JPH0667557B2

JPH0667557B2 - ロ−ルの粗面化方法

Info

Publication number: JPH0667557B2
Application number: JP62168617A
Authority: JP
Inventors: 貴朗井口; 和雄恩田; 隆草場; 英夫阿部; 剛大横山; 正文三塚
Original assignee: 川崎製鉄株式会社; 株式会社三山; 大倉商事株式会社
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: JPS6415294A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は圧延用ロールの粗面化方法に関し、さらに詳し
くは金属圧延用のロールの表面にパルスレーザビームに
より形成する微小クレータの形状および寸法を制御する
方法に関する。

〔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。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、ショットブラストおよび放電加
工が知られている。

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。その１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、パル
ス１個当り１つの微小なクレータを生成し、これをロー
ル表面に無数に配列することにより、規則的なプロフィ
ルを有する粗面を生成せしめる方法がある。

ショットブ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、この粗面をもつロールにより圧
延された金属板の表面にはやはり同様の粗面が構成され
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
られた事実であり、一方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よく知られた事実である。

これに対し、レーザを用いて規則的な粗度プロフィルを
与えたロールにより圧延された金属板は、上記の２つの
矛盾した潤滑性と光沢性の要求を満足させることができ
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った。

ところで具体的なレーザによる粗面化加工法としては、
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っ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し、同一穴に対するビーム
照射時間（Ｑスイッチングの回数）により穴深さを調節
する方法が示されている。しかしながらこれについても
穴の形状、すなわち溶融メタルを制御して所望の形状を
持つクレータを生成せしめることには触れていない。

後述するように本発明はパルスビームにより生成される
個々のクレータに関してビーム照射時の溶融メタルの流
動を制御し、穴形状を所望の形状にしようとするもので
ある。

本発明者らはレーザビームで生成するクレータの穴形状
を制御する研究を詳細に行った結果、溶融メタルの流動
を制御するためには、被加工面に照射されるレーザビー
ムのエネルギー密度を調節することが必要であることを
見出した。レーザビームのエネルギー密度を制御する技
術は例えばレーザ熱処理等の技術では一般的に行われて
おり、例えば第１の例として特開昭54−5809号公報に開
示の被加工面でのスポット径を加工レンズ位置を動かす
ことによって変化させ、所望のエネルギー密度を得る方
法がある。しかしこの方法は被加工物を溶融することな
く、被加工物の温度を一定に保つためのもので、メタル
を溶融させるレーザ照射条件とは異なる。

また、第２の例として特開昭55−82724号公報に開示の
方法も同様の方法であるが、これもやはり被加工物は溶
融させずに焼入れ硬化面積を広くとるための方法であ
り、第３の例として特開昭54−76405には同じ方法によ
り、被加工物の溶融を生じさせないためのビームのエネ
ルギー密度について述べられており、第４の例としては
特開昭54−76454号公報でも同じくレーザ溶接において
ビームエネルギー密度の下限を被加工物が溶融する限度
以上に設定し、同じく上限を溶融メタルがスプラッシュ
となって、飛散する限度以上に設定する方法が開示され
ている。

いずれにしてもレーザビームのエネルギー密度の制御に
よって溶融メタルの流動を制御せしめることについては
言及されていない。

パルスレーザビームにより圧延ロール表面にクレータを
形成するには、当然、被加工物が溶融する限度以上であ
って溶融メタルがスプラッシュ化する限度内でビームエ
ネルギー密度を設定しなければならないことはもちろん
である。ただしレーザ溶接は連続ビームを被加工物に照
射する加工であり、ロールの粗面化方法はパルスビーム
を照射する加工であるから例えばパルス振幅等のパラメ
ータが影響し、上記第４の例の方法がそのまま適用でき
ないのは無論のことであるが、それに加えて不連続加工
において上記エネルギー密度の上下限内でかつ特定のエ
ネルギー密度で照射することにより、流動メタルの制御
が可能であることは従来知られていなかったことであ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

パルスレーザビームにより圧延用ロール表面に生成され
るクレータ形状は、このロールを用いて圧延された金属
板の表面性状に大きな影響を与えると同時に、圧延によ
っ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大きな影響を及ぼす。

