JP6197126B1 - レーザ溶接形鋼およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

溶接部の強度に優れたレーザ溶接形鋼を提供する。鋼板からなるウェブ材（４）およびフランジ材（３ａ・３ｂ）により形成されたレーザ溶接形鋼（１）において、鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、ウェブ材（４）とフランジ材（３ａ・３ｂ）との接合部分である溶接部（２）の硬さは、鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下であり、溶接部（２）の突出量が１ｍｍ以下である。Ｃｅｑｌ＝Ｃ＋（Ｓｉ／５０）＋（Ｍｎ／２５）＋（Ｐ／２）＋（Ｃｒ／２５）＋Ｔｉ・・・（１）

Description

本発明は形鋼に関し、より詳しくは、レーザ溶接によって溶接部を形成した形鋼に関する。
従来、建築物等の構造部材として、断面がＨ形であるＨ形鋼が広く用いられている。このようなＨ形鋼としては、図６に示すように、ウェブ材とフランジ材とを高周波溶接で接合することで製造される軽量溶接Ｈ形鋼（図６の（ａ））、ウェブ材とフランジ材とをアーク溶接により接合することで製造されるビルドＨ形鋼（図６の（ｂ））、およびブルーム等を熱間圧延することで製造される圧延Ｈ形鋼が知られている（図６の（ｃ））。
図６の（ａ）に示すように、軽量溶接Ｈ形鋼では、高周波溶接時にウェブ材とフランジ材とを突き当てるため、溶融した鋼が押し出され、ビードが形成される。軽量溶接Ｈ形鋼では、鋼板表面とビードとの間に切り欠きが形成されるため、負荷を受けた場合に、切り欠きに応力集中が発生し、切り欠きを起点として破壊が生じる危険性がある。また、図６の（ｂ）に示すように、ビルドＨ形鋼では、アーク溶接に使用するフィラーワイヤにより溶接ビードが形成される。さらに、図６の（ｃ）に示すように圧延Ｈ形鋼では、ウェブとフランジとの交点部分にフィレットと呼ばれる曲面部分が存在する。
ここで、Ｈ形鋼は、構造部材として使用される際に、フランジ材同士の間に、ウェブ材と当接するように補強部材が配置されることや、他の部材と接合して使用されることがある。そのような場合に、上述したビード、溶接ビードおよびフィレットといった突出部が、補強部材の配置や、他の部材との接合を阻害する可能性がある。しかしながら、これらの突出部を切削等により除去してしまうと、強度が低下してしまうという問題がある。
このような問題を解決するために、ウェブ材とフランジ材とをレーザ溶接により接合する形鋼の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。レーザ溶接により形鋼を製造する方法では、溶接にフィラーワイヤを用いないため、溶接部に突出部が形成されず、突出部が補強部材の配置や、他の部材との接合を阻害することは無い。
日本国特許公報「特開２００９−１１９４８５号公報（２００９年６月４日公開）」 日本国特許公報「特開２０１１−８３７８１号公報（２０１１年４月２８日公開）」 日本国特許公報「特開２０１２−１５２８２０号公報（２０１２年８月１６日公開）」
近年、レーザ溶接により製造されたレーザ溶接形鋼において、溶接部の強度をさらに向上させることが求められている。
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接部の強度に優れたレーザ溶接形鋼を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザ溶接形鋼は、鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼であって、前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下であり、前記溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
Figure 0006197126
 本発明に係るレーザ溶接形鋼の製造方法は、鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼の製造方法であって、前記ウェブ材と前記フランジ材とをレーザ溶接により接合する工程を含み、前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下であり、前記溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
Figure 0006197126
本発明によれば、溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることにより、フランジ材とウェブ材とで囲まれる部分に補強部材等を取り付ける際の自由度が高く、レーザ溶接形鋼を建築物等の構造部材として使用する際に設計・施工面で有利である。さらに、炭素当量Ｃｅｑｌを０．０７５以上０．１５以下とし、溶接部の硬さを、鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下とすることで、溶接部の突出量が１ｍｍ以下でありながらも、溶接部の強度に優れたレーザ溶接形鋼を提供することができる。
