(57)【要約】【課題】レール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減でき、かつ、継目部におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できるレール継目部の溶接方法を提供する。【解決手段】継目部におけるレール１，１の底部領域は溶接を行わず、継目部におけるレール１，１の腹部領域から頭部１ｂ，１ｂにかけて溶接することによって、レール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減できる。また、継目部を溶接した後、相対向するレール１，１の腹部１ｃ，１ｃどうしを継目板２で連結する。この継目板２によってレール底部に作用する引張力に抗することができるので、継目部におけるレール１の腹部１ｃや頭部１ｂへの亀裂や破損の発生を防止できる。【選択図】　　　図１
2004100234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向するレールの継目部をエンクローズアーク溶接するレール継目部の溶接方法であって、
前記継目部におけるレールの底部領域は溶接を行わず、前記継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接し、次に、相対向するレールの腹部どうしを継目板で連結し、
前記レールの腹部領域から頭部にかけて溶接する際の溶接開始部を、前記継目板の高さ方向中央部より上側に設定することを特徴とするレール継目部の溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記溶接開始部を、溶接部の下面が滑らかな曲面となるように除去することを特徴とするレール継目部の溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接した後、相対向するレールの端部を継目部を含んで引き上げて、レールの端部に生じている落込部をレールの頭頂面より上方に突出させ、
次に、この突出した突出部をレールの頭頂面と面一になるまで削り取ることを特徴とするレール継目部の溶接方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接した後、前記継目部を含むレールの頭頂部領域を変態温度以上に加熱し、０．５〜５℃／Ｓの冷却速度で焼き入れ処理することを特徴とするレール継目部の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道に使用されるレールの継目部の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レールの継目部は列車の通過により衝撃を受けてレール端部に落込みを生じる。この落込みにより騒音・振動が発生するとともにレール底部に過大な応力が作用し、レール下部に位置する軌道を破壊することがある。従来からレール継目部は軌道の最弱点箇所として認識され、その保守に多大な労力を費やしている。
このレール端部の落込みを防止し、騒音・振動の低減、メンテナンスコストの削減及び乗り心地向上の観点からロングレール化が推進されている。このロングレール化のための方法としてレールを溶接してつないでいく方法が採用されており、また、既敷設の定尺レールの継目部をエンクローズアーク溶接あるいはテルミット溶接によって溶接して、ロングレール化を図ることも積極的に推進されている。
しかし、エンクローズアーク溶接で、レールの継目部を底部から頭部まで全て溶接するのには相当の手間と時間要する。そこで、この手間と時間を削減するための技術として、例えば、継目部においてレールの底部を最小の一層盛で溶接し、腹部と頭部を溶接することによって、底部の溶接にかかる手間と時間を省くことが知られている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００３】
【非特許文献１】
株式会社鉄道現業社発行、「新線路　第４６巻　１月号　」　平成４年１月１５日発行、ｐ１２−ｐ１５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では、継目部においてレールの底部を最小の一層盛で溶接しているが、レールの継目部においては、列車の通過等によって、レール底部に曲げによる引張力が集中し易いため、レール底部の一層盛の溶接部に亀裂や破損が生じ易く、このレール底部の溶接部が破損するとその衝撃等によって継目部におけるレールの腹部や頭部の溶接部に亀裂や破損が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減でき、かつ、継目部におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できるレール継目部の溶接方法を提供することを目的としている。
また、本発明は主に定尺レール（２５ｍ）区間のレールの５０ｍ化に適用するレール継目部の溶接方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、相対向するレール１，１の継目部をエンクローズアーク溶接するレール継目部の溶接方法であって、
前記継目部におけるレール１，１の底部領域は溶接を行わず、前記継目部におけるレールの腹部領域から頭部１ｂ，１ｂにかけて溶接し、次に、相対向するレールの腹部どうしを継目板２で連結し、
