JP3537742B2 - 鋼鉄製レールの溶接方法およびシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼鉄製レールの離
間した端部を溶接するための溶接方法およびシステムに
関するものであり、より詳細には、アーク溶接処理によ
って現場に敷設した離間した２つの鉄道レールの溶接に
関するものである。

【０００２】ここでは鉄道レールの溶接に関連して例証
および詳細に説明するが、本発明を、クレーンレール、
車輪を備えた車両または装置を支持するその他のレール
のような別タイプのレールの溶接にも使用できることが
理解できるであろう。

【０００３】

【従来の技術】本発明は、米国特許証第５，７７３，７
７９号、第５，８７７，４６８号、および、１９９８年
１０月７日付けで出願の、私の同時係属出願第１６７，
４６３号に開示されているレール溶接方法およびシステ
ムに改良を加えるものである。これらの特許および同時
係属出願は本明細書中で参照している。

【０００４】何年もの間、いずれかのタイプの突き合せ
溶接によって、処理離間した鉄道レールの接合に膨大な
努力が費やされてきた。このような努力は、使用した処
理の制限、溶接処理を達成するために要する時間、溶接
処理を実施するコストおよび／または成功する、耐久性
のある接合を得ることが不可能であるために、一般にコ
ストがかかる上に成功することがなかった。Ｓｃｈｒｕ
ｂｓａｌｌによる第３，１９２，３５６号では、従来の
ガス圧力および電気フラッシュ溶接技術における欠点を
克服した改良形として、水中に入れたアーク溶接処理が
開示されており、また、Ａｄａｍｓ による第３，３０
８，２６６Ｄ号、Ｄｅｖｌｅｔｉａｎによる第４，４２
９，２０７号には、最も一般的な電気アーク溶接処理が
例示されている。その処理とは、現場にある離間した鉄
道レールの隙間を充填するためにエレクトロスラグ溶接
方法を使用したものである。この方法には、適切なスラ
グで被覆した溶融金属のプールによるレール間の隙間の
充填が含まれる。多量の溶融金属がレール間の隙間から
溢れ出てしまうことを防止するために側部鋳型と底部材
を設けているが、これによってレールの下に金属の大き
な突出を生じ、実際の隙間の外に広がってしまう。この
従来特許は、改良された、現場で使用できるエレクトロ
スラグ溶接（ＥＳＷ）技術を例証しており、ここでは、
通常の溶接のためにレールを上下に裏返すことができな
い。今日、通常使用されているテルミット技術から見た
エレクトロスラグ溶接の利点が説明されている。この開
示では、テルミット処理が相当な欠点を抱えていること
を暴露してしまった。この欠点は、現場において様々な
欠陥を引き起こすことが知られている。Ｓｃｈｒｕｂｓ
ａｌｌ、Ａｄａｍｓ、Ｄｅｖｌｅｔｉａｎ特許は、その
明確な非効率性と、現場において均一で連続した溶接を
得ることができないために、実用的な方法としては放棄
されているが、本明細書では、エレクトロスラグ溶接方
法を説明するためにこれらの特許を参照している。当然
のことながら、この方法は多量の溶融金属を扱わなけれ
ばならないため、現場において問題が生じてしまう。

【０００５】エレクトロスラグ方法にかけて主張された
利点として、エレクトロスラグ技術とガスシールドアー
ク溶接技術の組み合わせがＫａｒｉｍｉｎｅによる第
５，１７５，４０５号に開示されている。この特許は、
ガスシールドアーク溶接方法とエレクトロスラグ方法の
組合せを用いた、離間した鉄道レールの端部を突き合わ
せ溶接するための自動溶接方法を採用している。通常使
用のテルミット溶接技術の欠陥と、先に試みたエンクロ
ーズドアーク溶接技術について詳細に説明する。前述し
たように、テルミット技術による接合は欠陥率が非常に
高いが、コストおよび時間の面、そして、アーク溶接方
法を達成することができないという面から、このテルミ
ット方法は、未だに、この分野において選択肢の１つと
されている。前述した、この特許においての連続アーク
溶接技術の欠点は、アークを開始できず、溶接処理を実
行する際にアークの開始と終了が必要であることであ
る。これらの欠点のいくつかを克服する目的で、この特
許は、次の、あるいは連続したアーク溶接のために溶接
処理を確実に開始するべく、レール間の隙間の底部にお
ける水中でのアーク方法の使用について述べている。本
明細書では、テルミット方法、エンクローズドアーク溶
接技術、水中での溶接技術の欠点を開示するために、Ｋ
ａｒｉｍｉｎｅの第５，１７５，４０５号を参照してい
る。これらの欠点の全ては、現場において試されたが、
失敗に終ったものである。Ｋａｒｉｍｉｎｅ第５，１７
５，４０５号が提案している解決法は、ガスシールドア
ーク溶接技術をエレクトロスラグ溶接方法と組合せて用
いるものであり、ここで、ガスシールドアーク溶接技術
は、トータルなエレクトロスラグ溶接を利用しようとし
たこれまでの試みの欠点を克服するために、隙間の基部
において使用される。しかし、隙間の底部でガスシール
ドアークを使用するこの方法は、隙間の底部に充填金属
の第１層を正確に開始、設置する技術がないという事実
から、現場では成功しなかった。

【０００６】Ｌａｈｎｓｔｅｉｎｅｒ等による第５，６
０５，２８３号の開示では、鉄道レールは、レールの縦
方向に対して横向きにのびている多数のビードによって
相互に溶接されている。レールの底部からその頭部へ
と、横方向に平行し、縦方向に重合しながら高くなって
いくビードは、不活性ガスシールドアーク溶接方法を用
いて置かれる。レールのゾーン、すなわち基部、ウェ
ブ、頭部は、明瞭且つ連続的に相互に溶接され、また、
この方法では、異なる充填材料を異なる溶接ゾーンに使
用することが可能である。この溶接方法には、連続ゾー
ン溶接段階間に遅延が必要であるために、時間と経費が
かかり過ぎてしまい、望ましくない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】鉄道レールは、使用
中、または使用するために現場で組立てる際に、レール
の端部を接合することによって敷設および修理しなけれ
ばならない。レール間を強力に接合する接合処理は、治
金学的に調整することができ、ひび割れることがなく、
非常に短い時間で経済的に形成することが可能である。
このような溶接方法のための基準として、この方法は実
質的に４５分未満で実行されなければ、結果として鉄道
の運行に遅延または旅程変更をきたしてしまう。現場で
レールを接合する方法には現在２つの方法がある。まず
１つの方法は、離間したレールを適切な砂型で包囲し、
次に溶融した鋼鉄を砂型に注入することで離間したレー
ル間の隙間を充填するテルミット技術である。溶融した
金属が硬化するとレールが接合されるが、しかし、幅広
く用いられているこの方法の欠陥値は７５％もあると報
告されている。さらに、レール間の隙間に注入した溶融
鋼鉄によって、レールが溶融しなければならない。この
溶融の必要性は必ずしも満たされず、また、テルミット
方法によって現場で製造した接合に欠陥をもたらすこと
になる。レール間の隙間内に鋼鉄を鋳込みする、幅広く
使用されているテルミット方法の効率性を著しく増加す
るには、レールの端部をフラッシュ突き合わせ溶接方法
によって接合し、レール間に電気が流されると同時にレ
ールの端部が共に強大な力で駆動される。これによっ
て、レールの端部が溶融して互いに圧力溶接される。こ
の方法は、接合の欠陥値を１０％未満に低下させること
ができる。しかし、フラッシュ突き合わせ溶接方法は、
製造施設おけるレール、すなわち、まくら木に固定され
ておらず、常置の水圧装置の力で相互に接合するレール
に最も適している。この幅広く用いられているテルミッ
ト方法の欠点を克服するために、フラッシュ突き合わせ
溶接方法に、現場で使用できるように改良が加えられ
た。しかしながら、水圧付加段階の最中にレールをのば
す必要があり、この段階では、片方または両方のレール
をまくら木から取外す必要があるため、溶接処理に要す
る時間はテルミット方法よりも相当に長くなってしま
う。また、溶接処理が始まったら、今度はこの手作業を
逆の順番で行わなければならないので、時間がかかって
しまう。

