溶接と同時に熱処理されながら強制圧下されるように溶接装置を構成する。

図２を参考に本発明による溶接装置を説明すると、本発明による溶接装置は、大きく溶接機１０と熱処理機２０そして圧下機３０からなっており、これら３つの装置は、何れも一体で形成される。図２では、本発明による溶接装置を概略的に図示したものであるため、これら３つの装置が一体で形成される構成は示されていないが、このように３つの装置を一体で構成する技術は、通常の設備技術によって実施できるものであるため、これら装置を一体で構成するための技術的構成に関する詳細な説明は省略する。

本発明による溶接機１０は、レーザー１４を発振させるレーザー発生機１２と溶接材料を供給するフィラー供給機１６から成る。

また熱処理機２０は、移動する圧延材を加熱させるための熱源として速やかに加熱できる手段であれば何れも適用可能で、高周波誘導コイルを使用することが好ましい。このような熱処理機２０は、溶接部の以前に設置され、溶接される前に圧延材４０を加熱する予熱機２２と、溶接後に圧延材５０を加熱する後熱機２４から成っている。そして圧下機３０は、溶接された圧延材を溶接が行われた直後に加圧するもので、平坦ロール（Ｐｌａｎｉｓｈｉｎｇ ｒｏｌｌ）を使用することが好ましい。

本発明による溶接装置を用いて移動する圧延材を相互溶接する場合、先ず、後行圧延材４０の先端と先行圧延材５０の後端とを接触させた後、予熱機２２で加熱した状態で溶接機１０で溶接し、相互接合された溶接部６０は、後熱機２４によって後熱される。以後、後熱機２４を通過した溶接部は、冷却されながら後熱機２４直後に設置された圧下機３０を通過するうちに、強制圧下（ＰＷＨＤ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｈｏｔ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が行われるようになる。

本発明では、溶接部の熱処理と強制圧下が一緒に行われることが好ましいが、このような工程が別個に選択的に適用することも出来る。

本発明による溶接装置を用いて移動する圧延材を溶接する場合、圧延材も移動するが、これと共に溶接装置も移動するようになる。この際、圧延材の移動方向と溶接装置の移動方向が同一だったり反対だったりすることが出来る。圧延材の移動方向と溶接装置の移動方向が同一の場合には、圧延材の移動速度が溶接装置の移動速度と同じか、より速く移動することが好ましい。

図３は、本発明の一実施例に移動式溶接装置と、これを用いて溶接する場合、圧延材の溶接部に対する熱サイクル履歴及びこれによる組織状態を模式的に示している。

以下では、高炭素鋼を一例として連続製造工程での溶接部の硬化現象を制御するための方法として溶接部の化学組成を制御する方法と溶接部の熱処理方法、そして溶接部の強制圧下方法を順番に説明する。

先ず、溶接部の化学組成を制御する方法について説明する。
この方法は、溶接部において殆どの溶融金属を形成する溶接材料を制御する方法である。溶接材料はフィラー供給機１６から溶接部６０へ供給され、基本的に炭素鋼と高靭性材料のＮｉ合金が全て適用可能であるが、炭素鋼系列がより安定的に溶接品質を確保できるので好ましい。

ステンレス鋼及びＮｉ合金から成る溶接材料は、最適の溶接パラメータが導き出されない場合には、母材である高炭素鋼とのぬれ性が低下され、融点の差によって母材成分が完全に希釈されないため、間欠的に溶接部が脆化される現象が生じる。

本発明において溶接金属部の組成は、炭素の含有量が０．４％以下になるよう制御することが好ましい。これはレーザー溶接の場合には、極小量の溶接材料を溶融させ溶接部に満たすため、通常のアーク溶接に比べ母材の希釈率が非常に大きいからである。

例えば、圧延材内の炭素の含有量が０．８５％以上の高炭素鋼圧延材の場合に、希釈率を最大３０％に設定し、溶接金属部の炭素含有量を０．４％以下に維持するためには、溶接材料の炭素含有量は約０．１ｗｔ％以下になるべきである。

またクロム（Ｃｒ）は、圧延材内の炭素と反応して溶接金属と溶接熱影響部の付近でクロム炭化物を形成するので、クロム（Ｃｒ）の含有量は１．２２％以下に制御することが好ましい。

従って本発明では、溶接機から供給される溶接材料は、Ｃ：０．１％以下、Ｃｒ：０−１．２２％以下の炭素鋼またはＣ：０．１％以下、Ｃｒ：０−１．２２％を含むＮｉ合金が好ましい。炭素鋼はＦｅが主成分で、Ｎｉ合金はＮｉが主成分の溶接材料である。これらはＣ、Ｃｒを本発明の条件を満たしながら、通常の炭素鋼またはＮｉ合金であれば適用可能である。溶接材料の形状は線材が好ましいが、粉末や薄膜形態の溶接材料も使用可能である。

