WO2019087386A1

WO2019087386A1 - 溶接装置および溶接方法

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Publication number: WO2019087386A1
Application number: PCT/JP2017/039911
Authority: WO
Inventors: 達輝三皷; 良祐光岡; 隆文中谷; 渡部　裕二郎; 田方　浩智; 隆介木本
Original assignee: ＰｒｉｍｅｔａｌｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＪａｐａｎ株式会社
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-05-09
Also published as: US10807185B2; KR20190051887A; JP6606593B2; CN110023022B; JPWO2019087386A1; EP3498412A4; EP3498412A1; US20190134734A1; EP3498412B1; CN110023022A

Abstract

溶接対象を挟んで互いに対向して配置される、一対の電極輪（２１Ａ，２１Ｂ）を有する溶接部（２０）と、電極輪（２１Ａ，２１Ｂ）で溶接された溶接対象の溶接部分を圧下する、溶接対象を挟んで互いに対向して配置される一対の加圧ロール（３１Ａ，３１Ｂ）を有する圧下部（３０）と、加圧ロールで圧下された溶接部分に向けて冷却媒体を供給する冷却部（４０）と、冷却部（４０）で冷却された溶接部分を加熱する加熱部（５０）と、溶接部（２０）、圧下部（３０）、冷却部（４０）及び加熱部（５０）を支持するとともに、溶接対象の溶接方向に往復移動する移動体（１０）と、を備えることを特徴とする溶接装置。

Description

溶接装置および溶接方法

　本発明は、マッシュシーム溶接に関する。

　マッシュシーム溶接は、例えば特許文献１に記載されるように、二枚の金属板の端部を重ね合わせ、その重ね合わせた部分を一対の電極輪で加圧し、溶接電流を流しながら連続的に溶接をした後に、一対の加圧ロールにより重ね合わせ段差の平坦化を図る。特許文献１は、板厚が２ｍｍを超える金属板のマッシュシーム溶接において、高い接合強度と信頼性を確保し、以て板厚が４．５ｍｍを超える金属板の接合をも可能とするマッシュシーム溶接方法および装置を提供する。

国際公開ＷＯ２０１２/０３９０６０

　特許文献１に開示されるマッシュシーム溶接方法によれば、板厚が４．５ｍｍを超える金属板の接合が可能になるが、溶接された金属板は例えばその後に圧延に供される。この圧延を経た後にも溶接部分に欠陥が生じることなく健全性を保つことが要求される。

　そこで本発明は、マッシュシーム溶接による溶接部分の機械的特性を向上できる溶接装置を提供することを目的とする。

　本発明の溶接装置は、溶接部と、圧下部と、冷却部と、加熱部と、移動体とを備える。
　溶接部は、溶接対象を挟んで互いに対向して配置される、一対の電極輪を有する。
　圧下部は、電極輪で溶接された溶接対象の溶接部分を圧下する、溶接対象を挟んで互いに対向して配置される一対の加圧ロールを有する。
　冷却部は、加圧ロールで圧下された溶接部分に向けて冷却媒体を供給する。
　加熱部は、冷却部で冷却された溶接部分を加熱する。
　移動体は、溶接部、圧下部、冷却部及び加熱部を支持するとともに、溶接対象の溶接方向に往復移動する。

　また、本発明の溶接方法は、ステップＡと、ステップＢと、ステップＣと、ステップＤとが順に実行される。
　ステップＡは、溶接対象を挟んで互いに対向して配置される、一対の電極輪により溶接対象を溶接する。
　ステップＢは、電極輪で溶接された溶接部分を、溶接対象を挟んで互いに対向して配置される一対の加圧ロールで圧下する。
　ステップＣは、加圧ロールで圧下された溶接部分に向けて散水ノズルから冷却水を供給する。
　ステップＤは、冷却水で冷却された溶接部分をヒータにより加熱する。
　本発明の溶接方法において、電極輪、加圧ロール、散水ノズル及びヒータが、一体となって、後退位置から前進位置まで移動する往路と、前進位置から後退位置まで移動する復路と、を往復移動する。そして、本発明の溶接方法は、復路において、ステップＡ、ステップＢ、ステップＣ及びステップＤが順に実行される。

　本発明の溶接装置によれば、移動体に溶接部、圧下部に加えて冷却部、加熱部を備えているので、溶接部による溶接と圧下部による溶接部分の圧下を行った後に、直ちに焼入れのための冷却及び焼き戻しのための加熱ができる。したがって、本発明の溶接装置によれば、溶接部分の結晶粒の微細化に加えて、焼入れ及び焼戻しができるので、溶接部分の機械的特性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る溶接装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。本実施形態の溶接装置における工程を示す部分正面図であり、（ａ）は黒皮除去工程を示し、（ｂ）はせん断工程を示し、（ｃ）は溶接工程を示し、（ｄ）は圧下工程を示す。図２に引き続き、（ａ）は冷却工程を示し、（ｂ）は加熱工程を示し、（ｃ）は空冷工程を示す。本実施形態の溶接装置が往路を移動する過程を示し、（ａ）は溶接装置が後退位置にいるときを示し、（ｂ）は黒皮除去工程のときの位置を示し、（ｃ）は切断工程のときの位置を示す。図４に引き続いて、図１の溶接装置が復路を移動する過程を示し、（ａ）は溶接工程及び圧下工程のときの位置を示し、（ｂ）は冷却工程のときの位置を示し、（ｃ）は加熱工程のときの位置を示し、（ｄ）は後退位置に戻ったときを示している。本実施形態の溶接装置における溶接工程、圧下工程、水冷工程、加熱工程及び空冷工程の溶接部の表面温度の履歴を示すグラフである。本実施形態の好ましい変形例を示す図である。本実施形態の好ましい他の変形例を示す図である。本実施形態の好ましい他の変形例を示す図である。本実施形態の好ましい他の変形例を示す図である。本実施形態の好ましい他の変形例を示す図である。