【０００８】レールのフラッシュ突き合わせ溶接はレー
ルの１部分を破損するため、溶接処理が終了してから後
に困難が生じる。また、溶接用の必要なレール材料を提
供するために、レールを部分的にレールと接しなければ
ならない。さらに、レール間に強力な圧力を付加するた
めに、水圧装置を遠隔地の現場へと移動しなければなら
ないのは非効率である。また、突き合わせ溶接方法は、
接合したレールの外周の周囲でフラッシュを生じてしま
うので、滑らかなレールを提供するため、また、使用時
に接合が圧縮されてしまうことを防ぐには、これをせん
断して研磨しなければならない。フラッシュ突き合わせ
溶接処理は、現場で作られた接合の欠陥値を劇的に減衰
させはするが、それでもやはりテルミット方法が使用さ
れる。この理由は、離間したレール間の隙間の周囲に鋳
型を設置するだけなので、実施時間が短くて済むためで
ある。この方法は、大型の水圧装置が不用であり、比較
的リーズナブルである。接合が失敗したら、テルミット
方法を再度実施することで欠陥値が検討される。これを
行う際に、レールの大部分を切断し、その空いた部分に
新規のレールを挿入しなければならない。その結果、失
敗したテルミット接合は、通常、２箇所の置き換えテル
ミット接合が必要であり、失敗する傾向にある。テルミ
ット方法が広く用いられているが、現場においてレール
を接合する何らかの方法が必要である。この方法は失敗
値が低いが、テルミット方法に相当する利点を備えてい
る。この必要性は長年にわたって存在してきた。エレク
トロスラグ、連続アーク溶接、浸水アーク溶接、または
これらの組合せのようなアーク溶接方法が断続的に実施
されてきた。しかし、非実用的に大型な装置を使用し、
溶接し、仕上げ研磨を施すまでに非常に時間がかかる上
に、許容可能な欠陥値が得られないため、これらの方法
はどれも失敗に終った。アーク溶接方法は、レール間の
隙間の低部において特に一致し難い。さらに、離間した
鉄道レールの端部を接合するためのアーク溶接を使用す
るためのこれらの過去の試みは、溶接の準備をし、実際
にその溶接方法を実施するのにコスト高であり、複雑な
装置を必要とし、相当な時間がかかってしまう。このよ
うな時間は、レール溶接の分野では許容されない。

【０００９】前述した私の特許と明細書に開示されてい
る溶接方法およびシステムは、先に述べた欠点と、従来
技術で発生した問題に取組み、また、基本的に、レール
を縦方向に相互に離間するによって接合する鋼鉄製レー
ル端部を提供し、その間に横方向にのびる隙間を画定
し、基部、ウェブ、頭部を供え、基部隙間内にバリア板
を配置し、これにより、バリア板と２本のレール間に電
機接触を提供し、溶接ガンを、充填金属電極がバリア板
と接触して開始アークを生じるまで、隙間内へと下方向
に移動することで開始するガスシールド電気アーク溶接
方法を用いて、基部、ウェブ、頭部隙間を溶融金属で充
填する。特に、前出の私の特許第５，７７３，７７９号
に開示された方法およびシステムに関連して、スプレー
移行アーク溶接方法を用いて、また、電極の隙間を横方
向に横断させると同時に、横方向への移動中に電極を縦
方向に振動させることでルート通路を敷設する。スプレ
ー溶接方法は、レールの基部の広い範囲において高い貫
通性と高温を得られるので有利である。スプレー移行方
法を用いてルート通路と次の数層が設置されると、電源
のスイッチがパルスアーク溶接方法へと切り替わり、再
び基部隙間の残部を充填するために追加の通路が形成さ
れ、電極を隙間の横方向に移動すると同時に電極を縦方
向に振動させる。隙間の充填剤がウェブ隙間の低端部の
範囲に接近すると、形作られた銅製シューを用いてウェ
ブ隙間と頭部隙間が包囲され、パルスモードのシールド
ガス溶接方法を継続することよってウェブ間の隙間が充
填される。再び、ウェブ隙間の充填において、隙間を横
切って電極が横方向に移動し、同時に縦方向に振動され
ることにより、溶融金属をシューと、ウェブ隙間を画定
するレールの端部とに対して散布する。ウェブ隙間内に
ビードを累積して置く際に、電極が、電極の振動以外は
線形である単一通路に沿って、横方向に対向する方向に
おいて連続的に移動する。私の特許第５，７７３，７７
９号の開示に従った、特に頭部隙間の充填に関連し、充
填材料のビードが、変位の横方向に対向する端部と、レ
ール頭部の中央部分とにおいて、溶接補強を提供する方
法で置かれ、そのため、次回の、レールと、レール上を
移動して、レール内、またその間の溶接接合した曲りく
ねった歪曲を生じ、機関車、列車、またはその他の車両
によって付加される強い力の使用中に、ウェブからの頭
部の垂直離間の保護が最良化される。特に、これに関し
て、垂直方向に連続した、互いに対向する方向にのびて
いるビードを生じる方法で、充填材料のビードが、各ビ
ード置きの開始時において遅延する溶接電極の動きによ
り、変位の横方向の外端部、頭部の中央部分、クラウン
部分の間で、横方向に対向する方向で、また、互いの上
に垂直方向に連続的に置かれる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、地面に敷設さ
れた鉄道レールのような鋼鉄製レールの離間した端部間
を接合するためにガスシールドアーク溶接を使用するた
めの改良された方法およびシステムに関し、この改良方
法およびシステムは、経済的、迅速、機械的且つ治金学
的に静かな技術を提供する。

【００１１】本発明によれば、接合する鋼鉄製レールの
端部の基部、ウェブ、頭部間の隙間を充填するための改
良された溶接フォーマットが得られ、このフォーマット
によれば、溶接処理のより優れた制御と改良された溶接
品質が得られる。従来通り、基部隙間内に鋼鉄製バリア
板が設けられ、レールが約９００°Ｆの温度に予熱さ
れ、ガスシールド電気アーク溶接方法によって、基部、
ウェブ、頭部隙間が溶融金属で充填され、ガスシールド
電気アーク溶接方法は、溶接ガンを、その充填金属電極
がバリア板と接触するまで下方向に移動することで開始
される。２本のレールは接地されており、バリア板がこ
れと係合して、バリア板とレール間の電気接触を提供す
る。心線電極はＬｉｎｃｏｌｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社製
の商品名Ｒａｉｌｗｅｌｄというものを使用することが
でき、また、電極は、アルゴン９５％、二酸化炭素また
は酸素５％の適切なシールドガスで遮蔽されている。電
極の金属は、必要な耐力強度を得るために、離間したレ
ールの金属と適合するものを選択し、また、前進する金
属芯電極の周囲には、標準の方法でガスシールドが設け
られる。従来と同様に、本発明はハイパフォーマンスの
デジタル制御された電力供給装置、例えば、定電圧スプ
レーアーク溶接方法と制御パルスアーク溶接方法の間の
迅速な切り換えが可能なＬｉｎｃｏｌｎ Ｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ Ｐｏｗｅｒｗａｖｅ ４５０電力供給装置を使用
する。

【００１２】本発明によればさらに、この独特の溶接フ
ォーマットは、スプレー溶接技術によって基部隙間内に
ルート通路を敷設し、基部隙間内に、パルス溶接方法で
始まり、スプレー溶接方法で終る形で第２層を設置し、
パルスアーク溶接方法で基部、ウェブ、頭部隙間の充填
を終了する。ルート通路のためのスプレー溶接方法は、
レールの基部の広い範囲において高い貫通性と高温を促
進し、本発明の１面によれば、電極を、１本の経路に沿
って基部隙間を往復させながら、同時に、電極を経路の
方向に対して横方向に振動させることによりルート通路
を敷設する。本発明の別の面によれば、ルート通路の最
後においてスプレー溶接方法からパルス溶接方法への迅
速な切り換えることで第２層ができ、１本のレールの端
面から隙間の対向する端部へと沿った側部を備えた矩形
通路に沿って電極を移動し、そこから、別のレールの端
面へと隙間を縦方向に進み、そこから該端面に沿って第
２層の始端部へと戻る。レールの基部、そして基部隙間
は長さが約１５．２４ｃｍ（６インチ）であり、第２層
の端部から好ましくは約５．０８ｃｍ（２インチ）の距
離で離れた位置にあり、第２層を完了するために方法を
パルス溶接からスプレー溶接へと迅速に切り換える。こ
のビードパターンと溶接方法により、消弧することなく
溶接金属を連続して置くことができ、隙間の片側に沿っ
て、次に隙間のもう片側に沿って第２層の溶接ビードを
置くのに要する時間により、ルート通路の終端部が適切
に硬化および冷却することができる。第２層の終わりの
約５．０８ｃｍ（２インチ）をパルス溶接からスプレー
溶接へと切り替えることで、ルート通路中央ライン結束
構造を改良する。この点で、ルート通路の終端部におい
て、溶接クレータができ、この溶接クレータ内で溶接金
属が外側の縁から中心にかけて硬化し、これによって、
いくらかの収縮が起こる。クレータの中心には大型の粒
子構造があり、収縮分離して溶接欠陥を生じる。スプレ
ー溶接方法はこのクレータ範囲に集中しており、ルート
クレータを再度溶融してあらゆる収縮範囲を充填し、粒
子構造を精製する深い貫通アーク（ｐｅｎｅｔｒａｔｉ
ｎｇ ａｒｃ）を有している。

