JP2017113763A - 耐食性と防眩性に優れたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔ字継手部を備えたレーザ溶接形鋼にあって、表面のテンパーカラーがなく、防眩性に優れたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を提供する。【解決手段】ウェブ材とフランジ材でＴ字状のレーザ溶接継手部を形成した溶接形鋼であり、ウェブ材とフランジ材を溶接する際に溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、溶接後の溶接形鋼を酸性溶液に浸漬することにより、表面の６０度光沢度を７５以下として防眩性に優れたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼とした。【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス鋼を素材とし、レーザ光を熱源としたレーザ溶接によってＴ字状の溶接継手部を形成した溶接形鋼に関する。

近年、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形鋼等の形鋼を製造する方法として、フランジ材とウェブ材とのＴ字継手部にレーザ光を照射するレーザ溶接法が検討されるようになっている。
例えば特許文献１に見られるように、２枚の金属板を互いに垂直に突き合わせ、突き合わせ部に沿って突き合わせた金属板の両面から対向する位置に２つのレーザ光を同時に照射している。
この方法によると、突き合わせ部に対してウェブ材の両面方向からレーザ光を照射することになり、生産性向上の観点からは必ずしも効率的でない。

また、このような溶接形鋼の中には、特許文献２に見られるような海浜地域の橋梁や道路資材、建築物の部材として、メンテナンスフリーとなるように耐食性が非常に高いステンレス鋼を素材としたものが検討されている。
特許文献２では、ステンレス鋼を溶接する際に生じる変形を抑えて、矯正をほとんど必要としないことを目的にレーザ溶接を適用している。
しかし、ステンレス鋼を大気中でレーザ溶接した場合は、溶接部近傍や溶接部の裏面に相当するフランジ材表面にテンパーカラーと呼ばれる酸化皮膜が発生してしまう。

特開２００５−２１９１２号公報 特開平１１−１２３５７５号公報

このテンパーカラーは、クロム酸化物であるためステンレス鋼中のクロム量が減少してしまうことから耐食性が低下するとともに、外観も劣化させるため、溶接後にテンパーカラーを除去することが必要である。
溶接部近傍のテンパーカラーは、ブラシなどで除去すると研磨目が発生するが、研磨領域と研磨なし領域とで不均一な外観となり、均一な外観とするために多数パスの研磨工程が必要であり、生産性が非常に低くなる。

また、溶接形鋼が建築物の外観に晒される部材として使用される場合は、鏡面研磨面のような研磨目が非常小さい表面にすると、日光の反射が厳しいため防眩性を有する表面のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼が望まれている。

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、ステンレス鋼を素材としてＴ字継手部を備えたレーザ溶接形鋼であって、防眩性を有し、溶接時に発生するフランジ材表面のテンパーカラーを抑えて耐食性や外観に優れたレーザ溶接形鋼を提供することを目的とする。

本発明のレーザ溶接形鋼は、その目的を達成するため、ステンレス鋼板を用いてウェブ材とフランジ材でＴ字状のレーザ溶接継手部を有する形鋼であり、表面の６０度光沢度が７５以下であることを特徴としている。
また、ステンレス鋼として、成分がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：０．６０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０４０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．６０質量％以下、Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％、Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含むフェライト系ステンレス鋼であることも特徴としている。
さらに、前記のステンレス鋼に、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含むフェライト系ステンレス鋼を用いることもできる。

前記のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を製造する方法としては、ステンレス鋼板を用いてウェブ材とフランジ材でＴ字状の溶接継手部を形成した溶接形鋼を製造する際に、溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用いて溶接した後に、酸性溶液に浸漬させることを特徴としている。

本発明によるステンレス鋼製レーザ溶接形鋼は、溶接部の裏面となるフランジ材表面において溶接時に発生するテンパーカラーや表面光沢を抑えているため、耐食性や防眩性に優れている。また、ウェブ材とフランジ材に関して、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合には、コストを抑えたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の実現が可能である。
また、前記のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の表面は、酸性溶接に一定時間浸漬する工程を１回行えば実現できるため、多パスの研磨と比較して非常に効率良く生産することができる。

