JP5656220B2

JP5656220B2 - レーザ溶接ｈ形鋼の製造方法

Info

Publication number: JP5656220B2
Application number: JP2010289788A
Authority: JP
Inventors: 仲子　武文; 武文仲子; 康弘桜田; 徹家成; 朝田　博; 博朝田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012135792A

Description

本発明は、レーザ光を熱源としたレーザ溶接によってウェブ材とフランジ材を溶接接合した溶接Ｈ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Ｈ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、Ｈ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Ｈ形鋼が用いられるようになっている。

溶接Ｈ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。しかし、高周波溶接法を採用した場合、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、溶接部だけでなく電極と接触する部分においても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。

また、高周波溶接法には、使用設備が大掛かりなものとなるといった問題点があるばかりでなく、被溶接形鋼に、サイズ的な制約が加わる。このため、小型品を安価に提供しようとするとき、高周波溶接法の採用は適当ではない。
そこで、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つのレーザビームを同時に照射するとともに、同方向に照射点を移動させてレーザ溶接する技術が提案されている。レーザ光の照射によって溶接するため、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。このため、溶接後の補修塗料の使用量を低減することができるといったメリットもある。

また、本発明者等は、突き合わせた金属板の両面から対向する位置に２つのレーザビームを同時に照射するのではなく、片方のみからのレーザ光照射でも問題なく溶接できる方法を特許文献２で提案した。
これらの方法で溶接Ｈ形鋼を製造しようとすると、ウェブ材の端部を垂直に押し当てた２箇所のＴ字状継手部にレーザ光を照射する工程を２回施すことになって、生産性の観点からは、最良の方法とはいえない。

そこで、本発明者等は、特許文献３で、生産性の向上を目的として、２つのレーザヘッドをウェブ材の片面側に配置し、溶接Ｈ形鋼を形作るウェブ材及びフランジ材の垂直な面に位置する２箇所のＴ字継手部を互いの支点として、一方のレーザヘッドを溶接方向の上流側に傾斜させ、他方のレーザヘッドを溶接方向の下流側に傾斜させて、さらにフランジ材面に対して互いにウェブ材側に傾斜させた２つのレーザヘッドで前記２箇所のＴ字継手部を同時にレーザ溶接して、１パスで形状精度に優れたＨ形鋼を製造する方法を提案した。

特開２００５‐０２１９１２号公報特開２００７‐３０７５９１号公報特願２００９‐２３６２１７号

上記特許文献３で提案した方法では、Ｈ形に組んだウェブ材の片面側に２つのレーザヘッドが互いに干渉しあうことがないように配置することにより、同一方向からの片側１パス溶接により２箇所の溶接を同一線上で行うことが可能になり、形状精度の優れた溶接Ｈ形鋼を低コストで製造することが可能となる。
しかしながら、片側１パス溶接により２箇所の溶接を同時に行うと、レーザ光照射側とその反対側（裏側）のビード溶け込み形状が非対称となることから、熱変形によるフランジ材の倒れは不均一となる。通常レーザ光照射側よりも反対側のフランジ材の倒れ方が大きくなる。すなわち、図１に見られるように、フランジ材の倒れ角度は、レーザ光照射側のｃ₀°よりも、反対側のｄ₀°の方が大きくなるようにフランジ材はウェブ材の当接部分を境にして折り曲げられたように倒れる。

フランジ材が折れ曲がったように倒れたままでは、他の部材との接合等に支障をきたすことになる。このため、図２に示すように、変形したフランジ材の間に、側部にテーパ面を形成した矯正ロールを上下から押込んでフランジ材の倒れを矯正している。
ところが、前記したように、Ｈ形に組んだウェブ材の片面側からのみレーザ光照射を施すと、ウェブ材の当接部分を境に、レーザ光を照射した側の曲がり角度と反対側の曲がり角度が異なってしまう。

上下で倒れ角度が異なったフランジ間に矯正ロールを押込むと、上下で矯正すべき変形量が異なるため、上下対称な形状に矯正できなかったり、或いは矯正ロールの押込み力が上下でアンバランスとなり、断面形状矯正時に曲がりや反り等の形状不良を生じる、という問題がある。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、Ｈ形に組んだウェブ材の片面側からのみ２箇所のＴ字継手部に同時にレーザ光照射して、溶接Ｈ形鋼を製造する際に、フランジ角度の上下非対称な変形を防止して形状矯正の負担軽減と形鋼の品質向上を図ることを目的とする。

本発明のレーザ溶接Ｈ形鋼の製造方法は、その目的を達成するため、ウェブ材の両端部にフランジ材を押し当てた２箇所のＴ字状継手部をウェブ材の片面側から同時にレーザ光を照射して１パス溶接する溶接Ｈ形鋼の製造方法であって、溶接前のフランジ材を、レーザ光照射側におけるウェブ材となす角度Ａ_１とレーザ光照射側と反対側におけるウェブ材となす角度Ｂ_１とが、Ａ_１＜Ｂ_１となるように保持した状態でレーザ溶接することを特徴とする。
なお、Ａ_１は、レーザ光照射側の溶接前のフランジ材とウェブ材がなす角度であり、Ｂ_１は、レーザ光照射側と反対側の溶接前のフランジ材とウェブ材がなす角度である。

