(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部同士を対向させた二つのレールの接合部を、その両側から分割鋳型で囲み、組み立てられた状態で内部にキャビティ部を有し、該キャビティ部に溶融金属を流し込みテルミット溶接する際に使用するレール溶接用鋳型において、
該レール溶接用鋳型の内面に設けた余盛り形成凹部の両止端部間の幅を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅と同じ又は該溶け込み幅より１０ｍｍの範囲で小さくしたことを特徴とするレール溶接用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレール突き合わせ溶接部を応力集中による破壊から防止することができるレール溶接用鋳型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レールのテルミット溶接については、例えば、特公昭５９−８４７７号公報に、レールのテルミット溶接方法及び同方法に好適に用いることができる鋳型が提示されている。この方法は、所定の隙間を有して相対向して配置されたレールの端部をレール幅方向に左右に分割された鋳型によって囲み、上部からテルミット法によって製造された溶融金属をキャビティ部内に注入して、前記レール同士を接合するようにしたものである。
また、特公昭６０−５４１４５号公報に、鋳型の構成部材間の接触面に耐火性圧縮フェルト帯状体を設ける方法が提示されており、鋳型キャビティ部内に注入された溶接用の溶融金属が鋳型とレールとの接触面の隙間より漏れ出ることのないように、密封状態にしてレールを接合するようにしている。
ところで、溶接すべきレールの一方が使用中であり、他方は新品である場合には、両レールの天端を合わせるために両レールの足の位置が合わなくなる。従って、場合によっては、最大７ｍｍ程度の段差が生ずる。この場合、前記した特公昭５９−８４７７号公報及び特公昭６０−５４１４５号公報に示すように、二分割型の鋳型を使用して溶接を行なったのでは、接合するレールの上下面と鋳型の内側上下面との間に上下方向の隙間ができる。また、レールにも小さな製造誤差もあり、これによってもレールの外面と鋳型の内面との間に隙間が生ずる。そして、この隙間は、溶融金属が漏出して鋳張りを生じさせる原因となるので、モルタル又は粘土状の耐火物の圧入や詰め込みにより、この発生を防止しようとしてきたが、溶融金属の浸透する限界気孔径は３０μｍといわれており、隙間をそれ以下にすることは困難であった。その結果、鋳張りがしばしば発生し、接合部の疲労強度の低下を招くという問題があった。
【０００３】
かかる問題を解決するため、本発明者らは、特開平５−２６１５９６号公報において、鋳型の底部を分割した上で、レールを中心として対向して分割された鋳型をさらにレール方向にそれぞれ２分割して、即ち、レール幅方向と長さ方向に４分割して上鋳型群を構成し、分割した上鋳型群の少なくとも下部及び底鋳型に線状突起部を設けたレール溶接用鋳型を提示した。
このレール溶接用鋳型１０の構成を図７に示す。
図示するように、レール溶接用鋳型１０は、対向するレール１１、１２の接合部を囲む分割上鋳型群１３と、この分割上鋳型群１３の底部に配置される下鋳型１４と、上部の注湯口１５に装着されるキャップ１６とから構成される。そして、前記分割上鋳型群１３は、対向するレール１１、１２の中心面と、該レール１１、１２の接合面とによって４分割された上鋳型１７〜２０からなっている。
前記上鋳型１７〜２０及び下鋳型１４の内側には、装着されるレール１１、１２の接合部に溶融金属が注入されるキャビティ部２１が設けられ、該キャビティ部２１の内面には余盛り形成凹部２１ｃが設けられ、レール１１、１２の接合部の補強を行なうことができるようになっている。
【０００４】
また、耐火物からなる上鋳型１７〜２０の下部の前記余盛り形成凹部２１ｃの外側には一定の幅を有する線状突出部２１ａが設けられ、しかも、その外側に開先２１ｂが設けられている。そして、使用に際しては、該線状突出部２１ａがレール１１、１２の腹部側面、足表面及び足先部、さらに必要に応じてレール１１、１２の頭部顎下部（頭部下面）に当接し、前記開先２１ｂに塑性材Ｆ（図１０参照）を充填できるようになっている。
そして、前記上鋳型１７〜２０を組み合わせた場合、その両側中央に空気孔２２、２３が形成され、該空気孔２２、２３の底部は、内側のキャビティ部２１と細い連通孔２４、２５（図８参照）を介して接続され、注湯時にキャビティ部２１の内部に溜まる空気が円滑に抜けるようになっている。
下鋳型１４は、同じく耐火物からなって、表面中央に前記接合部に対応して余盛り形成凹部２６を有し、その線状突出部２６ａ（一定幅を有する）は、さらに、その外側に開先２６ｂを備えている。そして、分割上鋳型群１３と下鋳型１４を組み立てた場合には、前記線状突出部２６ａがレール１１、１２の底部及び上鋳型１７〜２０の底部に線接触によって当接してシールを形成し、更には、前記開先２６ｂに塑性材Ｆを充填することによって、前記線接触当接によるシールが上鋳型１７〜２０の表面粗さなどによって不充分であっても、外部に湯漏れを生じないようにバックアップしている。