　次に、本発明の好ましい一実施形態に係る溶接装置１を、図面を参照しながら説明する。
　溶接装置１は、鋼板Ｓが圧延され搬送される搬送路Ｐ１の途中に備えられ、鋼板と鋼板を溶接により接続する。溶接装置１は、溶接部２０及び溶接部２０で溶接された部分を圧下する圧下部３０とともに、冷却部４０及び加熱部５０が共通する移動フレーム１０に支持されている。この一体的な支持構造を採用することにより、溶接装置１は溶接を行った直後に、溶接部分を焼入れ及び焼戻しできる。以下、溶接装置１の構成、動作を順に説明した後に、溶接装置１が奏する効果に言及する。

［溶接装置１の構成］
　溶接装置１は、図１に示すように、マッシュシーム溶接（mash seam welding，JIS Z 3001）を担う溶接部２０と、溶接部２０で溶接された部分を加圧する圧下部３０と、を備えている。この溶接部分は、図２に示すように、先行鋼板Ｓ１の尾端と後行鋼板Ｓ２の先端が重ね合わされた部分を含み、溶接部分以外に比べると肉厚な段差をなしており、圧下部３０はこの段差を他の部分と概ね同じ肉厚になるまで押し潰して平坦化の程度を改善する。
　また、溶接装置１は、圧下部３０で圧下された溶接部分に向けて噴霧水を供給する冷却部４０と、噴霧水が供給された溶接部分を加熱する加熱部５０と、を備えている。
　さらに、溶接装置１は、溶接前に溶接対象である鋼板Ｓの表面の主に酸化物を除去する黒皮除去部６０と、黒皮除去部６０により酸化物が除去された鋼板Ｓの端部をせん断により切除する切断部７０と、を備えている。

　溶接装置１は、溶接部２０、圧下部３０、冷却部４０、加熱部５０、黒皮除去部６０及び切断部７０が、移動フレーム１０に支持されている。移動フレーム１０は、予め定められた鋼板Ｓの搬送路Ｐ１に対して往復移動するが、溶接部２０、圧下部３０、冷却部４０、加熱部５０、黒皮除去部６０及び切断部７０も、この往復移動に伴って搬送路Ｐ１に対して往復移動する。

　溶接装置１は、冷却部４０と加熱部５０を備えることで溶接部分の焼入れ及び焼戻しができるので、焼入れ及び焼戻しができる例えば高炭素鋼、ＴＲＩＰ鋼が溶接の対象となる。ここで、高炭素鋼とは、炭素含有量が０．４５～２．００質量％の炭素鋼をいい、例えばＪＩＳＳ５５Ｃが該当する。また、ＴＲＩＰ鋼（Transformation Induced Plasticity：変態誘起塑性）は、高温域で生成するオーステナイト結晶格子を常温域でも残存させてマルテンサイト結晶格子との混相組織とした鋼である。残存したオーステナイトは結晶格子の微小量の伸縮によりマルテンサイトに変態するので、プレスなどの力を加えると、オーステナイトの特性によって瞬間的には延性を示す。しかし、すぐに安定した硬いマルテンサイト組織に変わり、変形部分の強度が高まる。
　ただし、溶接装置１は、焼入れ及び焼き戻しの必要のない鋼を溶接できる。この場合には、冷却部４０及び加熱部５０を機能させなければよい。

［移動フレーム１０］
　移動フレーム１０は、図１に示すように、側面視した形状がＣ型の形状を有しており、一方端に高さ方向Ｈに沿う接続端１１Ａが設けられ、他方端には開口１１Ｂが設けられる。なお、高さ方向Ｈは鉛直方向Ｖと一致する。
　移動フレーム１０は、図１（ｂ）に示すように、開口１１Ｂが搬送路Ｐ１を向いて配置される。なお、移動フレーム１０において、開口１１Ｂが設けられる側を前方（Ｆ）、接続端１１Ａが設けられる側を後方（Ｂ）と定義する。

　移動フレーム１０は、接続端１１Ａに繋がり前方（Ｆ）に向けて延びる上下一対の支持台１２Ａ，１２Ｂを備えている。支持台１２Ａ，１２Ｂは、高さ方向Ｈに所定の間隔を隔てて長さ方向Ｌに沿って設けられる。支持台１２Ａは上方に、支持台１２Ｂは下方に配置される。なお、長さ方向Ｌは水平方向Ｈと一致する。

　支持台１２Ｂは、移動フレーム１０を移動させるのに必要な複数の車輪１３，１３…を、下面１４の側に備えている。車輪１３は、図示を省略する駆動源により正転又は逆転することにより、移動フレーム１０を往復移動させることができる。車輪１３はあくまで一例であり、他に例えばリニアガイドを移動手段として利用できる。リニアガイドによれば、移動フレーム１０の移動がより円滑でかつ移動フレーム１０の上下方向の位置が安定しやすいという利点がある。
　支持台１２Ａと支持台１２Ｂの間に前方側から加熱部５０、黒皮除去部６０、冷却部４０、圧下部３０及び溶接部２０がこの順に設けられている。

　移動フレーム１０は、少なくとも、搬送路Ｐ１から退避する位置（図１，図４（ａ）：後退位置）と、移動フレーム１０に支持される切断部７０が搬送路Ｐ１に達し、鋼板Ｓを完全に切断可能な位置（図４（ｃ）：前進位置）と、の間を往復移動する。移動フレーム１０が往復移動する方向は、鋼板Ｓの溶接方向と同じである。移動フレーム１０は多少前進位置を通り越してしまっても、後方に移動して鋼板Ｓの切断時に位置調整すればよい。後退位置に置かれる移動フレーム１０よりも前方側に鋼板Ｓが搬送される搬送路Ｐ１が配置される。移動フレーム１０が往復移動することにより、鋼板Ｓは移動フレーム１０の支持台１２Ａと支持台１２Ｂの間を相対的に進退移動する。この支持台１２Ａと支持台１２Ｂの間を鋼板Ｓが移動する経路を移動路Ｐ２と称するが、移動路Ｐ２と搬送路Ｐ１は直交している。

