JPH0371234B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザを用いたロールの粗面化装置用
加工ヘツドに関し、さらに詳しくは金属圧延用ロ
ールの表面に配列する微小クレータの形状を所望
の形状に成形するための装置に関する。

〔従来の技術〕

金属圧延用ロールはしばしば粗面化加工して用
いられるが、ロール表面を粗面化する方法として
従来広く用いられてきた方法としてはシヨツトブ
ラストおよび放電加工が知られている。

シヨツトプラストや放電加工により生成した粗
面は不規則な山と谷で構成され、このような粗面
をもつロールにより圧延された金属板はやはり同
様の不規則な粗面が形成される。このような鋼板
にプレス加工を施せば粗面の凹部に、潤滑油が貯
留し、プレス作業を容易にすることはよく知られ
た事実であるが、不規則な粗面は同時に塗装後の
仕上り品質、いわゆる光沢性、写像性を低下させ
るという相反する効果があることも良く知られた
事実である。

これに対し、最近レーザを利用した新しい粗面
化加工法が試みられている。これに属する１つの
例としては、回転しているロールの表面にパルス
化したレーザビームを照射し、その結果パルス１
個当りの微小なクレータが生成し、これをロール
表面に無数に配列することにより、規則的なプロ
フイルを有する粗面を生成せしめる方法がある。

レーザを用いて規則的な粗度プロフイルを与え
たロールにより圧延された金属板は、上記の２つ
の矛盾した循環性と光沢性の要求を満足させ得る
性質を有することが判明し、レーザによる粗面化
加工法の重要性が注目されるに至つた。

ところで具体的なレーザによる粗面加工法とし
ては、例えば特開昭55−94790公報に開示の方法
がある。この公報では定められた配置に従つて、
パルスビームにより穿孔せしめた穴をロール表面
に配列する方法が詳しく述べられている。しかし
個々の穴形状を制御する手段については触れられ
ていない。

また、特公昭60−2156公報に開示の方法は、ビ
ーム径を調節することにより穴径を調節する方法
や、同一穴に対するビーム照射時間（Ｑスイツチ
ングの回数）により穴深さを調節する方法を示し
ている。しかしながら、これについても穴形状、
すなわち溶融メタルを制御して穴の形状そのもの
が所望の形状を持つクレータを生成せしめること
には触れていない。

レーザにより圧延用ロール表面に生成されるク
レータ形状はそのロールにより圧延された金属板
の表面性状に影響すると同時に、圧延によつて生
ずるロール表面の摩耗あるいは塑性変形による粗
度低下に対する耐久力に影響を及ぼす。一般の溶
接、溶断と同じように、補助ガスをレーザビーム
と同軸でかつ被加工面に垂直に噴射した状態で、
移動しているロール表面にパルスビームを照射し
た場合、一般的にクレータ形状は第２図に示す片
寄つた突起を持つ形状となる。これは照射中熱源
が移動するために起こるもので、第５図に示すよ
うに、被加工物１４のレーザビーム２１による溶
融メタル２０のうち一部に蒸発する部分が存在
し、この蒸発反力が熱源の移動と逆方向に溶融メ
タルを移動せしめることによつて生ずる。

このような形状に対し、第３図に示すような穴
の周囲に均等に盛り上つたドーナツ形状のクレー
タを生成することができれば、前述の圧延板の表
面性状ならびにロールの耐摩耗性を向上させるこ
とができることは容易に推定される。すなわち、
ワークロールは、圧延板およびバツクアツプロー
ルの両者から荷重を受けるが、粗面化したワーク
ロールの場合、荷重は表面の盛上り部に集中し、
これが盛上り部の塑性変形を起こさしめ、粗度低
下を進行させる。

これに対し、第３図に示す形状をもつドーナツ
形のクレータは第２図に示す形状のクレータに比
し、荷重を受ける面積が数倍広く、その結果盛上
り部の受ける応力が格段に低くなり、塑性変形の
進行が起こりにくくなるからである。また第３図
に示す形状のクレータは方向性を有しないという
ことで圧延板のプレス時の耐型かじり性を向上さ
せることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕 前述のようにレーザダル加工時に生ずる溶融メ
タルはビームの打始め側に盛上がろうとするもの
であるから、これを防止して第３図に示すドーナ
ツ形のクレータを得るためにはメタルの移動する
方向の逆方向から補助ガスを噴射し、メタルを押
し戻してやれば良い。

