(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に溶着金属によってボンド線をテルミット溶接する工程と、
溶着金属の外側に位置する母材表面を凹状に塑性変形させる工程とを含むことを特徴とする残留応力を低減した母材への溶着金属の溶接方法。
【請求項２】
前記母材表面における前記凹状に塑性変形させる溶着金属の外側の位置は、溶着時に溶融する溶融部の外側に形成される熱影響部のさらに外側である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記母材は、耐磨耗性向上のために熱処理を施したレール用材料であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶着金属は、実質的に銅からなることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記塑性変形工程は、先端がドーム状の先端工具で母材を打撃する工程を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記塑性変形工程は、前記溶接工程の後に実施することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記母材は鉄道用のレールであり、前記溶着金属はボンド線の端部を収容してレールとボンド線を電気的に接続することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
ワイヤの端部を収容するとともに母材と溶着した溶着金属を有し、母材表面であって溶着金属の周縁部に凹状の塑性変形領域が形成されていることを特徴とするワイヤと母材との溶着ブロック接合。
【請求項９】
溶着領域の周囲に熱影響領域が形成され、その周囲に前記凹状の領域が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の溶着ブロック接合。
【請求項１０】
前記母材は耐磨耗性を向上させるために熱処理を施したレールであることを特徴とする請求項９に記載の溶着ブロック接合。
【請求項１１】
前記溶着金属は銅を主体とするものであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の溶着ブロック接合。
【請求項１２】
前記溶着領域と熱影響領域には実質的に圧縮応力が残留していることを特徴とする前記請求項９ないし１１のいずれかに記載の溶着ブロック接合。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、母材と溶着金属の溶接方法に関し、特に、母材に溶着金属を溶接した後に残留する応力を低減して、母材および溶接継ぎ手部の疲労強度を向上させる溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、鉄道用レールのボンド線の溶接を例に従来技術の概要を説明する。
図１は、鉄道用レールの継ぎ目部分を模式的に示したものである。犬釘１１０によって、枕木１２０に固定されたレール１００は、隣接するレールとの間に熱膨張を許容するための所定の空隙１３０を有しているが、ボンド線１４０によって電気的には相互に接続されている。これは、レール１００は、電車の駆動電流と制御信号用の回路としても使用されているためである。
【０００３】
図２は、ボンド線１４０の取り付け部近傍を拡大して示した斜視図である。図示した例では、ボンド線の端部１５０は、レール１００のウエブに、溶着金属１６０によって溶接されている。溶着金属１６０をレール１００のウエブに溶接する工程は、レール１００の敷設後に現場で行われる。当該溶接を行うための工法には、低温ろう溶接、アーク溶接、等各種の方法があり、多くの手順が提案されているが、中でも、銅テルミット溶接は、溶接部の接合強度が高く、高度な技能を必要としないことから近年盛んに使用されるようになっている。
【０００４】
テルミット溶接とは、母材の表面近傍でアルミニウムと酸化銅（または酸化鉄）の混合粉に点火して、その化学反応によって生じた熱によって銅（または鉄）と母材の一部を溶融して溶着を行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、テルミット溶接は、簡便でかつ高強度を実現できる溶接方法であるが、溶接部近傍に残留応力が残り、このために疲労強度が低下することが有る。例えば、三木他による「溶接止端部改良による疲労強度向上法」溶接学会論文集、第１７巻、第１号にも記載されているように、溶接継ぎ手部の疲労強度を向上させるためには、溶接止端部における応力集中を低減させること、および溶接により生じる引張残留応力を低減することが効果的であることが知られている。また、これらの応力緩和方法として、同論文には、ＴＩＧ処理、グラインダー処理と併せて、ハンマーピーニング処理がある程度の効果を相することが紹介されている。
【０００６】
ハンマーピーニング処理とは、溶接部をハンマーで打撃して母材を塑性変形させ、その変形に伴って生じる押圧側の残留応力によって、溶接時の引張残留応力を緩和し、結果的に溶接による疲労強度の低下を縮小するものである。同論文にも掲載されているように、ハンマーピーニング処理は残留する引張応力が最も高いと考えられる溶接外縁部に打撃を加える。ハンマーピーニング処理によって、疲労強度はある程度向上するが、逆にハンマーピーニング処理によって母材に生じたキズを基点に疲労亀裂が伸展することが報告されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、多くの溶接試験と残留応力測定、疲労試験に基づき、図３に模式的に示すように、溶接による溶融部３１０を取り囲む熱影響部３２０の外縁近傍に引張応力ＳＴが残留しており、この引張応力ＳＴが疲労強度の低下と亀裂３３０の発生とに密接に関係していることを発見した。また、残留引張応力が最も高い熱影響部の外縁部ではなく、溶着金属の周縁部近傍を押圧（あるいはピーニング）して凹状の塑性変形を生じさせることによって残留引張応力を有効に開放させることができ、溶接による疲労強度の低下を防止することができることを発見した。
