JP5088920B2

JP5088920B2 - 建築部材の製造方法

Info

Publication number: JP5088920B2
Application number: JP2006139775A
Authority: JP
Inventors: 淳黒部; 努東; 博朝田
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: JP2007307591A

Description

本発明は、レーザー光を熱源としたレーザー溶接によってＴ字状の溶接継手部を形成した建築部材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。また、建築物の躯体を構成する梁同士を接合する場合に用いられるアングルやガゼットプレート，柱のベースプレートなどの建築部材は、所定の形状，寸法に裁断された材料を溶融溶接によって組み立てた後、必要に応じ後めっき，後塗装等を施して使用している。

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。また、アングルやガゼットプレート，柱のベースプレート等の建築部材を製造する際にも、溶接後の後めっきや後塗装の工程を省略してコスト低減を図るために表面処理鋼板、特にＺｎをめっき金属中に含んだＺｎ系めっき鋼板を用いる場合が多くなっている。

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。この製造方法は、例えば特許文献１等で紹介されているように、フランジとウェブといった材料表面に溶接電流を通電するための電極を接触させて連続的にフランジとウェブを溶接している。しかし、高周波溶接の場合は、加熱されるフランジとウェブとの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。

高周波溶接には、上記のような問題の他に、電極自身の摩耗が激しく、短時間で電極を交換する必要が生じるという問題もある。すなわち、高周波溶接では電極を材料表面に接触させながら材料を移動させている。そして、電極には銅合金が用いられているため、接触部で電極と材料のめっき金属との反応が起こって電極の摩耗が激しくなり、電極の交換頻度が多くなるのである。電極の短時間での交換は、溶接コストの上昇や生産効率の低下を招くという問題を含んでいる。また、高周波溶接は大きな溶接電流を与える必要があるために、溶接機が大型となり非常に高価であるため設備投資が大きくなるという問題も含んでいる。

このような高周波溶接での電極及び設備投資の問題を避けるために、この溶接方法とは別に、フランジとウェブとのＴ字継手部を溶融溶接する溶接Ｈ形鋼の製造方法がある。この溶接Ｈ形鋼の製造方法は、例えば特許文献２等で紹介されているように、図１に示すフランジ１とウェブ２とのＴ字継手部３ａ〜３ｄを上下片側ずつ、つまり、継手部３ａと３ｂの組合せと継手部３ｃと３ｄの組合せで材料を反転させて溶接している。
通常、溶接は材料がＺｎ系めっき鋼板であるためにＣＯ₂溶接やＭＡＧ溶接といった消耗電極式、つまり溶接ワイヤーを用いたアーク溶接が適用されている。この方法であれば、電極損耗による交換作業がなくなり、設備投資も比較的低くすることができるメリットがある。

上記のようなアーク溶接法を用いると、アングルやガゼットプレート、或いは柱のベースプレート等の建築部材も同様に、容易に製造することができる。
しかし、このような溶接が施されると、加熱領域が広くなるために材料のめっき層が蒸発する損傷領域も広くなって溶接後の補修塗料の塗布量が多くなるという問題がある。また、２箇所のＴ字継手部を同時に溶接するため２台の溶接トーチを必要とするばかりでなく、反り等の変形を防止するために、溶接条件の細かな調整・管理が必要であり、管理項目や管理工程時間が増加する問題もある。
一方で、ステンレス鋼を中心として、フランジとウェブとのＴ字継手部にレーザー光を照射するレーザー溶接法を採用することも提案されている。例えば特許文献３，４参照。
特開平８−１５０４１１号公報特開平２−１５８７６号公報特開平１０−９９９８２号公報特開２００５−２１９１２号公報

