(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向するレール端面の空間を鋳型で囲み、当該空間にテルミット溶鋼を注入しレールを溶接する方法において、レール頭頂面から少なくとも頭部コーナーＲ部全体にわたり、厚さ２〜７ｍｍの可燃材を対向するレールの開先端面から１５〜５０ｍｍの範囲にわたりレール表面と鋳型の間に挿入し、テルミット溶鋼注入時に該可燃材のうち溶鋼に接触する部分が焼失して当該可燃材の厚み分の空隙を生じ、当該空間に溶鋼が充満することにより、溶鋼凝固時に生じる気泡を当該空隙に浮上させることを特徴とするレールのテルミット溶接方法。
【請求項２】
可燃材はあらかじめレールの頭部形状に合わせて成形したものであることを特徴とする請求項１記載のレールのテルミット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は鉄道レールの現地溶接などに使用されるテルミット溶接に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レールのテルミット溶接に利用される化学反応は次式で示すように、鉄酸化物とアルミニウムの酸化還元反応で、生成物相は液相である。
【０００３】
３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ２  Ｏ３  ＋Ｑ１                ・・・（１）
Ｆｅ２  Ｏ３  ＋２Ａｌ→２Ｆｅ＋Ａｌ２  Ｏ３  ＋Ｑ２              ・・・（２）
【０００４】
ここでＱ１  ，Ｑ２  は発熱量である。テルミット溶接は鋳型で覆った溶接部の上方に反応るつぼを設置し、上記反応によって生成した溶融金属を溶接部に注入し、レール母材を溶融、接合する。被溶接レールの端面は２０〜３０ｍｍの間隔で対向設置される。鋳型はＳｉＯ２  を水ガラスで成形した砂型が一般的であり、鋳型形状としてはレールの両側面からセットする２ピース型ないし、底板と両側面の鋳型からなる３ピース型が主流である。
【０００５】
るつぼ内のテルミット反応のさいに、溶融金属とともに溶融したアルミナスラグが生成するが、両者は比重差によりるつぼ内で上下方向に分離し、これらの生成物が注入されるさいには、溶融金属が先に鋳型内の溶接部に充満し、引き続き溶融スラグが押し湯部分に注入される。溶鋼の注入は、るつぼ底部にはめ込まれた耐火物栓が反応生成物の高熱により溶融し、るつぼ底部が開口することによって行われる。
【０００６】
従来、レールの炭素含有量は０．６〜０．８重量％、金属組織はパーライトである。テルミット溶鋼が凝固するさいにはガス成分が気泡となって残存液相内に放出されるが、パーライトレールでのテルミット溶接においては、本発明で課題とする気泡欠陥が問題になることは少ない。
【０００７】
また、レール母材の溶融量は予熱条件や溶剤の量によって変動する。すなわち、予熱ガス流量が多い場合や予熱時間が長い場合、溶剤量が多い場合などに溶融幅は増加する。レール頭部における溶融幅は頭頂表面で最も広がり、母材溶融を含めた全溶接金属幅は５０〜７０ｍｍ程度である。また溶接部には押し湯による余盛金属が形成されるが、レール頭部の余盛金属は研磨除去されて列車運行に供される。
【０００８】
図２は従来テルミット溶接法における鋳型のセット状況を模式的に示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。厚さ２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ程度の厚紙１０が両レールの頭頂面１Ａ，１Ｂにまたがり、溶接開先空間の上面を覆う形でレール頭頂面１Ａ，１Ｂと鋳型６，７の間に挿入されるが、コーナーＲ部２Ａ，２Ｂ、および頭側面３Ａ，３Ｂにはこの厚紙１０は接触しない。この厚紙１０は頭頂面１Ａ，１Ｂにおける鋳物砂の焼き付き防止を主目的とするものである。開先空間の上面を覆っている部分は溶接に先立つ予熱のさいに火炎によって焼失する。なお図中８は底面鋳型、１２は押し湯である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、新幹線や在来線の高速運転区間において顕在化している表面損傷の防止を狙った新鋼種レールの開発が進められている。この新しいレールは炭素含有量が０．２〜０．５重量％と低く、その他の合金元素が添加されており、金属組織はベイナイトである。