（ａ）は、本発明の実施形態１に係るレーザ溶接形鋼の長手方向に垂直な断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）における部分拡大図である。 炭素当量Ｃｅｑｌと溶接部の硬さとの関係を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーザ溶接方法を示す模式図である。 実施例１における疲労試験の模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、斜め割れ試験の模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来用いられているＨ形鋼を示す図である。 形鋼が建築物等の構造部材として使用される場合の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、軽量溶接ＣＴ形鋼および圧延ＣＴ形鋼における、突出量を説明する図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ溶接形鋼の長手方向に垂直な断面を示す図である。 実施形態２に係るレーザ溶接形鋼の角継手部の部分拡大図であり、（ａ）は、フランジ材の端面とウェブ材の面とが揃っている場合であり、（ｂ）は、フランジ材の端面がウェブ材の面に対し突出している場合を示している。 形鋼が建築物等の構造部材として使用される場合の一例を示す図であり、（ａ）は実施形態２に係るレーザ溶接形鋼を、（ｂ）は圧延形鋼を、（ｃ）は軽量溶接形鋼を示している。 本発明の実施例２に係るレーザ溶接方法を示す模式図である。 実施例２における疲労試験の模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施例２における密着曲げ試験の模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１の（ａ）は、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１の長手方向に垂直な断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すレーザ溶接形鋼１における溶接部２の部分拡大図である。
レーザ溶接形鋼１は、鋼板からなる２つのフランジ材３と、フランジ材３同士を繋ぐ、鋼板からなるウェブ材４とがレーザ溶接により接合されたＨ形鋼である。なお、本実施形態では、レーザ溶接形鋼１が、長手方向に垂直な断面がＨ形であるＨ形鋼である場合について述べるが、これに限られるものでは無い。すなわち、レーザ溶接形鋼１は、レーザ溶接により製造されたＴ字状の継手部を有している形鋼であればよく、Ｉ形鋼、Ｔ形鋼等の各種形鋼であってもよい。なお、以下では、フランジ材３およびウェブ材４を母材と称することがある。
レーザ溶接形鋼１は、フランジ材３とウェブ材４との接合部分に、フランジ材３とウェブ材４とが溶融し形成された溶接部２を有する。
本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であり、０．７５ｍｍ以下であることが好ましい。溶接部２の突出量とは、レーザ溶接形鋼１の長手方向に垂直な任意の断面において、フランジ材３から突出している溶接部２の長さ、およびウェブ材４から突出している溶接部２の長さのうち、最大のものの長さである。
すなわち、レーザが照射された側をウェブ材４の表側とすると、図１の（ｂ）に示す溶接部２では、溶接部２の突出量とは、ウェブ材４の表側のフランジ材から突出している溶接部２の長さα、ウェブ材４の裏側のフランジ材３から突出している溶接部２の長さβ、ウェブ材４の表側から突出している溶接部２の長さγ、およびウェブ材４の裏側から突出している溶接部２の長さδのうち、最大の長さのものである。本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、任意の箇所の断面において、α、β、γ、およびδで示される、突出している溶接部の長さが何れも１ｍｍ以下である。
ここで、ウェブ材４の板厚は、６ｍｍ以下であることが好ましい。これは、ウェブ材４の板厚が６ｍｍを超えると、レーザ溶接を用いてフランジ材３とウェブ材４とを溶接する際に、入熱量を多くする必要がある。その結果、溶接部２の突出量、特に図１の（ｂ）において、βおよびδで示される裏ビードの長さが、１ｍｍを越えてしまうことがあるからである。なお、フランジ材３の板厚は、特に限定されるものでは無い。
図７は、形鋼が建築物等の構造部材として使用される場合の一例を示す図であり、（ａ）は、軽量溶接形鋼を、（ｂ）は、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１を示している。
