JP5650358B1 - 板曲げ中空ロールの製造方法並びに板曲げ中空ロールおよび鋼板製造プロセス装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そのうち比較的大径のロールに関しては、コスト削減を目的として、中実ロールではなく板を曲げて溶接して円筒形状を形成した中空ロールが多く適用されてきている。
以前は、搬送する鋼板からの継続的な圧力や摩擦などの負荷によりロール表面の形状が変化し、表面処理層の亀裂やはく離を生じる場合があり、その形状が鋼板へ転写されて搬送する鋼板の表面品質を低下させることがあった。そこで、中空ロールの表面硬度を上げて表面形状の変化を軽減する必要があった。
しかしながら、この様な高炭素鋼のロール母材を板曲げ加工の上で溶接材料を用いて端面を溶接して中空ロールを形成した場合、その溶接により熱影響を受けた部分に割れなどの欠陥が生じる可能性があるため、予熱処理や後熱処理などが必要となる。
例えば、溶接材料を用いると、ショットブラストによる表面粗度付与工程で溶接線部にショットが深く食い込み、大きな粗度になってしまう。この溶接線部の粗いロール表面粗度は、鋼板に転写することがある。特に、亜鉛めっき等を施された高級表面処理鋼板では、その転写が顕著に表れ、製品不良の原因ともなっていた。
更に、この溶接線の転写を回避するために、鋼板の張力を低く設定する傾向にあることから、鋼板の蛇行やスリップの原因ともなる。つまり、設備の生産能力を十分に発揮することができず、歩留りが低下してしまうとの問題が生じていた。
また、特許文献2に記載の方法では、液相拡散接合法でロール母材端面を接合してロールを製作する様にしている。
また、特許文献3に記載の方法では、溶接材料を使用して、ロール母材端面の接合後にロール母材と溶接材料との境界線部分を全て溝状に削り取り、その後にその削った溝を再び埋め直す様にしている。
更に、特許文献4に記載の方法では、まずサブマージドアーク溶接などの大入熱溶接で接合を行い、その後、大入熱溶接による熱影響部を削除するために溶接部とその周辺の外周面側をガウジング等により掘削を行い、その後プラズマ溶接等の低入熱溶接で再度埋め直す様にしている。
また、電子ビーム溶接を行っている為に、大掛かりな超高真空設備の中での作業が必要で、高コスト且つ作業性も悪いとの問題がある。
更に、板の両端部辺を曲げずに平坦な部分を残した扁平形状を形成した状態で、平行に接合端面を突き合わせる様にしているが、特許文献4にも説明が有る様に、仮にレーザビームによる溶接を行ったとしても、そのようにして得られた端面位置の形成状態では直角度、直線性及び端面同士の平行度に関して精度の高い溶接面の突き合わせ状態を確保することが容易でないとの問題がある。また、上述した真円に矯正し直す問題を解決する必要がある。
その上、仮に金属板の板曲げ加工前に金属端面の機械加工を行った場合でも、板曲げ加工の際に生じる歪により金属板の突き合わせ部の突き合わせの精度が低下して、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することが非常に困難となり、レーザビーム溶接による溶接が困難となる。
また、突き合わせ部の内表面側に、外表面に熱影響が及ばない程度のレーザビーム突き合わせ溶接部の高さを残した上で、事前に両端部に開先加工を施し、当該開先加工部には溶接材料を用いる汎用されている大入熱溶接を適用することにより、低入熱溶接のみで接合を行う方法よりも格段に溶接時間の短縮化が可能となる。例えば、低入熱溶接としてMIG溶接あるいはMAG溶接で開先加工部を肉盛溶接する場合、開先加工部の肉盛りに約30回の溶接が必要であるのに対し、大入熱溶接のサブマージドアーク溶接法の場合、溶接回数は約10回で開先加工部の肉盛りができるため施工時間の短縮ができ、それに伴うコスト削減を同時に図ることが可能となる。その上、開先加工により、突き合わせ面全面で高い突き合わせ精度を板厚方向において確保することができ、レーザビーム溶接がより適用しやすいとの利点を奏するものとなる。
従って、上述した従来技術のような表面硬度差の影響により必要であった溶接部分の削り取り工程、そしてその部分の埋め直し工程等を必要としないこと、そして溶接材料を介在させずにレーザビーム溶接での高精度な母材溶融接合を実現可能としたことにより、最終表面処理後の粗度不均一部が生成されず、鋼板へのロール表面形状の転写を無くし、設備の生産能力を十分に発揮させた状態で鋼板の表面品質を高く維持したまま搬送することが可能となる板曲げ中空ロールを効率的に且つ低コストで製造することができる。
