レールのテルミット溶接方法及びロングレール
【課題】施工能率の高い２分割式鋳型を用いており、かつ溶接継手部の疲労性能が向上したレールのテルミット溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明は、２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、レール足部の表面３Ｂが該レール足部の底面３Ｂより２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内面に近くなるように、レールを２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内部に配置し、その後２分割式鋳型４Ａ，４Ｂにテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接する。レール足部の表面３Ｂを２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内面に密着させるのが好ましい。
【解決手段】本発明は、２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、レール足部の表面３Ｂが該レール足部の底面３Ｂより２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内面に近くなるように、レールを２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内部に配置し、その後２分割式鋳型４Ａ，４Ｂにテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接する。レール足部の表面３Ｂを２分割式鋳型４Ａ，４Ｂの内面に密着させるのが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２分割式鋳型を用いたレールのテルミット溶接方法及びロングレールに関する。特に本発明は、溶接継手部の疲労強度を向上させることができるレールのテルミット溶接方法及びロングレールに関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道レールの中で最も損傷の起こりやすく、保守コストがかかる部分はレール継目部である。また継目部は列車通過時に騒音振動の主要な発生源となる。旅客鉄道の高速化や貨物鉄道の高積載化が国内外で進められてきた過程で、上記問題点を有するレール継目を溶接によって連続化してロングレールとして使用する技術が一般化している。
【０００３】
列車の通過の際にレールには曲げ荷重が作用し、レール底部には引張応力が生じる。この応力は車輪の通過ごとに発生するため、レールには高い疲労強度が必要となる。特に断面形状や材質上の変化が避けられない溶接部では疲労強度は重要である。
【０００４】
図９は、レールの断面を示す図である。レールは、車輪との接触が生じるレール上部である頭部１、枕木に接地するレール下部である足部３、頭部１と足部３の中間の垂直部分である柱部２を有する。足部３の裏側をレール足裏３Ａとし、表側をレール足表３Ｂとする。レール足裏３Ａの範囲はレール底面の直線部、レール足表３Ｂは足部３の表面側の直線部及び足部３と柱部２の間の曲線部を含むこととする。以上のように定義された部分は、本明細書の全体に渡って適用される。
【０００５】
レールの溶接方法はフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接、テルミット溶接の４つが主な方法である。このうちフラッシュバット溶接及びガス圧接は装置が大がかりであり、溶接工場又は溶接基地における高能率な溶接法として採用されている。これらの溶接方法は圧接法で、軸方向の加圧によりレール断面が膨らむことで、ビードが形成される。このビードは溶接後の高温時に油圧バイトで削除される。このため列車通過時の際のビード止端部における応力集中はほとんど生じない。従ってこれらの溶接法による溶接継手の疲労強度は問題がない。
【０００６】
一方、エンクローズアーク溶接及びテルミット溶接は装置が小さく機動性が高いため、軌道現地での溶接方法として多用されている。これらのうちエンクローズアーク溶接は手棒によるマニュアル溶接であり、形成されるビードは小さく、溶接後に研磨除去される。このため列車通過時の際のビード止端部における応力集中はほとんど生じず、この溶接法による溶接継手の疲労強度も問題がない。
