JPH06106376A

JPH06106376A - レーザー溶削処理用加工ヘッド

Info

Publication number: JPH06106376A
Application number: JP4254628A
Authority: JP
Inventors: Osami Ichiko; 修身市古; Mitsuo Yoshida; 三男吉田; Junichi Fujisawa; 淳一藤沢
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-04-19

Abstract

(57)【要約】【目的】鉄鋼、非鉄金属等の材料表面に存在するワレ
等の欠陥を溶削処理により除去する装置において、該欠
陥部にレーザービームを照射するとともに、酸素ガスま
たは酸素を含んだ混合ガスを吹き付けることにより、ワ
レ等の欠陥を除去し、かつ、表面溶削後の凹凸を防止
し、平滑な表面を得る。【構成】レーザー発信器から出射したレーザービーム
１を、シート状ビームに整形するための光学ミラー２，
３と、ガス供給装置より供給された酸素ガス等を非加工
剤４の表面に吹き付けるための前記シート状ビームの幅
より大きな幅の開口を有するノズル８とを装備したレー
ザー溶削加工用ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄鋼、非鉄金属等の材料
表面に存在するワレ等の欠陥をレーザー溶削処理により
除去する技術分野に関するもので、特に溶削処理用加工
ヘッドに係る。

【０００２】

【従来の技術】材料表面の欠陥を溶削処理により除去す
る工程は、鉄鋼製造工程において、最もよく見られる。
鉄鉱石から鋼材製品が出来るまでの工程をおおまかに分
けると、製銑、製鋼、圧延の三つの部門になる。製銑工
程で出来た溶銑を、次の製鋼工程で成分調整をして溶鋼
とし、それを固めて鋼片とする。鋼片は次の圧延工程に
送られてレールや丸棒、板あるいはパイプに加工されて
最終成品となる。

【０００３】溶鋼から鋼片が作られる工程では、鋼片に
さまざまな外力が加えられるし、また熱ひずみ等による
内部応力が作用する。これらの力が原因となり鋼片表面
には小さなワレが生じやすいし、鋼片表面に異物をかみ
込んでいることもある。また凝固する時に溶鋼から排出
されるガス成分が抜けきれずに表面近くに留まって気孔
をつくっていることもある。このようなワレや穴、異物
がある状態をそのまま放置して鋼片を圧延工程に送る
と、表面欠陥のある最終成品ができてしまう。最終成品
の品質水準を保つためには、半成品である鋼片段階での
品質管理がきわめて大事である。従って、上に述べたよ
うな鋼片の表面欠陥は手入れをして傷を除去したうえで
次工程へ送らねばならない。

【０００４】この鋼片の手入れ方法として、従来より一
般に用いられているのは実開平１−１５９９６４号公報
に記載のような酸素溶削法である。これは、鋼片表面に
酸素を吹き付けて表面を溶かし、溶けた部分を吹き飛ば
してえぐりとってしまう方法である。鉄と酸素で激しい
酸化反応を起こさせ、そのとき発生する反応熱で鋼片表
面を溶融する。溶融すると同時に吹き付けている酸素ジ
ェットの圧力で溶融部分を吹き飛ばす。鋼片表面を溶融
する程に多量の酸化発熱が起こるためには、反応前の温
度が鉄融点に近い高温でなければならず、通常ＬＰＧを
使って予熱し、表面が溶融状態になった時点で、溶削を
スタートしている。ＬＰＧのかわりに、レーザーを用い
て溶削をスタートさせる方法が特開昭５３−４７５０号
公報に開示されている。

【０００５】酸素溶削法の問題点は、過剰溶削による材
料歩留りの低下と、エネルギーの有効利用率の低さであ
る。その最大の原因は溶削量、溶削すべき部位、面積の
精度の高いコントロールが難しいために、傷の長さ×幅
の数倍から数十倍の面積を溶削せざるを得ないためであ
る。場合によっては、鋼片の表面全面を溶削することも
珍しくない。

【０００６】鋼片として線材用ビレット等の比較的表面
積の小さいものについては、人手によるグラインダー手
入れも行われている。これは、鋼片表面に予めマークさ
れた欠陥を、作業者が研削グラインダーを用いて除去す
るもので、材料歩留りの観点からは有利であるが、人手
が多くかかることから、常に問題とされている作業であ
る。

【０００７】更に、本発明者らはレーザーエネルギーを
主体に、酸素ガスまたは酸素を含んだ混合ガスを吹き付
けて、溶削する方法を提案している（特願平２−９３１
３０号参照）。更に又、鉄鋼ビレット等の圧延ラインの
途中での表面傷除去で要求される高速溶削のための予熱
を加えたレーザー溶削方法を提案している（特願平３−
３４４７２２号参照）。これらレーザーによる溶削方法
は、表面傷の除去を最小の溶削量で行うことが可能とな
り、極めて効果が大きいが、従来の酸素溶削法、グライ
ンダー手入れ法に比較して、手入れ後の表面の凹凸が大
きく、ワレ等の表面欠陥は除去出来るものの、表面平滑
性の点で手入れ後の品質基準を満足しない場合が多く見
られた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように従来技術
には過剰溶削による材料歩留およびエネルギー有効利用
率が低い、あるいは多くの人手を要するという問題があ
った。レーザー溶削法はこれら従来法の問題点の解決に
は有効であったが、溶削後の表面平滑性に問題があっ
た。レーザー溶削処理における表面の凹凸は、例えば溶
削処理すべき幅に比して、レーザービームの幅が狭い場
合に見られる。

