JP5658579B2

JP5658579B2 - レーザ溶接形鋼

Info

Publication number: JP5658579B2
Application number: JP2011016954A
Authority: JP
Inventors: 康弘桜田; 仲子　武文; 武文仲子; 朝田　博; 博朝田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP2012152820A

Description

本発明は、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。
そこで、本出願人は、突き合わせ部に対してウェブ材の片面方向からのみレーザ光を照射する方法を提案している。例えば特許文献２を参照されたい。
この方法では、第一の金属板に第二の金属板の端部を垂直に押し当ててＴ字状の溶接継手部を形成した建築部材を製造する際、溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、前記レーザ光を、第一の金属板に対して30度以下の傾斜角度で、押し当てた第二の金属板端部に当該金属板が板厚方向全域にわたって溶融されるように照射している。

特開２００５−２１９１２号公報特開２００７‐３０７５９１号公報

特許文献２で提案した溶接方法によると、押し当てた側のウェブ材端部に当該ウェブ材が板厚方向全域にわたって溶融されるようにレーザ光を照射しているため、溶融領域を狭く、かつ深くすることができる。その結果、形状精度良く溶接接合できるばかりでなく、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ため、溶接後の補修塗料の塗布量の低減効果が発揮される。また、溶融領域を深くすることができるため、片側からの溶接のみでも、所要の溶接強度を備えた形材を簡便に製造することができる。

しかしながら、特許文献２による溶接方法では、被溶接部にレーザ光を照射して被溶接部の板厚方向全域を溶融させているので、フランジ材に対するレーザ光の入射角、ウェブ材端部の狙い位置、及びレーザ光自身のエネルギー量の違いによって、溶融部の形成状況が変わり所望の接合強度が得られないことがある。また、素材としてめっき鋼板、特に亜鉛系めっき鋼板を用いた場合に、溶融部の形成状況が変わるとめっき層の蒸発状況が変化して、製造された溶接形鋼の耐食性が劣化する場合がある。

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、Ｔ字継手部を備えたレーザ溶接形鋼にあって、形成された溶融部の形状を適正なものとして所望の接合強度、所望の耐食性を確保し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、いずれも鋼板からなるフランジ材に対してウェブ材の端部に垂直に押し当てられて形作られたＴ字状継手部がレーザ光の片側からの１パス照射によって溶融接合された形鋼であって、当該形鋼長手方向に垂直な断面の溶接部形状が、a＞0mm、b＞0mm、c≧0.14Tw、d≧0mm、e≧0mmとなっていることを特徴とする。
フランジ材及びウェブ材のいずれもが亜鉛系めっき鋼板からなる場合、a＞0mm、b＞0mm、c≧0.14Tw、d≧0mm、e≧0mm、a+d≦2mm、b+e≦2mmとなっていることが好ましい。

ただし、a：ウェブ材の表溶融幅（溶接側）、b：ウェブ材の裏溶融幅（非溶接側）、c：フランジ材の板厚方向最大溶け込み深さ、d：フランジ材の表溶融幅（溶接側）、e：フランジ材の裏溶融幅（非溶接側）、Tw：ウェブ材の板厚である。単位はいずれもmmとする。
また、前記溶接部のフランジ材溶け込み面積をSf、ウェブ材溶け込み面積をSuとしたとき、その比Sf／Suが、Sf／Su＜0.75であることが好ましい。
ただし、Sf＝（d＋Tw＋e）×c／2、Su＝（a＋b）×Tw／2と近似する。

本発明によるレーザ溶接形鋼は、フランジ材にウェブ材の端部を垂直に押し当てて形作られたＴ字状継手部にレーザ光を片側からの１パス照射し、前記継手部が溶融接合されたものであって、前記継手部に形成された溶融溶接部の形状を規定している。
このため、本発明で提供されるレーザ溶接形鋼は、安定した接合強度を有し、特に亜鉛系めっき鋼板を素材とした溶接形鋼であっても溶接部耐食性の低下がないので、高強度、高耐食性を備えた溶接形鋼を低コストで製造することが可能となる。

Ｔ字状継手部を片側からの１パス照射でレーザ溶接する方法を説明する図Ｔ字状継手部の溶融溶接部の形状を説明する図Ｔ字状継手部を片側からの１パス照射でレーザ溶接する際のレーザ光照射角度θとウェブ材端部に対する照射位置の関係を説明する図

