(57)【要約】【課題】角継手部を備えたレーザ溶接形鋼にあって、フランジ材表面に発生するテンパーカラーを抑えて、耐食性と外観に優れたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を提供する。【解決手段】ステンレス鋼板からなるウェブ材とフランジ材で角状のレーザ溶接継手部とし、フランジ材の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置の、ＪＩＳ  Ｚ  ８７３０に基づく色差ΔＥ＊が溶接直後に５０以下で、かつフランジ材の高さ方向の最大ひずみ量が０．２ｍｍ以下であることを特徴とした。また、溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、溶接部の裏面にあたる位置となるフランジ材の表面の温度を溶接開始から溶接終了までの間で２００℃未満とすることにより製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼板を用いて、ウェブ材とフランジ材から構成された角状のレーザ溶接継手部を有する形鋼であって、
溶接部の裏面位置となるフランジ材表面のＪＩＳ  Ｚ  ８７３０に基づく色差ΔＥ＊が溶接直後に５０以下で、
フランジ材の高さ方向の最大ひずみ量が０．２ｍｍ以下であることを特徴とするステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
ここで、色差ΔＥ＊は以下の式（１）にしたがって算出される。
ΔＥ＊＝〔（ΔＬ＊）２＋（Δａ＊）２＋（Δｂ＊）２〕１／２      （１）  
ΔＥ＊の色差成分のΔＬ＊、Δａ＊、Δｂ＊は、白色標準板（Ｌ＊＝９６、ａ＊＝−０．２、ｂ＊＝０．４）を基準とする。
【請求項２】
ステンレス鋼板を用いて、ウェブ材とフランジ材から構成されたレーザ溶接継手部として、角継手とＴ字継手を有する形鋼であることを特徴とする、
請求項１に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
【請求項３】
前記ステンレス鋼板として、フェライト系ステンレス鋼板を用いることを特徴とする、
請求項１および２に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
【請求項４】
前記フェライト系ステンレス鋼板が、Ｃ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：０．６０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０４０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．６０質量％以下、Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％、Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含むことを特徴とする、
請求項３に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
【請求項５】
前記フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする、
請求項４に記載のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼。
【請求項６】
ステンレス鋼板を用いてウェブ材とフランジ材から構成された角状の溶接継手部を形成した溶接形鋼を製造する方法であって、
溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、
溶接部の裏面位置となるフランジ材表面の温度を溶接開始から溶接終了までの間で２００℃未満とすることを特徴とする、
ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼を素材としてレーザ光を熱源としたレーザ溶接によって角継手部やＴ字継手部を形成した溶接形鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築物の躯体を構成する梁等に用いられているＣ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二つの部材で形成した角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、フランジ材とウェブ材に一定角度の開先を設けて突き合わせ、その突き合わせ面と平行な角度でレーザ光を照射している。
この方法では、貫通したレーザ光が部材表面を損傷することはないが、加熱によって溶接部周辺のフランジ材やウェブ材の表面に酸化皮膜が発生し、これを除去することが必要なため効率的に製造できない。
【０００３】
また、このような溶接形鋼の中には、特許文献２に見られるような海浜地域の橋梁や道路資材、建築物の部材として、メンテナンスフリーとなるように耐食性が非常に高いステンレス鋼を素材としたものが検討されている。
特許文献２では、ステンレス鋼を溶接する際に生じる変形を抑えて、矯正をほとんど必要としないことを目的にレーザ溶接を適用している。
しかし、ステンレス鋼を大気中でレーザ溶接した場合は、溶接部近傍や溶接部の裏面に相当する板材表面にテンパーカラーと呼ばれる酸化皮膜が発生してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−１８７８３号公報
