JP7111898B2 - 高温の２つの金属製品を摩擦溶接するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に後続の熱間圧延の前に高温の２つの金属製品を溶接するための方法に関する。

熱間圧延機内で冶金鋳造製品を熱間圧延する場合には、鋳造製品ができるだけ長いもしくはほぼ無限に長い場合が有利である。この目的のため、時折、スラブもしくは粗ストリップが、鋳造機又は粗ロールスタンドから出た後に、まずその終端においてクロップカットされることが、実践される。従って、先行する粗ストリップもしくは先行するスラブのクロップカットされた終端と、後続するスラブのクロップカットされた端面は、統合及び互いに溶接されるので、短いスラブよりも効率的に熱間圧延できるより長い鋳造製品が生じる。

従来技術では、これまで、スケール形成が防止されるか、溶接前又は溶接中にスケールが除去される、スラブを溶接するための方法しか実現又は説明されなかった。スケール形成を防止する可能性は、溶接を不活性ガス雰囲気下で実施する点にある。スケールの除去は、機械加工、油圧デスケール、又は、スケールの還元又は液化によって行なうことができる。

欧州特許第０４９２３６８号明細書は、粗ストリップを突合せ結合するための張力付与装置を開示する。アーク溶接装置又は誘導加熱装置の仕様が好ましい。

欧州特許第０５１０７１３号明細書は、始端側及び終端側で相対移動及び塑性変形を発生させるためにスラスト運動を発生させつつ粗ストリップ端の圧着を行なう、粗ストリップの連続圧延及び結合に関する。結合の前に、終端又は始端を曲げることができる。スケール除去を容易にするために、圧着時に相対移動が行なわれる場合、ストリップの一方の側が、（例えば超音波によって）振動させられる。相対移動がスケールを除去する。

独国特許第６９２０７６７３号明細書（Ｔ２）は、終端形状を加工するための連続圧延を開示する。幅の一部だけが、特にエッジが、当接する。終端が、加熱及び押圧される。

欧州特許のドイツ語翻訳としての独国特許第６００３３４９５号明細書（Ｔ２）は、鋼から成るスラブのクロップカットされた２つの終端領域をレーザ溶接する際の気泡形成の問題を記載する。望ましくない気泡形成は、特に、互いに溶接される終端領域が、スケールもしくはミルスケールで覆われている場合に生じる。これら気泡と凝固割れを回避するため、この文献は、酸素を鋼材中の脱酸元素で固定することを提案する。レーザ溶接は、周囲温度で行なわれる。

特開平１０２３０３０２号公報は、加圧溶接法によって２つのスラブを溶接するための方法を開示するが、互いに溶接すべきスラブ終端は、その溶接前に還元性もしくは非酸化性の雰囲気内で高圧下でデスケールされる。

欧州特許のドイツ語翻訳の独国特許第６９１０６４７３号明細書（Ｔ２）は、結合すべき表面が部分的に酸化物スケールで覆われている場合でも、熱間圧接によってスラブを溶接することを開示する。但し、その場合、この文献の教示によれば、熱間圧接は、還元性の雰囲気下で実行しなければならない。逆に、この文献は、結合、特に熱間圧接が、通常の大気条件で実行されると、結合すべき終端をあらかじめデスケールによってクリーニングすることが必要であることを、明確に教示する。何故なら、複雑な酸化物スケールの存在が、結合過程に悪影響を及ぼし、これが、継手強度の低下を生じさせることになるからである。

最後に、ドイツ語翻訳の独国特許第６９６２８６４８号明細書（Ｔ２）は、酸化物スケールが、溶接すべき２つのスラブの間の溶融された継目内のレーザ照射によって形成された溶融物内に導入されると、酸化物スケールが、望ましくない気泡形成を生じさせることを開示する。これら気泡は、溶接継手の強度を低下させる。この気泡形成に対処するため、例えばフィラーワイヤを使用することによって、レーザ溶接中に脱酸剤を溶融された継目に添加することが提案される。この文献も、基本的に、溶接継手の不要な不安定性を回避するために、溶接過程前又は溶接過程中のスケールの除去を教示する。

