JP6811005B2 - クラッド鋼材の製造方法および製造装置 - Google Patents

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本発明は、母材に合わせ材を積層したクラッド鋼材の製造方法および製造装置に関するものである。
クラッド鋼材は、普通鋼の母材にステンレス鋼やチタンの合わせ材を積層被覆した鋼材である。クラッド鋼材は、ステンレス鋼やチタンなどを単独で使用する場合に比べて、低コストで同等の耐食性や耐摩耗性などの機能を発揮する。このため、材料費削減の観点から、近年、その需要は増加している。
このようなクラッド鋼材の製造方法としては、母材と合わせ材とを重ね合わせ、合わせ面の周縁部を溶接して組立スラブを作製し、これを加熱・圧延する方法が一般的である。この方法は、爆発圧着（爆着）などによる他のクラッド鋼の製造方法に比べて、寸法精度や生産性の点で優れている。
組立スラブの製造方法としては、種々の技術が提案されている。
特許文献１には、同種あるいは異種金属板を２枚以上積層させ、電子ビームを用いて真空度１５Ｐａ以下の真空中で密閉溶接した後、熱間あるいは温間圧延を行い、クラッド金属板を得る方法において、積層金属板の接合面周辺に溶加材を供給しながら接合面に対し平行もしくは斜角に電子ビームを照射して密閉溶接を行う方法が開示されている。
特許文献２には、接合すべき面を清浄化した複数の素材金属間に金属箔から成る媒接材を挿入して重ね合わせると共に、その接合すべき面の四周を真空中での高エネルギービーム溶接で仮付けして密封し、次いで前記四周の本溶接を行って所定の溶接部溶込み深さが確保された複合スラブとした後、この複合スラブを熱間又は温間で接合圧延する方法が開示されている。
特許文献３には、複数金属の清浄化した接合すべき面の間に２０〜５００μｍの金属箔から成る媒接材を介在させてこれらを重ね合わせると共に、その接合すべき面の四周を電子ビーム溶接して複合スラブを組み立てるに際し、溶込み深さをある範囲に維持しつつ電子ビーム溶接することを特徴とする、電子ビーム溶接組み立てによる熱間圧延用複合スラブの製造方法が開示されている。
特開昭６２−４５４８５号公報 特許第２５４１３９２号公報 特許第２６５８６１２号公報
特許文献１〜３に記載の技術では、母材と合わせ材の接合面の溶接に電子ビーム溶接を適用することが前提とされている。図１に示す従来のクラッド鋼の断面図を用いて、特許文献１〜３の問題点について説明する。特許文献１〜３では、母材１と合わせ材２は、異種金属であるため、その磁気特性の違いなどの影響により、電子ビームに曲がりが生じて、溶接部３の溶込みが接合面から偏向し、接合面での溶込み深さが不足することがあり、安定的にクラッド鋼を製造することができない。このため、組立スラブを電子ビーム溶接にて製造する際には、電子ビームの照射位置を接合界面から予めずらして溶接するなどの対策がとられており、製造コストがかかり、工業的には十分満足できるものとは言い難い。
本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、クラッド鋼材を安定且つ安価に製造することができるクラッド鋼材の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］ 母材に合わせ材を接合したクラッド鋼材の製造方法において、
それぞれの接合すべき面が清浄化された母材および合わせ材を２枚以上積層させ、
真空度０．１ｋＰａ以下の真空中で、ファイバー伝送が可能な波長を有するレーザビームにより、母材と合わせ材の接合面の周縁部を溶接して組立スラブを作製し、
作製した組立スラブを熱間または温間で圧延するクラッド鋼材の製造方法。
［２］ レーザビームのエネルギー密度が２５ｋＷ/ｍｍ２以上である［１］に記載のクラッド鋼材の製造方法。
［３］ ２枚以上積層された母材と合わせ材の接合面の周縁部を溶接するクラッド鋼材の製造装置であって、
真空度０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能な真空容器と、
レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバーと、プロセスファイバーの先端に接続された溶接ヘッドを有するファイバーレーザ溶接装置を備え、
ファイバーレーザ溶接装置は、真空容器中に少なくとも溶接ヘッドが収容されているクラッド鋼材の製造装置。
［４］ ファイバーレーザ溶接装置のレーザビームのエネルギー密度が２５ｋＷ/ｍｍ２以上である［３］に記載のクラッド鋼材の製造装置。
本発明に係るクラッド鋼材の製造方法および製造装置によれば、クラッド鋼材を安定且つ安価に製造することができる。
従来の製造方法を用いて製造されたクラッド鋼材の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態に係るクラッド鋼材の製造装置を示す図である。
