(57)【要約】  レール溶接部処理装置は、レール溶接部とレール溶接部周囲のレールとでの影響部並びにその周りにおいて結果として生じる微細構造を改善する。この装置は、限定ではないが、レールのレール頭部に嵌る取付具締付及びセンタリング組立部品と、取付具締付及びセンタリング組立部品と結合されてレール頭部の上方に配置される加熱冷却装置とを含む。取付具締付及びセンタリング組立部品は、レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含む。加熱冷却装置は、レール溶接部の影響部を加熱するための加熱部と、レール溶接部の影響部を冷却するための冷却部とを含む。
2015507080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール溶接部と該レール溶接部周囲のレールとでの影響部並びに該影響部の周りに生じる微細構造を改善するためのレール溶接部処理装置であって、該装置は、
レールのレール頭部に嵌る取付具締付及びセンタリング組立部品と、
加熱冷却装置と、
を含み、前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、前記レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含み、前記加熱冷却装置は、前記取付具締付及びセンタリング組立部品と結合されて前記レール頭部の上方に配置され、前記加熱冷却装置は、前記レール溶接部の影響部を加熱するための加熱部と、前記レール溶接部の影響部を冷却するための冷却部とを含む、レール溶接部処理装置。
【請求項２】
前記加熱部は、熱を発生するための複数の誘導コイルを含み、前記冷却部は、冷却流体が流れて前記レール溶接部の外面に向かう複数の流路を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、互いに離された一対の前記嵌め込み部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記嵌め込み部は、互いに離された一対の嵌め込みアームと、該一対の嵌め込みアーム間の距離を変化させるための調節装置とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記加熱冷却装置は、一対の前記嵌め込み部の間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記誘導コイルは、前記レール溶接部処理装置が第１及び第２のレールの間に形成されたレール溶接部の周りに配置された際に、レール方向に沿って及び／又は直交して配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記流路は、前記誘導コイルの間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
第１のレールと第２のレールとの間に形成されたレール溶接部を処理するための方法であって、該方法は、
前記レール溶接部の形成に続いて前記レール溶接部の一部を初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで加熱することと、ここで該中間温度は、前記レール溶接部内の一部の材料をオーステナイトに変態できる高さであり、
前記レール溶接部及び溶接熱影響部（ＨＡＺ）内に結果として生じるパーライト構造を形成するようにして、前記レール溶接部を前記中間温度から最終温度まで冷却することと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記パーライト構造は、前記第１のレール又は前記第２のレールに形成されたパーライト構造と一致する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記レール溶接部を冷却することは、前記レール溶接部の外面の上方に流体を流すことを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記流体は、空気又は空気と水との霧の一方である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記レール溶接部を冷却することは、調節された冷却速度を用いて実施される、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記レール溶接部を加熱することは、１０℃／秒〜５００℃／秒の速度で実施される、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記レール溶接部の一部は、前記レール溶接部の外面から深さ５ｍｍ〜２０ｍｍまで広がる、請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記結果として生じるパーライト構造は、前記第１のレール又は前記第２のレールと概ね均質である、請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
前記レール溶接部を加熱することは、誘導加熱を用いて行われる、請求項８に記載の装置。
【請求項１７】
前記レール溶接部を加熱することは、前記レール溶接部の形成直後に行われる、請求項８に記載の装置。
【請求項１８】
レール溶接部と該レール溶接部周囲の第１のレール及び第２のレールとでの影響部を処理するための方法であって、該方法は、
前記レール溶接部の外面の周りにレール溶接部処理装置を付けることと、
前記レール溶接部処理装置を用いて前記レール溶接部の一部を初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで加熱することと、ここで該中間温度は、前記影響部の鋼の一部をオーステナイトに変態できる高さであり、
前記レール溶接部処理装置を用いて前記レール溶接部を前記中間温度から最終温度まで冷却することと、
前記レール溶接部内に結果として生じるパーライト構造を形成することと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記レール溶接部処理装置は、レールのレール頭部に嵌る取付具締付及びセンタリング組立部品と、前記取付具締付及びセンタリング組立部品と結合されて前記レール頭部の上方に配置される加熱冷却装置とを含み、前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、前記レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含み、前記加熱冷却装置は、前記レール溶接部の外面を加熱するための加熱部と、前記レール溶接部の外面を冷却するための冷却部とを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記結果として生じるパーライト構造は、前記第１のレール又は前記第２のレールと概ね均質である、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
