JP7363832B2 - 鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法 - Google Patents

鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及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、生産性や歩留りの向上を目的として、先行材（先行鋼帯）の後端部と後行材（後行鋼帯）の先端部とを接合し、鋼帯を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、全長にわたり張力を付与した状態で鋼帯を圧延することが可能になり、鋼帯の先端部や後端部においても厚み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ー溶接機の進歩に伴い、先行材と後行材は従来のフラッシュバット溶接等に替わってレーザー溶接により接合されることが主流になりつつある。ところが、フラッシュバット溶接やレーザー溶接等の溶接手段に関わらず、先行材と後行材との接合部（溶接部）の幅方向端部には、先行材と後行材の幅及び厚みの差や位置ずれ等のために不可避的に段差が形成される。このため、このままの状態で鋼帯を圧延すると、段差部に応力集中が生じ、溶接部で鋼帯が破断する可能性がある。溶接部で鋼帯が破断すると、冷間圧延ラインを停止せざるを得ないため、生産性が著しく低下する。また、破断片によって損傷したワークロールを交換する必要が生じるため、生産コストが上昇する。
特に近年は、部材の軽量化や特性向上を目的として、冷延鋼帯の薄ゲージ化及び高強度化に対する要求が益々強くなっている。そして、これに伴い冷間圧延に要求される圧下率や圧延負荷が高くなり、段差部での応力集中増加に伴って鋼帯の破断率が高くなっているのが現状である。そこで、溶接部での鋼帯の破断を抑制するために、段差部近傍での応力集中を緩和する目的で、溶接部の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鋼帯を圧延することが行われている。なお、鋼帯の幅方向端部では、突合せ精度等が悪く、溶接が不十分になり、強度が低くなりやすいため、ノッチングには、強度の低い部分（概ね幅方向端部から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に記載されているように、角部を有しない半円形状のノッチを機械的にせん断加工する方法が一般的である。しかしながら、半円形状のノッチでは、外縁の曲率が一律であり、溶接部において鋼帯の幅が最も小さくなるため、溶接部に最大応力が発生することになる。そこで、特許文献２には、ノッチング時間を短くするための方法として、レーザー切断を用いてノッチを形成する方法が記載されている。また、特許文献３には、ドロス（レーザー切断時の溶融物）の発生量が少ないレーザー切断方法が記載されている。
特開平５－７６９１１号公報 特開昭６０－１１５３８７号公報 特許第６３５４７９３号公報
しかしながら、上記のようなノッチングの方法では、特にＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板等の脆性材料や高合金材料の冷間圧延時においては、十分な効果を発揮できず、溶接部での鋼帯の破断を十分に抑制できていないのが現状である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制可能な鋼帯のレーザー切断方法及びレーザー切断設備を提供することにある。また、本発明の他の目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷間圧延を行うことが可能な鋼帯の冷間圧延方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷延鋼帯を製造可能な冷延鋼帯の製造方法を提供することにある。
本発明の発明者らは、レーザー光によって切断された後の鋼帯の断面に発生するドロスが、冷間圧延によって鋭利な形状に伸展し、鋼帯の幅方向端部からの割れの起点となる可能性があることを知見した。そこで、よりドロスの発生を抑制可能なレーザー切断条件を検討した結果、パルス周期時間とパルス時間との比(デューティファクター)を一定値未満とすることによりレーザー切断長に対するドロスの発生長を短くできることを見出した。
また、レーザー光によって鋼帯を切断したとしても溶接部の近傍に加工硬化したせん断面が残存していると、そこが応力集中の起点となって溶接部近傍での鋼帯の破断の原因となることを知見した。具体的には、溶接部近傍の冷延鋼帯には、溶接時にパンチャーによる幅方向中央部付近への円形の孔加工が施される。この孔加工は冷間タンデム圧延機に溶接点位置をトラッキングさせる目的で実施されるが、パンチャーは打ち抜き加工であるため、パンチャー破面はせん断面となる。このため、高負荷な冷間圧延が実施されると、パンチャー破面から応力集中が生じ、溶接部近傍での鋼帯の破断が発生する。
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。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法は、パルス式レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部近傍を切断する鋼帯のレーザー切断方法であって、前記パルス式レーザー光の出力を１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上、前記パルス式レーザー光の加工点径を０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ未満、パルス周期時間と休止時間との比を０．３以上０．８未満とすることを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法は、上記発明において、前記パルス式レーザー光による切断部は、鋼帯の幅方向両端面と一つ以上の閉断面形状を含むことを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法は、上記発明において、前記パルス式レーザー光に用いるガスとして０．