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WO2022172516A1 - 鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法 - Google Patents

鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法 Download PDF

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WO2022172516A1
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laser cutting
cold
dross
laser
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昇輝 藤田
行宏 松原
貴之 福永
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a steel strip laser cutting method, laser cutting equipment, a cold rolling method, and a cold rolled steel strip manufacturing method.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a steel strip laser cutting method and a laser cutting method capable of suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high alloy material. to provide facilities. Another object of the present invention is to provide a steel strip cold rolling method capable of stably cold-rolling a steel strip by suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high-alloy material.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing a cold-rolled steel strip that can stably produce a cold-rolled steel strip by suppressing breakage of the steel strip at the weld zone even in the case of a brittle material or a high-alloy material. to provide.
  • the inventors of the present invention have found that the dross generated in the cross-section of the steel strip after being cut by laser light extends into a sharp shape by cold rolling and serves as the starting point of cracks from the ends of the steel strip in the width direction. I realized that it could be. Therefore, as a result of examining the relationship between the dross and the cracking susceptibility of the steel strip, it was found that the cracking susceptibility of the steel strip increases when the dross generated during laser cutting is concentrated.
  • the inventors of the present invention have found that by controlling the dross aspect ratio (dross height/dross width) and the dross spacing on the laser cut surface of the steel strip, the width of the steel strip even after cold rolling is reduced. It was found that cracking from the direction end can be suppressed.
  • the steel strip laser cutting method uses a laser beam to cut the widthwise end of the steel strip including the joint where the trailing end of the preceding steel strip and the leading end of the succeeding steel strip are joined.
  • a method for laser cutting a steel strip wherein the distance between the dross having an aspect ratio of 1.0 or more is 1.0 mm or more at the width direction end after cutting, and the dross having an aspect ratio of 1.0 or more and the aspect ratio The steel strip is cut so that the spacing between dross less than 1.0 is 1.0 mm or greater.
  • the cutting step of cutting the ends in the width direction and the hole forming step of forming one or more holes in the steel strip with a laser may be performed continuously while the steel strip is stopped.
  • the steel strip laser cutting equipment according to the present invention executes the steel strip laser cutting method according to the present invention.
  • the steel strip cold rolling method according to the present invention cold-rolls the steel strip cut by the steel strip laser cutting method according to the present invention.
  • the method for cutting a cold-rolled steel strip according to the present invention manufactures a cold-rolled steel strip through steps including the cold-rolling method for a steel strip according to the present invention.
  • the steel strip laser cutting method and laser cutting equipment it is possible to suppress breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high-alloy material. Moreover, according to the method for cold rolling a steel strip according to the present invention, even in the case of a brittle material or a high-alloy material, the steel strip can be stably cold-rolled by suppressing breakage of the steel strip at the weld zone.
  • the method for manufacturing a cold-rolled steel strip according to the present invention it is possible to stably manufacture a cold-rolled steel strip by suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high-alloy material. can.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a steel strip laser cutting method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional image and a surface image of a test material after cold rolling in a portion where a large amount of dross is generated.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional image and a surface image of a test material after cold rolling in a portion where the amount of dross generated is small.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the duty factor.
  • the preceding steel strip 1 and the following steel strip can be used without causing breakage at the weld zone 3.
  • Strip 2 can be cold rolled continuously.
  • the shape of the notch 11 and the trajectory of laser cutting are not limited to the present embodiment, and the shape of the notch 11 may be other shapes such as a semicircular shape and a substantially isosceles trapezoidal shape. No problem.
  • the following laboratory-scale rolling experiment was conducted. That is, a 2 mm-thick silicon steel sheet containing 3.3% by mass of Si and having both ends in the width direction cut by laser was used as a test material. Then, the test material was cold-rolled at a total rolling reduction of 50% using a rolling mill with a work roll diameter of 500 mm without applying tension.
  • the distance between dross having an aspect ratio (dross height/dross width) of 1.0 or more generated during laser cutting is set to 1.0 mm or more, and dross having an aspect ratio of 1.0 or more and the dross having an aspect ratio of less than 1.0 shall be 1.0 mm or more.