【００１０】
このベイナイトレールに対してテルミット溶接を行った場合、レール頭部表面に気泡状欠陥が多発するという問題点が生じる。本発明者らがこの気泡欠陥について検討した結果、以下のような発生原因を解明した。すなわち、ベイナイトレールのテルミット溶接では、溶接金属の炭素量が母材希釈により従来のテルミット溶接に比較して０．１〜０．２重量％低下し、凝固点の上昇、凝固時間の短縮が生じる。通常、酸素、水素、窒素などをガス成分元素として含有する溶融金属は、凝固の進行と共に残存液相内に気泡を放出し、これら気泡は浮力によって浮上していく。ベイナイトレールのテルミット溶接の場合、より短時間で凝固が終了するため、気泡の浮上が不十分なうちに凝固が完了してしまう危険性が増す。その結果、溶接部の研磨仕上げ表面に気泡欠陥が残存する頻度が高まる。
【００１１】
図３は溶接金属の炭素量とレール表面における気泡欠陥の発生の関係を示すグラフであり、溶接金属の炭素量低下に伴って、気泡欠陥の発生率が高まることがわかる。したがって、パーライトレールの場合に気泡欠陥が生じないのは、溶融金属の炭素量が高いため凝固点が低く、凝固終了までに長時間を要するため、気泡が完全に押し湯内に浮上してしまうためと考えられる。本発明はベイナイトレールにおいてもテルミット溶接のさい、気泡欠陥が生じない方法を開発することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、対向するレール端面の空間を鋳型で囲み、当該空間にテルミット溶鋼を注入しレールを溶接する方法において、レール頭頂面から少なくとも頭部コーナーＲ部全体にわたり、厚さ２〜７ｍｍの可燃材を対向するレールの開先端面から１５〜５０ｍｍの範囲にわたりレール表面と鋳型の間に挿入し、テルミット溶鋼注入時に該可燃材のうち溶鋼に接触する部分が焼失して当該可燃材の厚み分の空隙を生じ、当該空間に溶鋼が充満することにより、溶鋼凝固時に生じる気泡を当該空隙に浮上させることを特徴とするレールのテルミット溶接方法である。
【００１３】
【作用】
本発明は溶接に先立ち、レール頭頂面から少なくとも頭部コーナーＲ部全体、望ましくは頭側面にわたり、厚さ２〜７ｍｍの可燃材を、対向するレールの開先端面から１５〜５０ｍｍの範囲にわたってレール表面と鋳型の間に挿入し、テルミット溶鋼注入時に該可燃材を焼失させて、その厚み分の空隙を形成させる。この部分に溶鋼が充満することによって溶融量が増加して、レール頭頂面近傍の温度が上昇し、凝固速度が低下する。さらに、溶鋼凝固時に生じる気泡を該空隙に浮上させることによって気泡欠陥が防止される。
【００１４】
従来溶接法においても２ｍｍ程度の厚紙がレール表面と鋳型の間に挿入して使われるが、これは頭頂部の鋳物砂の焼き付き防止を主目的として使われるものであり、本発明における挿入材とは目的とする機能がまったく異なる。また、従来法では頭頂部のみに厚紙を挿入するが、この方法ではコーナーＲ部から生じる気泡に対する防止機能が得られない。したがって、可燃材のレール表面への接触範囲は、少なくともレール頭頂面から頭部コーナーＲ部全域とすることが必要であり、望ましくは頭側部の一部または頭側部全体にまたがることが望ましい。
【００１５】
可燃材は、２枚を用いて両レールが鋳型と接する部分にそれぞれ独立に挿入するか、もしくは１枚のみ使用して両レールにまたがり開先空間の上面を覆う形でレールと鋳型の間に挿入しても良い。１枚の可燃材で開先空間の上面を覆った場合、開先空間の上面を覆った部分は予熱時の火炎によって焼失する。
【００１６】
レールと鋳型の間に挿入する可燃材として具備すべき性質は、鋳型のセット時に潰れない程度の強度を有していること、溶鋼注入時に焼失すること、焼失のさいに新たなガス発生が少ないこと、安価であること、などである。このような諸性質を有する材料として、厚紙、圧縮加工した綿材などがある。
【００１７】
使用する可燃材は中実な材質が強度的に望ましく、鋳型とレール表面の間の空間を確実に確保できる。一方、段ボールなどの中空構造のものは作業時に潰れやすいため望ましくない。可燃材をレール表面に沿ってレール表面と鋳型の間に挿入するにあたり、平坦な材料を溶接現地でレール表面形状に合わせて変形させて使用してもよいが、あらかじめ、レールの頭部形状に合わせて成形した可燃材を使用する方が作業能率の点で有利となる。
【００１８】