フランジ材にウェブ材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照射で溶接する際に、図１に示す、フランジ材に対するレーザ光の照射角度θ、及びウェブ材端部に対する照射位置を適正に行わないと、所望の接合強度は得られない。また、めっき鋼板を素材とした場合には、フランジ材のめっき層に損傷を与えることもある。
例えば、前記レーザ光の照射角度θを鋭角にすると、図２に示す、ウェブ材とフランジ材の交点の上下に位置するフランジ表溶融幅d、及びフランジ裏溶融幅eが大きくなり、溶接部の耐食性劣化が懸念される。

逆に照射角度θを鈍角にするとフランジ溶融幅d、eは小さくなるが、ウェブ端面の溶け込みに対しては未溶融部が生じ易くなり、十分な強度を確保することができなくなる。また、フランジ材が薄板の場合はフランジ材への溶け込み深さcが大きくなることから、熱変形が大きくなったり、さらにめっき鋼板の場合ではウェブ材と相反する面のめっき損傷幅が大きくなる。
そこで、本発明者等は、フランジ材に対するレーザ光の照射角度θ、及びウェブ材端部に対するレーザ光の照射位置を細かく調整することによって、所望特性の関連で図２に示される各部位のサイズとして最適なものを見出した。
以下にその詳細を説明する。

まず、前記フランジ材に対するレーザ光の照射角度θ、及びウェブ材端部に対するレーザ光の照射位置の影響を調べるために、前記条件を種々変更した予備実験を行った。
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付着量が90g／m²で設けた溶融めっき鋼板を試験材とし、表１に示す条件でレーザ溶接して、Ｔ字状形鋼を得た。

その後、得られたＴ字状のレーザ溶接形鋼について、図２に示す各部位のサイズを断面観察した画像より測定するとともに、接合強度を測定した。またフランジ材の裏面を目視観察した。
この際、接合強度は、JIS G 3353に準拠して引張試験を行い、溶接部引張強さも同JISに準拠し、ウェブの母材破断もしくは溶接部で破断した場合には引張荷重をウェブ実断面積で除した値が400N／mm²以上を満足するものを良好とした。またフランジ材の裏面観察で、めっきの再溶融による損傷が確認されたものを損傷有りとし、その損傷幅を測定した。
その結果を表２〜１２に示す。
なお、各表２〜１２において、数値に下線を付したものは、引張試験において強度不足となったものである。

ウェブ材とフランジ材の組合せからなるＴ字継ぎ手部の溶接強度を確保するためには、ウェブ材端面がフランジ材中にある程度以上溶け込んでいることが必要である。すなわち、片側からの１パスによるレーザ溶接で溶接を行う場合は、ウェブ材の表及び裏ビードが存在し（a＞0、b＞0）、かつフランジへ溶け込んでいる必要がある。上記表４の結果からはフランジへの溶け込み深さcは0.33mm以上必要であるが、これは板厚2.3mmのものに対するものであるから、一般的にはフランジへの溶け込み幅cはc／Tw＝0.33／2.3＝0.14から0.14×Tw（mm）以上が必要となる。

フランジ材の表及び裏ビードの幅については、フランジ上面よりレーザ光を傾斜させて入射しているため、入射角が大きくなり過ぎたり、狙い位置がフランジとウェブの交点より離れ過ぎたりすると、フランジ材の表及び裏ビードが存在しなくなり、ウェブ端面とフランジとの間に未溶融部が生じて強度低下になる傾向があるため、フランジ材の表及び裏溶融幅ｄ、eは存在する必要がある。すなわちフランジ材の表及び裏溶融幅ｄ、eについては、それぞれｄ≧0（mm）、e≧0（mm）とする必要がある。

また、フランジへの溶け込み量が大きくなるとフランジ材が薄板のめっき鋼板の場合はウェブ材と相反する面のめっき損傷が大きくなり、また熱変形が生じるため、フランジ材への溶け込み量は多過ぎない方がよい。
さらに、ウェブ材とフランジ材の交点付近における溶融面積は極力小さくした方がよい。めっき鋼板の切断端面における犠牲防食作用は、一般的に2.3mm程度までしか効果がないと言われており、レーザ溶接部においては溶接部周囲のめっき蒸発を考慮するとレーザ溶接による溶融幅は2mm程度以内にすることで、溶接部は補修塗装を施さなくても良好な耐食性が確保される。よって、溶融している領域を2mm以内にすることがよい。
すなわち、亜鉛系めっき鋼板を素材とした場合、ウェブ材とフランジ材の交点付近の耐食性劣化を抑制するためには、a+d≦2mm、b+e≦2mmとする必要がある。

