JP2011011246A - 溶接ｈ形鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが溶接により接合された溶接Ｈ形鋼を製造する際に、溶接Ｈ形鋼の溶接不良の発生を抑制する。
【解決手段】長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼を製造する。ウェブ材とフランジ材との溶接部における４つのビードそれぞれの断面積をいずれも連続的に測定し、溶接を行われていない部分に対する溶接条件を、４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）とウェブの厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも、ビードの断面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７の関係を満足するように、調整する。
【選択図】図８

Description

本発明は、溶接Ｈ形鋼およびその製造方法に関し、具体的には、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によって組み立てられる溶接Ｈ形鋼と、その製造方法とに関する。

一般的に、溶接Ｈ形鋼は、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を高周波誘導加熱により加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によって組み立てられ、その後に所定の製品長さに切断されることによって、製造される。

高周波抵抗溶接法による溶接Ｈ形鋼の製造では、ウェブ材およびフランジ材は、長尺のフランジ材と長尺のウェブ材とを送給してＶ字状に接近させ、ウェブ材の端部とフランジ材の中央部とに電流を集中させて加熱されることにより、溶接される。この溶接の際に、ウェブ材の端部とフランジ材の中央部との突き合わせ部には、溶鋼が排出されてビードが４つ形成される。形成される４つのビードの大きさは、ウェブ材の端部およびフランジ材の中央部それぞれの加熱状態により、変動する。また、一般的に、溶接前のウェブ材の端部をフラットロール等によってドッグボーン状に膨らませてから溶接することが慣用されるが、４つのビードの大きさは、このドッグボーン形状の形成の程度によっても、変動する。

ウェブ材の端部およびフランジ材の中央部それぞれの加熱が少ないと形成される各ビードは小さくなり、加熱が多いと各ビードは大きくなる傾向にある。すなわち、溶接状態が悪いと形成される各ビードは小さくなり、溶接状態が良好であると各ビードは大きくなる。また、溶接前のプリアップ形状が適正でなく例えばドッグボーンが小さいと、形成される各ビードが小さくなり溶接品質が悪化する。

図１０は、ウェブ材１およびフランジ材２それぞれの加熱領域とビード３ａ、３ｂとの関係を示す説明図であって、図１０（ａ）は適正な場合を示し、図１０（ｂ）はずれた場合を示す。

図１０（ａ）に示すように、高周波抵抗溶接法でウェブ材１の端部とフランジ材２の中央部とを溶接する際には、溶接前のＶ字状に接近するウェブ材１の端部と向き合ったフランジ材２の中央部とが加熱され、加熱されたこれらの被溶接部が圧接ロールで溶着されることにより、適正な位置に溶接される。しかし、図１０（ｂ）に示すように、ウェブ材１またはフランジ材２が溶接時に進行方向横方向にずれると、加熱領域同士が溶着されないために溶接不良が発生することがあり、この時に形成されるビード３ａ、３ｂの大きさは左右で相違する。

さらに、高周波抵抗溶接法では、製造時の電流抵抗の変化等により溶接入熱が変化することがあり、この入熱変化によっても、溶接品質が変化してビードの形状が変動する。
ＪＩＳ Ｇ ３３５３に規定される溶接部強度試験では、後述する図５に示すような試験片を用いて溶接部強度を確認する方法が規定されている。しかし、この溶接部強度試験は、１回／２５００ｍの頻度で実施することしか規定されておらず、あくまでも抜き取り検査であることから、この試験方法では局部的に発生した溶接品質不良を検出することは困難である。一般的に、連続的に製造される長尺の溶接形鋼は、所定長さに切断された後に、検査床などで検査されるが、上述ＪＩＳ Ｇ ３３５３に規定される溶接部強度試験だけでは、全数の合否判定は難しく、その全数の溶接品質を保証するための検査作業は要員およびコスト面で極めて莫大なものとなり、現実的でない。

