(57)【要約】【課題】クラッド鋼材を安定且つ安価に製造することができるクラッド鋼の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、母材に合わせ材を接合したクラッド鋼材の製造方法において、それぞれの接合すべき面が清浄化された母材および合わせ材を２枚以上積層させ、０．１ｋＰａ以下の真空中で、ファイバー伝送が可能な波長を有するレーザビームにより、母材と合わせ材の接合面の周縁部を溶接して組立スラブを作製し、作製した組立スラブを熱間または温間で圧延する。【選択図】図２
2016150342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に合わせ材を接合したクラッド鋼材の製造方法において、
接合すべき面が清浄化された母材と、接合すべき面が清浄化され、母材よりも一回り小さい合わせ材とを積層させ、
母材および合わせ材を積層させたもの２対を、さらにそれぞれの母材が外側となるように重ね合わせ、
重ね合わせの際に合わせ材同士の間に剥離材を挿入し、
合わせ材の四辺に、隙間を介して母材と同じ材質のスペーサーを配置することにより、合わせ材の四辺を囲み、
母材とスペーサーを、真空度０．１ｋＰａ以下の真空中で溶接して組立スラブを作製し、
作製した組立スラブを熱間または温間で圧延するクラッド鋼材の製造方法。
【請求項２】
母材とスペーサーとは、ファイバー伝送が可能な波長を有するレーザビームにより溶接する請求項１に記載のクラッド鋼材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のクラッド鋼材の製造方法に用いられるクラッド鋼材の製造装置であって、
真空度０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能な真空容器と、
レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバーと、プロセスファイバーの先端に接続された溶接ヘッドを有するファイバーレーザ溶接装置を備え、
ファイバーレーザ溶接装置は、真空容器中に少なくとも溶接ヘッドが収容され、母材とスペーサーとの間を溶接するクラッド鋼材の製造装置。
【請求項４】
ファイバーレーザ溶接装置のレーザビームのエネルギー密度が２５ｋＷ/ｍｍ２以上である請求項３に記載のクラッド鋼材の製造装置。
【請求項５】
母材と母材よりも一回り小さい合わせ材とが積層されたもの２対が、それぞれの母材が外側となるように重ね合わせられており、
合わせ材同士の間に剥離材が挿入され、
合わせ材の四辺に、隙間を介して母材と同じ材質のスペーサーが配置されることで、合わせ材の四辺がスペーサーによって囲まれており、
母材とスペーサーとが溶接されている組立スラブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材に合わせ材を積層したクラッド鋼材の製造方法、組立スラブ、およびクラッド鋼材の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クラッド鋼材は、普通鋼の母材にステンレス鋼やチタンの合わせ材を積層被覆した鋼材である。クラッド鋼材は、ステンレス鋼やチタンなどを単独で使用する場合に比べて、低コストで同等の耐食性や耐摩耗性などの機能を発揮する。このため、材料費削減の観点から、近年、その需要は増加している。
【０００３】
このようなクラッド鋼材の製造方法としては、母材と合わせ材とを重ね合わせ、合わせ面の周縁部を溶接して組立スラブを作製し、これを加熱・圧延する方法が一般的である。この方法は、爆発圧着（爆着）などによる他のクラッド鋼の製造方法に比べて、寸法精度や生産性の点で優れている。
【０００４】
組立スラブの製造方法としては、種々の技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、同種あるいは異種金属板を２枚以上積層させ、電子ビームを用いて真空度１５Ｐａ以下の真空中で密閉溶接した後、熱間あるいは温間圧延を行い、クラッド金属板を得る方法において、積層金属板の接合面周辺に溶加材を供給しながら接合面に対し平行もしくは斜角に電子ビームを照射して密閉溶接を行う方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、清浄化した接合面間に金属箔から成る媒接材を挿入して合わせ材と母材とを重ね合わせ、更に重ね合わせた”合わせ材と母材”の２対を母材が外側となるように重ねると共に、合わせ材の端部に母材と同種材質のスペーサーを配して合わせ材を母材とスペーサーとで包み込んだ後、真空中にて母材とスペーサーの高エネルギービーム溶接を行うことを特徴とする、クラッド鋼材製造用複合スラブの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−４５４８５号公報