現在、レール摩耗及び回転接触疲労（ＲＣＦ）性能の向上に伴って、フラッシュバット及びテルミットタイプの両方のレール溶接部が、現代の線路によって使用される連続的に溶接されたレールに必要とされる保守の原因となっている。レール溶接部は、２つの元となるレールを１つに溶接する際に形成される接合である。レール溶接部の製作は、対向するレールが１つに融合される又は接合される位置に融合線を生じる。レール溶接部の製作はまた、融合線のいずれかの側に形成されて、元のレールに見られるパーライトの微細構造から変化する微細構造を有する溶接熱影響部（ＨＡＺ）を生じる。溶接ＨＡＺのパーライトでない微細構造は、元のレールの機械的特性と本質的に異なる機械的特性を備えた退化パーライト又は球状化した微細構造から成る。ノースプラット近くのユニオンパシフィック鉄道の走行路において採取された、示された溶接の欠陥の最初の評価では、ネブラスカ州は、図１に示されたような溶接ＨＡＺ、並びに溶接ＨＡＺの存在からもたらされる微細構造及び機械的特性における不均一は、レール溶接部及びその周囲での欠陥形成の要因であることを確認した。
【０００２】
図１を参照すると、２つのレール間に形成された溶接金属の輪郭を描いたワンパス溶接部又はレール溶接部の断面が、レール溶接部を取り囲む溶接ＨＡＺと共に示されている。レール溶接部からの距離に応じて生じる熱的条件が変化するため、溶接ＨＡＺは、４つもの異なる領域、１）結晶粒粗大化ＨＡＺ、２）結晶粒微細化ＨＡＺ、３）臨界間ＨＡＺ、及び４）未臨界ＨＡＺ、からなり得る。溶接ＨＡＺ内のこれらの領域はそれぞれ、各領域を独特にする微細構造並びに関連する機械的及び物理的特性を有する。
【０００３】
結晶粒粗大化ＨＡＺでは、その形成の間に達したピーク温度は、おおよそ２０００〜２７００゜Ｆ（１０９０〜１４８０℃）の範囲である。冶金学的用語でこの温度囲を説明する別の方法は、それはレールの上部臨界変態温度よりかなり上から固相線温度の下にまで亘る。結晶粒粗大化ＨＡＺにおいて生じる次の２つの主な冶金学的状態がある。１）微細構造は、大部分がオーステナイトである、及び２）オーステナイトが上部臨界変態温度よりかなり上で生成されることにより、粒子の成長が起こることがあり、そして多くの場合に起こる。粒子の成長の量は、ピーク温度及びその温度での時間に依存する。すなわち、ピーク温度が高くかつその温度での時間が長くなるほど、オーステナイトの粒子がより大きく成長する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
次の２つの重要な冶金学的帰結が、結晶粒粗大化ＨＡＺにおいて生じる。１）オーステナイトが生成するので、冷却でのマルテンサイトへの変態の可能性があり、そこではマルテンサイトは、その延性、靱性の欠如、及び冷間割れへの脆弱性により、望ましくない変態生成物である。２）オーステナイトの粒子サイズが成長するにつれて、結果として起こる室温の微細構造は同様に影響されて、低温切欠（シャルピー）靭性が大きく変化する。すなわち、粒子サイズが大きいほど、切欠靭性が低くなる。
【０００５】
溶接ＨＡＺで形成された球状化した微細構造は、元のレール、特に熱処理された高品質のレールよりも小さい最大１５０のブリネル硬さを有したフェライトのマトリックスにおけるセメンタイトの球体から成る。形成された球状化した微細構造は、レール溶接部を形成する時に用いられる加熱及び冷却法から生じた溶接ＨＡＺにおいて、弱くなった機械的特性をもたらす。溶接ＨＡＺ及びその周囲において形成される望ましくない微細構造を低減又は排除することができるレール溶接部処理を見いだすことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、レール溶接部とレール溶接部周囲のレールとでの影響部並びにその周りにおいて生じる微細構造を改善するレール溶接部処理装置が提供される。その装置は、限定ではないが、レールのレール頭部に嵌るための取付具締付及びセンタリング組立部品と、取付具締付及びセンタリング組立部品に結合されてレール頭部の上方に配置される加熱冷却装置とを含む。取付具締付及びセンタリング組立部品は、レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含む。加熱冷却装置は、レール溶接部の影響部を加熱するための加熱部と、その影響部を冷却するための冷却部とを含む。
【０００７】
１つの態様では、第１及び第２のレールの間に形成されたレール溶接部を処理する方法が提供される。その方法は、限定ではないが、レール溶接部の形成に続いてレール溶接部の一部を初期温度から初期温度より高い中間温度に加熱することと、結果として生じるパーライト構造をレール溶接部内に形成するために中間温度から最終温度に冷却することとを含む。中間温度は、レール溶接部内の一部の材料をオーステナイトに変態させるのに十分に高い温度である。
【０００８】
１つの態様では、レール溶接部とレール溶接部周囲の第１及び第２のレールとでの影響部を処理する方法が提供される。その方法は、限定ではないが、レール溶接部処理装置をレール溶接部の外面の周りに付けることと、その溶接処理装置を用いてレール溶接部の一部を初期温度から初期温度より高い中間温度に加熱することと、その溶接処理装置を用いてレール溶接部を中間温度から最終温度に冷却すること、結果として生じるパーライト構造をレール溶接部内に形成することとを含む。中間温度は、影響部内の鋼の一部をオーステナイトに変態させるのに十分に高い温度である。
【０００９】
本発明の範囲は添付の請求項のみによって定められ、この課題を解決するための手段の記載によって影響されない。
【００１０】
本発明は、以下の図面及び記載を参照することによって、より良く理解されることができる。図での構成要素は、必ずしも縮尺で製図されておらず、位置を定める代わりに本発明の原理を図解することを重要視したものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】溶接金属の輪郭を描いたワンパス溶接及び溶接ＨＡＺの断面図を示す。
【図２】本発明の一実施形態での、レール頭部を有する第１のレール及びレール頭部に取り外し可能に嵌められたレール溶接部処理装置の側面図を示す。
