(57)【要約】【課題】高い疲労強度を持つレール溶接部を得るために、作業が簡単で且つレール溶接工程に支障を与えることのないレール溶接部の疲労強度向上方法を提供する。【解決手段】レール１同士をテルミット溶接により余盛２を形成して溶接することでロングレールを作製するに際して、テルミット溶接部の余盛端からレール長手方向に各１００ｍｍ以内におけるレール表面温度が３００℃以下に低下した時期に、その範囲の表面を機械的な手段で凹ませて塑性加工（凹み加工部３を形成）し圧縮応力を与えることによりレール溶接部における疲労強度の向上を図る。【選択図】    図１
2007175707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール同士をテルミット溶接により余盛を形成して溶接することでロングレールを作製するに際して、
テルミット溶接部の余盛端からレール長手方向に各１００ｍｍ以内におけるレール表面温度が３００℃以下に低下した時期に、その範囲の表面を機械的な手段で凹ませて塑性加工し、圧縮応力を与える
ことを特徴とするレール溶接部における疲労強度向上方法。
【請求項２】
凹ませて塑性加工させる範囲内では、レール表面の凹み量が１ｍｍ以下である請求項１に記載のレール溶接部における疲労強度向上方法。
【請求項３】
凹ませて塑性加工する範囲は、余盛の一部又は全部に相当する位置に対するレール表面である請求項１に記載のレール溶接部における疲労強度向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール同士をテルミット溶接することでロングレールを作製する場合において、レール溶接部の疲労強度を向上させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道線路においては、列車の乗り心地の改善やスピードアップ、線路保守の効率化等を目的として、使用されているレール同士をテルミット溶接法により溶接することにより、短いレールを一体化してロングレールにすることが行われている。
【０００３】
鉄道線路で行われているレールのテルミット溶接方法は、次の手順で行われる。
先ず、図９に示すように、レール同士の端面を一定の隙間を開けて突き合わせた後、その隙間の周囲を珪砂で製造した耐火材で覆う。この耐火材には、レール１の端面、及び端面の周囲を確実に溶融するために高さ２〜１０ｍｍ、幅４０〜１００ｍｍの凸状の溶接余盛部が形成されている。
次に、隙間１００の内部を酸素・プロパンバーナーで約１０００℃に加熱した後、隙間１００上にテルミット反応用の坩堝１０２を配置し、坩堝１０２内にレール１と同じ化学組成になるように配合されたテルミット剤１０２を入れてテルミット反応を起こさせる。
【０００４】
そして、隙間１００にテルミット反応により生成させた２２００℃以上の高温の溶融金属を自動出湯栓１０４から流し込んで、隙間１００を溶融金属で充填することによりレール１同士の溶接を行う。
その後、列車車輪の接触するレール１の頭頂面と頭部両側面の溶接余盛りだけは、溶接部が高温の時に専用の熱間剪断器で除去し、更にグラインダー研磨で表面の凹凸だけを研磨除去し、以後、溶接部は１００℃以下の温度になるまで放冷される。
【０００５】
溶接部の温度が１００℃以下になった時点で、レール１の頭頂面と頭部両側面の仕上げ研磨が行われ、列車が支障なく通過できるようにレール頭部と同じ形状に仕上げられる。
最後に溶接部にキズがないかの検査を実施して作業を終了し、図１０に示すような溶接レールを得る。溶接レールにおいては、溶接後の溶接部１０５の腹部と底部は凸状の溶接余盛部２がついたままで使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したテルミット溶接方法で得られた溶接レールは、溶接部１０５のレール頭頂面と頭部両側面以外の部分のレール周囲においては凸状の溶接余盛２がついたままであるため、溶接部１０５に列車通過時の荷重が作用したとき、この溶接余盛２の端部に応力集中が発生し、疲労破壊が生じる場合があった。
【０００７】
疲労破壊が生じる部位は状況によって異なるが、例えば、列車輪重の大きい場合や列車速度が高速の場合は、レール足表部面の溶接余盛端に疲労破壊が発生する傾向があった。
