JPH10195596A - レーザ切断性に優れた鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 産業機械、鋼構造物に使用される厚鋼板のレ
ーザ切断において、良好な切断品質と作業性が得られる
厚鋼板を課題とする。 【解決手段】 重量％（ｗｔ％）で、Ｃ：０．０５〜
０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．
５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含む鋼
板であって、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００８％
以下、かつ、Ｐ＋Ｓを０．０２０％以下に規制し、残部
が不可避的不純物からなることを特徴とするレーザ切断
性に優れた厚鋼板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種産業機械、鋼
構造物に使用される厚鋼板に関し、レーザ切断の際に、
良好な切断品質と作業性が得られる厚鋼板に関する。

【０００２】

【従来技術】造船、建築、橋梁等には多量の熱間圧延鋼
板が使用されている。これら鋼構造物の工作においては
コスト・工数の多くが溶接と切断に占められており、こ
れら工作の合理化のため、溶接法のみならず切断法の自
動化が相当に進展している。

【０００３】厚鋼板の切断方法としては、従来よりガス
切断、プラズマ切断あるいはレーザ切断等の方法が使用
されているが、これらの自動化への適性と生産性を以下
に概括する。

【０００４】ガス切断は切断板厚に実質上上限がなく装
置が簡単であるため、最も一般的に使用される切断方法
である。しかしながら、燃焼炎の制御、監視の点で完全
自動化の技術が完成されていない。また、切断幅が広い
ため熱変形が大きいこと、切断速度が低速であることな
どの欠点がある。

【０００５】プラズマ切断は板厚が50ｍｍ以下の場合に
は高速切断が可能なため、ガス切断に代わり普及しつつ
ある切断方法である。この方法は開先切断には適する
が、ベベル角の精度が悪く、大板から小物部品を多数切
り出す場合には、切断精度の確保が難しいという欠点が
ある。またトーチ寿命が数時間しかなく、その交換のた
め生産性が低下するとともに、完全自動化が容易ではな
い。

【０００６】一方、レーザ切断は約２０年前より実用化
した切断方法であり、薄板加工業を中心に普及してきた
が、近年のレーザ発振器の高出力化、低価格化により、
板厚のより厚い熱間圧延鋼板の切断にもその用途が拡が
りつつある。

【０００７】レーザ切断は装置価格が比較的高価である
点を除くと、技術的には理想的な切断方法である。その
特徴は次のようなものである。第１に、切断幅が非常に
狭いことである。このため、切断入熱による熱変形が小
さい、切り抜き切断に加え共通切断が可能である、切断
機の出力の割には高速切断が可能であるなどの長所を有
する。

【０００８】第２の特徴として、切断品質が良好であ
る。切断面のベベル角の精度の確保が容易であるととも
に、コーナー部角度の精度の管理も容易である。また、
切断上縁部のスラグ付着が少なく、切断下縁部のスラグ
付着有無が明瞭であり、適正条件設定の判断が容易であ
る。

【０００９】第３に、レーザの光学系、切断トーチの寿
命が長く、レーザの出力が容易であるため、切断作業の
完全自動化が容易であることも大きな特徴である。第４
に、切断に際して、ヒュームの発生が少ないので、作業
環境を良好に保てるという特徴も有する。

【００１０】そこで、レーザ切断法は鋼板切断の合理化
に対し最も有力な方法といえるが、厚鋼板においては、
切断品質と切断作業性の点から、対象板厚の上限が20ｍ
ｍ程度に限定され、その普及は必ずしも拡大しなかっ
た。すなわち、装置価格が比較的高価であるため、切断
コスト、すなわち単位切断長さ当たりの費用として考え
た場合に、装置価格を支配するレーザ発振器が与えられ
た場合に、より生産性の高い切断を可能ならしめる対策
が必要である。

【００１１】特に厚鋼板においては、切断速度が大きく
なると、単位切断長さ当たりのエネルギー効率が小さく
なり、板厚全体を溶融できなくなるか、溶融できたにし
ても溶融金属の排除が十分に行えないため、鋼板上部で
溶融した金属がドロスとして切断下面に付着する。

【００１２】また、切断速度が小さくなると、単位切断
当たりのエネルギー効率が大きくなるので、切断幅が大
きくなり、溶融金属量も多くなるため、切断面に、ノッ
チと呼ばれる部分的な切断幅が拡大する切断不良部が発
生する。このため、高速側及び低速側の双方において、
良好な切断品質が得られる、適正なレーザ切断速度範囲
が存在し、これがレーザ切断可能な板厚拡大を阻む理由
でもあった。従って、適正なレーザ切断速度範囲の広い
鋼板が要望されている。

