JPH04371376A

JPH04371376A - ハースロールの製造方法

Info

Publication number: JPH04371376A
Application number: JP14865491A
Authority: JP
Inventors: Shuji Fukuba; 福場　修二; Katsutoshi Hokimoto; 保木本　勝利; Katsuhiro Furukawa; 古川　勝弘
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-06-20
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JP2792755B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも一方の部材
が鋳物材である溶接継手の、電子ビーム溶接方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、大物、厚肉の鋳物材は、凝固
速度が遅くそのため鋳造後の結晶粒径が粗い。また、小
物の鋳物材であっても例えば、オーステナイトステンレ
ス鋼のように化学成分によってその傾向が顕著に現れる
ことも知られている。この粗い結晶粒の粒界には、不純
物や水素、酸素、窒素等の含有ガス成分が多く介在して
いる。従ってこのような鋳物材の接合に、電子ビーム溶
接を実施すると、結晶粒界に介在するこれらの不純物や
、水素、酸素、窒素等の含有ガス成分がガス化、膨脹し
、溶接部に偏析してブローホールが発生する。このため
ビームの通りが悪く溶接部が不健全となる。従って結晶
粒径の粗い鋳物材には、電子ビーム溶接は不向きであり
、現状は、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接で施工している。また、鉄系の材料においてこの電子ビーム溶接の適用は
、例えば結晶粒径の小さい圧延材、鍛造材に限られてい
た。

【０００３】結晶粒径の粗い鋳物材のＭＩＧ溶接の適用
例として、鋼板を熱処理する各種の加熱炉、均熱炉、予
熱炉等に使用されているハースロールがある。従来この
種のハースロールの製造方法としては、次に示すものが
知られている。まず、ハースロールを構成する部品は、
軸、アクスル、バレルからなり、その材質は、使用時の
雰囲気の耐えられるように、いずれも耐熱、耐酸化性を
有する耐熱鋳物等が使用されている。これらの代表的な
製造法及び材質は、軸は鍛造によりＳＵＳ３１０材等が
、アクスルは砂型鋳造または金型鋳造によりＳＣＨ１９
材等が、バレルは予熱炉、徐冷炉等の比較的に耐熱、耐
酸化性の要求が低い設備用には板巻きの溶接構造のＹＵ
Ｓ材が、また加熱炉、均熱炉等の耐熱、耐酸化性の要求
が高い設備用には遠心鋳造により、高合金部材としてＳ
ＣＨ２２材等がそれぞれ使用されている。

【０００４】また、前記の各部品は、次のような、溶接
を行い、組み立てられている。まず、軸とアクスルとの
溶接について記述する。軸は、鍛造材、アクスルは砂型
鋳造または、金型鋳造により製造され、両部材とも継手
部をＶ開先加工した後、ＭＩＧ溶接及びＴＩＧ溶接を施
工する。

【０００５】次に、アクスルとバレルとの溶接について
記述する。バレルは、前記の通り遠心鋳造により製造さ
れる。この際、遠心鋳造の鋳型として金型が使用され、
鋳造時の溶湯と金型との焼き付きを防止する目的で、金
型の内面には塗型を実施している。塗型の材料としては
一般的に、遠心鋳造ロールにおいて幅広く使用されてい
る水溶性の塗型材が用いられている。

【０００６】ここで、金型の内面に、塗型するこの水溶
性の塗型材の塗布の要領は、次の通り、行われている。まず、金型を加熱し、次に加熱された金型の内面に、水
溶性の塗型材を塗布する。こうして、金型の内面には、
塗型材が塗布、乾燥された後、溶湯が金型に鋳込まれバ
レルが製造される。前記、金型の内面に、塗型材が塗布
、乾燥された後、金型へ溶湯が鋳込み始まるまでの間に
は、前記金型の遠心鋳造設備への組み込み、溶湯の成分
調整待ち等により時間を要し、事前に塗型、乾燥された
塗型材が吸湿する。この吸湿されるガス成分とその量と
して、例えば、窒素３００〜５００ＰＰＭ　、水素３〜
４ＰＰＭ　、酸素３００ＰＰＭ　等がある。従って、前
記金型に塗布する塗型材の塗布厚みを余り薄くして溶湯
を金型に鋳込むと、塗型材に吸湿された前記のガスが溶
湯中に進入してしまい、製品中に気泡等の欠陥が発生す
る。そこで、この水溶性の塗型材の塗布の厚みとしては
塗型材に吸湿されたガスが、逃げ場を失うことなくまた
施工の容易性も考慮して、３ｍｍ程度で施工している。また、余り薄くしすぎると、均一の塗型が難しく金型か
ら塗型材が部分的に剥離することがあり、好ましくない
。

