JPS6054837B2 - 金属ストリツプの接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属ストリップの切断、溶接および溶接後の
熱処理の連続した三種の熱加工が可能なＣＯ。

レーザ加工装置を用いて金属ストリップ接合工程のワン
ステージ化により、該接合工程のダウンタイムを減少す
ると共に溶接精度の向上を図つた接合方法に関する。
製鉄機械の各種プロセスライン例えば酸洗、焼鈍、メッ
キおよびコイルビルトラインなどにおいては炭素鋼、低
合金鋼、ステンレス鋼等の金属ストリップを連続的に処
理するため、該金属ストリップの端部を相互に接合する
ことが行なわれる。

これら金属ストリップ接続工程の一例として連続酸洗
設備の概略を第１図に示す。 １はストリップコイル、
２はコイルオープナー、３はアツプカツトシヤ、４はア
ーク溶接機又は抵抗溶接機、５はエントリールーパ、６
はループカー、７は酸洗タンクである。

ストリップコイル１はコイルオープナー２で巻戻されア
ツプカツトシヤ３で始端部及び終端部を直線状に切断さ
れた後、抵抗溶接機又はアーク溶接機４によつて、順次
、前後のストリップ端部どうしが突合せ又は重ね合せ溶
接され連続したストリップとなる。連続したストリップ
はエントリールーパ５及びループカー６等を経て酸洗タ
ンク７で酸洗される。尚エントリールーパ５及びループ
カー６等のループ設備は、ストリップ接合時のダウンタ
イム中も酸洗タンク内のストリップを定速で進行させる
ためのものである。また、金属ストリップの材質が溶接
により熱硬化する場合、例えば低合金鋼、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼等の場合には溶接機４の後方にガスフ
レーム焼鈍などによる焼鈍設備が併設される。上記従来
の接合方法においては、熱硬化してしまう材料から成る
金属ストリップコイルの接合工程が前述のように切断工
程、溶接工程及ひ溶接後の熱処理（焼鈍）工程とを含む
３つのステージより成り、このため長時間のダウンタイ
ムを生じ、ラインの能率向上を阻害する一方、更にこれ
に起因して非常に大きなルーパ容量を必要としており設
備が大型化する問題がある。また溶接部は裏板、余盛等
が多くなり、ロールの耐久性が低下し易いため余肉を除
去する設備例えばグラインダー或いはトリミング工程が
必要であつた。本発明は金属ストリップの切断、溶接お
よび溶接後の熱処理の連続した三種の熱加工が可能なＣ
Ｏ２レーザ加工装置を用いて熱硬化してしまう材料から
成る金属ストリップ接合工程のワンステージ化により、
該接合■程のダウンタイムを減少すると共に溶接精製度
の向上を図つたものであり、その構成は、溶接したとき
に溶接部が硬化してしまう材料から成る金属ストリップ
の接続工程において、先行ストリップの終端部および後
行ストリップの始端部を必要量重ね合せて、集束したレ
ーザビームにより重ね切断し、次いで該切断部を突き合
せて集束したレーザビームにより突き合せ溶接し、更に
該溶接部にレーザビーム吸収被膜処理を施し、当該溶接
部に非集束したレーザビームを照射して加熱軟化するこ
とを特徴とする。以下に本発明を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

本発明はＣＯ２レーザビームを用いて金属ストリップ接
合工程を１ステージで行うものであり、該方法の実施に
用いる装置構成例を第２図に示す。第２図中８はＣＯ２
レーザ発振器、９は紙面に対し垂直方向に設けられるガ
イド軸、１０はレーザビーム集束用光学系を具えたレー
ザ加工用ヘッドであり、ガイド軸９に沿つて、紙面の垂
直方向に移動する。１１はレーザビーム、１２ａは先行
ストリップ、１２ｂは後行ストリップ、１３ａ，１３ｂ
は先行ストリップ１２ａ１後行ストリップ１２ｂを上下
左右の所定位置に固定するクランプであり、１４はクラ
ンプ１３ａ，１３ｂを上下左右方向に移動させるための
駆動機構である。