【００１３】このような要望に対して、熱間圧延で製造
した鋼板の表面に生成するスケールの性状が、レーザ切
断性改善に重要な役割を果たすことが知られている。例
えば、特開平7-48622 号公報、特開平7-48623 号公報、
特開平7-178414号公報では、鋼板の製造条件を制御する
ことにより、均一で密着性の優れた薄いスケールを生成
し、鋼板の二次加工時のスケール疵の発生を抑えるとと
もに、レーザ切断性も向上するとしている。

【００１４】しかし、これらの技術では、薄くて密着性
の高いスケールを生成させる方法が、熱間圧延鋼板の限
られた製造条件、すなわち、仕上げ圧延温度または、及
び仕上げ圧延後の鋼板表面温度の制御のみに依存してい
るため、製造できる鋼板の材質の範囲が極めて狭い範囲
に限られてしまう問題がある。また、その結果として、
生成するスケールの厚さが５μｍ以下と極めて薄いこと
がレーザ切断性向上の条件となっている。

【００１５】また、特開平7ー155975号公報、特開平8ー36
92号公報においては、Ｃｕ又はＮｉ、Ｃｒを添加すると
ともに、スケールの表面粗さ（中心線平均粗さ）を３μ
ｍ以下に規制したレーザ切断用鋼板が、また、特開平5ー
112821号公報、特開平8ー218119号公報いおいては、鋼板
のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ量を低減し、製造条件の制御により、
スケールの密着性を高めた、レーザ切断用鋼板の製造方
法が開示されている。

【００１６】しかしながら、特開平7ー155975号公報、特
開平8ー3692号公報に開示されたレーザ切断用鋼板は、レ
ーザ光の乱反射の制御とスケールと地鉄界面へのＣｕ等
の濃化によるスケールの密着性向上により優れたレーザ
切断性が得られるものの、鋼板製造時の熱間圧延条件に
よっては、所定の効果が得られない。

【００１７】また、特開平5ー112821号公報、特開平8ー21
8119号公報に開示された鋼板の製造方法によれば、非常
に密着性の高いスケールが得られるためにレーザ切断性
が優れているが、圧延温度を一定温度以上に制限した
り、熱間圧延中にデスケーリングを３回以上行うなど、
製造工程が煩雑であり、安定した品質の確保の点で困難
であった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの課
題を解決するためになされたものであり、より簡便な方
法によって、レーザ切断性に優れた厚鋼板を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】発明者らは、鋼の化学成
分、特に鋼中に存在する不純物元素であるＰ及びＳ、と
鋼板のスケール性状のスケール密着性との関係につい
て、鋭意研究を重ねた結果、以下の結論を得た。

【００２０】（ａ）鋼中のＰ及びＳはともにスケール／
地鉄界面に濃化する元素であるが、Ｐ，Ｓが高いため濃
化層が形成されると、スケールが剥離しやすくなること
から、スケールの密着性を高めるためには、Ｐ及びＳ含
有量を一定値以下に制限する必要がある。

【００２１】（ｂ）この手段によって、スケール密着性
が向上でき、レーザ切断中の熱衝撃によるスケールの剥
離を抑制でき、安定した切断品質が得られるとともに、
それを達成できる適正なレーザ切断速度の範囲が広く、
良好な作業性が得られるものである。

【００２２】すなわち、本発明は、上記の知見を下にさ
れたものであり、第１の発明は、重量％（ｗｔ％）で、
Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０
％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．
０５％を含む鋼板であって、Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００８％以下、かつ、Ｐ＋Ｓを０．０２０％以
下に規制し、残部が不可避的不純物からなることを特徴
とするレーザ切断性に優れた鋼板である。

【００２３】第２の発明は、上記記鋼板の化学成分に、
さらに、Ｔｉ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．０４％以
下、Ｖ：０．１％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：
０．５％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．６％以
下の１種または２種以上を含む鋼板であることを特徴と
するレーザ切断性に優れた鋼板である。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の基本となる考え方を以下
に述べる。厚鋼板においては、切断速度が大きくなる
と、単位切断長さ当たりのエネルギー効率が小さくな
り、板厚全体を溶融できなくなるか、溶融できたにして
も溶融金属の排除が十分に行えないため、鋼板上部で溶
融した金属がドロスとして切断下面に付着する。

【００２５】また、切断速度が小さくなると、単位切断
長さ当たりのエネルギー効率が大きくなるので、切断幅
が大きくなり、溶融金属量も多くなるため、切断下面
に、ノッチと呼ばれる部分的な切断幅が拡大する切断不
良部が発生する。このため、良好な切断品質が得られ
る、適正なレーザ切断速度範囲が存在する。

【００２６】発明者らは、特に鋼中に存在する不純物で
あるＰ及びＳに着目して、種々の化学成分を有する厚鋼
板を用いて、切断速度を変えてレーザ切断し、その切断
面の評価を行った。その結果、鋼中のＰ及びＳ量が、鋼
板表面に生成するスケールの密着性を通して、レーザ切
断性に大きな影響を及ぼすことを見出した。