Ｔ字継手部を含む溶接形鋼を片側からの１パス照射でレーザ溶接する方法を説明する図 Ｔ字継手部を含むステンレス鋼製レーザ溶接形鋼

本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼１は、図１に示すようにフランジ材２にウェブ材３の端部を垂直に押し当てて形作られたＴ字状継手部を片側からの１パスによるレーザ光４の照射で溶接して製造する。この際に、フランジ材２に対するレーザ光４の照射角度θを３０度以下としている。

本発明者らは、このような方法で製造したステンレス鋼製レーザ形鋼においては、溶接部の近傍やフランジ材の表面のうち溶接部の裏面にあたる領域５に、フランジ材の表面温度によってテンパーカラーが発生するが、製造したステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を酸性溶液に浸漬させることによりテンパーカラーを除去でき、なおかつ防眩性も有することができることを見出した。
図１に示した方法で板厚２．３ｍｍのＳＵＳ３０４を素材としてレーザ溶接を行った際に、図２に示すように、製造したステンレス鋼製レーザ溶接形鋼１１においては、溶接部１４の近傍や、フランジ１２の表面のうち溶接部の裏面にあたる領域１５にテンパーカラーが発生する。溶接後に、ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を、フッ化水素酸が８質量％で硝酸が８質量％を含有する酸性溶液に浸漬する時間を変更して、ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼のフランジ材２とウェブ材３の表面の６０度光沢度と、室外で日光に晒した際に目視で確認した防眩レベルを比較した。また、テンパーカラーの除去状態も確認した。

前記の実験結果を確認したところ、テンパーカラーが除去された浸漬時間では防眩性を満足する表面状態であり、その際の６０度光沢度は７５以下であった。そのため、防眩性とテンパーカラー除去を両立できる指標としては、６０度光沢度が７５以下とした。

本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の素材としては、ステンレス鋼であれば特に限定せず、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼などが使用できる。
このうち、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合は、比較的低いコストにすることができ、成分によって耐食性も維持できる。このため、良好な品質で低コストのステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を実現することができる。

また、特に製品コストや耐食性確保が必要とされる場合は、以下の成分範囲を含むフェライト系ステンレス鋼を用いることができる。
Ｃ：０．０２５質量％以下
Ｃは、鋼の強度を得るために有用な元素であるが、多量に含むと耐食性を低下させる傾向にある。Ｃの含有量は、０．０２５質量％以下が好まし。
Ｓｉ：０．６０質量％以下
Ｓｉは、製鋼工程における脱酸剤及び熱源として有用な元素であるが、多量に含むと鋼を硬化させる傾向にある。Ｓｉの含有量は、０．６０質量％以下が好ましい。
Ｍｎ：１．００質量％以下
Ｍｎは、製鋼工程における脱酸剤として有用な元素であるが、多量に含むとオーステナイト相を形成する傾向にある。Ｍｎの含有量は、１．００質量％以下が好ましい。
Ｐ：０．０４０質量％以下
Ｐは、耐食性を低下させる傾向にある。Ｐの含有量は、０．０４０質量％以下が好ましい。
Ｓ：０．０２０質量％以下
Ｓは、耐食性を低下させる傾向にある。Ｓの含有量は、０．０２０質量％以下が好ましい。
Ｎｉ：０．６０質量％以下
Ｎｉは、腐食の進行を抑制する効果やフェライト系ステンレス鋼の靱性改善に有効である点で好ましいが、多すぎるとオーステナイト相の生成やコスト高の原因となる。Ｎｉの含有量は、０．６０質量％以下が好ましい。
Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％
Ｃｒは、耐食性を確保するために有用な元素であるが、多量に含むと高コストだけでなく加工性が低下する傾向にある。Ｃｒの含有量は、１６．００〜３５．００質量％が好ましい。
Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％
Ｍｏは、Ｃｒの存在下でステンレス鋼の耐食性を向上させるために有用な元素であるが、多量に含むと高コストだけでなく加工性が低下する傾向にある。Ｍｏの含有量は、０．３０〜６．００質量％が好ましい。
Ｎ：０．０２５質量％以下
Ｎは、Ｃと同様に多量に含むと耐食性を低下させる傾向にある。Ｎの含有量は、０．０２５質量％以下が好ましい。