【００１３】第２通路が完了すると、溶接方法がパルス
アーク溶接方法へと迅速に切り換わり、基部隙間の残部
が、矩形通路に沿って電極を連続的に移動することによ
って充填される。矩形通路は、レール端面に隣接した側
部を備え、隙間の対向する端部における側部間で終了し
ている。基部隙間内に第２層およびそれ以降の層を設定
する上で、電極が、矩形通路の側部と端部に沿ったその
移動方向に対して横方向に振動することが好ましい。基
部隙間の充填が完了すると、銅製シューが、ウェブ隙間
とヘッド隙間の対向する端部に配置され、これらの隙間
が、パルスアーク溶接方法によってその全体において充
填される。この点でさらに、ウェブ隙間は、電極を、隙
間内で垂直方向に隣接する通路に沿って反対方向に配置
すると同時に、電極を、通路に沿ったその移動方向に対
して横方向に振動させることによって充填される。次
に、頭部隙間が、電極を、上述したように矩形通路に沿
って連続的に移動し、好ましくは、電極を、通路の側部
と端部に沿ったその移動方向に対して横方向に振動する
ことによって充填される。頭部隙間の充填は、前述の私
の特許第５，７７３，７７９号に示し説明したビード構
造を目的とし、これを提供するためのものであり、ま
た、この目的のために、電極の動きが、矩形通路の、隣
接する側部と端部の間のどちらかの角において遅延す
る。

【００１４】好ましくは、鋼鉄バリア板は、前述の私の
同時係属出願特許明細書に説明した構造のものであり、
また、レール基部の下側部にクランプ止めされており、
基部隙間内に上方向にのびる中央分を備えている。バリ
ア板の下には熱絶縁要素が広がっており、銅製基部シュ
ーは上方に向かって開口したくぼみを備えている。この
くぼみは、絶縁要素を収容し、レール基部の下側部に対
して絶縁要素を係合させ、これによりバリア板が、基部
の底部に対して固定位置にクランプ止めされる。これに
よって、レールとバリア板間の優れた電気接触が確実に
得られ、絶縁要素、基部シュー、バリア板が、レール基
部の底部に対してユニットとして挿入可能な組立てを提
供する。基部シューと絶縁要素は、バリア板の側部をレ
ールの基部の下側部に対して係合させ、これによって、
予熱工程の最中にレールの拡張によるバリア板の歪曲ま
たは移動が防止され、同様に、ルート通路の敷設の最中
の溶接アークの前進による薄いバリア板の歪曲が防止さ
れる。

【００１５】基部隙間、ウェブ隙間、頭部隙間の残部を
敷設するためにパルスアーク溶接方法のみを使用するこ
とにより、溶接方法の制御を可能な限り高いレベルに維
持することができる。この点で、レールの余分部分を溶
融することなく、レールの端面を完全に溶融することが
でき、さらに、溶接パッドル内での望ましくない化学要
素の溶融を最小限に留めることができ、これにより、溶
接欠陥につながるこのような化学要素の濃縮を避けるこ
とができる。またさらに、電極を矩形通路に沿って移動
することにより、溶接の質を危うくすることなく、接合
するレール間の隙間の幅を変えることが可能になり、こ
こで、矩形通路がレール面に対するビード置きを調整す
ることが可能になる。

【００１６】本発明の主な目的は、鋼鉄レールをガスシ
ールドアーク溶接するための改良された方法およびシス
テムを提供することであり、該方法およびシステムは、
現場において迅速に実施することができ、また、欠陥値
が低い。

【００１７】本発明の別の目的によれば、本発明の方法
およびシステムで使用するガスシールドアーク溶接方法
を開始するために、離間したレール間の基部隙の底部内
に金属バリア板の概念を採用した、上述した改良された
方法およびシステムが得られる。

【００１８】本発明のさらなる目的によれば、溶接方法
により優れた制御を与える、鋼鉄製レールを接合する方
法およびシステムが得られる。

【００１９】本発明のまた別の目的によれば、基部隙間
内にルート通路と溶接金属の第２層を設置することで、
第２層が、ルート通路の端部におけるクレータを溶融し
て、クレータ内部で粒子構造を精錬し、あらゆる収縮範
囲を充填する深い貫通アークを提供する、鋼鉄製レール
を接合する方法およびシステムが得られる。

【００２０】また別の目的によれば、基部隙間の１部分
において、また、レール間の頭部隙間において、改良さ
れた溶接の質を提供し、溶接の質を危うくすることなく
レール間の隙間の幅を変えることが可能なビード置きフ
ォーマットを含む、鋼鉄製レールを接合する改良された
方法およびシステムが得られる。

【００２１】またさらなる目的によれば、レールのウェ
ブから頭部が垂直分離してしまうことを最適に保護する
ために、レール頭部の横方向に対向する端部において溶
接補強を提供する前出の特徴を備えた方法およびシステ
ムが得られる。

【００２２】本発明の別の目的によれば、溶接の強度
と、レールのヘッド間の隙間とを最適化する方法で鋼鉄
製レールを接合するための方法およびシステムが得られ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら本発明
の実施形態を詳細に説明する。図面は、本発明の実施形
態を例証することのみを目的とし、これを限定するもの
ではない。図１は、鉄道用地の路床Ｂに敷設された鉄道
レールＡを示し、ここには溶接して１本のレールを形成
するための接合するレール１０、１２が含まれている。
レール１０、１２はまくら木２０、鋼製支持キャップ３
０、スパイク３２によって路床Ｂ上に支持されており、
また、２本のレールは縦方向に離間しており、その間に
隙間ｇを画定している。この隙間ｇを、現場の２本のレ
ールを接合するための溶接金属で充填する。隙間ｇは、
修復すべき２本のレールの間の隙間であっても構わない
し、または、溶接して１本のレールシステムにするべく
予め取り付けた２本のレールの間の隙間であっても構わ
ない。隙間ｇが修復のためのものであれば、場合によっ
てはレールを切断して長いレールを新しく挿入する必要
がある。この処理は、破損したレール、破損した継手、
欠陥のある継手を修理するために使用される。全ての場
合において、２本のレール１０、１２は、一般に２．５
４ｃｍ（１．００インチ）の隙間ｇによって離間してい
る。隙間ｇは、レール１０、１２の方向に対して横方向
にのび、また、レールの横方向に対向する側部に、縦方
向に対向した２つの端部を備えている。図２は、標準的
な外形のまたは断面図のレール１０を示しており、該レ
ール１０は、かなり幅広く、レールに沿って通過する列
車の重量を支えるべくレールをまくら木２０上に支持す
る底部４２を備えた基部４０を設けている。基部４０
は、２つの上方向に向かって傾斜した頂部４４、４６を
備えており、該頂部４４、４６は、下すみ肉５２と上す
み肉５４を備えた垂直にのびるウェブ５０と合体してい
る。上すみ肉は、本体部分６２とレールクラウンとして
知られている上車輪支持面６４とを備える頭部６０と合
体する。上車輪支持面６４範囲は、円筒形リム７０とデ
ィスク７２を備えた回転する車輪Ｗを受け止める。円筒
形リム７０とディスク７２は、車輪が、レールに沿って
回転する際に頭部６０の左側へ移動してしまうことを防
止する。車輪と本体部分６２の側部との接触と、リム７
０と上面６４との連続した重量接触とを考慮すると、頭
部６０は、ブリネル硬さ計（Ｂｒｉｎｅｌｌ Ｓｃａｌ
ｅ）で計測したところ通常硬度であるブリネル硬さ３０
０で−６０〜＋４０であった。頭部が硬質であるため、
レールを形成している金属は、少なくともその頭部にお
いてかなり硬質の合金鋼でなくてはならない。隙間ｇを
充填するための充填金属に使用した合金鋼は、隙間ｇの
範囲におけるレール上部に沿った硬度を持つものであ
り、これは、本発明によるレール溶接の特性に見合うも
のである。

【００２４】図３〜図５、図８では、レール１０上の要
素に相当するレール１２上の要素を添字”ａ”を付けて
示している。これ以降、各々レール１０、１２から垂下
している銅製シュー（ｃｏｐｐｅｒ ｓｈｏｅｓ）ＳＨ
１、Ｓｈ２を示すのにも同様の方法を用いる。次に、図
３〜図８を参照すると、レール１０、１２の基部の底部
４２、４２ａの各々は横方向にのびる底端部１００を備
えている。この底端部１００は、図４、図５からわかる
ように、対応するレール基部の横方向に対向する端部間
の距離に相当する長さを備えている。図５〜図７で最も
よくわかるように、隙間ｇの横方向に向かってこの実施
形態によるバリア板Ｐがのびており、このバリア板Ｐ
は、縦方向に対向する端部１０２、端部１０２間にのび
る横方向に対向する側端部１０４、頂面１０６、傾斜部
１１０を備えた底面１０８を設けている。傾斜部の各々
は頂面１０６の下約０．１ｃｍ （０．０４０インチ）
の位置から、対応する側端部１０４に向かって、頂面に
対して約３０の角度で下方向且つ内方にのびている。横
方向に対向する側端部１０４は、レール基部間の隙間ｇ
の幅よりも幅広いバリア板を提供し、また、頂面１０６
の、側端部１０４の内側、バリア板の対向する端部の間
にはくぼみ１１２が設けられている。各くぼみ１１２
は、頂面１０６と平行した底壁１１４と、底壁１１４に
対して垂直で、対応する側端部１０４に対して平行な内
側壁１１６とを備えている。側壁１１６どうしは横方向
に離間し、中央部１１８を備えたバリア板を提供する。
図８に示すように、中央部分１１８は隙間ｇに受容され
る幅を備えている。また、図８でさらにわかるように、
くぼみ１１２は隣接するレール１０、１２の基部４０、
４０ａを部分的に受容する。各くぼみ１１２は、幅が約
０．０６３（０．１６ｃｍ）、深度が約０．０３０
（０．０７ｃｍ）であることが好ましい。