特許文献１には、目視により、またはカメラ等を用いた観察により、ビードの形状を検出する装置が開示されている。

特開２００５−２８４３４号公報

特許文献１により開示された発明によっても、目視では４箇所に発生するビード形状を全長にわたり観察することは事実上不可能であり、またカメラを用いてもビードの大きさを検出することは不可能である。このため、この発明によっても部分的に発生する溶接不良部を検出するのは困難である。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によって溶接Ｈ形鋼を製造する際に、部分的に発生する溶接不良を確実に検出し、その全長にわたって溶接品質を確保することである。

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、溶接Ｈ形鋼の溶接品質をその全数について全長にわたって保証するためには、ウェブ材とフランジ材との溶接時に排出されて形成される４つのビードの大きさを、その全長にわたって計測し、その計測結果に基づいて、その後の製造条件、すなわち溶接条件を迅速に調整すること、及び計測結果に基づいて溶接品質を判断し、溶接品質が不良と判断される場合には後続する検査工程に繋げることが有効であることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、ウェブおよびフランジが溶接により接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼であって、全長の９０％以上、好ましくは９５％以上の領域において、ウェブおよびフランジの溶接部における４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）とウェブの厚さ（ｍｍ）とが、いずれも下記（１）式の関係を満足することを特徴とする溶接Ｈ形鋼である。

ビードの面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７ ・・・（１）
別の観点からは、本発明は、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼を製造する方法であって、ウェブ材とフランジ材との溶接部における４つのビードそれぞれの断面積をいずれも連続的に測定し、溶接を行われていない部分に対する溶接条件を、４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）とウェブの厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも下記（１）式の関係を満足するように、調整することを特徴とする溶接Ｈ形鋼の製造方法である。

ビードの断面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７ ・・・（１）
この本発明に係る溶接Ｈ形鋼の製造方法では、４つのビードの面積のうちの少なくとも一つの測定結果が、予め設定した目標面積以下となった溶接Ｈ形鋼を、検査工程に回送することが望ましい。

本発明により、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが溶接により接合された溶接Ｈ形鋼を製造する際に、溶接Ｈ形鋼の溶接不良の発生を抑制できるとともに、溶接品質不良部を自動的に識別できるようになる。このため、本発明によれば、溶接Ｈ形鋼の全長にわたってその溶接品質を確保することが可能になる。

２次元レーザ距離計による、溶接Ｈ形鋼のビードの断面積の算出方法を模式的に示す説明図である。 整形後の溶接Ｈ形鋼のビード形状を示す説明図である。 図３（ａ）はビードの面積に及ぼす溶接電流の影響を示すグラフであり、図３（ｂ）はビードの面積に及ぼす溶接アプセット量の影響を示すグラフである。 溶接Ｈ形鋼（サイズ：ＬＨ２００×１００×３．２×４．５）の長手方向の一断面における２次元レーザ距離計による検出結果の一例を示すグラフである。 溶接Ｈ形鋼のウェブおよびフランジの溶接部の強度について、ＪＩＳ Ｇ ３３５３により規定された試験方法を示す説明図である。 強度試験の結果を示すグラフである。 強度試験における小ビード、中ビードおよび大ビードそれぞれの代表例について、溶接部マクロ写真、溶接部ミクロ写真、ビード高さ、ビード幅および破断形態を示す説明図である。 図８（ａ）は、この強度試験での不合格品のビードの断面積（ｍｍ^２）の上限をウェブ厚（ｍｍ）毎にプロットして得られたグラフであり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のグラフに基づいて得られたビードの断面積とウェブ厚との関係を示すグラフである。 本発明を実施するための製造装置の一例の構成を示す説明図である。 ウェブ材およびフランジ材それぞれの加熱領域とビードとの関係を示す説明図であって、図１０（ａ）は適正な場合を示し、図１０（ｂ）はずれた場合を示す。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照しながら説明する。
本発明では、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によって、ウェブおよびフランジが接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼を製造する。

この際に、ウェブ材とフランジ材との溶接部における４つのビードそれぞれの断面積をいずれも連続的に測定する。すなわち、溶接部における４つのビードの形状を連続的に測定し、その大きさ（断面積）を定量化する。

