JP6310605B1 - レーザ溶接形鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の強度、特に疲労強度に優れるレーザ溶接形鋼を提供する。【解決手段】鋼板からなるウェブ材（４）およびフランジ材（３）により形成されたレーザ溶接形鋼（１）であって、鋼板の組成、およびウェブ材（４）とフランジ材（３）との接合部分である溶接部（２）の硬さが所定の条件を満たすとともに、溶接部（２）におけるレーザ光源側の表面（２ａ）は全て、ウェブ材（４）の表面（４ａ）を含む平面よりもレーザ光源側に位置している。Ｃｅｑｌ＝Ｃ＋（Ｓｉ／５０）＋（Ｍｎ／２５）＋（Ｐ／２）＋（Ｃｒ／２５）＋Ｔｉ・・・（１）【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接形鋼およびその製造方法に関する。

従来、建築物の構造材等の様々な用途に、Ｔ字形鋼やＨ形鋼等の形鋼が用いられている。このような形鋼を製造する方法の一つとして、レーザ溶接法が挙げられる。レーザ溶接法では、フランジ材にウェブ材の端部を垂直に突き合わせて形成されるＴ字継手部にレーザ光を照射して、フランジ材とウェブ材とが互いに溶接される。

レーザ溶接法によって、所望の性質を満たす形鋼を効率的に形成する技術が各種提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、特許文献４には、ウェブ材の幅方向の端部に、座屈変形させることなく肉厚増大部を形成するウェブエッジプリアプセット方法が記載されている。この方法により、高周波電流を流してフランジ材とウェブ材との接触部を溶着する高周波溶接を行うに際して、当該接触部の面積を大きくすることができる。

特開２００９−１１９４８５号公報（２００９年６月４日公開） 特開２０１１−８３７８１号公報（２０１１年４月２８日公開） 特開２０１２−１５２８２０号公報（２０１２年８月１６日公開） 特開２００３−２８５１３６号公報（２００３年１０月７日公開）

近年、レーザ溶接法により製造されたレーザ溶接形鋼の強度をさらに向上させることが求められている。レーザ溶接形鋼の強度を向上させるためには、（ｉ）フランジ材およびウェブ材の素材自体の強度を向上させること、並びに、（ｉｉ）当該素材は、レーザ溶接により形成される溶接部の強度および加工性を満足するものであること、の両方が求められる。

ここで、一般に、レーザ溶接法では、溶接部（溶接ビード）に窪みが形成されることがある。これは、スパッタによる溶融金属の飛散、およびレーザを照射する側とは反対側の溶接ビードの垂れ下がり等に起因する。このような窪みは応力集中部となり得る。

それゆえ、溶接部の疲労強度を向上させるためには、上記窪みが形成されないようにフランジ材およびウェブ材を溶接することが好ましい。

本発明はこのような現状に鑑み、溶接部の強度、特に疲労強度に優れるレーザ溶接形鋼を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討したところ、以下の（Ａ）および（Ｂ）の知見を得て、本発明を完成させるに至った。すなわち、（Ａ）素材としての鋼板自体の強度を向上させることと、レーザ溶接部の強度を向上させることとの両方を実現することができる、上記鋼板の組成条件およびレーザ溶接部の条件を見出した。一般に、レーザ溶接法では、溶接部に形成される突出部がアーク溶接法等に比べて小さくなる。そのような突出部が小さい（断面積が少ない）溶接部を有するレーザ溶接形鋼であっても、本発明者らが見出した条件を満たすことにより、レーザ溶接部の強度を向上させることができる。そして、本発明者らはさらに検討を重ね、（Ｂ）上記窪みが形成することを、フィラーワイヤ（溶加材）等を用いたり、溶接１パスに対して複数のレーザ発振器を設置したりすることなく、防止し得る方法を見出した。

すなわち、本発明は、以下の発明を含むものである。

〔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Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％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２．８倍以下であり、前記ウェブ材におけるレーザが照射された面を第１面とし、前記ウェブ材を基準として前記第１面が位置する側を第１の側とし、前記第１の側における前記溶接部の表面は全て、前記ウェブ材の前記第１面を含む平面よりも前記第１の側に位置していることを特徴とするレーザ溶接形鋼。