【００２５】これ以降に述べる目的のために、バリア板
Ｐの横方向に対向する側端部の各々は、バリア板Ｐの頂
面１０６と底部の傾斜部１１０との間にのびている、横
方向且つ外側に開口する通路１２２を備えている。通路
１２２の各々は、内壁１２４と縦方向に離間した端壁１
２６とを設けており、内壁１２４は、対応するくぼみ１
１２の内壁１１６と平行し、また、これと横方向且つ内
方に離間し、縦方向に離間した端壁１２６は内壁１２４
から横方向、外方に向かってのびている。通路１２２
は、横方向に向かって互いに、またバリア板の近接した
側の端部１０２と整列していることが好ましい。また、
通路１２２は、対応レール基部の底端部１００の末端の
内側に配置されるように、板の端部から内方に向かって
離間している。以降に述べる目的のために、図５に示す
ように、バリア板Ｐの両端部１０２間の長さはレール基
部の底端部１００の長さよりも長く、そのため、通路１
２２から端部１０２までのスペースは、通路を底端部１
００の外端から内側に間隔を持って配置するのに十分な
ものであることが好ましい。各通路１２２の長さは約
４．１４ｃｍ（１．６３インチ）、幅は約０．２６ｃｍ
（０．１０３インチ）であることが好ましい。

【００２６】この実施形態においてさらに、図８に最良
に示すように、セラミックタイルであることが好ましい
熱絶縁要素１２８が、バリア板Ｐの下、対向する両端部
の間に配置されており、バリア板の横方向範囲、また、
対応するバリア板１２０の側部１２０と重なった側部１
３０にわたって広がっている。さらに、銅製基部シュー
１３２は、上方向かって開口したくぼみ１３４を設けて
おり、このくぼみ１３４は熱絶縁要素１２８を収容し、
熱絶縁要素に横方向にわたって広がり、シューに、レー
ル１０、１２の底部４２、４２ａと係合する頂面１３６
を設ける。熱絶縁要素１２８は、バリア板Ｐの底面１０
８の下に広がり、これと係合する頂面１３８を提供する
形状であり、また、対応するレールの底面４２、４２ａ
の１つと、バリア板の側部１２０の横方向および外側に
向かって係合する球根状のカウンタを、対向する側部１
３０に設ける形状であることが好ましい。以降に述べる
理由のために、側部１３０のカウンタは、各ネイル底部
の下にポケット１４０を備えている。熱絶縁要素１２８
は基部シュー１３２内に設けられていることが好まし
く、次に、熱絶縁要素の上にバリア板Ｐが配置されて組
立を形成し、これが１つのユニットとして、離間したレ
ールの端部の下に配置され、これにより、バリア板がレ
ールの底部に関連して配置および固定されて優れた電機
接触を成し、また、構成部品の予熱中のバリア板の動き
や歪曲を妨げ、ルート通路を敷く最中のバリア板の動き
を妨げるべく、バリア板がレール間の基部隙間に関連し
て固定されていることが好ましい。

【００２７】図４に最良に示すように、シューＳＨ１は
頂部支持バー１４２を備えており、重銅ブロックから成
る下垂シューセグメント１４４、１４６がレールの頭部
に沿って滑動できるようになっている。頂部支持バー１
４２はさらに、シューセグメント１４４、１４６を相互
に整列させ、セグメント１４４のセグメント１４６から
の間隔を維持し、同様に、シューセグメントとレール部
分との間に隙間１４８を設ける。面１５０、１５２は、
レールの断面に向かってセグメント１４４、１４６と各
々内方に対向しており、また、隙間ｇにおけるシューＳ
Ｈ１、ＳＨ２の共同の滑動によって、レール１０、１２
の断面と同じ形状の空洞が生じるようにするために、レ
ールの１０のカウンタと一致する。重銅セグメント１４
４と１４６を組立てるためのボルト１５６、１５８と共
に、下垂シューを安定させるために整列ピン１５４が設
けられている。動作中、隙間ｇを開口してレールの低基
部において溶接を行えるようにするために、シューが図
３に示す位置へと移動する。その後、レール１０、１２
の、垂直方向にのびるウェブ部５０、５０ａの間と、頭
部６０、６０ａの間の各々の溶接を行えるようにするた
めに、両方のシューが移動して隙間を閉鎖する。基部シ
ュー１３２と側部鋳型シュー（ｓｉｄｅ ｍｏｌｄ ｓ
ｈｏｅ）ＳＨ１、ＳＨ２は冷却剤通路を備えており、溶
接処理中に、この冷却剤通路内を水のような冷却剤が循
環することが好ましい。これについて詳細に説明する
と、シューＳＨ１とＳＨ２に関連した図３、図４に最良
に示すように、シューＳＨ１の側部セグメント１４４、
１４６の各々と、シューＳＨ２の側部セグメント１４４
ａ、１４６の各々には、垂直方向にのびる冷却剤通路１
６０が設けられている。この冷却剤通路１６０は、流入
ライン１６４を介して該通路を冷却剤源（図示せず）と
つなぐための入口端部１６２と、戻りライン１６８を介
して冷却剤を冷却剤源へと戻すための出口端部１６６と
を備えている。基部シュー１３２に関連して、図３、図
５に最良に示すように、くぼみ１３４の基部の平面下に
あたるシューの部分には、部分１７０と１７２の間、部
分１７２と１７４の間の各々において、縦方向に離間お
よび平行している部分１７０、１７２、１７４と、接続
部分１７６、１７８の各々によって画定された蛇行状の
通路が設けられている。蛇行状の通路は、流入ライン１
８４と戻りライン１８６を介して通路と冷却剤源（図示
せず）を各々つなぐための入口端部１８０と出口端部１
８２を備えている。

【００２８】図８は、隙間ｇ内に配されたガス金属アー
ク溶接ガン１９０を示しており、溶接処理中に、この溶
接ガンから金属心電極１９２が連続的に発せられる（ｉ
ｓｓｕｅ）。ワイヤ電極は、Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ社製の“Ｒａｉｌｗｅｌｄ”という名称の電極
であることが好ましく、また、電極がガン１９０から下
方向に前進すると、バリア板Ｐと電極１９２の間にアー
クＣが発生する。標準のガスシールドアーク溶接技術に
よって、電極ガイド１９６の外周にのびる通路１９４か
らシールドガスＧが促進される。溶接ガン１９０は、直
径Ｘが約１．２７ｃｍ（１／２インチ）であり、上述し
たように、電極の直径は約０．１５ｃｍ（１／１６イン
チ）であり、レール１０、１２の対向する端部間の隙間
ｇの幅は約２．５４ｃｍ（１．００インチ）である。

【００２９】ここから後詳細に説明する溶接方法は、ま
ずレールを予熱することから始まり、次に、図８に示す
ように、電極を、隙間の中央の通路に沿って隙間ｇの１
端からもう１端へと移動することにより溶接材料の第１
またはルート通路層を敷く。電極を移動すると同時に、
図８に矢印１９８で示すように、通路に沿って、電極を
その移動の方向に対して横方向に振動させる。ルート通
路の敷設は、バリア板Ｐの長さかけて設けられた通路１
２２を備えたバリア板Ｐの端部から始まり、これによ
り、溶接熱が上昇しており、レールの底部に配置されて
いるバリア板の側部を溶融するのに必要な温度に達する
までの間に、初期段階において、ルート通路の始まり部
分での溶接材料の完全な貫通を確実にする。やはり図８
からわかるように、レール底部の下に設けられたポケッ
ト１４０によって、通路１２２を通過する溶融金属のた
めの空間が空き、さらに、溶接温度が側部１２０が溶融
するのに十分高い際に、バリア板の側部１２０の完全な
貫通が促進される。また、絶縁体１２８によって、アー
クによる銅製基部シュー１３２の貫通が防止される。こ
の方法で、基部シュー１３２が優れたヒートシンクを提
供し、同時に、絶縁要素１２８が、銅が溶接材料に混入
する汚染の可能性を防止する。この実施形態によればさ
らに、再び図５からわかるように、バリア板Ｐの対向す
る端部が、レール基部の関連する端部の横方向および外
方に向かって、好ましくは約０．６３ｃｍ（１／４イン
チ）の長さでのびており、また、レール基部の全長に沿
って質の高い溶接を確実に得るために、ルート通路の始
点、終点において各々溶接ランオン、ランオフ範囲を提
供する。溶接作業が終了したら、グラインディング等に
よって、ランオン、ランオフ範囲の余分な溶接金属を除
去することができる。レールの基部の広い範囲において
高い貫通性と高温を得るために、スプレー溶接技術によ
ってルート通路が適用される。溶接処理の最中、終始し
て基部シュー１３２内の冷却剤通路内を水のような冷却
剤が循環し、また、溶接金属の層がレールのウェブ部分
に接近すると、側部鋳型シューＳＨ１とＳＨ２が隙間を
封鎖する位置へと移動され、連続するシールドガス溶接
処理によってウェブギャップと熱ギャップが充填される
と、冷却剤が側部鋳型シューの構成部品内を循環する。

