JP4869773B2

JP4869773B2 - レールのフラッシュバット溶接方法

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Publication number: JP4869773B2
Application number: JP2006117642A
Authority: JP
Inventors: 健一狩峰; 俊介深見; 秀郎鳥取
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007289970A

Description

本発明は、レール溶接部のHAZ軟化を抑制し、レールの偏摩耗を低減することができるレールのフラッシュバット溶接方法に関するものである。

フラッシュバット溶接は鉄鋼材料の溶接方法として広く普及している。その特徴として、自動化が可能であり、品質の安定性が高いこと、溶接時間が短い、などの長所を有することが挙げられる。

フラッシュバット溶接方法の原理を、図５の各図を用いて説明する。まず図５（ａ）に示すように、対向して設置された被溶接材料に電極を介して電圧をかけて、被溶接材料の端面間にアークを発生させて被溶接材の端面を溶融させる。このとき、図５（ｂ）に示すように、被溶接材の端面にアークが発生して、系外にフラッシュとして放出されるという過程が繰り返され、次第に材料は溶けていく。端面間にアークが発生すると、アーク発生部分は、局部的に溶かされてクレータと呼ばれる凹みが発生する。また、溶接は大気雰囲気で行われるため、溶融金属部には多量の金属酸化物が生成する。溶接端面は最終的に全面が溶融した状態となる。また、溶接部近傍の材料は温度上昇により軟化する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、軸方向のアップセット加圧が行われる。このアップセット加圧により、被溶接材は互いの端面にて接合する。このとき、端面に形成されていたクレータによる凹凸はつぶされて変形し、溶融金属は系外に排出される。また、軟化した溶接面近傍の材料は、アップセット時の塑性変形により断面が増大してビードが形成される。このビードは後工程において熱間せん断などにより除去される。

このようなフラッシュバット溶接方法は溶接が自動化されており、溶接時間が2〜4分と短く、溶接能率が高いため、レール分野においても工場溶接法として多く採用されている。また、装置をコンパクト化して、軌道における現地溶接としても利用されている。

従来のレールフラッシュバット溶接技術として、特許文献１において、制御装置と各ユニット半体が締結シリンダにより枢動運動で互いの方向に移動可能な一対の締結挟持部を備える、２つのユニット半体を有する溶接ユニットが開示されている。また、特許文献２では、ケーシングとその中を直線的に移動可能なキャリジとを有する溶接機構造が開示されている。これらは溶接機本体の構造に関する発明である。
特開２００３−２６０５６７号公報特開平０６−２２６４５４号公報

上記したようにフラッシュバット溶接は加熱により材料端面を溶かした後、溶融面を加圧密着させてお互いの材料を接合する技術である。鋼材は室温から融点まで加熱するまでの昇温過程と、その後の冷却過程を経るため、金属組織に変化が生じる。溶接に伴う被溶接材の組織、硬度の変質域は熱影響部、HAZと呼ばれる。

レール鋼は炭素（C）を多量に含み、パーライト組織を呈している。パーライト組織は炭素をほとんど含まないフェライトと呼ばれる純鉄相と、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄（Fe₃C）の層が交互に緻密に重ねあわされた層状構造を呈している。パーライトが生成する過程では変態エネルギーがフェライトとセメンタイトの界面エネルギーに変換されるため、このような層状組織が形成される。

パーライトの温度上昇による変化過程は以下のとおりである。１．室温から500℃まではパーライト組織は変化しない。２．550℃を越えると、層状組織の界面エネルギーを減らす方向の構造の変化、すなわちセメンタイトの分断、球状化から始まる。温度が上がるほど、セメンタイトの球状化は進む。３．レール鋼の場合、720℃付近からフェライト組織がオーステナイト組織に変態し始める。その結果、金属中にフェライト、球状化したセメンタイト、オーステナイトの三相が共存する温度域が存在する。４．さらに温度が上昇すると、フェライトもしくはセメンタイトのいずれかの相が消失し、オーステナイトと球状化セメンタイトもしくはオーステナイトとフェライトの２相組織となる。５．さらに温度が上昇すると、オーステナイトの単相組織となる。６．さらに温度が上昇し、融点（固相線温度）を超えると、オーステナイト組織中に溶融相が生成する。７．さらに温度が上昇すると完全に溶融する。