【０００５】
かかる構成によって、分割上鋳型群１３がレール１１、１２の中心面方向のみでなく、接合面方向にも分割されているので、図９に示すように隙間Ｇを開けて連設したレール１１、１２間にわずかな寸法差があっても、高さ方向で調整して分割上鋳型群１３をレール１１、１２に合わせることができ、溶融金属Ｍをキャビティ部２１内に注入硬化した際、鋳張りが発生するのを減少でき、鋳型の製造も容易になる。また、レール溶接用鋳型１０は、レール１１、１２及び隣合う鋳型とのシール方法を、上、下鋳型１３、１４間及び上鋳型１７〜２０間の接合を線状突出部２１ａ、２６ａを介して行い、更に、その外側に開先２１ｂ、２６ｂを設けて組立後に塑性材Ｆを充填できるようにしたので、この面からも鋳張りが減少でき、これによって応力集中等の発生が少ないレール１１、１２の溶接接合が可能となった。
また、本出願人は、特開平６−３１２６０９号公報において、上記したレール溶接用鋳型１０において用いる塑性材Ｆとして加熱膨張する耐火目地材を用い、上鋳型群１７〜２０及び隙間発生部のシール性を向上させることを提示した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、レール１１、１２と分割上鋳型群１３及び下鋳型１４間及び上鋳型１７〜２０間の隙間に生ずる鋳張りの発生は防止できるようになったが、上記したレール溶接用鋳型１０は、未だ、以下の解決すべき課題を有していた。
即ち、一般に、レール１１、１２のテルミット溶接部のレール長手方向の縦断面内の溶融金属Ｍと母材であるレール１１、１２の境界、即ち、溶融金属Ｍの溶け込み状態は、図８及び図９に示すようになる。
しかし、図９に示すように、レール１１、１２のレール断面表層部における溶融金属Ｍの溶け込み幅Ｗ１  は、レール溶接用鋳型１０の内面形状に左右されるのに対して、余盛り２７を形成するために上鋳型１７〜２０の内面に設けた余盛り形成凹部２１ｃ（図７参照）の両端にそれぞれ設けた止端部２９間の幅Ｗは、頭部から底部まで同一である。
【０００７】
その結果、図８及び図９に示すレール１１、１２の各断面での溶接金属Ｍの溶け込み幅Ｗ１  と余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗとの間に差が生ずる。この時、レール連結部の曲げ疲労時に応力集中が生じると、疲労亀裂の発生点となりやすいレール足表部２８では、溶接金属の溶け込み幅Ｗ１  よりも溶接余盛形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗが大きいので、図１０に示すように、余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９とレール１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）との間に未融合部３０が生じ、疲労亀裂の発生点となる可能性があり、これを防止するために二次的加工あるいは早期補修の必要があった。
このことは、図１１に示すように、線状突起部２１ａや開先２１ｂが設けられていないレール溶接用鋳型１０Ａにおいても同様であった。
そこで、本発明者らは、研究の結果、上記した余盛り形成凹部２１ｃの止端部２９を余盛り２７の両端と略一致させたり、余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗとレール１１、１２の溶け込みの幅Ｗ１  との関係を適切に選択すれば、余盛り形成凹部２１ｃの止端部２９の疲労強度を高めることができることを知見した。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、レール連結部の曲げ疲労強度を高くし、レール連結部の信頼性を向上することができるレール溶接用鋳型を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載のレール溶接用鋳型は、端部同士を対向させた二つのレールの接合部を、その両側から分割鋳型で囲み、組み立てられた状態で内部にキャビティ部を有し、該キャビティ部に溶融金属を流し込みテルミット溶接する際に使用するレール溶接用鋳型において、
該レール溶接用鋳型の内面に設けた余盛り形成凹部の両止端部間の幅を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅と同じ又は該溶け込み幅より１０ｍｍの範囲で小さくし、前記テルミット溶接の際に、前記余盛り形成凹部の前記各止端部と前記レールの表面との間に未融合部が発生するのを防止している。