【図３】本発明の一実施形態での、レール頭部を有する第１及び第２のレール及びレール頭部に取り外し可能に嵌められたレール溶接部処理装置の平面図を示す。
【図４】微細構造の白い部分はフェライトであり、微細構造の暗い部分はセメンタイトである、粗いパーライトの微細構造の拡大された断面図を示す。
【図５】本発明の一実施形態での、レール頭部を有する第１及び第２のレール及びレール頭部に取り外し可能に嵌められたレール溶接部処理装置の斜視図を示す。
【図６】微細構造の白い部分はフェライトであり、微細構造の暗い部分はセメンタイトである、細かいパーライトの微細構造の拡大された断面図を示す。
【図７】レール溶接部の溶接ＨＡＺでの球状化した又は退化したパーライトの微細構造の拡大された断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明と一致した方法及びシステムは、レール溶接部及びその周囲において生じる微細構造を改善して機械的特性を改善するために設計されたレール溶接部処理装置を使用することにより、従来のレール溶接部の不利益を克服する。好ましくは、レール溶接部処理装置はまた、溶接直後の溶接ＨＡＺの大きさを少なくし、又はレール溶接部及びその周囲において機械的特性を改善するために溶接に続いて影響部を再加熱する。溶接直後の溶接ＨＡＺの処理は局所加熱及び冷却によりされることができ、この局所加熱及び冷却は、レール溶接部が形成された時の潜熱を含んでも含まなくてもよい。
【００１３】
図２、３、５を参照すると、第１のレール１７０と第２のレール１８０と間に形成されたレール溶接部１６０及びその周囲において生じる微細構造を改善して機械的特性を改善するためのレール溶接部処理装置１００が示されている。第１のレール１７０及び第２のレール１８０は、締結装置、枕木及び道床に加えて下層の路盤と共に、線路又は軌道において走行路の一部を形成する。好ましくは、レール１７０、１８０は、例えば０．７０〜１．１０重量％の炭素及び９９．３〜９８．９重量％の鉄を含有する鋼などのレール材料から形成されている。好ましくは、レール１７０、１８０を形成する際、それらはオーステナイトの微細構造を形成するために０℃〜７００℃の範囲の第１の温度から８００℃〜１３５０℃の範囲の第２の温度まで加熱され、それに続いて急冷される。第２の温度範囲まで加熱したら、それらは次に細かいパーライトの微細構造を形成するために、７００℃〜２０℃の第３の温度範囲まで冷却される。
【００１４】
レールを作ったら、そのレールを線路又は軌道の走行路の一部を形成するために用地に据え付ける。据え付け時に、レール１７０、１８０は、木材又はプレストレスコンクリートなどの枕木によって支持されるタイプレート上に支持される。枕木が砕石などの道床の上に置かれて、締結装置がレール１７０、１８０を枕木に締結する。レール１７０、１８０は、走行する鉄道又は他の軌道車両に走行路を提供する。レール１７０、１８０は、非常に高い応力を受けるので、好ましくは鋼で作られ、好ましくは真空脱ガス処理を含む最新の製鋼を実施することで製造された非常に高品質な鋼合金で作られる。
【００１５】
第１のレール１７０は、軌道車両の車輪が乗る外面１７３を有するレール頭部１７２と、タイプレートの上に載って締結装置によって枕木に結合されるレール足部１７６と、レール頭部１７２をレール足部１７６に接続するレール腹部１７４とを含む。第２のレール１８０は、軌道車両の車輪が乗る外面１８３を有するレール頭部１８２と、タイプレートの上に載って締結装置によって枕木に結合されるレール足部１８６と、レール頭部１８２をレール足部１８６に接続するレール腹部１８４とを含む。
【００１６】
第１のレール１７０は、レール溶接部１６０によって第２のレール１８０に接続される。レール溶接部１６０は、第１のレール１７０と第２のレール１８０との間の接合部を形成する。レール溶接部１６０は、第１のレール１７０及び第２のレール１８０を融解及び融合により一つにするために、最初に第１のレール１７０が第２のレール１８０と接続する部分の周辺を、１３５０℃〜１５５０℃の範囲の初期温度に加熱することによって形成される。
【００１７】
レール溶接部１６０が形成されると、溶接ＨＡＺ１６２がレール溶接部１６０及びその周囲に形成され得る。レール溶接部１６０は、溶接ＨＡＺ１６２に望ましくない微細構造を含む。望ましくない微細構造は、溶接ＨＡＺ１６２の外側のレール１７０、１８０での領域の機械的特性と比べて、溶接ＨＡＺ１６２での機械的特性を弱くするいずれかの微細構造である。溶接ＨＡＺ１６２及びレール溶接部１６０での望ましくない微細構造は、図４に示されるような粗いパーライトの微細構造、及び図７に示されるような球状化された微細構造のような退化パーライトの微細構造を含む。望ましくない微細構造は、レール溶接部１６０、及びレール１７０、１８０の一部における溶接ＨＡＺ１６２の機械的特性を弱くする。粗いパーライトの微細構造は、細かいパーライトの微細構造と同じ層状構造を有し、薄層（薄層の長さ及び幅）の大きさのみで相違する。
【００１８】
退化パーライトの微細構造は、薄層における変化を含み、図７に示されたような非層状の球状構造のように、もはや薄層が連続していない。非層状の球状構造、又は単なる球状構造は、第１及び第２のレール１７０、１８０の周囲領域、特にレール１７０、１８０の外面１７３、１８３からレール１７０、１８０の外面１７３、１８３の下の深さｄ1にかけて広がるレール１７０、１８０の強化領域よりも小さい最大１５０のブリネル硬さを有したフェライトのマトリックスにおけるセメンタイトの球体から成る。形成され得る望ましくない微細構造は、レール１７０、１８０の周囲領域より小さなブリネル硬さ１５０までレール溶接部１６０及び溶接ＨＡＺ１６２における機械的特性を弱くし、レール溶接部１６０を形成する際に用いられる加熱及び冷却法から生じ得る。
【００１９】
望ましい微細構造は、溶接ＨＡＺ１６２における機械的特性が、溶接ＨＡＺ１６２の外側のレール１７０、１８０における領域の機械的特性と同じであるか又はそれより大きいように、溶接ＨＡＺ１６２における機械的特性を強化するいずれかの微細構造である。溶接ＨＡＺ１６２及びレール溶接部１６０における望ましい微細構造は、図６に示される細かいパーライトの微細構造を含み、それは好ましくはレール１７０、１８０の周囲領域、特にレール１７０、１８０の外面１７３、１８３からレール１７０、１８０の外面１７３、１８３の下の深さｄ1にかけて広がるレール１７０、１８０の強化領域の微細構造と一致する。
【００２０】