しかしながら、特許文献３，４で提案されたレーザー溶接法もステンレス鋼の溶接を目的としているために、めっき鋼板を素材とするときの問題点は全く考慮されていない。単に熱歪みによる変形を抑制し、溶接後の矯正を省こうとするに主眼が置かれているのみである。このため、Ｚｎ系めっき鋼板を素材としてＨ形鋼等の建築部材をレーザー溶接法により得ようとするとき、照射領域が広くなり、それに伴ってめっき層が蒸発する損傷領域も広くなって溶接後の補修塗料の塗布量が多くなるという問題は解消されない。
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字継手部を備えためっき鋼板製の建築部材を溶接法で製造するに際に、補修塗料の塗布量を抑えても耐食性が劣ることがなく、溶接工程時間の短縮を図ることができる建築部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の建築部材の製造方法は、その目的を達成するため、ともにＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板からなる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ー光を照射するレーザー溶接法を用い、前記レーザー光を、第一の金属板に対して１５〜２２度の傾斜角度で、しかも第一の金属板の表面に接触せずに第二の金属板端部にのみに当たり、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片側からのみ照射することを特徴とする。
さらに、同じくＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板を第三の金属板とし、第二の金属板の他端部に前記第三の金属板を垂直に押し当ててＴ字状の溶接継手部を形成すれば、Ｈ形鋼が容易に製造される。

本発明によれば、Ｔ字状の継手部を構成する二つの金属板のうち、押し当てた側の金属板の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レーザー光を照射している。このため、溶融領域を狭く、かつ深くすることができる。その結果、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、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建築部材を製造することができる。
したがって、ＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板を素材として建築部材を低コストで製造することが可能となる。

実施の形態

本発明者等は、ＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板を素材としてＴ字状の溶接継手部を備えた建築部材を製造する際の、溶接後の補修塗料の塗布量を少なくする方法について検討を重ねてきた。
溶接後の補修塗料の塗布量を少なくするためには、Ｔ字状継手部を構成する例えばフランジとウェブとを溶接する際、めっき金属が蒸発する損傷領域を狭くする必要がある。そのためには、フランジとウェブとのＴ字継手部のみの加熱とし、その加熱領域を最小限に抑えなければならない。

加熱領域を狭くするためには、材料を加熱する熱源を狭くする方法が有効であり、本発明者等は、手段としては非常に狭く高いエネルギー密度の熱源であるレーザー光を利用したレーザー溶接の採用が有効であることを見出した。
レーザー光は、非常に狭い熱源であるが高いエネルギー密度を有しており、焦点距離も比較的長いことからフランジとウェブとのＴ字継手部に対する照射角度を広く取ることができる。しかしながら、闇雲に照射しても良いわけではない。照射角度を広く取ることができる分、照射角度を誤るとめっき金属が蒸発する損傷領域は却って広くなる。

非常に狭く高いエネルギー密度であることと、焦点距離を長くすることができるという特性は、材料への加熱領域を狭くできるということとフランジとウェブとのＴ字継手部を２箇所同時に溶接できる可能性があることを意味している。
つまり、図２に示すように通常のアーク溶接では、溶接ワイヤー４からＴ字継手部３ａ、３ｂまでの距離が短いために溶接トーチ５の傾斜角度αが限られて４５度にする場合が多いが、その場合は各Ｔ字継手部付近のみが溶接されてしまう。しかし、レーザー溶接の場合は、図３に示すようにレーザートーチ６からＴ字継手部３ａ、３ｂまでの距離、つまり焦点距離を比較的長くすることができるため傾斜角度αを広く取ることができる。このような場合、傾斜角度αを小さくすることも可能であることからフランジ１の表面と平行に近いレーザー光７の照射角度となるため、Ｔ字継手部３ａからのみレーザー光を照射して溶接してもウェブ２の板厚全体に渡ってＴ字継手部３ｂまで溶接することが可能となるのである。

そこで、本発明者等は、Ｔ字継手部に当てるレーザー光の照射角度を種々変化させて溶接領域の変動を確認した。その結果をアーク溶接の場合と比較して図４に示す。
溶接は、板厚が２.３ｍｍのフランジ１の表面に同じ板厚のウェブ２を立ててＴ字継手部を形成し、溶接トーチ５或いはレーザートーチ６の傾斜角度αをフランジ１表面に対する角度として与え、その角度αを種々変更して行なった。傾斜角度α以外の溶接条件は、両溶接方法とも一定とした。溶け込み状態は、その継手部におけるウェブ２の板厚方向での溶け込み幅ｗによって評価した。