よって、転写を懸念することなく十分なライン張力を付与でき、高級表面処理鋼板において設備生産能力を十分に発揮した操業稼働を可能とするとともに、製品歩留まりの向上が期待できる。
従って、本発明の第7,8の発明によって、鋼板の製造プロセスで数多く使用される搬送ロールの製造コスト及び交換が必要となった際のメンテナンスコストなどを削減することができ、且つ生産される鋼板の表面品質をより高く維持することができるため、製鉄産業などにて有益に利用することができる。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第1の実施例を、図1乃至図5を用いて説明する。
この金属板は、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などを用いることができる。
また、板曲げ加工の方法は、公知の方法によればよい。
この開先加工で形成する内周側開先加工部9の形状は、図1に示すようなV字の開先形状に限られず、U字形状等他の類似の形状でも構わない。
なお、図1には、開先加工工程の説明図を示す。
また、本発明においては、合わせ加工とは、金属板12の突き合わせ部1を形成する突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとに対して同時に機械加工処理を行う加工工程のことをいう。
更に、この機械加工工程は、上述した突き合わせ部1に対するエンドミルによる合わせ加工が好ましいが、例えば、金属板12の両端面を突き合わせた状態のままで、エンドミル等によって各々の端面を順に機械加工することもできる。
このC型固定冶具7は、図3に示す様なねじ切りされたブロック5dにねじ係合している押圧ボルト(2対の上部押圧ボルト5a,2対の側部押圧ボルト5b,2対の下部押圧ボルト5c)を備えたC型形状のフレーム5eをロール軸方向で複数有するものである。
次いで、この複数のフレーム5eを先の機械加工工程において合わせ加工した後の金属板12の軸方向の複数の位置に配置し、円筒状に曲げた金属板12の外周面側を各々のフレーム5eの押圧ボルト5a,5b,5cによって押圧することで、突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとを押圧により突き合わせて突き合わせ部1を形成し、隙間を狭めた状態を保持する。
この押圧による突き合わせ部1の隙間は0.8mm以下、より好ましくは0.5mm以下に隙間を狭めた状態とし、極力0に近づける様に調整する。
なお、図3は、C型固定冶具7によって固定した際の次工程であるレーザビーム溶接工程の説明図である。
なお、C型固定冶具7における押圧ボルト5a,5b,5cが計6つの場合について説明したが、押圧ボルトの数は6つに限られず、合わせ加工した後の金属板12を外周面側から均等に押圧することができる任意の個数とすることができる。
また、C型固定冶具7は、フレーム5eがロール軸方向で複数の場合について説明したが、フレーム5eはロール軸方向で単数とすることができる。
この場合は、突き合わせ部1を機械加工した金属板12の内面側にレーザビーム溶接装置6のレーザビーム溶接ヘッド6bを導入し、突き合わせ部1に対して内面側からレーザビームにより溶接を行う。
また、図5においては下向きの溶接方向としているが、上向きでも良い。
このリング型固定冶具4における押圧ボルト5a,5b,5cも、図5に示すような6つに限定されず、合わせ加工した後の金属板12を外周面側から均等に押圧することができる任意の個数とすることができる。
また、リング型固定冶具4は、フレーム5fがロール軸方向で複数の場合について説明したが、フレーム5fはロール軸方向で単数とすることができる。
次いで、円筒形状の金属板13の外表面粗加工および/またはロール径の粗調整を任意で行う。
次いで、表面硬化熱処理を実施する。この表面硬化熱処理は、いわゆる高周波焼入れを行うことが多く、焼入れ後には焼き戻しを行い、靱性がある表面硬化層を得ることが可能となる。
次いで、円筒形状の金属板13のロール径仕上げ加工を実施する。
最後に、円筒形状の金属板13のロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
このレーザビームによるロール母材間の直接溶接は、溶接線が異種成分の層となることがなく、高エネルギー密度溶接により熱影響部も少なく表面の硬度が均一な溶接を実現することができる。また、溶接線の熱影響部が少ないため、溶接後の円筒形状の変形もほとんど無くすことが可能である。この溶接線には一時的に硬化層が発現するが、後工程の熱処理で簡単に除去でき、ロール母材と溶接線が同一の組成となり、最終製品では同じ硬度が得られる。