また、通常の列車通過状況で新品レールと磨耗したレールを接合した溶接部を有している場合は、新品レール側のレール足表部の溶接余盛端に疲労破壊が発生する場合があった。
また、Ｒ３００ｍ以下の急カーブ区間でレールを傾けて敷設する場合は、レール顎下部の溶接余盛端に、列車輪重が２００ＫＮ以上と非常に大きい区間等では腹部余盛端に、それぞれ疲労破壊が発生する場合があった。
このため、溶接レールの溶接部において、溶接余盛端の疲労強度を上げるテルミット溶接方法が望まれていた。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、高い疲労強度を持つレール溶接部を得るために、作業が簡単で且つレール溶接工程に支障を与えることのないレール溶接部の疲労強度向上方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明の請求項１のレール溶接部における疲労強度向上方法は、レール同士をテルミット溶接により余盛を形成して溶接することでロングレールを作製するに際して、次の手順を含むことを特徴としている。
テルミット溶接部の余盛端からレール長手方向に各１００ｍｍ以内におけるレール表面温度が３００℃以下に低下した時期に、その範囲の表面を機械的な手段で凹ませて塑性加工（凹み加工部３を形成）し、圧縮応力を与える。
【００１０】
請求項２のレール溶接部における疲労強度向上方法は、請求項１において、凹ませて塑性加工させる範囲内では、レール表面の凹み量が１ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００１１】
請求項３のレール溶接部における疲労強度向上方法は、請求項１において、凹ませて塑性加工する範囲は、余盛の一部又は全部に相当する位置に対するレール表面であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
上述のレール溶接部における疲労強度向上方法によれば、溶接余盛端から１００ｍｍ以内のレール表面を凹ませて塑性変形させることで、その表面に圧縮残留応力を与えることができるので、溶接余盛端に列車通過時に引張応力が作用しても、この圧縮残留応力によりその引張応力値を軽減することができる。
これにより、より高い引張応力が作用しても溶接余盛端からの疲労亀裂の発生を防止する。
【００１３】
また、凹み加工は、当該箇所が３００℃以下になった時期に行う。これは、レール鋼の再結晶温度が３００〜４００℃にあるためで、再結晶温度より高い温度で残留応力を与えても、再結晶温度になった時にその値が変化するので、凹み加工の効果がない。これに対して、再結晶温度以下の時に凹み加工によって与えた残留応力は常温になってもほとんど変化しないためである。
【００１４】
すなわち、本発明方法によれば、レールのテルミット溶接が終了して溶接部近傍のレール表面温度が３００℃以下に冷却した時、テルミット溶接部の余盛端付近のレール表面を機械的な方法で凹ませて圧縮応力を与えることで、溶接のままでは引張残留応力であった箇所では、その引張残留応力を軽減させ、溶接のままでは圧縮残留応力であった箇所では、その圧縮残留応力をより増加させる。
このように、溶接部周囲のレール表面の残留応力を改善することにより、テルミット溶接部の疲労強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態の一例としてのレールのテルミット溶接部の疲労強度向上方法について、図１〜図８を参照しながら説明する。
本発明によるレール溶接部における疲労強度向上方法は、レール１同士の溶接部に対して凹み処理を行うことである。この凹み処理は、テルミット溶接工程の中で荒仕上げ研磨が終了した後に、テルミット溶接部の余盛端からレール長手方向へ１００ｍｍ以内のレール表面の部位について、温度が３００℃以下に低下した後に行われる。これは、再結晶温度以下の温度で凹み加工を行うことで、凹み処理によって与えた残留応力が常温になってもほとんど変化しないようにするためである。
【００１６】
凹み処理を行う位置は、図１に示すように、溶接されたレール１の溶接部１０５におけるテルミット溶接余盛２の両端からレール長手方向の外側へそれぞれ１００ｍｍ以内の部位において、頭頂部１ａ及び頭部両側面１ｂを除いた顎部、腹部等のレール周囲の凹み加工部３に対して行われる。
