JP6354793B2 - 鋼帯のノッチング設備、鋼帯のノッチング方法、冷間圧延設備、冷間圧延方法および冷延鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼帯の接合部にノッチングを施すためのノッチング設備、同じくノッチング方法、冷間圧延設備、冷間圧延方法および冷延鋼帯の製造方法に関する。

鋼帯の冷間圧延工程においては、生産性の向上や歩留りの向上を目的に、先行材（先行鋼帯）の後端と後行材（後行鋼帯）の先端とを接合し、連続的に冷間圧延ラインに供給することが一般的である。これにより、鋼帯の全長にわたり、張力を付与した状態で圧延することが可能になり、鋼帯の先端や後端においても、板厚や形状を高精度に制御することができる。

冷延鋼帯の高合金化やレーザ溶接機の進歩に伴い、先行材と後行材の接合は、従来のフラッシュバット溶接等に替わって、レーザ溶接で接合されることが主流になりつつあるが、フラッシュバット溶接やレーザ溶接などの溶接手段に関わらず、先行材と後行材の接合部（溶接部）の板幅方向端部は、先行材と後行材の鋼帯幅の差や位置ずれなどのために、不可避的に幅段差部が形成される。そして、このままの状態で圧延すると、前記幅段差部に応力集中が生じ、溶接部で破断に至る可能性がある。溶接部での破断（溶接部破断）が生じると、冷間圧延ラインを停止せざるを得ないため、生産性を著しく低下させるとともに、ワークロールを交換する必要が生じるため、生産コストの上昇を招く。

特に、近年は、部材の軽量化や特性向上を目的に、冷延鋼帯の薄ゲージ化に対する要求はますます強くなっている。それに伴い、冷間圧延に要求される圧下率は高くなりつつあり、溶接部の破断率が高くなっているのが現状である。

そこで、溶接部での破断を防止するために、溶接部の板幅方向端部にノッチ（切り欠き）を形成するノッチングを行ってから圧延することが行われている。また、このノッチングには、鋼帯の板幅端部は突合せ精度なども悪く、溶接が不十分になり、強度が低くなり易いため、強度の低い部分（概ね、板幅端３０ｍｍ程度）を切り落とす狙いもある。

ノッチングの方法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、角部を有しない半円形状に、機械的にせん断加工するのが一般的である。ただし、この半円形状のノッチは、外縁の曲率が一律であり、接合部において鋼帯の幅が最も小さくなるため、接合部において最大の応力が発生することになる。

これに対し、特許文献１の問題点を解消するために、特許文献２には、最大応力発生点が、溶接部以外に位置するように、略等脚台形状にノッチングする方法が開示されている。

一方、特許文献３には、ノッチング時間を短くするための方法が開示されている。

特開平０５−０７６９１１号公報 特開２０１４−５０８５３号公報 特開昭６０−１１５３８７号公報

しかしながら、上記のようなノッチング方法では、特に、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の冷間圧延においては、十分な効果を発揮できず、冷間圧延における接合部破断（溶接部破断）を十分に防止できていないのが現状である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、接合部破断（溶接部破断）を生じることなく冷間圧延することを可能にする、鋼帯のノッチング設備、鋼帯のノッチング方法、冷間圧延設備、冷間圧延方法および冷延鋼帯の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、詳細は後述するが、従来のように、機械的にせん断加工で溶接部にノッチングを行った場合、それによって溶接部の板幅方向端部が加工硬化し、これが溶接部破断の原因になることに気が付いた。そして、そのような溶接部破断を防止するために、加工硬化を生じさせないノッチング手段を用いることを着想した。例えば、光学的エネルギーによる加工手段（レーザ切断機など）や電気的エネルギーによる加工手段（放電加工機など）を用いることである。

本発明は、上記の着想に基づいてなされたものであり、以下の特徴を有している。

［１］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の板幅方向端部にノッチを形成するノッチング設備であって、ノッチ形成前に比べてノッチ形成後の板端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロスの発生量を０．２ｍｍ以下とする、ノッチング手段を備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。

［２］ノッチ形成前に比べてノッチ形成後の板端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロスの発生量を０．２ｍｍ以下とする、ノッチング手段として、レーザ切断機または放電加工機を備えていることを特徴とする前記［１］に記載の鋼帯のノッチング設備。

［３］さらに、併用するノッチング手段として、せん断加工機を備えていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の鋼帯のノッチング設備。

［４］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の板幅方向端部にノッチを形成するノッチング方法であって、ノッチ形成前に比べてノッチ形成後の板端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロスの発生量を０．２ｍｍ以下とする、ノッチング手法を用いることを特徴とする鋼帯のノッチング方法。