溶接では溶接端からの距離に応じて、最高到達温度が異なる。すなわち溶接端面では融点以上に達するが、十分に遠方では室温のままである。材料には最高到達温度に従って、上記１〜７のいずれかの組織変化が生じる。具体的には、溶接端から十分遠方の部分から、溶接端に近づくにつれて、１．パーライト域（無変化）→２．球状化セメンタイト域→３．オーステナイト、フェライト、球状化セメンタイトが共存する3相域→４．オーステナイトとフェライトもしくはオーステナイトと球状化セメンタイトの2相域→５．オーステナイト単相域→６．溶融域の存在するオーステナイト域→７．完全溶融域、となる。

これらの組織は、溶接の加熱プロセスが終了すると、冷却により、それぞれの組織から温度低下に応じた組織変化が生じる。また、その組織変化に応じて硬度分布が生成する。硬度分布は組織、成分によって異なるが、ここでは重荷重鉄道用の、母材硬度Hv390レベル高強度レールの場合を例に挙げる。

１．パーライト域（昇温過程で組織変化を受けない部分）は冷却後も元の組織と変らない。
２．球状化セメンタイト域において、球状化セメンタイトはそのままの状態で冷却され、室温でも球状化組織を呈する。球状化セメンタイト組織の硬度は低く、Hv300程度である。最高到達温度が上がるに従って、球状化が進むため、溶接点に近いほど軟化する。
３．オーステナイト、フェライト、球状化セメンタイトが共存する3相域は温度低下に伴い、オーステナイトがパーライトに変態するが、球状化セメンタイトはそのまま室温まで冷却される。最高到達温度が上がるに従って、オーステナイト相率が増え、冷却後にパーライトとなる分率が増加するため、溶接点に近いほど硬度は回復していく。球状化セメンタイト組織の硬度は低く、Hv300程度である。
４．フェライトとオーステナイト、もしくはオーステナイトとセメンタイトの2相域は、冷却時にオーステナイトがパーライト組織に変態する。最高到達温度が上がるに従って、オーステナイトの分率が増加し、冷却後にパーライトとなる分率が増加するため、溶接点に近いほど硬度は回復していく。
５．オーステナイト単相域においては、オーステナイトがパーライト組織に変態する。ほぼ硬度は一定となる。
６．溶融相が存在するオーステナイト域においては、まず液相が凝固してオーステナイトになるため、オーステナイト単相になり、その後、パーライト組織に変態する。ほぼ硬度は一定となる。
７．溶融域は、まず凝固してオーステナイト単相になり、その後、パーライト組織に変態する。ほぼ硬度は一定となる。

いずれの温度域から冷却された部位でも、最終的にはフェライトとセメンタイトの組織となる。フェライトとセメンタイトの層状組織は母材と同じパーライトである。上記２〜３の領域は球状化したセメンタイト組織が含まれるため、その分率に応じて硬度変化が生じる。溶接部近傍の温度、高温時の組織、冷却後の組織を模式的に図６に示す。HAZ軟化の定量的な規定方法として、母材硬度に比べ、ある値以上軟化している軟化幅と、最低硬度を評価指標とすることがある。以下、母材硬度よりビッカース硬度でHv50以上低下している幅を軟化幅と呼ぶことにする。

上記したように、レール溶接部においてHAZには硬度が低下している部分（ＨＡＺ軟化域）が生じる。HAZ軟化域における硬度低下が著しいと、レールの頭部における車輪の通過により、HAZ軟化域での偏摩耗が進み、騒音振動の原因となることがある。また、偏摩耗が大きくなると、車輪通過時にレールへの衝撃が大きく、レールの疲労破壊の原因となる場合がある。
本発明はレール溶接部のHAZ軟化を抑制し、レールの偏摩耗を低減することができるレールのフラッシュバット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題の対策として、レール頭部におけるHAZ幅を減少して、軟化域を小さくし、レールの偏摩耗を抑制するものである。その具体的方法は、以下の通りである。
（１）レールとの接触面が少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ前記頭頂面と接触する部分の厚みが１０ｍｍ以上の当て金を、該当て金のレール端面側の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。

（２）レールとの接触範囲が、前記レールの断面内において少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ前記頭頂面と接触する部分の厚みが、レール頭部の厚みに対して２０％以上の当て金を、該当て金の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。

（３）前記当て金に水冷配管を設けたことを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載のレールのフラッシュバット溶接方法。

（４）レールとの接触範囲が、前記レールの断面内において少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ水冷配管が設けられた当て金を、該当て金のレール端面側の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。

当て金を装着してレール溶接を行うことで、レール頭部が溶接時に冷却されるため、HAZの幅が狭まって硬度の低下幅が小さくなる。その結果、頭部における車輪との接触による偏摩耗が減少し、列車の騒音振動の低減、レール寿命の延伸をはかることができる。