【０００７】
テルミット溶接法の溶接原理を説明する。テルミット溶接法は、アルミと酸化鉄の化学反応によって生成した溶鋼を溶接部に流し込んでレールを溶接する溶接法である。詳細には、溶接されるレールを２０〜３０ｍｍの端面間隙間を設けて対向設置し、このレール端面間の隙間を鋳型で取り囲み、テルミット反応によって生じた溶鋼をレール端面間の隙間に流し込んで溶接する。
【０００８】
テルミット溶接継手には図１０に示すような厚肉、幅広のビード１０がレール柱部と足部に形成され、それを残したまま実用に供される。ビード１０の形状は溶接材料の製造メーカによっても異なるが、厚みは５ｍｍ〜２０ｍｍ、幅は３０〜５０ｍｍ程度である。
【０００９】
テルミット溶接では多量の溶接金属が一気に注入される。このために溶融プールが大きく、凝固収縮量が大きい。この凝固収縮に見合う溶融金属を上方から供給するために太い、湯道すなわちビード部が必要となる。テルミット溶接は技術的には鋳造に近いため、テルミット溶接部には、鋳造物にしばしば発生する微少なピンホールや粗大介在物が生じることがある。厚肉のビード１０は、ピンホールや粗大介在物が溶接部の強度に影響しないようにする強度補償的な意味合いも持っている。また、型のビード１０を除去することは多大の労力を要する。このため、テルミット溶接では、レール柱部２、足部３のビードを残したまま使用される。
【００１０】
図１１に示す通り、テルミット溶接用鋳型は左右２分割の鋳型４Ａ、４Ｂから構成される２分割形式（図１１（Ａ）は断面概略図、（Ｂ）は正面概略図）と、左右鋳型４Ａ、４Ｂ及び底面鋳型４Ｃの３個の鋳型から構成される３分割形式（図１１（Ｃ）は断面概略図、（Ｄ）は正面概略図）があり、日本国内では２分割形式が主流である。２分割形式鋳型４Ａ、４Ｂはレール及び鋳型の製造寸法変動に対応するために、図１２に示すように鋳型のレールにはめ込む空間２２をレールの標準断面より幾分（１〜２ｍｍ）大きめに製作される。このため鋳型をレールにセットした際に、レールと鋳型の間に隙間が生じる。溶接の際に、この隙間に溶鋼が差し込むと図１３に示すような鋳バリ１１ａ、 １１ｂが生成する。従来のテルミット溶接工法では、鋳型をできるだけレール足裏側Ａに密着させてセットしていた。そのためレール足裏３Ａに対してレール足表３Ｂに厚い鋳バリが生じやすい。
【００１１】
従来において鋳型をレール足裏３Ａから密着させる理由は、漏れに対する配慮によるものと考えられる。すなわちレールと鋳型の隙間に溶鋼が入り込むと鋳バリを生じるが、溶鋼が鋳型の外面で留まらずに、さらに鋳型外まで漏れると溶接失敗につながる。鋳型とレールの隙間をレール足表３Ｂに多くなるように鋳型をセットしておけば、仮に溶鋼が漏れだしても発見しやすく、またレール足表３Ｂがレール足裏３Ａより位置が高いため静水圧が幾分低くなり、湯漏れ時の勢いが小さく、漏れ止めの対処を行いやすいという利点がある。
【００１２】
２分割式鋳型を使用したテルミット溶接継手の疲労試験を行うと、レール足表３Ｂの余盛付け根から疲労亀裂１４Ａが発生し、ある程度疲労亀裂１４Ａが進むと脆性的に破断する（図１４）。テルミット溶接部の疲労試験においてレール足表３Ｂから亀裂が生成する理由は、溶接残留応力が引張であることが主因であると考えられている。溶接残留応力は溶接後にレールが冷却する過程で、レール各部位の冷却速度が不均一であることにより生じる。テルミット溶接継手の残留応力の測定結果によると、レール足表３Ｂの付け根付近は例えば１００ＭＰａ前後の引張状態、レール足裏３Ａの中央部は例えば２５０ＭＰａ程度の圧縮状態となっている。車輪が通過する際など曲げ荷重が溶接継手に加えられた際に、力学的にはレール足裏３Ａに大きい引張応力が生じるが、残留応力により有効応力は小さくなる。一方、レール足表３Ｂは引張残留応力が存在するため有効応力は大きくなる。このため、レール足表３Ｂが疲労破壊に対して条件がより厳しくなると考えられる。なお、レール足の先端部分については圧縮残留応力が極めて高いことに加えて、荷重がかかった際にたわみを生じて応力が緩和するため、破断起点となることは少ない。
【００１３】
一方、３分割形式の鋳型はレールとの密着性がいく、鋳バリの生成は少ない。
【００１４】
従来技術としては以下のような技術が開示されている。２分割式鋳型を使用した標準的な溶接方法が特許文献１に開示されている。この方法に記載された器具、方法を採用することにより失敗なく安定してテルミット溶接が行うことができる。
