(57)【要約】【課題】超音波探傷法によりレールボンド接続部の健全性を容易に検査することができるレールボンド接続部の検査方法を提供する。【解決手段】レールボンド接続部６と反対側のレール腹部４ａから超音波をレールボンド接続部６に向けて入射させ、このレールボンド接続部６の接合面７で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レール４の材料とレールボンド接続部６の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面７の面積が目標とする接合面積に対して８０％以上である場合に、レールボンド接続部６の健全性が良好と判定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール腹部あるいはレール頭側面に取り付けられたレールボンド接続部を検査するレールボンド接続部の検査方法であって、
前記レールボンド接続部と反対側のレール腹部あるいはレール頭側面から超音波を前記レールボンド接続部に向けて入射させ、このレールボンド接続部の接合面で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レールの材料とレールボンド接続部の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるかを検査することを特徴とするレールボンド接続部の検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレールボンド接続部の検査方法であって、
前記レール腹部あるいはレール頭側面からの反射波の反射エコー高さを１００％に感度調整しておき、
前記レールボンド接続部の接合面で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レールの材料とレールボンド接続部の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面の面積が、目標とする接合面積に対して８０％以上である場合に、レールボンド接続部の健全性が良好と判定することを特徴とするレールボンド接続部の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道の信号回路を形成あるいは帰線電流を流すためのレールボンドの接続部の健全性を検査するレールボンド接続部の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レールボンド接合用のろう材は主としてSn-Zn系合金であり、レール腹部あるいはレール頭側面にレールボンドは本ろう材を用いてろう付けされている。しかし、極まれにレールボンドが脱落し、信号回路が遮断されるために、列車の通行を阻害する場合がある。
これは、ほとんどの場合、レールボンド接続部の接合不良により接合面積が過小のために列車通過時の発生応力あるいは振動等により脱落するものである。
この接合不良を防止する目的で、特許文献１に開示されているアークろう付け法、あるいは非特許文献１に開示されている銅テルミット法等がある。
【特許文献１】特開２００３−１９５５４号公報
【非特許文献１】新線路、第５４巻、第５号、（２０００）、Ｐ３７−３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記アークろう付け法及び銅テルミット法の２つの技術においては、いずれも施工面からの対策のみで接合不良を回避しようとしている。施工法の改善のみでは、１００％の信頼性を確保することは困難であることは周知の事実である。このため、通常の工業製品は検査によりその健全性が確認されている。
しかし、レールボンド接続部に関して、検査により健全性を評価しようといった試みは現在までなされていない。
これは、通常同種金属の溶接部に対しては超音波が透過し、欠陥からのみエコーが反射するため（底面エコー等の材料端部からのエコーは除く）その健全性が判断できたが、異種金属の溶接による接合部の場合、健全な界面であっても超音波が反射されエコーとして検出されるため、その判定が容易でなかったためである。
【０００４】
また、上記の２つの技術は、低温ろう付けによる接合の場合に比して、レールを高温まで加熱する必要がある。低温ろう付けの場合は２５０℃程度に加熱すればよいのに対して、アークろう付け法では５００℃以上、銅テルミット法では変態温度（約７００℃）以上に加熱される。この場合、表面と周辺及び内部との温度差により熱応力に起因する残留応力が発生し、加熱箇所は引張応力が残留することとなる。この引張残留応力の存在は、列車通過時の発生応力及び衝撃に重畳される形で作用するためレールボンド接続部の損傷に至る原因となる。
したがって、レールボンドのレールに対する取り付けは、なるべくなら施工も容易で加熱温度も低い低温ろう付けによる接合を行いたいが、上述したように、レールボンド接続部に関して、検査により健全性を評価しようといった試みは現在までなされておらず、健全性が不明であり、また、上記２つの技術の場合でも、レールボンド接続部の健全性を検査した方が、高い信頼性を確保するうえで好ましい。
【０００５】
そこで、本発明者がレールボンド接続部の検査において超音波探傷法を利用できないかと鋭意研究を重ねた結果、レールボンド接続部の接合面で反射してくる反射波の反射エコー高さがある設定値以下であり、かつ、その設定値以下の反射波を反射した接合面の面積が、目標とする接合面積に対してある一定以上である場合は、レールボンド接続部の健全性を良好と判定できるという知見を得るに至った。
【０００６】
本発明は上記知見に基いてなされたものであり、超音波探傷法によりレールボンド接続部の健全性を容易に検査することができるレールボンド接続部の検査方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、例えば図１〜図３に示すように、レール腹部４ａあるいはレール頭側面に取り付けられたレールボンド接続部６を検査するレールボンド接続部の検査方法であって、
前記レールボンド接続部６と反対側のレール腹部４ａあるいはレール頭側面から超音波を前記レールボンド接続部６に向けて入射させ、このレールボンド接続部６の接合面７で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レール４の材料とレールボンド接続部６の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面７の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるかを検査することを特徴とする。