５ＭＰａ以上の圧縮空気を用いることを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断設備は、パルス式レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部近傍を切断する鋼帯のレーザー切断設備であって、前記パルス式レーザー光の出力を１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上、前記パルス式レーザー光の加工点径を０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ未満、パルス周期時間とパルス時間との比を０．３以上０．８未満とすることを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断設備は、上記発明において、前記パルス式レーザー光による切断部は、鋼帯の幅方向両端面と一つ以上の閉断面形状を含むことを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断設備は、上記発明において、前記パルス式レーザー光に用いるガスとして０．５ＭＰａ以上の圧縮空気を用いることを特徴とする。
本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法は、本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法によって切断された鋼帯に対して冷間圧延を行うことを特徴とする。
本発明に係る冷延鋼帯の製造方法は、本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法を含む工程によって冷延鋼帯を製造することを特徴とする。
本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法及びレーザー切断設備によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制することができる。また、本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷間圧延を行うことができる。さらに、本発明に係る冷延鋼帯の製造方法によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷延鋼帯を製造することができる。
図１は、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法を説明するための模式図である。 図２は、供試材の断面画像及び表面画像を示す図である。 図３は、デューティファクターを説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を以下に示す実施形態に特定するものではない。また、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係や比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
図１は、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法を説明するための模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法では、先行鋼帯１の後端部と後行鋼帯２の先端部との溶接部３の幅方向端部を含む鋼帯の所定範囲に対して、レーザー光を用いた切断（レーザー切断）によって円弧状のノッチ１１を形成する。これにより、溶接部３の幅方向端部に加工硬化を発生させることなくノッチ１１を形成することができる。また、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板等の脆性材料や高合金材料の場合であっても、溶接部３での破断を発生させることなく先行鋼帯１及び後行鋼帯２を連続して冷間圧延することができる。なお、ノッチ１１の形状やレーザー切断の軌跡（レーザー光の走査軌跡）は本実施形態に限定されることはなく、ノッチ１１の形状は半円形状や略等脚台形状等の他の形状でも何ら問題ない。加えて、本実施形態では、従来パンチャーで行っていた鋼帯の幅方向中央部付近への打ち抜き加工を閉断面形状のレーザー切断にて実施する。なお、図１に示した例では、先行鋼帯１に閉断面形状の孔部１２を形成しているが、後行鋼帯２に孔部１２を形成しても良い。また、閉断面形状や切断穴数及び切断位置座標も特に限定されない。加えて、溶接点のトラッキング方法が漏洩磁束法やその他の画像判定法で実施される場合は孔部を形成する必要はない。
本実施形態では、レーザー切断時に残存するドロスが冷間圧延に及ぼす影響を評価するため、以下に述べる実験室規模の圧延実験を行った。すなわち、供試材として、３．３質量％のＳｉを含有する、幅方向両端部をレーザー切断した板厚２ｍｍの珪素鋼板を用いた。そして、張力を付与することなく、ワークロール径５００ｍｍの圧延機を用いて供試材に対して総圧下率５０％の冷間圧延を行った。
図２（ａ）は圧下率０％のときの供試材の断面画像、図２（ｂ）は圧下率５０％のときの供試材の断面画像、図２（ｃ）は圧下率５０％のときの供試材の表面画像を示す。図２（ａ）～（ｃ）に示すように、レーザー切断条件の不良によってドロスが残存してしまった場合、ドロスは冷間圧延後も残存し、さらにドロスが鋭利な形状に進展していることがわかる。本実験では、供試材に張力を付与していないが、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、鋭利な形状に進展したドロスが応力集中の起点となって鋼帯の破断に至ると推定される。
そこで、本実施形態では、上記のようなドロスの付着面積が極力少なくなるように、レーザー切断条件として、レーザー出力を１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上、レーザーの加工点径を０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ未満、図３に示すパルス周期時間とパルス時間との比(デューティファクター)を０．３以上０．８未満とする。レーザーの加工点径が０．６ｍｍ以上又はデューティファクターが０．８を超えるようなレーザー切断条件では、熱の投入量が大きくなり、ドロスが生成されやすくなる。一方、レーザーの加工点径が０．１ｍｍ未満又はデューティファクターが０．３未満となるようなレーザー切断条件では、熱の投入量が少なくなり、鋼帯を切断できなくなる。