  • the shape of the dross develops into a sharp shape during cold rolling even in the case of brittle materials such as silicon steel sheets and high-strength steel sheets with high Si and Mn contents and high alloy materials. Cold rolling can be performed without causing breakage of the steel strip at the welded portion.
  • the cutting conditions were gas type: compressed air, gas pressure of 1.0 MPa, laser output of 0.8 kW, duty factor of 0.5, and scanning speed of 3.0 m/min.
  • rolling was performed in the same manner as in the example, except that laser cutting was not performed to meet the conditions of the present invention, and the laser cutting conditions were such that sharp-shaped dross was generated more.
  • Table 1 shows the state of dross and the rate of occurrence of broken coils after rolling 100 coils in Examples and Comparative Examples in which laser cutting was performed as described above.
  • the incidence of weld fracture was 8.0 to 12.0% in Comparative Examples, whereas the incidence of weld fracture was 2% or less in Examples. .
  • a steel strip laser cutting method and laser cutting equipment capable of suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high alloy material.
  • a steel strip cold rolling method capable of stably performing cold rolling while suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high-alloy material. can do.
  • a method for producing a cold-rolled steel strip that can stably produce a cold-rolled steel strip by suppressing breakage of the steel strip at the weld even in the case of a brittle material or a high-alloy material. be able to.

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Abstract

本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法は、レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部を含む鋼帯の幅方向端部を切断する鋼帯のレーザー切断方法であって、切断後の幅方向端部において、アスペクト比１．０以上のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上、且つ、アスペクト比１．０以上のドロスとアスペクト比１．０未満のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上となるように鋼帯を切断する。

Description

鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法
　本発明は、鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法に関する。
　鋼帯の冷間圧延工程においては、生産性や歩留りの向上を目的として、先行材（先行鋼帯）の後端部と後行材（後行鋼帯）の先端部とを接合し、鋼帯を連続的に冷間圧延ラインに供給することが一般的である。これにより、全長にわたり張力を付与した状態で鋼帯を圧延することが可能になり、鋼帯の先端部や後端部においても厚みや形状を高精度に制御することができる。
