JP2009119485A - 溶接形鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔ字継手部を備えた溶接形鋼をレーザー溶接法で製造するに際に、溶接部に窪みがなく、接合強度の高い溶接形鋼を簡便な方法で製造する。
【解決手段】いずれも鋼板からなるフランジ材１にウェブ材２の端部を垂直に押し当てたＴ字状継手部をレーザー溶接して溶接形鋼を製造する際、ウェブ材２の端部をフランジ材１に押圧しつつ、ウェブ材端部の接合部３にレーザー光４を照射する。
レーザー光４は、フランジ材１に対する傾斜角度αを３０度以下にして照射することが好ましい。
この溶接方法は、フランジ材及びウェブ材として、Ｚｎ系めっき、好ましくはＺｎとＡｌを含む合金めっき、さらに好ましくはＺｎとＡｌ及びＭｇを含む合金めっきが施されためっき鋼板を用いた溶接形鋼の製造に適用される。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー光を熱源としたレーザー溶接によってＴ字状の溶接継手部を形成した溶接形鋼を製造する方法に関する。

建築物の躯体を構成する梁等に用いられているＴ形鋼やＨ形鋼等の形鋼は、熱間圧延で所定の断面形状に成形した後、必要に応じ後めっき，後塗装等を施すことにより製造されてきた。
しかし、近年の住宅の高耐久化、低コスト化に対応し、形鋼を形作るウェブ材やフランジ材に表面処理鋼板、特にＺｎをめっき金属中に含んだＺｎ系めっき鋼板を用い、連続的に高周波溶接で接合する方法で製造した溶接形鋼が用いられるようになっている。

溶接形鋼は、通常、連続的に送り込まれるめっき鋼帯等の素板を上下左右のロールで位置決めし、加圧しながら高周波溶接することにより製造されている。この製造方法は、例えば特許文献１等で紹介されているように、フランジ材とウェブ材といった材料表面に溶接電流を通電するための電極を接触させて連続的にフランジ材とウェブ材を溶接している。しかし、高周波溶接の場合は、加熱されるフランジ材とウェブ材とのＴ字継手部付近や材料と電極との接触部も加熱されるために材料のめっき層がダメージを受けることになる。したがって、ダメージを受けた部分の耐食性を確保するため、広い範囲に渡って補修塗料を塗布する必要がある。

高周波溶接には、上記のような問題の他に、電極自身の摩耗が激しく、短時間で電極を交換する必要が生じるという問題もある。すなわち、高周波溶接では電極を材料表面に接触させながら材料を移動させている。そして、電極には銅合金が用いられているため、接触部で電極と材料のめっき金属との反応が起こって電極の摩耗が激しくなり、電極の交換頻度が多くなるのである。電極の短時間での交換は、溶接コストの上昇や生産効率の低下を招くという問題を含んでいる。また、高周波溶接は大きな溶接電流を与える必要があるために、溶接機が大型となり非常に高価であるため設備投資が大きくなるという問題も含んでいる。
さらに、被溶接形鋼に、サイズ的な制約が加わる。すなわち、高周波溶接では電極を材料表面に接触させる必要があるが、電極ホルダーがＨ形鋼のフランジ部に接触しやすくなるため、小型品の溶接は困難となる。Ｗ８０ｍｍ×Ｈ８０ｍｍ程度のサイズが限界となり、それ以下のサイズのＨ型鋼を高周波溶接法で製造することは困難である。

このような高周波溶接での電極及び設備投資の問題を避けるために、この溶接方法とは別に、フランジとウェブとのＴ字継手部を溶融溶接する溶接Ｈ形鋼の製造方法がある。この溶接Ｈ形鋼の製造方法は、例えば特許文献２等で紹介されているように、図１に示すフランジ１とウェブ２とのＴ字継手部３ａ〜３ｄを上下片側ずつ、つまり、継手部３ａと３ｂの組合せと継手部３ｃと３ｄの組合せで材料を反転させて溶接している。
通常、溶接は材料がＺｎ系めっき鋼板であるためにＣＯ_２溶接やＭＡＧ溶接といった消耗電極式、つまり溶接ワイヤーを用いたアーク溶接が適用されている。この方法であれば、電極損耗による交換作業がなくなり、設備投資も比較的低くすることができるメリットがある。

