TW201404514A - 雷射焊接型鋼 - Google Patents
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Abstract
將腹板鋼材的邊緣以垂直的角度密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並從腹板鋼材的單側以雷射光進行單次的照射，熔化焊接而製成型鋼，在使用鋼板的情況下，垂直於該型鋼的長度方向之斷面的焊接部分形成：a＞0mm、b＞0mm、c≧0.14Tw、d≧0mm、e≧0mm。在使用鍍鋅鋼板的情況下，上開焊接部分形成：a＞0mm、b＞0mm、c≧0.14Tw、d≧0mm、e≧0mm、a+d≦2mm、b+e≦2mm。上述之a為腹板鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、b為腹板鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、c為翼緣鋼材厚度方向的最大熔化深度、d為翼緣鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、e為翼緣鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、Tw為腹板鋼材的板材厚度。
Description
本發明是關於以雷射光為熱源，用雷射焊接方法形成T型焊接連接件所得的焊接型鋼。
近年來，在構成建築物結構之樑等用途之T型鋼、H型鋼等型鋼的製造方法方面，有人提出對翼緣鋼材與腹板鋼材之T型連接件，以雷射光照射，進行雷射焊接的方法。
舉例言之，如日本專利公開案特開2005-21912號公報(以下稱為「專利文獻1」)，即記載將2片金屬板互相垂直密接之後，對密接之金屬板從正反兩面分別以兩道雷射光，對相對之位置，沿著接合之部分，同時加以照射的方法。
若使用上述方法，必須從腹板鋼材的正反兩面，針對接合部分，從兩相對面的方向分別以雷射光加以照射，從提高生產性的觀點來看，並非有效率的做法。
因此，本案申請人乃提出只從腹板鋼材的單側，針對接合位置照射雷射光之方法，請參照日本專利公開案特開2007-307591號公報(以下稱為「專利文獻2」)。
此方法的內容為，將第二金屬板的邊緣垂直密接於第一金屬板上，而製造形成T型焊接連接件的建築材料之際，使用以雷射光照射之雷射焊接法作為焊接方法，將上述雷射光，以與第一金屬板呈30度以下的傾斜角度，對著擋接的第二金屬板邊緣部份，向金屬板之厚度方向全部區域照射，使
之熔化。
專利文獻1：特開2005-21912號公報
專利文獻2：特開2007-307591號公報
若使用專利文獻2所提出的焊接方法，因為是以雷射光加以照射，將接合側的腹板鋼材邊緣部分的腹板鋼材全部厚度方向熔化，故能使熔化的範圍更加狹窄且深入。因此，該焊接接合方法不只能獲得更加優良的形狀精度，而且即使翼緣鋼材及腹板鋼材(被焊接的鋼板)是鍍金鋼板，其鍍金層可能因蒸發而受損的部分亦能大幅度減少，進而能夠減少焊接後所需的修補塗料塗布量。而且，因為熔化範圍能夠更加深入，即使只從單側進行焊接，仍能以簡便的方法，製造出具備所需焊接強度的型材。
不過，專利文獻2所記載的焊接方法中，因為以雷射光照射焊接部分，必須將焊接部分的厚度方向全部熔化。但隨著雷射光於翼緣鋼材的入射角、針對腹板鋼材邊緣所對準的位置、以及雷射光本身的能量之不同，有可能改變焊接部分的成形狀況，而可能無法得到所希望的接合強度。此外，若以鍍金鋼板為素材，特別是使用鍍鋅鋼板的場合，因為鎔融部分的成形狀況不同，鍍金層的蒸發狀況亦會隨之變化，所製得之焊接型鋼的耐腐蝕性可能因而劣化。
本發明的目的是為了解決上述問題點，提供一種雷射焊接型鋼。該型鋼具有T形連接件，且所形成的焊接部份可形成適當正確的形狀，並確保
能夠達到所希望的接合強度及耐腐蝕性。
為解決上述難題，本發明的雷射焊接型鋼，是將腹板鋼材的邊緣以垂直的角度密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並從腹板鋼材的單側以雷射光進行單次的照射，熔化焊接而成型鋼。其特徵在於：當翼緣鋼材及腹板鋼材均為鋼板時，沿著該型鋼的長度方向之斷面，其焊接部分形狀形成a>0、b>0、c≧0.14Tw、d≧0、e≧0。
