连接金属板的方法及其装置和带钢热轧机的制作方法

专利名称：连接金属板的方法及其装置和带钢热轧机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种连接多个金属板的方法，其装置以及带钢热轧机；尤其是一种连接热轧钢材的方法，当热轧钢材是由一套粗轧机和一套精轧机来轧制时，该方法能在短时间内连接好热轧钢材，使连续的轧制成为可能。
很希望能在一个带钢热轧机中对金属板进行连续的抛光轧制以便来提高生产率和质量以及实现自动化操作。对于这种连续的抛光轧制来讲，一个关键的技术是怎样连接热轧钢材(后面称为板料)。假如是冷轧钢材，在有足够的强度的情况下，例如通过焊接来连接的同时进行连续的轧制操作是可能的，因为冷轧钢材是较薄的。然而，对于热轧钢材来讲，轧制速度(轧制钢材的进给速度)比冷轧钢材要快，因此利用焊接的方法进行连接是困难的，因为热轧钢材是较厚的，并且因为轧制操作必须要在轧制钢材的温度降低之前来完成。
到目前为止，已经提出了大量的连接板料的方法，包括电热法，气热法，熔断法，和摩擦法，但是每一种都有连接过程需要太多的时间的缺点。既然如上所述热轧钢材的轧制速度是很快的，所以一种运动型的连接机不能被实现，除非连接板料能在短时间内完成，因为机器的传送距离变得更长。如果一种固定型的连接机被使用了，那么用于收集板料的一个巨大的捆束机就必需了，因为板料通常为20到50毫米厚。板料通常的连接过程最短需要20到30秒钟时，包括连接的准备和去除压紧中产生的倾翻和毛刺。
一种缩短热轧钢材连接时间的技术，如在日本专利公报特开平9-174117(1997)所公开的那样。按照这个技术，上面的板料和下面的板料被重叠，然后两个板料被同时剪切，在这个过程中，干净的表面进入到彼此互相直接接触的状态，从而获得牢固的金属连接。
按照在日本专利公报特开平9-174117(1997)所公开的这个连接技术，它给出了一种剪切刀，并且在该剪切刀的一面是一个压紧装置，在另一面是一个支撑，其中两个重叠板料由该支撑和压紧装置来夹紧，并且随后该剪切刀在此条件下被操作来连接干净的表面。这种方法尤其适合于热轧钢材，这是因为连接能被简单地完成，并且在一个短的时间内完成。
然而，为了在短时间内获得足够的连接强度并且保持连接好的板料弯曲得最小，该方法存在一个成问题的地方而需要被改进。还有一个问题是连接以后剩下的剪料头变得很长，因为材料是从支撑侧被夹紧的。另外，还有一个问题是材料的流动性降低了，因为金属板是朝支撑侧弯曲的。
本发明的一个目的是为了克服上述现有技术存在的问题，并且提供一种连接金属板的方法及其能够获得足够连接强度和缩短剪料头长度的装置。另一个目的是提供一种应用该连接方法的带钢热轧机，它能够在线地使用，并且在该机中生产线的长度能被缩短。
为了实现上述目的，本发明提供了一种连接金属板的方法，借助于该方法要连接的金属板的重叠部分被重叠，相对于重叠部分布置的剪切刀位于金属板的两侧，并且，当相对移动剪切刀时可使重叠部分夹在中间，通过利用在剪切过程中产生的每个剪切断面的塑性流动变形，连接部分形成在重叠部分处。
按照本发明的连接方法，在由相对的剪切刀在剪切过程中产生的剪切断面上作用一压紧力，使剪切断面相互压接。该压紧力是由在剪切刀和板料之间接触点的阻力产生的。这使施加一个压缩力到连接部分并降低连接部分的截面面积成为了可能，因此提高了连接强度。当压紧力被施加到剪切断面上时，被连接的部分或被连接的表面相对于板厚方向变得倾斜了。倾斜角最好是75°或更小。
重叠剪切刀是另一种用来产生压紧力压住连接部分的方法。重叠剪切刀是这样一种方法，用来移动剪切刀使一个剪切刀刀刃工作轨迹的延长线落入另一个相对的剪切刀刀刃内侧。当从上面看时，至少在完成连接时，该剪切刀好像彼此部分重叠。
图23画出了几个重叠的剪切刀的例子。(a)是一个例子，其中上面的和下面的剪切刀3和4是与金属板的厚度方向相平行的，并且在上面的和下面的剪切刀的工作轨迹的延长线之间的一个“ε”间距就是重叠的量。(b)和(c)是两个例子，其中上面的和下面的剪切刀3和4的工作轨迹是与金属板的厚度方向相倾斜的，但两个例子在倾斜方向上是不同的。相对于金属板的厚度方向的重叠量最好限制在0.1毫米到15毫米之间。
不论在哪种情况下，因为彼此压住剪切断面的压力是在剪切过程中由剪切刀沿着每个工作轨迹移动产生的，画阴影线的部分在连接前是被压缩的，好像连接之后的画阴影线的部分。在这个过程中，连接部分或连接表面(在相对的剪切刀的刀刃之间的一个平面)在实现连接之后总是变得相对于金属板的厚度方向是倾斜的。
为了产生压缩连接部分的压力，除了上述的一个方法，即剪切刀的工作轨迹的延长线被设计成彼此平行并有一个“ε”的重叠量(图23)之外，另一种方法允许工作轨迹的一个或两个在一个斜的方向上横穿过剪切刀。这样，一个压缩力能被施加到连接部分上并且该连接部分或产生的连接表面也变得倾斜了。
