(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先行鋼片と後行鋼片を圧接して接合するときに行われる、先行鋼片の後端部と後行鋼片の先端部を突き合わせてレーザ仮付け溶接する方法において、（２×最大目外れ量Ｅ［ｍｍ］−溶融幅ｗ［ｍｍ］）／２＋余裕Ｙ［ｍｍ］を振幅ａ［ｍｍ］とし、４ａ／｛（３〜１００）×必要溶接速度Ｖｏ  ［ｍ／ｍｉｎ  ］｝を周期Ｔ［ｓｅｃ  ］としてレーザビームを溶接方向に対して直角方向に振動させることを特徴とするレーザ仮付け溶接方法。
【請求項２】
溶接速度Ｖおよびレーザ出力Ｐの値を種々組み合わせて先行鋼片と後行鋼片とをレーザ溶接し、その溶接断面から溶接速度Ｖ、およびレーザ出力Ｐに対する溶融部断面積Ｓの関係Ａおよび溶融幅ｗの関係Ｂをそれぞれ求め、必要溶融部断面積Ｓｏ  （２×最大目外れ量Ｅ×必要溶融深さＤｏ  ）から上記関係Ａに基づき必要レーザ出力Ｐｏ  および必要溶接速度Ｖｏ  を求め、必要レーザ出力Ｐｏ  および必要溶接速度Ｖｏ  から上記関係Ｂに基づき溶融幅ｗを求める請求項１記載のレーザ仮付け溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、シートバーやスラブなどの熱間圧延鋼片の接合する際に行われるレーザ仮付け溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シートバーやスラブなどの鋼片の熱間圧延では、先行鋼片の後端部と後行鋼片の前端部とを接合することが行われている。これら鋼片は、厚みが２０〜８０  ｍｍ  、幅が６００〜２０００  ｍｍ  程度である。また、鋼片の温度は１０００℃前後である。この鋼片の接合方法の一つとして、先行鋼片の後端部と後行鋼片の前端部とを突き合わせ、突合せ部に沿って仮付け溶接し、引き続き仮付け溶接した鋼片を鋼片厚み方向に圧下して両鋼片を接合する方法が周知である。
【０００３】
上記仮付け溶接にレーザ溶接が用いられることも知られている。たとえば、ＷＯ．９４／６８３８号公報には、圧延中の先行圧延材の後端部と後行圧延材の先端部とを突き合わせた後、突合せ部をレーザビームにより溶接して連続圧延を行う方法が開示されている。レーザビームは、レンズまたは凹面鏡でレーザビームを円形に集光してエネルギ密度を高くできる。このため、集光照射部の鋼は瞬時に蒸発して鋼片表面にキーホールが発生する。レーザ溶接では、このキーホールを溶接線に沿って移動し、鋼片を接合溶接する。すなわち、キーホールの移動に伴い周辺の鋼が溶融して溶融プールが形成され、溶融プール後方から溶融鋼が凝固して溶接が完了する。
【０００４】
鋼片の先端部および後端部は、走間シャーなどで切断される。鋼片の性状や切断方法などによって切断部の形状が直線とはならず、曲線になることは避けられない。このため、図１に示すように突合せ位置が溶接基準線ＬからＥだけずれて突合せ線が曲線になる。したがって、レーザビームを突合せ線に沿って移動しなければならない。また、このようにレーザビームを突合せ線に沿って移動しても、ギャップ、溶接ヘッドの振れ、開先の寸法誤差、開先位置の計測誤差などにより、レーザビームが突合せ部からずれる目外れが起きる場合がある。この目外れがある程度以上大きくなると、レーザビームの照射が突合せ部からずれて、溶接不良が発生する。
【０００５】
目外れにより発生する溶接不良を防止するための方法として、レーザビームの集光照射位置を高精度に制御して、鋼片の突合せ部からずれないようにする方法がある。しかしこの方法は、高精度の開先位置計測装置および溶接ヘッドの倣い制御装置を必要とし、接合装置の大型・複雑化を招くという欠点がある。
【０００６】
これとは別の方法として、溶接速度を低速にして、溶融幅を拡大して目外れをなくす方法がある。しかしこの方法では、溶接速度を低速にするため溶接時間が長くなり、コスト高になる。また、溶接速度が圧延ライン速度に追従できない場合、圧延ライン速度を落とさねばならず、生産効率の低下を招くという問題がある。さらに、溶接部の熱影響層が広くなり、機械的な強度が低下して次の圧延工程で接合部破断の原因となるという問題もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、鋼片接合装置の小型・簡単化を図ることができ、鋼片を高速で目外れなく仮付け溶接することができるレーザ仮付け溶接方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ仮付け溶接方法は、先行鋼片と後行鋼片を圧接して接合するときに行われる、先行鋼片の後端部と後行鋼片の先端部を突き合わせてレーザ仮付け溶接する方法において、（２×最大目外れ量Ｅ［ｍｍ］−溶融幅ｗ［ｍｍ］）／２＋余裕Ｙ［ｍｍ］を振幅ａ［ｍｍ］とし、４ａ／｛（３〜１００）×必要溶接速度Ｖｏ  ［ｍ／ｍｉｎ  ］｝を周期Ｔ［ｓｅｃ  ］としてレーザビームを溶接方向に対して直角方向に振動させる。