【００３０】次に、図９は、上述のバリア板Ｐの応用形
であるバリア板Ｐ１を示している。図９では、１２２Ａ
で示す、対向し、横方向に整列し、外方に向かって開口
した通路の対がＰ１に追加して設けられている。通路１
２２Ａは、板の関連する側部に沿って、通路１２２か
ら、また相互に０．６３ｃｍ（０．２５インチ）の空間
を空けて離間している。寸法を含むその他全ての面にお
いて板Ｐ１は板Ｐと同様であるので、図６、図９では同
様の部品には同様の参照符号を用いている。

【００３１】図１０は、本発明による溶接処理をレール
１０に関連して略図的に示したものである。これに関し
て特に、上述した高温と高い貫通性を得るために、ルー
ト通路Ｒが、以降に述べる定電圧スプレー溶接処理を用
いた方法で敷設される。以降に述べるように、パルスア
ーク溶接処理とスプレー溶接処理を用いて第２層Ｌが設
けられ、作業のパルスモードを用いて基部隙間ＲＢＧの
残部が設けられる。ウェブ隙間ＷＧとヘッド隙間ＨＧ
は、変位部分ＴＰと全幅部分ＦＷとを含んでおり、後に
説明するパルスアーク溶接処理を用いた方法で設けられ
る。

【００３２】次に図１１〜図１３を参照すると、これら
の図は各々、ルート通路Ｒの敷設、第２層Ｌの設置、基
部隙間ＲＢＧの残部の充填を略図的に示している。図１
１は、離間し、間に隙間ｇを設けたレール１０、１２を
示し、また、レールの基部４０、４０ａの底端部の下に
設けられたバリア板Ｐ１を示している。上述したよう
に、ルート通路Ｒの敷設は、通路１２２が貫通している
バリア板の端部から始まっているので、図１１では、電
極１９２がバリア板Ｐ１の終点部に示されている。バリ
ア板の上面は、アークをストライクするために使用さ
れ、その後、電極１９２が矢印２００で単一通路に沿っ
て、図にある位置から基部隙間の対向する端部へと移動
し、この移動の最中に、電極が、曲がりくねった曲線Ｏ
で示すように、移動の方向に対して横方向に振動する。

【００３３】上述したように、スプレーアーク溶接処理
を用いてルート通路が敷設されるが、電極１９２が、図
１２に示す電極１９２の位置によって示す、バリア板の
ルート通路が開始した端部と対向する端部に達すると、
溶接処理がスプレーからパルスモードに即座に切り替わ
る。次に、一般に矩形の通路に沿って電極を移動するこ
とにより、第２層が設けられる。この矩形通路は、レー
ルの隙間の端部から約２．５４〜１．９０ｃｍ（１〜３
／４インチ）の部分においてレールを横断するようにレ
ール１２の端面に向かって傾斜した端部２０２と、基部
隙間の対向する端部に向かう後端部面に沿ってのびる側
部２０４と、側部２０４から隙間ｇの中心へとのびる端
部２０６とを備えている。端部２０６において、溶接処
理がスプレーアーク溶接処理へと即座に戻り、電極が通
路の側部１０８に沿って移動して、電極の始点部の裏の
溶接継手の中央にビードを置く。レール基部の長さは、
レールの横方向に沿って約１５．２４ｃｍ（６インチ）
であり、また、図１２に曲がりくねった曲線Ｏで示して
いるように、電極１９２は、矩形通路の端部および側部
に沿って、その移動方向に対して横向きに振動すること
が好ましい。第２層の設置において、電極が通路の１側
部に沿って移動し、次に他方の側部に沿って通路の開始
端部へと戻ってくるのに要する時間内に、ルート通路の
終点部が適度に硬化および冷却することができる。さら
に、ルートビードの終点部はクレータ型であり、このク
レータ内で、溶接金属が端部から中央部にかけて硬化
し、そのためにいくらかの収縮が起こる。クレータの中
央における粒子構造は大きくてもよく、収縮して離間し
溶接欠陥を生じる。スプレーモードを用いた第２層の設
置が完了すると、第２層の終点部におけるビードが深い
貫通アークを有し、このアークがルート通路クレータを
再溶融し、いかなる収縮範囲をも充填し、粒子構造を精
錬する。

【００３４】第２層の設置が終了すると、次に、図１３
の電極１９２の位置によって示すように、溶接処理がパ
ルスモードへと即座にシフトし、基部隙間ＲＢＧの残部
が、矩形通路に沿って連続的に動く電極１９２によって
充填される。矩形通路は、第３層のためのみに、隙間ｇ
の中心から開始する端部２１２と、レール１０の端面か
ら隙間の別の端部に沿ってのびる側部２１４と、隙間の
後端部に位置し、側部２１４からレール１２の端面へ向
かってのびる端部２１６と、端部２１６からレール１２
の端面に沿ってのび、端部２１２の位置へと戻る側部２
１８とを順次的に備えている。再び、電極１９２は、曲
がりくねった曲線Ｏで示すように、矩形通路の端部と側
部に沿ったその移動方向に対して横方向に振動すること
が好ましい。電極１９２の連続した移動を、電極が矩形
通路に沿って右方向に移動することによって説明した
が、これと逆の方向に進んでもよいことが理解されるで
あろう。

【００３５】前述の方法で基部隙間の残部が充填される
と、ウェブギャップＷＧの充填剤を収容するために、銅
製シューＳＨ１、ＳＨ２が共に隙間ｇを閉鎖するべく移
動する。図１４〜図１６からわかるように、銅製シュー
が定位置にある場合、ウェブギャップが電極１９２を、
ウェブギャップの対向する端部間においてレール端部間
の方向に向かってのびる通路２２０に沿って逆方向に移
動させることによって充填される。パルスアーク溶接処
理を用いて、連続する溶接ビードが置かれ、また、図１
４の曲がりくねった曲線Ｏで示すように、電極１９２
が、通路２２０に沿ったその移動の方向に対して横方向
に向かって振動されることが好ましい。図１５に示すよ
うに、溶接ガンの合計振動変位と電極１９２の合計振動
変位は、図１４に示す通路２２０の中心位置からどちら
の方向に向かっても、各々、２．６ｍｍと１．３ｍｍで
ある。ガン１９０と電極１９２のこのような振動移動
は、シューＳＨ１、ＳＨ２の縦方向に対向した面の間の
鋳型充填材料２２４を提供する。

【００３６】さらに説明する溶接処理に関して、溶接ガ
ンと電極が、前述のレール基部の残部間の隙間内の通路
と、レールウェブ間の隙間内の通路に沿って、一定の速
度で移動し、これにより、これらの隙間内の溶接材料の
連続層が、その始点と終点の間に実質的に均一な垂直方
向の厚みを形成する。溶接処理がレールウェブ間の隙間
の上端部に達し、これにより、レール頭部の変位部分５
４間の隙間の低端部に達すると、パルスモードの溶接は
継続されるが、ビードを置く方法は変更する。図１７〜
図２２の説明で明白になるように、ビードは、レールの
面に沿った側部と、隙間端部に近接した端部とを備えた
通路に沿って電極を連続的に移動することにより、ま
た、継続的に置かれたビードの各々が、始端部を備えた
通路に沿った電極の移動を制御することにより、頭部間
の隙間内に置かれる。該始端部は、終端部よりも垂直方
向に厚く、頭部の横方向に対抗する端部の対応する１つ
とカンチレバー関係において配置される。