移動しているロール表面にパルスレーザビームを照射し
た場合、一般的にクレータ形状は第２図に示すような片
寄った盛上りを持つ形状となる。これは照射中熱源が移
動するためである。第５図はこのことを説明するクレー
タの生成工程を示す被加工物６の部分断面図で、第５図
に示すごとくレーザビーム７によって溶融したメタル９
のうち一部に蒸発する部分が存在し、この蒸発反力が矢
印10で示す熱源７の移動と逆方向すなわち矢印11方向に
溶融メタル９を移動せしめることによって生ずる。

このような形状に対し、第３図に示すような穴の周囲に
均等に盛り上っ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を向上させるこ
とができると共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できる。すなわちワークロール
は圧延板および一般的にバックアップロールより荷重を
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。

第３図に示す形状をもつクレータは第２図に示す形状の
クレータに対し、クレータ周囲の荷重を受ける盛上り部
の面積が数倍広く、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。

本発明は回転している圧延用ロール表面にパルス化した
レーザビームを集光して照射し、ロール表面を粗面化す
る加工法に適用されるものであって、上記の目的を達成
するために、第３図に示すような片寄りのない対称形の
クレータ形状を生成せしめ、かつその穴径をも任意に制
御可能とするレーザ加工法を提供しようとするものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の技術手段は次の通り
である。

（１）アシストガスとしてO₂ガスをレーザビームと同
軸方向に加工面に垂直に噴射すること。

（２）レーザの照射条件をとすること。

ただし、 Δt:パルスビームの１パルス当り照射時間（秒） δ：Δｔ間にロール表面がビームに対して移動する距離
（ｍ） W:レーザ発振器の出力（MW） r:ロール表面上のレーザビームスポットの半径（ｍ）である。

〔作用〕

パルスレーザビームによって圧延ロール表面に第３図に
示すような片寄りのない形状のクレータを生成せしめる
ためには、溶融メタルに加わる力に方向性を持たせない
ことが必要である。前述の蒸発反力は熱源の移動が避け
られない限り必ず方向性を有する。従ってメタルの蒸発
は最小限に押さえなければならず、このために照射する
レーザビームのエネルギー密度を制限しなければならな
い。このためにはレーザの出力の制御並びにロール表面
上でのビームのスポット径を制御する方法、例えばレー
ザビームの焦点位置を制御するという方法が考えられ
る。

発明者らの詳しい調査によればレーザの出力、スポット
径および１パルス当り照射時間（以下単に照射時間と略
す）を制御し、かつ例えばO₂のようなアシストガスを加
工面に対してビームと同軸方向から加工面に対して垂直
に吹きつけることにより、第３図に示した形状を保ちつ
つ所要の大きさの径をもったクレータを生成せしめるこ
とが可能となった。

本発明の重要なポイントはアシストガスの作用にある。
このガスの作用が無ければ、レーザの出力、スポット径
および照射時間の制御のみによってはわずかながら発生
する蒸発反力、ならびに溶融メタルの表面張力により、
やはり第２図に類似する形状のクレータを生成する。

またアシストガスを前記以外の方向、例えば斜め横から
吹付けた場合は当然第４図に示したように穴の周囲に不
均一に盛上った形状のクレータを生成する。

一般的に安定型レーザ発振器のビームモード（強度分
布）は第６図に示すように、ガウス型分布を示し、これ
はレンズ等により集光後も相似形の分布をなす。中心の
ピークパワー密度をI₀、パワー密度がＩ＝I₀／e²となる
半径をスポット半径ｒと定義したとき、ビーム中心から
ρの距離にある位置でのパワー密度Ｉは、Ｉ＝I₀exp（−２ρ^２／r²） …（１）で表わされる。レンズ等による集光によってｄが変わっ
ても総出力は不変である。従ってレーザ発振器の出力Ｗ
とI₀の関係はとなり、である。ロール表面に対して照射中にビームが移動する
ため、ロール表面が照射中に受けるパワー密度の平均E₀
（MW／m²）は（２）式と異なり、ビームがロール表面に
対して照射時間Δｔ（秒）中に距離δ（ｍ）だけ移動す
るとすると計算によれば最もパワー密度の高いクレータ
中心においてほぼとなる。本発明者らの研究によれば第３図に示す対称形
の形状の片寄りのないクレータを生成する条件は、アシ
ストガスを流速10〜500m／ｓの範囲で前記方向より吹き
付けた条件下で（３）式のE₀（MW／m²）と照射時間Δｔ
（秒）の間で、ほぼとなるとき、第３図に示した対称形の形状のクレータが
形成されることを確認した。逆に上記（４）式を満たさ
ないE₀の条件下では第２図に示すような非対称形状のク
レータとなる。この理由は前述のとおりであると考えら
れる。（４）式は（３）式を用いて表わすととなる。また、E₀が（４）式をみたす範囲内ではE₀が高
いほどクレータ深さを深くすることができることを確認
した。以上のようにレーザ発振器の出力Ｗ、距離δおよ
び照射時間Δｔに応じてビームスポットの半径ｒを変え
ること、すなわちもっとも簡単な手段として集光レンズ
の焦点位置をロール表面に対して（４）式をみたすビー
ムスポット半径ｒになるように調節することにより、第
３図に示す対称形の形状のクレータを常に得ることが可
能になる。