【特許文献２】特開平４−３０５３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、母材と合わせ材の接合面の溶接に電子ビーム溶接を適用することが前提とされている。図１に示す従来のクラッド鋼の断面図を用いて、特許文献１の問題点について説明する。特許文献１では、母材１と合わせ材２が異種金属であるため、その磁気特性の違いなどの影響により電子ビームに曲がりが生じて、溶接部３の溶込みが接合面から偏向し、接合面での溶込み深さが不足することがある。
【０００９】
このため、組立スラブを電子ビーム溶接にて製造する際には、電子ビームの照射位置を接合界面から予めずらして溶接するなどの対策が採られており、接合面での溶込み深さが不足することがあり、安定的にクラッド鋼を製造することができない。
【００１０】
特許文献２に記載の技術では、母材と同種材質のスペーサーを配し、合わせ材の四辺を同種材料で包み込み、同種材料のスペーサーと母材とを溶接しているため、電子ビーム溶接であってもビーム偏向の影響は防止することができる。
【００１１】
しかしながら、特許文献２では、組合せスラブの内側では、合わせ材同士が直接接触しているため、クラッド圧延後に同時製造された２つのクラッド鋼材が圧延条件によって密着する可能性がある。密着した状態にある２つのクラッド鋼材を分離するためには、大型の専用装置などが必要となり、その分、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、クラッド鋼材を安定且つ安価に製造することができるクラッド鋼材の製造方法、組立スラブ、およびクラッド鋼材の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］  母材に合わせ材を接合したクラッド鋼材の製造方法において、
接合すべき面が清浄化された母材と、接合すべき面が清浄化され、母材よりも一回り小さい合わせ材とを積層させ、
母材および合わせ材を積層させたもの２対を、さらにそれぞれの母材が外側となるように重ね合わせ、
重ね合わせの際に合わせ材同士の間に剥離材を挿入し、
合わせ材の四辺に、隙間を介して母材と同じ材質のスペーサーを配置することにより、合わせ材の四辺を囲み、
母材とスペーサーを、真空度０．１ｋＰａ以下の真空中で溶接して組立スラブを作製し、
作製した組立スラブを熱間または温間で圧延するクラッド鋼材の製造方法。
［２］  母材とスペーサーとは、ファイバー伝送が可能な波長を有するレーザビームにより溶接する［１］に記載のクラッド鋼材の製造方法。
［３］  ［１］または［２］に記載のクラッド鋼材の製造方法に用いられるクラッド鋼材の製造装置であって、
真空度０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能な真空容器と、
レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバーと、プロセスファイバーの先端に接続された溶接ヘッドを有するファイバーレーザ溶接装置を備え、
ファイバーレーザ溶接装置は、真空容器中に少なくとも溶接ヘッドが収容され、母材とスペーサーとの間を溶接するクラッド鋼材の製造装置。
［４］  ファイバーレーザ溶接装置のレーザビームのエネルギー密度が２５ｋＷ/ｍｍ２以上である［３］に記載のクラッド鋼材の製造装置。
［５］  母材と母材よりも一回り小さい合わせ材とが積層されたもの２対が、それぞれの母材が外側となるように重ね合わせられており、
合わせ材同士の間に剥離材が挿入され、
合わせ材の四辺に、隙間を介して母材と同じ材質のスペーサーが配置されることで、合わせ材の四辺がスペーサーによって囲まれており、