アーク溶接の場合は、溶接ワイヤー４と継手部との距離を大きく取れないため角度αは３５〜５０度の範囲でしか変更できず、溶け込み幅ｗも大きく変化しないとともにウェブ２の板厚全体に渡って溶け込ますことはできなかった。アーク溶接の場合は、ウェブ２の両側のＴ字継手部を溶接しないと十分な接合強度を得ることができないことが予想できる。これに対してレーザー溶接の場合は、角度αを２０〜６０度まで変更することが可能で、溶け込み幅ｗも比較的大きく変更することができた。溶け込み幅ｗを比較してみると、角度αが３０度以下となるとウェブ２の板厚全体に渡って溶け込ますことができ、片側溶接によって十分な接合強度を得られることが考えられる。また、図５で示される溶け込み部の脚長Ｌは角度αを変更することで大きく変化しなかったが、アーク溶接に比べてレーザー溶接の場合は非常に小さくすることが可能であった。これにより、溶接後の補修塗料の塗布範囲がレーザー溶接の場合では、比較的狭い範囲にすることができ、塗布量の低減を図ることが可能である。

Ｚｎ系めっき鋼板を素材とし、Ｔ字継手部をレーザー溶接によって溶接接合するに当たってめっき金属の蒸発を抑制するためには、レーザー照射による溶融領域を極力狭く、かつ深くすることが有効である。
レーザー照射による溶融領域を深くするためには、前記の結果から、照射角度３０度以下にすることが必要である。具体的には約２０度程度、１５〜２２度とすることが好ましい。この角度が２２度を上回ると、ウェブの板厚方向の溶け込み深さが狭く浅くなって十分な接合強度を得ることができなくなる。またこの角度が１５度を下回ると、フランジ表面にレーザー光が接触してめっき金属の損傷領域が広がってしまう危険性がある。

なお、レーザー光がフランジ表面に接触せず、ウェブの板厚方向の溶け込み深さを深くするためには、図３に示したようにレーザー光７の材料への照射位置、いわゆる狙い位置を、ウェブ２の端部からδで示す僅かな量で上方に移動させた位置にすることが好ましい。この位置は、レーザー光照射をＴ字継手部の片方、すなわち図３中、Ｔ字継手部３ａからのみとするか、或いはＴ字継手部３ａ，３ｂの両方から行なうかで、変わってくる。Ｔ字継手部３ａ，３ｂの両方からレーザー光照射を行なう場合は、Ｔ字継手部３ａからのみ行なう場合と比べて、前記δで示される数値は当然小さくなる。すなわち、照射位置は低くなる。

ところで、溶接後の補修塗料の塗布は溶接部の耐食性を高めることが目的で行なわれるが、溶接される材料の能力によってもその耐食性を高めることが可能となる。これは、材料の表面に被覆されているめっき金属による働きであるが、めっき金属をＺｎとＡｌとＭｇを含んだ組成にした場合は、溶接部表面を塩基性の腐食生成物が覆うようになり、他のＺｎ系めっき金属の場合よりも高い耐食性を得ることができる。図６には、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板とＺｎ−５質量％Ａｌめっき鋼板、Ｚｎ−１０質量％Ｆｅめっき鋼板に対して同じ脚長Ｌとなるアーク溶接部を形成したサンプルでの耐食試験を行なった結果を示す。

耐食試験はＪＩＳＨ８５０２に準拠して行い、赤錆発生までの時間を比較している。図６に示したようにＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板の方が赤錆発生までの時間が長く、耐食性が高いことを示している。したがって、溶接する材料を選択することによって補修塗料の塗布厚みを低減することができ、これにより塗布量の抑制が可能である。このＺｎとＡｌを含んだめっき鋼板とレーザー溶接を用いれば、補修塗料の塗布厚みと塗布範囲を低減することができ、これによって大幅な塗布量の抑制を図れることから製造コストの低減に繋げることが可能となる。
なお、建築部材としては、図１で示したＨ形鋼の他に、図２，３でその要部を示したベースプレート、或いは図７に示すアングルやガゼットプレート，プレート等が挙げられる。図７中、溶接箇所は溶接部Ｍの位置となる。