前記レール１，１の腹部領域から頭部１ｂ，１ｂにかけて溶接する際の溶接開始部５を、前記継目板２の高さ方向中央部より上側に設定することを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、継目部におけるレールの底部領域は溶接を行わず、継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接するので、底部の溶接にかかる手間と時間を省くことことができ、よってレール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減できる。
また、継目部を溶接した後、相対向するレールの腹部どうしを継目板で連結するが、継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接する際の溶接開始部を、前記継目板の高さ方向中央部より上側に設定しているので、継目部に列車の通過等によって作用する引張力は、溶接部でなく継目板に作用し、この継目板によって引張力に抗することができるので、継目部（溶接部）におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できる。
このように継目部（溶接部）におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できるので、定尺レール（２５ｍ）区間のレールの５０ｍ化に適用できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記溶接開始部５を、溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａとなるように除去することを特徴とする。
【０００９】
一般に溶接開始部および終了部には溶接欠陥が入り易く、また、形状も不均一となり易い。そこで、請求項２に記載の発明によれば、溶接開始部を、溶接部の下面が滑らかな曲面となるように除去するので、溶接開始部に溶接欠陥が存在していてもそれを除去でき、しかも、除去された後の溶接部の下面が滑らかな曲面になるので、除去された部分に応力が集中することもない。したがって、溶接部（継目部）への亀裂の発生を未然に防止できる。なお、溶接終了部はレールの頭頂面の断面形状外に逃がすことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、例えば図３に示すように、請求項１又は２に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記継目部におけるレール１，１の腹部領域から頭部１ｂ，１ｂにかけて溶接した後、相対向するレール１，１の端部を継目部を含んで引き上げて、レール１，１の端部に生じている落込部１ｅ，１ｅをレールの頭頂面１ｄ，１ｄより上方に突出させ、
次に、この突出した突出部１ｅ，１ｅをレール１，１の頭頂面１ｄ，１ｄと面一になるまで削り取ることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、相対向するレールの端部を継目部を含んで引き上げて、レールの端部の落込部をレールの頭頂面より上方に突出させ、この突出した突出部をレールの頭頂面と面一になるまで削り取ることによって、レールの頭頂面を継目部を含んで容易に滑らかに仕上げることができる。
つまり、継目部におけるレールの腹部領域から頭部にかけて溶接した後、レールの端部を引き上げないで、レールの頭頂面を滑らかに仕上げるには、レール端部に生じている落込部を含んでレールの頭頂面を広範囲に削り取る必要があるが、本発明では突出部を削り取るだけでよいので、レールの頭頂面を容易に滑らかに仕上げることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレール継目部の溶接方法において、
前記継目部におけるレール１，１の腹部領域から頭部にかけて溶接した後、前記継目部を含むレールの頭頂部領域を変態温度以上に加熱し、０．５〜５℃／Ｓの冷却速度で焼き入れ処理することを特徴とする。
【００１３】
レールの頭頂面は列車通過による加工硬化により硬さが上昇している。その場合にレール端部の継目部を溶接すると、溶接部が周囲のレールより硬さが低く、溶接部が加工硬化により硬さが上昇するまでに、溶接部が柔らかいため磨耗による落込みが再度発生し易い傾向にある。
そこで、請求項４に記載の発明によれば、溶接後、継目部を含むレールの頭頂部領域を変態温度以上に加熱し、０．５〜５℃／Ｓの冷却速度で焼き入れ処理するので、溶接部の硬さをレール頭頂面の硬さと同等以上にすることができ、よって、落込みの再発生を防止できる。
ここで、冷却速度を０．５〜５℃／Ｓに設定したのは、０．５℃／Ｓ未満の冷却速度では焼き入れ効果がなく、溶接部の硬さ上昇が期待できず、一方、５℃／Ｓを越えると非常に硬くて脆いマルテンサイト組織の生成の可能性があるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレール継目部の溶接方法の工程を示す図である。図１において、符号１，１は相対向するレールを示す。このレール１，１は既敷設のレールであり、このレール１，１の端部には、列車の通過等に起因する落込部１ａ，１ａが生じている。
【００１５】
まず、図１（ａ）に示すように、レール端面の開先（継目部）間隔を調整する。この場合、例えば開先間隔が１７ｍｍ±３ｍとなるように調整する。