在本发明中，作为极大增加该压力的一种方法，设计了一种突起(抵抗)，它产生一种弹性力来抵抗剪切力，即，是与上面剪切刀的刀刃上的压力相类似的一种压力。在这种情况下，因为由突起而产生的压力是足够大的，连接强度能被加强，即使对这样的一种结构，即与现有技术中的一种情况相比，上或下剪切刀被设置在一侧上而一个支撑被设置在另一侧上。
该突起被形成例如一种三棱柱的型式，厚度方向上具有一个顶点并且在金属板的宽度方向上是其宽。除此之外，最好是相对于剪切断面(突起表面)的该突起的表面构成突起角(θD)，它相对于金属板的水平表面为30°或更大，同时，小于平行于刀刃的工作轨迹的一条线和上面的水平表面之间的角度。
剪切刀的行程最好在一个范围内，使在剪切过程中的塑性流动变形有效地发挥作用，并且同时，重叠部分不完全被剪断，即，在板料厚度的50％到150％之内。
既然在通过压下剪切刀剪切金属板的过程中，重叠的板料能被连接在一起而不被完全剪断，所以用于压缩的能量能被减小。另外，如果该行程设计成与板料的厚度相等或者更长，在剪料头和连接的金属板之间剩余的连接，作为这种连接的结果可以忽略或为零，因此后面的过程变得更容易了。
进而，在靠上面和下面的剪切刀来剪切的过程中，相应于产生的压力，一个夹紧力被施加了，使重叠部分夹在中间。靠这种夹紧力，重叠部分被保持在原位，并且由于压力的作用，该连接部分的压缩被有效地完成了。
按照本发明前述的这种连接金属板的装置已经被应用到在粗轧机和精轧机之间的生产线上，用于轧制热轧钢材。该连接装置包括一个使各部分重叠的重叠机构，用来使在先的板料和随后的板料彼此相连接，一个带有上面和下面的剪切刀的连接机构，它从上面和下面压住和剪切该板料，连接这两个重叠板料，还有一个剪切刀驱动机构，它使该剪切刀实现压住的动作。
该剪切刀有一个几乎与刀刃的工作轨迹相一致的刀刃角〔θX〕，它相对于板料的厚度方向相倾斜，并且在剪切刀的上表面设置一个当刀被压下时，能穿入到板料中的突起。该突起不仅有助于增大压力，而且使剪切刀跟随板料的移动变得更容易。
该剪切刀驱动机构具有能实现循环操作的结构，能使上和下剪切刀处在一特定的待机位置，当两个板料的重叠部分已经触到连接机构时，开始压下剪切刀，并且当剪切刀已经移动了一定的压下行程完成了连接时，收回剪切刀到待机位置；当剪切刀与板料接触时，通过移动剪切刀实现跟随板料移动的同步操作。
由于上面和下面的剪切刀的作用和大的压力，所以借助于本发明的方法连接板料所需的时间是很短的，借助于剪切刀的连接过程能实现与板料运动的同步运动，因此光滑的连接能被实现。
进而，因为重叠机构是这样的结构以致于增加了后面的板料的速度，并当前面的板料的尾端已经达到某一特定位置时，使两个板料相重叠，并且当重叠部分达到一特定长度时，使板料的速度回到最初速度，该装置能处理轧机之间的不同轧制速度。另外，该重叠部分包括至少是前面的板料或后面的板料中的一个“略去”部分。因此，过去常常当作略去部分被扔掉的这部分现在作为连接之后的一种剪料头被保留下来，材料的利用率能被提高了。
进而，通过使要彼此重叠的上下板料在重叠之前的过程中部分去锈皮，来自于热轧钢材的不必要的热辐射能被避免了。另外，由于能够在除去锈皮之后的20秒钟之内完成重叠过程，所以除去锈皮之后的轧钢屑厚度增长可被限制在这样一种水平中，即在轧制过程中不会发生板料的断裂。
按照本发明的带钢热轧机，因为连接所需的时间很短，所以与板科运动的平稳同步变得更容易，并且当连接机在生产线中在线使用时，板料的连续连接成为可能。此外，轧机生产线的长度能被缩短，例如，用来调节速度的捆束机能被省掉。


图1是按照本发明的一个实施例的连接金属板装置的基本结构的结构图；图2是图1中完成连接时连接装置的结构图；图3是完成连接时刀刃(剪切刀)的形状和板料之间几何关系示意图；图4是突起的突起角θD和水平力之间关系的特性曲线；图5是突起角上限的示意图；图6是连接部分的倾斜角θJ和连接的断裂强度之间关系的特性曲线；图7是刀刃张角θX和连接部分的倾斜角θJ之间关系的特性曲线；图8是能提供一定量重叠的连接装置的典型示意图；图9是剪切刀的压缩冲程的示意图；图10是按照连接装置的另一个实施例的典型示意图；图11是剪切刀驱动机构的简明结构图；图12是带有剪切刀的连接装置的另一个实施例的典型示意图；图13是带有剪切刀的连接装置的另一个实施例的典型示意图；图14是按照本发明带钢热轧机的生产线的结构图；图15是连接部分断裂力和轧钢屑厚度之间关系的特性曲线；图16是板料的重叠部分和连接位置的示意图；图17是使前面和后面的板料重叠的提升装置结构图；图18是提升装置的重叠操作开始情况的示意图；图19是提升装置的重叠操作进行情况的示意图；图20是提升装置的重叠操作结束情况的示意图；图21是剪料头移走装置的结构图；图22是连接之后和轧制之后连接部分的典型示意图；图23是按照本发明连接金属板的方法的效果的示意图；图24是除去锈皮之后经过的时间和轧钢屑厚度之间关系的特性曲线；且图25是除去锈皮之后经过的时间、轧钢屑厚度及连接部分的断裂强度之间关系的特性曲线。