【０００９】
最大目外れ量Ｅは、溶接基準線Ｌから測った目外れの最大値である。最大目外れ量Ｅは、鋼片の寸法、先後端部の切断形状、レーザ加工ヘッドの機械的設定精度などによって異なり、実測して得られる。
【００１０】
溶融幅ｗは、次のようにして求めることができる。まず、溶接速度Ｖおよびレーザ出力Ｐの値を種々組み合わせて先行鋼片と後行鋼片とをレーザ溶接し、その溶接断面から溶接速度Ｖ、およびレーザ出力Ｐに対する溶融部断面積Ｓの関係Ａおよび溶融幅ｗの関係Ｂをそれぞれ求める。そして、必要溶融部断面積Ｓｏ  （２×最大目外れ量Ｅ×必要溶融深さＤｏ  ）から上記関係Ａに基づき必要レーザ出力Ｐｏ  および必要溶接速度Ｖｏ  を求め、必要レーザ出力Ｐｏ  および必要溶接速度Ｖｏ  から上記関係Ｂに基づき溶融幅ｗを求める。なお、上記溶融幅ｗは、レーザビームを振動させない状態で溶接した場合の溶融幅である。
【００１１】
必要溶融深さＤｏ  は、先行鋼片と後行鋼片を圧接して接合する際に、破断が生じない強度を与えるレーザ仮付け溶接部の溶融深さをいう。余裕Ｙはレーザビーム振動装置の駆動誤差、目外れのばらつきなどを考慮したものであり、０．１〜１  ｍｍ  程度である。
【００１２】
振幅ａが（２×最大目外れ量Ｅ−溶融幅ｗ）／２＋余裕Ｙ未満であると、目外れが発生する。振幅ａが上記振幅を超えると、必要以上に鋼片を溶融することとなり、不経済である。周期Ｔが振幅ａ／（３×必要溶接速度Ｖｏ  ）を超えると、十分な溶融深さが得られない箇所が溶接線方向について生じる、つまり接合部の強度が不足する箇所が生じる。また、周期Ｔが振幅ａ／（１００×必要溶接速度Ｖｏ  ）未満であると、振動機構の高速化が困難となり、設備が高額となる。
【００１３】
（２×最大目外れ量Ｅ−溶融幅ｗ）／２＋余裕Ｙの振幅ａでレーザビームを振動させるので、溶融幅が拡大され、目外れはなくなる。また、振幅ａ／｛（３〜１００）×必要溶接速度Ｖｏ  ｝の周期Ｔでレーザビームを振動させるので、突合せ部全長にわたって溶融部が均一となり、圧接時に接合部が破断しない強度が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明において接合する鋼片は、厚み２０〜５０ｍｍのシートバーもしくはスラブであり、温度は９００〜１２００℃である。先行鋼片の後端部と後行鋼片の先端部は、走間シャーやレーザ切断装置などによって形状を整えてから、突き合わせてレーザ仮付け溶接を行うことが望ましい。レーザ仮付け溶接は、たとえば出力２５〜５０ｋＷの連続波ＣＯ２  レーザ発振器を用い、圧延ライン上を走行する鋼片の突合せ部に沿って、レーザビームを照射するようにしてもよい。レーザ集光位置を振動させる方法としては、加工点にレーザを集光する集光光学素子を振動させる方法が適している。
【００１５】
図２は、実験で得られた溶接速度Ｖ、およびレーザ出力Ｐに対する溶融部断面積の関係Ａの一例を示している。図２は、近似的に、溶融部断面積Ｓ＝レーザ出力Ｐ×（溶接速度Ｖ）−１で表されることを示している。図３は、レーザ出力Ｐが４５  ｋＷ  のときの溶接速度Ｖと溶融幅ｗとの関係を示している。
【００１６】
振幅ａを求めるには溶融幅ｗを必要とするが、溶融幅ｗは、上記図２および図３から求められる。すなわち、接合部の強度から決められた必要溶融深さＤｏ  から、溶融部断面積Ｓを仮決めする。溶接速度Ｖは、圧延ラインで必要とする最低速度以上であれば任意であるが、設備コストの低減を図るためにレーザ出力を勘案して仮決めする。これら仮決めされた溶融部断面積Ｓおよび溶接速度Ｖに基づき、図２からレーザ出力Ｐを求める。ついで、レーザ出力Ｐおよび溶接速度Ｖに基づき、図３から溶融幅ｗを求める。求めた溶融幅ｗが２×最大目外れ量Ｅを超える場合、更にレーザビームを振動させて溶融幅を広げることは無駄である。このような場合、レーザ集光光学系を調整して、２×最大目外れ量Ｅ以下となる溶融幅とする。
【００１７】