母材とスペーサーとが溶接されている組立スラブ。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、クラッド鋼材を安定且つ安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の製造方法を用いて製造されたクラッド鋼材の断面図を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る組立スラブを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るクラッド鋼材の製造方法に用いられる製造装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、母材と合わせ材を重ね合わせた組立スラブを圧延してクラッド鋼材を製造する方法において、溶接欠陥がなく品質に優れた接合面を有する組立スラブの合理的且つ簡便な製造方法に関して、鋭意検討を実施した。
【００１７】
組立スラブとして良好な接合面を維持するためには、母材および合わせ材の接合面に酸化スケールなどが存在しないことが必須であり、さらにその接合面を密閉する溶接は真空中で実施する必要がある。
【００１８】
また、合わせ材同士の間に剥離材を挿入することで、圧延後に同時製造された２つのクラッド鋼材を容易に分離できるとの知見を得た。
【００１９】
本発明は、係る知見に基づいて、さらに検討を重ねて完成したものである。
【００２０】
図２は、本発明の実施の形態に係るクラッド鋼材の組立スラブを示す断面図である。
【００２１】
この組立スラブは、接合すべき面が清浄化された母材１と、接合すべき面が清浄化され、母材１よりも一回り小さい合わせ材２とが積層されたもの２対を、さらに、それぞれの母材１が外側となるように重ね合わせている。
【００２２】
合わせ材２同士の間には、剥離材４が挿入されている。剥離材４としては、例えば、アルミナ系バインダーや、シリカ系バインダーなどのセラミックバインダーを用いることができる。合わせ材２の四辺には、隙間６を介して、母材１と同じ材質のスペーサー５が配されており、これにより、合わせ材２の四辺をスペーサー５で囲んでいる。
【００２３】
母材１とスペーサー５との間は、溶接されている。隙間６は、母材１とスペーサー５の溶接部３が、合わせ材２に達しないように設けられている。
【００２４】
このように、本発明に係る組立スラブは、合わせ材２同士の間に、剥離材４を挿入することで、圧延後に同時製造された２つのクラッド鋼材を容易に分離することができるように構成されている。
【００２５】
次に、このように構成された組立スラブの製造方法について説明する。
【００２６】
母材１および母材１よりも一回り小さい合わせ材２のそれぞれの接合すべき面を洗浄する。接合すべき面に酸化スケールなどが残存していると熱間または温間で接合圧延しても上手く接合できないため、母材１および合わせ材２とも接合すべき面は清浄化（酸洗や研磨により酸化スケールを完全に除去）する必要がある。
【００２７】
接合すべき面が清浄化された母材１と合わせ材２を積層させる。母材１および合わせ材２を積層させたもの２対を、さらに、それぞれの母材１が外側となるように重ね合わせ、その際に合わせ材２同士の間に剥離材４を挿入する。
【００２８】
合わせ材２の四辺に、隙間６を介して母材１と同じ材質のスペーサー５を配置して、合わせ材２の四辺を囲む。そして、母材１とスペーサー５を、０．１ｋＰａ以下の真空中で溶接して組立スラブを作製する。真空度０．１ｋＰａ以下の真空状態とすることで、接合界面の酸化を防止することができる。０．１ｋＰａを超えると真空度が不完全であるため、接合面に酸化物が生成するようになる。真空度は０．１ｋＰａ以下とする。なお、好ましくは真空度０．０１ｋＰａ以下である。
【００２９】
作製した組立スラブを熱間または温間で圧延した後、剥離材４の上下に製造されたクラッド鋼材を、剥離材４の位置から剥がすことで、２つのクラッド鋼材を製造することができる。
【００３０】
このように、本発明に係るクラッド鋼材の製造方法では、合わせ材２同士の間に、剥離材４を挿入することで、圧延後に同時製造された２つのクラッド鋼材を容易に分離することができ、従来のように、クラッド鋼材を分離させる大型の専用装置が不要となり、製造コストを低減させることができる。
【００３１】
なお、母材１とスペーサー５を溶接する際には、電子ビームを用いて溶接してもよいが、以下のようなファイバーレーザ溶接装置を用いた製造装置を用いることができる。
【００３２】
図３は、本発明の実施の形態に係るクラッド鋼材の製造方法に用いられる製造装置を示す図である。このクラッド鋼材の製造装置１００は、真空容器１０と、ファイバーレーザ溶接装置１１を備えている。
【００３３】
真空容器１０は、容器内の真空度を０．１ｋＰａ以下の真空状態に保つことが可能である。
【００３４】
