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

Abstract

金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を行う。次いで、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、突き合わせ部１の側面に点溶接等を施して仮止め溶接を行う。その後、突き合わせた両端部の内周側に開先を設ける。次いで、突き合わせ部１に対して合わせ加工を実施し、両端面の間隔を均一に形成する。次に、合わせ加工後の金属板１２の外周面をＣ型固定冶具７に装備された押圧ボルトによって押圧し、隙間を狭めた状態を保持する。その後、レーザビーム溶接装置６ａにより突き合わせ部１に対してレーザビーム溶接を行う。更に溶接材料を用いて大入熱溶接を行うことで突き合わせ部１を接合して、円筒状に曲げた金属板１２を円筒形状に形成する。これにより、設備の生産能力を十分に発揮させた状態で、搬送する鋼板へのロール表面形状の転写を無くして表面品質の高い鋼板の搬送を可能とする板曲げ中空ロールを効率的に且つ低コストで製造できる。

Description

本発明は、鋼板製造プロセスにおける鋼板搬送工程において鋼板の表面品質をより高く維持したまま搬送することが可能で、且つその製造コストの削減が可能な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に関する。

鋼板製造プロセスにおいては、鋼板を搬送するために大量の搬送ロールが使用されている。
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。

鋼板の表面品質の高度化ニーズに伴い、製造工程において鋼板の表面品質をより高く維持したまま搬送することが必須となっている。
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。

このために、例えば炭素当量０．４５％以上などの硬い高炭素鋼を使用し、更に焼き入れなどの熱処理を加えることにより表面硬度を上げる等の方策がとられた。
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。

よって、一般的に溶接材料は、溶接割れを防止する目的で、焼入れ硬化性を抑えるために低合金成分かつ脱酸素成分が加えられている組成となっている。このため、溶接材料を用いた溶接部の硬度は、ロール母材に比べて低い傾向にあり、搬送用ロール製造で必要な粗度付与プロセスでロール表面粗度を均一に付与することは困難であった。
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。

そこで、従来から板曲げ中空ロールの表面の硬度の均一化を図るための製造方法が提供されており、例えば、特許文献１乃至４にその方法が開示されている。

特許文献１に記載の方法では、溶接材料を使用せずにロール母材自体を電子ビーム等で溶融接合してロールを製作する様にしている。
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。

特開平３−１６９４１２号公報 特開平９−３０００８４号公報 特開２００３−１４５２０７号公報 特開２０００−１４０９１２号公報

上述の特許文献１に記載の方法では、溶接後に扁平形状部を真円に矯正し直す必要があり、余分な時間とコストを必要とする。
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、特許文献２に記載の方法は、突き合わせた端面の間にインサート材を介在させて液相拡散接合を行っている。しかし、この接合方法は欠陥の制御が難しく、酸化物などの介在物の形成を防止するために接合雰囲気の制御及び被接合面の清浄化等の高度な対応が必要である。その上、インサート材とロール母材との組織の均一化は容易ではなく、接合後の材料組織に不連続性が残る。

更に、特許文献３に記載の方法は、溶接材料を用いて接合を行い、ロール母材と溶接材料の境界線上に発生する初析フェライト等の析出物を溝状に削り込み、低入熱溶接により溶接金属で埋め戻すようにしている。しかしながら、この方法では、接合作業後に更に研削作業および埋め直し作業等の工程が必要であり、製造に時間を必要とし、高コストとなってしまうとの欠点があった。

その上、特許文献４に記載の方法では、特許文献３に記載の方法と同様に、溶接材料を使用して接合を行い、ロールの外表面に現れる析出物部分及び熱影響部を全面的に削り込みして、再び削り込み部を低入熱溶接により溶接金属で埋め戻す様にしている。そのため、特許文献３の研削、埋戻し範囲よりも広範囲で更に多くの工程と時間を要し、より高コストとなるという欠点がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、設備の生産能力を十分に発揮させた状態で、搬送する鋼板へのロール表面形状の転写を無くして表面品質の高い鋼板の搬送を可能とす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ための板曲げ中空ロールの製造方法と、板曲げ中空ロールおよび鋼板製造プロセス装置を提供することを目的とする。

また、レーザビーム溶接を適用する場合は、その突き合わせ面の突き合わせ精度が重要であるが、特に厚板の場合は突き合わせ面全面での突き合わせ精度を確保することに少々手間がかかった。本発明はこの課題も解決するものである。