レール１の表面を凹ます方法としては、図２に示されるようなピーニングマシン４等を使用してレール１の表面に対する打撃や、図３に示されるような油圧シリンダー５の先端に取り付けられた圧子６をレール１の表面に押し付けることにより行われる。
【００１７】
凹み加工部３における凹み処理の深さは、ピーニングマシン４によるレール１の表面への打撃の場合では、打撃時間により制御することができる。また、油圧シリンダー５の圧子６で押し付ける場合では、使用する油圧圧力を制御することにより調整することができる。
なお、油圧シリンダー５で圧子６を押し付ける主な箇所は、ピーニングマシン４による打撃が難しいレール１の底面側である。その他のレール１の凹み加工部３へはピーニングマシン４により行われる。
【００１８】
なお、凹み加工は、溶接部の放冷時期内である３００℃以下の時に行うので、溶接作業に支障を与えることはない。また、凹み加工工具も市販のピーニングマシンや油圧シリンダーを使用するので、特別な装置を準備することなく容易に行うことができる。
【００１９】
また、凹み加工に際しては、レール１の硬度やピーニングマシン４の打撃力とその打撃工具の先端形状、及び油圧シリンダー５の油圧力とその圧子６の先端形状も考慮される。
残留応力値が分かっているレール（炭素量０．７％）に凹み加工をした時の凹み深さと加工幅を５，２５，１００ｍｍと変化させた場合（油圧シリンダーによる場合は加工幅が５ｍｍに固定）のレール長手方向の残留応力値との関係を表１に示す。
【００２０】
【表１】
2007175707.tif 000003
【００２１】
表１より、いずれの加工幅の凹み加工処理においても、引張残留応力（元の残留応力）が圧縮残留応力（加工後の残留応力）に改善されたことがわかる。
また、テルミット溶接部余盛端近傍のレール表面の残留応力と、テルミット溶接部疲労強度の関係は、図４のようになっている。したがって、表１のピーニングマシンの打撃により深さ０．１ｍｍの凹み加工を施した場合、２００．９ＭＰａの引張残留力が１８６．２ＭＰａの圧縮残留応力になるが、これは図４から８４．３ＭＰａの疲労強度向上に相当する。
【００２２】
表１の結果を元に、凹み深さ０．１ｍｍで幅５ｍｍの凹み加工を、図１のように溶接余盛端の全周（凹み加工部３）に施したテルミット溶接部の実物疲労試験を、表２に示すような各疲労条件（３点曲げで溶接部の底部を引張疲労、３点曲げで溶接部のあご下を引張疲労）で複数の試験片（各４つ）に対して実施したところ、従来、疲労破壊を起こしていた試験条件（２５４．８ＭＰａ又は２０５，８ＭＰａの応力を加えた場合）において、いずれの試験片においても疲労破壊は発生しなかった。
このように、凹み深さ０．１ｍｍで幅５ｍｍの条件で凹み加工を施せば、疲労強度を大幅に改善することができた。また、表１から明らかなように、凹み深さと幅を増加すれば、一層の疲労強度の向上を図ることができる。
【００２３】
【表２】
2007175707.tif 000004
【００２４】
なお、表１中で、ピーニングマシン４による打撃、及び油圧シリンダー５で圧子６を押し付けて凹み加工を行うに際して、凹み深さを１ｍｍ以上にすると、レール１に亀裂等の傷が発生する場合があるので適さない。
また、油圧シリンダー５で圧子６を押し付ける場合、幅１０ｍｍ以上の凹み加工を施すと、同様にレール１に亀裂等の傷が発生する場合があるので適さない。これは、レール１を構成するレール鋼が高炭素鋼であるため素材の変形能力が低いためである。
【００２５】
本発明のレール溶接部の疲労強度向上方法で行われる凹み加工位置は、実際にレール溶接部の敷設されている状況に応じて変わる（塑性加工する範囲は、余盛の一部又は全部に相当する位置に対するレール表面である。）。例えば、溶接部底部に疲労損傷の発生が危惧される条件、すなわち、列車自重の大きい場合、通過車両数の多い場合、列車速度が高速の場合等には、図５に示す如くレール１の腹部と底部のみに凹み加工（凹み加工部３の形成）が行われる。
【００２６】
また、凹み加工深さと幅は、溶接したレールの強度に応じて選択される。つまり、敷設区間に断面寸法が大きなレールが敷設されている場合では、レールの剛性が大きくなるため溶接部に作用する応力が少なくなる。この時にはレール１の凹み加工部３において少ない凹み加工深さと幅が加工される。