【００３７】まず図１９を参照する。図１９は、頭部隙
間の変位部分ＴＰの充填における電極の移動経路を示す
ものであり、頭部隙間の１端部と、レール頭部のうちの
１つの端面付近とに始点を有する矩形通路に沿って電極
１９２が連続的に移動する。図１９では、該始点は電極
１９２とガン１９０の実線部分で示されている。矩形通
路は、始点から１つのレール頭部の端面に沿った頭部隙
間の対向する端部へとのびる側部２２６と、側部２２６
の端部から別のレール頭部へとのびる端部２２８と、端
部２２８の端部から、別のレール頭部の端面に沿って頭
部隙間の第１端部へと戻る側部２３０と、側部２３０の
端部から通路の始点へと戻る端部２３２とを備えてい
る。曲がりくねった曲線で示すように、電極１９２は、
通路の側部と端部に沿って、その移動の方向に対して横
方向に振動することが好ましい。次に図１７を参照す
る。参照番号２３４が、レールウェブ間の隙間に設置さ
れた充填材料の最終ビードの上面であると仮定した場
合、レール頭部の変位位置間の隙間に置いた第１溶接ビ
ードＷＢ１が、通路の側部２２６に沿って置かれ、頭部
隙間の横方向に向かって対抗する端部２３６、２３８付
近に各々設けられた始点Ｓ１と終点Ｅ１を備えている。
さらに、ビードＷＢ１は、垂直方向の厚みが第２端部Ｅ
１よりも第１端部Ｓ１の方が厚く、図１８に示すよう
に、その第１端部に、隙間の外端部２３６からカンチレ
バー式に外方にのびる外端部ＣＬを備えている。ビード
の外形とカンチレバーされた端部が得られる方法が、図
１７と共に、図１８〜図２０から理解できる。この点
で、図１８、図１９に示すように、溶接ガン１９０と電
極１９２は、最初、矩形通路の始端部２３６付近に配置
されており、最終的に、隙間の端部２３８へ向かって側
部２２６に沿って、図１８、図１９の右側へと達する。
本発明によれば、溶接ガンと電極は、遅れるか（ｄｅｌ
ａｙｅｄ）、または所定の時間、通路２２６の側部の始
端部に保留され、これにより、アークＣの力が鋳型溶接
金属を始端部の横方向および縦方向に移動させる。前述
の方法によって溶接金属を広げる際に、アークは銅製シ
ューと接触しておらず、また、図１７〜図２０にあるよ
うに、溶融金属接触シュー１４６ａが溶接ビードの第１
端部上に表皮ＳＫを形成する。

【００３８】矩形通路の始端部では、所定の保持時間の
後、溶接ガンと電極が図１８、図１９に示す開始位置か
ら、図１７、図１９に示す終了位置Ｅ１へと予め設定さ
れた速度値で移動し、第１端部Ｓ１よりも第２端部Ｅ１
において垂直方向に細くなるように、開始地点での遅れ
と共に、先細りする溶接ビード外形を成す。溶融金属が
銅製シュー１４４ａに対して外側に溢れることができる
ように、矩形通路の側部２２６と端部２２８の間の角に
おいて電極の動きが所定の時間だけ遅延し、次に、電極
は、矩形通路の該端部と側部２３０の間の中心へと、端
部２２８に沿って移動する。ここで、電極の移動が再び
遅延して、溶融金属が銅製シュー１４４に対して外側に
溢れる。矩形通路の端部２２８と側部２３０間の角にお
ける電極１９２の位置が、第２溶接ビードＷＢ２の始端
部Ｓ２を画定し、これにより、ＷＢ１に関連して上述し
ているように、電極の遅延の結果として、鋳型充填金属
が第２溶接ビードＷＢ２の第１端部において蓄積し、図
２２に示すように、端部２３８の外側にのびるＷＢ２の
対応するカンチレバー端部ＣＬを提供する。遅延に続い
て、溶接ガンと電極が通路の側部２３０に沿って端部２
３６へ所定の移動値で戻り、これにより、第２ビードの
始端部における遅延と共に該移動が、溶接ビードＷＢ２
をその第１端部Ｓ２において、第２端部Ｅ２よりも垂直
方向に厚くする。矩形通路の側部２３０と端部２３２の
間の角において、電極１９２が再び所定の時間停止し、
その間に溶融金属が銅製シュー１４６に対して外方に溢
れ、次に、電極が端部２３２に沿って始点へと戻る。始
点において、電極が再び所定の時間停止し、その間に溶
融金属が銅製シュー１４６ａに対して外方に溢れ、ま
た、第３溶接ビードＷＢ２用の始端部Ｓ３が垂直方向に
厚くなる。該始端部Ｓ３は、図１９、図２１からわかる
ように、第１ビードＷＢ１の始端部の上に重なってい
る。次に、矩形通路に沿ったビード置き処理が繰返され
て、縦方向に隣接したビードを、頭部隙間の変位範囲内
にあるレール頭部の端面に沿って連続的に配置する。

【００３９】前述の方法で頭部隙間の変位位置ＴＰの充
填が完了すると、隙間の全幅部分ＦＷを充填するために
パルスアーク溶接処理が継続するが、溶接ガンと電極の
通路は、図８といくぶん類似した形状の図１９に示す矩
形通路から図２３に示す通路に変更される。この点で、
ガン１９０と電極１９２が、ガンと電極の実線位置によ
って示す隙間ｇの１端部における始点から、通路に沿っ
て連続的に移動する。該通路は、レールの１つの端面に
沿って隙間の対向する端部へとのびる側部２４０と、側
部２４０の端部から別のレールの端面に隣接する隙間の
１端部へともどる変位脚部２４２と、該端面に沿って隙
間の対向する端部へとのびる側部２４４と、側部２４４
の端部から通路の始点へと戻る変位脚部２４６とを備え
ている。この溶接配置パターンでは、溶着物をより平均
して冷却し、より均一に仕上げることができるので有利
である。図１９に関連して上述したビード置きパターン
を用いる場合、電極が、曲がりくねった曲線Ｏで示す通
路に沿って、その移動方向に関連して横方向に振動する
ことが好ましい。さらに、ガンと電極アークは、遅延す
るか、または通路の側部２４０の始端部において、ある
いは通路の方向が変更する角において、所定の時間保留
され、ガンと電極は、所定の速度値で、通路の側部およ
び変位脚部に沿って移動する。図８のビード置きパター
ンは、頭部隙間の全幅が充填されるまで維持される。

【００４０】図２１、図２２からわかるように、頭部隙
間の変位部分ＴＰ内に垂直方向に連続し、縦方向に近接
した溶接ビードが、一般にレール面どうしの間にある変
位範囲において重なり合い、垂直方向に近接する溶接ビ
ードの第２端部が隙間の中央で横方向に重なり合う。図
２１、図２２には示されていないが、ビードの断面と長
さの方向は、図２３に関連して上述した頭部隙間の全幅
にかけて置かれたビードのものと基本的に同一である。
図２２でさらに理解できるように、頭部隙間の横方向に
対向する端部の各々における変位および全幅範囲にある
溶接ビードの第１端部が、その下に置かれたビードに関
連してカンチレバーされ、これにより、下の置かれたビ
ードの支持を最良化し、頭部の変位と全幅範囲内にある
レールの横方向に対向した側部に沿った充填剤溶接の強
度を最良化する。同じように、レール頭部間の隙間の中
央およびクラウン部分にある、垂直方向に連続する全幅
の溶接ビードの第１端部は、その変位部分に沿ったもの
と同様に、レールの横方向に対向する端部において溶接
が強化し、また、頭部間の溶接の強度を最良化する。

【００４１】図１９、図２３に示した通路の各々の角に
おける電極の遅延時間または保留時間は、０．１〜１．
０秒間の間である。さらに、各角での遅延の後に、通路
の側部、端部、変位脚部に沿って、最高７６．２ｃｍ
（３０インチ）／分の速度で、また、２５４〜８１２．
８ｃｍ（１００〜３２０インチ）／分の溶接ワイヤ供給
値で、電極を移動することが好ましい。遅延時間、速
度、供給値によって、溶接ビードの形状が制御され、同
時に、優れた生産性と溶接の質が得られる。

【００４２】ここで述べた好ましい実施形態と、これに
関連する好ましいパラメータは相当強調されているが、
本発明の主旨を逸脱しない限り、開示した実施形態に多
くの変更を加えることが可能であることが理解されるで
あろう。従って、前述の説明は、限定としてではなく、
本発明の例証としてのみ解釈されるべきであることが明
確に理解できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】現場における接合を施せる状態の、レールが離
間して隙間を画定している鉄道線路を図的に示すもので
ある。