次に、溶接部の熱処理方法について説明する。
本発明において溶接部の熱処理は、溶接接合部の亀裂を防ぐための溶接前に実施する予熱処理と、溶接後に溶接接合部の硬化現象を緩和させるために実施する後熱処理がある。

仮に、炭素含有量が０．８５％の高炭素鋼に対してレーザー溶接を実施し、接合された溶接部に対して後熱処理のみ実施した場合、溶接以後の溶接部は後熱処理する前に急冷却され、溶接部に亀裂が生じることとなる。

従って、炭素含有量が高い高炭素鋼に対してレーザー溶接による急冷却熱サイクルを緩和させるために、溶接前に予熱処理を実施することが好ましい。

このような予熱処理の温度は、本発明の一実施例のように移動式熱処理機を適用する場合、マルテンサイト変態温度（Ｍｓ）のすぐ上では十分な予熱効果が得られないため、これより高い温度に予熱することが好ましい。

従って、本発明の一実施例によると、高炭素鋼の溶接部に対して予熱する場合、予熱処理の温度は６００℃乃至８００℃の範囲で実施することが好ましい。予熱処理の温度が６００℃以下で予熱処理すると、移動する圧延材に対して予熱のための十分な時間が確保できないため、溶接部に十分な品質特性が確保できず、予熱温度が８００℃以上になると過度の入熱によって溶接部に変形が発生して、良好な溶接部が確保できない。

そして本発明において溶接部の後熱処理は、大きく二つの概念で実施する。
最初の概念は、Ａ_Ｃ１以下で比較的長時間維持して溶接部のマルテンサイト組織をテンパード（ｔｅｍｐｅｒｅｄ）マルテンサイトに変化させ、延性を確保するテンパリング（Ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）処理方法である。

二番目の概念は、レーザー溶接時の冷却熱サイクルを積極的に制御して、フェライトとパーライト組織に変態させる方法である。

ここでテンパリング処理方法は、比較的長時間熱処理しなければならないので、これによる十分な延性を確保できることが長所であるが、生産速度が速いコイル生産ラインでは後熱処理に長時間かかってしまうと、生産性が低下する。従って、移動式熱源を用いたレーザー溶接システムでは、後者のレーザー溶接後の冷却サイクルを緩和させる方法がより好ましい。

溶接部の後熱処理の温度は、８００乃至１１００℃の範囲で加熱するのが好ましく、より好ましくは９５０〜１１００℃の範囲である。また溶接部の後熱処理は、加熱後の維持時間をもたず自然冷却することが好ましい。

溶接部の後熱処理温度が８００℃以下の場合には、入熱量が不足し、冷却後の溶接部の組織にマルテンサイト組織が形成され、硬度低減効果が無い。また、後熱処理の温度が１１００℃以上の場合には、入熱量が多すぎて溶接部の組織が粗大化され、一部分は冷却時に硬化組織のマルテンサイト組織が再生成され、溶接部の物理的特性が悪化する。

最後に、溶接部の強制圧下の方法について説明する。
本発明のように溶接部の高温領域を強制圧下すると、熱処理を適用した場合より硬度を著しく減少させることが出来る。

強制圧下は、冷却中の溶接部をＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３温度範囲で強制圧下することであって、このような温度範囲で強制圧下を実施すると、オーステナイトの粒径が縮小され、フェライトとパーライト組織への変態が促進される。

また、Ａ_Ｃ１以下の温度範囲では溶接熱影響部が加工硬化され、硬度が一定水準に上昇するため、接合部全体の硬度分布が緩和され得る。

そして強制圧下は、圧延材を冷却するうちにＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３温度範囲で加圧力７５ＭＰａ以下に実施することが好ましい。加圧力が７５ＭＰａ以上になると、溶接部に変形が発生し、低温領域では一部微細な亀裂が発生することになる。

また、溶接部が硬化組織のマルテンサイトまたはベイナイト組織に変態する鋼種に対して、溶接後の冷却中にＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３温度範囲で強制圧下する場合、溶接部の厚さ減少率を５．８％以下にすることが好ましい。

以上説明した本発明による高炭素鋼溶接部の硬化現象を制御するための方法を最適に適用する溶接部と溶接部に隣接した圧延材（母材）の間の硬度バラツキは、ヴィッカース硬度（Ｈｖ）で９０Ｈｖ以下を示すようになる。このように、溶接部と母材との間の硬度バラツキを９０Ｈｖ以下に維持する場合、このような溶接部を有する圧延材が連続するようになると、後続する高張力状態の連続製造工程ラインで、板破断が発生することなく、連続的な工程で生産することができ、溶接部で変形も発生しないようになる。このような本発明は、圧延材の板厚が０．５乃至６ｍｍで適用することが好ましい。

