JP2018171622A - 溶接軽量ｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ビード整形後、搬送状態にある溶接軽量Ｈ形鋼のウェブとフランジとの溶接部を連続的に監視し、全長に亘って溶接接合の合否をオンラインで判定する。【解決手段】溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、ウェブ材とフランジ材との溶接部に形成された４つの溶接ビード１３を整形後、該溶接ビードに隣接するウェブ１２の表面、溶接ビードの表面、および前記溶接ビードに隣接するフランジ１１の表面からなる４箇所の輪郭形状を連続的に測定し、該輪郭形状から断面プロフィールを求め、該断面プロフィールから前記４つの溶接ビードそれぞれの断面積、および／または、ビード厚さと、フランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅、および／または、前記溶接ビードの表面と前記ウェブの表面とのなす角および前記溶接ビードの表面と前記フランジの表面とのなす角とを算出し、これらの算出結果に基づいて前記溶接部の溶接接合の合否を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ウェブ材および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、圧接してウェブ材およびフランジ材を接合する溶接軽量Ｈ形鋼の製造に関し、特にウェブとフランジとの溶接部の品質の合否をオンラインで判定する技術に関する。

溶接軽量Ｈ形鋼は、図１２に示すように、スリット加工した鋼帯を素材とし、連続的に送給されるフランジ材３１およびウェブ材３２それぞれの当接部を高周波誘導加熱装置４により加熱した後、断面Ｈ形に組み合わせ、圧接ロール５により圧接してフランジ材３１とウェブ材３２とを接合する高周波抵抗溶接法によって組み立てられ、溶接ビード整形、直角度矯正、および反り矯正等を経たのちに、所定の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って接合されたウェブとフランジとの溶接部には、溶接時に溶鋼が排出されて４つの溶接ビード（以下、単にビードともいう）が形成される。これらの溶接ビードの形状は、高周波誘導加熱による加熱条件や圧接ロールによる圧接条件等によって変動するため、前記溶接部の溶接品質を評価する一つの指標となる。

そこで、ウェブとフランジとの溶接部における４つのビードそれぞれの形状を連続的に測定し、測定結果に基づいて連続的に算出した各ビードの断面積とウェブの厚さとが、いずれも特定の関係式を満足するか否かで前記溶接部の品質不良部を自動的に識別し、全長にわたってその溶接品質を確保した溶接Ｈ形鋼およびその製造方法が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている技術では、２次元レーザ距離計を用いてビード整形後の４つのビードそれぞれの形状をいずれも連続的に測定し、ビードの断面形状が略二等辺三角形であるとして各ビードの断面積を連続的に算出する。

特開２０１１−１１２４６号公報

しかしながら、ウェブとフランジとの溶接部に形成される溶接ビードの断面形状は、ビード整形後も必ずしも二等辺三角形ではなく、特許文献１に開示されている発明によっても、溶接部の品質不良を精度よく判定できないという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、溶接ビード整形後、搬送状態にある溶接軽量Ｈ形鋼のウェブとフランジとの溶接部を連続的に監視し、全長に亘って溶接部の接合合否をオンラインで判定する方法を提供することである。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、溶接軽量Ｈ形鋼に要求される最も重要な特性であるウェブとフランジとの溶接部の引張強度および溶接部の外観に影響を及ぼす因子について検討を重ねた。

まず、前記溶接部の引張強度は、該溶接部の溶融接合形態に支配されると考えられるため、ＪＩＳ Ｇ ３３５３に規定される溶接部強度試験と並行して、ウェブとフランジとの溶接部の断面マクロ組織によって該溶接部の溶融接合形態を確認し、溶接部の引張強度との関係について調べた。ウェブとフランジとの溶接部の断面マクロ組織の１例を図９（ａ）に示し、該断面マクロ組織から確認される前記溶接部の溶融接合形態を模式的に図９（ｂ）、および溶接ビード整形後の溶接ビードの断面形態を模式的に図９（ｃ）に示す。溶接部の引張強度は、図９（ｂ）および同（ｃ）に示した溶け込み深さδおよび接合幅Ｗに依存することが明らかになった。