〔２〕前記第１の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、前記第１面から前記第１の側に突出している溶接部の長さをγ、前記ウェブ材を基準として前記第１の側の反対側である第２の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、前記ウェブ材の前記第１面と反対側の第２面から前記第２の側に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〔１〕に記載のレーザ溶接形鋼。

〔３〕前記ウェブ材は、板厚が６ｍｍ以下であることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載のレーザ溶接形鋼。

〔４〕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、前記ウェブ材の端部を、該端部の板厚が前記ウェブ材の板幅方向における中央部の板厚に対して１００％を超えるように増肉加工する増肉工程と、前記増肉工程の後、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接合工程とを含み、前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％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２．８倍以下であり、前記接合工程において、前記ウェブ材にレーザが照射される面を第１面とし、前記ウェブ材を基準として前記第１面が位置する側を第１の側とし、前記第１の側における前記溶接部の表面が全て、前記ウェブ材の前記第１面を含む平面よりも前記第１の側に位置するようにレーザ溶接することを特徴とするレーザ溶接形鋼の製造方法。

本発明の一態様によれば、溶接部の強度、特に疲労強度に優れるレーザ溶接形鋼を提供することができるという効果を奏する。

一般的なレーザ溶接法にて製造したレーザ溶接形鋼の溶接部を、長手方向に垂直な平面にて切断した断面を示す写真の一例である。 （ａ）は、本発明の実施の形態におけ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。（ｂ）は、（ａ）に示すレーザ溶接形鋼における溶接部を示す断面写真の一例である。 炭素当量Ｃ_ｅｑｌと溶接部の硬さとの関係を示す図である。 図２に示したレーザ溶接形鋼の長手方向に垂直な断面における溶接部の部分拡大図である。 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り、（ａ）は、比較例としての軽量溶接形鋼を、（ｂ）は、本発明の実施の形態におけるレーザ溶接形鋼を示している。 マッシャーロールの押し当てによってウェブ材の端面を平滑化および増肉化する方法を説明する模式図である。 レーザ溶接方法を示す模式図である。 溶接部の表面における窪み量を測定する方法の一例を示す図である。 実施例における疲労試験の模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例における斜め割れ試験の模式図である。

以下、本発明の実地の形態について、図面を参照し詳細に説明する。なお、以下の記載は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」とは、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。

（レーザ溶接形鋼の比較例）
本発明の実施の形態におけるレーザ溶接形鋼についての理解を容易にするため、先ず、比較例としての一般的なレーザ溶接形鋼について、図１に基づいて説明する。

図１は、一般的なレーザ溶接法にて製造したレーザ溶接形鋼１００の溶接部を、長手方向に垂直な平面にて切断した断面写真の一例である。通常、レーザ溶接形鋼１００は以下のように製造される。先ず、フランジ材１１０を、その短手方向が重力方向に沿った方向となるように配置し、フランジ材１１０の板面にウェブ材１２０の端面を押し当てる。フランジ材１１０とウェブ材１２０との当接部に、図１における上側から斜めにレーザ光を照射する。これにより、レーザ溶接部１３０が形成される。

図１に示すように、レーザ溶接形鋼１００は、レーザ溶接部１３０に、深さ０．２ｍｍ程度の窪み１４０が生じている。この窪み１４０が発生する原因は、（ｉ）ウェブ材１２０のスリットエッジ（切断端面）の形状が平滑でないことにより押し当て部（当接部）に空隙が生じること、（ｉｉ）レーザ光によって溶融した溶融金属が重力によって垂下すること、が挙げられる。また、他にも、（ｉｉｉ）フランジ材１１０にウェブ材１２０を押し当てる力（アプセット）の不足、（ｉｖ）スパッタによる溶融金属の飛散、および（ｖ）シールドガスの噴きつけによる溶融部へのガス圧の影響、等も原因として挙げられる。

レーザ溶接部１３０に窪み１４０が生じることは、好ましいことではないため公言されることは少ない。しかしながら、実際上、上記（ｉ）〜（ｖ）等の理由により、一般的なレーザ溶接法にて製造したレーザ溶接形鋼１００には、窪み１４０が必然的に生じ得る。