　移動フレーム１０は、搬送路Ｐ１から退避する位置において、鋼板Ｓが搬送されてくるまで待機している。
　移動フレーム１０は、鋼板Ｓが搬送されてくると、後退位置から前進位置まで移動する。移動フレーム１０が後退位置から前進位置まで移動する往路において、黒皮除去部６０により鋼板Ｓの表面酸化物を除去するとともに、切断部７０による鋼板Ｓの切断が行われる。詳しくは後述するが、この往路の動作が図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。

　移動フレーム１０は、往路を移動して前進位置まで達すると、今度は後退位置まで戻る復路を移動する。この復路において、溶接部２０、圧下部３０、冷却部４０及び加熱部５０を機能させることにより、溶接、溶接部分の平坦化及び溶接部分の熱処理が連続的に行われる。以下、往路で機能する黒皮除去部６０、切断部７０について説明した後に、復路で機能する溶接部２０～加熱部５０について説明する。

［黒皮除去部６０］
　黒皮除去部６０は、鋼板Ｓの溶接が予定される部分の表面酸化物を除去する。表面酸化物を除去する限り、他の物質を除去しても黒皮除去部６０であることに変わりはない。
　黒皮除去部６０は、図１（ａ）に示すように、上下で一対のブラシロール６１Ａ，６１Ｂと、ブラシロール６１Ａ，６１Ｂのそれぞれを回転可能に支持する支持ロッド６２Ａ，６２Ｂと、を備える。本実施形態は、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、上下で一対のブラシロール６１Ａ，６１Ｂが、搬送路Ｐ１の方向に間隔をあけて二対並んで設けられている。図２（ａ）に示すように、搬送路Ｐ１の上流側αに設けられるブラシロール６１Ａ，６１Ｂは、溶接の対象となる一方の鋼板Ｓの表面酸化物を除去し、搬送路Ｐ１の下流側βに設けられるブラシロール６１Ａ，６１Ｂは、溶接の対象となる他方の鋼板Ｓの表面酸化物を除去する。なお、一方の鋼板Ｓは、他方の鋼板Ｓよりも先行して溶接装置１に搬送されるので、先行鋼板Ｓ１と称され、他方の鋼板Ｓは、一方の鋼板Ｓの後に続いて溶接装置１に搬送されるので、後行鋼板Ｓ２と称される。なお、両者を区別する必要がないときは鋼板Ｓと総称する。

　ブラシロール６１Ａとブラシロール６１Ｂは、図１（ａ）に示すように、移動路Ｐ２を挟んで高さ方向Ｈの上下に互いに対向して配置されている。ブラシロール６１Ａとブラシロール６１Ｂは、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの位置が一致するように配置されている。

　ブラシロール６１Ａ，６１Ｂは、図２（ａ）に示すように、それぞれの外周面が鋼板Ｓの上面及び下面に接触して表面酸化物を削り取るなどして除去する。ブラシロール６１Ａ，６１Ｂは、表面酸化物を除去することができる限り、除去する具体的な手段は任意であり、例えば硬質な砥粒が外周面に集積される研削砥石、先端が硬質なワイヤが外周面に配列されているブラシなどが適用される。

　移動路Ｐ２よりも上方に配置されるブラシロール６１Ａは、油圧シリンダ６３に支持されており、移動路Ｐ２に対して昇降する。ブラシロール６１Ａを支持する支持ロッド６２Ａは、油圧シリンダ６３のピストン６４に繋がるピストンロッドを構成する。
　ブラシロール６１Ａ，６１Ｂにより表面酸化物を除去する際には、ブラシロール６１Ａを降下させることにより、ブラシロール６１Ａとブラシロール６１Ｂを鋼板Ｓに適切な圧力をもって接触させる。
　移動路Ｐ２よりも下方に配置されるブラシロール６１Ｂは、支持台１２Ｂに固定される支持ロッド６２Ｂに支持されており、ブラシロール６１Ａと同様に、移動路Ｐ２に対して昇降することができる。なお、後述する溶接部２０の電極輪２１Ａ，２１Ｂ及び圧下部３０の加圧ロール３１Ａ，３１Ｂについても、ここで説明した昇降の関係が当てはまる。

　ブラシロール６１Ａ，６１Ｂは、図２（ａ）に示すように、先行鋼板Ｓ１の後端ＢＥから所定の間隔をあけた領域を除去の対象とするとともに、後行鋼板Ｓ２の先端ＦＥから所定の間隔をあけた領域を除去の対象とする。先行鋼板Ｓ１の除去の対象領域よりも後端側と後行鋼板Ｓ２の除去の対象領域よりも先端側とは、切断部７０の切断により取り除かれる。

［切断部７０］
　切断部７０は、黒皮除去部６０により表面酸化物が除去された先行鋼板Ｓ１及び後行鋼板Ｓ２の、前述した所定領域を切断して取り除く。
　切断部７０は、図１（ａ）に示すように、図示を省略する駆動源によりそれぞれが昇降する上下で一対のせん断刃７１Ａ，７１Ｂを備える。

　本実施形態は、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、上下で一対のせん断刃７１Ａ，７１Ｂが、搬送路Ｐ１の方向に間隔をあけて二つ並んで設けられている。図２（ｂ）に示すように、搬送路Ｐ１の上流側αに設けられるせん断刃７１Ａ，７１Ｂは、先行鋼板Ｓ１を切断の対象とし、搬送路Ｐ１の下流側βに設けられるせん断刃７１Ａ，７１Ｂは、後行鋼板Ｓ２を切断の対象とする。

　せん断刃７１Ａとせん断刃７１Ｂは、図１（ａ）に示すように、移動路Ｐ２を挟んで高さ方向Ｈの上下に互いに対向して配置されている。せん断刃７１Ａとせん断刃７１Ａは、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの位置が一致するように配置されている。

