JP3621794B2 - 走行板材のレーザ接合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材などの連続熱間圧延設備などにおいて、走行中の先行板材後端と後行板材先端とを突合せ接合するためのレーザ接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼材などの熱間圧延設備は、加熱したスラブを粗圧延機により中間板厚の板材とし、ついで仕上圧延機列により製品板厚まで圧延し、ランナウトテーブルを走行させ、コイラーで巻き取る連続工程からなっている。しかし、粗圧延から巻取りまで、１本のスラブ毎に行っており、個々の板材先端部の通板性によるトラブルや、先端部および後端部の形状不良、板厚精度不良等による歩留まり低下といった問題があった。
【０００３】
近年、粗圧延後の板材同士を突合せ接合することにより、仕上圧延機列を連続的に通板し、コイラーの前で分割する連続熱間圧延法が採用され始め、上記従来の問題点の解決が期待されている。突合せ接合は、走行中の先行板材の後端に後行板材の先端を接合するもので、両板材と同速度で走行する台車に載置した設備により行われる。
【０００４】
板材同士の突合せ接合手段として、従来からレーザビームによる溶接法が知られている。例えば、鋼帯の連続焼鈍設備などにおいては、先行板材の後端と後行板材の先端を突合せ、突合せ部の線上に沿ってトーチを移動させ、レーザビームを突合せ部に照射して溶接している。このレーザビームにより溶接や切断等の加工を行う装置において、レーザビームの伝送は反射ミラーを使用して行われ、従来、様々のものが知られている。例えば、特開昭６２−１９２２８４号公報には、複数のレーザビームを、平面鏡および凹面鏡（インテグレーションミラーと記載されている）を使用して被加工物に照射する加工装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザにより板材を突合せ接合するには、レーザビームを突合せ部に正確に照射しなければならない。そのため、突合せ部の形状を適正なものとする必要があり、先行板材の後端部および後行板材の先端部のクロップを、あらかじめシャー等により切断除去する。
【０００６】
しかし、上記熱間圧延設備等において、粗圧延後の板材端部にはキャンバーと呼ばれる板幅方向の反りが存在するので、上記のようにクロップを切断除去した後の後端および先端の形状は、走行方向に対し直角にならない場合が多く、また切断刃の直線性にも問題があった。そのため、先行板材の後端と後行板材の先端との突合せ部は、必ずしも両板材の走行方向に直角な直線とはならない。
【０００７】
そこで、突合せ部を検出し、検出された突合せ部にレーザビームを照射するための倣い同調機構が必要である。そして、レーザ接合装置は板材と同速度で走行する台車上に載置されるので、倣い同調機構も台車上に設け、レーザビームを照射するためのトーチを、台車上で突合せ部に沿って板幅方向に移動させつつ、該倣い同調機構により、板材の走行方向に、台車に対して相対移動させる。
【０００８】
しかしながら、上記走行台車は、板材の走行により、また台車自身の走行によって振動するので、該振動によりレーザビームが突合せ部からずれるおそれがある。また台車に載置されたレーザビームの光学系やトーチも、上記同調機構により、台車に対し相対移動させるので、該移動に伴う振動もレーザビームのずれの原因となり、それらの防止機構が必要である。
【０００９】
上記連続焼鈍設備等における従来のレーザによる板材の突合せ接合は、板材を停止した状態で行われていたため、このようなずれ防止機構は必要とされなかった。また、上記特開昭６２−１９２２８４号公報の技術は、固定された被加工物にレーザビームを照射するものであり、倣い同調機構やずれ防止機構は採用されていない。
【００１０】
本発明は、板材の連続熱間圧延設備において、圧延前の板材同士を走行中に突合せ接合する場合などに有効な装置であって、走行中の板材突合せ部を検出し、検出された突合せ部にレーザビームを正確に照射するための、走行板材のレーザ接合装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題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は、走行中の先行板材の後端と後行板材の先端とを突合せ接合する装置であって、該板材同士の突合せ部と同速度で走行する台車上に設置され、前記先行板材の後端部と前記後行板材