＜レーザ溶接形鋼１＞
以下に、本発明の実施の形態におけるレーザ溶接形鋼１について説明する。図２の（ａ）は、本実施の形態におけるレーザ溶接形鋼１の長手方向に垂直な断面を示す図である。図２の（ｂ）は、（ａ）に示すレーザ溶接形鋼１における溶接部２を示す断面写真の一例である。

図２の（ａ）に示すように、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。また、レーザ溶接形鋼１の溶接部２について、レーザ溶接部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とが溶融して形成された溶接部２を有する。

図２の（ｂ）に示すように、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１は、溶接部２のうち最も窪んだ部位であっても、当該部位の窪みの頂点の位置が、ウェブ材４の非溶接部である表面の延長線よりウェブ材４の内部側に位置しないように溶接部２が形成されている。なお、このような溶接部２を形成する方法については、本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法の説明にて後述する。

レーザ溶接形鋼１における溶接部２の形状について、より詳しく説明すれば以下のとおりである。

フランジ材３とウェブ材４とをレーザ溶接する前において、フランジ材３の板面にウェブ材４の端面を当接させて当接部（図示せず）が形成される。この当接部に、図２の（ａ）および（ｂ）における上側から斜めにレーザが照射されて溶接部２が形成される。

ここで、上記当接部にレーザが照射される際に、当該レーザを出射するレーザ発振器（図示せず）が配置される側をレーザ光源側（第１の側）とする。換言すれば、レーザ光源側とは、ウェブ材４におけるレーザが照射された面を第１面とし、ウェブ材４を基準として当該第１面が位置する側のことある。また、ウェブ材４における上記第１面を表面４ａとし、溶接部２における上記レーザ光源側に位置する表面を表面２ａとする。

本実施形態のレーザ溶接形鋼１において、溶接部２の表面２ａは全て、ウェブ材４の表面４ａを含む平面よりも上記レーザ光源側に位置している。

また、溶接部２の形状について、図２の（ｂ）に示す断面に基づいて、以下のように表現することもできる。

ここで、レーザ溶接する前において、フランジ材３にウェブ材４の端面を当接させることにより、フランジ材３の板面とウェブ材４の表面４ａとによって隅部が形成される。レーザ溶接後のレーザ溶接形鋼１を、上記隅部の線の延びる方向に垂直な平面で切断したときの溶接部２の断面が、図２の（ｂ）に示す断面である。レーザ溶接形鋼１は、上記隅部の線に沿った任意の位置において切断した場合であっても、上記断面において、溶接部２の表面２ａは全て、ウェブ材４の表面４ａを含む平面よりも上記レーザ光源側に位置している。

また、より詳しくは、本実施形態のレーザ溶接形鋼１における溶接部２は、仮に表面２ａに窪みが形成されていた場合であっても、最も深い窪みの底がウェブ材４の表面４ａを含む平面よりも深くなることがない、換言すれば最も深い窪みの頂点が表面４ａを含む平面よりもウェブ材４の内部側に位置することがない。

以上のように、レーザ溶接形鋼１の溶接部２は、前述した一般的なレーザ溶接形鋼１００における窪み１４０を有していない。そのため、応力集中が抑制され、溶接部２の疲労強度を向上させることができる。

また、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１は、ウェブ材４を基準として上記レーザ光源側の反対側（第２の側）においても、以上に説明したことと同様に、応力集中部となり得る窪みが形成されていない。具体的には、ウェブ材４を基準として上記レーザ光源側の反対側を非レーザ照射側（第２の側）とし、ウェブ材４における非レーザ照射側に位置する面を表面４ｂ（第２面）とし、溶接部２における非レーザ照射側に位置する表面を表面２ｂとする。

上記非レーザ照射側において、溶接部２の表面２ｂは全て、ウェブ材４の表面４ｂを含む平面よりも、上記非レーザ照射側に位置している。レーザ溶接形鋼１は、長手方向のいずれの位置で切断した場合であっても、その断面において、溶接部２の表面２ｂは全て、ウェブ材４の表面４ｂを含む平面よりも上記非レーザ照射側に形成されている。