　冷延鋼帯の高合金化やレーザー溶接機の進歩に伴い、先行材と後行材は従来のフラッシュバット溶接等に替わってレーザー溶接により接合されることが主流になりつつある。ところが、フラッシュバット溶接やレーザー溶接等の溶接手段に関わらず、先行材と後行材との接合部（溶接部）の幅方向端部には、先行材と後行材の幅及び厚みの差や位置ずれ等のために不可避的に段差が形成される。このため、このままの状態で鋼帯を圧延すると、段差部に応力集中が生じ、溶接部で鋼帯が破断する可能性がある。溶接部で鋼帯が破断すると、冷間圧延ラインを停止せざるを得ないため、生産性が著しく低下する。また、破断片によって損傷したワークロールを交換する必要が生じるため、生産コストが上昇する。
　特に近年は、部材の軽量化や特性向上を目的として、冷延鋼帯の薄ゲージ化及び高強度化に対する要求が益々強くなっている。そして、これに伴い冷間圧延に要求される圧下率や圧延負荷が高くなり、段差部での応力集中増加に伴って鋼帯の破断率が高くなっているのが現状である。そこで、溶接部での鋼帯の破断を抑制するために、段差部近傍での応力集中を緩和する目的で、溶接部の幅方向端部にノッチ（切り欠き）を形成するノッチングを行ってから鋼帯を圧延することが行われている。なお、鋼帯の幅方向端部では、突合せ精度等が悪く、溶接が不十分になり、強度が低くなりやすいため、ノッチングには、強度の低い部分（概ね幅方向端部から３０ｍｍ程度）を切り落とす狙いもある。
　ノッチングの方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、角部を有しない半円形状のノッチを機械的にせん断加工する方法が一般的である。しかしながら、半円形状のノッチでは、外縁の曲率が一律であり、溶接部において鋼帯の幅が最も小さくなるため、溶接部に最大応力が発生することになる。そこで、特許文献２には、ノッチング時間を短くするための方法として、レーザー切断を用いてノッチを形成する方法が記載されている。また、特許文献３には、ドロス（レーザー切断時の溶融物）の発生量が少ないレーザー切断方法が記載されている。
特開平５－７６９１１号公報 特開昭６０－１１５３８７号公報 特許第６３５４７９３号公報
　しかしながら、上記のようなノッチングの方法では、特にＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板等の脆性材料や高合金材料の冷間圧延時においては、十分な効果を発揮できず、溶接部での鋼帯の破断を十分に抑制できていないのが現状である。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制可能な鋼帯のレーザー切断方法及びレーザー切断設備を提供することにある。また、本発明の他の目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷間圧延を行うことが可能な鋼帯の冷間圧延方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷延鋼帯を製造可能な冷延鋼帯の製造方法を提供することにある。
　本発明の発明者らは、レーザー光によって切断された後の鋼帯の断面に発生するドロスが、冷間圧延によって鋭利な形状に伸展し、鋼帯の幅方向端部からの割れの起点となる可能性があることを知見した。そこで、ドロスと鋼帯の割れ感受性との関係を検討した結果、レーザー切断時に発生するドロスが密集しているときに鋼帯の割れ感受性が高まることを知見した。そして、本発明の発明者らは、鋼帯のレーザー切断面におけるドロスのアスペクト比（ドロス高さ／ドロス幅）とドロスの間隔とを制御することにより、冷間圧延後においても鋼帯の幅方向端部からの割れを抑制できることを見出した。
　また、レーザー光によって鋼帯を切断したとしても溶接部の近傍に加工硬化したせん断面が残存していると、そこが応力集中の起点となって溶接部近傍での鋼帯の破断の原因となることを知見した。具体的には、溶接部近傍の冷延鋼帯には、溶接時にパンチャーによる幅方向中央部付近への円形の孔加工が施される。この孔加工は冷間タンデム圧延機に溶接点位置をトラッキングさせる目的で実施されるが、パンチャーは打ち抜き加工であるため、パンチャー破面はせん断面となる。このため、高負荷な冷間圧延が実施されると、パンチャー破面から応力集中が生じ、溶接部近傍での鋼帯の破断が発生する。
　本発明は、上記の着想に基づいてなされたものであり、以下の特徴を有している。
　本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法は、レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部を含む鋼帯の幅方向端部を切断する鋼帯のレーザー切断方法であって、切断後の前記幅方向端部において、アスペクト比１．０以上のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上、且つ、アスペクト比１．０以上のドロスとアスペクト比１．０未満のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上となるように鋼帯を切断する。
　前記幅方向端部を切断する切断工程と、前記鋼帯に一つ以上の孔部をレーザーにより形成する孔部形成工程とを、前記鋼帯を停止させた状態で連続して実行するとよい。
　本発明に係る鋼帯のレーザー切断設備は、本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法を実行する。
