JPH10176246A

JPH10176246A - レーザ切断性に優れた鋼板及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10176246A
Application number: JP35297096A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ishikawa; 信行石川; Makoto Kabasawa; 真事樺沢; Toru Kaizu; 亨海津
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-30

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
厚鋼板及びその製造方法を課題とする。【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、Ｓ：０．００８％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。また、この鋼板に、Ｔｉ：０．０
２％以下、Ｎｂ：０．０４％以下、Ｖ：０．１％以下、
Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％、Ｃｒ：１．０％
以下、Ｍｏ：０．６％以下の１種または２種以上を添加
すると、更に望ましい。

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であって、レーザ切断した際
に、良好な切断品質と作業性が得られる厚鋼板ならびに
その製造方法に関する。

【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、コーナー部の角度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、適性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２０
ｍｍ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、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、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以下に規定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号公報においては、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、鋼板製造時に熱間圧延条件に
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及びその製造
方法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
分又は熱間圧延条件と鋼板のスケール性状とスケール密
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。（ａ）鋼中のＳはスケール／地鉄界面に濃化する元素で
あるが、Ｓの含有量が高いために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、Ｓ含有量を一定値以下に制限
する必要がある。

【００２０】（ｂ）熱間圧延後の鋼板表面に生成するス
ケールは、主としてウスタイト（ＦｅＯ）及びマグネタ
イト（Ｆｅ₃Ｏ₄）からなるが、スケール／地鉄界面
に、層状のＦｅ₃Ｏ₄が生成したときに、高い密着性が
得られる。Ｆｅ₃Ｏ₄は熱間圧延後の冷却過程で、Ｆｅ
Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄の変態によって生成するが、圧延終了温
度を一定範囲に制御し、その後空冷を行うことによっ
て、層状のＦｅ₃Ｏ₄を得ることができる。

【００２１】（ｃ）上記手段によって、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】上記の知見により、下記の発明をするに至
った。第１の発明は、重量％（ｗｔ％）で、Ｃ：０．０
５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：
０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含
む鋼板であって、Ｓ：０．００８％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％、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って、Ｓ：０．００
８％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。

【００２４】第３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
％を含み、Ｓ：０．００８％以下に規制し、残部が不可
避的不純物からなる鋼を熱間圧延し、熱間圧延を７００
〜９００℃で終了し、その後空冷することを特徴とする
レーザ切断性に優れた鋼板の製造方法である。

【００２５】第４の発明は、上記鋼の化学成分に、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
％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．６％以下の１種ま
たは２種以上を含み、Ｓ：０．００８％以下に規制し、
残部が不可避的不純物からなる鋼を熱間圧延し、熱間圧
延を７００〜９００℃で終了しその後空冷することを特
徴とするレーザ切断性に優れた鋼板の製造方法である。

【００２６】

【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。

【００２７】また、切断速度が小さくなると、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。

【００２８】発明者らは、種々の化学成分を有する鋼及
び製造条件により製造した数種類の厚鋼板を用いて、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Ｓ量及び鋼板の圧延終了温度が、
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。

【００２９】まず、レーザ切断性に及ぼす鋼中の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、Ｓ量との関係を示したものであ
る。Ｓ量が低減すると、適正なレーザ切断速度の範囲が
拡大されることを示している。これは、Ｓ量の低減に伴
い、スケール中の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が理由と考えられる。

【００３０】一方、レーザ切断性に及ぼす鋼板の圧延終
了温度の影響を、図２に示す。図２は、Ｓ含有量が０．
００５から０．００７ｗｔ％の範囲にある鋼について上
記と同様に、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、切断面にノッチが発生しない下限の切
断速度と、圧延終了温度との関係を示したものである。
圧延終了温度が一定範囲内にあるときに、適正なレーザ
切断速度の範囲が拡大されることを示している。

【００３１】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。

【００３２】以下に、本発明における化学成分（ｗｔ
％）及び圧延条件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％を超えて添加すると
溶接性を損ねるので、その含有量を０．０５〜０．２０
％と規定した。