本発明の実施形態に係るレールのフラッシュバット溶接について、詳細に説明する。このフラッシュバット溶接では、対抗して配置されるレールそれぞれの端面近傍に、レール頭頂部を冷却するための当て金を取り付ける。次いでレールに電極を介して電圧をかけて、レールの端面間にアークを発生させて被溶接材の端面を溶融させる。次いで軸方向のアップセット加圧を行い、レールを端面にて相互に接合する。溶接時において、レール頭頂部のうち端面近傍の領域は当て金によって冷却される。このため、従来と比較してレール頭部のHAZの幅が狭まり、硬度の低下幅が小さくなる。

鉄道レールでは、軟化幅は車輪とレールの接触領域程度より小さければ、偏磨耗は起こりにくいと言われている。車輪とレールの接触領域は15ｍｍ程度と考えられることから、母材硬度からHv50以上低下した軟化幅は15ｍｍ以下となることが望ましい。本実施形態によれば、母材硬度からHv50以上低下した軟化幅を15ｍｍ以下にすることができる。
以下、当て金の構造及びその装着位置について詳細に説明する。

図１は、レールの断面図である。本図において、１はレール頭部、２はレール柱部、３はレール足部を示している。本実施形態においてレール頭部１及びレール足部３を以下のように定義する。まず、図４のレール断面において、頭部１の下面１ｄを延長した場合に互いに交わる点を交点Ａと定義し、交点Ａを通る水平線Ａ１−Ａ２（すなわち足部３の底面と平行な線）より上部に位置する部分を頭部１とする。また、足部３の上面３ａを延長した場合に互いに交わる点を交点Ｂと定義し、交点Ｂを通る水平線Ｂ１−Ｂ２（すなわち足部３の底面と平行な線）より下部に位置する部分を足部３とする。なお、柱部２は、頭部１及び足部３それぞれ以外の部分と定義する。

また、本実施形態において、レールの中心軸Ｃ１−Ｃ２を含む曲率半径が50ｍｍR〜600ｍｍRと大きく、ほぼ水平に近い部分１ａを頭頂面（センター付近では３００ｍｍＲ以上）と呼び、頭部側面のほぼ鉛直の、直線部分１ｂを頭側面と呼ぶ。また、頭頂面と頭側面のつなぎの、曲率半径が７ｍｍＲ〜１３ｍｍＲと小さい部分１ｃをゲージコーナーと呼ぶ。

図２は本発明の頭部冷却用の当て金を装着した鳥瞰図である。図３は当て金装着位置での断面図、図４は当て金を装着した状態を側面から見た図である。頭部冷却用の当て金4はレール頭部1を上側から覆う略「コ」の字型であり、自重によりレールに乗っている。当て金4の材質は金属であるが、熱伝導性が高い銅、銅合金、アルミ、アルミ合金が望ましい。当て金4は被溶接レールの双方に装着する必要がある。図に示した形態では、当て金4は溶接機本体から独立して装着するようになっているが、溶接機本体が自動で当て金4をレールに装着する形態であっても良い。

当て金４の先端位置と溶接前のレール端面との距離L2（図４参照）が、50ｍｍを越えると、頭部を冷却する効果が弱くなる。一方、20ｍｍ未満に近づけると、溶接時のアップセットの際にレール材の変形の支障となるため好ましくない。このため、距離L2は２０ｍｍ〜５０ｍｍであるのが好ましい。

また当て金４のレール軸方向の長さL1が、15ｍｍ以内ではレールを冷却する効果が弱く、レールとの密着が不完全となりやすいため好ましくない。なお、長さL1には上限はないが、200ｍｍ以上になると、装着する労力が大きくなるため、装着機構を装置化することが望ましい。

また、当て金４の頭部の厚みT1（図３参照：図３の例では頭部のうち最も薄い部分）、頭側部の厚みT2（図３参照）が薄い場合には冷却能が弱くなるため、本発明の目的を達することが難しくなる。車輪との接触が最も過酷であるレール頭頂部およびゲージコーナー部において、硬度の低下を抑制することが本発明の目的であることから、特にレール頭頂面からの冷却が重要である。このため、当て金４がレール頭頂面と接触する部分の厚みT1が重要であり、T1が少なくとも10ｍｍ以上又はレール頭部の厚みの２０％以上、望ましくは25mm以上又はレール頭部の厚みの５０％以上であることが望ましい。当て金４の頭側部に接する部分は当て金をレールに装着した際の安定性を得るのがその主な目的であり、厚みT2の重要性は小さい。なお、レール頭部の厚みは、例えば図１に示すＡ点と頭頂面との距離である。