【実施例】
熱間圧延シートバーの接合を例とし、図４および図５に基づきこの発明の実施例を説明する。図４は熱間圧延設備に設けられた鋼片接合設備を模式的に示す側面図であり、図５は同設備の平面図である。
【００１８】
図４および図５に示した鋼片接合設備において、Ａ方向に走行するシートバー１、３の先端部および後端部は走間シャー１１でバー幅方向に沿って切り落とされ、直線状の接合面が形成される。ついで、先行シートバー１の後端面と後行シートバー３の前端面とを突き合わせ、この直線状の突合せ部５をレーザ溶接で仮付け溶接７する。仮付け溶接７に引き続いて、連続熱間圧延機列１６において、圧延機１７により、両シートバー１、３を連続的に圧延して、シートバー１とシートバー３の接合は完了する。
【００１９】
シートバー１、３は、長さが２０ｍ  、幅が１１００  ｍｍ  、厚みは８０  ｍｍ  である。また、接合面を形成した時点でのシートバー１、３の温度は１０００℃である。シートバー１、３の送り速度は、８０ｍ／ｍｉｎ  である。レーザ発振器１３は連続波ＣＯ２  レーザ発振器であり、定常出力は４５  ｋＷ  である。レーザ発振器１３から出射されたレーザビームは、レーザビーム伝送光学系１４を介して、レーザ加工ヘッド１５に伝送される。レーザ発振器１３は固定されているが、レーザ加工ヘッド１５はシートバー１、３と同期して移動しながら突合せ部５に沿って一定速度５ｍ／ｍｉｎ  で移動する。
【００２０】
レーザ加工ヘッド１５の構造の概略側面図を図６に示す。この加工ヘッド１５は伝送されたレーザビームをパラボラミラー２１によって集光し、ガルバノミラー２５で反射してシートバー１、３表面に照射する。ガルバノミラー２５はミラー振動装置２２によって回転中心軸２３回りを揺動し、レーザビームはシートバー１、３表面の集光位置で溶接基準線Ｌを横切るように振動する。
【００２１】
上記装置でシートバーを接合した例について説明する。
【００２２】
シートバー寸法は、上記のとおりである。必要溶融深さＤｏ  は４０  ｍｍ  （シートバー厚みの５０％）、必要溶接速度Ｖｏ  は５ｍ／ｍｉｎ  が与えられている。溶融幅ｗは、１．０  ｍｍ  であり、必要レーザ出力Ｐｏ  は４５ｋＷであった。また、最大目外れ量Ｅは、１．１  ｍｍ  であり、余裕Ｙは０．１５  ｍｍ  とした。これらの値から、レーザビームを振幅ａ０．７５  ｍｍ  、周期Ｔ０．０１ｓｅｃ  （振動数ｆ：１００Ｈｚ）で振動させ、レーザ仮付け溶接を行った。その結果、レーザ仮付け溶接したシートバー１、３を後段の熱間圧延機列１６により連続的に圧延して、シートバー１とシートバー３を圧接して接合を行ったが、破断は発生しなかった。一方、周期を０．１ｓｅｃ  とし、周期以外は、上記と同じ条件でレーザ仮付け溶接した。その結果、シートバーは圧延により接合部が破断した。
【００２３】
【発明の効果】
この発明の方法によるレーザ仮付け溶接では、突合せ部に十分な幅と深さの溶融部を形成することができ、仮付け溶接不良に起因して圧接時に発生する鋼片の破断を防止することができる。また、レーザビームを振動させるだけであるから、鋼片接合装置の小型・簡単化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は溶融部断面を模式的に示す図面であり、（ｂ）は鋼片突合せ線の溶接基準線からのずれを示す図面である。
【図２】溶接速度およびレーザ出力に対する、溶融部断面積の関係を示すグラブである。
【図３】溶接速度およびレーザ出力に対する、溶融幅の関係を示すグラフである。
【図４】この発明の方法を実施する鋼片接合設備の一例を模式的に示す側面図である。
【図５】図４に示す設備の平面図である。
【図６】レーザ加工ヘッドの構造を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１  先行シートバー
３  後行シートバー
５  突合せ部
７  仮付け溶接
１１  走間シャー
１３  レーザ発振器
１４  レーザビーム伝送光学系
１５  レーザ加工ヘッド
１６  圧延機列
２１  パラボラミラー
２２  ミラー振動装置
２３  回転中心軸
２５  ガルバノミラー
２７  ミラー振動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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