また、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１は、表面４ａから上記レーザ光源側に突出している溶接部２の長さ（図４を参照して後述する長さγ）が、表面４ｂから上記非レーザ照射側に突出している溶接部２の長さ（図４を参照して後述する長さδ）よりも大きくなっている。換言すれば、溶接部２は、上記レーザ光源側の突出量が、上記非レーザ照射側の突出量よりも大きくなっている。

次に、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１を形成する母材である鋼板の組成について、以下に説明する。

一般にレーザ溶接法に使用される鋼板として、例えば、４００ＭＰａ級の引張強度を示すＣ−Ｍｎ系の鋼板が知られている。母材の強度をさらに向上させるには、母材の組成におけるＣ（炭素）の含有量を増やすことが一つの方策として考えられる。

しかしながら、レーザ溶接部は急熱急冷組織であるため、その部分の硬度は母材に含有されるＣ量の影響を大きく受ける。そのため、母材中のＣ含有量が多くなると、それに伴ってレーザ溶接部が硬くなる。その結果、レーザ溶接部が脆くなり得る。つまり、母材の組成におけるＣ含有量を高くすると、母材強度は向上するが、その一方で、溶接部の割れが生じやすくなる。それゆえ、母材中のＣ含有量を高くしてレーザ溶接形鋼の強度を向上させることには限界がある。

そこで、本発明者らは、鋭意検討を行い、その結果、下記の条件を満たすことにより母材強度およびレーザ溶接部の強度を向上させることができることを見出した。

すなわち、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１の溶接部２は、下記式（１）で示される炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％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における各元素の質量％濃度を表している。

ここで、溶接部２における炭素当量Ｃ_ｅｑｌ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における各元素の質量％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３は、式（１）で示される炭素当量Ｃ_ｅｑｌ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Ｃ_ｅｑｌは、本願発明者が鋭意検討の結果見出したものであり、図３に示すように、炭素当量Ｃ_ｅｑｌと溶接部２の硬さとの間には、相関が見られることが分かる。

母材の組成が０．０１質量％以上０．１質量％以下のＴｉを含むことにより、Ｃ含有量を低く抑えつつ、母材および溶接部２の両方の強度を向上させることができる。具体的には、母材が５９０ＭＰａ級の引張強度を有するようにすることができる。そのことに加えて、溶接部２の引張強度が母材よりも大きいようにすることができるとともに、溶接部２が過度に硬くなって脆くなることを防止することができる。

ここで、レーザ溶接法は、めっき鋼板を素材とした形鋼の製造に好適に用いられる。これは、高周波溶接やアーク溶接等に比べて、溶接する際のめっき層への影響を小さくし得るためである。母材の組成がＴｉを含むことによって、溶融金属脆化割れ（Liquid Metal Embrittlement Cracking:ＬＭＥＣ）を防止する作用（ＬＭＥＣ防止効果）も奏することができる。そのため、母材としてめっき鋼板を用いる場合において、レーザ溶接形鋼１をより一層好適に製造することができる。さらに、母材の組成が、Ｔｉとの共添加によってＬＭＥＣ防止効果を促進し得る他の元素（例えばＢ）を含んでいてもよい。

図３に示すように、式（１）で示される炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７以下の場合、溶接部２の強度は充分でない。このことは、引張試験において溶接部２が破断し得ることから確認された。また、式（１）で示される炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．１２以上の場合、溶接部２が過度に硬くなって脆くなる。このことは、斜め割れ試験において、溶接部２に割れが発生し得ることから確認された。

なお、母材の組成が０．１質量％以上のＴｉを含むと、母材の引張強さが過剰に上昇すると共に伸び値が低下し、母材の加工性、靭性が低下する。そのため、母材中のＴｉ含有量は、０．１質量％以下であることが好ましい。

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２．８倍以下である。また、溶接部２の硬さは、母材の硬さの１．６倍以上２．５倍以下であることが好ましい。なお、本実施形態でいう硬さとは、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、後述する図４に示す、位置２ｃ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。