レール頭部を冷却するためには、当て金は広く頭部をカバーしていることが望ましい。少なくとも車輪との接触が起こる頭頂部に当て金が接触していることが望ましい。また、当て金は少なくとも、溶接のフラッシング工程の期間中、装着しておくことが望ましい。

なお、当て金４に水冷配管を取り付けても良い。この場合、当て金４によるレール頭部の冷却効果は大きくなる。このため、当て金４の頭頂部の厚みＴ１は、上記した値より薄くても良い。

次に、本発明の実施例を説明する。
当て金形状、材質、装着位置を表１に示す種々の条件に変化させて溶接を行い、当て金の効果を確認した。表２はその各因子の具体的な組み合わせと溶接結果を示す。なお溶接に使用したレールは、米国ＡＲＥＭＡ規格のレールサイズ136Lｂｓ、高強度熱処理レール（熱処理部硬度Ｈｖ410）を使用した。レール断面形状は、レール高さ185.7ｍｍ、足幅152.4ｍｍ、柱厚さ17.5ｍｍ、頭幅74.6である。当て金を装着した溶接ではいずれも、当て金4をレール頭頂部1a、ゲージコーナー部1ｃ、頭側部1ｂに装着したが、レールと当て金が接触している領域は様々である。

また溶接条件は、溶接のフラッシング時間は約3分間であり、レール溶融量は約10ｍｍ、アップセット荷重は55ｔｆとした。アップセット加圧によるレール間の収縮量は約16ｍｍであった。

当て金の効果の評価は、レール溶接部の表面硬度の測定によって行った。硬度測定位置は溶接中心から5ｍｍピッチで両側100ｍｍとした。硬度はHAZの軟化領域における母材硬度よりHv50以上低下している長手方向の幅と、最低硬度を評価指標とした。母材硬度よりHv50以上低下している長手方向の幅は狭いほど好ましい。一般に、軟化幅は車輪とレールの接触領域程度以下であれば、偏磨耗は起こりにくいと言われている。車輪とレールの接触領域は15ｍｍ程度と考えられることから、母材硬度からHv50以上低下した、すなわちHv340以下の軟化幅が15ｍｍ以下となることを目標とした。また、最低硬度は母材硬度よりHv100以上低下しない、すなわちHv290を下回らないことを目標とした。
また、当て金による冷却効果を確認するために、溶接部近傍、すなわち溶接前のレール端面から20ｍｍの位置の頭頂面中央に熱電対を装着して温度測定を行い、アップセット直前の最高到達温度を調べた。

溶接番号1は比較例であり、銅製の厚さ5ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv340以下の範囲は23ｍｍ、最低硬度は262であった。溶接近傍の頭頂面温度は1002℃であった。レール頭部を当て金で冷却しているものの、当て金の厚みが薄いため、冷却効率がわるく、頭部の温度上昇により、硬度低下が顕著であることが示された。

溶接番号2は比較例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ10ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は20ｍｍ、最低硬度は261であった。溶接近傍の頭頂面温度は950℃であった。レール頭部を当て金で冷却しているものの、当て金の長さが短いため、冷却効率がわるく、頭部の温度上昇により、硬度低下が顕著であることが示された。

溶接番号3は本発明の実施例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は7ｍｍ、最低硬度は305であった。溶接近傍の頭頂面温度は710℃であった。頭部を適正な形状の当て金で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号4は本発明の実施例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ180ｍｍの当て金4を、当て金４の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金４は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金４は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は12ｍｍ、最低硬度は312であった。溶接近傍の頭頂面温度は705℃であった。頭部を適正な形状の当て金で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号5は当て金4を用いないで溶接した比較例である。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は26ｍｍ、最低硬度は264であった。溶接近傍、頭頂面温度は1010℃まで上昇しており、硬度低下が顕著であることが示された。

溶接番号6は比較例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金４の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が15ｍｍの位置にセットした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金４は２本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は11ｍｍ、最低硬度は318であった。なお、溶接近傍の頭頂面温度は６２０℃であり、頭部を適正な形状の当て金で溶接部の極めて近い位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が十分に抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。しかしながら、冷却位置が本発明が適正範囲とする位置より溶接位置に近すぎるため、アップセット時のレール変形により、セットしていた当て金がレールから外れて脱落した。