次に、図１（ｂ）に示すように、継目板２を取り外して、図示しない銅当金をレールの開先における腹部１ｃと頭部１ｂに配置するとともに、捨金３を開先内に挿入する。この場合、図２に示すように、開先内に捨金支え４を挿入し、この捨金支え４で捨金３を下方から支持することによって、捨金３を開先内の所定の高さに保持する。
【００１６】
次に、図１（ｃ）に示すように、継目部（開先）におけるレール１，１の腹部１ｃの略半分から上の腹部領域から頭部１ｂにかけてエンクローズアーク溶接する。この場合、捨金３より上方の腹部領域から頭部１ｂにかけて溶接し、底部領域は溶接を行わない。捨金３はその上面が、最終的に取り付ける継目板２の高さ方向中央部より上方に位置するようにして挿入する。したがって、エンクローズアーク溶接の溶接開始部５は継目板２の高さ方向中央部より上側に設定される。また、レール１，１の頭頂部は図２に示すように多層溶接する。
次に、図１（ｄ）に示すように、捨金支え４を取り外した後、溶接開始部５を、溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａ、例えば球面の一部を形成する曲面６ａとなるように除去する。この場合、溶接開始部５をドリル等によって捨金３ごと除去する。これによって、溶接開始部５に溶接欠陥が入っていても、この溶接欠陥は除去される。
【００１７】
次に、図１（ｅ）に示すように、レール端部に生じている落込部１ａ，１ａを含んで、レール１，１の頭頂面１ｄ，１ｄを、斜線で示すように広範囲に削り取って、継目部におけるレール頭頂面を滑らかに仕上げ、最後に、相対向するレール１，１の腹部１ｃ，１ｃどうしを継目板２で連結する。
【００１８】
本実施の形態によれば、継目部におけるレール１，１の底部領域は溶接を行わず、継目部におけるレール１，１の腹部領域から頭部１ｂにかけて溶接するので、底部の溶接にかかる手間と時間を省くことことができ、よってレール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減できる。ＪＩＳ５０Ｎレールを用いて本実施の形態によるエンクローズアーク溶接を行ったところ、従来の底部から頭部にかけてのエンクローズアーク溶接は約６０分かかるのに対して、本実施の形態では、１／３の約２０分（テルミット溶接と同等）で済むことが確認された。
【００１９】
また、継目部を溶接した後、相対向するレール１，１の腹部１ｃ，１ｃどうしを継目板２で連結するが、継目部におけるレール１，１の腹部領域から頭部１ｂにかけて溶接する際の溶接開始部５を、継目板２の高さ方向中央部より上側に設定しているので、継目部に列車の通過等によって作用する引張力は、溶接部６でなく継目板２に作用し、この継目板２によって引張力に抗することができるので、継目部（溶接部６）におけるレール１，１の腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できる。
【００２０】
さらに、溶接開始部５を、溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａとなるように除去するので、溶接開始部５に溶接欠陥が存在していてもそれを除去でき、しかも、除去された後の溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａになるので、除去された部分に応力が集中することもない。したがって、溶接部６への亀裂の発生を未然に防止できる。
ちなみに、本実施の形態で施工したレールを疲労試験に供した場合（継目板装着＋溶接開始部除去）、応力範囲１５０Ｎ／ｍｍ２で２００万回の繰り返し数では何ら問題がないことが確認できた。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係るレール継目部の溶接方法の工程を示す図である。図３に示す本実施の形態では、図１に示した第１の実施の形態と途中までは同一の工程をとるので、同一の工程（図３（ａ）〜（ｄ））については同一符号を付してその説明を簡略ないし省略する。
【００２２】
第２の実施の形態では、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、レール１，１間の開先（継目部）の間隔を調整し、捨金３、捨金支え４を開先内に挿入した後、エンクローズアーク溶接を行い、溶接開始部５を、溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａ、例えば球面の一部を形成する曲面６ａとなるように除去する。
次に、図３（ｅ）に示すように、相対向するレール１，１の端部を継目部（溶接部６）を含んで引き上げて、レール１，１の端部に生じている落込部１ａ，１ａをレール１，１の頭頂面（落込部１ａ，１ａより外側の頭頂面）１ｄ，１ｄより上方に突出させる。
次に、図３（ｆ）に示すように、この突出した突出部１ｅ，１ｅを、斜線で示すようにレール１，１の頭頂面１ｄ，１ｄと面一になるまで削り取り、最後に、相対向するレール１，１の腹部１ｃ，１ｃどうしを継目板２で連結する。
【００２３】
本実施の形態によれば、レール１，１の継目部において、レール１，１の中央部から下方が溶接されいないので、相対向するレール１，１の端部を継目部を含んで容易に引き上げることができる。
そして、引き上げることによって、落込部１ａ，１ａをレール１，１の頭頂面１ｄ，１ｄより上方に突出させ、この突出部１ｅ，１ｅを削り取ることによって、レールの頭頂面１ｄ，１ｄを継目部（溶接部６）を含んで容易に滑らかに仕上げることができる。