また、本発明のレーザー溶接方法は、圧延材を連続製造工程で生産する全ての方法に適用することが出来る。例えば、酸洗いと冷延する工程（ＰＣＭ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）、酸洗いとオイル塗布する工程（ＰＯＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｏｉｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、焼き鈍しと酸洗いする工程（ＡＰＬ、Ａｎｎｅａｌｉｎｇ＆Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、酸洗いする工程（ＰＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、冷延する工程（ＴＣＭ、Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）等がある。

以下では本発明による好ましい実施例について説明する。
以下で説明する本発明の好ましい実施例は、硬化組織が発生する鋼種中の一つである高炭素鋼について説明するが、本発明の思想が高炭素鋼に限られるものと解釈されるのではないということは、本発明の趣旨から当然である。

本実施例では、表１のような組成を有する高炭素鋼熱間圧延材を使用した。圧延材の厚さは２．０ｍｍであった。このような圧延材は、最大出力１２ｋＷのＣＯ_２レーザー溶接機を用いて相互溶接した。この際、溶接材料にはワイヤ状態（０．９ｍｍ）のフィラーを使用し、その化学組成は表１に示した通り低炭素系である。

圧延材をレーザー溶接機で溶接する時のレーザー溶接の条件は、 溶接部の気孔アンダーフィル（Ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ）のような溶接欠陥が発生しない条件にし、レーザーの出力は８．４ｋＷで溶接速度は４．５ｍ／ｍｉｎであり、接合部の間隔は０．１５ｍｍにした。

溶接部に対する熱処理は、２０ｗ×２００ｌｍｍの大きさの熱源を有する高周波誘導加熱炉を使用し、出力を変えつつ、溶接線に沿って移動させながら熱処理した。

熱処理条件は、加熱速度は約１００℃／ｓで、予熱処理の温度は７２３℃で、後熱処理の温度１００５℃で加熱した後、自然冷却（空冷）した。

溶接部を熱処理する時、高周波誘導炉によって加熱された溶接部の温度は、Ｒ−ｔｙｐｅの熱電対を溶融境界線に点溶接し、溶接による温度履歴を測定し、温度履歴曲線から最高到達温度を求め、この温度を熱処理温度と定めた。

強制圧下は、後熱処理機の後側に装着された幅２０ｍｍの移動式ロール（ｒｏｌｌ）を利用し、溶接及び熱処理と同時に溶接部を加圧した。

本発明の一実施例によると、エリクセン高さ４ｍｍ以上でＰＣＭラインの通板基準を満たしたところ、エリクセン試験機（Ｅｒｉｃｈｓｅｎ）を用いてエリクセン高さを評価し、エリクセン高さ４ｍｍを基準に合格可否を決定した。溶接部の品質特性の評価方法は、溶接部の亀裂発生時点までの塑性変形された高さを測定して評価した。

先ず、炭素含有量が０．８５％のＳＫ８５鋼に対する品質評価の結果を下記の表２に示した。

表２から分かるように、ＳＫ８５鋼の溶接部に対して熱処理を実施しない場合には、溶接直後に溶接部から溶接亀裂が発生して、通板可能な溶接接合部が得られなかった。

また、予熱処理または後熱処理のみを単独で実施した場合にも、通板が出来る程度の溶接部品質特性を確保できなかった。

これに対して、本発明のように予熱処理と後熱処理を全て実施した場合には、他の実施例に比べて溶接部の品質が改善されることが分かる。

以上のように処理した溶接部に対して、溶接を完了した直後に加圧量を変化させながら強制圧下を実施した。

図４には、ＳＫ８５鋼の溶接部に対して強制圧下を実施する場合、溶接部の長さ方向による硬度分布を示している。

強制圧下を実施する場合、圧下量の増加に応じてエリクセン高さが増加し、品質特性が改善された。

図４から分かるように、溶接部の最高硬度と硬度バラツキは、強制圧下によって減少して、溶接部全体の硬度分布が緩やかになることがみられる。

加圧量は、７５ＭＰａ以下の範囲では加圧量の増加と共にエリクセン高さが直線で上昇するが、７５ＭＰａ以上では溶接接合部がひどく変形し低温領域が過度に加工硬化され、微細な亀裂が発生した。

また、図４から分かるように、加圧量が０ＭＰａの場合、溶融金属部での硬度は非常に高く、溶接熱影響部では硬度が相対的に低く表れるが、加圧量を３０ＭＰａと７５ＭＰａに徐々に増加させるにつれ、溶接部の硬度バラツキが緩和されることが分かり、溶接部の長さ方向に全体的に硬度分布が緩やかになるという結果が確認出来る。