【特許文献２】特開平１１−１２３５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このテンパーカラーは、クロム酸化物であるためステンレス鋼中のクロム量が減少してしまうことから、耐食性が低下するとともに外観も劣化してしまい、溶接後にテンパーカラーを除去することが必要である。
溶接部近傍は外観に晒されることが少ないため、テンパーカラーをブラシなどで除去してもほとんど問題にならないが、外観に晒されるフランジ材表面はテンパーカラーを除去した研磨目をさらに小さくする研磨工程が必要であり、生産性が非常に低くなる。
【０００６】
また、レーザ溶接は加熱領域が狭いために熱変形は比較的小さいが、フランジ材とウェブ材が位置ずれを起こさないように固定して溶接するため、フランジ材表面にひずみが発生しやすくなり、これによってフランジ材表面の外観が悪化してしまう。
これらのテンパーカラーや部材表面のひずみの問題は、角継手部を有する形鋼、Ｔ字継手部を有する形鋼、角継手部とＴ字継手部の両方を有する形鋼のいずれにも発生するものである。
【０００７】
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、ステンレス鋼を素材として角継手部あるいはＴ字継手部、さらには角継手部とＴ字継手部の両方を備えたレーザ溶接形鋼であって、溶接時に発生するフランジ材表面のテンパーカラーやひずみを抑えて耐食性や外観に優れたレーザ溶接形鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ溶接形鋼は、その目的を達成するため、ステンレス鋼板を素材とするフランジ材とウェブ材で角継手部あるいはＴ字継手部、さらには角継手部とＴ字継手部の両方を備えたレーザ溶接形鋼であり、それぞれのフランジ材の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置におけるＪＩＳ  Ｚ  ８７３０に基づいた色差ΔＥ＊が溶接直後に５０以下で、かつ最大ひずみ量が０．２ｍｍ以下であることを特徴としている。ここで、ΔＥ＊は以下の式（１）にしたがって算出される。
ΔＥ＊＝〔（ΔＬ＊）２＋（Δａ＊）２＋（Δｂ＊）２〕１／２      （１）  
ΔＥ＊の色差成分のΔＬ＊、Δａ＊、Δｂ＊は、白色標準板（Ｌ＊＝９６、ａ＊＝−０．２、ｂ＊＝０．４）を基準としている。
【０００９】
また、ステンレス鋼として、フェライト系ステンレス鋼とすることや、そのフェライト系ステンレス鋼の成分がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：０．６０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０４０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．６０質量％以下、Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％、Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含むことも特徴としている。
さらに、前記のステンレス鋼に、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含むフェライト系ステンレス鋼を用いることもできる。
【００１０】
前記のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を製造する方法としては、ステンレス鋼板を素材としたフランジ材とウェブ材で角継手部あるいはＴ字継手部、さらには角継手部とＴ字継手部の両方を備えた溶接形鋼を製造する際に、溶接法としてレーザ光を照射するレーザ溶接法を用い、それぞれのフランジ材の表面のうち、溶接部の裏面にあたる位置の温度を溶接開始から溶接終了までの間で２００℃未満とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるレーザ溶接形鋼は、フランジ材の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置において溶接時のテンパーカラーの発生や矯正後の最大ひずみ量を抑えているため、耐食性や外観に優れている。また、ウェブ材とフランジ材に関して、相対的に線膨張係数が低くて熱伝導率が大きいフェライト系ステンレス鋼を用いた場合には、オーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合よりもフランジ材表面の最大ひずみ量を小さくすることができる。さらに、テンパーカラーの発生を抑えるために、フランジ材の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置の溶接中における表面温度を制御しているため、生産性を損なうことなくステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】角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
【図２】角継手部とＴ字継手部を備えたレーザ溶接形鋼をレーザ溶接する方法を説明する図