本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼は、さらに、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含むフェライト系ステンレス鋼をさらに耐食性が向上するため用いることもできる。
Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％
Ｎｂは、Ｃ、Ｎとの親和力が強くフェライト系ステンレス鋼の粒界腐食を抑制する点で好ましいが、多量のＮｂ含有は靱性を阻害する傾向にある。Ｎｂの含有量は、０．１０〜１．００質量％が好ましい。
Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％
Ｔｉは、Ｃ、Ｎとの親和力が強くフェライト系ステンレス鋼の粒界腐食を抑制する点で好ましいが、多量のＴｉ含有は鋼の表面品質を低下させる傾向にある。Ｔｉの含有量は、０．０５〜０．３０質量％がより好ましい。
Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％
Ａｌは、脱酸剤として精錬や鋳造に有効な元素であるが、過剰に添加すると表面品質を劣化させるとともに、鋼の溶接性や低温靭性を低下させる。Ａｌの含有量は、０．０１〜０．５０質量％がより好ましい。

ウェブ材とフランジ材の表面における６０度光沢度の測定は、ＪＩＳ Ｚ ８７４１−１９９７に準拠して次のように行った。
光沢度は、ポータブル光沢度計ＧＭＸ−１０２（株式会社村上色彩技術研究所製）を用い、光沢度の測定位置は、ウェブ材についてはビードの近傍を、フランジ材については溶接部の裏面にあたる位置とし、溶接形鋼の長さ方向に離れた任意の３か所について測定した。

（実施例１）
板厚が２．３ｍｍ、３．２ｍｍ、４．５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）であって、フランジ材は幅１００ｍｍ×長さ５ｍ、ウェブ材は幅１００ｍｍ×長さ５ｍの素材を用いて、図１に示した方法で、表１に示すレーザ溶接条件により溶接して溶接形鋼を製造した。レーザ光の照射角度θは、２０°とした。溶接後にフッ化水素酸が８質量％で硝酸が８質量％を含有する酸性溶液にステンレス製レーザ溶接形鋼を、浸漬時間を変更して浸漬した。浸漬したレーザ溶接形鋼に関しては、テンパーカラーの除去状態の観察とフランジ材２とウェブ材３の表面の６０度光沢度を測定した。
その結果を表２に示す。

表２に示したように、テンパーカラーが無い表面状態においては、６０度光沢度が７５以下となり、その状態においては防眩性も確保されていた。
（実施例２）

フランジ材２およびウェブ材３として、Ｃｒ：３０％、Ｍｏ：２％、Ｔｉ：０．１５％、Ｎｂ：０．１５％、Ａｌ：０．０９％、残部Ｆｅを含むフェライト系ステンレス鋼板を用い、その他の条件は、レーザによる溶接と酸性溶液に浸漬する工程も含めて実施例１と同じにしてレーザ溶接形鋼を製造した。

テンパーカラーの状況と６０度光沢度を測定した結果を表３に示す。テンパーカラーが無い表面状態においては、６０度光沢度が７５以下となり、その状態においては防眩性も確保されていた。

１ ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼
２ フランジ材
３ ウェブ材
４ レーザ光
θ レーザ光４の照射角度
１１ ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼
１２ フランジ
１３ ウェブ
１４ 溶接部
１５ 溶接部の裏面にあたる領域

Claims (4)

1. ステンレス鋼板を用いてウェブ材とフランジ材でＴ字状のレーザ溶接継手部を有する形鋼であり、表面の６０度光沢度が７５以下であることを特徴とするステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
2. ステンレス鋼板として、Ｃ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：０．６０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０４０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．６０質量％以下、Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％、Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含むフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
3. さらに、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含む、請求項２に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
4. ステンレス鋼板を用いてウェブ材とフランジ材でＴ字状の溶接継手部を形成した溶接形鋼を製造する際に、溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、溶接後の溶接形鋼を酸性溶液に浸漬することを特徴とするステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の製造方法。

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