ここで、余盛り形成凹部の止端部間の幅の最上限をテルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅と同じとしたのは、余盛り形成凹部の止端部間の幅を上記溶け込み幅より大きくすると、従来と同様に、余盛り形成凹部の両端に形成される止端部とレールの表面との間に未融合部が生じ、疲労亀裂の発生点となるからである。一方、余盛り形成凹部の止端部間の幅の最下限をレール断面表層部の溶け込み幅より１０ｍｍ小さくしたのは、余盛り形成凹部の止端部間の幅と溶融金属の溶け込み幅との差が１０ｍｍを超えると、レール表面と同一面上に位置する溶け込み表層部が直接鋳型と接触するため、鋳型との焼き付きや鋳型の粗さの影響を受け、応力集中の原因となる凹凸が生ずるからである。
【０００９】
【作用】
請求項１記載のレール溶接用鋳型においては、端部同士を対向させた二つのレールの接合部を、その両側から分割鋳型で囲み、内部にキャビティ部を有するレール溶接用鋳型を組み立てる。次に、テルミット法によって製造された溶融金属を注湯口からキャビティ部内に注入する。これによって、溶融金属はキャビティ部内に充填され、内部に溜まろうとする空気は連通孔を通って空気孔に移動し外部に排出され、レールの溶接による連結が完了する。この際、鋳型に設けた余盛り形成凹部の両止端部間の幅を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅と同じ又は該溶け込み幅より１０ｍｍの範囲で小さくしているので、余盛り形成凹部の両端に形成される止端部とレールの表面との間に、疲労亀裂の発生点となる未融合部が生じるのを防止できる。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１記載のレール溶接用鋳型においては、鋳型に設けた余盛り形成凹部の両止端部間の幅を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅と同じ又はこの溶け込み幅より１０ｍｍの範囲で小さくしているので、余盛り形成凹部の両端に形成される止端部とレールの表面との間に疲労亀裂の発生点となる未融合部が生じるのを防止でき、欠陥のない余盛りの形状が得られ、レール連結部における疲労強度を向上できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した一実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
なお、本発明の一実施の形態に係るレール溶接用鋳型１０Ｂは、実質的に、鋳型に設けた余盛り形成凹部の両止端部間の幅と、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅との相対関係を除いて、図７を参照して説明した従来のレール溶接用鋳型１０と基本的な構成は略同一なので、同一の構成要素については同一の符号を付しその詳細な構成及び作用の説明は省略する。
以下、図１〜図３を参照して、本発明に係るレール溶接用鋳型１０Ｂの要部の構成について説明する。なお、図１はテルミット溶接により形成されるレール連結部の断面図、図２は図１の矢視Ｉ−Ｉ断面図、図３は同他の実施の形態に係るレール溶接用鋳型の断面図、図４、図５、図６は実験に用いたレール溶接用鋳型１０Ｂの寸法関係を示す説明図である。
【００１２】
図１及び図２に示すように、この実施の形態では、レール溶接用鋳型１０Ｂに設けた余盛り形成凹部２１ｃの両端に設けた止端部２９間の幅Ｗ′を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅Ｗ１  ′と同じ、又は、この溶け込み幅Ｗ１  ′より１０ｍｍの範囲（即ち、０〜１０ｍｍの範囲）で小さくしている。
従って、テルミット法によって製造された溶融金属を注湯口１５からキャビティ部２１内に注入してレール１１、１２を溶接によって連結する際、前記したように、レール溶接用鋳型１０Ｂに設けた余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗ′を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅Ｗ１  ′と同じ又は該溶け込み幅Ｗ１  ′より１０ｍｍの範囲で小さくしているので、図２に示すように、余盛り形成凹部２１ｃの両端に形成される各止端部２９とレール１１（１２）の表面との間に、疲労亀裂の発生点となる未融合部が生じるのを防止でき、欠陥のない余盛り２７の形状が得られ、レール連結部における応力集中に対する疲労強度を向上できる。
【００１３】
図３は、図２に示す線状突出部２１ａと開先２１ｂを具備しないレール溶接用鋳型１０Ｃに係るものであり、この場合においても、レール溶接用鋳型１０Ｃに設けた余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗ″を、テルミット溶接により形成されるレール断面表層部の溶け込み幅Ｗ1 ″と同じ、又は、この溶け込み幅Ｗ1 ″より１０ｍｍの範囲で小さくしている。