下面将结合附图，详细介绍按照本发明的用于连接金属板的装置的一个实施例。要被连接的金属板是热轧钢材，因此不需要重新加热。图1是在连接开始状态时连接板料装置的基本结构的典型示意图。
彼此重叠的热轧钢材上面的板料1和下面的板料2是被夹在带有突起30的上面剪切刀3和带有突起40(每个突起30和40与板料的表面相接触)的下面剪切刀4之间。上面剪切刀3的突起30和下面剪切刀4的突起40中的每一个都是一种三棱柱型突起，它设置在沿着相对布置的剪切刀的每个侧面刀刃的整个纵轴方向的任意位置上(例如，在中心)，并且如后面将介绍的，当剪切刀3和4进行移动时，产生一个能使剪切断面彼此压住的压力。突起30和40的高度是规定的L4。
上面的夹紧装置5和下面的夹紧装置6也分别与上面的板料1和下面的板料2接触。上面的夹紧装置5是通过上面的夹紧装置支撑7来支撑的，而下面的夹紧装置6是通过下面的夹紧支撑8来支撑的，每一个都利用了所需的液压力。上面的剪切刀3，上面的夹紧装置5和上面的夹紧支撑7构成了称为上面剪切刀部件9的一个单元。同样，下面的剪切刀4，下面的夹紧装置6和下面的夹紧支撑8构成了称为下面剪切刀部件10的一个单元。当一个没有画出的外部力被施加，每一个剪切刀3和4开始进行一个压缩冲程FD。一个夹紧支撑力FT被加到每一个上下夹紧装置5和6上。
该上面剪切刀部件9和下面剪切刀部件10是安装在机箱101中的，其中上面剪切刀部件9是借助机箱101的柱101a和101b的导向来安装的，并且在相对于板料1和2厚度方向上是倾斜地移动。上面剪切刀部件9和下面剪切刀部件10设计成通过利用随后介绍的联动装置，如图所示，能靠近或远离点A地移动。因此剪切刀部件9和10，以及夹在中间的上下板料1和2能彼此靠近或分开地移动。
上面的剪切刀部件9在连接过程中沿箭头D所示的方向移动，并且在连接后沿与箭头D所示相反的方向返回移动。下面的剪切刀4，下面的夹紧装置6和下面的夹紧支撑8构成了下面剪切刀部件10。它也可能如此构成该连接装置，使下面的剪切刀4或上面的剪切刀3中的只有一个能移动。而且，它也允许上面和下面的压紧装置沿着厚度方向移动并且上面的剪切刀3恰当和下面的剪切刀4在沿着每个剪切刀刀刃角的倾斜方向移动。
图2示出完成连接时的连接装置。当上面的剪切刀3和下面的剪切刀4分别剪切板料1和2时，板料1和2在每个剪切断面上连接在一起，形成一个连接的板料13。在连接操作完成位置上(L2)，连接的板料13已经形成，上面的剪料头11和下面的剪料头12已被分离或开始要分离。这以后，上面的剪切刀部件沿着箭头U的方向移动，并朝着图1所示的开始位置(L1)返回。下面的剪切刀4也如上所述地一样动作。如图3所示，从上面和下面剪切刀3和4的上表面32和42分别与板料1和2相接触的位置，即，突起30和40已经以L4的高度穿入到每个板料中的位置到连接完成的位置间的距离被称为一个压缩冲程(L3=L2-L1-L4)。
如上所述，按照本实施例的连接装置中，剪切刀3和4彼此相对地布置在上面和下面板料重叠部分的两侧，并且设置了一个机构来分别移动相对的剪切刀从而使重叠部分夹在其中。重叠部分有足够的长度供设在剪切刀3和4外侧的夹紧装置5和6来分别支撑。在连接过程中剪切刀的工作轨迹被设计成相对于板料的厚度方向形成一个倾斜角，从而使连接线相对于厚度方向是倾斜的。进而，在每个剪切刀的表面上设置了一个与板料表面相接触的三棱柱形的突起，这样彼此压住剪切断面的一个压力在移动的过程中由三棱柱的一个表面产生了。
图3是完成连接时剪切刀的形状和板料之间的几何关系示意图。分别带有突起30和40的剪切刀3和4在箭头所示的方向沿着刀刃的工作轨迹移动。这里，θD由剪切刀3和4的突起角来限定的，θJ是连接部分的倾斜角，而θX是刀刃的张角。顶部的表面32与板料1接触的上面的剪切刀3，沿一个倾斜方向移动，该方向几乎与刀刃的张角θX决定的侧表面31的倾斜程度是一致的，即，箭头所示的方向。下面的剪切刀4的情况一样。在这个过程中，不需要保持θX完全与箭头方向相一致，通常可有几度的差异。
当压力FD和夹紧装置支撑力FT被加上时，剪切刀3和4的刀刃33和43被压住，并且板料1和2沿着刀刃的张角θX被剪切，然后板料的剪切断面产生塑性变形并连接在了一起。其中，刀刃的张角θX被设计成大于90度，以便能使刀刃沿着倾斜方向压到板料里面。
进一步，因为在本实施例中，剪切刀3和4分别带有突起30和40，压力FP是在垂直于由突起角θD限定的突起表面34和44的方向产生的，而其水平分量是FH。该水平力FH成为作用到压缩部分的一个压缩力，而夹紧支撑力FT用作支撑水平力FH的一个力。
下面介绍夹紧力FT，水平力FH和突起角θD之间的关系。上面的夹紧装置5和上面的剪料头11之间的摩擦系数用符号μT1表示，上面的剪料头11和连接的板料13之间的摩擦系数表示为μT2，而下面的剪切刀4和连接的板料13之间的摩擦系数表示为μD。当μT1或μT2无论哪一个较小时，都被标记为μT，FH用下面的方程式(1)能被表示成FT与θD之间的函数。