そこで第６図に示すように、レーザ溶断等で用
いられているのと同時に、集光レンズ１を保護す
るガス２３を噴射する主ノズル１０の他にサイド
ノズル２２を設けて横からガス２４を噴射する装
置が考えられる。

しかし本発明者らはこの装置で実験した結果、
以下の問題点があることを明らかにした。すなわ
ち主ノズル１０は集光レンズ１を保護するために
出来るだけノズル先端が被加工物１４の表面に近
くなるように位置させなければならない。一方、
溶融メタルを押し戻すためにはサイドノズル２２
は細い口径のノズル（φ1.0mm程度）を被加工物に
非常に近接させ（例えば1.0mm以下）、しかも大流
量のガス（O₂で300／分以上）を噴射しなけれ
ばならない。従つてサイドノズル２２は非常に細
い径にしなければならず、しかも大流量のガスを
流すのでサイドノズルが振動し、生成するクレー
タの形状が安定せず種々の形状となり、しかもサ
イドノズル２２が加工熱で溶融するという問題が
ある。

これを解決するためには、集光レンズとノズル
を含む加工ヘツドの中心軸自体を被加工面の法線
に対して傾けるという手段が考えられる。しかし
この手段ではビームの中心軸も被加工面の法線に
対して傾きを有するため、照射スポツトが楕円形
状とならざるを得ず、パワー密度が低下して加工
効率の悪化を招くだけでなく、クレータの形状に
歪が生じて第３図に示すようなドーナツ形の対称
な形状を得ることはできなくなる。

本発明は以上の問題を解決するためのもので、
レーザビームの光軸を被加工面に垂直としたまま
で、主ノズルから噴射される補助ガスの流出方向
もしくはノズル口から噴射された後のガスの流動
方向に方向性を持たせることによつて、第３図に
示すような、ドーナツ状の方向性のないリングタ
イプの形状のクレータを安定して製造することが
できるようにしたレーザ加工ヘツドを提供しよう
とするものである。

またこの効果をより少量の補助ガス消費量で達
成するためにはノズル先端を被加工面に近づける
ようにしなければならないが、この時ノズルを被
加工面からの放射熱から保護するために、さらに
は集光レンズの位置調節の際に、ノズル先端が被
加工面に接触することを防止するために、あるい
は補助ガスの効果を常に一定にするために、ノズ
ル位置を被加工面に対して常に一定に制御する目
的からノズルを水冷とし、あるいは集光レンズと
ノズル位置を独立に制御することとした。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は回転している圧延用ロールにパルスレ
ーザビームを照射して該ロール表面に微細なクレ
ータを形成するロール粗面化用レーザ加工ヘツド
であつて、集光レンズと、ビームを包囲し補助ガ
スを噴出するノズルとを備えたものにおいて、レ
ーザビームの光軸は被加工面に対して垂直に保つ
と共に前記ノズルは該レーザビーム光軸に対して
非対称としたことを特徴とするロール粗面化用レ
ーザ加工ヘツドである。

このような非対称に形成したノズルの好ましい
実施態様としては、 イ 実質的に円錐形状の上記ノズルの内面壁の中
心軸がレーザビームの中心軸に対して傾きを有
する。

ロ 被加工面に対向する上記ノズルの先端外壁面
が、レーザビーム中心軸に直交する面に対し
て、傾きを有する。

ハ 上記ノズルの内面壁もしくは上記ノズルの被
加工面に対向する先端外壁面に、１本もしくは
複数本の補助ガスの流出溝を非対称に設けた。

ニ 上記ノズルは、分流された補助ガスを導いて
被加工面に噴出する１個もしくは複数個の第２
のノズルを、噴出口の周辺に非対称に配置し
た。

などがあり、これらを組み合わせることができ
る。また、 ホ ノズルに水冷ジヤケツトを設けること。

ヘ ノズルおよび集光レンズの被加工物に対する
位置を独立に調節する調節機構を設けること。

によつて、一層容易に上記目的を達成するように
構成することができる。

〔作用〕

以下この発明の図面に基づいて作用と共に説明
する。

第７図は本発明の加工ヘツドの１例を示す。こ
のノズル１０は円錐形の内面壁を持ち、その内面
壁の中心軸２５はレーザビームの中心軸２６に対
し、ある角度αを持つて傾けられている。この角
度αは、ノズル１０の内壁面が集光されたレーザ
ビーム２１に接触しない範囲とする。