従って、図２に示すレール溶接用鋳型１０Ｂと同様に、余盛り形成凹部２１ｃの両端に形成される各止端部２９とレール１１（１２）の表面との間に、疲労亀裂の発生点となる未融合部が生じるのを防止でき、欠陥のない余盛り２７の形状が得られ、レール連結部における疲労強度を向上できる。
なお、以上の説明はレール１１、１２の両側に設けられた上鋳型に本発明を適用した例を説明したが、下鋳型に本発明を適用できることは当然であり、更には図７に示すようには分割していない鋳型に対しても本発明を適用できる。
【００１４】
【実施例】
前述したレール溶接用鋳型１０Ｂについて、該鋳型に設けた余盛り形成凹部２１ｃの両止端部２９間の幅Ｗ′と、レール断面表層部の溶け込み幅Ｗ１  ′とを変化させた場合の、レール１１、１２の下部における引張曲げ疲労強度の変化及び疲労亀裂発生点の状態について実験を行なったので、その結果を表１に示す。
なお、表１に示す寸法ａ〜ｅは、図４〜図６に示すレール溶接用鋳型１０Ｂにおける各部の寸法を示す。
【００１５】
【表１】
0003629075.tif 000002
【００１６】
表１から明らかなように、本発明に係るレール溶接用鋳型１０Ｂの供試片であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、従来のレール溶接用鋳型１０の供試片であるＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈと比較して、レール１１、１２の下部の引張曲げ疲労強度を向上することができるとともに、疲労亀裂発生点となるおそれのある足表部や止端部における疲労亀裂の発生を防止することができると共に、鋳張りの発生も防止することができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレール溶接用鋳型によって形成されるレール連結部の断面図である。
【図２】図１の矢視Ｉ−Ｉ断面図である。
【図３】同他の実施の形態に係るレール溶接用鋳型の断面図である。
【図４】実験に用いたレール溶接用鋳型の寸法関係を示す説明図である。
【図５】実験に用いたレール溶接用鋳型の寸法関係を示す説明図である。
【図６】実験に用いたレール溶接用鋳型の寸法関係を示す説明図である。
【図７】従来のレール溶接用鋳型の分解斜視図である。
【図８】同レール溶接用鋳型によって形成されるレール連結部の断面図である。
【図９】同レール溶接用鋳型によって形成されるレール連結部の断面図である。
【図１０】同図９の矢視ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１１】レール溶接用鋳型１０Ａの断面図である。
【符号の説明】
Ｆ  塑性材                          Ｇ  隙間
Ｍ  溶融金属                        Ｗ′余盛り形成凹部の止端部間の幅
Ｗ１  ′レール断面表層部の溶け込み幅  Ｗ″余盛り形成凹部の止端部間の幅
Ｗ１  ″レール断面表層部の溶け込み幅
１０Ｂ  レール溶接用鋳型                        １０Ｃ    レール溶接用鋳型
１１  レール                        １１ａ  表面
１２  レール                        １２ａ  表面
１３  分割上鋳型群                  １４  下鋳型
１５    注湯口                        １６  キャップ
１７  上鋳型                        １８  上鋳型
１９  上鋳型                        ２０  上鋳型
２１    キャビティ部                  ２１ａ  線状突出部
２１ｂ  開先                        ２１ｃ  余盛り形成凹部
２２  空気孔                                ２３    空気孔
２４    連通孔                        ２５  連通孔
２６    余盛り形成凹部                ２６ａ  線状突出部
２６ｂ  開先                        ２７  余盛り
２８    レール足表部                  ２９    止端部
３０  未融合部
【図１】
0003629075.tif 000003
【図２】
0003629075.tif 000004
【図３】
0003629075.tif 000005
【図４】
0003629075.tif 000006
【図５】
0003629075.tif 000007
【図６】
0003629075.tif 000008
【図７】
0003629075.tif 000009
【図８】
0003629075.tif 000010
【図９】
0003629075.tif 000011
【図１０】
0003629075.tif 000012
【図１１】
0003629075.tif 000013