［溶接部２０］
　次に、溶接部２０について説明する。
　溶接部２０は、図１（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、上下で一対の電極輪２１Ａ，２１Ｂと、電極輪２１Ａ，２１Ｂのそれぞれを回転可能に支持する支持ロッド２２Ａ，２２Ｂと、を備える。
　電極輪２１Ａと電極輪２１Ｂは、移動路Ｐ２を挟んで高さ方向Ｈの上下に互いに対向して配置されている。電極輪２１Ａと電極輪２１Ｂは、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの位置が一致するように配置されている。

　移動路Ｐ２よりも上方に配置される電極輪２１Ａは、油圧シリンダ２３に支持されており、移動路Ｐ２に対して昇降する。電極輪２１Ａを支持する支持ロッド２２Ａは、油圧シリンダ２３のピストン２４に繋がるピストンロッドを構成する。
　電極輪２１Ａ，２１Ｂにより鋼板Ｓを溶接する際には、電極輪２１Ａを降下させることにより、電極輪２１Ａと電極輪２１Ｂを鋼板Ｓに適切な圧力をもって接触させる。
　移動路Ｐ２よりも下方に配置される電極輪２１Ｂは、支持台１２Ｂに固定される支持ロッド２２Ｂに支持されている。

［圧下部３０］
　次に、圧下部３０について説明する。
　圧下部３０は、図１（ａ）に示すように、溶接部２０の前方（Ｆ）の側に隣接して設けられており、溶接部２０で溶接された鋼板Ｓの溶接部分を圧下して平坦化する。ここで行われる塑性加工は、 HYPERLINK "http://www.jaroc.co.jp/corp/swaging.html" スウェージング（Swaging）と称される。

　圧下部３０は、図１（ａ）及び図２（ｄ）に示すように、上下で一対の加圧ロール３１Ａ，３１Ｂと、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂのそれぞれを回転可能に支持する支持ロッド３２Ａ，３２Ｂと、を備える。なお、図２及び図３において、溶接部分は黒塗りで示されている。
　加圧ロール３１Ａと加圧ロール３１Ｂは、移動路Ｐ２を挟んで高さ方向Ｈの上下に互いに対向して配置されている。加圧ロール３１Ａと加圧ロール３１Ｂは、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの位置が一致するように配置されている。

　移動路Ｐ２よりも上方に配置される加圧ロール３１Ａは、油圧シリンダ３３に支持されており、移動路Ｐ２に対して昇降する。加圧ロール３１Ａを支持する支持ロッド３２Ａは、油圧シリンダ３３のピストン３４に繋がるピストンロッドを構成する。加圧ロール３１Ａ，３１Ｂにより溶接部分に圧力を加える際には、加圧ロール３１Ａを降下させることにより、加圧ロール３１Ａと加圧ロール３１Ｂを鋼板Ｓの溶接部分に適切な圧力を加える。
　移動路Ｐ２よりも下方に配置される加圧ロール３１Ｂは、支持台１２Ｂに固定される支持ロッド３２Ｂに支持されている。この支持ロッド３２Ｂの伸縮動作により加圧ロール３１Ｂが移動路Ｐ２に対して昇降してもよい。

　詳しくは後述するが、溶接部２０により圧延された部分の表面温度は例えば１３００℃を超える温度になるが、圧下部３０が接することにより当該部分の温度は例えば７００℃以下まで下がり、その後、復熱により温度が上昇する。

［冷却部４０］
　次に、冷却部４０について説明する。
　冷却部４０は、図１及び図３（ａ）に示すように、散水ノズル４１から圧下部３０により平坦化された溶接部分の上面及び下面の両方に向けて冷却水ＣＷを供給する。この冷却水ＣＷの供給により、溶接部分は急冷され、焼入れされることになる。焼入れについて詳しくは後述する。
　この冷却水ＣＷは、好ましくは粒状として供給される。粒状としては、粒径の小さいミスト状、ミスと状よりも粒径の大きいシャワー状があるが、ミスト状の冷却水であることが好ましい。理由は以下の通りである。つまり、冷却水をミスト状にすることで使用する水量を少なくする。これにより、水処理の設備を小さくかつ簡単なものにでき、さらに、水量が少なくなることで、圧下部３０に及ぶ冷却水の量も少なくなる、という効果が奏されるからである。

　ここに示す例では、冷却部４０は移動路Ｐ２を挟む上方及び下方に設けられているが、これは一例にすぎず、十分な冷却能が得られる限り、移動路Ｐ２よりも上方だけ又は下方だけに設けることもできる。移動路Ｐ２に沿って一つ又は三つ以上の冷却部４０を設けることもできる。また、ここでは冷却媒体として冷却水ＣＷの例を示したが、十分な冷却能が得られるのであれば他の冷却媒体、例えばエアを用いることもできる。

［加熱部５０］
　次に、加熱部５０について説明する。
　加熱部５０は、図１及び図３（ｂ）に示すように、冷却部４０からの冷却水の供給により焼入れされた溶接部分をヒータ５１により加熱して、焼戻しする。

　焼戻しの作用を発揮できる限り、加熱部５０が溶接部分を加熱する機構は問わない。例えば、電熱線を用いるヒータ、火炎を用いるヒータ、ＩＨ（Induction Heating；誘導加熱）を用いるヒータなどが適用される。
　この中で、ＩＨヒータは、電磁コイルから発生させる電磁界を鋼板Ｓの溶接部分に印加することにより、誘導されたうず電流を溶接部分に流す。鋼板Ｓは電気的な抵抗を持っているので、流れる電流により溶接部分は発熱する。このように、加熱部５０としてＩＨヒータを用いると、鋼板Ｓの急速な加熱を実現しやすい。焼戻しについて詳しくは後述する。

　図３（ｃ）に示すように鋼板Ｓが加熱部５０を通過すると、鋼板Ｓは周囲の空気により室温まで空冷される。溶接部分で繋がった先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２は一体の鋼板Ｓとして、例えば次の圧延に供される。
　ここでは、加熱部５０を鋼板Ｓの下方だけに設けたが、鋼板Ｓの上方及び下方の両方に設けることもできる。