図７の（ａ）に示すように、従来用いられている軽量溶接形鋼等の形鋼では、ウェブ材とフランジ材との接合部分に突出部が形成される。ところで、このような形鋼は、建築物等の構造部材として使用される場合には、ウェブ材とフランジ材とで囲まれる部分に、補強部材を配置して使用されることがある。そのような場合に、従来用いられている軽量溶接形鋼等の形鋼では、ウェブ材とフランジ材との接合部分に突出部が形成されており、補強部材の配置や形状が制限されてしまう。
一方、図７の（ｂ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１では、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であるため、補強部材の配置や形状の自由度が高い。また、このような形鋼は、他の部材と接合して使用される場合もある。そのような場合においても、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であるため、溶接部２が他の部材との接合を阻害することはない。このように、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、従来の形鋼に比べて、構造部材として使用する場合において、設計・施工面で有利である。
また、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、溶接部２の硬さが、ウェブ材４およびフランジ材３からなる母材の硬さの１．２倍以上、４倍以下である。また、溶接部２の硬さは、母材の硬さの２倍以上、３．５倍以下であることが好ましい。なお、本実施形態で言う硬さとは、ビッカース硬度（Ｈｖ０．２）である。溶接部２の硬さとは、溶接部２におけるウェブ材４とフランジ材３との突き当て部（当接部）であって、ウェブ材４の厚み方向の中心である位置における硬さである。例えば、溶接部２における硬さとは、図１の（ｂ）に示す、位置２ａにおける硬さである。また、ウェブ材４の硬さとフランジ材３の硬さとが異なる場合には、その平均値を母材の硬さとする。
なお、レーザ溶接形鋼１において、（溶接部２の硬さ）／（母材の硬さ）で示される硬さ比は、母材の組成およびレーザ溶接の条件等により制御することができる。
さらに、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１の溶接部２は、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下である。なお、下記式（１）において、それぞれの元素記号は、溶接部２における各元素の重量％濃度を表している。
Figure 0006197126
 ここで、溶接部２における炭素当量Ｃｅｑｌは、溶接部２における各元素の濃度を直接測定することで求めてもよいが、ウェブ材４およびフランジ材３における各元素の重量％濃度を用いてもよい。これは、レーザ溶接は、アーク溶接とは異なり、フィラーワイヤを用いないため、ウェブ材４およびフランジ材３と同じ組成の溶接部２が形成されるためである。なお、ウェブ材４とフランジ材３とで組成の異なる鋼板を使用する場合には、その平均値を溶接部２の組成とすればよい。
図２は、式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌと溶接部２の硬さとの関係を示す図である。式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌは、本願発明者が鋭意検討の結果見出したものであり、図２に示すように、炭素当量Ｃｅｑｌと溶接部２の硬さとの間には、よい相関が見られることが分かる。
なお、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１に用いられる鋼板（フランジ材３およびウェブ材４）は、焼き入れや焼き戻し等の調質処理を施した鋼板であってもよく、また、調質処理を施していない非調質の鋼板であってもよい。
以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であり、溶接部２の硬さが、母材の硬さの１．２倍以上４倍以下である。これにより、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、以下の（ｉ）および（ｉｉ）の効果を奏する。
（ｉ）溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であることにより、フランジ材３とウェブ材４とで囲まれる部分に補強部材等を取り付ける際の自由度が高く、レーザ溶接形鋼１を建築物等の構造部材として使用する際に設計・施工面で有利である。
（ｉｉ）炭素当量Ｃｅｑｌを０．０７５以上０．１５以下とし、溶接部２の硬さを、母材の硬さの１．２倍以上４倍以下とすることで、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下でありながらも、溶接部２の強度に優れたレーザ溶接形鋼１とすることができる。