上記のようなアーク溶接法を用いると、アングルやガゼットプレート、或いは柱のベースプレート等の建築部材も同様に、容易に製造することができる。
しかし、このような溶接が施されると、高周波溶接に比べて溶接速度が非常に遅く、生産性が低下する。さらに、加熱領域が広くなるために材料のめっき層が蒸発する損傷領域も広くなって溶接後の補修塗料の塗布量が多くなるという問題がある。また、２箇所のＴ字継手部を同時に溶接するため２台の溶接トーチを必要とするばかりでなく、反り等の変形を防止するために、溶接条件の細かな調整・管理が必要であり、管理項目や管理工程時間が増加する問題もある。

一方で、ステンレス鋼を中心として、フランジとウェブとのＴ字継手部にレーザー光を照射するレーザー溶接法を採用することも提案されている。例えば特許文献３，４参照。
しかしながら、特許文献３，４で提案されたレーザー溶接法もステンレス鋼の溶接を目的としているために、めっき鋼板を素材とするときの問題点は全く考慮されていない。単に熱歪みによる変形を抑制し、溶接後の矯正を省こうとするに主眼が置かれているのみである。このため、Ｚｎ系めっき鋼板を素材としてＨ形鋼等の形鋼をレーザー溶接法により得ようとするとき、照射領域が広くなり、それに伴ってめっき層が蒸発する損傷領域も広くなって溶接後の補修塗料の塗布量が多くなるという問題は解消されない。

そこで、本発明者等は、Ｔ字継手部を備えためっき鋼板製の形鋼を溶接法で製造する際に、補修塗料の塗布量を抑えても耐食性が劣ることがなく、溶接工程時間の短縮を図ることができる製造方法を提供するために、特許文献５で、ともにＺｎ系めっきが施されためっき鋼板からなるフランジ材にウェブ材の端部を垂直に押し当ててＴ字状の溶接継手部を形成した溶接形鋼を製造する際、溶接法としてレーザー光を照射するレーザー溶接法を用い、前記レーザー光を、押し当てたウェブ材端部にフランジ材に対して３０度以下の傾斜角度で、当該ウェブ材が板厚方向全域にわたって溶融されるように照射するレーザー溶接方法を提案した。

特開平８−１５０４１１号公報 特開平２−１５８７６号公報 特開平１０−９９９８２号公報 特開２００５−２１９１２号公報 特願２００６−１３９７７５号

特許文献５で提案した溶接方法によると、押し当てた側のウェブ材端部に当該ウェブ材が板厚方向全域にわたって溶融されるようにレーザー光を照射しているため、溶融領域を狭く、かつ深くすることができる。その結果、形状精度良く溶接接合できるばかりでなく、被溶接鋼板がめっき鋼板であってもめっき層が蒸発する損傷領域を極力狭くすることができるため、溶接後の補修塗料の塗布量の低減効果が発揮される。また、溶融領域を深くすることができるため、片側からの溶接のみでも、所要の溶接強度を備えた形材を簡便に製造することができる。

しかしながら、特許文献５による溶接方法では、被溶接部にレーザー光を照射して被溶接部の板厚方向全域を溶融させているので、場合によっては照射エネルギーにより、図２（ａ）に示すように、溶接部表面が窪むことがある。溶接部に窪みがあると応力集中を受けやすく、用途によっては強度不足になることもある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｔ字継手部を備えた溶接形鋼をレーザー溶接法で製造するに際に、溶接部に窪みがなく、接合強度の高い溶接形鋼を簡便な方法で製造することを目的とする。

本発明の溶接形鋼の製造方法の製造方法は、その目的を達成するため、いずれも鋼板からなるフランジ材にウェブ材の端部を垂直に押し当てたＴ字状継手部をレーザー溶接して溶接形鋼を製造する際、ウェブ材の端部とフランジ材とを互いに押圧しつつ、ウェブ材端部の接合部にレーザー光を照射することを特徴とする。
なお、本発明では「ウェブ材の端部とフランジ材とを互いに押圧しつつ」を要件としているが、この要件は「固定したフランジ材にウェブ材の端部を、圧をかけて押し付ける」形態、「固定したウェブ材の端部にフランジ材を、圧をかけて押し付ける」形態、及び「フリーのフランジ材とフリーのウェブ材の端部を、互いに両方から圧をかけて近づける」形態を含むものである。

ウェブ材の端部をフランジ材に押圧する手段としては、スクイズロールを用いることが好ましい。
また、レーザー光は、フランジ材に対して３０度以下の傾斜角度で、ウェブ材端部の接合部に照射することが好ましい。
この溶接方法により、２枚のフランジ材の間に１枚のウェブ材の両端をＴ字継手により接合した溶接Ｈ形鋼が製造される。
さらに、本発明では、フランジ材及びウェブ材として、Ｚｎ系めっき、好ましくはＺｎとＡｌを含む合金めっき、さらに好ましくはＺｎとＡｌ及びＭｇを含む合金めっきが施されためっき鋼板を用いた溶接形鋼が製造される。