【０００８】
そこで、発明者らは、母材に溶着金属を溶接する工程と、母材表面であって溶着金属の周縁部近傍を凹状に塑性変形させる工程とを含む残留応力を低減した母材への溶着金属の溶接方法を提案する。当該方法によれば、溶着金属の周縁部近傍に形成した凹状の塑性変形によって溶着金属の周囲縁部近傍に生じた特に放射方向の引っ張り応力を圧縮応力に変換して、疲労破壊を遅延させることができる。
【０００９】
特に、上記溶接をテルミット溶接によって行った場合、図３に模式的に示したように、母材の溶融部と熱影響部は溶着金属の下に隠れているので、熱影響部の周縁部を直接押圧あるいはピーニングすることができない。本発明は、母材表面であって溶着金属の周縁部近傍、たとえば、溶着金属を取り巻くように外側の母材表面を打撃すればよいので、このような状況においてもなんら支障なく適用できる方法である。
【００１０】
また、凹状の塑性変形を形成するにあたって、先端がドーム状の先端工具で母材を打撃することによって、疲労亀裂の基端となる鋭利な溝を作らないようにすれば、疲労強度を一層向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
図４は、テルミット溶接装置の一例を示す概念図である。るつぼの機能を兼ねる本体４００の凹部４１０には、以下に述べるテルミット剤４２０とそれを覆うように点火剤４３０とが入れられる。初期の状態では、凹部４１０の底は、スチールディスク４４０で塞がれており、その下には、湯道４５０が下方にのびている。
【００１２】
点火剤４３０に点火することによって、テルミット剤４２０に以下に示すような燃焼反応が起き（銅テルミット溶接の例を示す）、このときの発熱によって、テルミット剤４２０を構成する金属成分を溶融する。
２Ａｌ＋３ＣｕＯ  →  ３Ｃｕ＋Ａｌ２Ｏ３＋ΔＱ（発熱）
同時にスチールディスク４４０も溶融して、溶融金属は湯道４５０を通って、下方に流出する。したがって、湯道４５０の出口部４６０に、出口部４６０塞ぐように、溶着すべき、例えばボンド端子部４７０と母材を密着させておけば、溶融金属はこれらを一部溶融させて最終的には、ボンド端子部４６０を含む溶融金属（例示の場合は銅を主体とする合金）が母材に溶接される。
【００１３】
実際のテルミット溶接時には、母材研磨、予熱、溶接材料等の取付、テルミット剤の点火と燃焼、本体の取り外し、スラグ除去、整形等の作業が必要になるが、これらは当業者にとっては既知であるので詳細な説明は省略する。
【００１４】
表１は、短尺のレールを母材として溶融金属の溶接を行い、そのまま残留応力を測定したものと、本発明に基づく方法を適用して、凹部の形成には先端がドーム状の先端工具予用いて母材を打撃した後に残留応力を測定した結果を示すものである。測定に用いたひずみゲージの貼付位置と方向を図５に示す。
【００１５】
【表１】
銅テルミット溶接後、そのまま残留応力を測定した場合と本発明に基づき応力解放処理（打撃力普通）を実施した場合の比較
0003619168.tif 000002
【００１６】
表１に示す、銅テルミット溶接を行ったのみで本発明に基づく応力解放処理を実施していない場合は、特に溶接部を中心とした放射方向（Ｃ方向）の引張応力成分（正の数値）が大きく、周方向にも引張応力が表れている。これに対して、本発明に基づく銅テルミット溶接後に応力解放処理を行った場合は、放射方向と周方向の残留応力が、ほとんどすべて圧縮応力に置き換わっていることがわかる。つまり、この試験結果は、本発明による方法によって、溶接の残留応力が有効に解放され、逆に溶接部周辺に圧縮の残留応力が残ることを示している。
【００１７】
さらに、本発明に基づく溶接方法によって耐磨耗性を向上させるために熱処理を行ったレール材を母材（ＨＨ３４０）として溶着金属の溶接を行った供試体に対して、表２に示す条件で疲労試験を実施し、亀裂の発生等の状況を観察した。
【表２】
0003619168.tif 000003
【００１８】
疲労試験の結果、目視によって亀裂の発生が認められないことが確認された。
【００１９】
以上の試験結果は、大きな疲労強度低下をきたす可能性があると考えられている耐磨耗性熱処理を施したレール材（ＨＨレール）とテルミット溶接との組み合わせにおいても、本発明を適用することによって十分な疲労強度が確保できることを示すものである。ちなみに、表２に示した疲労試験の条件は、鉄道用レールに対して長期間の使用を通じて課される繰り返し応力条件に設計用の安全率を掛けたものであり、本発明を適用した溶接部が現実の設計条件を十分に満たすことを示すものである。
【００２０】
以上、本発明の好適な実施例について図面を参照して具体的に説明したが、図面および上記の説明は例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】レールの継ぎ目部分の斜視図。
【図２】ボンド線の取り付け部近傍を拡大した斜視図。
【図３】溶接部近傍を模式的に示す断面図。
【図４】テルミット溶接装置の概念図である。
【図５】残留応力測定のためのひずみゲージの位置を示す図である。
【符号の説明】
１００・・・鉄道用レール
１４０・・・ボンド線
１６０・・・溶着金属
３１０・・・溶融部
３２０・・・熱影響部
３３０・・・亀裂
４００・・・本体
４１０・・・凹部
４２０・・・テルミット剤
４３０・・・点火剤
４４０スチールディスク
４５０・・・湯道
【図１】
0003619168.tif 000004
【図２】
0003619168.tif 000005
【図３】
0003619168.tif 000006
【図４】
0003619168.tif 000007
【図５】
0003619168.tif 000008