層間は、変態曲線の突出部に向けてのパーライト減少のオーステナイトの変態温度に従って、粗いパーライトから細かいパーライトに連続的に変化するようである。好ましくは、薄層間での細かいパーライトの層間は、１μｍ未満であり、好ましくは０．５μｍ未満である。層間のこの大きさでは、フェライト／セメンタイトの薄層はもはや光学顕微鏡で解像可能でなく、そして図６に示すように光学顕微鏡での細かいパーライトは、平行な交互の薄層が表れずに、均一に黒く見える。望ましい微細構造は、レール１７０、１８０の周囲領域の硬さ、特にレール１７０、１８０の強化領域より小さいが、ブリネル硬さ１５０より大きい、等しい、又は以上である硬さを有する。
【００２１】
図２、３、５を参照して、レール溶接部処理装置１００は、取付具締付及びセンタリング組立部品と、取付具締付及びセンタリング組立部品１１０に結合された加熱冷却装置１３０とを含む。取付具締付及びセンタリング組立部品１１０は、第１のレール１７０のレール頭部１７２及び／又は第２のレール１８０のレール頭部１８２に嵌る。好ましくは、取付具締付及びセンタリング組立部品１１０は、取り外し可能にかつしっかりとレール頭部１７２及び／又はレール頭部１８２に嵌り、レール頭部の処理領域１７２及び／又は１８２の全体に亘って均一な加熱及び冷却処理を提供するために、レール溶接部１６０の上方に加熱冷却装置１３０を、調節ねじ又は同様の装置の使用によってセンタリングする機能を提供する。
【００２２】
好ましくは、取付具締付及びセンタリング組立部品１１０は、レール頭部１７２に取り外し可能に嵌る第１の嵌め込み部１１２と、好ましくはレール頭部１８２に取り外し可能に嵌る第１の嵌め込み部１１２から離れた第２の嵌め込み部１１８とを含む。嵌め込み部１１２、１１８は、加熱冷却装置１３０のような第１の部材を、レール１７０、１８０などの第２の部材に取り外し可能に結合して、固定して取り付けることができるいずれかの装置であり、例えば磁性締結や、ねじ、クランプ、ばね、及びピンなどの機械結合、流体継ぎ手、並びに接着剤などの化学締結のような装置を含む。一実施形態では、それぞれの嵌め込み部１１２、１１８は、それぞれ一対の嵌め込みアーム１１４、１２０及び調節装置１１６、１２２を含む。一対の嵌め込みアーム１１４、１２０中の各嵌め込みアーム１１４、１２０は、レール頭部１７２、１８２の両側に配置され、取付具締付及びセンタリング組立部品１１０及び加熱冷却装置１３０をレール１７０、１８０にしっかりと固定するために、好ましくはレール頭部１７２、１８２のそれぞれに対してしっかりと締まるように設計される。好ましくは、調節装置１１６、１２２は、一対の嵌め込みアーム１１４、１２０において、嵌め込みアーム１１４、１２０に向かうように又は離れるように嵌め込みアーム１１４、１２０のそれぞれを動かす能力を提供する。調節装置１１６、１２２は、ねじ、レバー、歯車、又はピンなどにすることができる。嵌め込みアーム１１４、１２０は、細かいパーライトの微細構造の生成を助けるために、レール頭部１７２、１８２の冷却を促進するような材料で作られても又は作られなくてもよく、レール頭部１７２、１８２の冷却を促進するような冷却通路１５０を含んでも又は含まなくてもよい。
【００２３】
加熱冷却装置１３０は、取付具締付及びセンタリング組立部品１１０に結合され、レール頭部１７２、１８２の上、特にレール頭部１７２、１８２の外面１７３、１８３の上方に配置される。好ましくは、加熱冷却装置１３０は、第１及び第２のレール１７０、１８０の間に形成されるレール溶接部１６０の上方に配置され、好ましくはレール溶接部１６０の外面１６１の上方に配置され、好ましくは影響部２００の上方に配置される。好ましくは、加熱冷却装置１３０は、一対の嵌め込み部１１２、１１８の間に配置される。好ましくは、加熱冷却装置１３０は、５０ｍｍ〜４００ｍｍ、より好ましくは７５ｍｍ〜３７５ｍｍ、最も好ましくは１００ｍｍ〜３００ｍｍの長さＬ1を有する。好ましくは、加熱冷却装置１３０と取付具締付及びセンタリング組立部品１１０とを含むレール溶接部処理装置１００は、７０ｍｍ〜５００ｍｍ、より好ましくは１００ｍｍ〜４５０ｍｍ、最も好ましくは１５０ｍｍ〜４００ｍｍの全長Ｌ2を有する。
【００２４】
図２を参照して、好ましくは、加熱部１４０は熱を、そして冷却部１５０は冷却流体１５４を、レール溶接部１６０並びに第１及び第２のレール１７０、１８０の影響部２００に向ける。好ましくは影響部２００は、図３、５に示されるように、レール溶接部１６０を中心にして両方のレール１７０、１８０にレール溶接部１６０から離れてレール方向ｄrに広がる。図２を参照して、影響部２００はまた、レール１７０、１８０に第１の深さｄ1で広がる。好ましくは、第１の深さｄ1は、レール１７０、１８０において２ｍｍ〜３０ｍｍ、より好ましくは４ｍｍ〜２５ｍｍ、最も好ましくは５ｍｍ〜２０ｍｍである。影響部２００は、レール溶接部１６０並びに第１及び第２のレール１７０、１８０の一部であり、それは図７に示されるような、レール溶接部１６０、ＨＡＺ１６２並びに第１及び第２のレール１７０、１８０の機械的特性を弱くする、形成される望ましくない微細構造を含み、そのような望ましくない微細構造からなり、又はそのような望ましくない微細構造から基本的になるレール溶接部１６０の形成にすぐに続く。
【００２５】
加熱冷却装置１３０は、初期温度から中間温度まで、影響部２００の一部、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を加熱し、及び／又はレール１７０、１８０の一部を加熱するための加熱部１４０を含む。好ましくは、加熱部１４０は、初期温度から中間温度まで、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を加熱し、及び／又はレール１７０、１８０の一部を加熱することができる。ここで、ＨＡＺ１６２の一部は、外面１７３、１８３及びレール１７０、１８０の一部を含むことができる。好ましくは、加熱部１４０は、１０℃／秒〜５００℃／秒の速さで、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を加熱し、及び／又はレール１７０、１８０の一部を加熱することができる。
【００２６】
初期温度は、レール溶接部１６０の形成直後又はレール溶接部１６０の形成後の影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部の温度である。初期温度では、影響部２００は、形成されてレール溶接部１６０、ＨＡＺ１６２並びに第１及び第２のレール１７０、１８０の機械的特性を弱くする望ましくない微細構造を含み、そのような望ましくない微細構造からなり、又はそのような望ましくない微細構造から基本的になる。初期温度は、好ましくは０℃〜７００℃、より好ましくは２０℃〜５００℃、最も好ましくは２０℃〜２００℃の範囲である。
【００２７】