FH=FT(μT(1-sin2θD+μDsinθDcosθD)+μD)/(1-sin2θD)(1)图4示出了水平力的一个系数FH/FT和突起角θD之间的关系。在这个关系曲线中，假设μT和μD都是0.5，当突起角θD超过30°时，水平力FH除以FT的系数增加得很剧烈。因此，为了增大压缩连接部分的水平力，最好将剪切刀3和4的突起角设置为30或更多。
图5示出了在剪切刀上的突起的突起角θD的一个上限。该图示出了上面的板料2和下面的剪切刀4之间的关系，其中剪切刀4的虚线代表突起与板料2相接触的情况，而粗实线代表突起穿入到板料的情况。当剪切刀4的刀刃43沿着相对于板料2厚度方向倾斜的工作轨迹100移动时，如果该突起的突起角θD大于线100′的角度θ1，则存在一个间距“a”，而该线100′平行于如图所示的刀刃的工作轨迹100。因为该间距“a”起到了释放压缩力到连接部分上，所以连接部分的连接力强度降低了。
为此，角度θ1不会引起间距“a”，即，平行于刀刃工作轨迹的角度是突起角θD的一个上限。换句话，突起角θD应该被限制在从30°到平行于刀刃工作轨迹的角度(在此实施例中等于连接部分的倾斜角)之间的范围内，该刀刃与剪切刀的顶部的表面42相对，并且与板料表面进行接触并压住。
图6示出了连接部分的倾斜角θJ和连接的断裂强度之间的关系。图中，每个圆代表在连接之后的轧制过程中没有断裂的情况，而每个叉号代表断裂出现的情况。结果显示，当连接部分的倾斜角θJ较大时，连接部分更容易断裂。尽管在包括剪切刀的重叠量和压缩冲程的不同的连接条件下，最佳的角度θJ有变化，，当倾斜角θJ较大时，连接部分的强度也较高，即，连接表面变得更倾斜了。当连接部分的断裂强度需要大约3.0千克/平方毫米时，不会出现断裂的连接部分的倾斜角θJ为75°或更小。
图7示出了刀刃张角θX和连接部分的倾斜角θJ之间的关系。从中可看出，当刀刃张角θX作得大时，连接部分的倾斜角θJ可变得小些，而且连接部分的断裂强度会提高。如果刀刃张角θX是90°或更大时，连接部分的倾斜角θJ能很容易地做成75°或更小。
同时，如果在图3中，在剪切刀3和剪切刀4之间没有设置重叠，剪切刀3刀刃的工作轨迹就落在剪切刀4刀刃工作轨迹的同一条线上。相反，当重叠量变大时，连接部分的倾斜角θJ变小。在图7中，每个三角形代表重叠量是0.1mm的情况，每个圆代表重叠量是3mm的情况，每个四方形代表重叠量是10mm的情况。这样，剪切刀3和剪切刀4沿着刀刃方向是相对地和线性地移动，同时，彼此重叠可使一个刀刃的工作轨迹落在另一个相对刀刃内侧。换句话讲，剪切刀是这样布置的，在完全压缩以后，当从上面的剪切刀3上看时，上面的剪切刀3部分地与下面的剪切刀4重叠。
图8是具有一定量重叠的连接装置的典型示意图，其中简要显示了与图1相似的结构。(a)代表连接刚刚开始之后的一种情况，其中剪切刀3和4被压到板料中，并且顶部表面32和42与板料的表面相接触。(b)代表连接完成时的情况，其中剪切刀已经移动了压缩冲程L3。上面的剪切刀3移动的方向与下面的剪切刀4移动的方向相同，但是剪切刀被布置成刀刃工作轨迹的延长线以ε1彼此重叠。在(a)情况中的菱形阴影部分在连接过程中被压缩到(b)情况。压缩部分的弹力成为了作用在连接部分上的压缩力。在这种情况下，由剪切刀3和4的突起30和40产生的压力作用来支撑施加到连接部分上的压缩力。
如上所述，当压缩力施加到连接部分上时，连接强度变得提高了。对于连接钢材来讲，为了获得通常所需的连接强度，希望在要被连接的金属板纵向方向上，重叠量为0.1mm或更多。在连接例如铝一样的软金属情况时，一定程度的连接强度能够被获得，即使重叠量是零(如果重叠量小于零(＜0)，按照本发明的连接是不能获得的)。另一方面，下面将确定重叠量的上限。
在图8(a)中阴影部分的面积，即，当重叠量是15毫米而板料厚度是30毫米时，被压缩的面积是450平方毫米。另一方面，突起围起的面积S(S1+S2)大约是30×30×2=1,800平方毫米。因此，上面方法中为450/1,800=25％的压缩变形量，在连接过程中已经在连接部分的附近产生了。
按照在文献“板料轧制的理论和实践”(Theory and Practice of PlateRolling)中的应力-应变曲线(图7.5)，给出了连接温度高到800到1,200℃和应变为25％情况下，压缩应力接近的上限。重叠量太大时，加到连接装置上的载荷变得太大，会使剪切刀刃和突起的磨损抗力下降。因此，重叠量的上限最好设计成15mm。
当突起30和40分别穿入到板料1和2中时，突起压住每个穿入部分，并且这种压缩成为了连接部分50上的压力。结果，该力连同由重叠引起的压力一起，使连接强度能被进一步加强。
图9是一个剪切刀压下冲程的示意图，其中(a)代表最小的冲程，而(b)代表最大的冲程。一般讲，连接部分的强度通常等于底层金属的强度。另一方面，在连接之后直到连接的板料被轧制和绕成线圈，连接部分不应该断裂，为此大约底层金属强度的一半就足够了。为了使连接部分获得大约底层金属强度的一半，最小的压下冲程是底层金属厚度“t”的1/2，或0.5t，而最大冲程为1.5倍的底层金属板厚度“t”，或1.5t。