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。

上記硬さ比が２．８よりも大きい場合、溶接部２が過度に硬くなり、斜め割れ試験において、溶接部２に割れが発生し得る。また、硬さ比が１．２未満である場合、引張強度および疲労強度が低くなり、引張試験および疲労試験にて溶接部２が破断し得る。

なお、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼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。

（レーザ溶接形鋼１の利点）
以上のように、本実施形態のレーザ溶接形鋼１における母材の組成は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下であり、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％以下である。また、溶接部２の硬さは、母材の硬さの１．２倍以上２．８倍以下である。そして、溶接部２は、応力集中部となるような窪みを有していない。

これにより、レーザ溶接形鋼１の強度を向上させることができる。そのため、レーザ溶接形鋼１は、高い負荷応力が掛かった場合でも破壊し難い。そして、母材よりも先に溶接部２が破断すること、および溶接部２に割れが生じることが抑制される。したがって、レーザ溶接形鋼１は、設計強度と同等の強度を有しており、強度の信頼性を高くすることができる。

特に、溶接部２の疲労特性が良好であるため、繰返し荷重を受ける場合であっても、設計荷重以内の荷重であれば破壊しない。この設計荷重（設計のための基本荷重）は、例えば母材の引張強さ規格の７０％以内とすることができる。

また、レーザ溶接形鋼１は、ＬＭＥＣ防止効果を有しているので、他の部材との溶接性にも優れている。つまり、レーザ溶接形鋼１の母材、またはレーザ溶接形鋼１と溶接される他の部材がめっき層を有している場合であっても、めっき金属によるＬＭＥＣが生じ難い。

（その他の構成）
さらに、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１は、以下のような構成を有していることが好ましい。

図４は、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、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、図４に示すように、溶接部２の突出量とは、上記レーザ光源側におけるフランジ材３から突出している溶接部２の長さα、上記非レーザ照射側におけるフランジ材３から突出している溶接部２の長さβ、ウェブ材４の表面４ａから上記レーザ光源側に突出している溶接部２の長さγ、およびウェブ材４の反対側の表面４ｂから上記非レーザ照射側に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。本実施形態におけるレーザ溶接形鋼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以下であることが好ましい。

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、以下の理由による。すなわち、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４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。

このようなレーザ溶接形鋼１の利点について、図５を用いて以下に説明する。図５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、比較例としての軽量溶接形鋼を、（ｂ）は、本発明例としてのレーザ溶接形鋼１を示している。

従来用いられている軽量溶接形鋼等の形鋼は、高周波溶接法やアーク溶接法によって製造される。図５の（ａ）に示すように、このような軽量溶接形鋼では、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。また、切り欠きのような応力集中部が形成され得る。そして、突出部を切削等により除去すると、強度が低下してしまうという問題がある。

一方、図５の（ｂ）に示すように、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼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、本実施形態におけるレーザ溶接形鋼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。

本実施形態におけるレーザ溶接形鋼１は、溶接部２の突出量が１ｍｍ以下であっても、上述のように溶接部の強度、特に疲労強度に優れるレーザ溶接形鋼を提供することができる。

＜レーザ溶接形鋼の製造方法＞
本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法について、図６および図７を用いて以下に説明する。図６は、マッシャーロールの押し当てによってウェブ材４の端面を平滑化および増肉化する方法を説明する模式図である。図７は、レーザ溶接方法を示す模式図である。

ここで、例えば、特許文献１に記載のレーザ溶接形鋼の製造方法では、溶接部２に窪みが生じることを抑制するために、ウェブ材の端部をフランジ材に押圧し、ウェブ材自身を多く溶融させ、継手部における接合金属の不足を補うようになっている。しかし、この場合、以下のような問題を有する。

すなわち、ウェブ材のスリットエッジは必ずしも平坦ではなく、また、ウェブ材の端部をフランジ材に押圧することにより、重力方向の下方への溶接部の垂下が促進され得る。そのため、継手部における接合金属の不足を補うためにウェブ材の端部をフランジ材に押圧してウェブ材を多く溶融させようとしても、ウェブ材のスリットエッジが必ずしも平坦でないため、ウェブ材の溶融量や、下方への突出量をコントロールすることが難しい。