その上、仮に金属板の板曲げ加工前に金属端面の機械加工を行った場合でも、板曲げ加工の際に生じる歪により金属板の突き合わせ部の突き合わせの精度が低下して、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することが非常に困難となり、レーザビーム溶接による溶接が困難となる。これに対し、本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第1の実施例では板曲げ後に機械加工を行うことにより、レーザビーム溶接に必要な突き合わせ精度を確保することができ、外周側から押圧力を加えて両端部の端面間の隙間を狭めた状態を保持することでレーザビーム溶接を実施することが可能となる。
他の固定方法としては、例えば、仮止め溶接を実施せずに前述のC型固定冶具7を装着し、金属板12の突き合わせ左端面2aと突き合わせ右端面2bとを突き合わせた状態で突き合わせ部1を機械加工することも可能である。この場合は、必要に応じて内面からも油圧ジャッキ等の手段により押圧をかけて固定することが望ましい。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第2の実施例を図6および図7を用いて説明する。
次いで、図1に示す様に、仮止め溶接後の突き合わせ部1の内周面側をエンドミルを備えた機械加工装置3c等により開先加工を行う。
ここで、テーパ形状の角度θは、例えば、図7に示す様に、約10mmの間隔で開いた金属板12の両端面(2a,2b)の中間点から円周方向における反対側に位置する金属板12部分の、厚さ方向の中央部の点8を基準にして金属板12の両端面(2a,2b)に向かって放射状に開いた時の角度を基準とする。
また、本発明におけるテーパ形状とは、円筒状の金属板12の中心軸に対して垂直な方向から見たときに、両端面(2a,2b)の隙間を狭めた状態にした時に、両端面(2a,2b)全面が平行となるように外周面側が内周面側に比べて開いた形状のことである。
なお、図6はテーパ形状の機械加工工程の説明図、図7はテーパ角度の基準点の説明図である。
溶接が完了した後に、上述のC型固定冶具7は取り外す。固定冶具は、実施例1と同様にリング型固定冶具4としても良い。
また、実施例1と同様に、必要に応じて内面から油圧ジャッキ等の手段を用いた上でC型固定冶具7又はリング型固定冶具4を装着し、仮止め溶接を実施せずに金属板12の両端面(2a、2b)を突き合わせた状態で突き合わせ部1の機械加工を行っても良い。
その後、円筒形状の金属板13の両側面に対する側板および軸の取り付け、ロール径仕上げ加工、ロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
加えて、突き合わせた金属板12の両端部の合わせ加工後の端面を外周側が開いたテーパ形状に形成することで、金属板12の両端部の端面間の隙間を狭めた状態としたときに両端部の端面全面が平行になり、突き合わせ部1を押圧時に極めて高精度な平行状態となる様に形成することができ、隙間を狭めた際の金属板12の両端面の密着度を向上させることが可能となり、溶接端面の突き合わせ精度の更なる向上を図ることが可能である。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第3の実施例を図8を用いて説明する。
図8はアーム型ロボットによるレーザビーム溶接工程の説明図である。
次いで、図1に示す様に、仮止め溶接後の突き合わせ部1の内周面側をエンドミルを備えた機械加工装置3c等により開先加工を行う。
更に、ストレート形状のエンドミル3a1若しくはテーパ形状のエンドミル3b1を備えた機械加工装置を用いて、金属板12の突き合わせ部1に対して合わせ加工を実施し、約10mmの間隔が均一な若しくはテーパ形状の隙間を形成する。
この際に、図8に示す様に、レーザビーム溶接をアーム型ロボット6を使用して行う。
この場合、まず、アーム型ロボット6のロボットアーム部6cの先端にレーザビーム溶接ヘッド6aを装備し、ロール母材である金属板12の各種溶接条件(板の材質、板厚、ロール径など)に合わせて事前に検討した必要な設定値(例えば、ロールの表面からの距離、レーザビーム溶接ヘッドの入射角度、送り速度、レーザ強度等)の設定を行う。その後、上述のレーザビーム溶接ヘッド6aが先端に装備されたアームを、金属板12の外表面側、又は金属板12の内表面側へ導入し、レーザビーム溶接を行う。
金属板12の外表面から溶接を行う際には図3に示すC型固定冶具7を使用し、金属板12の内表面から溶接を行う際には図5に示すリング型固定具4を使用することが望ましい。