の先端部をそれぞれクランプして両端を突合せるための板材クランプ機構、前記台車上に設置され前記突合せ部を検出するための突合せ部検出機構、前記台車上に設置され前記突合せ部へレーザビームを照射するためのレーザビーム照射機構、該照射機構に向けてレーザビームを出射するためのレーザ発生器からなり、前記レーザビーム照射機構は、前記突合せ部検出機構による検出結果に倣い同調して移動しつつレーザビームを照射するための移動光学系を有し、該移動光学系は、前記台車の走行方向から受光したレーザビームを前記板材と平行でかつ前記走行方向と直交する方向に反射させるミラーを付設した第１ミラーボックスと、該第１ミラーボックスからのレーザビームを前記突合せ部に向けて反射させるミラーを付設した第２ミラーボックスを有し、前記第１ミラーボックスは前記台車に対して前記走行方向に相対移動させ、前記第２ミラーボックスは前記第１ミラーボックスと同調して前記走行方向に相対移動させるとともに、前記走行方向と交差する方向に移動させる機構を設けていることを特徴とする走行板材のレーザ接合装置である。
【００１２】
また、前記第２ミラーボックスのミラーは、前記第１ミラーボックスからのレーザビームを、前記板材に向け垂直下方に反射させるように配設されていることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明装置を図１および図２の例により説明する。図１の例では、先行板材１および後行板材２が矢印で示す走行方向２２に向って走行中であり、先行板材１の後端と後行板材２の先端とを突合せ、突合せ部３にレーザビーム４を照射して突合せ接合している。レーザビーム４の照射機構はミラー支持台１６に載置され、該支持台１６は、図２の例のように台車２３に設置され、板材１および２と同速度で走行方向２２に向けて走行している。
【００１４】
図２は、本発明装置を連続熱間圧延設備に適用した例であり、板材は、一点鎖線で示す走行ラインＬ上を左から右に向って走行する。加熱されたスラブ等の素材（図示せず）を、１本ずつ粗圧延機２６で圧延して中間板厚の板材とし、台車２３を板材と同速度で走行方向２２の方向に走行させつつ、台車２３上のトーチ１５からレーザビーム４を照射して、図１のように先行板材１と後行板材２を突合せ接合し、仕上圧延機列２８で製品板厚まで連続圧延する。
【００１５】
図２の設備において、先頭の板材（先行板材１）は、粗圧延機２６で圧延した後、先端部についてはクロップをシャー２７で切断除去した後、台車２３に導入し通過させて、仕上圧延機列２８に導入する。その後端部については、クロップをシャー２７で切断除去して、端面を突合せ接合に好適な形状とした後、板材と同速度で走行する台車２３の出側クランプ２５で挟圧保持する。
【００１６】
つぎの板材（後行板材２）は、先端部のクロップをシャー２７で切断除去して端面の形状を整え、先端部を台車２３に導入し、入側クランプ２４で挟圧保持する。そして、両クランプ２４および２５を接近させることで、先行板材１の後端と後行板材２の先端とを接触させ押圧しつつ、レーザビーム４を照射して突合せ接合する。
【００１７】
この間、台車２３は、先行板材１および後行板材２と同速度で仕上圧延機列２８に向けて走行し、接合完了後、クランプ２４および２５の挟圧を解除し、粗圧延機２６側に戻る。その後、上記後行板材２はつぎの先行板材１となり、その後端部のクロップをシャー２７で切断除去し、台車２３を走行方向２２に向けて走行させつつ出側クランプ２５で後端部を挟圧保持する。
【００１８】
そして、つぎの後行板材２の先端部について、上記と同様の処理を行い、つぎつぎに送られてくる板材同士を接合する。仕上圧延機列２８で連続圧延した材料は、ランナウトテーブル（図示せず）を経てコイラー（図示せず）で巻き取る。このとき、コイラー前の切断機により、スラブ等の素材単位毎に分割して製品コイルとする。
【００１９】
本発明装置は、このように、走行中の先行板材１の後端と後行板材２の先端とを突合せ接合する装置であって、突合せ部３と同速度で走行する台車２３上に設置された板材クランプ機構、突合せ部検出機構、および突合せ部３へのレーザビーム照射機構と、該照射機構に向けてレーザビームを出射するためのレーザ発生器５とからなる。
【００２０】
板材クランプ機構は、先行板材１の後端部と後行板材２の先端部をそれぞれクランプして両端を突合せるためのものであり、図２に示すような入側クランプ２４および出側クランプ２５と、両クランプ２４、２５を接近させる機構（図示せず）で構成される。接近させる機構としては、例えば入側クランプ２４を出側クランプ２５に向けて移動させる油圧あるいは空気圧シリンダー等を採用することができる。