本発明方法では、フランジ材にウェブ材の端部を垂直に押し当てて形作られたＴ字状継手部にレーザー光を照射し、当該継手部を溶融させて溶接接合する際に、ウェブ材の端部をフランジ材に押圧しつつレーザー光を照射している。このため、溶融部が継手部から押出される形態となり、溶融部の固化後、接合金属が継手部の外領域まで広がった形態となる。したがって、接合部の窪み形成が抑制されるばかりか、かえって接合部の断面積を拡げ、接合強度は大きくなる。また、レーザー溶接の採用により、溶融領域を狭く、かつ深くすることができるので、めっき鋼板、特に亜鉛系めっき鋼板を素材とした形鋼であっても、めっき層の蒸発を抑制した溶接接合を行うことができる。しかもサイズの小さい溶接形鋼が容易に製造できる。
したがって、本発明により、めっき鋼板を素材とした形鋼であっても、最小限の溶接部補修のみで高強度、高耐食性を備えた溶接形鋼を低コストで製造することが可能となる。

本発明者等は、Ｔ形鋼やＨ形鋼等、鋼板を素材としてＴ字状の溶接継手部を備えた形鋼をレーザー溶接法で製造する際に、溶接継手部に形成されやすい窪みの発生原因とそれをなくす手段について検討を重ねてきた。
レーザー溶接法では高出力のガスレーザーが使用される。このため、被接合金属が溶融されるのであるが、部分的に蒸発・飛散され、被溶接金属が僅かに減少する。また、被溶接金属同士は当接されているが、端面が面出し加工されていない場合には僅かに隙間があり、被溶接金属の減少と被溶接金属間の隙間の影響で接合金属が不足する。これらの現象に加え、溶接点にはシールドガスが噴きつけられていることから溶融池にはガス圧がかかり、また、重力の影響もあり、図２の（ａ）に見られるように、溶接継手部に窪みが形成されると想定される。

継手部における接合金属の不足を補うには、当該領域に金属を補充する必要がある。
本発明は、ウェブ材を押圧することによりウェブ材自身を多く溶融させ、継手部における接合金属の不足を補おうとするものである。
通常通り、図３に示すように、フランジ材１とウェブ材２のＴ字継手部３にレーザートーチ５から傾斜角度α（このαについては後記する。）でレーザー４を照射する。本発明では、この際、ウェブ材２を図３中、矢印方向に押圧する。このため、ウェブ材２自身が通常よりも多く溶融され、押圧力により、溶融された接合金属が接合領域から僅かにはみ出すような形態となる。レーザー照射が終わり、溶融された接合金属が凝固した後には、図２の（ｂ）に見られるように、窪みはなく、かえって断面積は大きくなり、結果的に接合強度は上昇する。
押圧量としては３〜５ｋＮの押圧をかけて、０．３〜０．５ｍｍ程度押圧することが好ましい。

ウェブ材の押圧方法には制限はないが、溶接点近傍を選択的に押圧する必要があり、図４に示すように、スクイズロール６により、フランジ材１をウェブ材２の端部に押圧することが好ましい。なお、図４では、ウェブ材２を２枚のフランジ材１で挟んだ状態でラインに乗せ、双方が平坦な一対のスクイズロール６で２枚のフランジ材の間隔を狭くするように流してＨ形鋼を製造している。スクイズロール６の近傍に配したレーザートーチ５からレーザー光４を照射して溶接している。図４ではレーザートーチ５は一個しか配置していないが、反体側のフランジ材と溶接すべく、もう一個のレーザートーチを配置しておくと、Ｈ型鋼の２枚のフランジ材を同時に接合することが可能となる。
その他の手法としては図５に示すようなテーパーが設けられたスクイズブロック８によって押圧させる方法がある。しかしながら、この手法ではフランジ材がスクイズブロック８に摺動するため、フランジ部に擦り傷などが発生する可能性がある。

フランジ材とその板幅方向の凡そ中央に垂直に端部を押し当てたウェブ材からなるＴ形鋼を製造する場合には、フランジ材に当接するロールとして平坦なロールを、ウェブ材に当接するロールとしてＶ形溝を有するＶロールを配したスクイズロールを用い、ウェブ材をフランジ材側に押圧しつつ、スクイズロールの近傍に配したレーザートーチからレーザー光を照射して溶接することが好ましい。