［溶接手順］
　次に、溶接装置１を用いて先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２を溶接する手順を、さらに図４及び図５を参照して説明する。なお、図４は溶接装置１が往路を移動する過程を示し、図５は溶接装置１が復路を移動する過程を示している。

　今、図４（ａ）に示すように、後退位置で溶接装置１が待機しているのに対して、先行鋼板Ｓ１及び後行鋼板Ｓ２のそれぞれが所定の位置まで搬送される。そうすると、図２（ａ）に示すように、先行鋼板Ｓ１及び後行鋼板Ｓ２は、それぞれクランプ６５，６５により挟み込まれることで、位置が固定される。固定が完了すると、溶接装置１は往路の移動を始める。往路においては、溶接部２０及び圧下部３０は先行鋼板Ｓ１及び後行鋼板Ｓ２に接触しないように離れている。また、冷却部４０からの冷却水の供給は停止されているとともに、加熱部５０も未だ加熱状態にない。

　溶接装置１の移動フレーム１０が往路の移動を進めると、図２（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、黒皮除去部６０が鋼板Ｓ（先行鋼板Ｓ１，後行鋼板Ｓ２）に達し、さらに鋼板Ｓを通過するので、鋼板Ｓの表面酸化物が除去される。

　さらに溶接装置１が往路の移動を進め前進位置に達すると、図２（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、切断部７０が鋼板Ｓ（先行鋼板Ｓ１，後行鋼板Ｓ２）に達する。次いで、せん断刃７１Ａを降下させるとともにせん断刃７１Ｂを上昇させて、先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２のそれぞれを切断する。
　以上で往路における手順を終えるので、溶接装置１は次に復路を移動する。溶接装置１が往路を移動する際には、溶接部２０及び圧下部３０は先行鋼板Ｓ１及び後行鋼板Ｓ２に接触するように準備がなされ、冷却部４０から冷却水の噴霧が行われる。

　溶接装置１が復路の移動を開始すると、鋼板Ｓは切断部７０を抜け出た後に、図５（ａ）に示すように、溶接部２０及び圧下部３０を順に通過する。先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２は、溶接部２０を通過することで図２（ｃ）に示すように溶接される。次いで、圧下部３０を通過することで図２（ｄ）に示すように溶接部分が他の部分と概ね同じ程度の肉厚まで平坦化される。

　圧下部３０により押し潰された溶接部分は、図５（ｂ）に示すように、冷却部４０まで達すると、ミスト状として供給される冷却水ＣＷが付着するので急冷される。この急冷により、溶接部分は焼入れされる。

　溶接装置１が復路の移動を進めると、図５（ｃ）に示すように、鋼板Ｓは加熱部５０の上を通過する過程で所定の温度まで加熱されることで、焼入れされた溶接部分は焼戻しがなされる。
　溶接装置１が復路の移動をさらに進めると、図５（ｄ）に示すように、溶接装置１は後退位置まで戻り、先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２を溶接する一連の手順が完了する。そうすると、先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２が繋がった鋼板Ｓは次工程に向けて搬送される。

［溶接部分の温度履歴］
　先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２の溶接部分は、溶接部２０による溶接、圧下部３０による押し潰し、冷却部４０による急冷及び加熱部５０による加熱を経る。この溶接部分の温度履歴の一例を、図６を参照しながら説明する。図６に示される温度は鋼板Ｓの表面を観察した温度である。なお、図６はＴＲＩＰ鋼の温度履歴を例示している。

　図６に示すように、溶接部２０により溶接が行われると鋼板Ｓの溶接部分（以下、単に溶接部分）の温度は急激に上昇し、例えば１３００℃以上のピーク温度Ｔ１に達する。したがって、溶接部分は、オーステナイト（γ）組織が母相となる。溶接部２０による溶接は圧下を伴い、再結晶温度域で圧延されているものとみなせるので、オーステナイト（γ）相は微細化される。鋼板Ｓが溶接部２０を抜け出ると、周囲の空気により冷却されるので、溶接部分の温度はＴ２まで下がる。

　さらに、溶接部分は、圧下部３０に接すると冷却媒体としての圧下部３０を介して熱が奪われるので、さらに溶接部分は温度Ｔ２から急激に下がり温度Ｔ３に達する。ただし、この温度低下は、圧下部３０に接する溶接部分の表面及びその近傍の範囲に限る。一例として、圧下部３０を通過する過程で１１００℃～５００℃の範囲で温度が下がる。
　圧下部３０による段差の平坦化の過程で、再結晶していないオーステナイト（γ）相を平坦に延ばす。これにより、変態の核生成サイトとなる界面面積が大きくなる。

　溶接部分は、圧下部３０を通過すると、温度が高くなる。これは、圧下部３０の接触による温度低下がその表面及び表面近傍に限られる一方、高い温度が維持されている表面から離れた領域からの熱の供給により温度Ｔ４まで復熱する。復熱した後には、溶接部分は空冷されるので、温度Ｔ５まで下がる。

　溶接部分は、復熱が終えると、冷却部４０からの冷却水が供給されるので、温度Ｔ５から急激に温度が下がり焼入れされる。温度が急激に下がった後は、温度の低下が小さく抑えられながら、温度Ｔ６まで下がり、焼入れがなされる。温度の低下が小さく抑えられるのは、冷却水が噴霧される領域を溶接部分が通過し終えたからである。
　冷却水の供給による溶接部分が急冷されることによって、変態の駆動力が増大され、フェライト（α）粒の成長が抑制される。

　温度Ｔ６を過ぎると、今度は溶接部分の温度が上昇に転じる。これは、溶接部分が加熱部５０に達したためであり、この温度上昇は、溶接部分が加熱部５０を通過し終えるのに対応する温度Ｔ７まで続く。その後、溶接部分は室温まで空冷される。この温度上昇及び降下により溶接部分は焼戻しされる。