【０００８】
ここで、健全な異材接合部からの反射エコーはそれぞれの音響インピーダンス（密度と音速の積）により決定されることは周知の事実である。材料１を伝播してきた音圧が材料２との界面に垂直入射するときの音圧反射率γ12は下記の式で示される。
γ12＝（Ｚ2−Ｚ1）／（Ｚ2＋Ｚ1）
Ｚ1：材料１の音響インピーダンス、Ｚ2：材料２の音響インピーダンス
この式によって、レールの材料と、レールボンド接続部の材料である低音ろう材（Sn-Zn系合金）の場合の音圧反射率を求めると、約３０％となる。
したがって、レールボンド接続部においては、超音波探傷法では約３０％より低い反射エコー高さは得られないとともに、約３０％の反射エコー高さが得られる領域（接合面）は健全な接続部であることが明らかである。このように健全なレールボンド接続部である場合、反射エコー高さは約３０％であるので、この値を基に実験により健全なレールボンド接続部である場合の反射エコー高さの上限値を求めて、この値を設定値とし、この設定値以下の反射波を反射したレールボンド接続部の接合面の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるかを検査する。
【０００９】
よって、請求項１に記載の発明によれば、レールボンド接続部の接合面で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レールの材料とレールボンド接続部の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるかを検査することによって、レールボンド接続部の健全性を容易に検査することができる。
【００１０】
ここで、レールボンド接続部の健全性の良否を判定する場合、前記設定値以下の反射波を反射したレールボンド接続部の接合面の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度の割合以上でれば健全であると判定できるかを実験により調査したところ、８０％以上である場合に、レールボンド接続部の健全性が良好と判定できた。
【００１１】
そこで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレールボンド接続部の検査方法であって、
前記レール腹部４ａあるいはレール頭側面からの反射波の反射エコー高さを１００％に感度調整しておき、
前記レールボンド接続部６の接合面７で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、レール４の材料とレールボンド接続部６の材料との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して８０％以上である場合に、レールボンド接続部６の健全性が良好と判定することを特徴とする。
【００１２】
したがって、請求項２に記載の発明によれば、設定値以下の反射波を反射したレールボンド接続部の接合面の面積が、目標とする接合面積に対して８０％以上である場合に、レールボンド接続部の健全性を容易かつ確実に良好と判定でき、また、８０％に満たなければ、健全性が不良と判定できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レールボンド接続部の接合面で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した前記接合面の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるか、例えば８０％以上であるか、またはそれに満たないかを検査することによって、レールボンド接続部の健全性の良否を容易に判定できる。
したがって、レールボンドの取り付け時にその品質が判断できるため、レール敷設後の巡回検査を必要とせず、レールボンド接続部の脱落による列車運行障害を無くすことができ、保守コスト及び信頼性向上に著しく寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
図１はレールボンド１の一例を示す側面図である。このレールボンド１は、銅より線からなる線状の導体２と、この導体２の両端部にそれぞれ取り付けられた端子３，３と、導体２と端子３の接続部を保護する保護銅帯３ａとから構成されている。
【００１５】
そして、図２および図３に示すように、レールボンド１の端子３がレール４のレール腹部４ａにろう材５によってろう付けされる。なお、ろう材５はSn-Zn系合金である。このようにろう材５を含んだ部分がレールボンド接続部６であり、レールボンド接続部６とレール腹部４ａとの界面がレールボンド接続部６の接合面７である。
【００１６】
本実施の形態では、レールボンド１の接続部６の健全性を超音波探傷法によって以下のようにして検査する。
まず、図２および図３に示すように、レールボンド接続部６と反対側のレール腹部４ａに垂直探触子１０を取り付け、この垂直探触子１０から超音波をレールボンド接続部６に向けて垂直に入射させ、このレールボンド接続部６の接合面７で反射してくる反射波を垂直探触子１０によって検出する。その際、反射波の反射エコー高さが、レール４の材料とレールボンド接続部６の材料（ろう材５の材料）との音圧反射率を基に設定される設定値以下の反射波を反射した接合面７の面積が、目標とする接合面積に対してどの程度であるかを検査する。レール４の材料とレールボンド接続部６の材料（ろう材５の材料）との音圧反射率は上述の式により求めると、約３０％となる。
したがって、超音波探傷法では約３０％より低い反射エコー高さは得られないとともに、約３０％の反射エコー高さが得られる領域（接合面）は健全な接続部であることが明らかである。
しかし、反射エコー高さはレールボンド接続部６の品質により、３０〜１００％の反射エコー高さが得られるために、その良否を判定することは困難である。
そこで、レールボンド接続部６の品質を実験により調査した。
【００１７】
この実験では、レールボンド接続部６を半径３００ｍの線区の外軌側継目部（レール腹部に取り付け、年間通トン：１３５０万トン）に取り付けて品質の調査を行った。
その結果を表１に示す。