ファイバーレーザ溶接装置１１は、レーザ発振器１２と、レーザ発振器１２から出射されたレーザ光を伝送するプロセスファイバー（光ファイバー）１３と、プロセスファイバー１３の先端に接続された溶接ヘッド１４を有している。溶接ヘッド１４は、プロセスファイバー１３によって伝送されたレーザ光を、レンズにより集光し、レーザビームを出射する。溶接ヘッド１４は、真空容器１０中に収容されており、母材１とスペーサー５との間にレーザビームを出射することで、母材１とスペーサー５を接合し、組立スラブを作製する。
【００３５】
なお、ファイバーレーザ溶接装置１１のレーザビームのエネルギー密度は２５ｋＷ/ｍｍ２以上とすることが好ましい。レーザビームのエネルギー密度はレーザ溶接部の品質に重要な影響を与えるものであり、エネルギー密度が低すぎると溶接部３の十分な溶込み深さが得られず、接合面に生じる隙間の変動に対する許容度も小さくなる。このため、レーザビームのエネルギー密度は２５ｋＷ/ｍｍ２以上とする。
【００３６】
なお、ファイバーレーザ溶接装置１１は、少なくとも溶接ヘッド１４が真空容器１０内に設置されていればよく、ファイバーレーザ溶接装置１１のレーザ発振器１２は、真空容器１０内に配置してもよい。
【００３７】
さらに、本発明では、母材１およびスペーサー５の溶接するレーザとして、ファイバー伝送が可能な波長を有するファイバーレーザ溶接装置１１を用いることで、真空容器１０内へのレーザビームの取り回しを容易とすることができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
本発明によりクラッド鋼材を製造した。母材（２枚）、合わせ材（２枚）、スペーサー（４体）、剥離材の材質および寸法緒言は下記の通りである。
【００３９】
母材：ＳＭ４００      １００ｍｍ厚×１２５０ｍｍ幅×２０００ｍｍ長
合わせ材：ＳＵＳ３０４      ２０ｍｍ厚×１０００ｍｍ幅×１７００ｍｍ長
スペーサー：ＳＭ４００
剥離材：アルミナ系バインダー
次いで、上記材料の接合すべき面を電動サンダーにて研磨することで清浄化した後、図２に示すように積層し、真空容器（真空室）内（真空度：０．０１ｋＰａ）でファイバーレーザ溶接にて密封溶接して熱間圧延用複合スラブを作製した。レーザ溶接条件は下記の通りである。
【００４０】
レーザ出力：２５ｋＷ
溶接速度：０．５ｍ/ｍｉｎ
エネルギー密度：３２ｋＷ/ｍｍ２
この時の接合面の溶込み深さは約２５ｍｍであった。
【００４１】
上記複合スラブを１２５０℃で均一加熱した後、熱間圧延し、板厚２０ｍｍ（母材）＋４ｍｍ（合わせ材）の２枚のクラッド鋼材を製造した。
【００４２】
得られたクラッド鋼材の接合面全面に渡って超音波検査を実施したが、欠陥エコーは検出されなかった。さらに接合界面のせん断強度は３６０Ｎ/ｍｍ２で良好な特性が得られた。
（実施例２）
本発明によりクラッド鋼材を製造した。母材（２枚）、合わせ材（２枚）、スペーサー（４体）、剥離材の材質および寸法緒言は下記の通りである。
【００４３】
母材：ＳＭ４００      １５０ｍｍ厚×１５００ｍｍ幅×３２００ｍｍ長
合せ材：ＳＵＳ４３０      ３０ｍｍ厚×１３００ｍｍ幅×３０００ｍｍ長
スペーサー：ＳＭ４００
剥離材：アルミナ系バインダー
次いで、上記材料の接合すべき面を電動サンダーにて研磨することで清浄化した後、積層し、真空容器（真空室）内（真空度：０．００５ｋＰａ）でファイバーレーザ溶接にて接合面を密封溶接して組立スラブを作製した。レーザ溶接条件は下記の通りである。
【００４４】
レーザ出力：３０ｋＷ
溶接速度：０．３ｍ/ｍｉｎ
エネルギー密度：３８ｋＷ/ｍｍ２
この時の接合面の溶込み深さは約３０ｍｍであった。
【００４５】
上記組立スラブを１２５０℃で均一加熱した後、熱間圧延し、板厚３０ｍｍ（母材）＋６ｍｍ（合わせ材）の２枚のクラッド鋼材を製造した。
【００４６】
得られたクラッド鋼材の接合面全面に渡って超音波検査を実施したが、欠陥エコーは検出されなかった。さらに接合界面のせん断強度は３７０Ｎ/ｍｍ２で良好な特性が得られた。
【符号の説明】
【００４７】
１    母材
２    合わせ材
３    溶接部
４    剥離材
５    スペーサー
６    隙間
１０    真空容器
１１    ファイバーレーザ溶接装置
１２    レーザ発振器
１３    プロセスファイバー（光ファイバー）
１４    溶接ヘッド
１００    クラッド鋼材の製造装置
【図１】
2016150342.tif 000003
【図２】
2016150342.tif 000004
【図３】
2016150342.tif 000005