ＣＯ２レーザ発振器８で発振されたレーザビームは、主
にレーザビームの方向を転換する平面反射鏡からなる光
学系を介して、ガイド軸９に沿つてレーザ加工用ヘッド
１０に搬送され、さらにこのヘッド内でミラー或はレン
ズによつて集束され、高エネルギ密度のレーザビーム１
１としてストリップ１２ａ，１２ｂに照射される。加工
用ヘッド１０はガイド軸９に沿つて紙面に対して垂直方
向に任意速度で移動し、レーザ切断および溶接等を行な
う。また加工用ヘッド１０は上下方向にも移動可能に設
け、レーザビーム１１の焦点位置を金属ストリップの上
方ないし下方に設定できるようにしてあり、レーザビー
ム１１により金属ストリップを溶かさずに適当な温度に
加熱できるようになつている。該加工用ヘッド１０の上
下動機構の概略を第３図に示す。第３図において１０は
加工用ヘッドであり、１１はレーザビームである。該加
工用ヘッド１０は装置本体に固定される支持部３１と該
支持部３１に支えられ上下動する可動部３２とを具える
。該支持部３１には下方に突出したフレーム３７が設け
られ、該フレーム３７には駆動モータ３３と連結するネ
ジ軸３４および該ネジ軸３４の軸受３５が設けられ、該
ネジ軸３４に前記可動部３２のフランジ３８が螺合し、
該可動部３２はネジ軸３４の回転によつて上下動する。
更に可動部３２の内部にはレーザビーム１１を集束する
凸レンズ３６などの光学機器が組み込まれ、前記支持部
３１の内部を通じて送られるレーザビーム１１を金属ス
トリップ上に集束させる。この場合、前記可動部３２の
上下動によりレーザビーム１１の集束位置を上下に移動
し、金属ストリップ上に正確に合せることができる。ま
た、レーザビームの焦点Ｆの位置を大きく上下させる場
合、例えば溶接後、後熱処理のためレーザビームの焦点
Ｆの位置を上方に移動させる場合には第３図に示す駆動
機構とは別に第４図に示すように加工用ヘッド１０の内
部にレーザビーム１１の焦点位置が異なる複数の照射機
構を設ける。該照射機構を第４図に基づいて説明すると
、加工用ヘッド１０の内部に複数の反射鏡４１，４２を
並設し、第１反射鏡４１の回動によりレーザビーム１１
が第２反射鏡４２に送られるようにし、必要に応じてレ
ーザビーム１１の通路を切換える。これら各反射鏡４１
，４２の下方にはそれぞれ焦点距離の異なる凸レンズ４
３，４４を設け、反射されたレーザビーム１１を金属ス
トリップ上ないしその上方に集束して照射させる。尚、
レーザビーム１１は切断、溶接、後処理時に呼応してレ
ーザを照射し、それ以外の時にはレーザ加工用ヘッド１
０から照射されないように上記レーザビーム１１の通路
内にシャッタを設け、該シャッタの開閉機構を前記加工
工程に連動させる。一方、上記加工用ヘッド１０の下方
には金属ストリップ１２ａ，１２ｂを固定するクランプ
１３ａ，１３ｂを設け、更に該クランプ１３ａ，１３ｂ
は駆動機構１４により上下左右に移動できるようにし、
金属ストリップ１２ａ，１２ｂの搬送状態および切断、
溶接等の加工時に金属ストリップ１２ａ，１２ｂを所定
位置に合せて固定するようにする。次に上記加工装置を
用いた接合方法を具体的に説明する。まず、切断工程を
第５図により説明する。

先行ストリップ１２ａの後端部および後行ストリップ１
２ｂの始端部を必要量２枚重ねし、クランプ１３ａ，１
３ｂにより固定する。次にレーザ加工用ヘッド１０を紙
面垂直方向に金属ストリップ１２ａ，１２ｂを横断する
形で移動させ、レーザビーム１１を照射して金属ストリ
ップ１２ａ，１２ｂを重ね切断する。切断後、不要材１
５ａ，１５ｂを取り除き駆動機構１４により出側クラン
プ１３ａを金属ストリップ１２ｂの板厚分だけ上昇させ
る。その後レーザによる切断溝の巾を埋めるため駆動機
構１４によりクランプ１３ｂを金属ストリップ１２ａ，
１２ｂの進行方向に微小量移動し、一方、同様にクラン
プ１３ａを逆方向に微小量移動してルートギャップが０
Ｔｆ０！ＬのＩ型開先突合せ継手を形成する。これによ
りここを、レーザビーム１１が走査すれば特別な倣い装
置を必要とすることなく突合溶接が可能な状態となる。
なお、レーザビーム１１により鉄鋼を切断する場合は一
般にレーザ照射部に酸素噴流１６を吹付け鉄鋼を燃焼さ
せスラグを吹飛ばすという手法が採られる。ここで酸素
噴流１６を供給するノズルは切断ノズル１７となる。一
方、ステンレス鋼をレーザで切断する場合、軟鋼をレー
ザ切断する場合と比べ切断スラグの流動性が悪く酸素ガ
スで吹飛しても完全に母材から離れず切断精度が低下す
る懸念がある。そこでステンレス鋼ストリップに本発明
を適用した場合にもステンレス鋼のレーザ切断を高精度
にし、溶接開先に使用可能な切断部を得ることができる
ように本発明では、ステンレス鋼のレーザ切断の場合に
は酸素噴流中にある割合で鉄粉を混入させる。すなわち
、ステンレス鋼切断時のスラグ流動性の悪さは母材中の
クロムが酸化されて生成されるクロム酸化合物が原因で
あり、流動性に優る鉄酸化物の比率が増せば流動性は大
幅に向上する。したがつてステンレス鋼レーザ切断の精
度は大幅に向上し、軟鋼切断の場合と同等になる。むろ
ん切断ノズル１７はレーザ加工ヘッド１０に付属してレ
ーザビーム１１と同位置同速度で移動させる。次に溶接
工程を第６図により説明する。