これに対して、断面寸法の小さなレールが敷設されている場合では、レールの剛性が小さいため溶接部に作用する応力が大きくなる。この時は、レール１の凹み加工部３において比較的大きい凹み深さと幅が加工される。
【００２７】
また、溶接底部上面に疲労損傷の発生が危惧される条件、つまり通常の列車通過区間で、磨耗したレール１と新レール１０とを溶接する場合は、列車の通過する頭頂面を水平にして溶接を行うので（図６を参照）、レール高さの差の分だけレール底部に段違いが生じる。このような溶接部では、列車通過時に新レール１０側のレール底部上面の余盛端に大きな応力集中が発生する。
この場合は、図６に示すように、新レール１０側のレール底部上面の余盛端だけに凹み加工（凹み加工部３の形成）が行われる。なお、凹み加工深さと幅は、前述したように溶接したレールの強度に応じて選択される。
【００２８】
また、レール顎下部の余盛端に疲労損傷の発生が危惧される条件、つまりＲ３００以下の急カーブ区間で溶接部を傾けて敷設する際には、列車車輪のフランジが当たらない側の溶接顎下の余盛端に大きな応力集中が発生する。
この場合は、図７に示すように、レール１の顎下の余盛端だけに凹み加工（凹み加工部３の形成）が行われる。なお、凹み加工深さと幅は、前述したように溶接したレールの強度に応じて選択される。
【００２９】
また、溶接腹部に疲労損傷の発生が危惧される条件、つまり列車自重が非常に大きく、溶接部の腹部余盛端に大きな応力集中が発生する区間では、図８に示すように、レール１の両側の腹部の余盛端だけに凹み加工（凹み加工部３の形成）が行われる。なお、凹み加工深さと幅は、前述したように溶接したレールの強度に応じて選択される。
【００３０】
上述したレール溶接部の疲労強度向上方法によれば、溶接部余盛端付近のレール表面の凹み加工は、従来と同様の溶接施工工程の中でレール溶接工程に支障を与えることなく容易に実施でき、且つ、溶接部の残留応力を大幅に改善することができる。これにより、溶接部の疲労強度が大幅に改善され、従来発生していた溶接部の疲労損傷を防ぐことができた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のレール溶接部における疲労強度向上方法で凹み加工を施したレール溶接部の斜視説明図である。
【図２】本発明のレール溶接部における疲労強度向上方法においてピーニングマシンを使用して凹み加工を行う場合のレール溶接部分の概略説明図である。
【図３】本発明のレール溶接部における疲労強度向上方法において油圧シリンダーの圧子を使用して凹み加工を行う場合のレール溶接部分の概略説明図である。
【図４】テルミット溶接部余盛端近傍のレール表面の残留応力と、テルミット溶接部疲労強度の関係を示すグラフ図である。
【図５】レール溶接部底部に疲労損傷が危惧される場合における凹み加工の加工処理位置の例を示すレール断面説明図である。
【図６】レール溶接底部上面に疲労損傷が危惧される場合における凹み加工の加工処理位置の例を示すレール断面説明図である。
【図７】レール顎下部の余盛端に疲労損傷が危惧される場合における凹み加工の加工処理位置の例を示すレール断面説明図である。
【図８】レール溶接腹部に疲労損傷が危惧される場合における凹み加工の加工処理位置の例を示すレール断面説明図である。
【図９】テルミット溶接の概略を説明するためのレール溶接部の正面説明図である。
【図１０】テルミット溶接後のレール溶接部の状態を示す斜視説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  レール
２  溶接余盛
３  凹み加工部
４  ピーニングマシン
５  油圧シリンダー
６  圧子
７  支柱
１００  隙間
１０１  モールド
１０２  坩堝
１０３  テルミット溶剤
１０４  自動出湯栓
１０５  溶接部
【図１】
2007175707.tif 000005
【図２】
2007175707.tif 000006
【図３】
2007175707.tif 000007
【図４】
2007175707.tif 000008
【図５】
2007175707.tif 000009
【図６】
2007175707.tif 000010
【図７】
2007175707.tif 000011
【図８】
2007175707.tif 000012
【図９】
2007175707.tif 000013
【図１０】
2007175707.tif 000014