図１は、２次元レーザ距離計１０による、溶接Ｈ形鋼１１のビード１２の断面積Ｓの算出方法を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、溶接Ｈ形鋼１１のビード１２の形状測定には２次元レーザ距離計１０を使用し、ビード１２の断面積を連続的に算出する。

図２は、整形後の溶接Ｈ形鋼１１のビード形状を示す説明図である。
溶接Ｈ形鋼１１の製造時には、一般的にビード１２を図示しないロール等により整形しており、ビード１２の表面は、ウェブ高さ方向（図１における上下方向）およびフランジ幅方向（図１における左右方向）と４５°程度交差する平滑な傾斜面に整形されており、これにより、ビード面積を算出することができる。

図３（ａ）は、ビードの面積に及ぼす溶接電流の影響を示すグラフであり、図３（ｂ）は、ビードの面積に及ぼす溶接アップセット量の影響を示すグラフである。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ビードの面積は、溶接電流やウェブの溶接アップセット量の影響を受けることから、ビードの面積により溶接不良を代用して求めることが可能であることがわかる。

図４は、溶接Ｈ形鋼１１（サイズ：ＬＨ２００×１００×３．２×４．５）の長手方向の一断面における２次元レーザ距離計１０による検出結果の一例を示すグラフである。２次元レーザ距離計１０によってウェブ１１ａ〜ビード１２〜フランジ１１ｂまでのプロフィールを検出し、図１におけるウェブ１１ａ、フランジ１１ｂとのビード１２表面の仮想交点１３ａ、１３ｂを起点として、ビード１２の断面積Ｓを算出する。これにより、従来は製品の切断端面からしか算出することができなかったビード１２の断面積を、図４に示すように、溶接Ｈ形鋼１１の長手方向について連続的に検出することが可能になる。

また、この２次元レーザ距離計１０による検出の際に、一次側の溶接電流値を、図４中に表示するように、３０Ａ⇒２８Ａ⇒３０Ａと連続的に変化させたところ、溶接電流値が３０Ａの場合にはビードの面積が大きく溶接品質が良好であるが、溶接電流値が２８Ａの場合にはビードの面積が小さく溶接品質が不良であった。これにより、ビードの面積を検出することにより、溶接品質の合否判定が可能であることがわかる。

次に、本発明では、溶接を行われていない部分に対する溶接条件を、４つのビード１２それぞれの断面積Ｓ_１〜Ｓ_４（ｍｍ^２）とウェブ１１ａの厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも、ビードの断面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７の関係を満足するように、調整しながら、溶接Ｈ形鋼を製造する。以下、この関係を満足することが有効な理由を説明する。

図５は、溶接Ｈ形鋼１４のウェブ１５およびフランジ１６ａ、１６ｂの溶接部の強度について、ＪＩＳ Ｇ ３３５３により規定された試験方法を示す説明図である。
本発明者らは、図５に示すように、フランジ１６ａ、１６ｂを支持金具１７および１８により支持し、フランジ１６ａ、１６ｂを反対方向へ引っ張る強度試験を行って、原則としてウェブ１５の母材破断（母材コイル強度≧４００Ｎ／ｍｍ^２）を合格とした。また、ウェブ１５およびフランジ１６ａ、１６ｂの溶接部で破断した場合は、引張荷重をウェブ１５の実際の断面積で除した値が４００Ｎ／ｍｍ^２以上とする。

図６は、この強度試験の結果を示すグラフである。図６のグラフにおける丸印を付した領域Ａは、母材破断をした領域であり、母材破断のために溶接部の強度を定量化することができない。

図６にグラフで示すように、母材コイル以上の強度を有することが、ウェブ１５及ぶフランジ１６ａ、１６ｂの溶接部の溶接品質の条件であるが、図６に示すように母材破断品（合格品）の溶接部強度を定量化することはできないため、本発明では、溶接部破断したサンプルよりビードの面積と溶接部の強度との関係を定量化する。

