JP6398196B2

JP6398196B2 - 溶接軽量ｈ形鋼の製造方法

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Publication number: JP6398196B2
Application number: JP2014005593A
Authority: JP
Inventors: 雅充松本; 迫田　章人; 章人迫田; 千田　光; 光千田; 弘行的場; 小林　努; 努小林; 和金山; 幸司秋岡
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: JP2014208880A

Description

本発明は、溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法に関する。

溶接軽量Ｈ形鋼は、例えば、熱延コイルから高周波抵抗溶接によって連続的に製造されるＨ形鋼である。

溶接軽量Ｈ形鋼は、主に住宅・プレハブ構造物の建築構造材として用いられる。最近では、鉄骨構造物だけでなく、在来工法の木造住宅における柱・梁などの材料として用いられており、その需要が拡大している。

溶接軽量Ｈ形鋼には、その耐食性を向上させるため表面処理が行われるが、その方法として、鋼板を溶接してウエブおよびフランジを形成した後、塗装する場合と、めっき鋼板を溶接してウエブおよびフランジを形成してＨ形鋼を製造する場合がある。

後者の方法では、溶接によって受けるめっきのダメージを補修する方法として、従来、下記のような方法が提案されている。

特許文献１には、溶融亜鉛めっき溶接Ｈ形鋼において、めっきかす除去後の整形溶接ビード部付近に亜鉛吹付け塗装をして補修する技術が開示されている。

特許文献２には、溶接Ｈ形鋼の溶接ビード部を水洗、乾燥した後、亜鉛吹付け塗装を行う技術が開示されている。

特許文献３には、溶接Ｈ形鋼の溶接部に吹付け塗装法にてアルミニウム添加型水溶性塗料の塗膜を被せる技術が開示されている。

特許文献４には、溶融金属めっき溶接Ｈ形鋼に、該溶融金属めっき被膜を構成する金属の溶射被膜を形成する技術が開示されている。

その他、軽量Ｈ形鋼以外の分野における溶接部の補修技術として、以下の技術が開示されている。

特許文献５には、溶接継ぎ手部の疲労強度向上のため、溶接止端部を覆う状態に高周波アーク溶射を施工して溶射層を形成する技術が開示されており、具体例としてガルバリウム組成溶射が記載されている。

特許文献６には、溶融亜鉛−アルミニウム系合金めっき鋼材の溶接部の上層にＡｌ−Ｓｉ系合金を溶射して１層目の溶射層を形成し、その上にＺｎ−Ａｌ系合金を溶射して２層目の溶射層を形成する技術が開示されている。

特許文献７には、めっき鋼材に形成されているＺｎめっき層又はＺｎ−Ａｌ合金めっき層を補修する際、前記めっき層の被補修部にＡｌを溶射し、次いでＺｎ又はＺｎ−Ａｌ合金を溶射する技術が開示されている。

なお、特許文献６および７では、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層には、Ｚｎ−５％Ａｌ合金めっき層，Ｚｎ−５５％Ａｌ合金めっき層等があるとしている。

特開平７−９１５１号公報特開２００３一２７５８１４号公報特開２００３一１９３２６４号公報特開２００２一１５３０号公報特開２００８一１９１９号公報国際公開第２０１２／０５３２１４号特開平８−１２７８５５号公報

特許文献１〜３に開示された技術によれば、塗料によっては乾燥後の塗膜とめっきの色差はほとんどなくすことができ、外観は良好であるが、耐食性(犠牲防食性)が必ずしも十分ではない。この点、軽量Ｈ形鋼以外の分野における溶接部の補修技術ではあるが、特許文献４〜７の技術は、溶射被膜を形成する点で優れている。

しかし、特許文献４の技術は、溶融金属めっき被膜と同種の金属の溶射被膜を形成するため、溶射被膜の密着性が必ずしも十分ではない。特許文献５の技術は、５５質量％ものAlを含むガルバリウムの溶射被膜を形成するため、犠牲防食の点では不利である。特許文献６および７の技術は、二層の溶射被膜を形成する点で、工程が煩雑で製造コストを上昇させる。また、いずれも２層目のＺｎ−Ａｌ合金めっき層に、Ｚｎ−５％Ａｌ合金めっき層またはＺｎ−５５％Ａｌ合金めっき層を用いることとしているが、Ｚｎ−５％Ａｌ合金めっき層では溶射被膜の密着性の問題があり、Ｚｎ−５５％Ａｌ合金めっき層では犠牲防食の点では不利であるという問題がある。

溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部には、溶接ビードが形成されるとともに、ビードの表面には厚いスケールが形成される。鋼板の場合、溶射前に基材にショットブラスト処理を施すことが広く行われているが、溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部は入り隅になっており、数ｍｍ幅程度のビード部に集中してショットブラストするのは難しい。また、鋼管の場合、容易にビードをカットすることができるが、溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部にこれを行うのも困難である。

本発明は、溶接部に溶接ビードおよびその上のスケールが存在していたとしても、溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部と密着性が良好な溶射被膜を形成することができ、耐食性(犠牲防食性)に優れた溶接軽量Ｈ形鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するべく、鋭意研究を重ね、本発明を完成した。本発明は、下記の溶接軽量Ｈ形鋼およびその製造方法を要旨とする。

（１）亜鉛系めっき鋼帯を連続的に溶接してウエブおよびフランジを形成した後、前記ウエブおよび前記フランジの溶接部表面に、粒度番号が１００番以上のアルミナ製投射材を用いたショットブラストを実施した後、アーク溶射によって２０質量％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層を形成する溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法であって、前記アーク溶射が、アルミニウムを主成分とする溶射金属と、亜鉛を主成分とする溶射金属とを用いて行われる、溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。

（２）亜鉛系めっき鋼帯を連続的に溶接してウエブおよびフランジを形成した後、前記ウエブおよび前記フランジの溶接部を８０〜３５０℃の温度範囲に予熱し、該溶接部表面に、粒度番号が１００番以上のアルミナ製投射材を用いたショットブラストを実施した後、アーク溶射によって１５質量％以上２０質量％未満のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層を形成する溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法であって、前記アーク溶射が、アルミニウムを主成分とする溶射金属と、亜鉛を主成分とする溶射金属とを用いて行われる、溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。

（３）前記アーク溶射が、溶接ビードを残したままの溶接部表面に金属溶射層を形成するものである、上記（１）または（２）の溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。

本発明によれば、溶接部に溶接ビードおよびスケールが存在する場合であっても、溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部と密着性が良好な溶射被膜を形成することができるので、耐食性(犠牲防食性)に優れた溶接軽量Ｈ形鋼を得ることができる。

溶射条件を示す図

以下、本発明に係る溶接軽量Ｈ形鋼の実施形態について説明する。なお、含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

本発明に係る溶接軽量Ｈ形鋼は、例えば、亜鉛系めっき鋼帯を巻き取ったコイルを巻き戻し、所定幅にスリットしてウエブ用鋼帯およびフランジ用鋼帯とし、これらを当接させた状態で高周波抵抗溶接などによって連続的に溶接し製造される。亜鉛系めっきの種類には、特に制約はないが、溶融亜鉛めっきのほか、０．１〜５０％のＡｌを含有するもの、または、０．１〜５０％のＡｌおよび０．１〜１０％のＭｇを含有し、残部が亜鉛からなる溶融めっきを用いることができる。例えば、溶融５％Ａｌ−Ｚｎめっき、溶融１１％Ａｌ−３％Ｍｇ−Ｚｎめっきなど、犠牲防食性に優れたＺｎを主成分とするめっきを用いるのが良い。めっき付着量などの条件は、要求性能、コスト等とのバランスで決定される。

ウエブまたはフランジの幅および厚さには特に制約はないが、典型的には、フランジ：幅７５〜１２５ｍｍ、厚さ３．２〜６．０ｍｍ、ウエブ：高さ１００〜３００ｍｍ、厚さ３．２〜４．５ｍｍである。このとき、ウエブとフランジとの間には溶接部が形成される。溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部のビードの表面にはスケールが付着しているため、ショットブラストによる脱スケール、ビードのカットを行っても良い。

本発明に係る溶接軽量Ｈ形鋼に用いられる金属溶射層は、ビード表面のスケールを除去しなくても亜鉛系めっきに対して優れた密着性を有しているので、ビードを残していても（そのまま残す場合のみでなく、ビードを押しつぶした場合も含む）、ウエブおよびフランジの溶接部を被覆することができる。このとき、ウエブおよびフランジの溶接部のみならず、フランジのエッジにも金属溶射層を形成することが好ましい。これは、前述のように、フランジには所定幅にスリットして得たフランジ用鋼帯が用いられるので、そのエッジは金属が露出した状態となっている。このため、フランジのエッジにも金属溶射層を形成すれば、沿岸部その他、より厳しい腐食環境においても高い耐食性を発揮することができるからである。