图10是按照本发明另一个实施例的连接装置的典型示意图，示出了相对于图8(a)和(b)的情况。该图不同于图8的是相对于板料表面来讲，上面的剪切刀3在一个垂直方向移动，而下面的剪切刀4在一个倾斜的方向上移动，并且两个剪切刀被布置成它们的工作轨迹的延长线是彼此相交的。
因为在图(a)的情况下具有菱形形状的阴影部分在连接过程中被压缩至(b)的情况，连接强度变得较高，因此使作用在连接部分上的压缩力和作用在连接表面上的压力以与有重叠的情况同样的方式增加了。
作为图10中连接装置的一种变型，上面的剪切刀在倾斜方向上移动而下面的剪切刀在垂直方向上移动是被允许的。另外，也允许两个剪切刀都在倾斜方向上移动而倾斜角是不同的。总之，任何变型都是允许的，只要上下剪切刀布置成工作轨迹的延长线是彼此相交的。
上述连接的结果是，剪料头11和12出现了，如图3所示，被从连接的板料13上留了下来。尽管每个剪料头的大部分已经在连接完成时剪切了下来，但是在剪料头和已连接部分之间的一定量的连接取决于冲程可能保留下来，因为在如上所述的连接方法中，连接的部分相对于板料厚度方向有一定的角度。为了当连接完成时能容易地剪下剪料头，希望在金属板的厚度方向上剩余的连接为5mm或更小，而且压缩冲程至少与板料的厚度相等或更厚，最好是1.2倍的板厚或更厚。当该冲程是1.2倍板厚或更厚时，剩余的连接厚度降低的同时，连接部分的塑性流动变形因素增加，导致更大的连接强度。
下面，将介绍剪切刀驱动装置的例子，它是沿着上述工作轨迹来移动上下剪切刀的。图11示出了该剪切刀驱动装置的简要结构。上面的剪切刀3和下面的剪切刀4从连接的开始位置开始移动，并且经由连接完成位置，再返回到连接开始位置。在这个操作中，因为要被连接的板料是以一定的线速度向下游移动的，所以上下剪切刀是沿各自剪切刀的工作轨迹移动的，如点划线所示，与板料运动同步。对于连接固定的金属板来讲，能够上下移动压缩冲程的剪切刀驱动机构将会实现此目的。
一个主曲柄轴相对于其中心A具有两个偏心轴(图1中所示的相同点A)。各自经过一个联动装置，上面的偏心轴被连接到上面的剪切刀上，而下面的偏心轴被连接到下面的剪切刀上，且这些轴能根据主曲柄轴的旋转角度上下移动两个剪切刀(压缩或收回)。另外，一个要被联上实现与主轴同步的同步轴，利用上面离心轴的连接和下面离心轴的连接而经过一摆杆连接，当剪切刀与板料接触时，以与板料运动几乎相同的速度，朝着板料移动的方向移动上下剪切刀，当剪切刀不再与板料接触时，上下剪切刀返回到初始位置。
图11(a)代表在连接开始之前的情况。(b)代表完成连接时的情况，其中上面的离心轴和下面的离心轴从侧向看在同一条线上。因为如上所述，上下剪切刀在连接过程中是根据板料的移动速度来进行操作的，所以没有过多的张力或压缩力被加到板料上，因此平滑的连接能够获得。
该剪切刀驱动机构被设计成利用与例如发表在“日立评论”第9期第61卷(1979-9)中的“日立公司制造的摆动型油剪切机”(Hitachi pendulumtype frying shear)几乎同样的驱动机构。用于使剪切刀与板料运动同步的同步机构的各种变型都是可以的。例如，它可以设计成这样的机构，以致于在剪切刀已经穿入到板科之后直到完成连接时剪切刀被分开，该剪切刀可以自然地随着板料运动，且当剪切刀已被分开到一指定的位置时，剪切刀例如能利用弹簧返回到最初位置。即，剪切刀与主曲柄轴的同步也是不必要的。
设计一个通过根据板料的移动速度来移动剪切刀用于剪切和连接金属板的连接装置是可能的。使用如公开在日本申请专利公开出版物平10-34203(1998)图5中的一个滚筒型的驱动机构，或在同一份文件图15和16中所公开的如摆动型的驱动装置。
图12示出了连接装置的剪切刀的另一个实施例。如图所示，在上面的剪切刀3和下面的剪切刀4上分别设有多个突起。如果只在上下剪切刀的一个中设计多个突起也是允许的。如前所述，一个突起在垂直于剪切刀的剪切方向上产生一个压力并且压住连接部分。因为多个突起的使用降低了每个突起上的载荷，与只有一个突起的情况相比，突起的耐磨性被改善了。另外，因为每个突起能做得更矮并且穿入到板料的量能够相应地降低，因而连接之后的质量会提高。
在使用多个突起时，每个突起的形状和位置不一定总相似但可以相似，例如，突起被间断地设置在后面或在剪切刀表面的整个宽度上被前面和后面的突起全部覆盖。即，任何结构都是可以被接受的，只要被施加到连接部分上的压缩力能够有效地被支撑住。
图13是连接装置的剪切刀的另一个实施例。上面的剪切刀3和下面的剪切刀4以与图1相同的方式设置，但是没有突起。在本实施例中，因为按照本发明连接方法的连接表面，相对于板厚方向形成一个角(θJ)，在连接部分产生的压缩力也能被水平力FH所支撑，其可从方程式(1)中的关系(θJ=0)得出，该水平力是由板料和剪切刀之间的接触抗力或类似的力所产生的。尽管，从上述可知，在连接部分产生的压缩力要比有突起时小，但是根据要连接材料的指定的或需要的断裂强度，本实施例是可以应用的。