【０００９】通常、レーザービームで金属表面を溶融す
る場合、高いエネルギー密度が必要なため、レンズ等を
用いてビームサイズを２〜３mm径以下に絞ったものが用
いられる。その場合、必要な幅を溶削するため、レーザ
ービームのマルチパス照射が必要となるが、その際相隣
るパスとの境界に溶融部分が集まって盛り上がるためで
ある。照射するレーザービームの幅を大きくして、常に
シングルパスで溶削処理すべき幅をカバーする場合にお
いては、溶削処理したビードの中央部が盛り上がり、そ
の周辺がへこむ形で凹凸が形成される。その理由は吹き
付けられたガスの圧力は一般に中央部が強く、周辺は弱
い。その結果、レーザー照射によって溶けたビードは中
央部が強いガス圧で押し付けられて、周辺が盛り上が
る。ガス吹き付け部の移動と共に、中央部への強いガス
圧は消えるので、周辺へ押し出されていた融液が急激に
中央部へ戻り、逆に中央が盛り上がる。その状態で固ま
るので上記凹凸が発生する。このようなこれまでのレー
ザー溶削処理において問題であった表面溶削後の凹凸発
生を防止し、平滑な表面を得ることが、本発明が解決し
ようとする課題である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記レーザー溶
削処理における表面溶削後の凹凸発生を防止するために
なされたものであって、その要旨とするところは、照射
するレーザービームの形状をシート状に整形する光学系
とシート状ビームの幅より大きな幅の開口を有するガス
吹き付けノズルを装備したことを特徴とするレーザー溶
削処理用加工ヘッドである。

【００１１】

【作用】以下、本発明の作用について図面に従って詳細
に説明する。図１は本発明のレーザー溶削処理用加工ヘ
ッドを示す。図示しないレーザー発振器から出射したレ
ーザービーム１は、光学ミラー２および３よりなるビー
ム整形用光学系によって溶削処理すべき幅より広い幅の
シート状ビームに整形されて、走行する被加工材４表面
に照射される。シート状ビーム形成用の光学系として
は、上記２枚の光学ミラーより成るものに限定されるも
のではない。シート状ビームのサイズ等の要求仕様によ
り１枚のレンズまたはミラー、または２枚以上のそれら
の組合せでもよい。

【００１２】レーザー照射と同時に、図示しないガス供
給装置より供給された酸素ガスまたは酸素を含んだ混合
ガスが、シート状ビームの幅より大きな幅の開口を有す
るノズル８より、上記被加工材表面上のレーザー照射点
に吹き付けられる。被加工材４は矢印１０の向きに走行
するものとする。従って被加工材４の表面は、ほぼシー
ト状ビームの幅と等しい幅で、走行した長さと等しい長
さだけ溶削されることになる。実際には除去すべき表面
欠陥は被加工材の全長に渡って存在するのではなく、通
常はところどころに点在しているので、欠陥位置検出装
置からの信号によりまたは事前に欠陥位置を計測してお
いてその情報に基いて、レーザー発振器およびガス供給
装置のオン・オフを、点在するそれぞれの欠陥ごとに行
うことにより、欠陥の長さに応じた最小溶削長だけ、レ
ーザー照射およびガス吹き付けによる溶削を行う。この
ように、溶削すべき幅は被加工材の表面欠陥の事前調査
により、１つの欠陥の幅、向きなどを考慮して決められ
る。

【００１３】また、レーザー照射設備側よりシート状ビ
ームの形状に制約が加えられる。ひとつは、溶削のため
のエネルギー密度を確保する必要があるためで、その値
はおよそ１００W/mm²以上である。さらに、光学系の制
約より、シートの厚みは約１ｍで絞るのが限界である。
従って１０kWの炭酸ガスレーザを用いる場合はシート幅
は最大およそ１００mmとなる。

【００１４】このようしてに選ばれたシート状ビームに
よると、１つの欠陥を溶削するのにレーザービームを１
パス照射すれば良いので、複数パス照射時に見られる溶
削後の表面の相隣る照射パスとの境界の凹凸は存在しな
い。

【００１５】又レーザー照射と同時に吹き付けられる酸
素ガスまたは酸素を含んだ混合ガスは、シート状ビーム
の幅より大きな幅の開口を有するノズル８より吹き付け
られる。ガス吹き付けノズルの開口幅は、噴出ガスの圧
力の均一幅がシート状ビームの幅より大きいことが必要
で、そのためには、開口幅はシート状ビームの幅の１．
５〜２倍以上あることが望ましい。開口幅は、シート状
ビームの設定幅に従って設定することが望ましいが、装
置的に複雑になるのを好まない場合は、ガスの無駄を犠
牲にして最大ビーム幅に対応した値に固定するのがよ
い。