【００２１】
突合せ部検出機構は、例えば図１に示すような倣いセンサー１８と倣い同調制御器１７で構成される。倣いセンサー１８としては、ＣＩＤカメラ、ＣＣＤカメラ、あるいは高さセンサーなどを採用でき、図１の例のように、レーザビーム４を照射するトーチ１５に、突合せ部３の接合方向上流側の位置に設置する。そして、突合せ部３の検出結果について、倣い同調制御器１７内で、映像処理あるいは高さ信号の処理を行い、突合せ部３の位置を判定し、レーザビーム４の移動光学系の作動を制御する。
【００２２】
レーザビーム照射機構は、レーザ発生器５からのレーザビーム４を突合せ部３に照射するものであり、上記突合せ部検出機構による検出結果に倣い同調して移動しつつ、レーザビーム４を突合せ部３に照射するための移動光学系を有し、該移動光学系は軸平行移動方式で構成されている。図１の例では、レーザビーム照射機構は、ミラー７、８、９、１０、１１、第１ミラーボックス１２、第２ミラーボックス１３、子台車１４およびトーチ１５で構成される。
【００２３】
ミラー７および８は第１ミラーボックス１２に付設され、ミラー９は第２ミラーボックス１３に付設され、ミラー１０および１１はトーチ１５に付設されている。第１ミラーボックス１２は、ミラー支持台１６上でＸ軸方向に敷かれたレール１９上を移動可能である。第２ミラーボックス１３は、子台車１４上でＸ軸方向に敷かれたレール２１上を移動可能であり、子台車１４はミラー支持台１６上でＹ軸方向に敷かれたレール２０上を移動可能である。トーチ１５は第２ミラーボックス１３に固設されている。Ｘ軸は板材１、２および台車２３の走行方向２２と平行である。Ｙ軸は板材１および２と平行な面内でＸ軸と交差し、Ｘ軸に対し直交でもよく、あるいは装置の配置上などに応じ適宜傾斜していてもよい。
【００２４】
そして、倣いセンサー１８による突合せ部３の検出結果に基づき、倣い同調制御器１７からの信号により、第１ミラーボックス１２および第２ミラーボックス１３をＸ軸方向に移動させ、かつ子台車１４をＹ軸方向に移動させる。すなわち本発明における移動光学系の軸平行移動方式とは、図１の例のように、レンズをＸ軸あるいはＹ軸に平行移動させる方式であり、レンズを回転させない。このような軸平行移動方式により、レーザビーム４を突合せ部３に照射する。なおこれらの移動は図示しないサーボモータ等により行うことができる。
【００２５】
本発明装置において、各ミラー６、７、８、９、１０および１１は、いずれも回転しない。レーザ発生器５およびミラー６は、図２の例のように、台車２３上ではなく、走行しない位置に設置する。レーザ発生器５から出射したレーザビーム４は、ミラー６により、台車２３上のミラー７に向けて反射される。このとき、レーザビーム４が、板材１、２および台車２３の走行方向２２と平行に伝送されるようミラー６を保つ。また、ミラー６からミラー７への伝送経路は、連続熱間圧延設備においては、スケール粉や水などによるレーザビーム４の散乱を防止するため、ジャバラで覆うのが好ましい。
【００２６】
台車２３上のミラー７で受けたレーザビーム４は、ミラー８により子台車１４上のミラー９に向けて反射され、トーチ１５のミラー１０および１１を経て突合せ部３に照射される。ミラー８は凹面とし、発生器５から比較的長い距離を経て伝送され、拡大したビーム径を絞る。またミラー１１も凹面とし、突合せ部３にビーム４の焦点を当てることで、板材１および２を溶融し接合する。その他の各ミラー６、７、９および１０は平面でよい。
【００２７】
本発明装置における移動光学系は、ミラー７および８を付設した第１ミラーボックス１２と、ミラー９を付設した第２ミラーボックス１３およびミラー１０、１１を付設したトーチ１５と、それらの軸平行移動機構とからなる。そして、上記のように、倣いセンサー１８による突合せ部３の検出結果に基づき、倣い同調制御器１７からの信号で、第１ミラーボックス１２をＸ軸方向に移動させるとともに、第２ミラーボックス１３とトーチ１５をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させて、レーザビーム４を突合せ部３に照射する。
【００２８】
したがって本発明装置によれば、突合せ部３にレーザビーム４を照射するときの目外れを、良好な溶接状態が得られる範囲内に収めることができる。すなわち、図３に示すように、ミラーＭに対しＸ方向に入射角αで入射してきたレーザビーム４をＹ方向に反射させて方向転換する場合、本発明装置ではミラーＭをＸ軸方向に平行移動するので、その移動誤差ｄによる目外れ量δは、ミラーＭからの距離ａに関係なく、δ＝ｄ・ｓｉｎ ２αである。つまり目外れ量δは最大でも、α＝４５°のときの、δ＝ｄとなる。