［５］ノッチ形成前に比べてノッチ形成後の板端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロスの発生量を０．２ｍｍ以下とする、ノッチング手法として、レーザ切断または放電加工を用いることを特徴とする前記［４］に記載の鋼帯のノッチング方法。

［６］さらに、併用するノッチング手法として、せん断加工を用い、せん断加工後に、加工硬化を生じさせないノッチング手法を用いることを特徴とする前記［４］または［５］に記載の鋼帯のノッチング方法。

［７］前記［１］〜［３］のいずれかに記載のノッチング設備が設置されていることを特徴とする冷間圧延設備。

［８］前記［４］〜［６］のいずれかに記載のノッチング方法を用いてノッチを形成して冷間圧延を行うことを特徴とする冷間圧延方法。

［９］前記［８］に記載の冷間圧延方法を用いて冷延鋼帯を製造することを特徴とする冷延鋼帯の製造方法。

本発明によれば、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、接合部破断（溶接部破断）を生じることなく冷間圧延することが可能になる。

圧延評価用供試材の採取方法を示す図である。 せん断加工材の圧延後のエッジ割れ発生状況を示す図である。 せん断加工材のエッジ断面の組織と硬さ分布を示す図である。 レーザ切断面のドロス発生状況を比較した図である。 レーザ切断材の圧延後のエッジ割れ発生状況を示す図である。 レーザ切断材のエッジ断面の組織と硬さ分布を示す図である。 本発明の実施形態１におけるノッチングを示す図である。 本発明の実施形態２におけるノッチングを示す図である。 本発明の実施例における溶接部破断率を比較した図である。

まず、前述したように、本発明者らが、従来のようにせん断加工で溶接部にノッチングを行った場合、それによって溶接部の板幅方向端部が加工硬化し、これが溶接部破断の原因になることに気が付き、そのような溶接部破断を防止するために、溶接部の板幅方向端部が加工硬化しないノッチング手段を用いることを着想したことについて、詳しく述べる。

すなわち、本発明者らは、溶接部で破断に至り易い原因を調査するため、以下に述べる実験室規模の圧延実験を行った。

供試材として、３．３質量％のＳｉを含有する、板厚２ｍｍの珪素鋼板を用いて、図１に示すように、先行鋼帯１の後端と後行鋼帯２の先端とをレーザ溶接機を用いて接合した材料を用意し、溶接部３の一部を含むようにして、溶接方向に垂直な方向が長辺になる矩形の供試材（圧延評価用供試材）４をせん断加工により切り出し採取した。

この様にして作製した供試材４を、張力を付与することなく、ワークロール径５００ｍｍの圧延機を用い、３パスで総圧下率９０％の冷間圧延を行った。

図２に、得られた冷間圧延後の鋼板の外観を撮影した写真を示す。張力を付与しない場合でも、溶接部（溶接金属部）３でエッジ割れが発生していることが分かる。実生産のように、張力を付与して圧延するタンデム圧延では、このエッジ割れが溶接部破断の起点になると推定される。

そして、溶接部３をせん断加工した段階、すなわち、冷間圧延する前の段階において、板幅方向端部を板幅方向に切断した断面（エッジ断面）の組織観察と硬さ試験を行った。図３に結果を示す。図３（ａ）はエッジ断面の組織であり、図３（ｂ）はエッジ断面の硬度分布である。このように、溶接部の板幅方向端部がせん断加工により、加工硬化しており、これが、エッジ割れの原因になると推定された。

そこで、本発明者らは、機械的エネルギー（力学的エネルギー）による加工手法であるせん断加工に替えて、光学的エネルギーによる加工手法であるレーザ切断によって加工することを試みた。

すなわち、上述と同様の圧延実験において、せん断加工に代わり、レーザ切断によって、図１に示した供試材４を切り出し採取した。その際、レーザ切断機は、発振器にＩＰＧ製ＹＬＳ−５０００、加工ヘッドにプレシテック製ＹＫ２５を用い、出力；１ｋＷ、切断速度；２．０ｍｐｍ、ガス種；酸素、ガス圧；０．８ＭＰａ、周波数；２５０Ｈｚの条件で切断した。本条件においては、図４（ａ）に示すように、供試材４の裏面でもドロスと呼ばれる溶融物の発生量は０．１ｍｍ以下であり、良好な切断面であった。

ちなみに、例えば、図４（ｂ）に示すように、ドロスが０．２ｍｍを超えて発生すると、タンデム圧延機内の通板ロールや圧延ロールに接触した際にドロスが落下し、欠陥の原因となるため、ドロス発生量は０．２ｍｍ以下にする必要がある。