最後に、従来秘術では、２つの鋼製品を溶接するためのいわゆる摩擦溶接も知られている。この場合、両鋼製品は、結合すべきその端面で互いに押し付けられ、同時に互いに相対的に移動され、特に振動する。これにより、摩擦面の領域に高温が生じ、それぞれの終端が溶接される。これは、スラブ終端の互いの早期の固着を生じさせることがある。これにより、スラブ終端が塑性変形され、必要な相対運動のための特に高い振動力が生じる。

欧州特許第０４９２３６８号明細書 欧州特許第０５１０７１３号明細書 独国特許第６９２０７６７３号明細書（Ｔ２） 独国特許第６００３３４９５号明細書（Ｔ２） 特開平１０２３０３０２号公報 独国特許第６９１０６４７３号明細書（Ｔ２） 独国特許第６９６２８６４８号明細書（Ｔ２）

本発明の根底にある課題は、溶接すべき終端が溶接中に良好に互いに相対的に移動可能に保たれ、高い溶接温度の形成が促進されるように、２つの金属製品の端部を互いに溶接するための公知の方法を発展させることである。

この課題は、請求項１で請求した方法によって解決される。この方法は、終端もしくは端面の溶接が、線形摩擦溶接又は振動摩擦溶接として実施され、クロップカットされた端面間の摩擦係数が、所定の摩擦係数範囲内にあること、及び、クロップカット後で溶接前に、先行する金属製品及び／又は後続する金属製品の端面に、摩擦係数に応じて設定された厚さｄを備えたスケール層が形成されることによって、もしくは、そこにスケール層を適切に発生させることによって、摩擦係数μが設定されること、を特徴とする。

従って、本発明は、線形摩擦溶接又は振動摩擦溶接だけに関する。この溶接プロセスの成功のために、金属製品の溶接すべき終端もしくは端面の間の摩擦係数が、所定の値範囲内にあることが重要である。摩擦係数が過剰に大きい場合、両金属製品を互いに相対的に移動させるために摩擦溶接時に加えなければならない力は、不必要に大きくなる。他方で、摩擦係数が過剰に小さい場合は、所望のもしくは必要な温度もしくは温度上昇が生じない。

「金属製品」との用語は、例えば、スラブ、ビレット、特に正方形の横断面を備えるもの、及び、形材、例えばＴ字形材、二重Ｔ字形材、レール又はＵ字形材等を意味する。

金属製品の溶接すべき終端の間の摩擦係数が、これら終端上のスケール層の厚さに依存すること、及び、その結果、所望の鋼種に依存した摩擦係数が、所定の厚さを備えたスケール層の形成によって簡単に設定できることを認識したことが、発明者の功績である。そうして、スケール層の厚さは、所望の摩擦係数が生じるように設定される。この場合、スケール層の厚さは、摩擦係数に反比例する：スケール層厚さが過剰に厚いことは、摩擦係数が過剰に小さいことを意味し、その逆も同様である。所定の摩擦係数範囲内での所望の摩擦係数の設定するため、まったく適切に、金属製品の溶接すべき終端もしくは端面上に所定の層厚さを備えたスケールが生じさせられる。このようにして摩擦係数が所望の値に設定されていると、溶接すべき金属製品は、良好に互いに相対的に移動することができ、摩擦プロセスは、金属製品の終端の非常に薄い層内に所望の強さの温度上昇を生じさせ、これが、良好な溶接結果を生じさせる。