フランジ材としてウェブ材との当接部分を境に折り曲げられている板材を用い、このフランジ材を、レーザ光照射側におけるウェブ材となす角度Ａ_３とレーザ光照射側と反対側におけるウェブ材となす角度Ｂ_３とが、９０°＜Ａ_３＜Ｂ_３となるように保持した状態でレーザ溶接してもよい。
このときの、Ａ_３は、レーザ光照射側の溶接前のフランジ材とウェブ材がなす角度であり、Ｂ_３は、レーザ光照射側と反対側の溶接前のフランジ材とウェブ材がなす角度である。
なお、レーザ溶接時のフランジ材の倒れ角度を一定にするとともに、安定した接合強度を発現させるためには、ウェブ材の端面をフランジ材の当接面の形状に合わせて整形しておくことが好ましい。

本発明による方法の採用により、レーザ溶接後の上下非対称なフランジ材の倒れ変形が防止され、さらには変形自体も抑制することが可能となり、形状矯正工程の負荷軽減が可能となる。しかも、レーザ溶接法を採用しているので、亜鉛系めっき鋼板を素材としてＨ形鋼を製造する場合であっても、めっき層に対する損傷領域を極力狭くすることが可能となり、溶接後に補修を必要とする際にも最小限の塗料塗布で十分となる。
このため、形状精度が良好な高品質の溶接Ｈ形鋼が低コストで提供される。

従来法により片面１パス溶接した際のフランジ材形状を説明する図従来法により溶接されたＨ形鋼を非対称形態で矯正する態様を説明する図本発明法により片面１パス溶接した際のフランジ材形状の一例を説明する図本発明法により片面１パス溶接した際のフランジ材形状の次例を説明する図本発明の最適な方法例を説明する図

前記した通り、Ｈ形に組んだウェブ材の片面から２つのレーザ光照射を同時に行って片側１パス溶接を行うと、レーザ光照射側とその反対側（裏側）のビード溶け込み形状が非対称となることから、熱変形によるフランジ材の倒れが不均一となって、図１に見られるように、フランジ材はウェブ材の当接部分を境にして、レーザ光照射側のｃ₀°よりも反対側のｄ₀°の方が大きくなるように折り曲げられたような形状になる。上下非対称になって、その後の矯正が行い難くなる。

片側１パス溶接により製造した溶接Ｈ形鋼が上下非対称になる原因が、熱変形によるフランジ材の倒れ角度が変わることにあるのであれば、その角度に応じて被溶接フランジ材を予め傾けておけば、折り曲げられたように倒れた角度を同じにすることが可能となる。
そこで、図３に示すように、溶接前のフランジ材をレーザ光照射側においてはウェブ材となす角が９０°よりも小さくなるように、またレーザ光照射側と反対側においてはウェブ材となく角が９０°よりも大きくなるように傾けて保持した状態でレーザ溶接することにした。
このように、被溶接フランジ材を予め傾けた状態で１パス溶接すれば、折り曲げ形状が上下対称となってその後の矯正ロールにより形状矯正が容易に行えることになる。

上記のように、予め被溶接フランジ材を傾けておいただけでは、溶接後に矯正作業を行わなければならない。
そこで、フランジ材として、ウェブ材との当接部分を境にウェブ材と反対側に折り曲げられている板材を用いることとした。レーザ溶接したときに、レーザ光照射側の倒れ角度よりも反対側の倒れ角度の方が大きくなるので、予めウェブ材との当接部分を境に折り曲げられた板材を、図４（ａ）に示すように、ウェブ材に対してレーザ光照射側の角度a₂°よりも反対側の角度b₂°の方が大きくなるように配置・保持した後に片側１パス溶接する。

このように、予め折り曲げられたフランジ材の折り曲げ角度とウェブ材に対して配置・保持する角度を上手に調整すれば、図４（ｂ）に示すように、折れ曲がりがなく、前面がフラットなフランジ面となって、形状矯正を行うことなく出荷することが可能となる。
上記のようなフランジ材のウェブ材に対して配置・保持する適切な角度、或いは折り曲げておく適切な折り曲げ角度は、被溶接フランジ材の板厚や溶接条件によっても変わってくるので、予備実験により確認しておくことが必要となる。

上記Ｈ形鋼をレーザ溶接法により製造するときに発生し易いフランジ材の倒れ状況の変動は、レーザ光照射した際のビード溶け込み形状が部位によって異なることに起因している。ビード溶け込み形状が部位によって異なれば接合強度も変動することになる。そして、ビード溶け込み形状が一定であれば、フランジ材の倒れの状況も一定になる。
ところで、Ｈ形に組んだフランジ材、ウェブ材を溶接して溶接Ｈ形鋼を製造する際には、フランジ材、ウェブ材として鋼帯を用いるのが一般的であるが、せん断加工された板材を用いる場合もある。