次にクレータの穴径（外径）の制御法について述べる。
発明者らはレーザの発振器の出力Ｗ、照射時間Δｔが同
じ条件で集光レンズの焦点を動かしてビームスポット半
径ｒを変えた時、クレータ穴径の変化がほとんど無いこ
とを確認した。これは以下の理由によるものと考えられ
る。すなわちレーザビームのパワー密度分布は式
（１）、（２）を用いて、となる。

これをＷ＝800（Ｗ）、ｒ＝100（μｍ）,200（μｍ）に
ついて計算したＩの分布と、同条件でΔｔ＝125×10^-6
（秒）において前記のアシストガス吹付け条件で得られ
たクレータの外径（半径Ｒ）を第７図に示す。このよう
にある照射時間Δｔに対してある画Ic以上のパワー密度
が照射される部分が溶融し、これがクレータ径を決定す
る要因であると考えれば、通常のレーザ加工の条件下で
はレーザ発振器の出力Ｗ、照射時間Δｔが一定であれ
ば、ビームスポット半径ｒを変えてもクレータ半径Ｒは
あまり変わらないのである。

これに対してレーザ発振器の出力Ｗを増大するとＥの分
布が全体に増大し、裾野が拡大した形になるためにクレ
ータ径は大きくなる。またΔｔが増大するとIcが小さく
てもよくなるためにクレータ径が増大する。

発明者らの調査によればアシストガスを前記条件で吹付
けた時のクレータの半径Ｒ（ｍ）はほぼＲ＝0.32（ＷΔｔ）^1/2 ……（６）ただし、 W:レーザ発振器の出力（MW） Δt:照射時間（秒）で整理されることが判明した。

以上の知見によれば所望の粗度パターンを得るためのク
レータ径および穴ピッチが与えられた時、加工能率その
他よりΔｔ（秒）が決定されると、ロールの移動速度Ｕ
（ｍ／秒）から δ＝ＵΔｔ …（７）が求まり、さらに（６）式より所要出力Ｗが求まる。こ
の条件下で（４）式をみたすｒを得られるように焦光レ
ンズの焦点を調節し、かつ前述の条件でアシストガスを
吹きつければ正しく第３図に示す対称な形状をもち、か
つ所望の大きさを持ったクレータを形成せしめることが
可能になるのである。

〔実施例〕

第１図に本発明によるレーザによるロールの粗面化加工
法を可能にする装置の１例を示す。

第１図において１はパルスレーザ発振器もしくは連続レ
ーザ発振器とビームをパルス化する装置の集合体であ
り、ここから集光レンズ３までは必要に応じてレーザビ
ーム７の光路を変更する１つもしくは複数のミラー２を
挿入する。４はレンズの焦点を調節する装置及び焦点の
移動量もしくはロール表面上のスポット径を表示する装
置である。５はアシストガス８を吹きつける円錐形ノズ
ルであり、ノズル５の先端よりビームとアシストガスが
同軸方向にかつ被加工物６の表面に対し垂直に放射され
ることになる。被加工物６であるロールは、図示しない
旋盤によって回転されながらロールの軸方向に移動する
構造となっている。