そこで、断面マクロ組織を介さずに、上記の影響因子を溶接ビード整形後の溶接ビードの断面形状から評価するため、上記の影響因子と溶接ビードの断面積との関係を調べた。その結果、溶け込み深さδおよび接合幅Ｗは、図１０および図１１に示すように、溶接ビードの断面積との相関が強く、溶接ビードの断面積によって評価できることを知見した。

一方、溶接ビードの外観不良については、従来、溶接ビードの外観不良の判定は、図１３（ａ）に示すように、溶接ビード整形後に、溶接ビードの形状確認用のゲージ１０をウェブ１２とフランジ１１とに跨ぐように当てることで行っている。ここで、図１３（ｂ）に示すように溶接ビードのビード幅Ｗがゲージ１０に設けられたビード上限幅Ｗ_Ｕよりも大きいか否かを、ゲージ１０をあてることで目視により判定し、Ｗ＞Ｗ_Ｕである楊合に外観不良と判定している。また、図１３（ｃ）に示すように溶接ビードのウェブ側あるいはフランジ側への片寄りを、ゲージ１０をあてることで目視により判定し、片寄りがあった場合を外観不良とも判定している。このような、溶接ビードの外観不良の判定方法では、Ｈ形鋼の全長にわたって判定を行うことは困難であり、全長方向から抽出した点についての判定となることから、外観不良箇所が存在していたとしても見逃す懸念がある。

以上のことから、発明者らは、このような、溶接ビードの外観不良の判定についても、溶接ビード整形後の溶接ビードの断面形状を２次元レーザ距離計により測定し、この断面形状に基づいて、断面積および外観不良の判定が行えないかを検討した。

そして、この検討結果に基づき、下記の要旨からなる本発明を完成した。
（１）スリット加工した鋼帯を素材とするウェブ材とフランジ材を断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を連続的に溶接接合してＨ形鋼とする溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、前記ウェブ材と前記フランジ材との溶接部に形成された４つの溶接ビードを整形後、該溶接ビードに隣接するウェブの表面、前記溶接ビードの表面、および前記溶接ビードに隣接するフランジの表面からなる４箇所の輪郭形状を連続的に測定し、該輪郭形状から前記ウェブの表面、前記溶接ビードの表面、および前記フランジの表面で形成される断面プロフィールを求め、該断面プロフィールから前記４つの溶接ビードそれぞれの断面積、および／または、ビード厚さと、フランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅、および／または、前記溶接ビードの表面と前記ウェブの表面とのなす角および前記溶接ビードの表面と前記フランジの表面とのなす角とを算出し、これらの算出結果に基づいて前記溶接部の接合合否を判定することを特徴とする溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。

本発明によれば、溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、全長に亘ってウェブとフランジとの溶接部の接合合否をオンラインで判定することが可能になり、溶接接合不良部を排除できることに加え、後続の製造における溶接条件にフィードバックすることで溶接軽量Ｈ形鋼の全長に亘って良好なウェブとフランジとの溶接接合を確保することが可能となる。

２次元レーザ距離計による溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部の輪郭形状を測定する方法を模式的に示す説明図である。 輪郭形状から求められる断面プロフィールの一例を示す図である。 溶接ビード整形後の溶接軽量Ｈ形鋼の断面と溶接ビードの断面を模式的に示し、溶接ビードの特徴量を説明する図である。 溶接ビードの断面積を算出する方法を示す説明図である。 フランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅を算出する方法を示す説明図である。 溶接ビードのウェブ側あるいはフランジ側への片寄りが生じている場合の、断面プロフィールの一例を示す図である。 溶接ビードの表面とウェブの表面またはフランジの表面とのなす角を算出する方法を示す説明図である。 ビード厚さを算出する方法を示す説明図である。 ウェブとフランジとの溶接部の断面マクロ組織、および溶接部の溶融接合形態と溶接ビード整形後の断面形態を模式的に示す説明図である。 溶け込み深さδと溶接ビードの断面積との関係を示す図である。 接合幅Ｗと溶接ビードの断面積との関係を示す図である。 溶接軽量Ｈ形鋼の製造工程を示す説明図である。 従来の溶接ビードの外観不良を判定する方法を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
本発明では、図１２に示すように、スリット加工した鋼帯を素材とするウェブ材３２とフランジ材３１を断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を連続的に溶接接合してＨ形鋼とする溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、図１に示すように、前記ウェブ材３２と前記フランジ材３１との溶接部に形成された４つの溶接ビード１３を整形後、該溶接ビード１３に隣接するウェブ１２の表面、前記溶接ビード１３の表面、および前記溶接ビード１３に隣接するフランジ１１の表面からなる４箇所の輪郭形状を連続的に測定する。例えば、４台の２次元レーザ距離計２を図１に示すように配置し、前記４箇所の輪郭形状を測定する。この際、測定断面において各２次元レーザ距離計の光軸と測定対象であるフランジ面とのなす角が３５〜４５°となるように配置することが望ましく、さらに各２次元レーザ距離計の取り付け位置が測定対象である溶接軽量Ｈ形鋼のウェブ高さに追従する機構を有することが望ましい。