上下方向にせん断加工された板材のせん断面には、通常、板材の上面側にダレが、下面側にバリが発生している。すなわち、板材の端面は不均等な面となっている。
切断された板材をウェブ材とし、そのせん断面側をフランジ材に押し当ててＴ字継手部分をレーザ溶接しようとすると、ウェブ材の端面がフランジ材に対して全面が均等に当接していないことになる。
端面にダレやバリが無くても、本発明方法のように、ウェブ材に対してフランジ材を傾けて当接させようとすると、ウェブ材の端面全体がフランジ材に対して当接していないことになる。隙間部分が生じてしまう。

このような当接形態のままでレーザ溶接すると、ビード溶け込み形状が不均等になり、フランジ材の倒れ状況が変動するばかりでなく、接合強度も変動する。
そこで、図５に示すように、傾けて配置するフランジ材のウェブ材当接面にウェブ材端面の全面が当たるようにウェブ材端面を傾けた面となるように整形しておくこととした。
なお、接合強度をさらに高めるためには、図５に示すように、端面近傍断面を他の部位の断面よりも大きくすることが好ましい。

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の付着量が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、製品高さ（フランジ外面の寸法）から２枚のフランジ厚みを除した板幅７５．４ｍｍにカットした素材をウェブ材として、フランジ材を垂直に、ウェブ材を水平に、断面形状がＨ形状になるようにバイス等で固定し、８０ｍｍ×８０ｍｍの溶接Ｈ形鋼を作製した。

溶接方法はフランジ材をウェブ材の端部に垂直に押し当てて形作られた２つのＴ字状継手部にレーザ光を同時に照射する方法で、しかも２つのレーザヘッドは、Ｈ形を形作るウェブ材およびフランジ材の垂直な面に位置する２箇所のＴ字継手部を支点として、一方のレーザヘッドをラインの進行方向に１５°傾け、他方のレーザヘッドを溶接ラインの後方に１５°傾けて配置し、しかも垂直に配置したフランジ材に対して互いにウェブ側に１０°傾斜させて配置し、各レーザヘッドの向きをそれぞれフランジ材とウェブ材が当接する部位に向くように配置して、被ウェブ材の幅方向全域に渡ってすみ肉溶接を一方向から２箇所同時に実施した。溶接時のレーザ出力は、それぞれ４.０ｋＷ，溶接速度が４.０ｍ／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。

上記のような条件で溶接Ｈ形鋼を製造するに当たって、図１に示すようにフランジ材をウェブ材に対して垂直に配置した形態Ａ、図３に示すようにフランジ材をウェブ材に対して傾けて配置した形態Ｂ、及び図４に示すように予め折り曲げたフランジ材をウェブ材に対して配置した形態Ｃの三種類の形態でレーザ溶接した。
そして、図１、３、４に示すように、溶接前のフランジ材傾斜角度と溶接後のフランジ材傾斜角度を測定した。

その結果を表１に示す。なお、表１中では、角度は、フランジ材先端の幅が広がる方向を正、狭まる方向を負として表記している。
本発明例１では、フランジ材の倒れの形状が上下対称となっている。このため、その後の矯正が容易に行えることがわかる。また、本発明例２では、フランジ材が折れ曲がることなく、完全なＨ形となっていた。

また、形態Ａにおいては、Ｈ形鋼のフランジの開口幅が上下で異なるため、ウェブ面が上下の矯正ロールの中心からずれることとなり（図２参照）、フランジ角度の矯正においてＨ形鋼に曲げモーメントが作用して長手方向上方への曲がりが生じた。

Claims

ウェブ材の両端部にフランジ材を押し当てた２箇所のＴ字状継手部をウェブ材の片面側から同時にレーザ光を照射して１パス溶接する溶接Ｈ形鋼の製造方法であって、溶接前のフランジ材を、レーザ光照射側におけるウェブ材となす角度Ａ _１とレーザ光照射側と反対側におけるウェブ材となす角度Ｂ _１とが、Ａ _１＜Ｂ _１となるように保持した状態でレーザ溶接することを特徴とするレーザ溶接Ｈ形鋼の製造方法。
フランジ材としてウェブ材との当接部分を境に折り曲げられている板材を用い、このフランジ材を、レーザ光照射側におけるウェブ材となす角度Ａ _３とレーザ光照射側と反対側におけるウェブ材となす角度Ｂ _３とが、９０°＜Ａ _３＜Ｂ _３となるように保持した状態でレーザ溶接する請求項１に記載のレーザ溶接Ｈ形鋼の製造方法。
端面がフランジ材の当接面の形状に合わせて整形されたウェブ材を用いる請求項１又は２に記載のレーザ溶接Ｈ形鋼の製造方法。