摩擦溶接は、本発明の場合、通常の周囲条件下で行なわれ、特に不活性ガス雰囲気内では行なわれない。

摩擦溶接プロセスを特徴付ける重要な変数は、金属製品の押圧力に対する振動力の比である。このため、摩擦係数μは、以下のように定義される：

この摩擦係数が、０．１＜μ＜１．５の窓内にある場合、可能な環境条件及び選択されたプロセスパラメータ内で良好な溶接が達成することができる。

このため、結合すべき表面上のスケール層厚さｄは、５μｍ＜ｄ＜１００μｍ、好ましくは１５μｍ＜ｄ＜５０μｍの範囲内になければならない。

この場合、スケール層の厚さの上限は、摩擦係数範囲の下端の摩擦係数を指し；その逆も同様である。厚さｄのスケール層は、互いに溶接すべき両端面のそれぞれに存在すべきである。片側だけに形成する場合、スケール層の厚さは、相応に大きくしなければならない。

本発明による方法の場合、摩擦溶接は、典型的に鋳造設備から出た又は粗ストリップとして粗トレインから出たような高温の金属製品に対して実施される。高温の金属製品は、典型的に８００℃から１２５０℃の間、好ましくは９００℃から１１６０℃の間の温度を有する。

スケール層を形成するため、種々の選択的な方法が企図されている：最も単純な場合、金属製品のクロップカットされた端面は、例えばｔ＜６０秒、好ましくはｔ＜１５秒の所定の期間の間周囲空気にさらされる。期間が大きいほど、端面上に生じるスケール層の厚さは大きくなる。

空気中で、これらスケール層厚さｄは、１１５０℃の金属製品の温度で以下の時間の後に達成される：
ｄ＝ ５μｍ→ｔ≒ ０．５ｓ
ｄ＝１００μｍ→ｔ≒６０ｓ
ｄ＝ １５μｍ→ｔ≒ ２ｓ
ｄ＝ ５０μｍ→ｔ≒１５ｓ

他の酸化性のガスの場合、酸素含有量に依存して他の時間が生じる。

このようにして、周囲空気に対する端面の露出の選択されたもしくは所定の期間を介して、スケール層は、所望の厚さに設定することができる。

選択的に、端面が互いに摩擦溶接される前に、周囲空気の代わりに、圧縮空気又は酸化性のガス、例えば空気中よりも低い又は高い酸素含有量の窒素と酸素の混合物の端面への作用を行なうこともできる。前記の選択的な場合のそれぞれで、互いに摩擦溶接すべき金属製品間の摩擦係数は、露出の期間を介して十分な精度で設定することができる。何故なら、本発明によれば、スケール層の厚さと摩擦係数の間の関係が既知であり、例えば表の形態で記録されているからである。

スケール層厚さの、従って摩擦係数の適切な設定は、プロセスパラメータ（例えば振動周波数、振動振幅又は振動力）を所望の窓内に維持するために使用することができる。

Claims (6)

1. 搬送方向で先行する金属製品の後端面のクロップカットを実施するステップと、搬送方向で後続する金属製品の前端面のクロップカットを実施するステップと、後続する金属製品と先行する金属製品をクロップカットされた端面において統合及び溶接するステップと、を備え、溶接が、線形摩擦溶接又は振動摩擦溶接として実施され、クロップカットされた端面間の摩擦係数μが、所定の摩擦係数範囲内にある、高温の２つの金属製品を溶接するための方法において、
   クロップカット後で溶接前に、先行する金属製品及び／又は後続する金属製品の端面に、摩擦係数に応じて設定された厚さｄを備えたスケール層が形成されることによって、摩擦係数μが設定されること、を特徴とする方法。
2. 摩擦係数範囲が、０．１＜μ＜１．５であること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. スケール層の厚さｄが、５μｍ＜ｄ＜１００μｍであること、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 高温の金属製品の温度Ｔが、８００℃＜Ｔ＜１２５０℃、好ましくは９００℃＜Ｔ１１６０℃であること、を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 金属製品の端面が、クロップカットの直後で互いに摩擦溶接される前に、ｔ＜６０ｓ、好ましくはｔ＜１５ｓの所定の期間ｔの間、周囲空気、圧縮空気作用又は酸化性のガス、例えば空気よりも空気含有量が少ない窒素と酸素の混合物にさらされることによって、所定の厚さを備えたスケール層の形成が行なわれること、を特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 高温の金属製品が、互いに溶接された後に熱間圧延されること、を特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。