そこで、本発明者らは、溶接部２の強度を低下させることおよび突出量が増大することを抑制しつつ、かつ溶接部２に応力集中部となり得る窪みが生じることを防止することができる手法を種々検討した。その結果、ウェブ材４の端面をマッシャーロールにて適度に平滑化および増肉化することにより、上記の目的を達成することができるという知見を得た。

（増肉工程）
本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法では、レーザ溶接を行う前に、ウェブ材４の端部を増肉する加工を行う増肉工程を含む。

図６に示すように、本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法における増肉工程では、スリットにより所定の板幅に裁断されたウェブ材４について、そのスリットエッジ（切断端面）１０にマッシャーロール９を押し当てる。これにより、スリットエッジ１０の平滑化および増肉化を行う。上記マッシャーロールの直径は、例えば１００ｍｍである。

スリットにより所定の板幅に裁断されたままのウェブ材４は、スリットエッジ１０の形状が平滑ではないことがある。上記増肉工程により、ウェブ材４の端面が平滑化されるとともに、増肉化される。具体的には、増肉工程において、ウェブ材４の端部を、該端部の板厚がウェブ材４の板幅方向における中央部の板厚に対して１００％を超えるように増肉する。

レーザ溶接形鋼１の製造方法において、ウェブ材４の端部の増肉率を、「（増肉工程後のウェブ材４の端部の板厚）／（ウェブ材４の板幅方向における中央部の板厚）」にて規定する。当該増肉率は、マッシャーロールの押圧力および増肉工程前後のウェブ材４の板幅の減少率によって調節することができる。増肉率が１００％を超えることにより、増肉工程の後のレーザ溶接の際に、溶接部２に窪みが生じることを抑制することができる。

また、増肉率は、以下のように設定することが好ましい。

一般に、母材の強度が向上するように材質を選択した場合、溶接部２の疲労強度も材料強度に伴って向上することが期待されるが、実際上、溶接部２の形状の影響が大きく、疲労強度は理論どおりには向上し難い。そのため、母材の材質の材料強度が高いほど、増肉率を高くする。これにより、溶接部２の接合幅を確保して、溶接部２の疲労強度を適切に向上させることができる。

なお、溶接部２の接合幅とは、ウェブ材４の端面がフランジ材３の表面と溶接により接合されている部分の長さであり、図４を用いて説明すると、ウェブ材４の表面４ａからレーザ光源側に突出している溶接部の長さγと、ウェブ材４の板厚と、ウェブ材４の表面４ｂから非レーザ照射側に突出している溶接部の長さδの和である。

具体的には、
（ｉ）母材の引張強度が４００Ｎ／ｍｍ^２の場合、接合幅はウェブ材４の板厚以上とするとよい。例えば、ウェブ材４の板厚が２．３ｍｍであれば、接合幅を２．３ｍｍ以上とする。そのためには、ウェブ材４の増肉率は１００％より大きくするのがよい。

（ｉｉ）母材の引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２の場合、例えば、ウェブ材４の板厚が２．３ｍｍであれば、接合幅を２．４ｍｍ以上とする。そのためには、ウェブ材４の増肉率は１０４．５％以上とするのがよい。

（ｉｉｉ）母材の引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ^２の場合、例えば、ウェブ材４の板厚が２．３ｍｍであれば、接合幅を２．５２ｍｍ以上とする。そのためには、ウェブ材４の増肉率は１０９．５％以上とするのがよい。

なお、増肉工程は、マッシャーロール以外の装置を用いて行ってもよい。また、レーザ溶接を行う溶接ラインにおいて、増肉工程が行われる箇所および時点は、上記接合工程の前の箇所および時点であればよく、溶接ラインの設計者によって任意に設定されてよい。或いは、スリットエッジの増肉加工が行われた後のウェブ材４としての鋼板を一旦保管した後、該鋼板がレーザ溶接ラインに投入されてもよい。

（接合工程）
そして、本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法は、上記増肉工程の後、ウェブ材４とフランジ材３とをレーザ溶接により接合する接合工程を含む。