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素材とし、図２，３に示した被溶接材１を長さ２００ｍｍ，幅１００ｍｍとして、その上に、幅５０ｍｍ，高さ８０ｍｍの被溶接材２を立ててＴ字継手部３ａ，３ｂを溶接してベースプレートを作製した。
本発明例では、被溶接材１表面に対してレーザートーチ６を２０度傾斜させて図３の３ａ側からのみレーザー光を照射し、被溶接材２の幅方向全域に渡ってすみ肉溶接を実施した。溶接時のレーザー出力は３.５ｋＷ，溶接速度が２ｍ／ｍｉｎ，シールドガスをアルゴンとして３０リットル／ｍｉｎ供給した。
また、比較例では、図２の３ａ，３ｂの両側からＣＯ₂アーク溶接ですみ肉溶接を施した。溶接条件は、溶接電流が１２０Ａ，溶接速度が０.４ｍ／ｍｉｎ，シールドガスを３０リットル／ｍｉｎとし、溶接トーチを被溶接材１表面に対して４５度傾斜させて被溶接材２の幅方向全域に渡ってすみ肉溶接を実施した。

製造したベースプレートより、被溶接材２の板厚方向の溶け込み幅ｗと溶接部の脚長Ｌを測定するとともに、接合部の強度試験と耐食試験を実施した。引張強度試験はＪＩＳＧ３３５３に、耐食試験はＪＩＳＨ８５０２に準拠した。
製造したベースプレートに関して調査・試験を行なった結果を図８に示す。
レーザー溶接では片側溶接ではあるが被溶接材２の板厚方向全域に渡って溶接でき、引張強度試験でも母材破断となって十分な接合強度を得ていることが分かった。これに対してアーク溶接の場合は、引張強度試験では母材破断となって十分な接合強度であったが、溶け込み幅ｗはレーザー溶接の場合よりも小さくなり、脚長Ｌは逆に大きくなる傾向が見られた。
また、耐食試験結果として赤錆発生までの時間比較を図９に示すが、レーザー溶接の場合の方が長くなり、耐食性が良好であることが分かった。これにより、レーザー溶接で溶接Ｈ形鋼を製造した方が、片側溶接が可能であるため溶接上の管理をより簡素化でき、補修塗料をより少ない塗布量で処置できることが判明した。

溶接Ｈ形鋼の構成を示す模式図アーク溶接によるＴ字継手部の溶接状況を示す模式図レーザー溶接によるＴ字継手部の溶接状況を示す模式図レーザー溶接とアーク溶接とでの傾斜角度αと溶け込み幅ｗの関係の違いを示す図溶け込み幅ｗと脚長Ｌを説明する図各種めっき鋼板の溶接部の赤錆発生時間を比較した図建築部材の一例で、（ａ）アングル，（ｂ）ガゼットプレート，（ｃ）プレートを示す図レーザー溶接とアーク溶接とでの溶け込み状態と接合強度の違いを示す図レーザー溶接とアーク溶接とでの赤錆発生時間の違いを示す図

符号の説明

１：フランジ２：ウェブ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：Ｔ字継手部
４：溶接ワイヤー５：溶接トーチ６：レーザートーチ
７：レーザー光８：アングル９：ガゼットプレート１０：プレート
１１：柱１２：梁
α：傾斜角度ｗ：溶け込み幅Ｌ：脚長 δ：狙い位置

Claims

ともにＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板からなる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ー光を照射するレーザー溶接法を用い、前記レーザー光を、第一の金属板に対して１５〜２２度の傾斜角度で、しかも第一の金属板の表面に接触せずに第二の金属板端部にのみに当たり、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片側からのみ照射することを特徴とする建築部材の製造方法。
建築部材が、第二の金属板の他端部に第三の金属板を垂直に押し当ててＴ字状の溶接継手部を形成したＨ形鋼であり、第三の金属板もＺｎとＡｌとＭｇを含むＺｎ系合金めっきが施されためっき鋼板からなる請求項１に記載の建築部材の製造方法。