＜実施形態２＞
上記の実施形態１では、レーザ溶接により製造されたＴ字状の継手部を有しているレーザ溶接形鋼について説明した。しかしながら、本発明は、Ｔ字状の継手部を有しているレーザ溶接形鋼に限定されるものではない。例えば、角継手部を有するレーザ溶接形鋼にも適用できる。
図９は、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１の長手方向に垂直な断面を示す図である。図９に示されるように、レーザ溶接形鋼１は、鋼板からなる２つのフランジ材３ａ・３ｂと、フランジ材３ａ・３ｂ同士を繋ぐ、鋼板からなるウェブ材４とがレーザ溶接により接合された形鋼である。レーザ溶接形鋼１は、一方のフランジ材３ａとウェブ材４とがＴ字状の継手部により接合され、他方のフランジ材３ｂとウェブ材４とが角継手部により接合されており、断面がＪ形である形鋼（以下、Ｊ形鋼という）となっている。
なお、本実施形態では、レーザ溶接形鋼１が、Ｊ形鋼である場合について述べるが、これに限られるものでは無い。すなわち、レーザ溶接形鋼１は、レーザ溶接により製造された角継手部を有している形鋼であればよく、断面がコ字状の形鋼等の各種形鋼であってもよい。
レーザ溶接形鋼１には、フランジ材３ａ・３ｂとウェブ材４との接合部分に、フランジ材３とウェブ材４とが溶融し形成された溶接部２を有する。本実施形態においても、実施形態１と同様に、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であり、０．７５ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、Ｔ字状の継手部における突出量は実施形態１と同様であるため説明を省略し、角継手部における突出量について説明する。
図１０は、角継手部の溶接部２の部分拡大図である。ここで、実施形態２のレーザ溶接形鋼１を製造する場合の溶接方法を図１２に示す。この図に示すように、実施形態２のレーザ溶接形鋼１は、ウェブ材の片面側からレーザを照射して、Ｔ字状の継手部と角継手部を形成することができる。そして、実施形態１と同様に、レーザが照射された側をウェブ材４の表側とする。図１０の（ａ）に示されるように、フランジ材３ｂの端面３ｃとウェブ材４の表側の面とが揃っている場合、溶接部２の突出量とは、ウェブ材４の裏側のフランジ材３ｂから突出している溶接部２の長さβおよびウェブ材４の裏側から突出している溶接部２の長さδのうち、最大の長さのものである。また、図１０の（ｂ）に示されるように、フランジ材３ｂの端面３ｃがウェブ材４の表側の面に対し突出している場合、ウェブ材４の表側のフランジ材３ｂから突出している溶接部２の長さα、ウェブ材４の裏側のフランジ材３ｂから突出している溶接部２の長さβ、ウェブ材４の表側から突出している溶接部２の長さγ、ウェブ材４の裏側から突出している溶接部２の長さδのうち、最大の長さのものである。本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、角継手部の任意の箇所に断面において、α、β、γ、およびδで示される、突出している溶接部の長さが何れも１ｍｍ以下である。
なお、本実施形態のレーザ溶接においても実施形態１と同様に、入熱量を考慮して、ウェブ材４の板厚は、６ｍｍ以下であることが好ましい。
図１１は、形鋼が建築物等の構造部材として使用される場合の一例を示す図であり、（ａ）は本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１を、（ｂ）は圧延形鋼を、（ｃ）は軽量溶接形鋼を示している。
図１１の（ｂ）（ｃ）に示すように、圧延形鋼や軽量溶接形鋼では、ウェブ材とフランジ材との接合部分に突出部（図６のビードやフィレット）が形成される。そのため、ウェブ材とフランジ材とで囲まれる部分に補強部材を配置する場合、ウェブ材とフランジ材との接合部分の突出部により、補強部材の配置や形状が制限されてしまう。
一方、図１１の（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１では、Ｔ字状の継手部および角継手部の溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であるため、実施形態１と同様に補強部材の配置や形状の自由度が高くなる。
また、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、Ｔ字状の継手部に限らず角継手部においても、実施形態１と同様に、溶接部２の硬さが、ウェブ材４およびフランジ材３からなる母材の硬さの１．２倍以上、４倍以下である。また、溶接部２の硬さは、母材の硬さの２倍以上、３．５倍以下であることが好ましい。なお、例えば、角継手部の溶接部２における硬さとは、図１０に示す位置２ａにおける硬さである。