前述の溶接開先のセッティングが完了した後、切断工程
と同一のレーザ加工ヘッド１０を用いてレーザ溶接する
。この場合、溶接線は前述の切断線と全く同一であるた
め溶接線倣い装置は不要であり、レーザ加工ヘッド１０
は前述の切断の時と全く同一のところを走行すれば良い
。従つて加工用ヘッド１０を前記ガイド軸９に沿つて金
属ストリップ１２ａ，１２ｂを横断するように走行させ
ながらレーザビーム１１を照射し、金属ストリップ１２
ａ，１２ｂを突合せ溶接する。この場合シールドガス溶
接を行う場合には前記切断ノズル１６と同様に加工用ヘ
ッド１０に追随して走行するガス供給ノズル１８を設け
、ここからＮまたはＨｅ等のシールドガス１９を溶接箇
所に吹出すようにする。次に溶接後の熱処理工程を第７
図により説明する。

本発明の対象としている金属ストリップは溶接部が硬化
してしまう材料からなるものであることから、この溶接
部を軟化させるために本工程を行うが、軟鋼以外の殆ん
どの材料例えば高張力鋼、低合金鋼、フェライト系ステ
ンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等では溶接後
の軟化熱処理が必要である。本発明における熱処理即ち
焼鈍工程は極めて簡便であり前述の溶接工程で用いたレ
ーザ加工用ヘッド１０を上方向に移動し、レーザビーム
１１の焦点Ｆを金属ストリップ１２ａ，１２ｂの表面位
置から外してレーザビーム照射面のパワー密度を小さく
し、金属ストリップを溶かさず適当な温度に加熱する。
この状態でレーザ加工用ヘッド１０を切断、溶接の時と
同様、紙面に垂直に走行させればレーザビーム１１は溶
接ビード２０を中心にその近傍を加熱し溶接部が軟化さ
れる。なお溶接後熱処理の際、レーザビーム１１が金属
ストリップ１２ａ，１２ｂにより反射されるので、溶接
後、レーザビーム吸収皮膜を金属ストリップ１２ａ，１
２ｂに施した後に溶接後の熱処理を行う。このレーザビ
ーム吸収皮膜処理としては金属、非金属の粉末塗布、塗
料の塗布、化成皮膜処理等が考えられるが本発明ではオ
ンラインで短時間のうちに皮膜処理をする必要があり、
このためには塗料塗布が最適である。この場合、溶接後
直ちにスプレー等で溶接部に塗料を塗布すればオンライ
ンて短時間のうちに皮膜処理できる。スプレーの方法と
しては第８図に示すように溶接線全長を一度に行う方法
や第９図に示すようにレーザ溶接の際に加工用ベッド１
０に追随してスプレーガン２１を走行させても良い。ま
た塗料の種類としては高温状態（７００〜８００゜Ｃ）
で安定な塗膜を維持するため、シリケート等の無機系塗
料が適当である。さらに板厚が厚い場合には溶接部の表
面のみを加熱する方法では金属ストリップ１２ａ，１２
ｂの表裏を一様に焼鈍できない。そこでこの場合には第
１０図に示すように、表裏両側よりレーザビーム１１を
照射すればよい。尚、第１０図のような焼鈍方法を採る
場合、第２図に示す加工用ヘッド１０に加えて他の加工
ヘッドを金属ストリップの下側にも追加し、２ヘッド設
ける。またこの２ヘッドにそれぞれレーザ発振器より発
生したレーザビームを送るため、レーザビーム１１を分
割する分割器と下側加工用ヘッドに至る通路とを付設す
る。以上説明した本発明の接合方法によれば次の効果が
ある。切断工程により、レーザ切断部が溶接開先となつ
て突合せ溶接部を形成する。この場合従来の抵抗溶接（
点溶接、シーム溶接等）アーク）溶接等に比べて継手強
度が高く、かつ溶接ビードの余肉が少ないため溶接ビー
ドの削り量（トリミング）の低減等の効果がある。