下面，介绍将按照本发明连接金属板料的方法应用到带钢热轧机的实施例。在本实施例中的带钢热轧机尤其设置有一个重叠结构和一个连接机器，该重叠结构可使上下板料在生产线中重叠在一起，连接机器也能在生产线中连接该重叠部分。
图14示出了按照本发明实施例的带钢热轧机的生产线的简明结构。含有，在粗轧机21和连接机26之间，一个容纳金属板并调整速度的中间缠线机22，一个清理剪23，剪去粗制板料中的多余部分，去锈皮机24，和一个使前面的板料1和后面的板料2重叠的提升装置25；在连接机26和精轧机28之间还有一个剪料头移走装置27。
如果连接机26带有一个用于在轨道上移动的结构，该机器能应用到一个在线生产系统中。然而，因为带钢热轧机使用了前述的本发明的连接装置，并且装置的连接时间缩短了，有可能例如通过使用一个如图11所示的剪切刀驱动装置来构造一个连接机，当根据板料的移动速度移动时，该连接机剪切和连接金属板。
结果，用于连接轧制钢材的连接机26，被安装在了粗轧机21和精轧机28之间，将它构造成当根据热轧钢材的进给速度移动时完成连接，并且因此，通过弯曲热轧钢材来调节进给速度的捆束机不再需要了。
清理剪23切掉板料尖部不规则的部分(略去部分)。即使当板料被连续连接时，尤其是不规则形状的略去部分被剪掉了，这样在连接机25或剪料头移走装置的操作过程中，不会出现问题。
本实施例的去锈皮机24与提升装置25一起构成一个如后所述的单元，这样在重叠之前，至少要重叠板料的部分已经去除了锈皮。已知各种各样的去锈皮的方法，包括借助于旋转刀具或机械的剥刀进行的机械的切削或磨削，从乙炔气体燃烧器喷出的燃烧气体等等，但是本实施例使用喷射高压水作为一种有效和节约时间的方法。
图15示出了轧钢屑厚度和连接部分断裂强度之间的关系。因为当轧钢屑厚度变小时，连接部分的断裂强度会增加，所以轧制钢材最好在其表面已经被尽可能地除去锈皮后进行重叠。不需要在整个重叠部分表面上进行去除锈皮的操作，但是最好在有限区域中，即将要变形为连接表面的区域中进行去除锈皮的操作。
图24示出了轧钢屑厚度和去除锈皮之后经过时间之间的关系。
图25示出了去除锈皮之后经过时间，轧钢屑厚度以及连接部分断裂强度之间的关系，是将图15和图24合并在一张图中。连接部分的断裂强度依赖于图6所示的倾斜角θJ，但是如果θJ是60°或更小，它可能获得比在轧制过程中通过保持经过时间为20秒或更少引起的断裂要高的断裂强度。
下面，说明提升装置25使前面和后面的板料的要被连接在一起部分进行重叠。在对提升装置的机构进行说明之前，首先介绍两个板料的重叠部分，剪料头，和连接位置间的关系。
图16是板料重叠部分和连接位置的示意图。(a)示出了在后面的板料1的略去部分，(b)示出了在前面的板料2的略去部分。为了确保，这些不需要具有形状的略去部分为切线剪23剪去。在上面的板料1长度为“n”的部分和在下面的板料2长度为“m”的部分是被自然地认为要被扔掉的略去部分，因为其宽度是不够的。
(c)示出了板料1和2被重叠的情况，而(d)示出了连接之后的连接位置，其中连接位置外侧的阴影部分是剪料头。在(c)中的重叠量可被这样确定，即使连接位置落在上面的板料1的“n”和下面的板料2的“m”内的一个区域中，同时，它使两个板的宽度几乎相等。因此，通过尽力使重叠部分限制在两个板料的略去部分里时，连接之后的剪料头的大部分来自略去部分，所以板料的利用率提高了。
下面利用图17到20，介绍提升装置的结构和操作，它能使在前和后要被连接的板料重叠在一起。图17示出了根据本发明的一个实施例的提升装置的结构。提升装置25在生产线中靠近地安装在连接机26的前面，包括一个上面的辊装置111，提升辊装置112，一个辊道装置113，一个基座114和一个联动装置115。喷射型的去锈皮机24被分别安装在上面的辊装置111和辊道装置113上，这样，在重叠之前只有要被重叠的表面被去除锈皮，且没有热量从板料的其它部分上带走。
图18示出了前面的板料2的拖拉端将要离开辊道装置113时的情况。当这种情况出现时，辊道装置113加速后面的板料1的进给。如图19所示，提升辊装置112已经处在了位置较低的情况下。被加速的板料1移动着覆盖过板料2，并且要连接的部分如图20所示彼此重叠。当一定长度的板料重叠完成的时候，已加速的后面的板料回到初始的速度，并且板料1和2由上面的辊装置111和已被再次提升的提升辊装置112所支撑。后面的板料1和前面的板料2，如上所述已经重叠，以同样的速度向着连接机26移动。
当板料1和2的重叠部分到达时，连接机26开始连接，即，剪切刀3和4的每一个以一个比板厚大的冲程中，沿着一个倾斜方向被压入板料中，以便发生塑性变形并完成连接。冲程L3，连接部分的倾斜角θJ，上面的剪切刀3和下面的剪切刀4重叠1的量等已经被确定了这样足够的塑性变形能在重叠部分上产生。连接的板料通过剪料头移走装置27将剪料头移走，再运送至精轧机28。