さらに、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１の溶接部２は、Ｔ字状の継手部に限らず角継手部においても、実施形態１と同様に、上記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下である。
以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１における角継手部の溶接部２は、実施形態１と同様に、式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、突出量が１ｍｍ以下であり、硬さが母材の硬さの１．２倍以上４倍以下である。これにより、本実施形態に係るレーザ溶接形鋼１は、実施形態１と同様に、フランジ材３とウェブ材４とで囲まれる部分に補強部材等を取り付ける際の自由度が高く、Ｔ字状の継手部に限らず角継手部においても、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下でありながらも、溶接部２の強度に優れる。
以上のように、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接形鋼は、鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼であって、前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下であり、前記溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
Figure 0006197126
 また、本発明に係るレーザ溶接形鋼において、前記ウェブ材は、板厚が６ｍｍ以下であってもよい。
さらに、本発明に係るレーザ溶接形鋼において、前記溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの２倍以上３．５倍以下であることが好ましい。
さらに、本発明に係るレーザ溶接形鋼において、前記溶接部の突出量は、０．７５ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、本発明に係るレーザ溶接形鋼の製造方法は、鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼の製造方法であって、前記ウェブ材と前記フランジ材とをレーザ溶接により接合する工程を含み、前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であり、前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの１．２倍以上４倍以下であり、前記溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
Figure 0006197126
 また、本発明に係るレーザ溶接形鋼の製造方法において、前記ウェブ材は、板厚が６ｍｍ以下であってもよい。
さらに、本発明に係るレーザ溶接形鋼の製造方法において、前記溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの２倍以上３．５倍以下であることが好ましい。
さらに、本発明に係るレーザ溶接形鋼の製造方法において、前記溶接部の突出量は、０．７５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
＜第１の実施例＞
以下、実施例および比較例により、本発明のうち、実施形態１をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
表１に示すような炭素当量Ｃｅｑｌを有するウェブ材およびフランジ材を用いて、レーザ溶接により幅１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのＨ字状の形鋼を作成した（実施例１〜１１および比較例１〜１２）。
ここで、フランジ材としては、幅１００ｍｍ、長さ４ｍの鋼板を用いた。ウェブ材としては、幅が、〔１００−（２枚のフランジ材の板厚の合計）／２〕ｍｍ、長さが４ｍの鋼板を使用した。使用したフランジ材およびウェブ材の板厚は、表１に示す通りである。
なお、実施例１〜１１および比較例１〜１２では、フランジ材およびウェブ材として、非調質の鋼板を使用した。
図３は、本実施例に係るレーザ溶接方法を示す模式図である。図３に示すように、レーザ溶接は、ウェブ材４をフランジ材３に対して突き当て、ファイバーレーザ溶接機を用い、レーザトーチ６から４．０ｋＷ〜５．２ｋＷの出力で、ビームスポット径０．６ｍｍのレーザ光５を照射することにより行った。また、溶接速度を４ｍ／ｍｉｎとし、フランジ材３に対するレーザ光５の照射角度θを１０°とした。
また、比較のため、高周波溶接により製造される軽量溶接Ｈ形鋼（比較例１３、１４）と、熱間圧延により製造される圧延Ｈ形鋼（比較例１５、１６）とを作成した。疲労強度試験においてはこれらのＨ形鋼をウェブで切断しＴ字形状として試験に供した。さらに、後処理として、比較例１４では、高周波溶接後のビードを、比較例１６では、フィレットを、切削により取り除いた。