中間温度は、加熱部１４０から影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部に熱を加えた後の影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部の温度である。中間温度では、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部は、加熱部１４０を用いて形成されるオーステナイトの微細構造を含むか、そのようなオーステナイトの微細構造からなるか、又はそのようなオーステナイトの微細構造から基本的になり、そこでの急冷がレール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、並びに第１及び第のレール１７０、１８０の機械的特性を強くする。中間温度は、好ましくは８４０℃〜１３００℃、より好ましくは１０００℃〜１２５０℃、最も好ましくは１１００℃〜１２５０℃の範囲である。レール溶接部１６０の形成直後の時間は、好ましくは５秒〜６００秒、より好ましくは２０秒〜５００秒、最も好ましくは３０秒〜３００秒で変化する。レール溶接部１６０の形成後の時間は、３６００秒以上にし得る。
【００２８】
加熱部１４０は、熱を発生することができるいずれの装置も含み得る。例えば、誘導コイルなどのいずれかの電磁加熱装置、火炎発生装置、バーナー若しくは溶接トーチなどのいずれかの化石燃料による加熱装置、いずれかの天然ガス若しくはガスによる加熱装置、電磁波による加熱装置、電気ヒータ若しくはアーク溶接などのずれかの電気加熱装置、又は流体を加熱すること及び／若しくはその流体を別の装置に誘導することができるいずれかの装置である。一実施形態では、加熱部１４０は、誘導コイル１４２を含み、好ましくは複数の誘導コイル１４２を含み、レール方向ｄrに沿って及び／又は直交して配置可能である。誘導コイル１４２を使用することによって、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部に誘導される熱量は、正確に制御並びに変更されることができる。加えて、必要とされる処理時間は、火炎発生の加熱方法に比べて減少される。
【００２９】
加熱冷却装置１３０はまた、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２に、及び／又はレール１７０、１８０の一部に生じるパーライトの微細構造を形成するために、中間温度から最終温度まで、影響部２００の一部、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を冷却し、及び／又はレール１７０、１８０の一部を冷却するため冷却部１５０を含む。好ましくは、冷却部１５０は、中間温度から最終温度まで、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を冷却し、及び／又はレール１７０、１８０の一部を冷却することができる。ここで、ＨＡＺ１６２の一部は、外面１７３、１８３及びレール１７０、１８０の一部を含むことができる。
【００３０】
図４を参照すると、最終温度への冷却後に、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部を含む影響部２００において、本発明によって生成されたパーライトの微細構造の顕微鏡写真が示される。図４に示される白い部分は、炭素含有に対してほぼ純鉄であるフェライトを示し、一方で図４に示される黒い部分は、おおよそ６．６７重量％の炭素を有するセメンタイトを示す。
【００３１】
最終温度は、冷却部１５０により影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部を冷却後に、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部で結果として生じる温度である。最終温度では、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部は、冷却部１５０を用いた後に形成されるパーライトの微細構造を含むか、そのようなパーライトの微細構造からなるか、又はそのようなパーライトの微細構造から基本的になり、これはレール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、並びに第１及び第のレール１７０、１８０の機械的特性を強くする。最終温度は、好ましくは５００℃〜７００℃、より好ましくは４００℃〜６００℃、最も好ましくは３００℃〜５００℃の範囲である。
【００３２】
冷却部１５０は、別の装置を冷却することができるいずれの装置も含み得る。例えば、いずれかの電磁冷却装置、いずれかの冷媒による冷却装置、バルブ、流路などの冷却された流体を別の装置に誘導することができるいずれかの装置、又はファンである。一実施形態では、冷却部１５０は流路１５２を含み、好ましくは複数の流路１５２を含み、好ましくはレール方向ｄrに沿って配置され、そして好ましくは誘導コイル１４２の間に配置されて、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部に向けられる。冷却流体１５４は、流路１５２を通って、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部に誘導される。好ましくは、冷却流体１５４は、例えば圧縮空気供給用の多岐管のような流体供給に接続され得る流入口１５６を通って加熱冷却装置１３０に入る。冷却流体１５４は、その温度が中間温度未満、好ましくは最終温度未満であるいかなる流体にもし得る。好ましくは、冷却流体１５４の温度は、０℃〜２００℃、より好ましくは１０℃〜１００℃、最も好ましくは２０℃〜５０℃の範囲である。好ましくは、冷却流体１５４は、空気、水、若しくは空気と水の霧状混合物などのガス及び／又は流体を含む。冷却流体１５４と共に流路１５２を使用することによって、影響部２００の冷却速度は、正確に制御及び変更されることができる。
【００３３】
図２、３、５を参照して、作動中にレール溶接部処理装置１００は、影響部２００の一部、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部を局所的に加熱し、そしてそれに続いて冷却をすることができる。好ましくは、レール溶接部処理装置１００は、第１のレール１７０と第２のレール１８０との間に形成されたレール溶接部１６０を、影響部２００の他の部分と共に処理するために使用されることができる。好ましくは、レール溶接部処理装置１００は、レール１７０、１８０が設置される場所又は位置で、好ましくはレール溶接部１６０を形成後に使用される。影響部２００の他の部分と共にレール溶接部１６０を処理する方法は、レール１７０、１８０の外面１７３、１８３下の処理の最適な深さｄtに基づいて実施するために、３０秒〜５分、好ましくは３０秒〜１２０秒を必要とし得る。好ましくは、処理の最適な深さｄtは、レール１７０、１８０の外面１７３、１８３下の影響部２００全体を完全に含んで処理するために第１の深さｄ1より大きい。しかし、処理の最適な深さｄtは、第１の深さｄ1と等しいか又はそれより小さくすることができ、それによって影響部２００の全て又は一部が処理される。