レーザーの加工点径はより好ましくは０．２～０．３ｍｍ、デューティファクターはより好ましくは０．５～０．７５である。また、パルス式レーザーに用いるガスは０．５ＭＰａ以上の圧縮空気とすることが好ましい。０．５ＭＰａ未満のガス圧では、生成したドロスが吹き飛ばずに切断断面に残存しやすくなるためである。
また、レーザー切断時に使用するガスを酸素とした場合、酸化反応熱を利用することにより低出力での切断が可能となる。しかしながら、レーザー光の走査速度が遅い条件及びレーザー出力が高い条件では、レーザー光を照射していない部分で溶融が進展するセルフバーニング現象が生じる。窒素でも同様の効果を得ることが可能であるが、走査速度が遅い条件及び出力が高い条件では窒素が溶融部あるいはドロスに固溶し、硬質な窒化物や窒化層を生成することにより、応力集中の起点となる場合がある。安価であるのに加え、酸素を適度に含むことで酸化反応熱を利用できる圧縮空気がより好ましい。
さらに付け加えると、通常の低炭素鋼であれば、従来のせん断加工を行っても幅方向端部の割れ（エッジ割れ）は発生しない。すなわち、通常の低炭素鋼では、せん断断加工でもエッジ割れが発生しないので、溶接部近傍の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、せん断加工により溶接部が破断する脆性材料や高合金材料等の鋼種に適用すべきである。但し、冷間タンデム圧延機は、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等も合わせて圧延する兼用ミルの場合もある。その場合、低炭素鋼に対してもレーザー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ー切断機の両方を併設して鋼種により使い分けてもよい。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。全５圧延スタンドからなる冷間タンデム圧延機を用いて母材厚２．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍの２．８～３．３ｍａｓｓ％Ｓｉを含有する電磁鋼板用の素材鋼板を圧延材として仕上げ厚０．３００ｍｍまで冷間圧延する実験を行った。実施例では、本発明の実施形態に基づいてレーザー切断を行った。すなわち、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部近傍において、鋼帯両端面に対する半円形状のレーザー切断と先行鋼帯の幅中央位置に対する円形閉断面形状のレーザー切断を行った。一方、比較例では、本発明の条件を満たすレーザー切断を行なわないレーザー切断条件を実施した。それ以外は実施例と同様にして圧延を行った。以上のようなレーザー切断を行った実施例及び比較例におけるドロス発生状況と１００コイル圧延後の破断コイル発生率を表１に示す。なお、表１に記載のドロス高さ及びドロス発生長の◎，〇，△，×の意味は表２に記載した通りである。
Figure 0007363832000001
Figure 0007363832000002
表１に示すように、比較例では、溶接部破断の発生率が６．０～１０．０％であったのに対して、実施例では、溶接部破断の発生率は２％以下であった。以上のことから、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近傍をレーザー切断することにより、ドロスの生成量を低減させ、且つ、溶接部近傍での加工硬化をなくすことができる。そして、これにより、溶接部破断の発生を抑制し、生産性及び歩留りの向上を達成することができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ 先行鋼帯
２ 後行鋼帯
１１ ノッチ
１２ 孔部

Claims (8)

  1. パルス式レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部近傍を切断する鋼帯のレーザー切断方法であって、
    前記パルス式レーザー光の出力を１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上、前記パルス式レーザー光の加工点径を０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ未満、パルス周期時間と休止時間との比を０．３以上０．８未満とすることを特徴とする鋼帯のレーザー切断方法。
  2. 前記パルス式レーザー光による切断部は、鋼帯の幅方向両端面と一つ以上の閉断面形状を含むことを特徴とする請求項１に記載の鋼帯のレーザー切断方法。
  3. 前記パルス式レーザー光に用いるガスとして０．５ＭＰａ以上の圧縮空気を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼帯のレーザー切断方法。
  4. パルス式レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部近傍を切断する鋼帯のレーザー切断設備であって、
    前記パルス式レーザー光の出力を１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上、前記パルス式レーザー光の加工点径を０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ未満、パルス周期時間とパルス時間との比を０．３以上０．８未満とすることを特徴とする鋼帯のレーザー切断設備。
  5. 前記パルス式レーザー光による切断部は、鋼帯の幅方向両端面と一つ以上の閉断面形状を含むことを特徴とする請求項４に記載の鋼帯のレーザー切断設備。
  6. 前記パルス式レーザー光に用いるガスとして０．５ＭＰａ以上の圧縮空気を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の鋼帯のレーザー切断設備。
  7. 請求項１～３のうち、いずれか１項に記載の鋼帯のレーザー切断方法によって切断された鋼帯に対して冷間圧延を行うことを特徴とする鋼帯の冷間圧延方法。
  8. 請求項７に記載の鋼帯の冷間圧延方法を含む工程によっ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。
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