Figure 0006197126
 そして、実施例１〜１１および比較例１〜１６に対して、Ｔ字状の形鋼の長手方向に垂直な任意の断面における溶接部の突出量を測定した。溶接部の突出量の測定結果を表１に示す。
図８は、軽量溶接形鋼および圧延形鋼における、突出量を説明する図であり、図８の（ａ）は、軽量溶接形鋼を示しており、図８の（ｂ）は、圧延形鋼を示している。
なお、高周波溶接で作成した軽量溶接形鋼（比較例１３、１４）については、Ｔ字状の形鋼の長手方向に垂直な任意の断面において、図８の（ａ）においてα、β、γおよびδで示されるウェブ材およびフランジ材から突出しているビードの長さを測定し、その最大の長さを突出量とした。また、熱間圧延で作成した圧延形鋼（比較例１５、１６）についても、Ｔ字状の形鋼の長手方向に垂直な任意の断面において、図８の（ｂ）においてα、β、γおよびδで示されるウェブ材およびフランジ材から突出しているフィレットの長さを測定し、その最大の長さを突出量とした。
表１に示すように、板厚が６ｍｍ以下のウェブ材を使用し、レーザ溶接で作成した、実施例１〜１０および比較例１〜１１では、溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることが分かる。一方、高周波溶接で作成した比較例１３および熱間圧延で作成した比較例１５は、何れも溶接部の突出量が１ｍｍ超えていることが分かる。なお、ビートを取り除いた比較例１４およびフィレットを取り除いた比較例１６は、溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることがわかる。
次に、レーザ溶接で作成した実施例１〜１１および比較例１〜１２、ならびに高周波溶接で作成した比較例１３、１４について、溶接部の硬さと、フランジ材およびウェブ材（母材）との硬さを測定し、溶接部硬さ／母材硬さで示される硬さ比を算出した。硬さの測定結果および硬さ比を表２に示す。なお、フランジ材とウェブ材との組成が異なる実施例６および比較例４については、フランジ材の硬さとウェブ材の硬さとの平均値を母材の硬さとした。また、熱間圧延により作成した比較例１５および１６については、溶接部が存在しないため、母材の硬さについて測定を行った。
Figure 0006197126
 また、実施例１〜１１および比較例１〜１６の形鋼に対して、疲労試験、引張試験、および斜め割れ破壊試験を行った。それぞれの試験の内容は、以下の通りである。
〔疲労試験〕
図４は、疲労試験の模式図である。図４に示すように、フランジ材３と試験機基部１３とが平行となるように、フランジ材３を固定ボルト１２で試験機基部１３に固定する。そして、ウェブ材４をチャック１１で把持し、ウェブ材４に対して４回／秒で、母材強度の１０〜８０％の引張荷重を加え、完全片振りで試験を行った。そして、１０６回負荷を加えても破断しない荷重を測定し、母材の強度で除した値を疲労限とした。また、母材強度の５０％の荷重を加えて破断するまでの回数を測定した。そして、比較例１５で示す形鋼が、母材の強度の５０％の荷重を加えて破断するまでの回数を基準回数とし、当該基準回数に対する比を疲労寿命とした。測定した疲労限および疲労寿命を表３に示す。また、疲労試験において、形鋼が破断した位置を合わせて表３に示す。
〔引張試験〕
引張試験は、ＪＩＳ Ｇ ３３５３に準拠して行い、破断位置を測定した。測定結果を表３に示す。
〔斜め割れ試験〕
図５は、斜め割れ試験の模式図である。図５の（ａ）に示すように、まず、下材１５と上材１６との間に、Ｔ字状の形鋼を、フランジ材３およびウェブ材４がともに下材１５に接するように斜めに載置した。そして、上材１６に対して下材１５に向けた方向の荷重を加え、フランジ材３が上材１６と密着し、ウェブ材４が下材１５と密着するまで圧縮した（図５の（ｂ）参照）。そして、試験後の溶接部の割れの有無を測定した。測定結果を表３に示す。
なお、レーザ溶接形鋼では、レーザが照射された側が上方となるように載置する場合と、レーザが照射された側を下方となるように載置する場合との２通りの載置方法が考えられる。しかしながら、何れの方法で載置して試験を行ったとしても、溶接部の割れの有無は変化しないため、載置方法は特に限定されるものではない。
また、溶接を行っていない比較例１５および１６については、斜め割れ試験後のウェブ材とフランジ材との境界部分における割れの有無を測定した。
Figure 0006197126
 表１〜３に示すように、炭素当量Ｃｅｑｌが、０．０７５未満である比較例１、６、８、および１０は、疲労試験において溶接部が破断し、また、引張試験において溶接部で破断しやすいことが分かる。さらに、炭素当量Ｃｅｑｌが０．１５以上である比較例２、３、５、７、９および１１は、疲労試験で溶接部が破断し、また、斜め割れ試験において割れが発生しやすいことが分かる。以上から、炭素当量Ｃｅｑｌは、０．０７５以上０．１５以下とする必要があることが確認できた。