その後、図4に示す様に、C型固定冶具7で押圧をかけて固定した状態のまま上下反転させ、内周側の開先加工部9に内周側からサブマージドアーク溶接法などの溶接材料を用いる汎用的な溶接法で開先加工部9に開先部溶接部11を形成して接合する。
溶接が完了した後に、上述のC型固定冶具7は取り外す。
その後、円筒形状の金属板13の両側面に対する側板および軸の取り付け、ロール径仕上げ加工、ロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
加えて、レーザビーム溶接においてアーム型ロボットを用いることにより、板の材質、板厚、ロール径等によりその都度調整を要するロールの表面からの距離、レーザビーム溶接ヘッドの入射角度、送り速度、レーザ強度等のパラメータの変更を自動的に行うことが可能となり、作業の効率化、時間短縮そしてそれらに伴う製造費用の削減を図ることが可能となる。
本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第4の実施例を図9および図10を用いて説明する。
次いで、図1に示す様に、仮止め溶接後の突き合わせ部1の内周面側をエンドミルを備えた機械加工装置3c等により開先加工を行う。
更に、ストレート形状のエンドミル3a1若しくはテーパ形状のエンドミル3b1を備えた機械加工装置を用いて、金属板12の突き合わせ部1に対して合わせ加工(約10mm間隔)を実施し、約10mmの間隔が均一な若しくはテーパ形状の隙間を形成する。
この第1溶接層11aを形成する肉盛溶接では、焼入れ硬化性の少ない低炭素量の溶接材料を用いることから、突き合わせ部1と低炭素量の溶接材料との融合による炭素量の希釈(拡散)の影響が図10に示す突き合わせ部1に及ぶことを最小限に留めるために、上述したMAG溶接,MIG溶接等の低入熱溶接法を用いる。ここで、第1溶接層11aの溶接材料は上述したように母材より低炭素量であり、母材および硬化層となる突き合わせ部1への溶け込みを大きくすると、融合による希釈(拡散)により硬化層深さが減少してしまう可能性があるため、溶接条件を母材への溶け込みを融合不良(内部欠陥)の恐れがない約2mmに抑える条件(例えば、低入熱溶接による2〜3回の肉盛溶接)とすることが望ましい。
この第2溶接層11bを形成する肉盛溶接では、第1溶接層11aを形成する肉盛溶接と同様に、焼入れ硬化性の少ない低炭素量の溶接材料を用いる。この第2溶接層11bの大入熱溶接は、第1溶接層11aが緩衝層の役割を果たすことから、第2溶接層11bと第1溶接層11aとを融合溶接しても、突き合わせ部1への影響が及ぶことを軽減する効果が得られる。
このようにすることで、図10に示すような、金属板13の内周面側に溶接材料を用いた低入熱溶接によって形成された第1溶接層11aと、溶接材料を用いた大入熱溶接によって形成された第2溶接層11bとを開先加工部9に形成する。
例えば、低入熱溶接を複数回または複数方法実施して第1溶接層11aを形成したり、大入熱溶接を複数回または複数方法実施することで第2溶接層11bを形成したりすることも可能である。
その後、円筒形状の金属板13の両側面に対する側板および軸の取り付け、ロール径仕上げ加工、ロール表面最外層の粗度調整と硬質クロムメッキ等の施工を経て、最終製品である板曲げ中空ロールを完成させる。
加えて、内周面側の開先加工部9への溶接として、まずは低入熱溶接の第1溶接層(第1溶接層11a)を形成し、この第1溶接層の上に大入熱溶接による第2溶接層(第2溶接層11b)を形成することで、ロール外表面への熱影響等をより一層軽減することができ、大入熱溶接の際の外周面への熱影響をより軽減して、ロール表面硬度の差の更なる低減を実現することが可能となる。
本発明の板曲げ中空ロールおよび鋼板製造プロセス装置の実施例である第5の実施例を図11を用いて説明する。
図11に示すように、鋼板製造プロセス装置のうち主に、CAL(連続焼鈍ライン;Continuous Annealing Line)や、CGL(連続溶融めっきライン;Continuous Galvanizing Line)等における搬送設備において、特に直径400mm〜1500mmの中空ロールRに、上述の第1〜第4の実施例で例示する本発明の板曲げ中空ロールの製造方法により製造された板曲げ中空ロールを使用する。
なお、上述の第1〜第4の実施例で例示する本発明の板曲げ中空ロールの製造方法により製造された板曲げ中空ロールの使用先は、図11に示すような鋼板製造プロセス装置に限定されない。