【図２】レールの端部の断面図であり、レール間の接合
の頭部における硬度を示す目的で車輪の一部が示されて
いる。

【図３】本発明の溶接方法を実施するために、離間した
レールを、バリア板、熱絶縁要素、基部シュー、側部鋳
型シューと関連させて示す側面図である。

【図４】図３の線４−４に沿って切った断面図である。

【図５】図３の線５−５に沿って切った、部分的に断面
的な平面図である。

【図６】バリア板の透視図である。

【図７】図６に示したバリア板の部分断面図である。

【図８】図５の線８−８に沿って切った断面立面図であ
り、ルート通路の敷設の最中の電極の位置を示すもので
ある。

【図９】別のバリア板構造を示す透視図である。

【図１０】本発明の好ましい実施礼において、定電圧ス
プレー溶接と、パルス溶接によって溶接された隙間の部
分を示すレールの端立面図である。

【図１１】ルート通路の始点にある電極の位置を示す略
図である。

【図１２】基部隙間内に第２層を設置する上で、電極が
移動する矩形通路の略図である。

【図１３】基部隙間内に溶接金属の残留ビーズを置く上
で、電極が移動する矩形通路の略図である。

【図１４】ウェブ隙間を充填する際の、電極の移動経路
を示す、部分によって断面的な、いくぶん略平面的な図
である。

【図１５】図１４に示した溶接ガンと電極の略図であ
る。

【図１６】図１４を右から左方向へ見た場合の、ウェブ
隙間内の溶接ガンと電極のいくぶん略立面的な図であ
る。

【図１７】レール頭部間の隙間を通し、本発明による頭
部の変位部分間の隙間における充填材料のビード置きを
示した、拡大断面立面図である。

【図１８】図１７に示したビードの左側端部に関連し
て、ビードの始端部における溶接電極の保留を示す拡大
詳細図である。

【図１９】頭部隙間の変位範囲に充填材料のビードを置
く上での、電極が移動する矩形通路を示す略図である。

【図２０】図１９の線２０−２０に沿って切った図１９
におけるビードの始端部を示す拡大断面立面図である。

【図２１】本発明に従い、図１９の線２１−２１に沿っ
て見られる、頭部隙間内に置かれたビードの断面立面図
である。

【図２２】本発明に従って置きビーズにより充填するレ
ール頭部の変位部分間の隙間を示す、溶接されているレ
ール間の隙間を通して見た断面立面図である。

【図２３】 頭部の全幅部分において充填材料のビード
を置く上での、電極の移動通路を示す略図である。

【符号の説明】

１０，１２ レール ２０ まくら木 ３０ 鋼製支持キャップ ３２ スパイク ４０、４０ａ 基部 ４２、４２ａ 底部 ４４、４６ 頂部 ５０、５０ａ ウェブ ５２，５４ 下すみ肉 ６０、６０ａ 頭部 ６２ 本体部分 ６４ 上車輪支持得面 ７０ 円筒形リム ７２ ディスク １００ 底端部 １０８ 底面 １２２Ａ 通路 １２８ 熱絶縁要素 １３２ 銅製基部シュータ １３４ くぼみ １３６、１３８ 頂面 １４２ 頂部支持バー １４４、１４４ａ、１４６、１４６ａ 下垂シューセグ
メント １４８ 隙間 １５０、１５２ 面 １５４ 整列ピン １５６、１５８ ボルト １６０ 冷却通路 １６２ 入口端部 １６４ 流入ライン １６６ 出口端部 １６８ 戻りライン １７０、１７２、１７４ 部分 １７６、１７８ 接続部分 １８０ 入口部分 １８２ 出口部分 １８４ 流入ライン １８６ 戻りライン １９０ ガン １９２ 金属心電極 １９４ 通路 １９６ 電極ガイド １９８、２００ 矢印 ２０２、２０６、２１４、２１６、２１８ 端部 ２０４、２１２ 側部 ２２０ 通路 ２２４ 溶融充填材料 ２２６、２３０ 側部 ２２８、２３２ 端部 ２３４ 最終ビードの上面 ２３６、２３８ 端部 ２４０、２４４ 側部 ２４２、２４６ 変位脚部 Ａ 鉄道レール Ｂ 路床 Ｃ アーク Ｇ シールドガス ｇ 隙間 Ｏ 曲りくねった曲線 ＳＨ１、ＳＨ２ 銅製シュー Ｐ バリア板 Ｐ１ 通路の対 ＣＬ 外端部 Ｅ１ 第２端部 Ｅ２ 第２端部 Ｓ１ 第１端部 ＳＫ 表皮 ＷＢ１ 第１溶接ビード ＷＢ２ 第２溶接ビード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｅ０１Ｂ 11/50 Ｅ０１Ｂ 11/50 // Ｂ２３Ｋ 101:26 Ｂ２３Ｋ 101:26 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/038 B23K 9/095 505 B23K 9/12 350 B23K 9/173 E01B 11/50 B23K 101:26