例えば、溶接時間が本実施の形態と同等のテルミット溶接では、レール端部のみを持ち上げることが不可能なため、頭頂面を滑らかに仕上げるには、レールの頭頂面を広範囲に削り取る必要があるが、本実施の形態では突出部１ｅ，１ｅを削り取るだけでよいので、レールの頭頂面を容易に滑らかに仕上げることができる。また、レールの頭頂面を広範囲に削り取る第１の実施の形態に比べてもレールの頭頂面を容易に滑らかに仕上げることができる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係るレール継目部の溶接方法の工程を示す図である。図４に示す本実施の形態では、図１に示した第１の実施の形態と途中までは同一の工程をとるので、同一の工程（図４（ａ）〜（ｄ））については同一符号を付してその説明を簡略ないし省略する。
【００２５】
第３の実施の形態では、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、レール１，１間の開先（継目部）の間隔を調整し、捨金３、捨金支え４を開先内に挿入した後、エンクローズアーク溶接を行い、溶接開始部５を、溶接部６の下面が滑らかな曲面６ａ、例えば球面の一部を形成する曲面６ａとなるように除去する。
次に、図４（ｅ）に示すように、継目部（溶接部６）を含むレール１，１の頭頂部領域を変態温度以上に加熱する。この加熱はガスバーナ等によって行えばよい。
次に、図４（ｆ）に示すように、相対向するレール１，１の端部を継目部（溶接部６）を含んで引き上げて、レール１，１の端部に生じている落込部１ａ，１ａをレール１，１の頭頂面（落込部１ａ，１ａより外側の頭頂面）１ｄ，１ｄより上方に突出させる。すると、継目部近傍に突出部１ｅ，１ｅが形成される。
【００２６】
次に、図４（ｇ）に示すように、継目部（溶接部６）と突出部１ｅ，１ｅを含むレール１，１の頭頂部領域を、０．５〜５℃／Ｓの冷却速度で焼き入れ処理する。この焼入れ処理はレール１，１の頭頂部領域を空冷すればよい。
次に、図４（ｈ）に示すように、突出部１ｅ，１ｅを、斜線で示すようにレール１，１の頭頂面１ｄ，１ｄと面一になるまで削り取り、最後に、相対向するレール１，１の腹部１ｃ，１ｃどうしを継目板２で連結する。
なお、本実施の形態では、図４（ｅ）に示すように、継目部（溶接部６）を含むレール１，１の頭頂部領域を変態温度以上に加熱した後、図４（ｆ）に示すように、相対向するレール１，１の端部を継目部（溶接部６）を含んで引き上げたが、これとは逆に、相対向するレール１，１の端部を継目部（溶接部６）を含んで引き上げた後、継目部（溶接部６）を含むレール１，１の頭頂部領域を変態温度以上に加熱してもよい。
【００２７】
本実施の形態によれば、エンクローズアーク溶接後、継目部（溶接部６）を含むレール１，１の頭頂部領域を変態温度以上に加熱し、０．５〜５℃／Ｓの冷却速度で焼き入れ処理するので、溶接部６の硬さをレール頭頂面の硬さと同等以上にすることができ、よって、落込みの再発生を防止できる。
特に、既に敷設されたレールの頭頂面は列車通過による加工硬化により硬さが上昇しているが、本実施の形態では、溶接部６の硬さをレール頭頂面の硬さと同等以上にすることができるので、レール端部の落込みの再発を防止できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、レール底部の溶接にかかる手間と時間を省くことことができるので、レール継目部のエンクローズアーク溶接による手間と時間を削減できる。
また、継目部に列車の通過等によって作用する引張力は、溶接部でなく継目板に作用し、この継目板によって引張力に抗することができるので、継目部におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できる。
このように継目部におけるレールの腹部や頭部への亀裂や破損の発生を防止できるので、定尺レール（２５ｍ）区間のレールの５０ｍ化に適用できる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、溶接開始部を溶接部の下面が滑らかな曲面となるように除去するので、溶接部への亀裂の発生を未然に防止できる。
【００３０】
請求項３に記載の発明によれば、レールの端部の落込部をレールの頭頂面より上方に突出させ、この突出した突出部をレールの頭頂面と面一になるまで削り取るので、レールの頭頂面を継目部を含んで容易に滑らかに仕上げることができる。
【００３１】
請求項４に記載の発明によれば、エンクローズアーク溶接後、継目部を含むレールの頭頂部領域を変態温度以上に加熱して焼き入れ処理するので、溶接部の硬さをレール頭頂面の硬さと同等以上にすることができ、よって、落込みの再発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示すもので、レール継目部の溶接方法を説明するための工程図である。
【図２】同、継目部の拡大図である。
【図３】本発明の第２実施の形態を示すもので、レール継目部の溶接方法を説明するための工程図である。
【図４】本発明の第３実施の形態を示すもので、レール継目部の溶接方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１　レール
１ａ　落込部
１ｂ　頭部
１ｃ　腹部
１ｄ　頭頂面
１ｅ　突出部
２　継目板
６　溶接部（継目部）
６ａ　曲面
【図１】
2004100234.tif 000003
【図２】
2004100234.tif 000004
【図３】
2004100234.tif 000005
【図４】
2004100234.tif 000006