【０００７】このように、３ｍｍ程度で塗布された金型
に溶湯を鋳込むと、鋳込まれた溶湯は塗型材により断熱
作用が働くため徐冷され、冷却後の組織は結晶粒径の粗
いオーステナイト組織となる。従って、アクスルと鋳造
後の結晶粒径の粗いオーステナイト組織を有するバレル
との溶接に電子ビーム溶接を実施すると、ビームの通り
が悪く溶接部が不健全となるため結晶粒径の粗い鋳物材
の溶接方法として一般的に適用されているＭＩＧ溶接や
ＴＩＧ溶接で施工している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記のように結晶粒径
の粗い鋳物材の溶接方法として使用されている、ＭＩＧ
溶接やＴＩＧ溶接には、下記の課題があった。

【０００９】ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接は、溶接時の溶接
入熱が高く、そのため母材に含有している比較的融点の
低い成分例えばＮｂＯ２　等が溶融析出し、溶接線の境
界部にミクロクラックとして生ずる。これを防止するた
めに、溶接時の溶接入熱を低くすると、母材と溶着金属
とが融着不良をおこし、健全な溶接部が得られないと共
に溶接時間が多くかかる。また、溶接施工上、Ｖ開先等
の溶接開先が必要であり、このため多量の溶加材を必要
とする。従って、溶接後の残留応力が高く溶接後に熱処
理が必要であった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の溶接方法は、少なくとも一方の部材が鋳
物材の溶接において、該鋳物材の溶接部にチル晶を形成
し電子ビーム溶接にて接合を行うことを特徴とする。

【００１１】

【作用及び実施例】少なくとも一方の部材が鋳物材の溶
接において、鋳物材の溶接部にチル晶を形成させるため
、溶接部の結晶粒径が微細になり、この微細な結晶粒の
粒界には、不純物や水素、酸素、窒素等の含有ガス成分
の介在が極端に少なくなった。従って電子ビーム溶接を
適用しても、粒界に介在する不純物や水素、酸素、窒素
等の含有ガス成分がガス化、膨脹し、溶接部に偏析しビ
ームの通りが悪くなることはなく、健全な溶接が行える
。また、鋳物材の溶接に、電子ビーム溶接を適用するこ
とにより、溶接時の溶接入熱が低く、溶接部でのミクロ
クラックの発生がない。さらに、継手部の溶融金属の体
積が著しく小さいため溶接後の残留応力が低く、熱処理
が不要である。

【００１２】本発明の１実施例として、図１に示すバレ
ルの胴径が８００ｍｍのハースロールを溶接・製造した
。図１において、ハースロールは、軸１、アクスル２、バ
レル３から構成される。軸１は、ＳＵＳ３１０材で鍛造
により、アクスル２はＳＣＨ１９で金型鋳造により、バ
レル３は金型への塗型材を溶射塗型とし、塗型厚みを約
１ｍｍとした金型を用いＳＣＨ２２で遠心鋳造により製
作した。

【００１３】金型への溶射塗型の方法は、次の通りに施
工した。即ち、金型の予熱後ＣＯ２　−アセチレンガス
バーナー中に塗型の粉末原料を装入し、吹き付けにより
塗布した。このため塗型中へは、水分を全く含まない。前記の金型を使用し、遠心鋳造法にてバレル３を鋳造し
た。この場合のバレル３のチル晶４の生成状況を図２に
示す。図から明らかなように、金型および薄肉溶射塗型
による冷却促進効果によりバレル３の継手溶接部の肉厚
断面全域にわたって約２８ｍｍ深さのチル晶４が生成し
た。

【００１４】前記の通り製作したアクスル２とバレル３
とを本発明の方法である電子ビーム溶接で真空中で溶接
・施工した。図３は、溶接部断面の溶着の状況を示すも
のであり、図から明らかなように溶接部は、極めて狭い
領域に限られミクロクラックやブローホール等の溶接欠
陥もなく健全な組織が得られた。

【００１５】以上のように、本発明方法によれば結晶粒
径の粗い鋳物材の電子ビーム溶接が可能となり、高品質
な継手が安価に製造できる。また、溶射塗型を使用する
ことにより、従来の水溶性塗型を用いた場合に比べ、次
の効果が判明した。溶射後の金型との付着力が強いため
塗型後の剥離が生じなく、塗型厚みを薄くすることがで
きる。また、塗型後の吸湿が全くなく、鋳造時のブロー
ホール欠陥を抑制できると共に、従来の水溶性塗型材に
比べ熱伝導率が高いため鋳造後の溶湯の冷却が促進され
た。