図７に示すように、接合工程では、フランジ材３の板面とウェブ材４の端面とを突き合わせて、レーザ溶接する。例えば、図示しないファイバーレーザ溶接機を用い、レーザトーチ６からレーザ光５を照射することにより、レーザ溶接を行う。一般に、レーザは、安全性の観点から、重力方向における上側から下側へ向かって照射される。この点は、本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法においても同じである。つまり、図７における上下方向は重力方向である。それゆえ、溶接部２は非レーザ照射側に垂下し易く、窪みが生じ易い。

本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法では、接合工程において、レーザ光源側における溶接部２の表面２ａが全て、ウェブ材４の表面４ａを含む平面よりもレーザ光源側に突出するように、溶接部２を形成する。これにより、溶接部２に応力集中部となる窪みを有さないレーザ溶接形鋼１を製造することができる。なお、非レーザ照射側においても同様に、溶接部２に窪みが形成されないようにする。

上記接合工程において、フランジ材３とウェブ材４との突合せ状態には、スクイズロールにより多少のアプセット力が付与されていることが好ましい。また、レーザの狙い位置はデフォーカスすることが好ましい。これにより、溶接部２に窪みが生じることをより一層確実に防止することができる。

つまり、本実施形態のレーザ溶接形鋼１の製造方法では、ウェブ材４をフランジ材３に押付けるだけでなく、ウェブ材４のスリットエッジを平滑にする、増肉させる、という技術も組み合わせることにより、窪みのない、きれいな形状の溶接部２を安定して形成させることができる。

これに対して、従来の方法（例えば特許文献１に記載の方法）にて製造したレーザ溶接形鋼では、以下のような問題があった。例えば、ウェブ材をフランジ材に強力に押付けることによる方法を用いて、レーザ溶接形鋼を複数個製造した場合、窪みを有さないレーザ溶接形鋼が得られることは有り得る。しかしながら、そのようなレーザ溶接形鋼が安定して得られるわけではなく、実際上、ウェブ材をフランジ材に押付けることによって溶接金属を補うことだけでは、きれいな形状の溶接部を安定して形成させることは困難であった。この理由については、前述したとおりである。また、ウェブ材をフランジ材に強力に押付けることによって、溶接部が重力下方に垂下すると、溶接部の突出長が大きくなってしまい、補強部材の配置や形状の自由度が低下するという問題も生じ得る。

本発明は上述した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、実施形態に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。

以下、実施例および比較例により、本発明のレーザ溶接形鋼について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Ｃ_ｅｑｌ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１〜１５および比較例１〜２０）。

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、長さが４ｍの鋼板を使用した。また、ウェブ材の幅については、マッシャーロールによる増肉工程の有無に関わらず、接合工程の直前における幅が、〔１００−（２枚のフランジ材の板厚の合計）／２〕ｍｍであるとした。使用したフランジ材およびウェブ材の板厚および母材強度は、表１に示す通りである。

接合工程の前に、実施例１〜１５、比較例９〜１１、および比較例１３〜２０については、増肉工程としてマッシャーロールを用いた増肉加工を行った。

レーザ溶接は、図７に示すように、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。

そして、実施例１〜１５および比較例１〜２０について、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表側の表面（表ビード）の窪み量を測定した。

ここで、表ビードの窪み量の測定方法の一例について、図８を用いて説明する。図８に示す断面は、レーザ溶接形鋼１の溶接部２を、長手方向に垂直な平面にて切断した断面である。図８に示すように、ウェブ材４の表面４ａの垂直上方から、レーザ距離計７を用いて、溶接部２の表面２ａの位置を測定する。図８に示す断面において、ウェブ材４の表面４ａに平行な方向をｘ軸とし、表面４ａに垂直な方向をｙ軸とする。また、ウェブ材４の表面４ａ（増肉部ではないところ）の位置を基準位置（ｙ＝０）とする。

レーザ距離計７またはレーザ溶接形鋼１をｘ軸方向に動かして、レーザ距離計７を用いて溶接部２の表面２ａの各点の高さ（位置）を測定する。そして、表面２ａにおける最も窪んでいた箇所の高さ（位置）を、窪み量として記録する。最も窪んでいた箇所とは、ｙの値が負の場合は、絶対値が最も大きかった位置であり、ｙの値が正の場合は、ｘ−ｙ平面において表面２ａが形作る曲線における下に凸の変曲点（極小となる点）の位置である。