ここで、ドロス発生量は、図４（ｂ）に示すように、レーザ切断面におけるドロスの高さで定義する。

図５に、得られた冷間圧延後の鋼板の外観（上記の図２に対応）を示し、図６に、エッジ断面の組織観察と硬さ試験の結果（上記の図３に対応）を示す。レーザ切断では、エッジ割れは発生せずに平滑なエッジ形状であるとともに、溶接部の板幅方向端部で加工硬化していないことが分かる。

このように、溶接部におけるエッジ割れの原因は、せん断加工による板幅方向端部の加工時のエッジの加工硬化であり、レーザ切断など、加工硬化しない加工手法では、エッジ割れが発生しないことが示された。特に、冷延鋼帯をレーザ溶接により接合する際は、フィラー添加により、溶接金属部の厚みは厚くなる。このため、溶接金属部はせん断時により大きな歪が導入され、顕著に加工硬化するため、母材よりも遥かにエッジ割れしやすくなるのである。

以上のことから、重要なことは、溶接部をノッチングした段階、すなわち、冷間圧延する前の段階において、溶接部に加工硬化した個所が無いようにすることであると言える。

次に、本発明の実施形態について述べる。

［実施形態１］
図７は、本発明の実施形態１を示す図である。この実施形態１においては、レーザ切断機を備えたノッチング設備が設置されており、図７に示すように、先行鋼帯１と後行鋼帯２との溶接部３の板幅方向端部を含めた所定範囲に対して、レーザ切断１１によって、円弧状のノッチ１２を形成している。

これによって、この実施形態１では、溶接部の板幅方向端部に加工硬化が生じることなくノッチ１２を形成することができ、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、溶接部破断を発生することなく冷間圧延することが可能になる。

［実施形態２］
上記の実施形態１のように、溶接部３の板幅方向端部を含めた所定範囲に対して、レーザ切断１１によってノッチ１２を形成すると、加工時間が長くなる場合などは、高速加工が可能であるせん断加工によるノッチングを組み合わせるようにしても良い。

レーザ切断１１によってノッチ１２を形成すると、加工時間が長くなる場合としては、例えば、図４（ａ）に示したように、前述した切断条件では、ほとんどドロスを発生させることなく切断することができたが、切断速度を速くすると、図４（ｂ）に示したように、ドロス発生量が増え、最終的には切断することができなくなるので、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下にするためには、ノッチングに数秒を要することになり、加工時間が１秒程度である従来のせん断加工によるノッチングよりも大幅に時間を要することになるといったような場合である。

そのような、せん断加工によるノッチングを組み合わせるノッチング方法を、本発明の実施形態２として図８に示している。すなわち、この実施形態２においては、レーザ切断機に加えて、併用するせん断加工機を備えたノッチング設備が設置されており、図８に示すように、先行鋼帯１と後行鋼帯２の溶接部３の板幅方向端部を含めた所定範囲に対して、せん断加工１３により１段目のノッチングを施して円弧状のノッチを形成した後、溶接部３を含めた溶接部３近傍のみ、加工硬化した部分をレーザ切断１４による２段目のノッチングで除去し、最終的にノッチ１５を形成するようにしている。

これによって、この実施形態２では、溶接部の板幅方向端部において、加工硬化した個所が無いノッチ１５を短い加工時間で形成することができ、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、溶接部破断を発生することなく冷間圧延することが可能になる。

なお、上記の実施形態１、２において、レーザ切断の加工条件は、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下にする以外には特に限定する必要はなく、鋼帯の板厚等に応じて適切に設定すれば良い。ちなみに、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下にするためのレーザ切断の加工条件（発振器、加工ヘッド、出力、切断速度、ガス種、ガス圧、周波数等）については、予め、実験や操業実績等によって求めておけばよい。

また、光学的エネルギーによる加工手法であるレーザ切断に限らず、電気的エネルギーによる加工手法である放電加工やプラズマ切断など、他の加工硬化を生じさせない加工手法を採用しても良い。

ここで、「加工硬化を生じさせない」とは、例えば、加工前の硬さに比べて、加工後の硬さの上昇量が、ビッカース硬さＨｖで５０未満であることを意味している。

また、本発明においては、ノッチング形状を特に規定するものではない。特許文献１に記載のように半円状にノッチングしても良いし、特許文献２に記載のように略等脚台形状にノッチングしても良い。また、上記以外の形状でも何ら問題ない。