めっき鋼板の犠牲防食の観点からは、フランジの損傷幅も2mm以下にしておくことが好ましいが、表７において、照射角度θが10°と15°の狙い0.2mmではa+dがともに2mm以下となっているにも関わらず、表１２におけるフランジ損傷幅はともに2mmを超えている。
フランジ損傷部はめっきが完全になくなっておらず、残存しているため、必ずしも2mm以下にする必要はないが、表１２の結果を表１１に戻して、フランジ損傷部幅を2mm以下とすると共に、フランジの熱変形を抑制するためにSf／Su＜0.75とすることが好ましいとした。
また、溶接部強度の面をも考慮すると、Sf／Su≧0.15とすることがさらに好ましい。
ただし、Sf＝（d＋Tw＋e）×c／2、Su＝（a＋b）×Tw／2と近似する。

なお、亜鉛系めっき鋼板を素材とした場合に、a+d≦2mm、b+e≦2mmとする必要があること、さらにSf／Su＜0.75とすることが好ましいことは、耐食性評価の加速試験として従来から広く利用されている塩水噴霧→乾燥→湿潤の繰返し試験（ＣＣＴ試験）を行うことによって確認した。（本件では、35℃、5％NaClを2時間間噴霧→60℃、30％RH(相対湿度)で4時間乾燥→50℃、95％RHで2時間湿潤の繰返し条件を採用した。）
200サイクルまで試験を実施した結果、a+d≦2mm、b+e≦2mmとしたＴ字継手部のレーザ溶接部は、早期から溶接部が白錆に覆われ赤錆の発生は確認されなかったし、フランジの熱影響部についてもめっき損傷部が白錆に覆われ赤錆の発生は確認されなかった。また、フランジ部の熱変形も観察されなかった。

ところで、前記したような狭い幅の溶融部を得るためには、片側からの１パスによるレーザ溶接でＴ字継ぎ手部を溶接する際に、ウェブ端面前面を効率良く溶融させるには幾何学的に考えて、ウェブ表面側のフランジとの交点を狙うよりもウェブ裏面側のフランジとの交点を狙った方が良い。
ウェブ表面上のフランジからの狙い位置Xは「X＝Tw・tanθ」（Tw：ウェブ板厚，θ：フランジに対するレーザ入射角）で求められる。狙い位置Xはレーザビーム半径（D/2）以上にすると、幾何学的に考えた場合、ウェブ表面とフランジの交点をレーザが通過しないため、未溶融部が生じることとなる。

しかし、実際にはレーザビーム径周囲も熱影響（熱伝導）を受け、ビーム径以上溶融する（条件により変動：約1.1〜2.5倍）ため、狙い位置Xの上限値は「2.5×(D/2)」となる（Tw・tanθ＜X≦2.5×(D/2)）。これより照射角θを求めると、0＜θ≦tan^-1((2.5×D／2)／Twとなる。
前記したような照射角θ、狙い位置Xを採用して片側からの１パスによるレーザ溶接でＴ字継ぎ手部を溶接すれば、規定した形状の溶接部が得られる。

Claims

いずれも鋼板からなるフランジ材に対してウェブ材の端部に垂直に押し当てられて形作られたＴ字状継手部がレーザ光の片側からの１パス照射によって溶融接合された形鋼であって、当該形鋼長手方向に垂直な断面の溶接部形状が、a＞0mm、b＞0mm、ｃ≧0.14Tw、d≧0mm、e≧0mmとなっていることを特徴とするレーザ溶接形鋼。
ただし、a：ウェブ材の表溶融幅（溶接側）、b：ウェブ材の裏溶融幅（非溶接側）、c：フランジ材の板厚方向最大溶け込み深さ、d：フランジ材の表溶融幅（溶接側）、e：フランジ材の裏溶融幅（非溶接側）、Tw：ウェブ材の板厚である。単位はいずれもmmとする。