【００３３】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％を超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。

【００３４】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％を超えて添加すると
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。

【００３５】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％を超えて添加すると連
続鋳造スラブの表面疵となるため、その含有量を０．０
１〜０．０５％と規定した。

【００３６】Ｓ：０．００８％以下とする。Ｓ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、０．００８％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。

【００３７】本発明では、上記の合金元素のほかに、鋼
材としての強度・靭性を高めるために、Ｔｉ、Ｎｂ、
Ｖ、Ｃｕ、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Ｔｉ
Ｎ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％を超えて添加すると、
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。

【００３８】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％とし
た。

【００３９】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％を超えて添加し
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。

【００４０】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％を超えて添
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。

【００４１】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％を超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。

【００４２】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％を超えて添加すると
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。

【００４３】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％を超え
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。

【００４４】圧延終了温度：７００〜９００℃の範囲と
し、圧延終了後は空冷とする。スケール／地鉄界面に生
成するＦｅ₃Ｏ₄は、４ＦｅＯ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｆｅの共
析変態により生成する。このときの共析変態速度は温度
によって変化し、圧延終了温度が７００℃未満では、そ
の後の空冷過程で生じるＦｅ₃Ｏ₄は粒状となり、スケ
ールの密着性の向上には寄与しない。

【００４５】一方、圧延終了温度が９００℃を超える
と、スケールの厚さが増し、スケールが剥離し易くな
り、レーザ切断性が低下する。この理由から、圧延終了
温度を７００〜９００℃の範囲とした。なお、本発明に
より製造される鋼板の板厚は、特に制限されないが、板
厚が薄いほど、熱間圧延後の冷却速度が速くなり、Ｆｅ
₃Ｏ₄が生成しずらくなるため、板厚は６ｍｍ以上が好
ましい。

【００４６】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
図３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、熱間圧延の圧延終了温度を６２０〜１０
２５℃の範囲で変化させ、圧延終了後は冷却は全て空冷
とした。

【００４７】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４として示す表２に記載した。

【００４８】表２において示されるように、本発明鋼で
あるＳ量を０．００８％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４７５ｍｍ／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。これに対して、比較例であるＳ量が高
い鋼はならびに、Ｓ量が０．００８％以下であっても、
圧延終了温度が本発明の範囲を外れる鋼板は、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。

【００４９】

【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及びその製造方法によれば、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、か
つ、確実に製造できるため、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。即ち、第１、第２の発
明により従来よりもレーザ切断が優れた鋼板が得られ、
また、第３、第４の発明によりレーザ切断が優れた鋼板
が製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ切断性と鋼中のＳ量との関係を示す図で
ある。

【図２】レーザ切断性と圧延終了温度との関係を示す図
である。

【図３】本発明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４】本発明の実施例と比較例のレーザ切断性を記載
した表２を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、Ｓ：０．００８％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。
【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％、Ｃｒ：
１．０％以下、Ｍｏ：０．６％以下の１種または２種以
上を含む鋼板であって、Ｓ：０．００８％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請
求項１記載のレーザ切断性に優れた鋼板。
【請求項３】重量％（ｗｔ％）で、Ｃ：０．０５〜
０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．
５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含み、
Ｓ：０．００８％以下に規制し、残部が不可避的不純物
からなる鋼を熱間圧延し、７００〜９００℃で熱間圧延
を終了し、その後空冷することを特徴とするレーザ切断
性に優れた鋼板の製造方法。
【請求項４】前記鋼の化学成分に、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％、Ｃｒ：
１．０％以下、Ｍｏ：０．６％以下の１種または２種以
上を含み、Ｓ：０．００８％以下に規制し、残部が不可
避的不純物からなる鋼を熱間圧延し、７００〜９００℃
で熱間圧延を終了し、その後空冷することを特徴とする
請求項３記載のレーザ切断性に優れた鋼板の製造方法。