上記目的を達成するために、第１の発明は、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ものである。

また、第２の発明は、第１の発明において、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ものである。

また、第３の発明は、第１の発明において、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ものである。

また、第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、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ものである。

また、第５の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、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ものである。

また、第６の発明は、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ものである。

更に、第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかを用いて製造された板曲げ中空ロールである。

また、第８の発明は、第１〜第６の発明のいずれか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である。

本発明の第１の発明によれば、板曲げ加工後にその両端面を機械加工をすることにより、従来方法のような真円矯正工程を回避しながら、溶接端面の突き合わせ時に極めて高い精度で突き合わせることができる。これにより、従来は困難であった、硬度差の原因である溶接材料を必要としないロール母材間の直接溶接を高精度なレーザビーム溶接で実現することができる。
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。

また、本発明の第２の発明によれば、上述した第１の発明と同様の効果が得られる。

また、本発明の第３の発明によれば、押圧時に極めて高精度な平行状態となる様に、突き合わせ部の機械加工時に外周側が開いたテーパ形状に形成するため、隙間を狭めた際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を更に向上させることができる。

更に、本発明の第４の発明によれば、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、時間短縮による作業の効率化、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。

また、本発明の第５の発明によれば、より一層ロール外表面への熱影響等を軽減するために、この内周面側の開先加工部への溶接にまずは低入熱溶接の第１層を挟み、その上に大入熱溶接による第２層を設ける構造として溶接を形成することで、大入熱溶接からロール外周面への熱影響をより軽減でき、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。

更に、本発明の第６の発明によれば、レーザビーム溶接時における金属板の突き合わせ端面の突き合わせ精度を、高く確保することができる。

また、上述した本発明によれば、溶接材料が介在した溶接線の存在による粗度不均一部のロール表面形状の鋼板への転写が無く、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実施例１における突き合わせ部の内周側開先加工工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例１における突き合わせ部の機械加工工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例１におけるＣ型固定冶具によるレーザビーム溶接工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例１における開先部の溶接工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例１等におけるリング型固定冶具によるレーザビーム溶接工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例２におけるテーパ形状の機械加工工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例２におけるテーパ角度の基準点の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例３における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。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例４におけるリング型固定冶具による２層構造溶接工程の説明図である。 本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の実施例４における板曲げ中空ロールの内周側の２層溶接構造の拡大概略断面図である。 本発明の板曲げ中空ロールを適用した鋼板製造プロセス装置の一例を示した図である。

以下に本発明の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の実施例を、図面を用いて説明する。

＜第１の実施例＞
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。

まず、矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を行う。
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。

次いで、この板曲げ加工を施した円筒状の金属板１２の突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂとを、金属板１２の突き合わせ部１、好ましくは突き合わせ部１の側面に点溶接等を施して仮止め溶接を行い、突き合わせた状態とする。

その後、図１に示す様に、仮止め溶接後の突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂの内周面側を、エンドミルを備えた内面開先加工用の機械加工装置３ｃ等により開先加工を行い、内周側開先加工部９を形成する。
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。

その後、この突き合わせた状態で、突き合わせ部１からロール中心への線に対して垂直になる面に、円筒状の金属板１２の軸方向の全面に渡って外表面を切削除去できる最小限の厚さの目安加工（基準面）切削を行う。

次いで、図２に示す様に、ストレート形状のエンドミル３ａ１を備えた機械加工装置３ａによって、内周側開先加工後の突き合わせ部１に対して外周面側から合わせ加工を実施し、約１０ｍｍの間隔が均一な隙間を形成する。なお、図２は、突き合わせ部１の機械加工工程の説明図である。

なお、この機械加工装置による金属板１２の突き合わせ部１に対する合わせ加工は、エンドミルによる機械加工に限定されない。エンドミルの他には、例えば、円筒状の砥石による突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂに対する両端面の同時研削加工等の方法が挙げられる。
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。

次に、Ｃ型固定冶具７を準備する。
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。

その後、上述のＣ型固定冶具７の６つの押圧ボルト（５ａ，５ｂ，５ｃ）によって押圧をかけて保持した状態で、レーザビーム溶接装置６ａにより突き合わせ部１に対してレーザビーム溶接を行うことで突き合わせ部１を接合する。

次いで、図４に示すように、上述の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に溶接ヘッド１０を導入し、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を形成して接合し、円筒状に曲げた金属板１２を円筒形状に形成する。