また、硬さ比が４を超える比較例４は、疲労試験において溶接部が破断し、また、斜め割れ試験においても割れが発生している。このことから、硬さ比は４以下とする必要が有ることが確認できた。また、硬さ比が１．２未満である比較例４．５は、疲労試験において溶接部が破断し、また、引張試験においても溶接部で破断していることが分かる。このことから、硬さ比は１．２以上とすることが好ましいことが確認できた。
さらに、炭素当量Ｃｅｑｌを０．０７５以上０．１５以下とし、溶接部の硬さを、母材の硬さの１．２倍以上４倍以下とすることで、引張試験において溶接部が破断することなく、斜め割れ試験において溶接部に割れが発生することなく、また疲労寿命に優れたレーザ溶接形鋼とすることができることが確認できた。
また、ウェブ材の板厚が６ｍｍを超える実施例１１は、ウェブ材の板厚が６ｍｍ以下である実施例１〜１０に比べて溶接部の突出量が多く、このことから、ウェブ材の板厚は、６ｍｍ以下が好ましいことが確認できた。
＜第２の実施例＞
次に、本発明のうち、実施形態２に係るＪ形鋼の実施例と比較例について説明する。表４に示すような炭素当量Ｃｅｑｌを有するウェブ材およびフランジ材を用いて、レーザ溶接により幅１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのＪ字状の形鋼を作成した（実施例１２〜２２および比較例１７〜２８）。
ここで、フランジ材３ａとして幅１００ｍｍ、長さ４ｍの鋼板を、フランジ材３ｂとして幅〔５０＋（ウェブ材４の板厚）／２〕ｍｍ、長さ４ｍの鋼板を用いた。ウェブ材４としては、幅が〔１００−（フランジ材３ａの板厚＋フランジ材３ｂの板厚）／２〕ｍｍ、長さが４ｍの鋼板を使用した。使用したフランジ材およびウェブ材の板厚は、表４に示す通りである。
なお、実施例１２〜２２および比較例１７〜２８では、フランジ材およびウェブ材として、非調質の鋼板を使用した。
図１２に示すように、レーザ溶接は、ウェブ材４をフランジ材３ａ・３ｂに対して突き当て、ファイバーレーザ溶接機を用い、４．０ｋＷ〜５．２ｋＷの出力で、ビームスポット径０．６ｍｍのレーザ光を照射することにより行った。また、溶接速度を４ｍ／ｍｉｎとし、フランジ材３ａ・３ｂに対するレーザ光の照射角度θを１０°とした。
また、比較のため、高周波溶接により製造される軽量溶接Ｈ形鋼（比較例２９、３０）と、熱間圧延により製造される圧延Ｈ形鋼（比較例３１、３２）との一方のフランジ材を切削により除去し、角継手部と同等の形状のサンプルを作成した。
これらの形鋼をウェブ材４の中間位置で切断し、角継手部を含むＬ字状として試験に供した。さらに、比較例３０では高周波溶接後のビードを、比較例３２では圧延形鋼のフィレットを、切削により取り除いた。
Figure 0006197126
 そして、実施例１２〜２２および比較例１７〜２８に対して、Ｌ字状の形鋼の長手方向に垂直な任意の断面における、角継手部の溶接部の突出量を測定した。溶接部の突出量の測定結果を表４に示す。
表４に示すように、板厚が６ｍｍ以下のウェブ材を使用し、レーザ溶接で作成した、実施例１２〜２２および比較例１７〜２７では、溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることが分かる。一方、高周波溶接で作成した比較例２９および熱間圧延で作成した比較例３１は、何れも溶接部の突出量が１ｍｍを超えていることが分かる。なお、ビードを取り除いた比較例２９およびフィレットを取り除いた比較例３１は、溶接部の突出量が１ｍｍ以下であることがわかる。
次に、レーザ溶接で作成した実施例１２〜２２および比較例１７〜２８、ならびに高周波溶接で作成した比較例２９、３０について、角継手部の溶接部の硬さと、フランジ材およびウェブ材（母材）との硬さを測定し、溶接部硬さ／母材硬さで示される硬さ比を算出した。硬さの測定結果および硬さ比を表５に示す。なお、フランジ材とウェブ材との組成が異なる実施例１７および比較例２０については、フランジ材の硬さとウェブ材の硬さとの平均値を母材の硬さとした。また、熱間圧延により作成した比較例３１および３２については、溶接部が存在しないため、母材の硬さについて測定を行った。
Figure 0006197126
 また、実施例１２〜２２および比較例１７〜２８の、角継手部を有するＬ字状の形鋼に対して、疲労試験、引張試験、および密着曲げ試験を行った。それぞれの試験の内容は、以下の通りである。
〔疲労試験〕
図１３は、疲労試験の模式図である。図１３に示すように、フランジ材３ｂと試験機基部１３とが平行となるように、フランジ材３ｂを固定ボルト１２で試験機基部１３に固定する。そして、ウェブ材４をチャック１１で把持し、ウェブ材４に対して４回／秒で、母材強度の１０〜８０％の引張荷重を加え、完全片振りで試験を行った。そして、１０６回負荷を加えても破断しない荷重を測定し、母材の強度で除した値を疲労限とした。また、母材強度の５０％の荷重を加えて破断するまでの回数を測定した。そして、比較例３１で示す形鋼が、母材の強度の５０％の荷重を加えて破断するまでの回数を基準回数とし、当該基準回数に対する比を疲労寿命とした。測定した疲労限および疲労寿命を表６に示す。また、疲労試験において、形鋼が破断した位置を合わせて表６に示す。