【００３４】
影響部２００の他の部分と共にレール溶接部１６０を処理する方法は、レール１７０、１８０、特に影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部を初期温度から中間温度に急速に加熱することによって開始され、好ましくは加熱部１４０、好ましくは誘導コイル１４２から発生された熱によって加熱される。好ましくは、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部を初期温度から中間温度に加熱するために必要とされる時間は、５秒〜６０秒、より好ましくは５秒〜３０秒、最も好ましくは５秒〜２０秒である。
【００３５】
好ましくは、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部は、レール１７０、１８０において、特に影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部においてオーステナイト又はオーステナイト系材料を形成するために、レール１７０、１８０が構成されるレール材料のオーステナイトの範囲である初期温度から中間温度まで加熱される。好ましくは中間温度は、更なる退化又は球状化された微細構造を形成することによって隣接したレール鋼の微細構造に悪い影響を与え得る、加熱部１４０のすぐ近くに隣接した外面１７３、１８３及びレール１７０、１８０への熱伝達を避けるために、おおよそ８００℃〜１３５０℃である。
【００３６】
次に、レール１７０、１８０、特に影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部に形成されたオーステナイト系材料は、影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部において、図４に示されるような細かいパーライトの微細構造を形成するように、好ましくは空気又は空気／水の霧を用いて、中間温度から最終温度に冷却される。細かいパーライトの微細構造は、好ましくは影響部２００の外側であるレール１７０、１８０の非影響部と一致する。中間温度から最終温度までの冷却速度は、過度の冷却によって形成され得るマルテンサイト若しくはベイナイト、又は遅い冷却によって形成され得る粗いパーライトなどのいかなる望ましくない微細構造をも避けるように調節されることができる。粗いパーライトは中間温度からの遅い冷却によってもたらされるが（焼きなまし又は焼きならし）、細かいパーライトは、一般的に加速冷却によってもたらされる。初期温度から中間温度までの影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部の急速加熱は、レール材料の臨界若しくは未臨界加熱から生じ得る影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部における望ましくない退化パーライト又は球状化された微細構造の形成を最小化又は排除する。
【００３７】
初期温度から中間温度までの影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２の加熱、及び／又はレール１７０、１８０の一部の加熱は、加熱部１４０によってされることができる。中間温度から最終温度までの影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２の冷却、及び／又はレール１７０、１８０の一部の冷却は、冷却部１５０によってされることができる。加熱部１４０及び冷却部１５０は、単一の加熱冷却装置１３０に組み合わされても、別々の装置であってもよい。
【００３８】
一実施形態では、レール溶接部処理装置１００は、レール１７０、１８０の外面１７３、１８３上又は上方で、レール溶接部１６０の上方に配置され、好ましくはレール１７０、１８０を加熱及び冷却するために、レール溶接部１６０及び溶接ＨＡＺ１６２の上方を中心にして配置される。外面１７３、１８３、レール１７０、１８０、好ましくは影響部２００、レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２、及び／又はレール１７０、１８０の一部の上又は上方にレール溶接部処理装置１００を設置したら、レール溶接部処理装置１００は、レール溶接部１６０の上方を中心にして配置され、初期温度から中間温度までレール１７０、１８０の一部を加熱するために熱がレール１７０、１８０に加えられ、次に中間温度から最終温度までレール１７０、１８０の一部を冷却するためにレール１７０、１８０が冷却される。
【００３９】
レール処理の完了に続いて、レール溶接部処理装置１００はレール１７０、１８０から取り外され、レール１７０、１８０の研磨が必要とされないといったように、更なる処理の必要がない。レール溶接部１６０と溶接ＨＡＺ１６２との間における影響部２００での処理後の均質性は、影響部２００の外側でのレール１７０、１８０のレール材料に見られる均質性により匹敵し、影響部２００の外側でのレール１７０、１８０の非影響部と微細構造及び機械的特性において全く差異がないか又は極めて小さな差異である。
【００４０】
レール１７０、１８０の外面１７３、１８３における局所的な加熱、好ましくは誘導加熱の、それらの面１７３、１８３の制御された冷却と組み合わせての利用は、影響部２００の外側でのレール１７０、１８０の非影響部分とより均質性な影響部２００をもたらす。レール溶接部１６０、溶接ＨＡＺ１６２を、影響部２００の他の部分と共に処理する本発明の方法は、フラッシュバット又はテルミットレール溶接のいずれかにより生成され得るものよりも、著しく均質なオーステナイトの微細構造を生成するために設計される。影響部２００において本方法により生成された均質なオーステナイトの微細構造は、レール１７０、１８０の最初の形成において用いられた製造の冷却速度を模倣するために、制御冷却される。好ましくは冷却速度は、ほぼ影響部２００のみに、好ましくは処理の深さｄ1で作用するために周囲状況を考慮してコンピュータ制御される。影響部２００の最終的に生成される微細構造は、レール溶接部１６０において、さらに溶接ＨＡＺ１６２を含めてレール溶接部１６０に隣接して、レール１７０、１８０の向上された機械的特性及びそれによる向上された性能を提供するために、改善されて影響部２００の外側でのレール１７０、１８０の非影響部分とより均質になる。
