JPH05318151A - 薄肉鋳片鋳造用冷却ドラムのディンプル加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却ドラムの表面にレーザビームを照射して
ディンプルを形成する加工装置および加工方法に関し、
上記冷却ドラムにディンプルを加工する際、その加工面
の粗度を予め上げることによってレーザビームの反射を
抑え、ディンプル加工に係るエネルギ効率を上げること
を目的とする。 【構成】 レーザビームを照射してディンプル加工位置
周辺面の表面粗度を上げる第１のレーザ手段１と、レー
ザビームを照射して上記ディンプル加工位置でディンプ
ルを形成する第２のレーザ手段２と、各レーザビームの
照射点を冷却ドラム表面のディンプル加工位置に位置決
めする光路手段３と、第１のレーザビームと第２のレー
ザビームとを同時または、第１のレーザビームの後に第
２のレーザビームを照射させる加工制御手段４とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳片鋳造用冷却ドラム
の加工装置および加工方法に関し、特に連続鋳造におけ
る単ドラム方式，双ドラム方式，ドラム−ベルト方式等
の冷却ドラム表面にレーザビームを照射してディンプル
を形成する加工装置および加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造の分野において、製品の最終形
状に近い肉厚の薄い鋳片（以後、薄肉鋳片という）を溶
鋼から直接的に製造する技術の開発が強く望まれてい
る。薄肉鋳片を鋳造する場合、厚肉鋳片を鋳造する場合
と比べて冷却ドラムで溶鋼がかなり急激に冷やされるの
で、鋳造された鋳片に肉厚の変動または表面割れ等が引
き起こされる。従って、これらの欠陥を引き起こさない
ような冷却ドラムを作る必要がある。

【０００３】例えば、特開昭６０−第１８４４４９号で
は、冷却ドラムの周面全体に均一な凹凸を設けて「空気
溜まり」を形成し、冷却ドラム周面に「空気層」を作る
ことが提案されている。これは、「空気溜まり」により
冷却ドラムの抜熱能力を小さくして溶鋼を緩慢に冷却す
ることによって、形成される「凝固シェル」の厚みを板
幅方向で均一化し、肉厚変動および表面割れのない薄肉
鋳片を鋳造可能にしている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】しかし、凹凸を設けた
冷却ドラムを用いて鋳造を行うと鋳片表面へ凹凸状の跡
（転写跡）が転写される。この転写跡の凹凸はその後の
圧延により平滑にされるので支障を及ぼさないが、転写
跡の一部に粗大粒が存在すると「あざ」となって残り、
鋳造された製品の商品価値を損ねてしまう。

【０００５】また、凹凸を設けた冷却ドラムを用いて溶
鋼を鋳込むと、溶鋼の「湯溜まり」に「表面波」が発生
し、鋳造される鋳片表面に横皺を形成したり、光沢ム
ラ，粗大結晶組織等の欠陥を引き起こしたりする。その
ため、鋳込作業の際には「表面波」を発生させない細心
の注意が必要になる。

【０００６】たとえば「あざ」が発生する原因は、上記
「空気溜まり」によって「緩冷却」される部分（粗大粒
形成部分）と、冷却ドラムと直に接して「急冷却」され
る部分（微小粒形成部分）とにおいて凝固した溶鋼の結
晶粒径に差があり、これら粒径差によるが光の反射率の
違いから「あざ」となって現れるからである。これは冷
却ドラム周面に形成された凹凸が溶鋼の冷却速度分布に
対して大きいことに起因する。

【０００７】一方「表面波」が発生する原因は、「凝固
シェル」が形成される際、冷却ドラム界面における溶鋼
の進行方向で「急冷却」される部分と「緩冷却」される
部分との境界が局部的領域で概連続的に構成されるから
である。この境界は、たとえば、冷却ドラム周面に凹凸
が間隔をおいて規則的に設けられていたり、凹凸部で形
成されるべき表面張力が得られず結果的にそこが「急冷
却」部分となることによって、「急冷却」部分が連鎖的
に形成されるために構成される。

【０００８】このように「あざ」および「表面波」の問
題は、冷却ドラムに形成した凹凸に起因していることが
分かる。そして、係る問題を解決するためには形成する
凹凸（またはディンプル）の大きさ，形状，配置を考慮
する必要があることがわかる。

【０００９】従来、上記のような冷却ドラムを得るため
に用いられる手法は主に湿式エッチングである。エッチ
ングは、マイクロエレクトロニクスの分野等ではかなり
の微細加工を達成しているが、この冷却ドラムの加工に
おいては、加工するディンプル径を小さくすると共にそ
の深さも必要とするので加工寸法に限界がある。実際、
上記した凹凸部で形成されるべき表面張力を保証するた
めに必要なディンプル深さは約７０μｍであり、この深
さ寸法を得るためにディンプル径寸法は最小で約３００
μｍとなってしまう。言い換えると、ディンプル径寸法
を３００μｍ以下にするとディンプル深さが得られず表
面張力を保証することができなくなってしまう。