レーザー光は非常に狭く、かつ高いエネルギー密度を有しており、焦点距離も比較的長い。したがって、この熱源を溶接法に用いると、狭い断面積で深い溶融金属領域を形成することができる。このため、ウェブ材とフランジ材の溶接接合に際し、例えば図３のように、Ｔ字継手部の片側のみからのレーザー光照射で十分に溶接接合することができ、溶接作業の省力化にも資することになる。

レーザー光照射により形成される溶融金属領域をより狭く、かつ深くするためには、図３にてαで示す照射角度を小さくすることが好ましい。具体的には３０度以下、好ましくは１０〜２０度とする。この角度αが２０度を上回ると、ウェブ材の板厚方向の溶け込み深さが狭く浅くなって十分な接合強度を得ることができ難くなる。またこの角度が１０度を下回ると、フランジ材表面にレーザー光が接触してしまい、被溶接材がめっき鋼板の場合、めっき金属の損傷領域が広がってしまう危険性がある。
なお、レーザー光がフランジ表面に接触せず、ウェブの板厚方向の溶け込み深さを深くするためには、図３に示したようにレーザー光４の材料への照射位置、いわゆる狙い位置を、ウェブ２の端部からδで示す僅かな量で移動させた位置にすることが好ましい。また、溶接トーチとフランジの干渉を避けるために、長焦点のレーザー溶接が適している。

前記した通り、レーザー光を熱源とした溶接法では、狭い断面積で深い溶融金属領域を形成することができる。したがって、レーザー溶接法はめっき鋼板、特にＺｎ系めっき鋼板、さらにはＺｎ−Ａｌ系やＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっきを施した鋼板を素材とした溶接構造物の製造に適している。
このため、本発明の溶接形鋼の製造方法、Ｚｎ系めっき鋼板、特にＺｎ−Ａｌ系やＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系のめっきを施した鋼板を素材とした形鋼の製造に好適に用いられる。

板厚が２.３ｍｍで引張強さが４００Ｎ／ｍｍ²の鋼板にＺｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっき層を片面当り付着量が９０ｇ／ｍ²で設けた溶融めっき鋼板を素材とした。板幅８０ｍｍにカットした素材をフランジ材に、板幅７６ｍｍにカットした素材をウェブ材として、図４に示すように流し、８０ｍｍ×８０ｍｍの溶接Ｈ形鋼を作製した。
なお、この際、フランジ材の外面間の距離が８０ｍｍになるようにスクイズロールで押圧した。溶接は、被溶接フランジ材表面に対してレーザートーチ５を１０度傾斜させて、片側のみから、被ウェブ材の幅方向全域に渡ってすみ肉溶接を実施した。溶接時のレーザー出力は４．０ｋＷ，溶接速度が４ｍ／ｍｉｎ，シールドガスをアルゴンとして２０リットル／ｍｉｎ供給した。
そして、製造したＨ形鋼の横断面を目視観察したところ、フランジ材とウェブ材の交差点の外側にはみ出すように、溶接ビードが僅かではあるが形成されていた。窪みは全く認められなかった。

溶接Ｈ形鋼の構成を示す模式図 Ｔ字溶接部の断面形状、（ａ）従来例、（ｂ）本発明例 レーザー溶接によるＴ字継手部の溶接状況を示す模式図 アプセット方法の一実施態様を示す模式図 アプセット方法の他の実施態様を示す模式図

符号の説明

１：フランジ材 ２：ウェブ材 ３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ：Ｔ字継手部 ４：レーザー光 ５：レーザートーチ ６：スクイズロール
７：引張用チャック ８：スクイズブロック
α：傾斜角度 δ：狙い位置

Claims (5)

1. いずれも鋼板からなるフランジ材にウェブ材の端部を垂直に押し当てたＴ字状継手部をレーザー溶接して溶接形鋼を製造する際、ウェブ材の端部とフランジ材とを互いに押圧しつつ、ウェブ材端部の接合部にレーザー光を照射することを特徴とする溶接形鋼の製造方法。
2. ウェブ材の端部をフランジ材に押圧する手段として、スクイズロールを用いる請求項１に記載の溶接形鋼の製造方法。
3. フランジ材に対して３０度以下の傾斜角度で、ウェブ材端部の接合部にレーザー光を照射する請求項１又は２に記載の溶接形鋼の製造方法。
4. 溶接形鋼が、２枚のフランジ材の間に１枚のウェブ材の両端をＴ字継手により接合したＨ形鋼である請求項１〜３のいずれかに記載の溶接形鋼の製造方法。
5. フランジ材及びウェブ材が、Ｚｎ系めっきが施されためっき鋼板である請求項１〜４のいずれかに記載の溶接形鋼の製造方法。