【００４１】
開示の要約は、読み手が素早く技術的開示の本質を確かめることができるために提供される。それは、請求項の意味を解釈したり又は限定したりするために使用されないという理解を伴って提出される。加えて、上記の発明の詳細な説明では、様々な特徴が開示を合理化するために、種々の実施形態において１つにまとめられたことが理解され得る。この開示の方法は、請求項に記載された実施形態が、それぞれの請求項に明確に記載されたよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されない。むしろ、以下の請求項が示しているように、発明の対象は、１つの開示された実施形態の全ての特徴よりも少なくなっている。したがって、以下の請求項はこれによって発明の詳細な説明に取り入れられ、各請求項は、分離して請求された対象として、それ自体に基づいている。
【００４２】
本発明の種々の実施形態が開示されたが、本発明の範囲内で他の実施形態及び他の実施が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって本発明は、添付の請求項及びそれらの均等物を除いて限定されない。
【符号の説明】
【００４３】
１００      レール溶接部処理装置
１１０      取付具締付及びセンタリング組立部品
１１２      第１の嵌め込み部
１１４      嵌め込みアーム
１１６      調節装置
１１８      第２の嵌め込み部
１２０      嵌め込みアーム
１２２      調節装置
１３０      加熱冷却装置
１４０      加熱部
１４２      誘導コイル
１５０      冷却部、冷却通路
１５２      流路
１５４      冷却流体
１６０      レール溶接部
１６２      溶接ＨＡＺ
１７０      第１のレール
１７２      第１のレールのレール頭部
１７３      第１のレールの外面
１７４      第１のレールのレール腹部
１７６      第１のレールのレール足部
１８０      第２のレール
１８２      第２のレールのレール頭部
１８３      第２のレールの外面
１８６      第２のレールのレール足部
２００      影響部
ｄ1      第１及び第２のレールの第１の深さ
ｄr      レール方向
ｄt      第１及び第２のレールの最適な深さ
【図１】
2015507080.tif 000003
【図２】
2015507080.tif 000004
【図３】
2015507080.tif 000005
【図４】
2015507080.tif 000006
【図５】
2015507080.tif 000007
【図６】
2015507080.tif 000008
【図７】
2015507080.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月18日(2014.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール溶接部と該レール溶接部周囲のレールとでの影響部並びに該影響部の周りに生じる微細構造を改善するためのレール溶接部処理装置であって、該装置は、
レールのレール頭部に嵌る取付具締付及びセンタリング組立部品と、
加熱冷却装置と、
を含み、前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、前記レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含み、前記加熱冷却装置は、前記取付具締付及びセンタリング組立部品と結合されて前記レール頭部の上方に配置され、前記加熱冷却装置は、前記レール溶接部の影響部を加熱するための加熱部と、前記レール溶接部の影響部を冷却するための冷却部とを含む、レール溶接部処理装置。
【請求項２】
前記加熱部は、熱を発生するための複数の誘導コイルを含み、前記冷却部は、冷却流体が流れて前記レール溶接部の外面に向かう複数の流路を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、互いに離された一対の前記嵌め込み部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記嵌め込み部は、互いに離された一対の嵌め込みアームと、該一対の嵌め込みアーム間の距離を変化させるための調節装置とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記加熱冷却装置は、一対の前記嵌め込み部の間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記誘導コイルは、前記レール溶接部処理装置が第１及び第２のレールの間に形成されたレール溶接部の周りに配置された際に、レール方向に沿って及び／又は直交して配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記流路は、前記誘導コイルの間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
隣接した第１のレールと第２のレールとの間に形成されたレール溶接部を処理するための方法であって、該方法は、
前記レール溶接部を形成することと、
次に、前記レール溶接部の形成後に前記レール溶接部の一部、溶接熱影響部（溶接ＨＡＺ）、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの一部のみを初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで再加熱することと、ここで該中間温度は、再加熱された部分の一部を実質的にオーステナイトに変態できる高さであり、