次に炭素含有量が０．５％のＳ５０Ｃ鋼に対する品質評価の結果を下記の表３に示した。

表３から分かるように、Ｓ５０Ｃ鋼のレーザー溶接部の品質特性は、ＳＫ８５鋼レーザー溶接部に比べて熱処理方法に関係なく全体的に優れていることが分かる。

また、表３から分かるように、溶接部が硬化組織のマルテンサイトまたはベイナイト組織に変態する鋼種に対して、溶接後冷却中にＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３の温度範囲で強制圧下して溶接部の厚さ減少率を５．８％以下にする場合、優れた溶接部の品質特性を示している。

このような結果は鋼材内の炭素含有量の減少により硬化現象が低減されたことによるものとみられる。

この鋼種に対して溶接を実施した後、強制圧下した場合には、ＳＫ８５鋼のようにエリクセン高さが増加し、溶接部の最高硬度と硬度バラツキが減少し溶接部の品質特性が大きく改善される結果を確認した。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は以上のような実施例に示された高炭素鋼の連続製造工程時溶接での溶接条件に特定されるのでなく、本発明の思想が適用される連続製造工程に必要な様々な溶接条件に適用することが可能である。

従って、本願発明は、特許請求範囲と発明の詳細な説明の範囲内で多様に変形して実施することが可能で、これもまた本発明の範囲に属する。

本発明の一実施例によるレーザー溶接部の硬度分布を示すグラフである。 本発明の一実施例によるレーザー溶接装置を示す概念図である。 本発明の一実施例によるレーザー溶接部の熱サイクルを示すグラフである。 本発明の一実施例においてレーザー溶接後に強制圧下を実施し強制圧下の加圧力の変化による硬度変化を示すグラフである。 本発明の一実施例においてＳＫ８５鋼の圧延材に対するＰＣＭ連続圧延以後のレーザー溶接部を示す写真である。

Claims (12)

1. 圧延材を連続製造工程のためにレーザー溶接する方法において、
   低温変態組織が発生する圧延材を相互に接触させる段階と、
   前記圧延材の接触部分に対してレーザー溶接して溶接部を形成する段階と、
   前記圧延材の溶接部に対して加圧機で強制圧下する段階とを含み、
   前記強制圧下は、前記溶接部の温度がＡ _Ｃ１ −Ａ _Ｃ３ の範囲で行い、強制圧下による溶接部の厚さ減少率が５．８％以下であることを特徴とする連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
2. 前記溶接部の強制圧下は、７５ＭＰａ以下の加圧力で実施することを特徴とする請求項１に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
3. 前記溶接部の強制圧下は、前記圧延材の上下で平坦ロールを用いて実施することを特徴とする請求項１に記載の連続圧延のためのレーザー溶接方法。
4. 前記低温変態組織が発生する圧延材は、Ｃの含量が０．５重量％以上の高炭素鋼、ＤＰ鋼、ＴＲＩＰ鋼、ＣＰ鋼から選択されることを特徴とする請求項１に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
5. 前記高炭素鋼は、重量％としてＣ：０．５％以上、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：３％以下、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ａｌ：０．０５％以下を含み、その他の不可避な不純物と残りのＦｅから成ることを特徴とする請求項４に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
6. 前記溶接段階では、Ｃ：０．１重量％以下、Ｃｒ：０−１．２２重量％を含む炭素鋼またはＣ：０．１重量％以下、Ｃｒ：０−１．２２重量％を含むＮｉ合金から選択された溶接材料を使用して溶接することを特徴とする請求項１または請求項５に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
7. 前記溶接材料は、線材または粉末または薄膜の何れか一つの形態であることを特徴とする請求項６に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
8. 前記溶接段階の前に、前記圧延材の接触部分を６００℃乃至８００℃の範囲で予熱処理することを特徴とする請求項１または請求項５に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
9. 前記溶接段階の後に、前記溶接部を８００乃至１１００℃の範囲で加熱して後熱処理することを特徴とする請求項１に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
10. 前記溶接段階の後に、前記溶接部を８００乃至１１００℃の範囲で加熱して後熱処理することを特徴とする請求項８に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
11. 前記強制圧下は、７５ＭＰａ以下の加圧力で前記溶接部の温度がＡ_Ｃ１−Ａ_Ｃ３の範囲で行われることを特徴とする請求項１０に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。
12. 前記連続製造工程は、酸洗いと冷延する工程（ＰＣＭ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）、酸洗いとオイル塗布する工程（ＰＯＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ＆Ｏｉｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、焼き鈍しと酸洗いする工程（ＡＰＬ、Ａｎｎｅａｌｉｎｇ＆Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、酸洗いする工程（ＰＬ、Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ）、冷延する工程（ＴＣＭ、Ｔａｎｄｅｍ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ）の何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の連続製造工程のためのレーザー溶接方法。

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