図１は本発明の実施態様の構成を示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。また図４は本発明における凝固過程での気泡の発生状況を示す模式図であり、図１におけるＡ−Ａ線の断面図に相当する。溶接に先立ち、厚みが２〜７ｍｍの可燃材９をそれぞれのレール端面１１Ａ，１１Ｂから１５〜５０ｍｍの範囲にわたって、レール表面と鋳型６，７の間に挿入する。この可燃材はテルミット溶鋼注入時に溶鋼と接触する部分が焼失して図４に示すように、その厚み分の空隙１６が鋳型とレール表面の間に生じ、この部分に溶鋼が充満する。この空隙１６の部分に溶鋼が充満することにより溶融量が増加して、レール頭頂面近傍の温度が上昇し凝固速度が低下する。
【００１９】
テルミット溶鋼が凝固するさいには水分などのガス成分が残存液相内に放出されて、図４に示すように気泡１３を生じる。本発明では上述したように、レール頭頂面近傍の温度が上昇し、凝固速度が低下しているために気泡が浮上するまでに凝固が完了してしまうことはない。気泡は浮力により浮上し、上記可燃材が焼失して形成された空隙１６および、押し湯１２内に浮上する。この気泡は頭部余盛金属（空隙１６の部分）、押し湯１２の除去時に同時に除去されるため、溶接部に残存することが防止される。なお図４中１５はスラグである。
【００２０】
可燃材９の厚みは２ｍｍ未満では溶鋼注入時に形成される空間が狭く、気泡が該空間の内部に収まりきれないため効果が少ない。一方７ｍｍ超では気泡欠陥は確実に可燃材の焼失空間内に浮上するが、余盛金属が厚くなるために仕上げ工程での研磨作業量が増加するため作業能率の点で望ましくない。
【００２１】
可燃材は、レール頭頂面１Ａ，１Ｂの溶融幅を完全に覆い、コーナーＲ部２Ａ，２Ｂ全体を含む溶融幅全域にわたって気泡の浮上空間を確保することが必要である。可燃材がレール表面に接触する範囲はレール長手方向には、対向するレールの開先端面１１Ａ，１１Ｂから１５ｍｍ未満の範囲では、レール頭部の溶融幅を完全に覆うことができず不十分である。また、対向するレールの開先端面から５０ｍｍ超の長さは不要である。
【００２２】
【実施例】
可燃材のセット方法を数種類変え、パーライトレール、ベイナイトレールをテルミット溶接する実験を行った。
【００２３】
被溶接レールのサイズは単位長さ当たりの重量が６０ｋｇ／ｍである。パーライトレールは引張強さ８００ＭＰａ級で、化学組成は重量％でＣ：０．６８％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：０．９７％、残部がＦｅと不可避不純物である。ベイナイトレールは引張強さ１１００ＭＰａ級で、化学組成は重量％でＣ：０．２６％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：１．０１％、Ｃｒ：０．９６％、Ｍｏ：０．４５％、残部がＦｅと不可避不純物である。
【００２４】
テルミット溶剤は酸化鉄、金属アルミニウム粉末、フェロマンガン、補助溶加鉄源を重量％でそれぞれ６０％、２０％、１０％、１０％配合した溶剤を使用した。溶剤重量は約１５ｋｇである。溶接金属の化学組成は、パーライトレールの溶接部が重量％で、Ｃ：０．５５〜０．６７％、Ｓｉ：０．２２〜０．３１％、Ｍｎ：０．９５〜１．１０％、残部がＦｅと不可避不純物となった。一方、ベイナイトレールの溶接部では重量％で、Ｃ：０．３９〜０．４７％、Ｓｉ：０．２４〜０．３６％、Ｍｎ：０．９３〜１．１５％、Ｃｒ：０．６５〜０．７３％、Ｍｏ：０．３３〜０．４１％、残部がＦｅと不可避不純物となった。
【００２５】
両レールの端面は２５ｍｍの開先幅で対向設置した。なお、溶接部を取り囲む鋳型にはＳｉＯ２  製３ピース鋳型を使用し、被溶接レール鋼は溶接に先立ちプロパン−酸素ガスで１５０秒間予熱した。溶接完了後、頭部の余盛金属および押し湯金属を研磨除去し、仕上げ面における欠陥有無を観察した。
【００２６】
可燃材の材質としてはボール紙、圧縮加工した綿材を使用した。可燃材のセット方法は以下の通りである。（１）レール表面と鋳型の間に挿入物を使用しない方法、（２）頭頂面のみに厚さ２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの１枚の平坦な厚紙を両レールにわたって開先上面を覆う形でセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向は頭頂部のみで、長手方向には対向するレールの開先端面ら３７．５ｍｍである。