　本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法は、本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法によって切断された鋼帯に冷間圧延を行う。
　本発明に係る冷延鋼帯の切断方法は、本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法を含む工程によって冷延鋼帯を製造する。
　本発明に係る鋼帯のレーザー切断方法及びレーザー切断設備によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制することができる。また、本発明に係る鋼帯の冷間圧延方法によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷間圧延を行うことができる。さらに、本発明に係る冷延鋼帯の製造方法によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷延鋼帯を製造することができる。
図１は、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法を説明するための模式図である。 図２は、ドロスの発生量が多い部分における冷間圧延後の供試材の断面画像及び表面画像を示す図である。 図３は、ドロスの発生量が少ない部分における冷間圧延後の供試材の断面画像及び表面画像を示す図である。 図４は、デューティファクターを説明するための図である。
　以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法、レーザー切断設備、冷間圧延方法、及び冷延鋼帯の製造方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を以下に示す実施形態に特定するものではない。また、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係や比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
　図１は、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法を説明するための模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である鋼帯のレーザー切断方法は、先行鋼帯１の後端部と後行鋼帯２の先端部との溶接部３の幅方向端部を含む鋼帯の所定範囲に対して、レーザー光を用いた切断（レーザー切断）によって円弧状のノッチ１１を形成する。これにより、溶接部３の幅方向端部に加工硬化を発生させることなくノッチ１１を形成することができる。また、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板等の脆性材料や高合金材料の場合であっても、溶接部３での破断を発生させることなく先行鋼帯１及び後行鋼帯２を連続して冷間圧延することができる。なお、ノッチ１１の形状やレーザー切断の軌跡（レーザー光の走査軌跡）は本実施形態に限定されることはなく、ノッチ１１の形状は半円形状や略等脚台形状等の他の形状でも何ら問題ない。
　本実施形態では、レーザー切断時に鋼帯の切断面に残存するドロスが冷間圧延に及ぼす影響を評価するため、以下に述べる実験室規模の圧延実験を行った。すなわち、供試材として、３．３質量％のＳｉを含有する、幅方向両端部をレーザー切断した板厚２ｍｍの珪素鋼板を用いた。そして、張力を付与することなく、ワークロール径５００ｍｍの圧延機を用いて供試材に対して総圧下率５０％の冷間圧延を行った。
　図２（ａ），（ｂ）はドロスの発生量が多い部分における冷間圧延後の供試材の断面画像及び表面画像を示す。また、図３（ａ），（ｂ）はドロスの発生量が少ない部分における冷間圧延後の供試材の断面画像及び表面画像を示す。図２と図３の比較から明らかなように、レーザー切断条件の不良によってドロスが残存してしまった場合、ドロスは冷間圧延後も残存し、さらにドロスの形状が鋭利な形状に進展していることがわかる。本実験では、供試材に張力を付与していないが、実生産のように張力を付与して冷間圧延するタンデム圧延では、鋭利な形状に進展したドロスが応力集中の起点となって溶接部での鋼帯の破断に至ると推定される。
　以上のことから、本実施形態では、レーザー切断時に発生するアスペクト比（ドロス高さ／ドロス幅）１．０以上のドロス間の間隔を１．０ｍｍ以上、且つ、アスペクト比１．０以上のドロスとアスペクト比１．０未満のドロス間の間隔を１．０ｍｍ以上とする。このようなドロスの状態によれば、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板等の脆性材料や高合金材料の場合でも、冷間圧延時にドロスの形状が鋭利な形状に進展することを抑制し、溶接部での鋼帯の破断を発生させることなく冷間圧延を行うことができる。