【００１６】このように選ばれた開口幅のノズルよりの
ガス流は幅広のシート状流れとなって照射点に達する。
その幅はシート状レーザービームの照射によって出来た
被加工材表面の溶融プールの幅より十分大きいので、溶
融プール表面に吹き付けるガスの圧力としてはほぼ均一
となる。その結果、ガス吹き付けの不均一により生ずる
溶融プール表面の凹凸は発生せず、凝固後の表面も滑ら
かである。かくして、本加工ヘッドを用いることによ
り、レーザー溶削処理において問題となっていた溶削後
の表面の凹凸発生を防止して滑らかな表面を得ることが
出来る。

【００１７】

【実施例】図２は本発明の１実施例を示すために用いた
シート状ビーム形成用の光学系である。レーザービーム
１を受ける光学ミラー２は焦点距離１２１０mmの円柱凹
面基板に幅１０mm，長さ１００mmのセグメントミラーを
１０枚並べたインテグレーションミラーでその焦点位置
において、１方向のビーム幅を１０mmとする。次に光学
ミラー３は焦点距離８６０mmの円柱凹面ミラーで、光学
ミラー２と直交する方向に曲率を有している。光学ミラ
ー２，３の間隔は３５０mmとしているので、ミラー３も
ミラー２の焦点位置に焦点を結ぶ。その結果、焦点位置
においては幅１０mmのシート状ビームが形成される。実
際にレーザービーム１として６０mm径、５kWのビームを
照射し、焦点位置でビーム形状を測定したところ、幅１
０mm、厚さ１mmのシート状ビームが得られた。ガス吹き
付けノズルとしては、開口サイズ１mm×３０mmの銅製ノ
ズルを図１の８の位置に取り付けた。被加工材に対して
ノズルの傾き３０度、ノズル先端との間隔４０mmのノズ
ル位置設定とした。被加工材として厚さ１２mmの炭素鋼
を１m/min で走行させ、レーザー出力5kW 、酸素ガス流
量１００l/inで表面溶削を行った。その結果、幅１０m
m、深さ１mmの表面凹凸の無い溶削ビードが得られた。

【００１８】

【発明の効果】実施例にも述べたように、本発明のレー
ザー溶削処理用加工ヘッドを用いれば、レーザー溶削処
理において問題となっていた表面溶削後の凹凸発生を防
止して滑らかな表面を得ることが出来る。その結果レー
ザー溶削処理の実用化が可能となる。本発明による加工
ヘッドを用いたレーザー溶削法を鉄鋼製造工程でできる
鋼片ビレットの傷手入れに用いれば、最小の溶削量で、
しかも人手を介さずに表面傷除去を行うことができるの
で、材料歩留向上、および自動化・無人化の観点からも
効果が大きい。一例として、鉄鋼の線材用ビレットの表
面欠陥の、人手によるグラインダー手入れの場合、１工
場で１交代当り２名の傷手入れ要員が必要である。この
要員コストの製造原価に占める割合もさることながら、
今後益々深刻さが予想される労働力不足に対して極めて
有効である。

【００１９】又、一方、グラインダー手入れでなく、酸
素溶削法による全面手入れの場合は、それによる材料ロ
スは、トン当り数１０kgにものぼり、１工場当り、月産
数１０万トン規模の工場が多い現在、莫大なロス量とな
っている。然るに本発明によれば、傷の部分のみ、選択
的に、しかも過剰溶削なしに除去することができるの
で、表面に存在する傷の量にもよるが、数１０分の１か
ら１００分の１程度のロス量に激減させることができ
る。

【００２０】尚、本発明の適用は鉄鋼製造分野にのみ限
られるものではない。銅、チタン、アルミ等の非鉄材料
の表面傷の手入れにも当然適用可能の技術である。以上
述べたように、本発明の産業社会へおよぼす効果は極め
て大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の全体を示す概要図であ
る。

【図２】本発明のシート状ビーム形成光学系の一実施態
様を示す概要図である。

【符号の説明】

１レーザービーム２，３光学ミラー４被加工材５レーザービーム出射筒６取り付け支持部７ガス供給ヘッダー８ガス吹き付けノズル９ガス供給口１０被加工材送り方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｑ 9120−2Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属ビレットの表面のワレ等の欠陥の溶
削部にレーザービーを照射すると共に、その照射点に酸
素ガスまたは酸素を含んだ混合ガスを吹き付けて溶融除
去するレーザー溶削処理用加工ヘッドにおいて、照射す
るレーザービームの形状をシート状に整形する光学系
と、シート状ビームの幅より大きな幅の開口を有するガ
ス吹き付けノズルを装備したことを特徴とするレーザー
溶削処理用加工ヘッド。