次に、前記２次元レーザ距離計２による測定で得られたそれぞれの輪郭形状からウェブ１２の表面、溶接ビード１３の表面、およびフランジ１１の表面で形成されるそれぞれの断面プロフィールを求める。本発明において、前記輪郭形状から求められる断面プロフィールの一例を図２に示す。図２は、予め設定した基準距離と２次元レーザ距離計２で測定された溶接部で連結するフランジ、溶接ビード、およびウェブのそれぞれの表面までの距離との差を測定高さとして示したもので、断面プロフィールとして谷形を示すような線図が得られる。

一方、溶接ビード整形後の溶接軽量Ｈ形鋼の断面を模式的に示すと図３（ａ）に示すような形状となっており、ウェブ１２とフランジ１１との溶接部の態様は、図３（ｂ）に示すように、該溶接部に形成されている溶接ビード１３の断面積、ウェブ側ビード幅、およびフランジ側ビード幅、あるいは、溶接ビードの表面とウェブとのなす角であるウェブ角（α）およびフランジとのなす角であるフランジ角（β）、さらにはビード厚さによって特徴づけられる。上記の各特徴量は、ウェブ材とフランジ材を溶接する際の溶接電流やアプセット量の影響を受けて変動する量であり、前述したように、溶接部の引張強度すなわち接合の合否を評価する指標となる。

そこで、本実施形態では、上記の測定で求められた４つの断面プロフィールからそれぞれの溶接ビードの断面積ならびにフランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅を以下の方法で算出し、これらの算出結果に基づいてウェブとフランジとの溶接部の接合合否を判定する。
＜１＞溶接ビードの断面積の算出
それぞれの断面プロフィールにおいて、図４に示すように、フランジ表面、ウェブ表面、および溶接ビード表面それぞれの測定高さのデータをそれぞれ1次近似することで近似直線Ａ、近似直線Ｂ、および近似直線Ｃを求め、近似直線Ａと近似直線Ｂとの交点ａ、近似直線Ａと近似直線Ｃとの交点ｂ、および近似直線Ｂと近似直線Ｃとの交点ｃを頂点とする３角形の面積Ｓを溶接ビードの断面積として算出する。

＜２＞フランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅の算出
それぞれの断面プロフィールにおいて、図５に示すように、近似直線Ａと近似直線Ｂとの交点ａから近似直線Ｃに下した垂線Ｈの足ｄを求め、交点ｂと足ｄとの距離をフランジ側のビード幅、交点ｃと足ｄとの距離をウェブ側のビード幅として算出する。