図７は、この強度試験における小ビード、中ビードおよび大ビードそれぞれの代表例について、溶接部マクロ写真、溶接部ミクロ写真、ビード高さ、ビード幅および破断形態を示す説明図である。

図７に示すように、小ビードでは溶接部破断してしまうのに対し、中ビードまたは大ビードでは母材破断しており、ビード断面積が大きくなるほうが望ましいことがわかる。
なお、図７の中ビードおよび大ビードの欄にはビード山、ビード谷との記載があるが、ビード山は溶接Ｖ点の表面張力の関係ではみ出した部位であり、本発明におけるビード断面積はビード谷の寸法により求める。

図８（ａ）は、この強度試験での不合格品のビードの断面積（ｍｍ^２）の上限をウェブ厚（ｍｍ）毎にプロットして得られたグラフであり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のグラフに基づいて得られたビードの面積とウェブ厚との関係を示すグラフである。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、ウェブ板厚毎に溶接入熱条件を変えたときのビード面積と溶接強度との相関を調査した結果、溶接強度の確保に必要な関係は、ビード面積≧０．２×ウェブ厚＋０．７であり、ビードの断面形状が二等辺三角形である場合には、ビード長辺≧２×√（０．２×ウェブ厚＋０．７）である。

なお、図６にグラフで示すビードの断面積と溶接部強度との関係より、ビードの断面積の下限は、以下のようにして求められる。周知のように、軽量Ｈ形鋼の溶接部強度の規定は４００Ｎ／ｍｍ^２以上であるので、図６のグラフよりウェブ厚が３．２ｍｍのサイズの場合、ビードの断面積の下限は１．３ｍｍ^２となる。このビードの断面積の大きさは、溶接入熱（１次側電流・電圧）とある程度の相関はあるものの、実際の溶接部にかかる電流・電圧は測定できないため、溶接入熱（１次側電流・電圧）から溶接部強度を推測するのは難しい。

以上の理由により、本発明では、４つのビード１２それぞれの断面積Ｓ_１〜Ｓ_４（ｍｍ^２）とウェブ１１ａの厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも、ビードの断面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７の関係を満足するように、溶接を行われていない部分に対する溶接条件を調整しながら、溶接Ｈ形鋼を製造する。

ビードの断面積の検出結果に基づいた溶接条件の調整方法は、適宜手段により行えばよく、特定の手段に限定する必要はないが、以下に列記する手法を用いることが例示される。

（ａ）ビードの大きさに基づいて、ウェブのプリアップ量またはアプセット量を調整すること。
（ｂ）ビードの大きさに基づいて、圧接ロールでの圧下量を調整すること。

（ｃ）ビードの大きさに基づいて、溶接電流を調整すること。
（ｄ）上記（ａ）〜（ｃ）項の少なくとも一つを組み合わせること。
図９は、本発明を実施するための製造装置２０の一例の構成を示す説明図である。

この製造装置２０は、垂直に配置されるウェブ材２１および水平に配置されるフランジ材２２ａ、２２ｂを送給する送給装置（図示しない）と、ウェブ材２１およびフランジ材２２ａ、２２ｂそれぞれの当接部を高周波誘導加熱するための加熱装置２３と、ウェブ材２１およびフランジ材２２ａ、２２ｂを圧接するための圧接ロール２４ａ、２４ｂと、ウェブ材のバックリングを防止するための溶接支持ロール２５と、ビードを整形するためのビード整形ロール２６と、溶接Ｈ形鋼２７のビードの形状を測定するための２次元レーザ距離計（図示しない）と、溶接を行われていない部分に対する溶接条件を、４つのビードそれぞれの断面積Ｓ_１〜Ｓ_４（ｍｍ^２）とウェブ材２１の厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも、ビードの断面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７の関係を満足するように、調整する制御装置（図示しない）とを備える。なお、図９における符号２９は、溶接前のウェブ２１に対するプリアップ加工を施すプリアップロールを意味する。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照しながら上述したように、溶接前の加熱領域と実際の溶接部とがずれた場合、左右のビードの形状に差が発生する。これは、加熱中のウェブ材２１とフランジ２２ａ、２２ｂとが溶接点への進入時にずれるために発生する。この製造装置２０では、このずれを調整するために、フランジ材２２ａのガイドロール２８およびウェブ材のガイドロール（図示しない）を設置する。そして、２次元レーザ距離計の検出結果に基づいて、フランジ材２２ａのガイドロール２８および／またはウェブ材のガイドロール（図示しない）の位置を、調整する。