若翼緣鋼材及腹板鋼材均為鍍鋅鋼板所構成，則較好形成a>0、b>0、c≧0.14Tw、d≧0、e≧0、a+d≦2、b+e≦2之狀況。
上述之a為腹板鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、b為腹板鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、c為翼緣鋼材厚度方向的最大熔化深度、d為翼緣鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、e為翼緣鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、Tw為腹板鋼材的板材厚度。以上單位均為mm。
此外，上述焊接部分的翼緣鋼材熔化面積如以sf表示、腹板鋼材熔化面積以Su表示之時，Sf/Su的比例較好為Sf/Su<0.75。
其中，Sf約為(d+Tw+e)×c/2，且Su約為(a+b)×Tw/2。
本發明所製成的焊接型鋼，是將腹板鋼材的邊緣垂直密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並於該T型連接件部分以雷射光從單側進行單次的照射，該連接件是以熔化焊接而製成，並界定形成在該連接件的熔化焊接部分之形狀。
因此，本發明所提供的雷射焊接型鋼，擁有安定的接合強度，更特別的是，即使以鍍鋅鋼板為素材而製成焊接型鋼，其焊接部分的耐腐蝕性也不會降低，故可以實現以低成本製造具備高強度、高耐腐蝕性的焊接型鋼。
將腹板鋼材的邊緣以垂直的角度密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並對該T型連接件的單側(腹板鋼材的正背面其中一面)以雷射光作單次照射，而進行焊接之際，將如圖1所示：如果該雷射光相對於翼緣鋼材之照射角度θ，以及對腹板鋼材邊緣之照射位置未能適當調整設定，就無法得到所希望的接合強度。此外，在以鍍金鋼板為素材的情況下，照射角度θ及照射位置若未能適當設定，可能會使翼緣鋼材及腹板鋼材接合面上的鍍金層，遭到損傷。
舉例言之，若將上述雷射光的照射角度θ調小，則如圖2所示，在腹板鋼材與翼緣鋼材的接觸點(擋接位置)上下區域，翼緣鋼材的正面熔化寬度d及翼緣鋼材的背面熔化寬度e會增大，導致焊接部分的耐腐蝕性有劣化之虞。
反之，若將照射角度θ調大，翼緣鋼材熔化寬度d、e會變小，腹板鋼材邊緣的熔化範圍也會變少。結果將有部分鋼材無法熔化，而無法確保足夠的強度。此外，將照射角度θ調大的情況下，因為翼緣鋼材的熔化深度c也會變大，如果翼緣鋼材是使用薄板，其熱變形量會提高。更進一步言之，如果此時使用的是鍍鋅鋼板，位在腹板鋼材相反面的鍍金層所受損傷程度也可能會提高。
因此，本發明的發明人等，將相對於翼緣鋼材的雷射光線照射角度θ，
以及對腹板鋼材邊緣的雷射光照射位置予以細微的調整，以使如圖2所示各部位的大小能達到所期望的特性，求得最適當的方法。
以下是本發明的詳細說明。
首先，為了明瞭上述相對於翼緣鋼材的雷射光線照射角度θ，及腹板鋼材與翼緣鋼材接合位置與雷射光照射位置之間的距離，對型鋼特性的影響，發明人進行了多次預備實驗。實驗時將照射角度θ及照射位置做種種改變，其方式如圖1所示。所量測的照射位置是指：以擋接位置為原點，量測雷射光在腹板鋼材的雷射光照射面上，沿遠離該擋接位置方向的座標。
使用寬度200 mm，長度2,000 mm的鎔融鍍金鋼板，板厚2.3 mm、拉張強度400 N/mm2的鋼板，正面施以6% Zn/3%Al/合金鍍層，單面附著量設定為90 g/m2。以如表1所示的條件進行雷射焊接，得到T型型鋼。並以氬氣為遮蔽氣體，從斜側邊對雷射光照射點噴氣，作為側面氣體(side gas)使用。
其後，對所得到的T型雷射焊接型鋼，觀察其焊接部分之斷面，照相，並依據照片量測如圖2所示各部位的大小，同時也量測其接合強度。此外，也就翼緣鋼材與腹板鋼材的非擋接面，以目視觀察。