　ここで、焼入れ及び焼戻しについて説明する。
　焼入れとは、鋼を変態点以上に加熱してオーステナイト組織（面心立方格子）の状態から急冷することによって、他の組織が析出しないように、マルテンサイト組織（体心正方格子）に変態させる鋼を硬化する処理をいう。
　溶接装置１は、溶接部２０による溶接、圧下部３０による段差の平坦化及び冷却部４０による冷却水の供給を通じて、焼入れを施すことができる。

　焼入れ中に、マルテンサイトが生じ始める温度をＭｓ点、マルテンサイト変態が完了する温度をＨｆ点という。マルテンサイト変態は、温度の降下につれて進行するために、Ｍｓ点に達すれば、徐冷しても変態が進行する。したがって、自然放冷によっても焼入れできるが、冷却部４０を用いて強制的に冷却することによって、溶接を行うのに必要なサイクルタイムの増加を最小限に抑えることができる。
　図６にＭｓ点の一例を示しているが、冷却水の供給による強制冷却によって、溶接部分をＭｓ点未満に冷却し、高炭素鋼について好ましくはＭｆ点未満まで冷却する。

　次に、焼戻しについて説明する。
　焼戻しは、焼入れを行った鋼について、硬さを減少させるとともに粘さを増加させる目的で行われる熱処理である。焼戻しはＡｃ１変態点以下の温度に加熱するが、粘さを重視する場合には高めの温度、例えば４００℃以上の温度で、また、硬さを重視する場合には低めの温度、例えば２００℃前後とされる。

［効　果］
　以下、本実施形態に係る溶接装置１が奏する効果について説明する。
　はじめに、本実施形態の溶接装置１によれば、溶接部２０による溶接と圧下部３０による段差の平坦化をした後に、直ちに焼入れのための冷却及び焼き戻しのための加熱ができる。したがって、溶接装置１によれば、溶接部分の組織の再結域での結晶粒微細化、未再結晶域での結晶粒平坦化、焼入れ、焼戻しができるので、溶接部分の機械的性質を向上できる。これにより、溶接された先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２からなる鋼板Ｓをその後に圧延しても、溶接部分が欠陥の原因になるおそれが著しく低くなる。
　本発明者らは、（ａ）、（ｂ）のそれぞれの工程を経た溶接部分のエリクセン値の評価を行った。その結果、本実施形態に対応する（ｂ）、つまり焼入れ、焼戻しすることにより、エリクセン値が８０％程度まで回復する。この値は、焼鈍する（ａ）の２倍程度に達する。この結果より、溶接装置１の効果が実証された。なお、以下のエリクセン値（％）は、母材を１００とした場合の比として表している。
（ａ）圧下部３０による平坦化後に焼鈍し
（ｂ）圧下部３０による平坦化後に焼入れ、焼戻し

　しかも、溶接装置１によれば、冷却部４０及び加熱部５０が溶接部２０及び圧下部３０と同期して移動する復路において、焼入れのための冷却及び焼き戻しのための加熱ができる。したがって、溶接装置１によれば、先行鋼板Ｓ１と後行鋼板Ｓ２を溶接するのに要するサイクルタイムを最小限に抑えることができる。
　また、焼入れ直後に焼戻しを行うことができるので、焼入れ後に長時間放置しておくと生じうる置割れを確実に避けることができる。

　加えて、溶接装置１によれば、後退位置から前進位置に向かって、溶接部２０、圧下部３０、冷却部４０及び加熱部５０は移動フレーム１０に固定されているので、相対的な位置が変わらない。したがって、溶接から焼戻しまでの工程の間隔、例えば、圧下部３０による段差の平坦化と冷却部４０による強制冷却の間隔、冷却部４０による強制冷却と加熱部５０による焼戻しのための加熱の間隔を一定にできる。これにより、繰り返して行われる溶接において、焼入れ及び焼戻しの条件が一定になるので、溶接部分の機械的性質を安定して向上できる。

　以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に置き換えたりすることができる。
　特に、溶接装置１は、冷却部４０から冷却水が噴霧されるので、この冷却水を適切に処理することが、圧下部３０による段差の平坦化の効果を確保する上で重要である。そこで、図７～図１２を参照しながら、冷却水を適切に処理するいくつかの方策について説明する。

［圧下部３０の防水カバー３５］
　はじめに、図７（ａ）に示すように、圧下部３０に防水カバー３５を備える例を説明する。
　防水カバー３５は、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂが溶接部分（段座部分）に接触するために必要な開口３５Ａを除いて、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂの周囲を取り囲む。加圧ロール３１Ａ，３１Ｂを防水カバー３５で覆うことにより、冷却部４０から吐出された冷却水ＣＷが加圧ロール３１Ａ，３１Ｂに付着するのを抑制できる。これにより、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂの温度低下が軽減できるので、圧下される鋼板Ｓの温度低下も軽減でき、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂによる、溶接部分の段差を圧下する能力の低下を防ぐ。

　防水カバー３５は、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂを回転駆動させるのに必要な電動モータ、減速機などの付帯機器３６が隣接して設けられている場合には、付帯機器３６を覆うことができる。この付帯機器３６も防水カバー３５で覆われることにより、水がかからないので、電機部品の故障を防止できる。

　防水カバー３５の効果を顕著にするために、図７（ｂ）に示すように、防水カバー３５の裾の部分（圧下部３０と冷却部４０の間）であって、冷却部４０に対向する側にエアナイフ３７を設けることができる。エアナイフ３７は、本実施形態における第一止水機構を構成する。
　エアナイフ３７は、小量の圧縮ガス、典型的には圧縮エアで周囲の大気を引き込み、エアが高速で流れるカーテン３８を生成する。カーテン３８は、防水カバー３５の開口３５Ａ，３５Ａと冷却部４０の間にあって、鋼板Ｓの上面及び下面のそれぞれに吹き付けられる。エアは圧下部３０の側から冷却部４０の側に向けて傾いて吹き付けられることが好ましい。そうすれば、冷却部４０から吐出された冷却水がカーテン３８を越えて防水カバー３５の開口３５Ａに達するおそれはほとんどない。
　なお、ここでは防水カバー３５に付随してエアナイフ３７を設ける例を示したが、防水カバー３５を設けることなくエアナイフ３７を設けることもできる。また、圧縮ガスとして圧縮エアの例を示したが、窒素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガスを圧縮ガスとして用いることもできる。