【００１０】加えてエッチングは、ディンプルの大きさ
や形状および配置に関して係る各寸法を柔軟に変えるこ
とが難しい。またエッチングは、その加工に用いる薬品
処理に係る周辺設備等を含め、最近取り立たされている
環境への課題も懸念される。

【００１１】その他にショットプラスト，放電加工，機
械加工等もディンプル加工に用いられている。しかし、
ショットプラストはエッチングと同様に加工寸法の限
界，寸法制御，加工精度等の問題がある。放電加工およ
び機械加工においては微細加工が可能であるが、冷却ド
ラムに対して加工するディンプル数が非常に多いので、
電極の交換等を含めて時間的な面で工業上不適当または
不可能である。

【００１２】そこで本発明の目的は、冷却ドラム周面へ
「レーザビーム」を照射することによりディンプルを形
成する加工装置および加工方法を提供することである。
そして特に、その「レーザビーム」を用いて上記冷却ド
ラムを加工する際、レーザビームが冷却ドラムの照射面
において反射されることによる加工効率の低下を防止す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の一実施態様は、図１に示すように、鋳片鋳造用冷却ド
ラム５の表面に複数のレーザビームを照射してディンプ
ルを形成するディンプル加工装置において、レーザビー
ムを照射してディンプル加工位置周辺面の表面粗度を上
げる第１のレーザ手段１と、レーザビームを照射して上
記ディンプル加工位置でディンプルを形成する第２のレ
ーザ手段２と、各レーザビームの照射点を冷却ドラム表
面のディンプル加工位置に位置決めする光路手段３と、
第１のレーザビームと第２のレーザビームとを同時また
は、第１のレーザビームの後に第２のレーザビームを照
射させる加工制御手段４と、を備える。

【００１４】

【作用】レーザビームを使用することにより、レーザビ
ームはその径を波長の約３倍まで絞れるので、従来の加
工装置では達成し得なかった微細寸法で冷却ドラム周面
を加工することが可能となる。またレーザ加工ゆえにそ
の電気的制御が可能であり、形成するディンプルに対し
て柔軟性のある寸法設定が可能となる。また薬品使用に
係る問題等を発生させない。

【００１５】また上記手段によれば、第１のレーザビー
ムにより加工位置表面が若干溶融されて加工面の粗度が
上がるので、第２のレーザビームを照射したときそのレ
ーザビームの吸収度を高めることができる。従って加工
面においてレーザビームの反射が抑制されるので第２の
レーザビームによる加工効率が上昇される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係るディンプル加工装置およ
び加工方法について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１７】まず理解を深めるために、レーザビーム照
射面における波長と吸収率、およびその表面の粗度と吸
収率について説明する。

【００１８】図２は、金属表面の室温における光の波長
とその光の吸収率を概略的に示したものである。冷却ド
ラムの表面は、その材質等によるが概して平滑な鏡状で
あり光を反射させる。その傾向は、図２に示すように波
長が大きいほど吸収されず反射される。たとえば、波長
１．０６μｍのＹＡＧレーザの吸収率は約４０％、波長
０．３μｍのエキシマレーザの吸収率は約７０％に外挿
される。

【００１９】また、光の吸収率は表面の粗度にも関連す
る。図３は、一定波長における上記金属表面の平均粗度
と光の吸収率との関係を概略的に示したものである。図
３に示すように、平均粗度が上がるとともに光の吸収率
も上昇する。従って、表面の平均粗度を上げればその波
長の光の吸収率を上昇させることができる。

【００２０】そこで本発明によれば、先ず光の吸収率が
高い短波長のレーザビームを冷却ドラム表面のディンプ
ル加工部に集束させてその表面部分を溶融し、加工部分
の平均粗度を上昇させる。続いて、本来のディンプル加
工用のレーザビームを加工部に集束させてディンプル加
工することにより加工効率を上げる。たとえば、平均粗
度を約１μｍから約５μｍに上げることにより吸収率を
約２８％から約４８％まで上げることができる。

【００２１】更に、金属表面における光の吸収率はその
表面の温度により変化し、特に金属表面がその溶融点に
達すると急激に吸収率が上昇することが知られている。
従って、上記した最初のレーザビームが表面を溶融して
平均粗度を上昇させると同時に、またはレーザビームが
表面を溶融して平均粗度を上昇させた後直ぐに次のレー
ザビームを照射すれば、その加工効率を更に上げること
ができる。