次に、前記中間温度まで再加熱された前記レール溶接部の一部、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレール内に結果として生じるパーライト構造を形成するようにして、前記再加熱された部分を前記中間温度から最終温度まで冷却することと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記結果として生じるパーライト構造は、前記第１のレール又は前記第２のレールに形成されたパーライト構造と一致する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却することは、前記レール溶接部の外面、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの上方に媒体を流すことを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記媒体は、空気、水、又は空気と水との混合物からなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記冷却することは、調節された冷却速度を用いて実施される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記加熱することは、１０℃／秒〜５００℃／秒の速度で実施される、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
処理される部分は、前記レール溶接部、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの外面から深さ２ｍｍ〜３０ｍｍまで及ぶ、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記加熱することは、誘導加熱を用いて行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記加熱することは、前記レール溶接部からの余熱を部分的に利用して行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
レール溶接部での、溶接熱影響部（溶接ＨＡＺ）での、及び／又は前記レール溶接部周囲の隣接した第１のレールと第２のレールとでの影響部を処理するための方法であって、該方法は、
前記レール溶接部を形成することと、
次に、前記レール溶接部の外面の周りにレール溶接部処理装置を付けることと、
次に、前記レール溶接部処理装置を用いて前記レール溶接部の一部、溶接熱影響部（溶接ＨＡＺ）、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの一部のみを初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで再加熱することと、ここで該中間温度は、前記影響部の鋼の一部を実質的にオーステナイトに変態できる高さであり、
次に、前記レール溶接部処理装置を用いて再加熱された部分を前記中間温度から最終温度まで冷却することと、
前記中間温度まで再加熱された前記レール溶接部の一部、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレール内に結果として生じるパーライト構造を形成することと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記レール溶接部処理装置は、レールのレール頭部に嵌る取付具締付及びセンタリング組立部品と、前記取付具締付及びセンタリング組立部品と結合されて前記レール頭部の上方に配置される加熱冷却装置とを含み、前記取付具締付及びセンタリング組立部品は、前記レール頭部に取り外し可能に嵌る嵌め込み部を含み、前記加熱冷却装置は、前記レール溶接部の外面、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの一部を加熱するための加熱部と、前記レール溶接部の外面、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの一部を冷却するための冷却部とを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記結果として生じるパーライト構造は、前記第１のレール又は前記第２のレールと概ね均質である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記結果として生じるパーライト構造は、１μｍ未満の層間を備えた細かい層状のパーライトを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項２１】
前記層間は０．５μｍ未満である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記結果として生じるパーライト構造は、１μｍ未満の層間を備えた細かい層状のパーライトを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記層間は０．５μｍ未満である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
レール溶接部を処理するための方法であって、該方法は、
隣接した第１のレールと第２のレールとの間に前記レール溶接部を形成するステップと、
次に、前記レール溶接部の形成後に前記レール溶接部の一部、溶接熱影響部（溶接ＨＡＺ）、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールのレール頭部の一部のみを初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで再加熱するステップと、ここで該中間温度は、再加熱された部分の一部を実質的にオーステナイトに変態できる高さであり、
次に、前記中間温度まで再加熱された前記レール溶接部の一部、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールのレール頭部内に結果として生じるパーライト構造を形成するようにして、前記再加熱された部分を前記中間温度から最終温度まで冷却するステップと、
を含む、方法。
【請求項２５】
隣接した第１のレールと第２のレールとの間に予め形成されたレール溶接部を処理するための方法であって、該方法は、
前記レール溶接部の形成後に前記レール溶接部の一部、溶接熱影響部（溶接ＨＡＺ）、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレールの一部のみを初期温度から該初期温度よりも高い中間温度まで再加熱することと、ここで該中間温度は、再加熱された部分の一部を実質的にオーステナイトに変態できる高さであり、
次に、前記中間温度まで再加熱された前記レール溶接部の一部、前記溶接ＨＡＺ、及び／又は前記隣接した第１のレールと第２のレール内に結果として生じるパーライト構造を形成するようにして、前記再加熱された部分を前記中間温度から最終温度まで冷却することと、
を含む、方法。
【国際調査報告】
2015507080.tif 000010
2015507080.tif 000011
2015507080.tif 000012