なお、レーザ距離計７ではなく、ゲージの片面を研削して尖らせたダイヤルゲージを用いて、窪み量を測定してもよい。窪み量を測定するための方法は、特に限定されるものではない。

増肉工程の有無および溶接部の表ビードの窪み量の測定結果を表２に示す。

次に、実施例１〜１５および比較例１〜２０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）の硬さとを測定し、溶接部硬さ／母材硬さで示される硬さ比を算出した。

また、実施例１〜１５および比較例１〜２０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、以下のとおりである。

〔疲労試験〕
図９は、疲労試験の模式図である。図９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。疲労試験において、形鋼が破断した位置を表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１０は、斜め割れ試験の模式図である。図１０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１０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。

表３に示すように、マッシャーロールによる加工処理を行っていない比較例１〜８および比較例１２は、表ビードに応力集中部となる窪みが生じ、疲労試験において溶接部が破断し易いことが分かる。また、マッシャーロールによる加工処理を行った比較例９および比較例１０において、表ビードに応力集中部となる窪みが生じ、疲労試験において溶接部が破断した。これは、マッシャーロールによる増肉工程の条件の設定が不十分であったため、表ビードに窪みが生じたためである。表ビードに窪みが生じないように、増肉工程および接合工程を適切に行うことが重要であることがわかる。

また、炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７未満である比較例１１〜１３は、マッシャーロールによる加工処理の有無に関わらず、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Ｃ_ｅｑｌが０．１２より大きい比較例１５〜２０は、マッシャーロールによる加工処理を行っていても、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。このように、炭素当量Ｃ_ｅｑｌは、０．０７以上０．１２以下とする必要があることが確認できた。

また、硬さ比が２．８を超える比較例１５〜１７は、斜め割れ試験において割れが発生している。このことから、硬さ比は２．８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１４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以上とする必要が有ることが確認できた。

表３に示すように、母材の炭素当量Ｃ_ｅｑｌを０．０７以上０．１２以下かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％以下とし、溶接部の硬さを、母材の硬さの１．２倍以上２．８倍以下とし、表ビードが応力集中部となる窪みを有さないことで、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４は、ウェブ材の板厚が６ｍｍ以下である実施例１〜３、５〜１５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
９ マッシャーロール
１０ スリットエッジ（切断端面）

Claims (4)

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Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％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２．８倍以下であり、
   前記ウェブ材におけるレーザが照射された面を第１面とし、前記ウェブ材を基準として前記第１面が位置する側を第１の側とし、
   前記第１の側における前記溶接部の表面は全て、前記ウェブ材の前記第１面を含む平面よりも前記第１の側に位置していることを特徴とするレーザ溶接形鋼。
   
2. 前記第１の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、前記第１面から前記第１の側に突出している溶接部の長さをγ、前記ウェブ材を基準として前記第１の側の反対側である第２の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、前記ウェブ材の前記第１面と反対側の第２面から前記第２の側に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請求項１に記載のレーザ溶接形鋼。
3. 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または２に記載のレーザ溶接形鋼。
4. 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、
   前記ウェブ材の端部を、該端部の板厚が前記ウェブ材の板幅方向における中央部の板厚に対して１００％を超えるように増肉加工する増肉工程と、
   前記増肉工程の後、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接合工程とを含み、
   前記鋼板は、式（１）で与えられる炭素当量Ｃ_ｅｑｌが０．０７以上０．１２以下、かつＴｉ含有量が０．０１質量％以上０．１質量％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２．８倍以下であり、
   前記接合工程において、前記ウェブ材にレーザが照射される面を第１面とし、前記ウェブ材を基準として前記第１面が位置する側を第１の側とし、前記第１の側における前記溶接部の表面が全て、前記ウェブ材の前記第１面を含む平面よりも前記第１の側に位置するようにレーザ溶接することを特徴とするレーザ溶接形鋼の製造方法。