レーザビームの中心軸２６は被加工面に対して
垂直に設定されるから、レーザ加工能率は最大限
に確保され、一方、ノズル１０の口から噴射され
る補助ガス２３は被加工物１４の表面に斜めに吹
き付けられるから、被加工面上に形成されるクレ
ータを第３図に示すようにドーナツ形の対称形に
することができる。

第８図に本発明の第２の加工ヘツドの例を示
す。第８図に示すようにノズル１０の先端面２７
をレーザビームの中心軸２６に直交する面に対し
て斜めに切断して、ノズル先端面が被加工面に対
して傾くように設定された形となる。これにより
補助ガス２３がノズル１０の口から噴射されると
き、ノズル１０の先端面２７と被加工物１４の表
面とに挟まれた楔状の空間に放出され、その結果
補助ガス２３は被加工面上で楔の開いた方向に流
れることになり溶融金属の偏りを修正する。

第９図に本発明の第３の加工ヘツドにおけるノ
ズル１０の先端部の切断斜視図を示す。ノズル１
０の内壁面あるいはノズル１０の先端面に溝２８
を設けておき、このノズル１０の先端を被加工面
に対して１mm程度の至近距離で位置させると、補
助ガスはより抵抗の少ない溝２８のある部分に集
中して流れ、その結果、補助ガスを斜めに吹き付
けることが可能となる。この溝２８は複数本であ
つてもよい。

第１０図に本発明の第４の加工ヘツドを示す。
ノズル１０に流入する補助ガス２３の一部が途中
で分流され、主ノズル１０ａと一体に成形された
サブノズル１０ｂを通つてノズル先端部で主ノズ
ル１０ａから噴出するガスと同時に被加工物１４
の表面に噴射される構造となる。このサブノズル
１０ｂから噴射されるガス圧によつて主ノズル１
０ａから噴出されるガスにも方向性が与えられ、
結果としてガスが被加工物１４の表面に斜めに噴
射されることになる。この加工ヘツドではサブノ
ズル１０ｂは主ノズル１０ａと一体に成形されて
いるため、振動の問題を生ずることなく大流量の
補助ガスを流すことができ、かつノズル１０ｂの
先端を容易に被加工物１４の表面に近づけること
ができ、かつ後述するようにサブノズル１０ｂの
冷却も容易に可能で損傷しない。サブノズル１０
ｂを複数本設けることも可能である。

本発明の加工ヘツドでより少ない補助ガス消費
量で効果を発揮させるために、ノズル口径をより
小さく、ノズル先端位置を被加工面に対してより
近づけて設定することが望ましい。ただしこの時
に次の２点の問題が生ずる。１つは被加工面から
放射される輻射熱でノズル１０の先端が溶損しや
すくなること、第２は通常のレーザ加工ヘツドで
は加工レンズの枠にノズルが設置されているた
め、レーザビームの焦点位置を調節する目的で、
集光レンズを動かすとノズル先端と被加工面との
距離の変化の割合が大きくなり、補助ガス効果を
一定に保つことができないこと、または両者が接
触するため、レンズ位置を調節する毎にノズル位
置を設定しなおさなければならなくなることであ
る。上記問題を解決するために本発明に係るノズ
ル１０は水冷とし、さらにノズルおよび集光レン
ズの被加工物との関係位置を独立に設定できる機
構を併用することが好ましい。

〔実施例〕

実施例 １ 第１図は本発明の加工ヘツドの実施例の断面図
である。この加工ヘツドは、レンズ１を取り付け
たレンズマウント部３０と、ノズル１０を備えた
ノズル部４０とから成る。

まずレンズマウント部３０について説明する。
集光レンズ１はレンズ支持枠２にストツプリング
３を捩込むことによつて固定される。レンズ支持
枠２の外周にははすば歯車が切られている。レン
ズ支持枠２の軸方向両側にマウント主枠４，５を
摺動自在に装着する。マウント主枠４，５はそれ
ぞれ円筒状の摺動部を有し、レンズ支持枠２には
この摺動部が嵌入する円筒溝状の摺動溝が設けら
れている。マウント主枠４，５は円筒状の連結リ
ング６によつて互いに連結されている。この連結
リング６は小ネジ７によつてマウント主枠４，５
に固着されている。