＜３＞溶接部の接合合否の判定
溶接部の引張強度は、溶け込み深さδおよび接合幅Ｗに依存するが、図９および図１０に示したとおり、溶け込み深さδおよび接合幅Ｗは、溶接ビードの断面積との相関が強く、溶接ビードの断面積によって評価できる。これは、溶接部の引張強度は、溶接ビードの断面積によって評価できるということである。そして、溶接ビードの断面積が小さすぎると溶接部の引張強度が低下することとなる。一方、溶接部の断面積が大きすぎるということは、図１３（ｂ）に示すような外観不良が生じることである。
したがって、溶接軽量Ｈ形鋼の寸法や材質等に応じて、溶接ビードの断面積に目標範囲を設けておき、上記＜１＞において算出された断面積Ｓが目標範囲を満足するときに、断面積については合格とする。具体的には、溶接ビードの断面積について、引張強度判定の観点から下限値Ｓ_Ｌを設定するとともに、外観不良判定の観点から上限値Ｓ_Ｕを設定しておく。そして、上記＜１＞で算出された断面積Ｓと、予め設定した溶接ビードの断面積の下限値Ｓ_Ｌと比較し、Ｓ≧Ｓ_ＬまたはＳ＞Ｓ_Ｌを満足し、かつ、Ｓ_Ｕ≧ＳまたはＳ_Ｕ＞Ｓを満足する場合に断面積Ｓに関して合格とし、これ以外は不合格とする。
さらに、溶接部の外観不良の判定を、＜２＞で算出されたフランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅に基づいて行う。図１３（ｃ）に示したような溶接ビードのウェブ側あるいはフランジ側への片寄りが大きくなる程、図５で示したフランジ側のビード幅、ウェブ側のビード幅が、図６に示すようになり、フランジ側のビード幅Ｗ_Ｆとウェブ側のビード幅Ｗ_Ｗの差が大きくなる。そこで、上記＜２＞において算出されたフランジ側のビード幅Ｗ_Ｆとウェブ側のビード幅Ｗ_Ｗからこれらの差ΔＷ＝｜Ｗ_Ｆ−Ｗ_Ｗ｜を算出し、このΔＷの値が予め設定しておいた上限値ΔＷ_Ｕ以上であるかΔＷ_Ｕより大きいときに外観の観点から不良と判断する。なお、上限値ΔＷ_Ｕは、求められる製品の外観形状に応じて予め設定しておく。
以上のようにして、上記＜１＞にて算出された断面積Ｓと、上記＜２＞にて算出されたフランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅とに基づき、溶接部の接合合否の判定を行うことで、溶接部の引張強度の不良および外観不良の両方について不良の判定を行うことができる。
また、溶接ビードの断面積やフランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅を算出するための、溶接ビードの表面、溶接ビードに隣接するウェブの表面および溶接ビードに隣接するフランジの表面の輪郭形状の測定は、２次元レーザ距離計を用いて行うので、２次元レーザ距離計２と溶接軽量Ｈ形鋼とを、溶接軽量Ｈ形鋼の長手方向に相対移動させながら、上記の輪郭形状の測定を行えば、溶接軽量Ｈ形鋼の全長にわたる多数点で溶接部の接合合否の判定を行うことができ、実質的には全長にわたり途切れなく溶接部の接合合否の判定が行える。
なお、上記の実施形態においては、溶接ビードの断面積と、フランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅とに基づいて、溶接部の接合合否の判定を行っているが、フランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅に基づく判定に替えて、断面プロフィールから算出された溶接ビード表面とウェブ表面とのなす角であるウェブ角（α）および溶接ビードの表面とフランジの表面とのなす角であるフランジ角（β）に基づく判定としてもよい。また、溶接ビード断面積に基づく判定に替えて、断面プロフィールから算出されたビード厚さに基づく判定としてもよい。
以下、ウェブ角（α）およびフランジ角（β）の算出方法、ビード厚さの算出方法、および、これらに基づく接合合否の判定について説明する。

＜４＞ウェブ角（α）およびフランジ角（β）の算出
それぞれの断面プロフィールにおいて、図７に示すように、近似直線Ａと近似直線Ｃとの交差角βを溶接ビードの表面とフランジの表面とのなす角（フランジ角）、近似直線Ｂと近似直線Ｃとの交差角αを溶接ビードの表面とウェブの表面とのなす角（ウェブ角）として算出する。

＜５＞ビード厚さの算出
それぞれの断面プロフィールにおいて、図８に示すように、近似直線Ａと近似直線Ｂとの交点ａから近似直線Ｃに下した垂線の長さｈを当該溶接ビードのビード厚さとして算出する。