【００２９】
つまり、ミラーＭの移動誤差ｄは０．１ｍｍ程度にできるので、本発明装置による１回の反射当たりの目外れ量δは、ミラーＭからの距離ａに関係なく０．１ｍｍ以下である。このため、本発明装置では板材の幅が広い場合でも、全幅にわたってレーザビーム４を、接合部３に対し目外れ量を所定内に抑えて照射することができる。
【００３０】
これに対して、図４の比較例に示すような回転方式では、ミラーＭの回転誤差をθとすると、反射後のレーザビーム４の目外れ量δは、ミラーＭからの距離ａが大となる程大きくなり、δ＝ａ・ｔａｎ ２θである。回転誤差θ＝０．００１ｒａｄとしても、ａ＝２０００ｍｍでは、１回の反射当たりの目外れ量δはおよそ４ｍｍとなり、溶接不良が生じる。
【００３１】
つぎに、本発明装置は、図１に示すような第１ミラーボックス１２と第２ミラーボックス１３を走行方向２２の方向（Ｘ方向）に、台車２３に対し相対移動させるに当たり、両ボックス１２および１３を同調して移動させるのが好ましい。ここで、同調して移動させるとは、例えば第１ミラーボックス１２を移動させるサーボモータと第２ミラーボックス１３を移動させるサーボモータを、倣い同調制御器１７からの同一信号によって同方向に作動させるなど、両者の移動を同時に行うことをいう。
【００３２】
図１において、第１ミラーボックス１２と第２ミラーボックス１３を同調してＸ方向に移動させた場合、一方のボックスの最大移動誤差が図３に示す移動誤差ｄであるとすると、両ボックス１２、１３を合わせた最大移動誤差もほぼｄと等しくなる。これに対して、両ボックス１２、１３を個別に移動させると、両者を合わせた最大移動誤差は２ｄとなる。したがって、両ボックス１２および１３を同調して移動させることにより、目外れ量δをより小さくすることができる。
【００３３】
さらに本発明装置は、第２ミラーボックス１３のミラー９が、第１ミラーボックス１２からのレーザビーム４を、板材に向け垂直下方に反射させるように配設されていることが好ましい。本発明装置におけるレーザビームの移動光学系は、図１および図２に示す例のように、台車２３上のミラー支持台１６に搭載されているので、台車２３の走行等によって上下に振動することが多い。
【００３４】
しかし、第１ミラーボックス１２からのレーザビーム４が、図５のように上下（Ｚ方向）に振幅Ｂで振動していても、ミラー９によって板材に向け垂直下方（Ｚ方向）に反射させると、振幅ＢはＹ方向すなわち突合せ部３の板幅方向に変換される。このため、振動によるレーザビーム４の目外れが防止でき、また、ビーム４の焦点が突合せ部３の板厚方向に大きく変動することもない。したがって、接合部３の溶接不良のおそれが解消される。
【００３５】
【実施例】
（本発明例）図１に示すような本発明レーザ接合装置のミラー支持台１６を、図２に示すような連続熱間圧延設備の台車２３に設置して、粗圧延後の鋼材について、走行中の板材を想定した接合実験を行った。接合時の先行板材１および後行板材２は、材料温度９００〜１２００℃、板厚２５〜４５ｍｍ、板幅６００〜２１００ｍｍの範囲であった。突合せ部３のキャンバーは、最大で約１０ｍｍ発生していた。また、レーザビーム４を照射するトーチ１５の移動速度は２〜２０ｍ／分とした。
【００３６】
レーザ発生器５からＣＯ_２ レーザを発生させた。そして、ＣＣＤカメラからなる倣いセンサー１８の映像を倣い同調制御器１７で処理して突合せ部３の位置を検出し、該制御器１７からの指令により、第１ミラーボックス１２用のサーボモータ、第２ミラーボックス１３および子台車１４用のサーボモータを駆動し、倣い同調してレーザビーム４を突合せ部３に照射した。
【００３７】
レーザビーム４の伝送経路を図６に示す。レーザビーム４を倣い同調させるための移動光学系は、図６に示すとおり、ミラーボックス１２はＸ方向に移動させ、ミラーボックス１３とトーチ１５はＸ方向およびＹ方向に移動させる軸平行移動方式である。そして、ミラーボックス１２および１３は同調して移動させた。すなわち、倣い同調制御器１７からの同一信号により同時に各サーボモータを作動させて行った。また、第２ミラーボックス１３のミラー９は、Ｙ方向のビーム４をＺ方向に反射させるものとした。
【００３８】