溶接番号7は本発明の実施例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金４の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が45ｍｍの位置にセットした。当て金４は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金４は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は13ｍｍ、最低硬度は299であった。溶接近傍の頭頂面温度は740℃であった。頭部を適正な形状の当て金４で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号8は比較例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金４の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が60ｍｍの位置にセットした。当て金４は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は19ｍｍ、最低硬度は286であった。溶接近傍の頭頂面温度は960℃であった。頭部を当て金で冷却しているものの、当て金４の装着位置が本発明が適正とする範囲より遠いため、冷却効率がわるく、頭部の温度上昇により、硬度低下が顕著であることが示された。

溶接番号9は本発明の実施例であり、アルミニューム製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が45ｍｍの位置にセットした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は10ｍｍ、最低硬度は302であった。溶接近傍の頭頂面温度は750℃であった。頭部を適正な形状の当て金で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号10は本発明の実施例であり、ステンレス鋼製（SUS-304）の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金４は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は14ｍｍ、最低硬度は320であった。溶接近傍の頭頂面温度は８３０℃であった。頭部を適正な形状の当て金で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号11は本発明の実施例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4に銅製の水冷配管をロウ付けにより取り付けて、冷却能をさらに高めた。レールへの装着位置は、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置とした。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は6ｍｍ、最低硬度は334であった。溶接近傍の頭頂面温度は560℃であった。頭部を、適正な形状で水冷を加えた当て金で、適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇がさらに抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号12は本発明の実施例であり、軟鋼（ＳＳ４００）製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4に銅製の水冷管をロウ付けにより取り付けて、冷却能をさらに高めた。当て金は装着断面において、頭頂面、ゲージコーナー、及び頭側面に接している。レールへの装着位置は、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置とした。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は7ｍｍ、最低硬度は328であった。溶接近傍の頭頂面温度は680℃であった。当て金が適正な形状で、しかも水冷を加えた当て金で、適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇がされに抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号13は本発明の実施例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金は頭頂面及びゲージコーナーに接している。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は13ｍｍ、最低硬度は310であった。溶接近傍の頭頂面温度は825℃であった。頭部を適正な形状の当て金で適正な位置を冷却しているため、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられていることが示された。

溶接番号14は比較例であり、銅製の厚さ30ｍｍ、長さ50ｍｍの当て金4を、当て金の端面と溶接前のレール端からの距離Ｌ２が30ｍｍの位置にセットした。当て金は頭頂部の1/2しか接していない。当て金は2本の被溶接レールに対称に取り付けた。硬度測定の結果、硬度Hv350以下の範囲は17ｍｍ、最低硬度は275であった。溶接近傍の頭頂面温度は950℃であった。頭部を当て金で冷却しているものの、当て金によるカバー範囲が本発明が適正とするものより狭いため冷却効率が弱く、頭部の温度上昇が大きく、硬度低下が顕著であることが示された。

以上、レールをフラッシュバット溶接するにあたり、適正な形状の当て金を用いて適正な位置を冷却することにより、頭部の温度上昇が抑えられ、硬度低下が小さく抑えられることが示された。

レール部位を示すレール断面図実施様態を示す鳥瞰図実施様態を示す断面図実施様態を示す側面図フラッシュバット溶接の原理を示す図溶接部の組織、硬度変化を示す模式図

符号の説明

1 レール頭部
1a レール頭頂部
1b レール頭側部
1c レールゲージコーナー部
2 レール柱部
３レール足部
４当て金
５上電極
６下電極

Claims

レールとの接触面が少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ前記頭頂面と接触する部分の厚みが１０ｍｍ以上の当て金を、該当て金のレール端面側の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。
レールとの接触範囲が、前記レールの断面内において少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ前記頭頂面と接触する部分の厚みが、レール頭部の厚みに対して２０％以上の当て金を、該当て金の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。
前記当て金に水冷配管を設けたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のレールのフラッシュバット溶接方法。
レールとの接触範囲が、前記レールの断面内において少なくとも前記レールの頭頂面を含んでおり、前記頭頂面における接触範囲のレール軸方向の長さが１５ｍｍ以上２００ｍｍ未満であり、かつ水冷配管が設けられた当て金を、該当て金のレール端面側の先端が溶接前のレール端面から２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内に位置するように装着し、溶接される側のレール端面から順に前記当て金、電極を配置した状態で、前記レールに前記電極を介して電圧をかけて前記レールをフラッシュバット溶接することにより、溶接の際に前記レールの頭部を前記当て金により冷却し、母材硬度からＨｖ５０以上低下した軟化幅を１５ｍｍ以下とすることを特徴とするレールのフラッシュバット溶接方法。