【図３】フランジ材の高さ方向の最大ひずみ量の測定方法を説明する図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼１は、図１に示すように、フランジ材２にウェブ材３の端部を垂直に押し当てて形作られた角継手部に対し、片側からの１パスによるレーザ光４の照射を行い、ウェブ材３の端部をレーザ光４の照射側と反対側まで溶融させて溶接することにより製造する。この際に、フランジ材２に対するレーザ光４の照射角度θを３０度以下としている。レーザ光４を傾斜させて照射するのは、フランジ材２の板厚がウェブ材３の板厚より厚い場合に、一定の接合強度を確保する目的でフランジ材２への溶け込みを大きくするためである。
【００１４】
このような方法でステンレス製レーザ形鋼を製造した際に、フランジ材２の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置５には、フランジ材２の表面温度に応じてテンパーカラーが発生する。本発明者らは、このときテンパーカラーの発生によってフランジ材２の表面の色が変化することに着目してテンパーカラーの発生状況が色差を指標として捉えられることを見出した。
図１に示した方法で、板厚２．３ｍｍのＳＵＳ３０４を素材とし、溶接速度を変化させてレーザ溶接を行い、フランジ材２の表面における溶接部の裏面にあたる位置５の色差ΔＥ＊を、ＪＩＳ  Ｚ  ８７３０に基づいて測定した。その結果、色差ΔＥ＊が５０以下であれば、テンパーカラーの発生が目視確認されなかった。そこで、色差ΔＥ＊が５０以下であることをテンパーカラー発生なしとする指標とした。          
【００１５】
また、溶接中に、フランジ材２の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置５の温度を測定したところ、２００℃未満であればテンパーカラーの発生がなく、色差ΔＥ＊が５０以下であることを見出した。そこで、本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼の製造方法としては、フランジ材２の表面のうち、溶接中における溶接部の裏面にあたる位置５の表面温度を２００℃未満とするようにした。
具体的には、溶接速度などの溶接条件を調整することや、溶接中にフランジ材２の表面を冷却することによって２００℃未満の状態が実現できる。冷却方法としては特に限定しないが、フランジ材２の表面にロールを接触させる方法や液体や気体を噴射するなどを用いることができる。
【００１６】
ウェブ材とフランジ材を角継手で溶接した際には、フランジ材２の表面にひずみが発生するが、この最大ひずみ量を前記のテンパーカラー発生状況の実験と同じ条件で確認したところ、フランジ材２の高さ方向の最大ひずみ量が０．２ｍｍ以下であれば外観上問題ないことを見出した。
【００１７】
テンパーカラーと色差ΔＥ＊の関係やフランジ材２の表面の最大ひずみ量の状況については、前記のように角継手について実施したが、いずれの現象もフランジ材２の表面の温度が原因であるため、Ｔ字継手においても同様な指標を用いることができる
【００１８】
本発明における素材としては、ステンレス鋼であれば特に限定せず、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼などが使用できる。
このうち、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合は、フランジ材２の表面の最大ひずみ量をより小さくすることができる。これは、他のステンレス鋼と比較してフェライト系ステンレス鋼が低い線膨張係数であることと高い熱伝導率を有していることに起因する。つまり、線膨張係数が低いことと、熱伝導率が高いために製造時に冷却効果が高いことから熱変形量が比較的小さく、これによって溶接後のフランジ材２の矯正が行いやすくなる。このため、良好な外観のフランジ材２の表面を有するステンレス鋼製レーザ溶接形鋼を実現することができる。
【００１９】
また、特に製品コストや耐食性確保が必要とされる場合は、以下の成分範囲を含むフェライト系ステンレス鋼を用いることができる。
Ｃ：０．０２５質量％以下
Ｃは、鋼の強度を得るために有用な元素であるが、多量に含むと耐食性を低下させる傾向にある。Ｃの含有量は、０．０２５質量％以下が好まし。
Ｓｉ：０．６０質量％以下
Ｓｉは、製鋼工程における脱酸剤及び熱源として有用な元素であるが、多量に含むと鋼を硬化させる傾向にある。Ｓｉの含有量は、０．６０質量％以下が好ましい。
Ｍｎ：１．００質量％以下
Ｍｎは、製鋼工程における脱酸剤として有用な元素であるが、多量に含むとオーステナイト相を形成する傾向にある。Ｍｎの含有量は、１．００質量％以下が好ましい。
Ｐ：０．０４０質量％以下
Ｐは、耐食性を低下させる傾向にある。Ｐの含有量は、０．０４０質量％以下が好ましい。
Ｓ：０．０２０質量％以下
Ｓは、耐食性を低下させる傾向にある。Ｓの含有量は、０．０２０質量％以下が好ましい。
Ｎｉ：０．６０質量％以下
Ｎｉは、腐食の進行を抑制する効果やフェライト系ステンレス鋼の靱性改善に有効である点で好ましいが、多すぎるとオーステナイト相の生成やコスト高の原因となる。Ｎｉの含有量は、０．６０質量％以下が好ましい。
Ｃｒ：１６．００〜３５．００質量％
Ｃｒは、耐食性を確保するために有用な元素であるが、多量に含むと高コストだけでなく加工性が低下する傾向にある。Ｃｒの含有量は、１６．００〜３５．００質量％が好ましい。
Ｍｏ：０．３０〜６．００質量％
Ｍｏは、Ｃｒの存在下でステンレス鋼の耐食性を向上させるために有用な元素であるが、多量に含むと高コストだけでなく加工性が低下する傾向にある。Ｍｏの含有量は、０．３０〜６．００質量％が好ましい。