【００２２】図４は、本発明に係る加工装置の一実施例
を示したものである。この装置は、加工の際、第１のレ
ーザビームによってディンプル加工面を溶融してその粗
度を上げ、第２のレーザビームによってその部分にディ
ンプル加工するものである。

【００２３】本加工装置は、第１のレーザビームとして
のエキシマレーザ発振器２０／パワー制御ユニット２１
と、第２のレーザビームとしてＹＡＧレーザ発振器２２
／パワー制御ユニット２３と、これらから発振されたレ
ーザビーム２４，２５の光路を構成するガルバノ・ミラ
ー２６−２８（以後、ミラーという），三角ミラー２
９，３０および集光レンズ３１を含む光学系３２と、各
レーザの発振周波数および出力を制御すると共に光学系
のミラー等を駆動制御する加工制御器３３とを備えてい
る。

【００２４】冷却ドラム５０はその軸５１を中心に一定
速度ωで回転しており、その定速回転ωが回転制御器５
２によって維持されている。本加工装置は、回転する冷
却ドラム５０の表面と一定距離ａを保ちながらその回転
軸方向へ一定速度ｖで移動する掃引装置５３に懸架され
ている。その速度ｖは掃引制御器５４により維持される
ので、結果的にレーザビーム２４，２５は冷却ドラム５
０の周面を螺旋状に走査する。勿論、本加工装置と冷却
ドラム間の配置関係は冷却ドラム５０自身が回転しなが
らその軸方向に移動する形態でもよい。

【００２５】本加工装置の各レーザは、勿論、他のレー
ザ装置、たとえば炭酸ガスレーザ等の連続発振型のガス
レーザ、またはルビーレーザ等のパルス発振型の固体レ
ーザの組み合わせでも可能である。１組の第１および第
２の各レーザビーム２４，２５は、加工制御器３３によ
り出力とその発振周波数が制御され、その発振タイミン
グは、ほぼ同時であるが必ず第１の各レーザビームの後
に第２の各レーザビームを照射するように設定されてい
る。

【００２６】ビームエキスパンダ３４，３５は、各レー
ザ発振器２０，２２からのレーザ光の発散角を調整し、
１つの集光レンズ３１でも安定した集光条件が得られる
ようにしたものである。また、シャッタ３６，３７は、
加工開始時、各レーザ発振器２０，２２からのレーザビ
ーム２２が安定するまでその光路を遮断するためのもの
である。

【００２７】ミラー２６は、その反射角に従って第１の
レーザビーム２４の光路を変え、三角ミラー２９を介し
てミラー２８へ導く。ミラー２８は、ミラー２７により
同様に導かれた第２のレーザビーム２５と共有され、レ
ーザビーム２４，２５を１組のビームとしてその光路を
集光レンズ３１へ入射角α₁ ，α₂ で入射させる。各入
射角α₁ ，α₂ は、１組のレーザビームが冷却ドラムの
照射位置３８に集束するようように設定される。

【００２８】ミラー２８はその角度位置を動かす機械的
または電気的な駆動部（図示せず）を備えている。ミラ
ー２８は、加工制御器３３からの制御信号３９により角
度を振動周期ｆおよび振動角φで変えることができるの
で、１組のレーザビーム２４，２５の反射角をその振動
角φの範囲で変位させることができる。これにより各レ
ーザビームが集光レンズ３１に入射する入射角α₁ ，α
₂ が変わり、冷却ドラムにレーザビームが集束する位置
３８を冷却ドラムの回転軸方向５１に分散させることが
できる。

【００２９】また、加工制御器３３によるレーザの励起
信号４０，４１両方のタイミングを変えることにより、
レーザビームが集束する位置３８の間隔を冷却ドラムの
回転方向で変えることもできる。

【００３０】更に、加工制御器２７のレーザ励起制御信
号４３，４４によれば、レーザ励起電力を変えて各レー
ザ発振器２０，２２のレーザの出力を変えることもでき
る。これにより、冷却ドラム面３６に集束されるレーザ
ビームのエネルギが変わり、ディンプル深さ寸法を変え
ることができる。

【００３１】集光レンズ３１も同様に、加工制御器３３
による制御信号４２に従ってその焦点距離が制御され、
冷却ドラムに集束させるレーザビームの発散角を変える
ことができる。これにより冷却ドラムの照射面３８にお
けるレーザビームの集束面積が変わりディンプル径寸法
を変えることができる。

【００３２】このように加工制御器２７からの各制御信
号によりディンプルの位置間隔，径および深さを変える
ことができる。なお、加工制御器２７における各制御信
号は、冷却ドラムの回転速度ωおよび掃引装置の掃引速
度ｖから導かれる。