Claims (38)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低基部と、垂直にのびるウェブと上頭部
   とを有する鋼鉄製レールの端部をガスシールドアーク溶
   接する方法であって、前記レールが、基部隙間を設ける
   べく縦方向に離間し、横方向にのびる端面と、前記レー
   ルを接合するために鋼鉄で充填するウェブ隙間と頭部隙
   間とを有し、前記基部隙間、ウェブ隙間、頭部隙間の各
   々が、互いに対向する端部を有し、前記方法が、前記基
   部隙間、前記ウェブ隙間、前記頭部隙間を、ガスシール
   ド電機アーク溶接処理によって、充填金属電極からの鋳
   型鋼鉄で充填する段階を有し、前記頭部隙間の前記充填
   が、前記頭部隙間の端部に沿ってのびている通路に近接
   しながら、前記電極を継続的且つ連続的に移動させ、前
   記通路は、前記頭部隙間の対向する端部に始端部と終端
   部とを有し、前記通路の各始端部において前記電極を移
   動する際、前記電極の移動を所定の時間遅延させた後、
   移動するように構成したことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記時間が約０．１〜１．０秒間である
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記電極を、前記通路に沿ってその動き
   の方向に対して横方向に振動（符号Ｏ）させることを特
   徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記電極を、前記通路に沿ってその動き
   の方向に対して横方向に振動させることを特徴とする請
   求項１又は２に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記電極を、前記縦方向にのびる通路に
   沿って移動させることをさらに有し、前記通路がその間
   に角を有し、また、各々の前記角において、前記電極を
   移動させる際、所定時間遅延させた後、前記電極を移動
   させることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の
   方法。
6. 【請求項６】 前記通路の終端部の１つから別の始端部
   へ前記電極を移動する段階と、前記通路の各々の終端部
   における前記電極の移動を所定の時間だけ遅らせる段階
   とをさらに有することを特徴とする請求項1〜５の何れ
   かに記載の方法。
7. 【請求項７】 前記頭部隙間が変位部分と全幅部分とを
   有し、前記通路の終端部と始端部の間で前記通路に沿っ
   て前記電極を移動することにより前記変位部分を充填
   し、前記通路の終端部と始端部の間を斜めに突っきる通
   路に沿って電極を移動することにより前記全幅部分を充
   填することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の
   方法。
8. 【請求項８】 前記電極を２５４〜８１２．８ｃｍ（１
   ００〜３２０インチ）／分で供給しながら、前記電極を
   垂直方向に供給する段階をさらに有することを特徴とす
   る請求項1〜７の何れかに記載の方法。
9. 【請求項９】 前記電極を、前記通路に沿って、最高約
   ７６．２ｃｍ（３０インチ）／分の速度値で移動する段
   階をさらに有することを特徴とする請求項１〜８の何れ
   かに記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記頭部隙間の前記充填が、パルスア
    ーク溶接処理であることを特徴とする請求項１〜９の何
    れかに記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記基部隙間の前記充填が、スプレー
    移行アーク溶接処理によって前記基部隙間内に鋳型鋼鉄
    のルート通路を敷設する段階と、 パルスアーク溶接処理により部分的に前記基部隙間内に
    鋳型鋼鉄を設けると共に、また部分的にスプレー移行ア
    ーク溶接処理によって、前記基部隙間内に鋳型鋼鉄を設
    けることで、鋳型鋼鉄の第２層を設ける段階と、 前記基部隙間の残部を充填する段階と、 を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記
    載の方法。
12. 【請求項１２】 前記基部隙間が互いに対向する端部分
    を有し、 前記ルート通路の敷設が、前記電極を前記対向する端部
    分の１つから他の端部分へ移動するものであり、 前記第２層の設置は、前記電極を、前記隙間の前記対向
    する端部分間で第１方向に向かってのびる第１通路に沿
    って移動させ、パルスアーク溶接処理により前記第１通
    路に沿って第１ビードを設置し、更に、前記電極を前記
    第１方向と対向する方向の前記第２通路に沿って移動さ
    せ、前記第２通路が、前記第１通路と隣接しており、ス
    プレー移行アーク溶接処理によって第２ビードを前記第
    ２通路に沿って設置することを特徴とする請求項１１に
    記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記第１通路が前記基部隙間の中央に
    あることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】 パルスアーク溶接処理によって、前記
    ウェブ隙間を鋳型鋼鉄で充填することを特徴とする請求
    項１〜１３の何れかに記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記基部隙間の残部の充填は、縦方向
    にのびる側部通路と、前記側部通路間に延びる通路とか
    らなる矩形通路に沿って、前記電極を連続的に移動さ
    せ、 前記ウェブ隙間で前記充填する際は、前記電極を前記ウ
    ェブの長手方向に沿って移動させることを特徴とする請
    求項１〜１４の何れかに記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記電極を、前記基部隙間、ウェブ隙
    間、頭部隙間におけるその移動方向に対して横方向に振
    動することを特徴とする請求項５〜１５の何れかに記載
    の方法。
17. 【請求項１７】 各々が低基部と、垂直にのびるウェブ
    と上頭部とを有する鋼鉄製レールの端部をガスシールド
    アーク溶接する方法であって、前記レールが、基部隙間
    を設けるべく離間した横方向にのびる端面と、前記レー
    ルを接合するために鋼鉄で充填するウェブ隙間と頭部隙
    間とを有し、前記頭部隙間が、変位部分と全幅部分を有
    し、前記隙間の各々が横方向に対向した端部を有し、前
    記方法が、前記基部隙間と、前記ウェブ隙間と、前記頭
    部隙間の前記変位部分と全幅部分とを、ガスシールド電
    極アーク溶接処理によって、充填金属電極で充填する段
    階を有し、 前記頭部隙間の変位部分を充填する際、前記頭部隙間の
    前記端部の１つと隣接した第１場所において前記電極を
    所定の時間だけ保留し、次に、前記電極を、前記第１場
    所から、前記頭部隙間の前記端部に隣接した第２位置へ
    移動させることで、前記端部の１つに第１端部を有し、
    前記１端部から離間した第２端部を有する充填金属の第
    １ビードを置き、前記第１ビードの前記第１端部の垂直
    方向の厚みが前記第２端部の垂直方向の厚みよりも厚く
    形成され、前記電極を所定の時間だけ前記第２位置に保
    留し、次に前記電極を前記第２位置から、前記対向する
    別の端部に隣接する第３位置へ移動させることで、前記
    電極を前記第３位置において所定の時間だけ保留し、次
    に前記電極を前記第３位置から、前記対向する別の端部
    に隣接する第４位置へ移動させることで、前記対向する
    別の端部に第１端部を有し、前記第１端部から離間した
    第２端部を有する充填金属の第２ビードを置 き、前記第
    ２ビードの第１端部の垂直方向の厚みが前記第２端部の
    垂直方向の厚みよりも厚く形成され、前記電極を前記第
    ４位置に所定の時間だけ保留し、次に前記電極を前記第
    ４位置から前記第１位置へと縦方向に移動し、更に、前
    記充填金属の前記第１、第２ビードを置く段階を、前記
    頭部隙間の前記変位部分が充填されるまで繰返すことを
    特徴とする方法。
18. 【請求項１８】 前記頭部隙間の前記全幅部分を充填す
    る際、前記電極を前記第１位置において所定時間だけ保
    留し、次に前記電極を前記第１位置から前記第２位置へ
    と横方向に移動し、前記電極を第２位置において所定の
    時間だけ保留し，次に前記電極を前記第２位置から前記
    第４位置へ移動し、前記電極を第４位置において所定の
    時間だけ保留し、次に前記電極を前記第４位置から前記
    第３位置へと横方向に移動し、前記電極を前記第３位置
    において所定の時間だけ保留し、次に前記電極を前記第
    ３位置から前記１位置へ移動し、前記頭部隙間の前記全
    幅部分が充填されるまで、前記第１、第２、第４、第３
    位置の間の前記電極の移動段階を繰返すことを特徴とす
    る請求項１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 前記所定の時間が０．１〜１．０秒間
    であることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の方
    法。
20. 【請求項２０】 前記電極が、最高７６．２ｃｍ（３０
    インチ）／秒の所定の速度で移動することを特徴とする
    請求項１７〜１９の何れかに記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記電極を、前記電極の移動の方向に
    対して横方向に振動させる段階をさらに有することを特
    徴とする請求項１７〜２０の何れかに記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記電極を、２５４〜８１２．８ｃｍ
    （１００〜３２０インチ）／分で供給しながら、前記電
    極を垂直方向に供給する段階をさらに有することを特徴
    とする請求項１７〜２１の何れかに記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記頭部隙間の前記変位部分と前記全
    幅部分の前記充填が、パルスアーク溶接処理によるもの
    であることを特徴とする請求項１７〜２２の何れかに記
    載の方法。
24. 【請求項２４】 スプレー移行アーク溶接処理によっ
    て、前記基部隙間内に鋳型鋼鉄のルート通路を敷設する
    段階と、前記基部隙間内に鋳型鋼鉄の第２層を 、始めに
    パルスアーク溶接処理によって、次にスプレー移行アー
    ク溶接処理によって設置する段階と、前記基部隙間の残
    部を、パルスアーク溶接処理によって鋳型鋼鉄で充填す
    る段階とを有することを特徴とする請求項１７〜２３の
    何れかに記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記基部隙間が横方向に対向する端部
    分を有し、前記ルート通路の敷設が、前記電極を前記対
    向する端部分の一方から他方への移動し、前記第２層の
    設置が、前記電極を前記隙間の前記対向する端部分間に
    横方向にのびる側部路を備えた実質的に矩形の通路に沿
    って移動し、前記通路が始端部と終端部とを有し、前記
    第２層の第１部分を、前記始端部から前記終端部から離
    間した位置まで、パルスアーク処理によって連続的に設
    置し、第２部分を、前記終端部から離間した位置から前
    記終端部まで、スプレー移行アーク溶接処理によって設
    置することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記終端部から離間した位置が、前記
    通路の前記始端部と前記終端部の間のほぼ中間にあるこ
    とを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記ウェブ隙間を、パルスアーク溶接
    処理によって鋳型鋼鉄での充填することを特徴とする請
    求項１７〜２６の何れかに記載の方法。
28. 【請求項２８】 前記基部隙間の前記残部の充填は、横
    方向にのびる側部通路と、前記側部通路間に縦方向にの
    びる通路とを備えた矩形通路に沿って、前記電極を連続
    的に移動させ、 前記ウェブ隙間で充填する際は、前記電極を前記ウェブ
    の長手方向に沿って移動させることを特徴とする請求項
    １７〜２７の何れかに記載の方法。
29. 【請求項２９】 各々が、基部、垂直にのびるウェブと
    上頭部を有するレールをガスシールドアーク溶接する方
    法であって、前記レールが、前記レールを接合するため
    のガスシールド電極アーク処理によって、充填金属電極
    からの鋳型鋼鉄で充填するための基部隙間、ウェブ隙
    間、頭部隙間を設けるために離間した横方向にのびる端
    面を有し、前記基部隙間が、底部及び前記ウェブ隙間を
    接合するための頂部接合を有し、前記方法が、スプレー
    移行アーク溶接処理によって、前記基部隙間内に鋳型鋼
    鉄のルート通路を敷設する段階と、前記基部隙間内に鋳
    型鋼鉄の第２層を、始めにパルスアーク溶接処理によっ
    て設置し、次にスプレー移 行アーク溶接処理によって設
    置する段階と、前記基部隙間の残部、前記ウェブ隙間、
    前記頭部隙間を、パルスアーク溶接処理によって鋳型鋼
    鉄で充填する段階とを有することを特徴とする方法。
30. 【請求項３０】 前記基部隙間が、互いに対向する端部
    分を有し、前記ルート通路の敷設が、前記電極を前記対
    向する端部分の１つから他の端部分への通路に沿った移
    動を有し、前記第２層の設置は、前記対向する端部分間
    において、前記電極を、横方向に延びる側部通路を備え
    た実質的に矩形の通路に沿った移動によりなされること
    を特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 【請求項３１】 パルスアーク処理により、前記第２層
    の第１部分を、前記矩形通路の一方の通路に沿って連続
    的に設置し、スプレー移行アーク溶接処理により、前記
    第２層の第２部分を前記矩形通路の他方の通路に沿って
    設置することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 【請求項３２】 前記矩形通路の前記他方の通路が、前
    記基部隙間間の中間にのびていることを特徴とする請求
    項３１に記載の方法。
33. 【請求項３３】 前記基部隙間の残部の前記充填が、レ
    ール端部に沿って延びる通路と、前記レール端部に沿っ
    て延びる通路間に延びる通路とを備えた矩形通路に沿っ
    て、前記電極を連続的に移動させるものであり、前記ウ
    ェブ隙間の充填が、前記電極を前記ウェブの長手方向に
    沿って移動させるものであり、前記頭部隙間の充填が、
    前記レール端部に沿って延びる第１側部通路と、前記第
    １側部通路間に延びる通路とを備えた矩形の第１通路に
    沿って前記電極を連続的に移動し、次に前記電極を、前
    記レール端部に沿って延びる第２側部通路と、前記第２
    側部通路間を斜めに通過する斜行部分とを備えた第２通
    路に沿って移動するものであることを特徴とする請求項
    ２９〜３３の何れかに記載の方法。
34. 【請求項３４】 前記第１および第２通路は、隣接する
    通路間に角部を有し、前記角部において、前記電極の移
    動を所定の時間、遅延させることを特徴とする請求項３
    ３に記載の方法。
35. 【請求項３５】 前記所定の時間が０．１〜１．０秒間
    であることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 【請求項３６】 前記電極を、前記第１および第２通路
    に沿って移動させる 際、前記電極の移動方向に対して横
    方向に振動させる段階をさらに有することを特徴とする
    請求項３３〜３５の何れかに記載の方法。
37. 【請求項３７】 前記電極を、前記第１および第２通路
    に沿って、最高７６．２ｃｍ（３０インチ）／分の速度
    値において移動する段階をさらに有することを特徴とす
    る請求項３３〜３６の何れかに記載の方法。
38. 【請求項３８】 前記電極を、前記基部隙間、前記ウェ
    ブ隙間、前記頭部隙間の残部の充填において、２５４〜
    ８１２．８ｃｍ（１００〜３２０インチ）で供給しなが
    ら、前記電極を垂直方向に供給する段階をさらに有する
    ことを特徴とする請求項２９〜３７の何れかに記載の方
    法。