【００２７】
（３）厚さ１ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの１枚の平坦な厚紙を、レール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げ、両レールにわたって開先上面を覆う形でセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂面からコーナーＲ部、頭側の中間部に及び、長手方向には対向するレールの開先端面から４０ｍｍである。
【００２８】
（４）厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ４５ｍｍの１枚の平坦な厚紙を、レール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げて、両レールにわたって開先上面を覆う形でセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、頭側の中間部に及び、長手方向には対向するレールの開先端面から１０ｍｍである。
【００２９】
（５）厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの１枚の平坦な厚紙をレール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げてセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、頭側の中間部に及び、長手方向には対向するレールの開先端面から４０ｍｍである。
【００３０】
（６）厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ４０ｍｍの２枚の平坦な厚紙をレール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げて、両レール端面から４０ｍｍ以内の範囲にセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、頭側の中間部に及び、長手方向には対向するレールの開先端面から４０ｍｍである。
【００３１】
（７）厚さ５ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの厚紙から、あらかじめレール形状に合わせて曲げ成形した厚紙を１個使用し、両レールにわたって開先上面を覆う形でセットする方法。この場合、厚紙のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、さらに頭側の中間部に及び、長手方向には両レール端面から４０ｍｍである。
【００３２】
（８）厚さ５ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの圧縮成形した綿材を、あらかじめレール形状に合わせて再成形したものを１個使用し、両レールにわたって開先上面を覆う形でセットする方法。この場合、綿材のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、さらに頭側の中間部に及び、長手方向には両レール端面から４０ｍｍである。
【００３３】
（９）厚さ８ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの圧縮成形した綿材を、あらかじめレール形状に合わせて再成形したものを１個使用し、両レールにわたって開先上面を覆う形で頭頂からコーナーＲ部さらに頭側にわたってセットする方法。この場合、綿材のレールへの接触範囲はレール周方向には頭頂からコーナーＲ部、さらに頭側の中間部に及び、長手方向では両レール端面から４０ｍｍである。
【００３４】
表１は上記実験の結果を整理したものである。（５）〜（８）は本発明の実施例であり、一方、（１）〜（４）および、（９）は比較例である。
【００３５】
【表１】
0003561330.tif 000002
【００３６】
（１）のレール表面と鋳型間に挿入材を使用しない方法では、パーライトレール、ベイナイトレールともにレール頭頂の仕上げ面に砂の焼き付き、気泡欠陥が生じた。
【００３７】