【００３３】このように１組のレーザビームは冷却ドラ
ム表面において、たとえば概同心円上の位置に集束され
る。そして加工制御器３３の発振タイミング制御によ
り、第１のレーザビームが先に照射される。第１のレー
ザビーム２４は、その加工面３８を溶融してその粗度を
上げ、直ぐその後に照射される第２のレーザビーム２５
の吸収度を上昇させる。よって、第２のレーザビーム２
５がその後照射されると、レーザビーム２５はその加工
効率を上げてディンプルの加工を行うことができる。

【００３４】係る加工装置において実験を行った結果は
以下の通りであった。加工条件は、第１のレーザ発振器
には波長０．３μｍのエキシマレーザを使用し、パルス
幅０．１ｍｓｅｃ、発振周波数を５００Ｈｚ、出力を６
ｍＪ／パルスとし、第２のレーザ発振器には波長１．０
６μｍのＹＡＧレーザを使用し、パルス幅０．１ｍｓｅ
ｃ、発振周波数を５００Ｈｚ、出力を６０ｍＪ／パルス
とした。これにより、冷却ドラム周面には、ディンプル
径１５０μｍ、ディンプル深さ１００μｍのディンプル
が形成された。

【００３５】また、第２のレーザ（ＹＡＧレーザ）だけ
を用いて同様なディンプル寸法となるように実験を行っ
た結果、必要とされるＹＡＧレーザの出力は最低でも１
００ｍＪ／パルスを必要とした。従って、第１のレーザ
によって前加工することにより、ディンプル加工に係る
効率をレーザの出力で比較すると約３４％の効率アップ
が達成されたことになる。

【００３６】このように、ディンプル加工の際、他のレ
ーザにより予め加工面の粗度を上げること、そして予め
加工面の温度を上げることによって、少ないエネルギで
ディンプルを加工することができた。

【００３７】本実施例では、第１および第２のレーザビ
ームを１組にしてディンプル加工を行ったが、更に多く
のレーザビームを各々別々に光路制御して同様の効果を
得るように構成することも、本発明の範囲から容易に案
出できるであろう。

【００３８】最後に、係る加工装置によって鋳片鋳造用
冷却ドラムを作り、５ｍｍ厚のステンレス鋼を鋳込んだ
ところ表面性状の良好な薄肉鋳片が鋳造された。

【００３９】

【発明の効果】このように本発明により、「レーザビー
ム」を照射して鋳片鋳造用冷却ドラムにディンプル加工
する加工装置および加工方法が提供された。そして冷却
ドラムを加工する際、レーザビームが冷却ドラムの照射
面に反射されることによる加工効率の低下を防止するこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るディンプル加工装置の一実施態様
を示す図である。

【図２】金属表面における光の波長と光の吸収率との関
係を概略的に示した図である。

【図３】一定波長における金属表面の平均粗度と光の吸
収率との関係を概略的に示した図である。

【図４】本発明に係る加工装置の一実施例を示す図であ
る。

【符号の説明】

２０…第１のレーザ発振器 ２２…第２のレーザ発振器 ２４…第１のレーザビーム ２５…第２のレーザビーム ２６，２７，２８…ガルバノ・ミラー ２９，３０…三角ミラー ３１…集光レンズ ３３…加工制御器 ５０…冷却ドラム ５２…冷却ドラム回転制御器 ５４…掃引制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳片鋳造用冷却ドラム（５）の表面に複
   数のレーザビームを照射してディンプルを形成するディ
   ンプル加工装置において、 レーザビームを照射して該ディンプル加工位置周辺面の
   表面粗度を上げる第１のレーザ手段（１）と、 レーザビームを照射して該ディンプル加工位置でディン
   プルを形成する第２のレーザ手段（２）と、 前記各レーザビームの照射点を前記冷却ドラム表面のデ
   ィンプル加工位置に位置決めする光路手段（３）と、 前記第１のレーザビームと第２のレーザビームとを同時
   または、該第１のレーザビームの後に該第２のレーザビ
   ームを照射させる加工制御手段（４）と、 を具備することを特徴とするディンプル加工装置。
2. 【請求項２】 鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビ
   ームを照射してディンプルを形成するディンプル加工方
   法において、 前記冷却ドラム表面のディンプル加工位置に波長の異な
   る少なくとも２つのレーザビームの照射点を位置決めす
   ることと、 該第１のレーザビームを照射して該ディンプル加工位置
   周辺面の表面粗度を上げることと、 該第２のレーザビームを照射して該ディンプル加工位置
   でディンプルを形成することと、 該第１のレーザビームと第２のレーザビームとを同時ま
   たは、該第１のレーザビームの後に該第２のレーザビー
   ムを照射させることと、 を具備することを特徴とするディンプル加工方法。