従って、本発明の板曲げ中空ロールや鋼板製造プロセス装置の第5の実施例によれば、鋼板への転写を懸念することなく十分なライン張力を付与でき、例えば高級仕様の表面処理鋼板においても設備生産能力を十分に発揮した操業稼働を可能とすることができる。このため、鋼板の生産能力が十分に発揮されるとともに、生産される鋼板の表面品質を高い状態を保って搬送することができる。また、表面硬度差及びそれに伴う溶接部表面の変形の低減による搬送ロールの交換頻度の低下等から大きな費用削減の効果が期待でき、鋼板の製造プロセスで数多く使用される搬送ロールの製造コスト及び交換が必要となった際のメンテナンスコストなどを削減することができる。
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。
2a…突き合わせ左端面、
2b…突き合わせ右端面、
3a…機械加工装置、
3a1…ストレート形状のエンドミル、
3b…機械加工装置、
3b1…テーパ形状のエンドミル、
3c…機械加工装置、
4…リング型固定具、
5a…上部押圧ボルト、
5b…側部押圧ボルト、
5c…下部押圧ボルト、
5d…ブロック、
5e…(C型形状の)フレーム、
5f…(リング形状の)フレーム、
6…アーム型ロボット、
6a…外面側レーザビーム溶接ヘッド、
6b…内面側レーザビーム溶接ヘッド、
6c…ロボットアーム部、
7…C型固定冶具、
8…テーパ角度基準点、
9…内周側開先加工部(V字型)、
10…溶接ヘッド、
11…開先部溶接部、
11a…第1溶接層、
11b…第2溶接層、
12…円筒状の金属板(溶接前)、
13…円筒形状の金属板(溶接後)、
R…本発明に係る板曲げ中空ロール。
Claims (8)
- 矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を施した後に、前記円筒状に曲げた金属板の両端部の端面を突き合わせた状態とし、
この状態でその突き合わせた両端部の内周側に開先加工を施して開先加工部を形成し、
前記突き合わせた両端部の外周側の端面に機械加工を施して前記端面を平滑にし、
その後、前記円筒状に曲げた金属板に外周側から押圧力を加えて前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とし、
この状態で前記両端部の端面間に溶接材料を介在させずに、前記金属板の前記両端部をレーザビームで溶接して、
その後、前記内周側の開先加工部に溶接材料を用いて溶接を施して、前記円筒状に曲げた金属板を円筒形状に形成することを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記突き合わせた両端部の外周側の端面に機械加工を施す工程は、
前記両端部の端面間に端面全面が平行な間隔を形成することを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記突き合わせた両端部の外周側の端面に機械加工を施す工程は、
前記両端部の端面間に形成された隙間を狭めた状態としたときに前記両端部の端面全面が平行になるように、前記突き合わせた両端部の端面を外周側が開いたテーパ形状に形成することを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記レーザビームによる溶接と前記溶接材料を用いる溶接をアーム型ロボットを用いて行うことを特徴とする板曲げ中空ロール製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記内周側の開先加工部に溶接材料を用いて溶接を施す工程は、
前記開先加工部に低入熱溶接を行って第1溶接層を形成し、
前記第1溶接層の上に前記低入熱溶接よりも入熱量の大きい大入熱溶接を行って第2溶接層を形成することにより、前記開先加工部に2層構造の溶接部を形成することを特徴とする板曲げ中空ロール製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法において、
前記円筒状に曲げた金属板に外周側から押圧力を加えて前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とする工程は、
押圧手段を備えた固定冶具を用いて前記円筒状に曲げた金属板を外周側から押圧して前記両端部の端面間の隙間を狭めた状態とすることを特徴とする板曲げ中空ロールの製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法を用いて製造された板曲げ中空ロール。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の板曲げ中空ロールの製造方法を用いて製造された板曲げ中空ロールを使用した鋼板製造プロセス装置。
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