（２）の頭頂面のみに２ｍｍの厚紙をセットする方法では、パーライトレールの場合は欠陥無く溶接ができたが、ベイナイトレールの場合にはコーナーＲ部の厚紙の挿入されていない部分に気泡欠陥が残存した。
【００３８】
（３）の厚さ１ｍｍの平坦な厚紙を頭頂から頭側にわたってセットする方法でも、パーライトレールの場合は欠陥無く溶接ができたが、ベイナイトレールの場合には頭頂面からコーナーＲ部にかけて気泡状の欠陥が残存した。この場合、コーナーＲ部にも厚紙は接触しているが、その厚さが不十分であったために欠陥が残存したものと考えられる。
【００３９】
（４）の厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ４５ｍｍの１枚の平坦な厚紙をレール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げてセットした結果は、パーライトレール、ベイナイトレールともに頭頂の仕上げ面に砂の焼き付き、気泡欠陥が生じた。これはレール頭頂部の溶融幅が、挿入した厚紙の長さより長かったため、その部分では挿入材の効果が得られなかったものと考えられる。
【００４０】
（５）の厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの１枚の平坦な厚紙をレール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げてセットする方法では、パーライトレール、ベイナイトレールともに欠陥無く溶接ができた。
【００４１】
（６）の厚さ３ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ４０ｍｍの２枚の平坦な厚紙をレール表面形状に合わせて作業現場で折り曲げて、両レール端面から４０ｍｍ以内の範囲にセットする方法でも、パーライトレール、ベイナイトレールともに欠陥無く溶接ができた。
【００４２】
（７）の厚さ５ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの１枚の厚紙を、あらかじめレール形状に合わせて曲げ成形したものをセットする方法でも、パーライトレール、ベイナイトレールともに欠陥無く溶接ができた。
【００４３】
（８）の厚さ５ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの、あらかじめレール形状に合わせて成形した綿材をセットする方法でも、パーライトレール、ベイナイトレールともに欠陥無く溶接ができた。
【００４４】
（９）の厚さ８ｍｍ、幅１０５ｍｍ、長さ１０５ｍｍの、あらかじめレール形状に合わせて成形した綿材をセットする方法でも、パーライトレール、ベイナイトレールともに欠陥無く溶接ができたが、余盛が厚くなったために仕上げ研磨に長時間を要し、作業能率が著しく低下した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のテルミット溶接方法によりベイナイトレールの頭部仕上げ面に欠陥の無い良好な継手を施工でき、再溶接などの追加作業の必要性が無くなり、軌道工事の円滑化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の構成を示す図で（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図
【図２】従来技術における鋳型セット態様を示す図で（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図
【図３】テルミット溶接金属の炭素含有量と気泡欠陥発生の関係を示すグラフ
【図４】本発明におけるレール頭部の凝固状態を示す模式図で図１におけるＡ−Ａ線断面図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ  レール頭頂面
２Ａ，２Ｂ  コーナーＲ部
３Ａ，３Ｂ  レール頭側部
６，７  側面鋳型
８  底面鋳型
９  可燃材
１０  厚紙（従来法）
１１Ａ，１１Ｂ  レール端面
１２  押し湯
１３  気泡
１４  溶接金属
１５  スラグ
１６  空隙（余盛金属）
【図１】
0003561330.tif 000003
【図２】
0003561330.tif 000004
【図３】
0003561330.tif 000005
【図４】
0003561330.tif 000006