［冷却部４０の飛散防止フード４３］
　次に、図８（ａ），（ｂ）に示すように、冷却部４０から吐出される冷却水ＣＷが飛散する範囲を規制する飛散防止フード４３の例を説明する。

　飛散防止フード４３は、図８（ａ），（ｂ）に示すように、フード本体４４と、フード本体４４の鋼板Ｓと対向する縁に設けられるスカート４５と、を備えている。
　フード本体４４は、図中の下端部が開口とされた箱型の形状を有しており、冷却部４０の冷却水を吐出する部分がその内部に収容されるように設けられる。また、フード本体４４は、スカート４５が設けられる先端縁が鋼板Ｓの上面又は下面の近傍に配置される。

　スカート４５は、複数のステンレス鋼製の細線の集合であるブラシからなる。それぞれの細線の一方端がフード本体４４の縁に固定され、他方端は鋼板Ｓに接するか鋼板Ｓから微小間隔だけ離れて、ブラシが鋼板Ｓに向かって伸びるように配置されている。

　以上のように、飛散防止フード４３を設けることにより、冷却部４０から吐出された冷却水を飛散防止フード４３の内部に閉じ込めることができる。これにより、圧下部３０の加圧ロール３１Ａ，３１Ｂに向けて冷却水が飛散することがないかあったとしても微量に抑えられるので、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂに冷却水が付着することがない。これにより、圧下部３０が段差を圧下する能力の低下を防ぐ。また、飛散した冷却水が溶接部２０、加熱部５０などの他の機器に付着するのを抑制できるので、これら機器の劣化を抑制できる。

　また、冷却部４０から吐出されたのちに浮遊していた冷却水は、飛散防止フード４３の内部に閉じ込められるので、自由落下する、飛散防止フード４３の内壁面を伝って落下する、スカート４５に補足されるなどして鋼板Ｓに付着し、冷却能の向上に寄与する。

　図８は好ましい例として防水カバー３５を設けているが、本実施形態は、防水カバー３５を設けることなく飛散防止フード４３だけを設けることもできる。同様に、飛散防止フード４３はスカート４５を備えているが、フード本体４４の開口端を鋼板Ｓの上面又は下面に近接していれば、スカート４５を省くこともできる。また、ここではスカート４５としてステンレス鋼製の細線からなるブラシの例を示したが、樹脂製の細線からなるブラシを用いることができるし、ブラシ以外のスカートを用いることもできる。
　もっとも、ステンレス鋼製ブラシによるスカート４５は、鋼板Ｓに接するほどに近くに設けても、装置の運転に支障なくフード本体４４と鋼板Ｓとの間の隙間を塞ぐことができるのに加えて、耐久性に優れている。したがって、フード本体４４の外部に冷却水が飛散するのを防止して、冷却水の利用効率をあげる観点からは、ステンレス鋼製ブラシによるスカート４５を用いることが好ましい。

［冷却部４０の排気ダクト４６］
　次に、図９（ａ），（ｂ）に示すように、冷却部４０から吐出される冷却水ＣＷを強制的に回収する排気ダクト４６の例を説明する。排気ダクト４６は、本実施形態における第二止水機構を構成する。

　排気ダクト４６は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、飛散防止フード４３の幅方向Ｗの一方の側に設けられている。排気ダクト４６は、ダクト本体４６Ａと、ダクト本体４６Ａと飛散防止フード４３を繋ぐ吸気口４６Ｂと、ダクト本体４６Ａに回収された冷却水ＣＷを外部に排気される図示を省略する排気口と、を備えている。ダクト本体４６Ａは、全部又は一部が蛇腹状の伸縮自在な可撓性の配管で構成される。排気ダクト４６は、図示を省略するファンの回転等により飛散防止フード４３の内部に減圧力を作用させることができる。

　以上のように、排気ダクト４６を設けることにより、冷却部４０から吐出された冷却水を強制的に排気する。これにより、圧下部３０の加圧ロール３１Ａ，３１Ｂに向けて冷却水が飛散するのが抑制されることによって、加圧ロール３１Ａ，３１Ｂに冷却水が付着するのが抑制されるので、圧下部３０による段差を圧下する力を維持できる。また、飛散した冷却水が溶接部２０、加熱部５０などの他の機器に付着するのを抑制できるので、これら機器の劣化を抑制できる。また、排気ダクト４６の吸気口４６Ｂは、散水ノズル４１を挟んで加圧ロール３１Ａ，３１Ｂとほぼ反対側に設けられるので、冷却水の加圧ロール３１Ａ，３１Ｂへの飛散を効果的に抑制できる。

　図９は冷却部４０を収容する飛散防止フード４３の側方に排気ダクト４６を設ける例を示したが、本実施形態はこれに限定されず、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、排気ダクト４６を冷却部４０よりも後側に設けることもできる。この排気ダクト４６においても以上で説明したのと同様の効果を得ることができる。

　図９及び図１０は、鋼板Ｓを挟む上下の双方に排気ダクト４６を備える例を示しているが、本実施形態はこれに限定されず、鋼板Ｓを挟む上下の一方又は双方に排気ダクト４６を備える。上下の一方だけに排気ダクト４６を設ける場合には、上側に設けることが好ましい、下側は冷却水が自由落下すれば圧下部３０などの機器に付着する可能性が低いからである。