マウント主枠４，５に対してレンズ支持枠２は
摺動溝に沿つて円筒軸方向前後に移動できる状態
になつている。かつ該摺動溝内には図示しないキ
ーがあり、レンズ支持枠２はマウント主枠４，５
に対して回転しない。連結リング６には複数個所
の開口部があり、その開口部には、レンズ支持枠
２の外周に設けられている歯車と噛み合うように
小径のピニオンギヤ８がマウント主枠４，５に対
して嵌め込まれる。ピニオンギヤ８はマウント主
枠４，５に対して位置は固定され、自転のみ行
う。

さらにその外側にアジヤストリング９が嵌め込
まれる。アジヤストリング９の内面には歯車が切
られ、ピニオンギア８に噛み合う構造となつてい
る。この構造をとることによりマウント主枠４，
５を固定したまま、その外側のアジヤストリング
９を回転させることにより、ピニオンギヤ８を介
してレンズ支持枠２がマウント主枠４，５に対し
て軸方向前後に移動する。このときアジヤストリ
ング９はレンズ支持枠２と逆方向に移動するから
レンズ支持枠２の位置をアジヤストリング９の位
置により読み取ることができる。

次にノズル部４０について説明する。ノズル１
０は銅製であり、この例では前記の第７図、第８
図を組み合わせた形状、すなわち円錐形の内面壁
が傾きを有し、かつノズル先端が斜に切断された
形状となつている。さらにノズル１０には冷却水
循環用のジヤケツト２４と給水孔２５、排水孔２
６が設けられている。ノズル１０はノズル支持枠
１１にパツキン１２を介してネジ込む構造となつ
ている。この例では補助ガス２３はノズル支持枠
１１に設けた給気穴２７より供給される。レンズ
マウント部４０はネジ１７によつて結合され、さ
らにこれらは架台１３にネジ１８によつてねじ込
まれて全体が固定される。ノズル１０の開口の向
きおよび位置は被加工物であつてロール１４の回
転方向に対して逆向きになるよう、ノズル部４０
とレンズマウント部３０間およびレンズマウント
部４０と架台１３間のネジにより調整される。

本発明によれば、加工時の補助ガス２３の量を
調節すれば被加工面に生成されるクレータ形状を
変化させることができる。補助ガス２３の量が少
ないとき、被加工物面上に形成されるクレータ形
状は補助ガスを被加工面に垂直に吹き付けた時と
同じく第２図に示した形状となる。ガス量をきわ
めて大きくするとクレータ形状は第２図の場合と
逆方向の盛り上がつた第４図に示す形状となる。
ここでガス量を適度に調節すればクレータ形状は
第３図に示すように等方的なドーナツ状のリング
形状とすることができる。本発明によれば第３図
に示した形状のクレータをきわめて安定して製造
することが可能となる。

また本発明の他の効果として、高出力ビームに
よる加工時に加工面に発生するプラズマをアシス
トガスのスムーズな流れにより、効果的に除去す
ることによりプラズマによるビームの吸収、散乱
が減少し、高出力でも安定した加工が維持でき
る。

実施例 ２ 第１図に示す本発明の加工ヘツドを用いて製造
された第２図に示す形状のクレータａと第３図に
示す形状のクレータｂ、第４図に示す形状のクレ
ータｃを各々560φの冷延用ロールに形成した。

このときのダル加工条件はレーザ出力800W、
レーザパルス数8000Hz、補助ガスは圧力４Kg／cm²
（一定）で50／分、83／分、120／分の３水
準に変化させた。クレータ径はほぼ180μｍであ
り、クレータ配列は縦横とも300μｍのピツチで
配列するようにした。

これらのロールを用いて４重圧延スキンパス圧
延機において冷延鋼板を荷重280tにて圧延したと
きの圧延長と粗度変化の例を第１１図に示す。

第１１図において圧延の初期に発生する急激な
粗度低下は主に圧延用ロールとバツクアツプロー
ルとの接触面圧によるクレータ盛上り部の塑性変
形であり、これは変形によつて盛上り部が潰さ
れ、この部分の塑性降伏応力以下になる接触面積
になるまで変形が進む。これ以降の粗度低下は、
主に被圧延鋼板との摩擦による摩耗である。