また、高精度切断部を得るレーザ切断を採用しているた
めドロスの付着等の問題もなく、そのまま溶接の開先と
して採用できる。この場合多少の凹凸があるため溶接ビ
ードの余肉が少なくなるという効果もある。更に前述し
たように完全に突合せ溶接しているため、継手の機械的
性質（引張強さ、曲け延性等）も良好である。また高エ
ネルギー密度を有するため従来の溶接法に比べて低入熱
溶接でき、広巾のストリップも１３ａ，１３ｂのクラン
プで容易に拘束できかつ溶接後の変形も少ない等高品質
な溶接ができる。以上のように、２枚重ね切断及び突合
せ溶接はＣＯ２レーザ加工装置１台で済むため従来３ス
テージで行なつていたストリップの接続工程を１ステー
ジ化でき、これにより従来に比べて４プロセスの簡易化
、および、＠上記工程時間の短縮等による生産量の増加
、ルーパ容積の消減による設備費の低減などを期待でき
る。

また低合金鋼、フェライト系並びにマルテンサイト系ス
テンレス鋼では溶接による熱影響部分、溶接部の著しい
熱硬化および曲げ延性の低下に対し、前述したように焦
点位置を変更することによりレーザビームを非集束ビー
ムにして溶接部に所定速度で照射すれば、溶接硬化部は
オーステナイト変態温度以下で加熱され軟化される。こ
の結果金属ストリップの曲げ延性も改善することができ
る。次に本発明の実施例を示す。

板厚４７ｍ１板巾１３００ｍｎのマルテンサイト系ステ
ンレス鋼板について本発明に係る接合方法を実施した。

まず、金属ストリップを２枚重ねにセットし、５ＫＷレ
ーザビームにより切断速度２ｍ′Ｍｉｎて重ね切断した
。切断ガスには酸素噴流を用い酸素圧力５．０ｋｔ１Ｃ
１ｔ、噴流速度は２００〜３００ｒｎ，／秒とした。ま
た酸素噴流に鉄粉を供給量１５０９ノＭｉｎの割合で混
入した。次に切断部を開先としてセットし、５ＫＷレー
ザビームで溶接した。ここで、シールドガスはＨｅｌＯ
ｅ′Ｍｉｎｌ速度３ｒｎ，１ｍｉｎである。また更に溶
接の進行に追随してスプレーによりシリケート質の無機
塗料を溶接と同時に塗布した。尚、無機系耐熱塗料は１
０００℃まで健全な塗膜を維持しうるものを用いた。そ
の後溶接後熱処理による焼鈍軟化処理を施した。まず、
レーザ加工用ヘッドを上方に移動させてレーザビーム焦
点を金属ストリップ表面から上方に移動させる。レーザ
ビーム照射径は約１０Ｗ０！ｌ程度とする。この径では
レーザビームパワ密度が低いため、金属ストリップ表面
を溶融することなく加熱できる。このままの状態でレー
ザ加工用ヘッドを溶接線に沿つて１０７ｎＩｍｉｎの速
度で走行させ、５ＫＷレーザビームで加熱する。尚、必
要に応じ数回ヘッドを往復走行させる。本実施例では３
回走行させた。ここで表裏両側からレーザビームを照射
すればさらに効果がある。以上の結果、重ね切断部は鉄
粉添加の酸素噴流を用いることで切断精度が軟鋼板と同
程度に改善されそのまま溶接開先として使用することが
できレーザ溶接により、無欠陥でしかも熱変形、余盛の
極めて少ない溶接部が得られる。また継手強度も母材と
同等以上の特性を有し良好てあつた。尚、溶接金属、熱
影響部はビッカース硬さで４５０以上に硬化し、プロセ
スラインも通板させるのに適正な硬さ即ちビッカース硬
さ３００まで軟化焼鈍する必要があつたが上記溶接後の
加熱焼鈍により溶接部はビッカース硬さ２９０程度に軟
化し、曲げ延性のある、健全な溶接部を得た。

【図面の簡単な説明】

第１図は連続酸洗設備の概略説明図、第２図ないし第１
０図は本発明に係る接合方法を示す説明図であり、第２
図は加工装置の概略を示す説明図、第３図は該加工装置
の加工用ヘッド部分の説明図、第４図は該加工用ヘッド
部分の集束機構を示す概略図、第５図は切断工程の説明
図、第６図は溶接工程の説明図、第７図は溶接後の熱処
理工程の説明図、第８図は皮膜塗布方法の一例を示す説
明図、第９図は皮膜塗布の他の方法を示す説明図、第１
０図は金属ストリップの表裏面を同時に熱処理する例を
示す説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶接したときに溶接部が硬化してしまう材料から成
   る金属ストリップの接続工程において、先行ストリップ
   の終端部および後行ストリップの始端部を必要量重ね合
   せて、集束したレーザビームにより重ね切断し、次いで
   該切断部を突き合せて集束したレーザビームにより突き
   合せ溶接し、更に該溶接部にレーザビーム吸収被膜処理
   を施し、当該溶接部に非集束したレーザビームを照射し
   て加熱軟化することを特徴とする金属ストリップの接合
   方法。