【００１６】次に本発明の作用・効果を確認するため、
比較例として、バレル３用金型への塗型を従来の水溶性
塗型を用い、塗型厚みを約３ｍｍとしてバレル３を鋳造
し、アクスル２とバレル３とを従来のＭＩＧ溶接で施工
した。この比較例の、バレル３のチル晶４の生成状況を
図４に示す。図から明らかなように、外表面のチル晶の
深さは約５ｍｍと浅い。

【００１７】図５は、比較例の溶接部断面の溶着の状況
を示すものである。本比較例は、溶接時のミクロクラッ
クを防止するため、溶接入熱を低く施工した例であり、
その結果母材へのとけ込み不良７や溶接ビーム内に融着
不良８が発生している。

【００１８】図６は、本発明実施例と比較例における、
溶接部の熱処理前後の残留応力の測定結果を示す。図か
ら明らかなように本発明実施例の残留応力は、熱処理の
前後において、円周方向、軸長方向のいずれも１０〜１
５ｋｇｆ／ｍｍ２　と低く使用上全く問題ない。従って
、電子ビーム溶接後の熱処理を省略することが可能であ
る。比較例において、熱処理前の残留応力は円周方向約
３０ｋｇｆ／ｍｍ２　、軸長方向約５０ｋｇｆ／ｍｍ２
　と高く熱処理が必要であり、熱処理後においても軸長
方向には約３０ｋｇｆ／ｍｍ２　程度が残留している。

【００１９】図７は、本発明実施例と比較例における、
溶接部の硬さ試験結果を示す。図から明らかなように、
本発明実施例の溶接熱影響部の硬さは、両部材の硬さよ
り若干高い程度でありまた、その範囲は狭い範囲に限ら
れている。また、溶接部の硬さは、両部材の硬さである
。比較例において、溶接熱影響部の硬さは、両部材の硬
さに比べてかなり高く、その範囲も広い。また、溶接部
の硬さは、両部材に比べて低い。

【００２０】次にバレル３の胴径が６５０，８００，１
２００ｍｍのハースロールを前記実施例と同様な方法で
、溶接部にチル晶を形成させた後、電子ビーム溶接にて
溶接・製造し実際に、鋼板の熱処理炉用ハースロールと
して、実炉に供した。その結果、いずれの場合も製造後
の溶接部の欠陥は皆無で、健全なものでありまた、使用
時の耐久性も優れたものであった。

【００２１】なお、本実施例においては、バレル３の溶
接部のチル晶４形成にあたっては、鋳造後の溶湯の冷却
速度を制御する手段として、塗型材、塗型厚みを選定、
つまり金型の内面に１ｍｍ厚みの溶射塗型を実施したが
、チル晶４形成の方法として、これに限られるものでは
ない。例えば、従来方式の水溶性塗型で鋳造後、バレル
３全体または、継手溶接部分のみを加熱急冷させチル晶
４の形成を図ってもよい。

【００２２】以上は、バレル３について述べたが、他の
部材のチル晶４の形成については、その他砂型の鋳造材
においては、冷やし金や砂型の骨材に冷却効果の大きい
材料を使用しチル晶４を形成してもよい。なお、チル晶
４形成の範囲としては、本実施例のように鋳物材全体を
チル化してもよくまた、部分的にチル化を図ってもよい
。

【００２３】

【発明の効果】従来、大物、厚肉の鋳物材は、鋳造後の
結晶粒径が大きいため電子ビーム溶接の適用ができなか
ったが、溶接部にチル晶を形成させることにより電子ビ
ーム溶接の適用が可能となった。その結果、次の効果が
ある。

【００２４】■電子ビーム溶接の適用により溶接入熱が
低く、溶接部のミクロクラックの発生がなく、高品質な
鋳物材の継手の製造が可能となった。 ■溶接残留応力が低く、溶接後の残留応力除去のため熱
処理が不要となり製造コストが安価となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のハースロールの断面を示す。

【図２】本発明実施例のバレルのチル晶の生成状況を示
す。

【図３】本発明実施例の溶接部断面の溶着の状況を示す
。

【図４】従来方法である比較例のバレルのチル晶の生成
状況を示す。

【図５】従来方法である比較例の溶接部断面の溶着の状
況を示す。

【図６】本発明実施例と従来方法である比較例との熱処
理前後の残留応力の測定結果を示す。

【図７】本発明実施例と従来方法である比較例との溶接
部の硬さ試験結果を示す。

【符号の説明】

１　　軸２　　アクスル３　　バレル４　　チル晶５　　粒状晶６　　偏析層７　　母材への溶け込み不良部８　　溶接ビード内の融着不良部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　少なくとも一方の部材が鋳物材の溶接
において、該鋳物材の溶接部にチル晶を形成し電子ビー
ム溶接にて接合を行うことを特徴とする鋳物材の電子ビ
ーム溶接方法。