　また、図９及び図１０に示した例は、防水カバー３５（図７）及び飛散防止フード４３（図８）を備えるが、本実施形態は排気ダクト４６だけを設けることもできる。排気ダクト４６だけを設ける場合も、排気ダクト４６を冷却部４０よりも後側に設けることができるし、鋼板Ｓを挟む上下の一方又は双方に排気ダクト４６を設けることができる。

　また、図１１に示すように、冷却部４０よりも後段側にスクレーパ４８を設けることができる。スクレーパ４８は、鋼板Ｓの上方に設けられ、鋼板Ｓの上面に堆積する冷却水をかき取り、冷却水を飛散防止フード４３に閉じ込めるか、排気ダクト４６を介して系外に排気するのに寄与する。これにより、冷却水が加熱部５０に流れたり、鋼板Ｓの下面に流れたりするのを防止できる。
　スクレーパ４８の先端部分にエアノズル４９を取り付け、このエアノズル４９から圧縮ガス、例えば圧縮エアを鋼板Ｓに向けて吹き付けることが好ましい。これにより、冷却水を飛散防止フード４３に閉じ込めるか、排気ダクト４６を介して系外に排気するのに寄与する。このエアノズル４９は本実施形態の第二止水機構を構成する。

１     溶接装置
１０   移動フレーム
１２Ａ，１２Ｂ       支持台
２０   溶接部
２１Ａ，２１Ｂ       電極輪
３０   圧下部
３１Ａ，３１Ｂ       加圧ロール
３５   防水カバー
３７   エアナイフ
３８   カーテン
４０   冷却部
４１   散水ノズル
４３   飛散防止フード
４４   フード本体
４５   スカート
４６   排気ダクト
４６Ａダクト本体
４８   スクレーパ
４９   エアノズル
５０   加熱部
５１   ヒータ
６０   黒皮除去部
６１Ａ，６１Ｂ       ブラシロール
７０   切断機
７１Ａ，７１Ｂ       せん断刃
Ｓ     鋼板
Ｓ１   先行鋼板
Ｓ２   後行鋼板

Claims

　溶接対象を挟んで互いに対向して配置される、一対の電極輪を有する溶接部と、
　前記電極輪で溶接された前記溶接対象の溶接部分を圧下する、前記溶接対象を挟んで互いに対向して配置される一対の加圧ロールを有する圧下部と、
　前記加圧ロールで圧下された前記溶接部分に向けて冷却媒体を供給する冷却部と、
　前記冷却部で冷却された前記溶接部分を加熱する加熱部と、
　前記溶接部、前記圧下部、前記冷却部及び前記加熱部を支持するとともに、前記溶接対象の溶接方向に往復移動する移動体と、
を備えることを特徴とする溶接装置。
　前記移動体は、
　後退位置から前進位置まで移動する往路と、前記前進位置から前記後退位置まで移動する復路と、を往復移動し、
　前記移動体には、前記後退位置から前記前進位置に向かって、
　前記溶接部、前記圧下部、前記冷却部及び前記加熱部が順に行われる、
請求項１に記載の溶接装置。
　前記冷却部は、
　前記冷却媒体としての冷却水を噴霧する、単数又は複数の散水ノズルを備える、
請求項１又は請求項２に記載の溶接装置。
　前記圧下部は、
　前記加圧ロールの周囲を取り囲む防水カバーを備える、
請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の溶接装置。
　前記圧下部と前記冷却部の間に設けられる、
　前記冷却部からの前記冷却水が前記加圧ロールに向けて移動するのを防止する第一止水機構を備える、
請求項３又は請求項４に記載の溶接装置。
　前記第一止水機構は、
　前記溶接対象に向けて圧縮ガスを吹き付ける、
請求項５に記載の溶接装置。
　前記冷却部からの前記冷却水が前記加熱部に向けて移動するのを防止する第二止水機構を備える、
請求項３～請求項６のいずれか一項に記載の溶接装置。
　前記第二止水機構は、
　前記冷却水に対して減圧力を作用させる、
請求項７に記載の溶接装置。
　前記第二止水機構は、
　前記溶接対象に向けて圧縮ガスを吹き付ける、
請求項７又は請求項８に記載の溶接装置。
　前記散水ノズルからの前記冷却水が周囲に飛散するのを防止する飛散防止フードを備える、
請求項３～請求項９のいずれか一項に記載の溶接装置。
　前記飛散防止フードの前記溶接対象と対向する端縁に、前記溶接対象に向けて延びるスカートを備える、
請求項１０に記載の溶接装置。
　前記飛散防止フードに接続される、一部又は全部が可撓性を有する排気ダクトを備え、
　前記排気ダクトを介して前記飛散防止フードの内部を減圧する、
請求項１０又は請求項１１に記載の溶接装置。
　前記溶接対象の上面及び下面の黒皮を除去する黒皮除去部と、
　前記溶接対象の不必要な部位を切断により取り除く切断部と、が前記移動体に支持される、
請求項１～請求項１２のいずれか一項に記載の溶接装置。
　溶接対象を挟んで互いに対向して配置される、一対の電極輪により前記溶接対象を溶接するステップＡと、
　前記電極輪で溶接された溶接部分を、前記溶接対象を挟んで互いに対向して配置される一対の加圧ロールで圧下するステップＢと、
　前記加圧ロールで圧下された前記溶接部分に向けて散水ノズルから冷却水を供給するステップＣと、
　前記冷却水で冷却された前記溶接部分をヒータにより加熱するステップＤと、を備え、
　前記電極輪、前記加圧ロール、前記散水ノズル及び前記ヒータが、一体となって、後退位置から前進位置まで移動する往路と、前記前進位置から前記後退位置まで移動する復路と、を往復移動し、
　前記復路において、前記ステップＡ、前記ステップＢ、前記ステップＣ及び前記ステップＤが順に実行される、
ことを特徴とする溶接方法。
　前記ステップＢ及び前記ステップＣを経ることで、前記溶接部分を焼入れし、
　前記ステップＤを経ることで、前記溶接部分を焼戻しする、
請求項１４に記載の溶接方法。