其後，根據JIS G 3353標準進行拉張強度試驗。於腹板鋼材的母材破斷時，在其破斷荷重下的拉張強度若在400N/mm2以上，則判定接合強度為良好。此外，如果破斷位置是在焊接部分，而破斷荷重除以腹板鋼材的截面積所得到的數值為400N/mm2以上，也可判定接合強度為良好。再者，若就翼緣鋼材的非接合面觀察結果，發現因鍍層的再熔化而造成損傷，則量測該損傷之寬度。
以上實驗結果以表2至表12加以表示。
在表2至表12之中，有底線標註的數值為拉張試驗結果判定為強度不足之部分。各表中的數字單位為mm。
為了確保腹板鋼材與翼緣鋼材所組合而成的T型連接件之焊接強度，必須要使翼緣鋼材與腹板鋼材相互擋接面的附近熔化，以使兩者成為一體。也就是，雖然從單側以單次的雷射焊接來進行焊接，仍必須使腹板鋼材的正面及背面都必須存在熔化寬度(翼緣鋼材的正面焊珠及背面焊珠)，即a>0、b>0，且須將翼緣鋼材向內熔解。參照上述表4的結果可以得知，翼緣鋼材的熔化深度c必須達到0.33 mm以上。因為表4是對於板厚2.3 mm的鋼板試驗的結果，一般來說，由於c/Tw=0.33/2.3=0.14，所以翼緣鋼材的熔解寬c應為0.14×Tw(mm)以上。
因為是將雷射光以傾斜的角度從翼緣鋼材的上方射入，若入射角過大，或照射位置距離翼緣鋼材與腹板鋼材的擋接位置過遠，腹板鋼材的正面熔化寬度及背面熔化寬度都不會存在，結果在腹板鋼材端面與翼緣鋼材之間形成未熔化部分，可能降低強度。也就是說，翼緣鋼材的正面以及背面的熔化寬度d、e，分別必須為d≧0(mm)及e≧0(mm)。
此外，如果翼緣鋼材是薄板的鍍金鋼板，翼緣鋼材的熔化量會增大，使得位在腹板鋼材相對側表面的鍍金層損傷增大，並且同時發生熱變形，因
此，翼緣鋼材的熔解量不要過多較為妥當。
再者，在腹板鋼材與翼緣鋼材的擋接點附近，熔化面積要儘可能縮小較為理想。鍍鋅鋼板的斷面邊緣，用來預防腐蝕作用的犧牲材料，一般說來最多只能用到2.3 mm之程度。再考慮到雷射焊接時，焊接位置部分周圍之鍍金層會有蒸發，則若將雷射焊接而造成的熔化寬度控制在2mm程度以內，焊接部分即使不加以塗裝修補，也能確保良好的耐腐蝕性。因此，熔化區域範圍控制在2 mm以內較為妥當。
也就是，翼緣鋼材為鍍鋅鋼板的情況下，為抑制腹板鋼材及翼緣鋼材交接點附近發生耐腐蝕性劣化，所需的條件是a+d≦2 mm、b+e≦2 mm。
從鍍金鋼板的預防腐蝕觀點出發，翼緣鋼材的損傷寬度預先控制在2 mm以下較為理想。但是，儘管在表7之中，照射角度θ為10°或者15°之時，對準位置為0.2 mm，同時a+d也在2 mm以下的情況下，在表12中仍然顯示，在相同條件下翼緣鋼材的損傷寬度還是超過2mm。
翼緣鋼材損傷部分並沒有受到雷射光的照射，因此鍍金層也不會因蒸發而完全消失，故沒有必要一定要控制在2 mm以下。但是，為使鍍鋅鋼板在沒有塗裝修補工程的狀況下，仍能發揮良好的耐腐蝕性，還是必須將翼緣鋼材損傷部分的寬度控制在2mm以下。同時也要抑制翼緣鋼材的熱變形。因此控制在Sf/Su<0.75之比例較為理想。其中Sf是焊接部分的翼緣鋼材熔化面積，Su則是腹板鋼材熔化面積。翼緣鋼材熔化面積是指沿著型鋼的長度方向之斷面，出現於翼緣鋼材內，金屬曾經熔化部分的面積。腹板鋼材熔化面積則是指沿著型鋼的長度方向之斷面，出現於腹板鋼材內，金屬曾經熔化部分的面積。
此外，自焊接部分強度的面向加以考慮，控制在Sf/Su≧0.15的比例，會更加理想。
其中，Sf約為(d+Tw+e)×c/2、且Su約為(a+b)×Tw/2。
為證明在使用鍍鋅鋼板為素材的情況下，有必要控制成a+d≦2 mm、b+e≦2 mm，且以Sf/Su<0.75較為理想，故使用已知技術中廣為應用的鹽水噴霧→乾燥→濕潤的反覆操作試驗(CCT試驗)，進行耐腐蝕性評價的加速試驗，加以確認。(本件試驗條件是：以35℃的5% NaCl水溶液噴霧2小時→在60℃及30%RH(相對濕度)下乾燥4小時→以50℃及95%RH濕潤2小時，並且反覆為之。)
執行200次循環之試驗結果為，條件為a+d≦2 mm、b+e≦2 mm所製成之T型連接件的雷射焊接部分，自始未發現焊接部分有覆蓋白鏽，或有產生紅鏽。而在翼緣鋼材受熱影響區域上，則發現鍍金層的損傷部分未覆蓋白鏽，也未產生紅鏽。此外，也未發現翼緣鋼材部分有產生熱變形。