＜６＞ウェブ角（α）およびフランジ角（β）に基づく判定
上述の＜３＞で説明した、フランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅に基づく判定に替えて、上述の＜４＞で算出された溶接ビード表面とウェブ表面とのなす角であるウェブ角（α）および溶接ビードの表面とフランジの表面とのなす角であるフランジ角（β）に基づく判定としてもよい。図６に示したように、溶接ビードのウェブ側あるいはフランジ側への片寄りが大きい場合には、ウェブ角（α）とフランジ角（β）の角度差が大きくなる。したがって、上記＜４＞において算出されたウェブ角（α）とフランジ角（β）からこれらの差｜α−β｜を算出し、算出された値が予め設定しておいた上限値以上であるか上限値より大きいときに外観の観点から不良と判断する。なお、ウェブ角（α）とフランジ角（β）との差の上限値は、求められる製品の外観形状に応じて予め設定しておく。なお、フランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅に基づく判定と、ウェブ角（α）およびフランジ角（β）に基づく判定との両方を行ってもよい。

＜７＞ビード厚さに基づく判定
上述の＜３＞で説明した、断面積Ｓに基づく判定に替えて、上述の＜５＞で説明した、ビード厚さｈに基づく判定としてもよい。＜３＞で説明した、フランジ側ビード幅およびウェブ側ビード幅に基づく判定が合格の場合、フランジ側ビード幅とウェブ側ビード幅との差が小さいということであり、また、＜６＞で説明した、ウェブ角（α）とフランジ角（β）に基づく判定が合格の場合、ウェブ角（α）とフランジ角（β）との差が小さいということであるから、これらビード幅差に基づく判定あるいはウェブ角とフランジ角との角度差に基づく判定のいずれか一方、あるいは、両方が合格である場合には、上述の断面積Ｓは、ビード厚さｈに相関する。したがって、断面積Ｓに基づく判定は、ビード厚さｈに基づく判定に置き換えることができる。
この場合上記＜５＞において算出されたビード厚さｈが目標範囲を満足するときに、断面積については合格とする。具体的には、ビード厚さｈについて、引張強度判定の観点から下限値ｈ_Ｌを設定するとともに、外観不良判定の観点から上限値ｈ_Ｕを設定しておく。そして、上記＜５＞で算出されたビード厚さｈと、予め設定したビード厚さの下限値ｈ_Ｌと比較し、ｈ≧ｈ_Ｌまたはｈ＞ｈ_Ｌを満足し、かつ、ｈ_Ｕ≧ｈまたはｈ_Ｕ＞ｈを満足する場合にビード厚さｈに関して合格とし、これ以外は不合格とする。なお、断面積Ｓに基づく判定と、ビード厚さｈに基づく判定との両方を行ってもよい。

１ 溶接軽量Ｈ形鋼
２ ２次元レーザ距離計
３ 溶接軽量Ｈ形鋼の製造工程
４ 高周波加熱装置
５ 圧接ロール
６ 冷却装置
１０ ゲージ
１１ フランジ
１２ ウェブ
１３ 溶接ビード
３１ フランジ材
３２ ウェブ材

Claims (1)

1. スリット加工した鋼帯を素材とするウェブ材とフランジ材を断面Ｈ形に組み合わせ、それぞれの当接部を連続的に溶接接合してＨ形鋼とする溶接軽量Ｈ形鋼の製造において、前記ウェブ材と前記フランジ材との溶接部に形成された４つの溶接ビードを整形後、該溶接ビードに隣接するウェブの表面、前記溶接ビードの表面、および前記溶接ビードに隣接するフランジの表面からなる４箇所の輪郭形状を連続的に測定し、該輪郭形状から前記ウェブの表面、前記溶接ビードの表面、および前記フランジの表面で形成される断面プロフィールを求め、該断面プロフィールから前記４つの溶接ビードそれぞれの断面積、および／または、ビード厚さと、フランジ側のビード幅およびウェブ側のビード幅、および／または、前記溶接ビードの表面と前記ウェブの表面とのなす角および前記溶接ビードの表面と前記フランジの表面とのなす角とを算出し、これらの算出結果に基づいて前記溶接部の接合合否を判定することを特徴とする溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。