〔引張試験〕
引張試験は、ＪＩＳ Ｇ ３３５３に準拠して行い、破断位置を測定した。測定結果を表６に示す。
〔密着曲げ試験〕
図１４は、密着曲げ試験の模式図である。図１４の（ａ）に示すように、まず、下材１５と上材１６との間に、Ｌ字状の形鋼を、フランジ材３ｂの端部が下材１５に接し、ウェブ材４の端部が上材１６に接するように斜めに載置した。そして、上材１６に対して下材１５に向けた方向の荷重を加えて形鋼を変形させ（図１４の（ｂ）参照）、フランジ材３ｂが下材１５と密着し、ウェブ材４が上材１６と密着するまで圧縮した（図１４の（ｃ）参照）。そして、試験後の溶接部の割れの有無を測定した。測定結果を表６に示す。
なお、溶接を行っていない比較例３１および３２については、密着曲げ試験後のウェブ材とフランジ材との境界部分における割れの有無を測定した。
Figure 0006197126
 表４〜６に示すように、炭素当量Ｃｅｑｌが、０．０７５未満である比較例１７、２２、２４および２６は、疲労試験において溶接部が破断し、また、引張試験において溶接部で破断しやすいことが分かる。さらに、炭素当量Ｃｅｑｌが０．１５以上である比較例１８、１９、２１、２３、２５および２７は、疲労試験で溶接部が破断し、また、密着曲げ試験において割れが発生しやすいことが分かる。以上から、炭素当量Ｃｅｑｌは、０．０７５以上０．１５以下とする必要があることが確認できた。
また、硬さ比が４を超える比較例２０は、疲労試験において溶接部が破断し、また、斜め割れ試験においても割れが発生している。このことから、硬さ比は４以下とする必要が有ることが確認できた。また、硬さ比が１．２未満である比較例２０．５は、疲労試験において溶接部が破断し、また、引張試験においても溶接部で破断していることが分かる。このことから、硬さ比は１．２以上とすることが好ましいことが確認できた。
さらに、炭素当量Ｃｅｑｌを０．０７５以上０．１５以下とし、溶接部の硬さを、母材の硬さの１．２倍以上４倍以下とすることで、引張試験において溶接部が破断することなく、斜め割れ試験において溶接部に割れが発生することなく、また疲労寿命に優れたレーザ溶接形鋼とすることができることが確認できた。
また、ウェブ材の板厚が６ｍｍを超える実施例２２は、ウェブ材の板厚が６ｍｍ以下である実施例１２〜２１に比べて溶接部の突出量が多く、このことから、ウェブ材の板厚は、６ｍｍ以下が好ましいことが確認できた。
１ レーザ溶接形鋼
２ 溶接部
３ フランジ材
４ ウェブ材

Claims (3)

  1. 鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼であって、
    前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であるという条件と、
    前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの２．８倍以上４倍以下であるという条件とを共に満たし、
    レーザが照射された側をウェブ材の表側とし、前記ウェブ材の表側における前記フランジ材から突出している溶接部の長さをα、前記ウェブ材の表側から突出している溶接部の長さをγ、前記ウェブ材の裏側における前記フランジ材から突出している溶接部の長さをβ、前記ウェブ材の裏側から突出している溶接部の長さをδとすると、α、β、γ、およびδで示される、突出している溶接部の長さが何れも１ｍｍ以下であることを特徴とするレーザ溶接形鋼。
    Figure 0006197126
  2. 前記ウェブ材は、板厚が６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接形鋼。
  3. 鋼板からなるウェブ材およびフランジ材により形成されたレーザ溶接形鋼の製造方法であって、
    前記ウェブ材と前記フランジ材とをレーザ溶接により接合する工程を含み、
    前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃｅｑｌが０．０７５以上０．１５以下であるという条件と、
    前記ウェブ材と前記フランジ材との接合部分である溶接部の硬さは、前記鋼板の硬さの２．８倍以上４倍以下であるという条件とを共に満たし、
    レーザが照射された側をウェブ材の表側とし、前記ウェブ材の表側における前記フランジ材から突出している溶接部の長さをα、前記ウェブ材の表側から突出している溶接部の長さをγ、前記ウェブ材の裏側における前記フランジ材から突出している溶接部の長さをβ、前記ウェブ材の裏側から突出している溶接部の長さをδとすると、α、β、γ、およびδで示される、突出している溶接部の長さが何れも１ｍｍ以下であることを特徴とするレーザ溶接形鋼の製造方法。
    Figure 0006197126
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