Ｎ：０．０２５質量％以下
Ｎは、Ｃと同様に多量に含むと耐食性を低下させる傾向にある。Ｎの含有量は、０．０２５質量％以下が好ましい。
【００２０】
本発明のステンレス鋼製レーザ溶接形鋼は、さらに、Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％のうち１種または２種以上を含むフェライト系ステンレス鋼をさらに耐食性が向上するため用いることもできる。
Ｎｂ：０．１０〜１．００質量％
Ｎｂは、Ｃ、Ｎとの親和力が強くフェライト系ステンレス鋼の粒界腐食を抑制する点で好ましいが、多量のＮｂ含有は靱性を阻害する傾向にある。Ｎｂの含有量は、０．１０〜１．００質量％が好ましい。
Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％
Ｔｉは、Ｃ、Ｎとの親和力が強くフェライト系ステンレス鋼の粒界腐食を抑制する点で好ましいが、多量のＴｉ含有は鋼の表面品質を低下させる傾向にある。Ｔｉの含有量は、０．０５〜０．３０質量％がより好ましい。
Ａｌ：０．０１〜０．５０質量％
Ａｌは、脱酸剤として精錬や鋳造に有効な元素であるが、過剰に添加すると表面品質を劣化させるとともに、鋼の溶接性や低温靭性を低下させる。Ａｌの含有量は、０．０１〜０．５０質量％がより好ましい。
【実施例】
【００２１】
板厚が２．３ｍｍ、３．２ｍｍ、４．５ｍｍのＳＵＳ３０４をフランジ材２およびウェブ材３として、表１に示すレーザ溶接条件でレーザ溶接形鋼１を図１に示した方法で製造した。レーザ４光の照射角度θは、２０°とした。
溶接後には、フランジ材２の溶接部の裏面にあたる位置５における色差ΔＥ＊をＪＩＳ  Ｚ  ８７３０に基づいて測定した。また、フランジ材２の最大ひずみ量を測定した。
測定された色差ΔＥ＊と最高温度を表２に示す。
【００２２】
フランジ材２の高さ方向の最大ひずみ量は、図３に示した方法により測定した。すなわち、フランジ材２に定規６を押し当て、フランジ材２と定規６の間に生じた隙間を、隙間ゲージを用いて測定する。そして、測定された最大の隙間量Ａｍａｘと最小の隙間量Ａｍｉｎを用いて次の式により求められる値を、最大ひずみ量とした。
最大ひずみ量＝Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２に示したように、フランジ材２の溶接部の裏面にあたる位置５における最高温度が２００℃以上の条件においては、いずれの板厚においても色差ΔＥ＊が５０を超え、目視観察でテンパーカラーが確認された。
また、フランジ材２の表裏面にロールを押し付けて矯正を行った結果、最高温度が２００℃未満の条件では０．２ｍｍ以下の最大ひずみ量となった。
（実施例２）
【００２６】
フランジ材２およびウェブ材３として、Ｃｒ：３０％、Ｍｏ：２％、Ｔｉ：０．１５％、Ｎｂ：０．１５％、Ａｌ：０．０９％、残部Ｆｅであるフェライト系ステンレス鋼板を用い、その他の条件は実施例１と同じにしてレーザ溶接形鋼を製造した。
製造したレーザ溶接形鋼の、フランジ材２の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置５の色差ΔＥ＊をと最高温度を測定した結果を表３に示す。
【００２７】
【表３】
2017148858.tif 000005
【００２８】
表３に示したように、実施例２においても、フランジ材２の表面のうち、溶接部の裏面にあたる位置５における最高温度が２００℃以上の条件においては、いずれの板厚においても色差ΔＥ＊が５０を超え、目視観察でテンパーカラーが確認された。
また、フランジ材２の表裏面にロールを押し付けて矯正を行った結果、最高温度が２００℃未満の条件では０．１ｍｍ以下の最大ひずみ量となった。
（実施例３）
【００２９】
フランジ材２およびウェブ材３として実施例２と同じ素材を用い、図２に示す角継手部とＴ字継手部を備えたステンレス鋼製レーザ溶接形鋼１を製造した。製造条件は実施例１と同じとした。
【００３０】
製造したレーザ溶接形鋼について、フランジ材２の表面のうち溶接部の裏面にあたる位置の色差ΔＥ＊と最高温度を測定した。Ｔ字継手部側のフランジ材２Ａの表面のうち、溶接部の裏面にあたる位置５Ａの色差と最高温度の関係を表４に、角継手部側のフランジ材２Ｂの表面のうち、溶接部の裏面にあたる位置５Ｂの色差と最高温度の関係を表５に示す。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
【表５】
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【００３３】
表４と表５に示したように、フランジ材２Ａまたは２Ｂの表面において、溶接部の裏面にあたる位置５Ａまたは５Ｂにおける最高温度が２００℃以上の条件においては、いずれの板厚および継手形態においても色差ΔＥ＊が５０を超え、目視観察でテンパーカラーが確認された。
また、フランジ材２の表裏面にロールを押し付けて矯正を行った結果、最高温度が２００℃未満の条件では０．１ｍｍ以下の最大ひずみ量となった。
【符号の説明】
【００３４】
１      ステンレス鋼製レーザ溶接形鋼
２      フランジ材
３      ウェブ材
４      レーザ光
５      溶接部裏面にあたる位置
６      定規
θ      レーザ光４の照射角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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