图21示出了剪料头移走装置的结构，其中(a)是一个平面图，(b)是一个前视图。剪料头11和12，作为连接板料1和2剩余的部分，由于剩余了较小的连接，仍然保留在靠近连接部分的顶部和底部上。当连接部分借助辊道125至128向前移动时，由切断机回转轮支撑部件130和131所支撑的上面的切断机123以及以同样的方式支撑的下面的切断机124都是旋转的；当两个切断机分别碰到上面的剪料头11和下面的剪料头12时，每个剪料头就从板料上分离开。这之后，下面的剪料头12沿着下面的导件122滑动并落入下面的剪料头存储桶133中。上面的剪料头11沿着倾斜的上面挡铁129移动并落入上面的剪料头存储桶132中。尽管图21中的剪料头移走装置27为了便于说明画成了一个独立的部件，但是该装置最好应设置在靠近连接机26处以便在完成连接之后就移走剪料头。
为了连接不同厚度金属板或不同宽度的板料，需要特殊考虑如何光滑地剪掉剪料头。在连接不同厚度金属板时，建议根据更厚的一个来设计压下冲程。这样，在更厚金属板上留下的剪料头将可能会有一个最小的连接量，好像在连接的时候几乎要切断了。
为此，设置一个冲程调节机构，通过它能探知或者确定要被连接的板料的厚度，并且连接机26的压下冲程能自动或人工调节。在连接不同宽度的金属板过程中，有一些方法例如，在重叠到连接的过程中利用一个剪切刀将板料切成同样的宽度，或将用于剪切刀的板料导件用在更窄的板料上，如在日本专利申请公报特开平10-034203(1998)所介绍的那样。
图22是连接部分的典型示意图，其中(a)示出了完成连接时的连接线，而(b)示出了连接之后完成轧制时的连接线。通过轧制，连接线“a1”根据轧制的程度延长至“b1”。因为倾斜变得更大，因此在这种方式下，作为轧制的结果，连接面积增加了，抵抗滚轮架之间作用的张力的断裂抗力增加了。因为在滚轮架之间每单位面积的张力，尤其是在以后步骤中增高了，所以从强度的角度来看，在轧制过程进行时，连接面积的增加是更好的。
按照本实施例的带钢热轧机，板料的连续连接是可能的，并且因为板料的头端和尾端能在线地连接在一起，所以不需要用于连接的额外加热能量。这种连接方法，在连接过程中，剪切刀相对于板厚方向倾斜地被压缩下，这就可能在剪切刀上的突起的帮助下，向连接部分施加足够的压力实现具有高断裂强度的固相扩散的连接。这样，在轧制过程中不会发生连接部分的断裂或轧机轧辊表面的擦伤。
另外，尽管当压下深度为板料厚度的50％或更多时，能够获得刚性连接，但是为了在连接同时实现剩余剪料头的分离，建议压下深度设定为等于或大于板料的厚度。当这样作时，可能使剪料头分离步骤省略下来。
连接的时间基本上依赖于压下速度。因为根据带钢热轧机的速度，例如大约为100mm/s的压下速度能被实现时，就可能会在很短的时间内完成连接。这样，用于连接的一条长的生产线不再必需了。进而，因为能够省略一个捆束机，所以在中间缠线机和精轧机之间的距离能被大幅度降低。
根据本发明的连接金属板的方法和装置，因为剪切刀是彼此重叠的，并且从金属板的两侧沿厚度方向压入和/或剪切刀设置有突起，所以彼此压住剪切断面的压力在剪切过程中产生了，并且连接部分是压缩的，因此能够提高连接强度和缩短连接时间。因为在两侧彼此相对的剪切刀是分别移动的，所以可能不仅会缩短连接时间而且还能避免金属板在连接之后的变形。
因为，按照本发明，上述的连接前后板料的连接装置，跟随板料的运动，设置在粗轧机和精轧机之间，这就可能使带钢热轧机在线地连续加工轧制钢材。另外，由于能够跟随板料的运动的紧凑结构并且也因为可以省略一个捆束机，所以生产线的长度能被缩短。而且，由于特殊的机构能使板料的略去部分重叠在一起，所以连接之后要扔掉的废材料能被减少。
权利要求
1．一种连接金属板的方法，包括以下步骤将一个特定形状的剪切刀放在重叠金属板的两侧，然后通过移动该剪切刀使重叠部分夹在中间来进行该金属板的剪切；同时通过利用在剪切过程中产生的每个剪切断面的变形来形成连接部分；其特征在于，该连接部分或连接表面相对于金属板的厚度方向倾斜地形成。
2．按照权利要求1所述的连接金属板的方法，其特征在于，该连接部分或连接表面的倾斜角是75度或更少。
3．一种连接金属板的方法，包括以下步骤将一个特定形状的剪切刀放在重叠金属板的两侧相对位置上，然后通过移动该剪切刀使重叠部分夹在中间来进行该金属板的剪切；同时通过利用在剪切过程中产生的每个剪切断面的变形来形成连接部分；其特征在于，每个剪切刀刃的工作轨迹被设计成产生一个将剪切断面彼此压住的压力。
4．按照权利要求3所述的连接金属板的方法，其特征在于，该工作轨迹被设计成使每个工作轨迹的延长线在相对的剪切刀内侧重叠或彼此相交。
5．按照权利要求4所述的连接金属板的方法，其特征在于，至少该工作轨迹中的一个被设计成倾斜于金属板的厚度方向。
6．按照权利要求5所述的连接金属板的方法，其特征在于，一个工作轨迹的延长线与剪切刀重叠时，如果金属板是钢材则重叠量是0.1mm至15mm。