その後、溶接が完了した後にＣ型固定冶具７を取り外す。
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。

ここで、金属板１２を保持するのに使用する固定冶具は、図３に示すようなＣ型固定冶具７に限られず、図５に示す様なリング型固定冶具４としても良い。このリング型固定冶具４は、図５に示す様に、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）を備えたリング形状のフレーム５ｆをロール軸方向で複数有するものである。なお、図５は、リング型固定冶具４によって固定した際のレーザビーム溶接工程の説明図である。
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、溶接後の円筒形状の金属板１３に対して、素材調質を目的とした一次熱処理を任意で行う。この一次熱処理は、硬化元素の炭素等を均一に拡散すること、内部残留応力を開放することを目的としたもので、例えば、焼準、焼鈍、焼きなまし・焼き戻し、あるいは歪取り焼鈍等が挙げられる。
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。

その後、円筒形状の金属板１３の両側面に、側板および軸を取り付ける。なおこの側板および軸の取り付けは表面硬化熱処理の前に行うことも可能である。
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。

上述した本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第１の実施例によれば、板曲げ加工後に、突き合わせ部の内表面側に事前に両端部に対する開先加工を施し、突き合わせ部に機械加工により合わせ加工をする。よって、例え厚板を用いても、溶接する端面を極めて高い精度で突き合わせることができるため、従来は困難であった高精度なレーザビーム溶接による接合が可能となる。
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。

また、特許文献１に記載の方法のように、金属板を、プレス成形等により両端部辺が平坦に保たれるように特殊な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て溶接を行う必要がないため、溶接後に扁平形状部を真円に矯正し直す余分な工程が必要無い、との利点を有する。更に、電子ビーム溶接のように、大掛かりな超高真空設備の中での作業が必要でなく、高コスト且つ作業性も悪いとの問題も生じないとの利点を奏する。
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。

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が残るような開先加工をレーザビーム溶接の事前に両端部に施し、当該開先加工部には大入熱溶接を適用して接合することにより、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。

従って、溶接部辺のロール表面の経年的な変形が抑制されるとともに、ロール表面の硬度の差が無い均等な粗度を形成することが可能となるとともに、設備の生産能力を十分に発揮させた状態で搬送することが可能となる。よって、搬送する鋼板へのロール表面形状の転写のない高級表面処理鋼板の搬送を可能とす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可能となる。

なお、上記合わせ加工時における仮止め溶接を用いた金属板１２の固定方法は適用できる方法の一つであり、板曲げ加工を施した金属板１２の端部の位置を固定する方法であればこの方法に拘るものではない。
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。

＜第２の実施例＞
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。

まず、実施例１と同様に、矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を行う。その上で、円筒状の金属板１２の突き合わせ部１、好ましくは突き合わせ部１の側面に点溶接等を施して仮止め溶接を行い、突き合わせた状態とする。
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。

その後、図６に示す様なテーパ形状のエンドミル３ｂ１を備えた機械加工装置３ｂ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間隔のテーパ形状の隙間を形成する。
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。

その後、実施例１と同様に、図３に示す様なＣ型固定冶具７に装備された押圧ボルト（５ａ，５ｂ，５ｃ）を用いて、板曲げ加工後の金属板１２の外周面から押圧し、合わせ加工を行った突き合わせ部１を押圧により隙間を狭めた状態とする。更に、上述のＣ型固定冶具７で固定して押圧をかけて保持した状態で、突き合わせ部１をレーザビーム溶接装置６により接合する。

次いで、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の内周側に溶接ヘッド１０を導入し、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。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。

次いで、溶接後の円筒形状の金属板１３に対して、素材調質を目的とした任意の一次熱処理、任意の外表面粗加工、任意のロール径の粗調整、そして表面硬化熱処理を行う。
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。

本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第２の実施例においても、前述した板曲げ中空ロールの製造方法の第１の実施例とほぼ同様な効果が得られる。
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。

なお、テーパ形状の角度θの基準の点は、図７の点８に限定されない。他には、図７に示す金属板１２の外表面よりも内周側の任意の点とすることができ、より好ましくは、テーパ加工する両端面の中間点と板曲げ加工した金属板１２の中心とを結ぶ線分上の金属板１２の板厚および径を考慮した上での任意の点とすることが望ましい。

＜第３の実施例＞
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。

まず、実施例１等と同様に矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を行う。その上で、円筒状の金属板１２の突き合わせ部１、好ましくは突き合わせ部１の側面に点溶接等を施して仮止め溶接を行い、突き合わせた状態とする。
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。