附帶一提，為了可以得到如上述一般狹小寬度的熔化範圍，必須使腹板鋼材邊緣側面全部都能以較佳之效率熔化。因此，為了可以得到如上述狹小寬度的熔化範圍，本發明自幾何學加以考量，乃從單側，以單次的雷射照射，焊接T型連接件。在進行焊接時，比起對準腹板鋼材與翼緣鋼材在腹板鋼材正面的交會點，對準腹板鋼材與翼緣鋼材在腹板鋼材背面的交會點的作法效果更佳。
從翼緣鋼材對腹板鋼材正面對準的位置X，是以「X=Tw‧tanθ」(Tw：腹板鋼材厚度，θ：雷射光與翼緣鋼材形成的入射角)加以求得。若將對準位置X控制在雷射光束半徑(D/2)以上，從幾何學加以考量可知，會因為
雷射沒有通過腹板鋼材正面與翼緣鋼材的擋接點，而產生未熔化部分。
但是，實際上，雷射光束徑的周圍也會受到熱影響(熱傳導)，在光束範圍以外的部分仍然會融化。這個熔化發生的區域，因條件的不同而位在光束範圍約1.1~2.5倍之間的區域。因此，對準位置X的上限值是「2.5×(D/2)」，亦即：Tw‧tanθ<X≦2.5×(D/2)。以此方法所求得的照射角θ，會在0<θ≦tan-1((2.5×D/2)/Tw的範圍內。
若採用如上述的照射角θ及對準位置X，而從單側以單次的雷射照射來焊接T型連接件，即可以得到預定形狀的焊接部位。
圖1是以單次照射的雷射光，自單側照射T型連接件，進行雷射焊接之方法示意圖。
圖2是沿著型鋼的長度方向之斷面上，T型連接件的熔化焊接部分形狀之示意圖。
圖3是以單次照射的雷射光，自單側照射T型連接件，進行雷射焊接之際，雷射光照射角度θ與腹板鋼材邊緣照射位置的關係示意圖。
Claims (3)
- 一種雷射焊接型鋼，為將腹板鋼材的邊緣垂直密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並從腹板鋼材的單側以雷射光進行單次照射，熔化焊接而成的型鋼；該翼緣鋼材及腹板鋼材均為鋼板，沿該型鋼長度方向之斷面上之焊接部分形狀形成：a>0、b>0、c≧0.14Tw、d≧0、e≧0；其中a為腹板鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、b為腹板鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、c為翼緣鋼材厚度方向的最大熔化深度、d為翼緣鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、e為翼緣鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、Tw為腹板鋼材的板材厚度；以上之單位均為mm。
- 一種雷射焊接型鋼，為將腹板鋼材的邊緣垂直密接於翼緣鋼材，形成T型連接件，並從單側以雷射光進行單次照射，熔化焊接而成的型鋼；該翼緣鋼材及腹板鋼材均為鍍鋅鋼板，垂直於該型鋼長度方向之斷面上的焊接部分形狀形成：a>0、b>0、c≧0.14Tw、d≧0、e≧0、a+d≦2、b+e≦2；其中a為腹板鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、b為腹板鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、c為翼緣鋼材厚度方向的最大熔化深度、d為翼緣鋼材正面(雷射光照射面)的熔化寬度、e為翼緣鋼材背面(非雷射光照射面)的熔化寬度、Tw為腹板鋼材的板材厚度；以上之單位均為mm。
- 如申請專利範圍第1或2項所記載的雷射焊接型鋼，其中焊接部分的翼緣鋼材熔化面積以Sf表示，腹板鋼材熔化面積以Su表示時，兩者之比例Sf/Su為Sf/Su<0.75。
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2012
- 2012-07-26 TW TW101126966A patent/TWI579092B/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| TWI653105B (zh) | 2017-03-29 | 2019-03-11 | 日商日新製鋼股份有限公司 | 支撐構造體 |
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