次に、本発明では、溶接Ｈ形鋼の検出された四つのビードの面積のうちの少なくとも一つの測定結果が、制御装置において予め設定した閾値以下である場合には、この溶接Ｈ形鋼をコンピュータシステムにより自動判別して識別し、自動的に検査工程に回送して再検査し、不良部を切り捨てる処理を行うか、あるいは全体をスクラップとすることが望ましい。

このようにして、ウェブおよびフランジが溶接により接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼であって、全長の９０％以上、望ましくは９５％以上の領域において、ウェブおよびフランジの溶接部における４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）とウェブの厚さ（ｍｍ）とが、いずれも、ビードの面積≧０．２×ウェブの厚さ＋０．７の関係を満足する、本発明に係る溶接Ｈ形鋼が提供される。

ここで、「規格された所定の長さ」とは、製品として出荷される長さを意味する。また、予め設定された面積を下回った場合は、通常目視検査を再度実施し、出荷判定を行う。前記の「予め設定された面積率」とは、寸法、材質、客先仕様等で適宜決定される。

このように、本発明により、長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが溶接により接合された溶接Ｈ形鋼を製造する際に、溶接Ｈ形鋼の溶接不良の発生を抑制できるとともに、溶接品質不良部を自動的に識別できるようになる。このため、本発明によれば、溶接Ｈ形鋼の全長にわたってその溶接品質を確保することが可能になる。

１ ウェブ材
２ フランジ材
３ａ、３ｂ ビード
１０ ２次元レーザ距離計
１１ 溶接Ｈ形鋼
１１ａ ウェブ
１１ｂ フランジ
１２ ビード
１３ａ、１３ｂ 仮想交点
２０ 製造装置
２１ ウェブ材
２２ａ、２２ｂ フランジ材
２３ 加熱装置
２４ａ、２４ｂ 圧接ロール
２５ 溶接支持ロール
２６ ビード整形ロール
２７ 溶接Ｈ形鋼
２８ フランジ材のガイドロール

Claims (3)

1. ウェブおよびフランジが溶接により接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼であって、全長の９０％以上の領域において、前記ウェブおよびフランジの溶接部における４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）と該ウェブの厚さ（ｍｍ）とが、いずれも下記（１）式の関係を満足することを特徴とする溶接Ｈ形鋼。
   前記ビードの面積≧０．２×前記ウェブの厚さ＋０．７ ・・・（１）
2. 長尺のウェブ材および長尺のフランジ材それぞれの当接部を加熱した後に断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する高周波抵抗溶接法によってウェブおよびフランジが接合され、規格された所定の長さを有する溶接Ｈ形鋼を製造する方法であって、
   前記ウェブ材と前記フランジ材との溶接部における４つのビードそれぞれの断面積をいずれも連続的に測定し、当該溶接を行われていない部分に対する溶接条件を、前記４つのビードそれぞれの断面積（ｍｍ^２）と前記ウェブの厚さ（ｍｍ）との関係がいずれも下記（１）式の関係を満足するように、調整すること
   を特徴とする溶接Ｈ形鋼の製造方法。
   前記ビードの断面積≧０．２×前記ウェブの厚さ＋０．７ ・・・（１）
3. 前記４つのビードの面積のうちの少なくとも一つの測定結果が、予め設定した目標面積以下となった溶接Ｈ形鋼を、検査工程に回送する請求項２に記載された溶接Ｈ形鋼の製造方法。