次にこの装置を用いて種々の照射条件およびアシストガ
ス条件下において、生成したクレータの形状と、クレー
タ半径の測定結果を第１表に示す。第１表の形状欄にお
いては第２図に示した形を×、第３図のそれを○と標記
してある。以上の結果を、ΔｔとE₀の関係において形状
の変化を第８図に、また前記アシストガス吹付け条件で
加工した場合（第１表No.〜）と、吹付けない場合
（同No.、）のＷ×Δｔとクレータ半径Ｒの関係を
第９図に示す。第８〜９図において各々のプロット点に
付した数字〜は第１表の実験番号と対応する。また
第８図のプロット点の記号（○および×）は第１表の形
状欄の記号に対応する。第８図において、各々の１／Δ
ｔの値に対し、右上りの実線より下の領域は前記（４）
式で表わされ、この領域の条件下で第３図に示した形状
のクレータが形成されている。ただし第８図において、
、のプロット点はアシストガスが無ければ（４）式
を満足する条件下でも第３図の形状を持つクレータは形
成されないことを意味する。同じく第８図における破線
は、これよりE₀の値が小さいと、クレータが生成されな
い下限を表わし、このときの境界線の式は（８）式であ
る。

ここで、少くともクレータを形成させるには各々のΔｔ
の値に対するE₀の値が（８）式のE₀の値より大きくなけ
ればならない。

E₀（MW／m²）とΔｔ（秒）との間にの関係がなければならない。この領域は第８図において
破線より上側の領域であり、のプロット点はE₀の値が
この領域に入らず小さすぎてクレータが生成されない。

すなわち目的とする第３図に示すクレータ形状を得る条
件は（４）式、（９）式および（３）式からとなる。

また第９図は、前記のアシストガス条件下ではクレータ
半径ＲはＷ×Δｔで整理され、その関係式は（６）式で
あることを示している。

なお、プロット点、の場合はアシストガスが無いた
め、クレータ半径Ｒは上記（６）式のようにはならな
い。

第１図の装置を用いて、条件を変えて、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およ
びアシストガスを斜めから吹いて得た第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、４
重式スキンパス圧延機において冷延鋼板を荷重280トン
にて圧延したときの圧延長と粗度変化の例を第10図に示
す。第10図において圧延の初期に発生する急激な粗度低
下は主にバックアッ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る。これは変形によって盛上
り部がつぶされ、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
に被圧延板との摩擦による摩耗である。本発明により製
造されたクレータｂは接触面積を広くとれるので初期粗
度低下が非常に少ない。その結果、第10図に示すごと
く、ロールの寿命が大幅に延長されるのである。

次に第２図に示す形状のクレータａ、第３図に示す形状
のクレータｂ、および第４図に示す形状のクレータｃを
それぞれ形成したダルロールを用いてスキンパス圧延し
たダル鋼板（SPCC）の摺動試験を行った。この試験方法
は第11図に示すように鋼板12を挟持片13で挟み、一定の
押圧力Ｐ＝100kgfで押圧し、鋼板13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ってい
る。

実験結果を第12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。従っ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
るダル加工法において良好な穴形状をもつクレータを形
成せしめることが可能になり、よって該ロールを用いた
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図は本発明を好適に実施することのできる装置の１
例の模式的断面図、第２図〜第４図はクレータ形状を示
す斜視図、第５図は第２図に示した形状のクレータが生
成する機構の説明図、第６図はレーザ発振器のビームモ
ードを示す曲線、第７図はＷ一定でｄを変えた時のパワ
ー密度分布の計算と実際のクレータ径の比較を示す説明
図、第８図はΔｔとE₀によるクレータ形状の関係を示す
図表、第９図はＷΔｔとクレータ半径Ｒの関係を示す図
表、第10図は３種の形状をもつクレータを持つロールを
用いた圧延において圧延長と粗度変化の関係を示すグラ
フ、第11図は摺動試験の説明図、第12図は摺動試験結果
を示すグラフである。１……パルスレーザ発振器２……ミラー３……集光レンズ４……レンズの焦点調節装置５……アシストガスノズル６……被加工物（ロール）７……レーザビーム８……アシストガス９……溶融メタル 10、11……矢印 12……ダル鋼板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者恩田和雄千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者草場隆千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者阿部英夫千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者横山剛大埼玉県戸田市美女木５−21−12 株式会社三山内 (72)発明者三塚正文東京都中央区銀座２丁目３番６号大倉商事株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転している圧延用ロール表面にパルス化
したレーザビームを集光して照射しロール表面を粗面化
する加工法において、アシストガスをレーザビームと同
軸方向から加工面に垂直に噴射すると共に、の条件でレーザを照射することを特徴とするロールの粗
面化方法。ただし、 Δt:パルスビームの１パルス当り照射時間（秒） δ：Δｔ間にロール表面がビームに対して移動する距離
（ｍ） W:レーザ発振器の出力（MW） r:ロール表面上のレーザビームスポットの半径（ｍ）