実験結果、突合せ部３とレーザビーム４照射位置との目外れは、最大０．０２４ｍｍであった。そして、接合部は全長にわたって、レーザビーム４の目外れや振動による溶接不良がなく良好であり、上記実験範囲の板幅６００〜２１００ｍｍ、板厚２５〜４５ｍｍについて、いずれも問題なく仕上圧延することができた。
【００３９】
（比較例）レーザビーム４の移動光学系が、図７のような回転筒２９によるθ回転とＸ方向平行移動を行う方式のレーザ接合装置を、上記本発明例と同様の設備に設置し、上記と同様の対象材について接合実験を行った。回転筒２９にはミラーが２枚配設され、第２ミラーボックス１３に向うビームをθ回転させる。倣い同調は、倣い同調制御器１７からの指令により、回転筒２９をθ回転させるとともに第２ミラーボックス１３をＸ方向平行移動させて行った。
実験結果、突合せ部３とレーザビーム４照射位置との目外れは、最大３．０ｍｍであった。そして、接合部は目外れにより溶接接合が不十分であり、以後の仕上圧延機には通板不可であった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明装置は、走行中の先行板材の後端と後行板材の先端とを突合せ接合する装置であって、走行中の板材突合せ部を検出し、検出された突合せ部の線上にレーザビームを倣い同調して照射するにあたり、レーザビームの移動光学系を、回転方式を用いず、軸平行移動方式で構成しているので、突合せ部とビーム照射点との目外れを僅少とし、目外れによる溶接不良や溶接部の欠陥の発生を防止することができる。また、装置の振動による溶接不良や溶接部欠陥の発生も防止できる。
したがって、鋼材などの連続熱間圧延設備において、仕上圧延前の板材同士の突合せ接合に適用することで、連続仕上圧延機列の操業性が安定化するとともに、圧延製品の歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の例を示す説明図である。
【図２】本発明装置を連続熱間圧延設備に適用した例を示す説明図である。
【図３】本発明例におけるレーザビームの目外れ量δの説明図である。
【図４】比較例におけるレーザビームの目外れ量δの説明図である。
【図５】本発明例における振動の影響についての説明図である。
【図６】本発明例におけるビーム伝送経路および移動光学系を示す説明図である。
【図７】比較例におけるビーム伝送経路および移動光学系を示す説明図である。
【符号の説明】
１…先行板材 ２…後行板材
３…突合せ部 ４…レーザビーム
５…レーザ発生器 ６，７，８，９，１０，１１…ミラー
１２…第１ミラーボックス １３…第２ミラーボックス
１４…子台車 １５…トーチ
１６…ミラー支持台 １７…倣い同調制御器
１８…倣いセンサー １９，２０，２１…レール
２２…走行方向 ２３…台車
２４…入側クランプ ２５…出側クランプ
２６…粗圧延機 ２７…シャー
２８…仕上圧延機列 ２９…回転筒
Ｌ…走行ライン Ｍ…ミラー
Ｂ…振幅 δ…目外れ量

Claims (2)

1. 走行中の先行板材の後端と後行板材の先端とを突合せ接合する装置であって、該板材同士の突合せ部と同速度で走行する台車上に設置され、前記先行板材の後端部と前記後行板材の先端部をそれぞれクランプして両端を突合せるための板材クランプ機構、前記台車上に設置され前記突合せ部を検出するための突合せ部検出機構、前記台車上に設置され前記突合せ部へレーザビームを照射するためのレーザビーム照射機構、該照射機構に向けてレーザビームを出射するためのレーザ発生器からなり、前記レーザビーム照射機構は、前記突合せ部検出機構による検出結果に倣い同調して移動しつつレーザビームを照射するための移動光学系を有し、該移動光学系は、前記台車の走行方向から受光したレーザビームを前記板材と平行でかつ前記走行方向と直交する方向に反射させるミラーを付設した第１ミラーボックスと、該第１ミラーボックスからのレーザビームを前記突合せ部に向けて反射させるミラーを付設した第２ミラーボックスを有し、前記第１ミラーボックスは前記台車に対して前記走行方向に相対移動させ、前記第２ミラーボックスは前記第１ミラーボックスと同調して前記走行方向に相対移動させるとともに、前記走行方向と交差する方向に移動させる機構を設けていることを特徴とする走行板材のレーザ接合装置。
2. 前記第２ミラーボックスのミラーは、前記第１ミラーボックスからのレーザビームを、前記板材に向け垂直下方に反射させるように配設されていることを特徴とする請求項１記載の走行板材のレーザ接合装置。

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