その後、実施例１等と同様に、図３に示す様なＣ型固定冶具７や図５に示すようなリング型固定冶具４に装備された押圧ボルト（５ａ，５ｂ，５ｃ）を用いて、板曲げ加工後の金属板１２の外周面から押圧し、合わせ加工を行った突き合わせ部１を押圧により隙間を狭めたまま保持する。この隙間を狭めた状態で、突き合わせ部１をレーザビーム溶接装置６により接合する。
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。

次いで、溶接後の円筒形状の金属板１３に対して、素材調質を目的とした任意の一次熱処理、任意の外表面粗加工、任意のロール径の粗調整、そして表面硬化熱処理を行う。
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。

本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第３の実施例においても、前述した板曲げ中空ロールの製造方法の第１の実施例とほぼ同様な効果が得られる。
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。

＜第４の実施例＞
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。

まず、実施例１と同様に、矩形の金属板を円筒状に曲げる板曲げ加工を行う。その上で、円筒状の金属板１２の突き合わせ部１、好ましくは突き合わせ部１の側面に点溶接等を施して仮止め溶接を行い、突き合わせた状態とする。
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。

その後、実施例１等と同様に、図３に示す様なＣ型固定冶具７や図５に示すようなリング型固定冶具４に装備された押圧ボルト（５ａ，５ｂ，５ｃ）を用いて、板曲げ加工後の金属板１２の外周面から押圧し、合わせ加工を行った突き合わせ部１を押圧により隙間を狭めたまま保持する。この隙間を狭めた状態で、突き合わせ部１をレーザビーム溶接装置６により接合する。

次いで、図９に示す様に、リング型固定冶具４で押圧をかけて固定した状態のまま上下反転させ、開先加工部９に内周側から溶接材料を用いた低入熱溶接（例えばＭＡＧ溶接，ＭＩＧ溶接，溶接材料を用いた電子ビーム溶接法，溶接材料を用いたレーザビーム溶接法，プラズマ移行アーク溶接法等）により肉盛溶接を行い、第１溶接層１１ａ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。

更に、第１溶接層１１ａの上側（円筒形状の金属板１３の内周側）に、第１溶接層１１ａを形成する際の溶接よりも入熱量の大きい溶接材料を用いた大入熱溶接（例えばサブマージドアーク溶接法，炭酸ガス溶接法，エレクトロスラグ溶接法等）により肉盛溶接を行い、第２溶接層１１ｂを形成する。
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。

なお、この開先加工部９に第１溶接層１１ａと第２溶接層１１ｂからなる開先部溶接部１１を形成して接合する工程は、第１溶接層として極力低入熱である溶接法によって第１溶接層１１ａを形成し、次に第１溶接層１１ａの上（内周）側にこの第１溶接層１１ａ形成時よりも入熱量の大きい汎用的な大入熱溶接法によって第２溶接層１１ｂを形成すればよい。
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。

溶接が完了した後に、上述のＣ型固定冶具７は取り外す。

次いで、溶接後の円筒形状の金属板１３に対して、素材調質を目的とした任意の一次熱処理、任意の外表面粗加工、任意のロール径の粗調整、そして表面硬化熱処理を行う。
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。

本発明の板曲げ中空ロールの製造方法の第４の実施例においても、前述した板曲げ中空ロールの製造方法の第１の実施例とほぼ同様な効果が得られる。
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。

＜第５の実施例＞
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は、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、鋼板製造プロセス装置に適用した一例を示す図である。
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。

前述した板曲げ中空ロールの製造方法の第１〜第４の実施例により、溶接材料が介在した溶接線の存在により生成される表面粗度不均一部の鋼板への転写を無くし、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低コストで製造することができる。この板曲げ中空ロールは、鋼板製造プロセスで使用される搬送用の中空ロールに非常に好適である。
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。

＜その他＞
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。

本発明において、突き合わせた状態とは、金属板１２の突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂとの隙間を狭めた状態で向い合わせた状態のことを意味する。

また、本発明においては、隙間を狭めた状態とは、金属板１２の突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂとの隙間が０．８ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下と狭い状態、更に好ましくは突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂとの隙間をゼロにした状態で、金属板１２の突き合わせ左端面２ａと突き合わせ右端面２ｂとの段差が１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下、更に好ましくはゼロにした状態のことを意味する。

１…突き合わせ部、
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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