7．按照权利要求3至6之一所述的连接金属板的方法，其特征在于，剪切刀的冲程是金属板厚度的50％至150％。
8．一种连接金属板的方法，包括以下步骤将一个特定形状的剪切刀放在重叠金属板的两侧的至少一侧上，然后通过移动该剪切刀使重叠部分夹在中间来进行该金属板的剪切；通过利用在剪切过程中产生的每个剪切断面的变形来形成连接部分；其特征在于，设置在该剪切刀上的一个突起穿入金属板中，当剪切刀移动时能产生一个压住彼此剪切断面的压力。
9．按照权利要求8所述的连接金属板的方法，其特征在于，具有突起的剪切刀放置在金属板的两侧相对位置处，并且使用权利要求3至7之一所述的连接金属板的方法。
10．按照权利要求3至9之一所述的连接金属板的方法，其特征在于，根据产生的压力，施加一个夹紧力，使重叠部分夹在中间。
11．一种用于连接金属板的装置，利用在剪切过程中每个剪切断面产生的变形形成连接部分，其特征在于，该装置具有相对布置在两侧以便于将金属板的重叠部分夹在中间的剪切刀，和相对移动剪切刀以便于使重叠部分夹在中间并且倾斜地形成连接部分的移动机构。
12．按照权利要求11所述的连接金属板的装置，其特征在于，该移动机构被设计成能沿着使每个剪切刀在相对剪切刀的内侧重叠的运动方向或使运动方向的延长线彼此相交的方向，相对移动剪切刀。
13．按照权利要求11或12所述的连接金属板的装置，其特征在于，在至少一个剪切刀的与金属板相接触的部分上，具有一个在剪切过程中穿入金属板的突起。
14．按照权利要求13所述的连接金属板的装置，其特征在于，该突起为三棱柱形，它具有在金属板的厚度方向的顶点和在板的宽度方向的宽度。
15．按照权利要求14所述的连接金属板的装置，其特征在于，与剪切断面相对的突起表面形成为其和金属板的水平表面构成的突起角(θ)是30°或更多，同时，小于与剪切刀移动方向相平行的直线和上述的水平表面之间的夹角。
16．按照权利要求11至15之一所述的连接金属板的装置，其特征在于，还具有一个夹紧装置，它能施加压力来使重叠部分夹在中间。
17．一种包括连接装置的带钢热轧机，具有设在轧制热轧钢材的粗轧机和精轧机之间、用于连接运动中的前面的板料和后面的板料的连接装置，其特征在于，所述的连接装置包括一个重叠机构，使前面的板料和后面的板料的要被连接的部分彼此重叠在一起；一个带有上和下剪切刀的连接机构，这些剪切刀从上面和下面压住剪切板料，连接两个重叠的板料；还有一个施加压力到剪切刀的剪切刀驱动机构。
18．按照权利要求17所述的带钢热轧机，其特征在于，该剪切刀具有一个刀刃角(θX)，使得该工作轨迹是与板料的厚度方向相倾斜；并且在剪切刀的顶部表面上还具有一个突起，它在该刀被压下时能穿入到板料里。
19．按照权利要求17或18所述的带钢热轧机，其特征在于，该剪切刀驱动机构被设计成可完成一个循环操作，即通过使上面的和下面的剪切刀停在指定的待机位置，当两个板料的重叠部分到达连接机构时开始压下剪切刀，然后到剪切刀完成了一个压缩冲程而完成连接时，又使剪切刀返回到待机位置；和一个同步的操作，即当剪切刀与板料相接触时，通过移动剪切刀以便跟随板料运动。
20．按照权利要求17、18或19所述的带钢热轧机，其特征在于，重叠机构被设计成当前面的板料尾端达到一指定位置时，增加后面的板料的速度，使两个板料重叠在一起，而当重叠部分达到指定长度时，使后面的板料的速度回到最初值。
21．按照权利要求20所述的带钢热轧机，其特征在于，重叠部分包括前面的板料或后面的板料中至少一方的“略去”部分。
22．按照权利要求20所述的带钢热轧机，其特征在于，前面和后面的板料的要被彼此重叠的一部分，在重叠之前被去除锈皮。
23．按照权利要求22所述的带钢热轧机，其特征在于，重叠是在上述的去除锈皮之后20秒钟之内完成。
全文摘要
带有一个三棱柱形状的突起30的上面的剪切刀3和带有同样形状的突起40的下面的剪切刀4,被加到要被连接的金属板1和2重叠部分上,然后借助一个使金属板1和2没被完全切割下来的程度的冲程,沿着相对于板厚倾斜的方向压入金属板1和2。上面剪切刀3和下面剪切刀4的工作轨迹是彼此重叠的以致于一个会落在另一个的内侧,而金属板1和2的剪切断面是通过塑性流动变形而形成连接部分。其中,因为有一个压力被施加到要连接的部分上,所以该部分由重叠量来限定,而且在连接完成之后该部分被压缩形成一个压缩部分,因此连接强度增强了。另外,因为在剪切刀上的突起30和40由于它们的倾斜表面的作用,产生了彼此压住剪切断面的压力,施加到连接部分上的压缩力进一步增加了。
文档编号B23K20/02GK1304810SQ00131048
公开日2001年7月25日 申请日期2000年12月14日 优先权日1999年12月14日
发明者堀井健治, 芳村泰嗣, 西野忠, 鸭志田隆, 富野贵义, 石川文纪, 舟本孝雄, 益子隆, 成田健次郎, 金钟根, 金伎彻, 李钟燮, 黄晄奎, 李贞禃, 金镇喜 申请人:株式会社日立制作所, 浦项产业科学研究院, 浦项综合制铁株式会社