本発明者らは、母材と合わせ材を重ね合わせた組立スラブを圧延してクラッド鋼材を製造する方法において、溶接欠陥がなく品質に優れた接合面を有する組立スラブの合理的且つ簡便な製造方法に関して、鋭意検討を実施した。
組立スラブとして良好な接合面を維持するためには、母材および合わせ材の接合面に酸化スケールなどが存在しないことが必須であり、さらにその接合面を密閉する溶接は真空中で実施する必要がある。また接合圧延時に接合面での剥離を防止するために、組立スラブは溶接部となる接合面全長に亘って十分な溶込み深さを確保する必要がある。
そこで、本発明者らは、接合面の周縁部の溶接として、電子ビーム溶接と同じ高エネルギービーム溶接であるレーザ溶接の適用を試みた。その結果、レーザビームでは電子ビームのような磁気特性の違いに起因するビームの曲がりが発生せず、溶接部の溶込みが接合面に一致することが達成し易いとの知見を得た。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
図２は、本発明の実施の形態に係るクラッド鋼材の製造装置を示す図である。このクラッド鋼材の製造装置１００は、真空容器１０と、ファイバーレーザ溶接装置１１を備えている。
真空容器１０は、容器内の真空度を０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能である。真空容器１０の内側には、母材１と合わせ材２を重ね合わせた組立スラブが装入される。
ファイバーレーザ溶接装置１１は、レーザ発振器１２と、レーザ発振器１２から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバー（光ファイバー）１３と、プロセスファイバー１３の先端に接続された溶接ヘッド１４を有している。溶接ヘッド１４は、プロセスファイバー１３によって伝送されたレーザ光を、レンズにより集光し、レーザビームを出射する。溶接ヘッド１４は、真空容器１０中に収容されており、母材１と合わせ材２の接合面の周縁部にレーザビームを出射することで、母材１および合わせ材２の接合面を密閉溶接し、組立スラブを作製する。
なお、ファイバーレーザ溶接装置１１のレーザビームのエネルギー密度は２５ｋＷ/ｍｍ２以上とすることが好ましい。レーザビームのエネルギー密度はレーザ溶接部の品質に重要な影響を与えるものであり、エネルギー密度が低すぎると溶接部３の十分な溶込み深さが得られず、接合面に生じる隙間の変動に対する許容度も小さくなる。このため、レーザビームのエネルギー密度は２５ｋＷ/ｍｍ２以上とする。
なお、ファイバーレーザ溶接装置１１は、少なくとも溶接ヘッド１４が真空容器１０内に設置されていればよく、ファイバーレーザ溶接装置１１のレーザ発振器１２は、真空容器１０内に配置してもよい。
次に、このように構成されたクラッド鋼材の製造装置１００を用いたクラッド鋼材の製造方法について説明する。
まず、母材１および合わせ材２の接合すべき面を清浄化する。接合すべき面に酸化スケールなどが残存していると熱間または温間で接合圧延しても上手く接合できないため、母材１および合わせ材２とも接合すべき面は清浄化（酸洗や研磨により酸化スケールを完全に除去）する必要がある。
接合すべき面が清浄化された母材１および合わせ材２を２枚以上積層させて、真空容器１０内に収容する。なお、母材１および合わせ材２は、真空容器１０に装入してから積層してもよく、真空容器１０外で積層したものを、真空容器１０に装入するようにしてもよい。
その後、真空容器１０内を０．１ｋＰａ以下の真空状態とし、母材１の上に置かれた合わせ材２の周縁部（母材１と合わせ材２の接合面の周縁部）をレーザ溶接して組立スラブを作製する。真空容器１０の真空度を０．１ｋＰａ以下の真空状態とすることで、接合界面の酸化を防止することができる。０．１ｋＰａを超えると真空度が不完全であるため、接合面に酸化物が生成するようになる。このためレーザ溶接時の真空容器１０の真空度は０．１ｋＰａ以下とする。なお、好ましくは０．０１ｋＰａ以下である。
その後作製された組立スラブを加熱し、図示しない圧延機により熱間または温間で所望の厚みまで圧延する。そして、圧延後の被圧延材の不要部分を切り落とすことにより、クラッド鋼材を製造する。
このように本発明では、母材１および合わせ材２を接合してクラッド鋼材を製造する際に、真空状態でレーザにより母材１および合わせ材２の接合面の周縁部の溶接を行うことで、周縁部を溶接した溶接部３において、十分な溶込み深さを得ることができる。
さらに、本発明では、母材１および合わせ材２の溶接するレーザとして、ファイバー伝送が可能な波長を有するファイバーレーザ溶接装置１１を用いることで、真空容器１０内へのレーザビームの取り回しを容易とすることができる。
（実施例１）
図２に示すような本発明を適用したクラッド鋼材の製造装置を用いて、クラッド鋼材を製造した。母材および合わせ材の材質、寸法緒言は下記の通りである。