さらに付け加えると、通常の低炭素鋼であれば、せん断加工の場合でもエッジ割れは発生しないが、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料では溶接部の加工性が乏しいため、せん断加工により加工硬化するとエッジ割れが発生し易い。すなわち、通常の低炭素鋼など、せん断加工でもエッジ割れが発生せず、溶接部破断がほとんど発生しない鋼種には、必ずしも本発明を適用する必要はなく、せん断加工では溶接部で破断する脆性材料や高合金材料などの鋼種に適用すべきである。ただし、冷間タンデム圧延機では、珪素鋼板や高張力鋼板の専用ミルである場合もあるが、そうではなく、低炭素鋼なども合わせて圧延する兼用ミルの場合もある。その場合、低炭素鋼もレーザ切断にてノッチングしても何ら問題はない。また、せん断加工機とレーザ切断機の両方を併設し、鋼種により使い分けても良い。

ちなみに、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板とは、Ｓｉ：１．０〜６．５質量％、Ｍｎ：０．２〜１．０質量％を含有した鋼板であり、ＳｉやＭｎの含有量が多い高張力鋼板とは、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．５〜２０．０質量％を含有し、引張強度が５９０〜１４７０ＭＰａの鋼板である。

本発明の実施例として、５スタンドの冷間タンデム圧延機を備えた冷間圧延設備によって珪素鋼板を製造して評価した。

その際に、従来例として、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部をせん断加工により半円状にノッチングした。

これに対して、本発明例１として、上記の本発明の実施形態１に基づいてノッチングを行った。すなわち、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部をレーザ切断により半円状にノッチングした。

また、本発明例２として、上記の本発明の実施形態２に基づいてノッチングを行った。すなわち、せん断加工により半円状に１段目のノッチングを行った後、溶接部近傍のみレーザ切断による２段目のノッチングを行った。

いずれの例においても、Ｓｉ含有量が３．１質量％以上３．５質量％未満、板厚１．８ｍｍ以上２．４ｍｍ以下の鋼帯を１００コイル用意し、上記の５スタンドの冷間タンデム圧延機で冷間圧延を行い、板厚０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に仕上げた。この際、溶接部での破断発生率を比較した。その結果を図８に示す。

図９に示すように、従来例では、溶接部破断の発生率が７％であるのに対し、本発明例１、２では、溶接部破断を１％にまで低下することができた。

これによって、本発明の有効性が確認された。すなわち、本発明を適用し、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部をノッチングする際、レーザ切断などの加工手法を適用し、溶接部を加工硬化させることなくノッチングすることにより、溶接部破断を防止することが可能となり、生産性の向上、歩留りの向上を達成することができる。

１ 先行鋼帯
２ 後行鋼帯
３ 溶接部
４ 圧延評価用供試材
１１ レーザ切断
１２ ノッチ
１３ せん断加工
１４ レーザ切断
１５ ノッチ

Claims (7)

1. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の板幅方向端部にノッチを形成するノッチング手段を備えるノッチング設備であって、前記ノッチング手段として、レーザ切断機または放電加工機と、せん断加工機とを備え、前記レーザ切断機または放電加工機は、当該レーザ切断機または放電加工機によるノッチ形成前の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さに比べて当該レーザ切断機または放電加工機によるノッチ成形後の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下とすることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。
2. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の板幅方向端部にノッチング手法を用いてノッチを形成するノッチング方法であって、前記ノッチング手法として、レーザ切断または放電加工を行い、前記レーザ切断または放電加工は、当該レーザ切断または放電加工によるノッチ形成前の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さに比べて当該レーザ切断または放電加工によるノッチ成形後の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下とすることを特徴とする鋼帯のノッチング方法。
3. さらに、併用するノッチング手法として、せん断加工を行い、せん断加工後に、レーザ切断または放電加工を用いることを特徴とする請求項２記載の鋼帯のノッチング方法。
4. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の板幅方向端部にノッチを形成するノッチング手段を備えるノッチング設備が設置されている冷間圧延設備であって、前記ノッチング手段として、レーザ切断機または放電加工機を備え、前記レーザ切断機または放電加工機は、当該レーザ切断機または放電加工機によるノッチ形成前の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さに比べて当該レーザ切断機または放電加工機によるノッチ成形後の接合部の板幅方向端部のビッカース硬さ上昇量をＨｖ５０未満とし、かつ、ドロス発生量を０．２ｍｍ以下とすることを特徴とする冷間圧延設備。
5. 請求項１に記載のノッチング設備が設置されていることを特徴とする冷間圧延設備。
6. 請求項２または３に記載のノッチング方法を用いてノッチを形成して冷間圧延を行うことを特徴とする冷間圧延方法。
7. 請求項６に記載の冷間圧延方法を用いて冷延鋼帯を製造することを特徴とする冷延鋼帯の製造方法。