金属溶射前の溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部のビードの表面にショットブラストを行ってもよい。ショットブラストを行うと、密着性、特にテープ剥離試験による密着性が向上するので、溶接軽量Ｈ形鋼の溶接部のビードの表面にショットブラストを行った後に、金属溶射を行うことが好ましい。ショットブラストは、その投射材の投射方式には特に制約はないが、インペラーの遠心力により投射材を投射し、コントロールゲージで投射角度を決めて投射する機械式、圧縮空気により投射材を投射する空気式（エアーブラストと呼ばれる）、水に投射材を混合噴射して加工を行う湿式（ウエットブラストと呼ばれる）などいずれの方式を採用してもよいが、特に、空気式を用いるのが望ましい。

このとき、ショットブラストによるビード周辺部の亜鉛系めっきの損傷を極力減少させることが重要であり、ショットブラストはビードにのみ行うことが好ましい。ここで、投射材の粒径が大きすぎると、ショットブラストの照射角度や拡散角度などを厳しく管理しても、ビード周辺部の亜鉛系めっきの損傷を抑止するのは困難である。このため、投射材は、その粒径が小さいことが好ましく、特に、粒度番号が１００番以上のものを用いるのが好ましい。投射材は、その粒径が小さくなりすぎると、脱スケール能力が低下し、また、粉塵の処理が困難となる。従って、投射材の粒径は、粒度番号で６００番以下とするのが好ましい。

投射材としては、金属表面の脱スケールに使用することが可能なものであれば特に制約がなく、例えば、金属ワイヤを切断したカットワイヤー、その角を丸めた粒子、アトマイズ法により作製された鋳鉄または鋳鋼の球形粒子（スチールショット、スチールビーズ）などを用いることができる。また、アルミナ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの十分な硬度を有するセラミックスの球形粒子または微粉末などからなる投射材を用いることもできる。中でも、セラミックス、特に、アルミナを用いることが好ましい。

ここで、金属溶射層は、１５％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属を用いる必要がある。鋼帯の亜鉛系めっきとの密着性の観点から、該めっきと同様、亜鉛主体の金属、すなわち亜鉛の含有量が５０％以上である金属を用いる必要があるが、亜鉛１００％の溶射層では密着性が足りず、剥離してしまう。しかし、１５％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属であれば、鋼帯の亜鉛系めっきと十分な密着性を有する。アルミニウムの含有量は２０％以上とするのが好ましく、２５％以上とするのがより好ましい。上限は明示していないが、亜鉛主体の金属であるので、その含有量は５０％以下である。あまりにＡｌの含有量が多い場合には、犠牲防食性が劣化することがあるからである。

金属溶射層は、１５％以上のアルミニウムと５０％以上の亜鉛が含まれておれば、その他にＭｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉなどの元素が適量含まれていてもよい。これらの元素の好ましい含有量の範囲は、０．０１〜２０％である。

金属溶射層は、例えば、アーク溶射を用いて行うことができる。これは、ガスフレーム溶射より近距離で溶射するため、その分高温で密着性の良好な被膜となるからである。このとき、２種の溶射金属のうち、一方はアルミニウムを主成分とする溶射金属、他方は亜鉛を主成分とする溶射金属とし、結果として１５％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層とすることが重要である。単に、１５％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の溶射金属を二本用意して、アーク溶接により金属溶射層を形成することも可能ではあるが、本発明者らの実験において密着性に劣る場合があった。これに対して、アルミニウムを主成分とする溶射金属と、亜鉛を主成分とする溶射金属とを溶射すると、アルミニウムを主成分とする微粒子と亜鉛を主成分とする微粒子とが複合した擬合金の溶射層が形成されるので、溶接部との密着性に優れるとともに、犠牲防食性にも優れる金属溶射膜となる。

なお、１５質量％以上２０質量％未満のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層を形成する場合には、溶接部との密着性に劣る場合がある。このため、ウエブおよびフランジの溶接部を８０〜３５０℃の温度範囲に予熱した後、その溶接部表面にアーク溶射によって金属溶射層を形成することが好ましい。予熱は、８０℃未満では密着性向上効果が十分ではなく、３５０℃を超えると、亜鉛の融点に近づき、亜鉛系めっきによる犠牲防食性を劣化するおそれがある。予熱は、例えば、予熱バーナー、誘導加熱など公知の方法を用いることができるが、操業安定性の観点からは加熱炉に装入して行うのが好ましい。