母材：ＳＭ４００ ８０ｍｍ厚×１０００ｍｍ幅×２０００ｍｍ長
合わせ材：ＳＵＳ３０４ ２０ｍｍ厚×１０００ｍｍ幅×２０００ｍｍ長
上記材料の接合すべき面を、電動サンダーにて研磨することで清浄化した後、積層し、真空容器（真空室）内（真空度：０．０１ｋＰａ）でファイバーレーザ溶接にて接合面を密封溶接して組立スラブを作製した。レーザ溶接条件は下記の通りである。
レーザ出力：２５ｋＷ
溶接速度：０．５ｍ/ｍｉｎ
エネルギー密度：３２ｋＷ/ｍｍ２
この時の接合面の溶込み深さは約３０ｍｍであった。
上記組立スラブを１２５０℃で均一加熱した後、熱間圧延し、板厚１６ｍｍ（母材）＋４ｍｍ（合わせ材）のクラッド鋼材を製造した。
得られたクラッド鋼材の接合面全面に亘って超音波検査を実施した。この結果、欠陥エコーは検出されなかった。さらに接合界面のせん断強度は、３６０Ｎ/ｍｍ２で良好な特性が得られた。
（実施例２）
本発明によりクラッド鋼材を製造した。母材および合わせ材の材質、寸法緒言は下記の通りである。
母材：ＳＭ４００ １８０ｍｍ厚×１２００ｍｍ幅×２２００ｍｍ長
合わせ材：ＳＵＳ３２１ ３０ｍｍ厚×１２００ｍｍ幅×２２００ｍｍ長
母材および合わせ材のそれぞれの接合すべき面を電動サンダーにて研磨することで清浄化した後、積層し、真空容器（真空室）内（真空度：０．００５ｋＰａ）でファイバーレーザ溶接にて接合面を密封溶接して組立スラブを作製した。レーザ溶接条件は下記の通りである。
レーザ出力：３０ｋＷ
溶接速度：０．３ｍ/ｍｉｎ
エネルギー密度：３８ｋＷ/ｍｍ２
この時の接合面の溶込み深さは約４５ｍｍであった。
上記組立スラブを１２５０℃で均一加熱した後、熱間圧延し、板厚３６ｍｍ（母材）＋６ｍｍ（合わせ材）のクラッド鋼材を製造した。
得られたクラッド鋼材の接合面全面に亘って超音波検査を実施したが、欠陥エコーは検出されなかった。さらに接合界面のせん断強度は３７０Ｎ/ｍｍ２で良好な特性が得られた。
（実施例３）
本発明によりクラッド鋼材を製造した。母材および合わせ材の材質、寸法緒言は下記の通りである。
母材：ＳＭ４００ １４０ｍｍ厚×２０００ｍｍ幅×３０００ｍｍ長
合わせ材：ＳＵＳ４３０ ２０ｍｍ厚×２０００ｍｍ幅×３０００ｍｍ長
母材および合わせ材の接合すべき面を電動サンダーにて研磨することで清浄化した後、積層し、真空容器（真空室）内（真空度：０．００５ｋＰａ）でファイバーレーザ溶接にて接合面を密封溶接して組立スラブを作製した。レーザ溶接条件は下記の通りである。
レーザ出力：３０ｋＷ
溶接速度：０．４ｍ/ｍｉｎ
エネルギー密度：２７ｋＷ/ｍｍ２
この時の接合面の溶込み深さは約４０ｍｍであった。
上記組立スラブを１２５０℃で均一加熱した後、熱間圧延し、板厚３５ｍｍ（母材）＋５ｍｍ（合わせ材）のクラッド鋼材を製造した。
得られたクラッド鋼材の接合面全面に亘って超音波検査を実施した。その結果、欠陥エコーは検出されなかった。さらに接合界面のせん断強度は３７０Ｎ/ｍｍ２で良好な特性が得られた。
１ 母材
２ 合わせ材
３ 溶接部
１０ 真空容器
１１ ファイバーレーザ溶接装置
１２ レーザ発振器
１３ プロセスファイバー（光ファイバー）
１４ 溶接ヘッド
１００ クラッド鋼材の製造装置

Claims (2)

  1. 普通鋼からなる母材に、ステンレス鋼からなる合わせ材を接合したクラッド鋼材の製造方法において、
    それぞれの接合すべき面が清浄化された母材および合わせ材を２枚以上積層させ、
    真空容器中に少なくとも溶接ヘッドが収容され、ファイバー伝送が可能な波長を有し、
    エネルギー密度が２５ｋＷ／ｍｍ２以上のレーザビームを照射するファイバーレーザ溶接装置を用いて、
    真空度０．００５ｋＰａ以上０．１ｋＰａ以下の真空中で、母材と合わせ材の接合面の周縁部を横向き姿勢でレーザビームを取回して、周縁部の溶け込み深さが３０ｍｍ以上となるように密封溶接して組立スラブを作製し、
    作製した組立スラブを熱間または温間で圧延するクラッド鋼材の製造方法。
  2. ２枚以上積層された普通鋼からなる母材とステンレス鋼からなる合わせ材の接合面の周縁部をレーザビームを取回して密封溶接するクラッド鋼材の製造装置であって、
    真空度０．００５ｋＰａ以上０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能な真空容器と、
    レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバーと、プロセスファイバーの先端に接続された溶接ヘッドを有するファイバーレーザ溶接装置を備え、
    ファイバーレーザ溶接装置は、レーザビームのエネルギー密度が２５ｋＷ／ｍｍ２以上であり、真空容器中に少なくとも溶接ヘッドが横向き姿勢で収容されているクラッド鋼材の製造装置。
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