なお、表１において、「良好な接続部領域」とは、レールボンド接続部６の接合面全体の面積（目標とする接合面積）に対する良好な接合面の面積の割合を示す。
また、「接続不良の領域」とは、レールボンド接続部６の接合面全体の面積に対する不良な接合面の面積の割合を示す。
平均反射エコー高さとは、レールボンド接続部６の接合面７で反射した反射波の反射エコー高さの平均値を示す。
【００１８】
【表１】
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この表１の結果によれば、平均反射エコー高さが３１％（発明例１）、３５％（発明例２）、３３％（発明例３）、３８％（比較例４）、３６％（比較例５）、３７％（比較例６）であれば、その反射波を反射した接合面７は良好であることが判る。
また、平均反射エコー高さが５０％（発明例１）、６５％（発明例２）、７２％（発明例３）、７６％（比較例４）、８１％（比較例５）、９２％（比較例６）であれば、その反射波を反射した接合面７は不良であることが判る。
そして、良好な接合面７からの、反射エコー高さは３１〜３８％であり、ある程度の幅をもっているので、良好な接合面７である場合の反射エコー高さの上限値３８％を設定値とする。なお、実験回数を多くした場合に、良好な接合面７からの、反射エコー高さが３１〜４０％である場合は、反射エコー高さの上限値４０％を設定値とする。
【００１９】
また、表１の結果によれば、前記設定値（４０％）以下の反射波を反射したレールボンド接続部６の接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して８３％（発明例１）、９２％（発明例２）、８３％（発明例３）であれば、レールボンド１の脱落が無いことが判る。また、前記設定値（４０％）以下の反射波であっても、反射したレールボンド接続部６の接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して６７％（比較例４）、４２％（比較例５）、３４％（比較例６）であると、８０％に比して格段に小さいので、レールボンドの脱落が有ることが判る。さらに、前記設定値（４０％）以上の反射波であり、反射したレールボンド接続部６の接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して３３％（比較例４）、５８％（比較例５）、６６％（比較例６）である場合もレールボンド１の脱落が有ることが判る。
【００２０】
したがって、本実施の形態では、設定値（４０％）以下の反射波を反射したレールボンド接続部６の接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して８０％以上でれば健全であると判定することにした。なお、目標とする接合面積とは、レールボンド１をろう材５によてレール腹部４ａにろう付けする際に、レールボンド接続部６の接合面７の全領域が良好な接合状態である場合の、その接合面７の全面積のことをいう。
【００２１】
このように本実施の形態では、レールボンド接続部６の接合面７で反射してくる反射波のうち、反射エコー高さが、音圧反射率を基に実験によって設定される設定値（４０％）以下の反射波を反射した接合面７の面積が、目標とする接合面積に対して８０％以上であるか、またはそれに満たないかを検査することによって、レールボンド接続部６の健全性の良否を容易に判定できる。
したがって、レールボンド１の取り付け時にその品質が判断できるため、レール敷設後の巡回検査を必要とせず、レールボンド接続部６の脱落による列車運行障害を無くすことができ、保守コスト及び信頼性向上に著しく寄与できる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、レールボンド接続部６と反対側のレール腹部４ａから超音波を入射したが、レールボンド接続部６がレール頭側面に取り付けられている場合、レールボンド接続部６と反対側のレール頭側面から超音波を入射すればよい。
また、本実施の形態では、ろう材５がSn-Zn系合金であるので、レール４の材料とレールボンド接続部６の材料（ろう材５）との音圧反射率を基に設定される設定値を４０％としたが、ろう材が異なる場合は、そのろう材とレールの材料との音圧反射率を基に設定値を設定すればよい。したがって、本発明は、アークろう付け法及び銅テルミット法によるレールボンド接続部の検査にも適用できる。
さらに、本発明を応用すれば、さらに簡易な検査によって不良となるレールボンド接続部を特定することができる。
表１には目標とする全接続部領域に対する平均反射エコー高さを併せて示したが、これは目標とする接続面積と同一面積の探触子で１回の探傷でレールボンド接続面からの反射エコー高さを測定した場合の値に相当する。
全接続部領域の８０％以上からの反射エコー高さが４０％以下となる場合を良判定した場合、このレールボンド接続部において全接続部領域に対する平均反射エコー高さは、最も高くなる場合で約５０％である。すなわち、これは目標とする接続部領域の８０％からの反射エコー高さの平均値が４０％、残り２０％からの反射エコー高さが１００％となる場合であり、これを目標とする全接続部領域で平均化した場合には約５２％となる。
このことから、良好な接合面からの反射エコー高さの上限値を４０％とした場合、全接続部領域に対する平均反射エコー高さが５０％を超える場合を、不良判定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るレールボンド接続部の検査方法が適用されるレールボンドの側面図である。
【図２】本発明に係るレールボンド接続部の検査方法を説明するもので、（ａ）はレール腹部にレールボンドをろう付けした状態を示す横断面図、（ｂ）は同側面図である。
【図３】本発明に係るレールボンド接続部の検査方法を説明するもので、レール腹部にレールボンドをろう付けした状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  レールボンド
２  導体
３  端子
４  レール
４ａ  レール腹部
５  ろう材
６  レールボンド接続部
７  接合面
１０  垂直探触子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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