本発明の加工ヘツドを用いて適切な補助ガス量
により製造されたドーナツ形の対称形のクレータ
ｂは接触面積を広く取ることができるので、初期
粗度低下が非常に少ない。

従つて、ロールの寿命が大幅に延長されること
が明らかである。

次に第２図に示した形状のクレータａ、第３図
に示した形状のクレータｂ、第４図に示した形状
のクレータｃをそれぞれ形成した上記ダルロール
を用いてスキンパス圧延してダル鋼板（SPCC）
について、第１２図に示す方法で摺動試験を行つ
た。この摺動試験は鋼板３０の両面を挟んで、一
定の押圧力Ｐ＝100Kgｆで押し付け、鋼板３０を
引き抜くもので、このときの引抜力２Ｆが小さい
ほど型かじり性は良好であると判断することがで
きる。試験は脱脂状態で行つている。

実験結果を第１３図に示す。等しい粗度での引
抜力は第３図に示した形状のクレータｂをもつロ
ールで圧延した鋼板の場合に最も小さくなる。従
つて本発明により製造されたダルロールを用いれ
ば最も耐型かじり性の良好な鋼板を得ることがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明の加工ヘツドによれば、圧延用ロールの
パルスレーザビームによるダル加工において、ド
ーナツ状の良好な形状をもつクレータを安定して
形成することが可能になり、従つてこの圧延ロー
ルを用いたスキンパス圧延を行うに際し、大幅な
ロール寿命の延長と圧延された鋼板の耐型かじり
性を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加工ヘツドの実施例の断面
図、第２図、第３図、第４図はレーザビームによ
り形成されたクレータ形状を示す斜視図、第５図
は第２図に示すクレータの生成機構を説明する説
明図、第６図は従来の加工ヘツドの断面図、第７
図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第８図
は本発明の第２の実施例を示す断面図、第９図は
本発明の第３の実施例を示す斜視図、第１０図は
本発明の第４の実施例を示す断面図、第１１図は
クレータ形状の違いによるロール摩耗の状態を示
すグラフ、第１２図は摺動試験法を示す説明図、
第１３図は摺動試験結果を示すグラフである。 １…レンズ、２…レンズ支持枠、３…ストツプ
リング、４，５…マウント主枠、６…固定リン
グ、７…小ネジ、８…ピニオンギア、９…アジヤ
ストリング、１０…ノズル、１１…ノズル支持
枠、１２…パツキン、１３…架台、１４…ロール
（被加工物）、２０…溶融メタル、２１…レーザビ
ーム、２２…サイドノズル、２３…補助ガス、２
４…水冷ジヤケツト、２５…給水孔、２６…排水
孔、３０…レンズマウント部、４０…ノズル部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転している圧延用ロールにパルスレーザビ
   ームを照射して該ロール表面に微細なクレータを
   形成するロール粗面化用レーザ加工ヘツドであつ
   て、集光レンズと、ビームを包囲し前記クレータ
   形成部に吹付ける補助ガスを噴出するノズルとを
   備えたものにおいて、レーザビームの光軸は被加
   工面に対して垂直に保つと共に前記ノズルは該レ
   ーザビーム光軸に対して傾斜した噴出流を生ずる
   形状としたことを特徴とするロール粗面化用レー
   ザ加工ヘツド。 ２ 実質的に円錐形状の上記ノズルの内面壁の中
   心軸がレーザビームの中心軸に対して傾きを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のレーザ加工ヘツド。 ３ 被加工面に対向する上記ノズルの先端外壁面
   が、レーザビーム中心軸に直交する面に対して、
   傾きを有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載のレーザ加工ヘツド。 ４ 上記ノズルの内面壁もしくは上記ノズルの被
   加工面に対向する先端外壁面に、１本もしくは複
   数本の補助ガスの流出溝を非対称に設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれかに記載のレーザ加工ヘツド。 ５ 上記ノズルは、分流された補助ガスを導いて
   被加工面のクレータに向けて噴出する１個もしく
   は複数個の第２のノズルを、噴出口の周辺に非対
   称に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第４項のいずれかに記載のレーザ加工
   ヘツド。 ６ 上記ノズルに冷却水ジヤケツトを設けたこと
   を特徴とする上記特許請求の範囲第１項ないし第
   ５項のいずれかに記載のレーザ加工ヘツド。 ７ 上記ノズルおよび集光レンズの被加工物に対
   する位置をそれぞれ独立に調節する調節機構を設
   けたことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項
   ないし第６項のいずれかに記載のレーザ加工ヘツ
   ド。