本発明による、スケール存在下の金属溶射層の密着性を調査するため、熱延鋼板黒皮材に数種の溶射金属の組み合わせでアーク溶射を施す実験を行った。溶射金属ワイヤとして、純Ａｌ、Ａｌ−５％Ｍｇ、Ｚｎ−１５％Ａｌおよび純Ｚｎを用意し、図1に示すように、溶射ガンの溶射口と鋼板との間隔を５０ｍｍとし、前進角および移動速度を各種条件として溶射を行い、試験材を得た。一部の例については、被溶射部に予熱を行った。各種条件を表１に示す。

得られた試験材について、溶接ままでの目視による剥離状況観察およびポリエステルテープ剥離により評価を行った。「初期密着性」は、剥離がなかったものを「○」、周辺部が剥離したものを「△」、全面が剥離したものを「×」として、表１に併記した。また、「テープ剥離」は、全く剥離がなかったものを「◎」、剥離の面積率が５％以下のものを「○」とした。目視観察による評価（初期密着性）において、「×」になったものについては、「テープ剥離」の評価は行わなかった。溶射部を５０ｍｍ長さ切り出し、インヒビタを加えた１０質量％塩酸で溶射皮膜を溶解し、ＩＣＰ分析により成分分析を行った。ワイヤ供給量を元に付着効率を算出し、成分分析結果から溶射皮膜中のＡｌ含有量を求めた。

なお、表中の「P1」は、前進角０degおよび移動速度250mm/sの例、「P2」は前進角０degおよび移動速度750mm/sの例、「P3」は前進角20degおよび移動速度250mm/sの例、「P4」は前進角20degおよび移動速度750mm/sの例である。

表１に示すように、参考例であるＮｏ．３ａ〜３ｄ、４ａ〜４ｄ、６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄおよび８ａ〜８ｄでは、いずれも密着性が優れる金属溶射層を形成することができた。

これに対して、二本のＺｎ−１５％Ａｌワイヤを用いた１ａ〜１ｄでは、いずれの条件においても初期密着性が不十分で、評価をすることができなかった。しかし、６ａ〜６ｄに示すように、同じ溶射ワイヤを用いたものでも、予熱を行えば、付着効率が上昇し、密着性が優れる金属溶射層を形成することができた。二本のＺｎワイヤを用いた２ａ〜２ｄでは、いくつかの条件で初期密着性、テープ剥離性ともに劣っていた。

次に、金属溶射前にショットブラストを実施することによる効果を確認するべく、溶融亜鉛めっき鋼板を用意し、その表面に各種粒度の投射材を用いたショットブラストを行った後、試験Ｎｏ．４ｄと同じ条件でアーク溶射を施し、試験材を得た。予熱は行わなかった。前記と同様、得られた試験材について、溶接ままでの目視による剥離状況観察およびポリエステルテープ剥離により評価を行った。また、周辺部のめっき損傷を目視観察により行った。製造条件および試験結果を表２に示す。なお、表２中の「周辺部のめっき損傷」には、めっき損傷がないものを「○」、わずかに損傷があったものを「△」、重度のめっき損傷があったもの（めっきの残りがわずかなもの）を「×」として記載した。

表２に示すように、Ｎｏ．９ａ〜９ｃでは、いずれも密着性が優れる金属溶射層を形成することができた。特に、ショットブラストの投射材の粒径が小さくなるほど（粒度が大きくなるほど）、周辺部のめっき損傷が減り、特に粒度番号が１００番以上の場合には、周辺部のめっき損傷をほぼに防止することができた。

Claims

亜鉛系めっき鋼帯を連続的に溶接してウエブおよびフランジを形成した後、前記ウエブおよび前記フランジの溶接部表面に、粒度番号が１００番以上のアルミナ製投射材を用いたショットブラストを実施した後、アーク溶射によって２０質量％以上のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層を形成する溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法であって、
前記アーク溶射が、アルミニウムを主成分とする溶射金属と、亜鉛を主成分とする溶射金属とを用いて行われる、溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。
亜鉛系めっき鋼帯を連続的に溶接してウエブおよびフランジを形成した後、前記ウエブおよび前記フランジの溶接部を８０〜３５０℃の温度範囲に予熱し、該溶接部表面に、粒度番号が１００番以上のアルミナ製投射材を用いたショットブラストを実施した後、アーク溶射によって１５質量％以上２０質量％未満のアルミニウムを含有する亜鉛主体の金属溶射層を形成する溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法であって、
前記アーク溶射が、アルミニウムを主成分とする溶射金属と、亜鉛を主成分とする溶射金属とを用いて行われる、溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。
前記アーク溶射が、溶接ビードを残したままの溶接部表面に金属溶射層を形成するものである、請求項１または２に記載の溶接軽量Ｈ形鋼の製造方法。