【００２７】すなわち、レーザ切断性に及ぼす鋼中のＰ
及びＳ量の影響を、図１に示す。図１は、板厚全体を溶
融でき、かつ、切断下面にドロスが付着しない上限の切
断速度、ならびに、切断面にノッチと呼ばれる切断不良
部が発生しない下限の切断速度と、Ｐ＋Ｓの合計量との
関係を示したものである。Ｐ＋Ｓの合計量が低減し、特
に０．０２０％以下になると、適正なレーザ切断速度の
範囲が著しく拡大されることを示している。また、図中
には、Ｐ＋Ｓ量が低くても、Ｓ量が比較的多い鋼は、適
正な切断速度範囲がやや狭い結果を示している。この結
果は、Ｐ及びＳの低減に伴い、スケール中のＰ，Ｓの濃
化層が減少し、スケールの密着強度が向上することを示
すものと考えられる。

【００２８】この結果、スケール密着性が向上でき、レ
ーザ切断に際しての熱衝撃によるスケールの剥離を防止
できるため、安定した切断品質が得られるとともに、そ
れを達成できる適正なレーザ切断速度の範囲が広く、良
好な作業性が得られるものである。

【００２９】以下に、本発明における化学成分（ｗｔ
％）の限定理由について詳細に説明する。Ｃ：０．０５
〜０．２０％とする。Ｃは鋼材の強度を確保するために
必要な元素であるが、０．０５％未満では必要な強度が
得られず、０．２０％を越えて添加すると溶接性を損ね
るので、その含有量を０．０５〜０．２０％と規定し
た。

【００３０】Ｓｉ：０．０５〜０．５０％とする。Ｓｉ
は鋼材の強度を高めるとともに、製鋼過程における脱酸
剤として必要であるが、０．０５％未満ではその効果が
不十分であり、０．５０％を越えて添加すると溶接部の
靭性が劣化させるので、その含有量を０．０５〜０．５
０％と規定した。

【００３１】Ｍｎ：０．５〜２．０％とする。Ｍｎは鋼
材の強度を高めるために添加されるが、０．５％未満で
は必要な強度が得られず、２．０％を越えて添加すると
中心偏析が大きくなり、板厚中央の靭性が劣化するの
で、その含有量を０．５〜２．０％と規定した。

【００３２】Ａｌ：０．００５〜０．０５％とする。Ａ
ｌは脱酸剤として必要であるが、０．００５％未満では
脱酸が不十分であり、０．０５％を越えて添加すると連
続鋳造スラブの表面疵となるため、その含有量を０．０
０５〜０．０５％と規定した。

【００３３】Ｐ：０．０１５％以下とする。Ｐはスケー
ル／地鉄界面に濃化する元素であるが、濃化層が存在す
るとスケールが剥離しやすくなるため、スケールの密着
性が低下する。しかし、０．０１５％以下では問題がな
いので、その含有量の上限を０．０１５％と規定した。

【００３４】Ｓ：０．００８％以下とする。Ｓもスケー
ル／地鉄界面に濃化する元素であり、Ｐと同様に、濃化
層が存在するとスケールが剥離しやすくなるため、スケ
ールの密着性が低下する。しかし、０．００８％以下で
は問題がないので、その含有量の上限を０．００８％と
規定した。

【００３５】Ｐ＋Ｓの合計量：０．０２０％以下とす
る。Ｐ及びＳが単独で上記範囲内であっても、Ｐ＋Ｓの
合計量が多くなると、スケールが剥離しやすくなり、ス
ケールの密着性が低下するため、その合計量の上限を
０．０２０％と規定した。

【００３６】本発明では、上記の合金元素のほかに、鋼
材の強度・靭性を高めるために、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種又は２種以上を含有しても
よい。 Ｔｉ：０．０２％以下とする。ＴｉはＴｉＮを形成し、
溶接部組織の粗大化を抑制し、溶接熱影響部の靭性向上
に寄与する元素であり、微量の添加で大きな効果が得ら
れるが、０．０２％を越えて添加すると、逆に溶接部の
靭性の低下を招くので、その含有量の上限を０．０２％
と規定した。

【００３７】Ｎｂ：０．０４％以下とする。ＮｂはＮｂ
（Ｃ，Ｎ）として微細に析出し強度上昇に寄与する元素
であり、微量の添加で大きな効果が得られるが、０．０
４％を超えて添加すると、逆に溶接性及び溶接部の靭性
の低下を招くので、その含有量の上限を０．０４％と規
定した。