　なお、本実施形態において、レーザー切断の加工条件は、レーザー切断時に発生するアスペクト比１．０以上のドロス間の間隔を１．０ｍｍ以上、且つ、アスペクト比１．０以上のドロスとアスペクト比１．０未満のドロス間の間隔を１．０ｍｍ以上とする以外には特に限定する必要はない。鋼帯の厚み等に応じて適切に設定すればよい。例えばレーザー出力は１ｍｓあたり０．５ｋｗ以上とし、レーザー光の加工点径は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満、図４に示すパルス周期時間とパルス時間との比(デューティファクター)を０．３以上０．８未満とする。また、パルス式レーザー光に用いるガスとしては、圧縮空気や窒素及び酸素を用いることができる。また、ガス圧力は０．５ＭＰａ以上とすることが好ましい。加えて、本実施形態では、従来パンチャーで行っていた鋼帯の幅方向中央部付近への打ち抜き加工を閉断面形状のレーザー切断にて実施する。なお、図１に示した例では、先行鋼帯１に閉断面形状の孔部１２を形成しているが、後行鋼帯２に孔部１２を形成しても良い。また、閉断面形状や切断穴数及び切断位置座標も特に限定されない。また、溶接点のトラッキング方法が漏洩磁束法やその他の画像判定法で実施される場合は孔部を形成する必要はない。
　さらに付け加えると、通常の低炭素鋼であれば、従来のせん断加工を行っても幅方向端部の割れ（エッジ割れ）は発生しない。従って、溶接部近傍の破断がほとんど発生しない鋼種には、必ずしも本発明を適用する必要はなく、せん断加工により溶接部が破断する脆性材料や高合金材料等の鋼種に適用すべきである。但し、冷間タンデム圧延機は、珪素鋼板や高張力鋼板の専用ミルである場合もあるが、そうではなく低炭素鋼等も合わせて圧延する兼用ミルの場合もある。その場合、低炭素鋼に対してもレーザー切断にてノッチングしても何ら問題はない。また、せん断加工機とレーザー切断機の両方を併設して鋼種により使い分けてもよい。
　以下、本発明を実施例に基づいて説明する。全５圧延スタンドからなる冷間タンデム圧延機を用い、母材厚２．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍの２．８～３．３ｍａｓｓ％Ｓｉを含有する電磁鋼板用の素材鋼板を圧延材として仕上げ厚０．３００ｍｍまで冷間圧延する実験を行った。実施例では、本発明の実施形態に基づいてレーザー切断を行った。すなわち、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部近傍において、鋼帯両端面に対する半円形状のレーザー切断と先行鋼帯の幅中央位置に対する円形閉断面形状のレーザー切断を行った。なお、切断条件は、ガス種：圧縮空気、ガス圧１．０ＭＰａ、レーザー出力０．８ｋＷ、デューティファクター０．５、走査速度３．０ｍ／ｍｉｎ.とした。また、比較例では、本発明の条件を満たすレーザー切断を行なわずに鋭利な形状のドロスの発生が多くなるようなレーザー切断条件にて実施した以外は実施例と同様にして圧延を行った。以上のようなレーザー切断を行った実施例及び比較例におけるドロスの状態と１００コイル圧延後の破断コイル発生率を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、比較例では、溶接部破断の発生率が８．０～１２．０％であったのに対し、実施例では、溶接部破断の発生率は２％以下であった。これによって、本発明の有効性が確認された。すなわち、本発明を適用し、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部近傍をレーザー切断することで、鋭利な形状のドロスの量を低減させ、且つ、溶接部近傍での加工硬化部をなくすことができる。そして、これにより、溶接部破断の発生を抑制し、生産性の向上、歩留りの向上を達成することができる。
　以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
　本発明によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制可能な鋼帯のレーザー切断方法及びレーザー切断設備を提供することができる。また、本発明によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷間圧延を行うことが可能な鋼帯の冷間圧延方法を提供することができる。さらに、本発明によれば、脆性材料や高合金材料の場合でも溶接部での鋼帯の破断を抑制して安定的に冷延鋼帯を製造可能な冷延鋼帯の製造方法を提供することができる。
　１　先行鋼帯
　２　後行鋼帯
　１１　ノッチ
　１２　孔部

Claims (5)

  1. 　レーザー光を用いて先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部とを接合した接合部を含む鋼帯の幅方向端部を切断する鋼帯のレーザー切断方法であって、
    　切断後の前記幅方向端部において、アスペクト比１．０以上のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上、且つ、アスペクト比１．０以上のドロスとアスペクト比１．０未満のドロス間の間隔が１．０ｍｍ以上となるように鋼帯を切断する、鋼帯のレーザー切断方法。
  2. 　前記幅方向端部を切断する切断工程と、前記鋼帯に一つ以上の孔部をレーザーにより形成する孔部形成工程とを、前記鋼帯を停止させた状態で連続して実行する、請求項１に記載の鋼帯のレーザー切断方法。
  3. 　請求項１又は２に記載の鋼帯のレーザー切断方法を実行する、鋼帯のレーザー切断設備。
  4. 　請求項１又は２に記載の鋼帯のレーザー切断方法によって切断された鋼帯に冷間圧延を行う、鋼帯の冷間圧延方法。
  5. 　請求項４に記載の鋼帯の冷間圧延方法を含む工程によって冷延鋼帯を製造する、冷延鋼帯の製造方法。
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