【００３８】Ｖ：０．１％以下とする。ＶはＶＣとして
微細に析出し強度上昇に寄与する元素であり、微量の添
加で大きな効果が得られるが、０．１％を越えて添加し
てもその効果が飽和するので、その含有量の上限を０．
１％と規定した。

【００３９】Ｃｕ：０．５％以下とする。Ｃｕは強度・
靭性の向上に有効な元素であるが、０．５％を越えて添
加すると、熱間加工性が低下するので、その含有量の上
限を０．５％と規定した。

【００４０】Ｎｉ：０．５以下とする。Ｎｉは靭性に極
めて有効な元素であるが、また非常に高価な元素である
ことから、０．５％を越えて添加するとコスト的に不利
になるので、その含有量を０．５以下と規定した。

【００４１】Ｃｒ：１．０％以下とする。Ｃｒは強度向
上に有効な元素であるが、１．０％を越えて添加すると
溶接性が低下するので、その含有量を１．０％以下と規
定した。

【００４２】Ｍｏ：０．６％以下とする。ＭｏはＣｒと
同様に強度向上に有効な元素であるが、０．６％を越え
て添加すると溶接性が低下するのみならず、コスト的に
も不利になるため、その含有量を０．６％以下と規定し
た。

【００４３】一般的にスケールが厚くなるとスケールが
剥離しやすくなるため、レーザ切断性は低下する。しか
し、本発明は、Ｐ，Ｓ含有量を制限することにより、ス
ケールの密着性を高めた鋼であるため、鋼板の製造条件
は、常識的な製造条件の範囲内であれば、特に規定して
いない。しかし、スケール疵の発生を防止するためには
熱間圧延中にデスケーリングを施したり、あるいは極端
な高温仕上げ又は低温仕上げ圧延を回避することは、常
識的な製造条件として望ましい。また、強度・靭性等の
機械的性質向上の点から、圧延後の加速冷却を実施して
もレーザ切断性の点では問題ない。

【００４４】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
図２として示す表１に記載した成分組成の鋼を溶製し、
再加熱後熱間圧延により、板厚１０ｍｍの鋼板を製造し
た。このときの熱間圧延の条件は、厚鋼板で一般的に用
いられている方法を採用した。

【００４５】レーザ切断は６ｋｗレーザ加工機を使用
し、レーザ出力３ｋｗの条件の下で、種々の切断速度に
て切断を行った。レーザー切断性の評価は、板厚全体を
溶融でき、かつ、切断下面にドロスが付着しない上限の
切断速度、ならびに、切断面にノッチと呼ばれる切断不
良部が発生しない下限の切断速度を求めて行った。な
お、ノッチとは切断幅が５０％以上拡大した箇所をい
う。結果を図３として示す表２に記載した。

【００４６】表２において示されるように、本発明鋼で
あるＰ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００８％以下、か
つ、Ｐ＋Ｓを０．０２０％以下に低減した、鋼Ａから鋼
Ｉは、レーザ切断における限界切断速度、すなわちドロ
スが発生しない上限値が１１７５ｍｍ／ｍｉｎ以上であ
りノッチが発生しない下限値が４５０ｍｍ／ｍｉｎ以下
となり、広範囲なレーザ切断速度の範囲で良好な切断品
質が得られているのがわかる。これに対して、比較例で
あるＰ、Ｓ量又はＰ＋Ｓの合計量が本発明の範囲を外れ
る鋼は、良好な切断品質が得られる切断速度の範囲が狭
く、レーザ切断性が劣る。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るレー
ザ切断性に優れた鋼板によれば、密着性に優れたスケー
ルを有する鋼板が安定して得られるため、様々な長所を
もつレーザ切断が従来以上に適用可能となる。すなわ
ち、第１の発明により、従来よりもレーザ切断に際して
の適正なレーザ切断速度が広範囲である鋼板が得られ
る。また、第２の発明により、強度・靭性が向上した、
適正なレーザ切断速度が広範囲である鋼板が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ切断における限界切断速度と鋼中のＰ＋
Ｓ量との関係を示す図である。

【図２】本発明鋼の実施例と比較例の鋼の成分組成を記
載した表１を示す図である。

【図３】本発明の実施例と比較例の鋼板のレーザ切断性
を記載した表２を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％（ｗｔ％）で、Ｃ：０．０５〜
   ０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．
   ５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含む鋼
   板であって、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００８％
   以下、かつ、Ｐ＋Ｓを０．０２０％以下に規制し、残部
   が不可避的不純物からなることを特徴とするレーザ切断
   性に優れた鋼板。
2. 【請求項２】 前記鋼板の化学成分に、さらに、Ｔｉ：
   ０．０２％以下、Ｎｂ：０．０４％以下、Ｖ：０．１％
   以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃ
   ｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．６％以下の１種または２
   種以上を含む鋼板であることを特徴とする請求項１記載
   のレーザ切断性に優れた鋼板。