【００１５】
また３分割式鋳型を使用した溶接方法が特許文献２に開示されている。その際に溶接ビードの止端部の曲率半径を滑らかにすることで、より疲労性能の優れた溶接継手を提供できるようになっている。
【００１６】
特許文献３には３分割鋳型形式で、溶接ビードの止端部の曲率半径を滑らかにし、さらにビードの厚みを低くすることで、より応力集中を軽減した、疲労性能の優れた溶接継手を提供できるようになっている。
【００１７】
【特許文献１】特公昭５３-２９６５０号公報
【特許文献２】特許第９００８１３号
【特許文献３】特許第９２０５４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献２および特許文献３の発明に関わる３分割式鋳型はレールとの密着性に優れており、鋳バリがほとんどでない溶接継手を提供することができる。しかしながら鋳型の個数が１個多いためにこれをセットするための治具が必要になり、また鋳型同士の接触部も1箇所増えることから、湯漏れに対する危険性が高まり、より注意深い鋳型のセットが必要となる。レール溶接工事は夜間の限定された列車運休時間帯に行われる。古レールの撤去、新レールの敷設後に溶接が行われる為、溶接に与えられる時間は限定されている。特に都市近郊の主要線区では終電が遅く、始発が早いため作業時間にはほとんど余裕がないと言われている。このため鋳型セットに時間がかかる３分割方式は施工能率という点で２分割方式に比べて不利である。
【００１９】
一方、２分割式鋳型でレールの溶接を行った場合、３分割式鋳型でレールの溶接を行った場合と比較して疲労特性が低かった。
【００２０】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、施工能率の高い２分割式鋳型を用いており、かつ溶接継手部の疲労性能が向上したレールのテルミット溶接方法及びロングレールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者が鋭意検討を行った結果、鋳バリがレール足部の表面に形成された場合、この鋳バリによって応力集中が生じ、レールの疲労特性を低下させることが見出された。レール足部の表面においては、レールの柱部から応力が伝達される際に柱部との境界部分に応力が集中するが、上記した鋳バリによる応力集中はこの現象と相乗効果を生じ、一層の疲労特性低下をもたらしていた。
【００２２】
本発明は上記した知見に基づいたものであり、その要旨は以下の通りである。
（Ａ）２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、
レールの足部の表面が該足部の底面より２分割式鋳型の内面に近くなるように、前記レールを前記２分割式鋳型の内部に配置し、
その後前記２分割式鋳型にテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接するレールのテルミット溶接方法。
【００２３】
（Ｂ）前記足部の表面を前記２分割式鋳型の内面に密着させることにより、前記足部の表面が前記足部の底面より前記２分割式鋳型の内面に近づける上記（Ａ）に記載のレールのテルミット溶接方法。
（Ｃ）溶接後の前記レールの足部の表面に生じる鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下にする上記（Ａ）又は（Ｂ）に記載のレールのテルミット溶接方法。
（Ｄ）前記レールの溶接部の３点曲げ疲労強度が２５０ＭＰａ以上となる上記（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか一つに記載のレールのテルミット溶接方法。
【００２４】
（Ｅ）少なくとも２本のレールをテルミット溶接方法によって溶接することにより製造されたロングレールであって、
溶接部において、足部の表面に形成された鋳バリが、前記足部の裏面に形成された鋳バリより小さいロングレール。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接してロングレールとした場合に、レール足部の表面に形成される鋳バリを小さく出来る為、ロングレールにおいて溶接継手部の疲労性能を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
まず本発明者らは、２分割式鋳型を用いたテルミット溶接方法で溶接されたレールにおいて、鋳バリが疲労強度に与える影響を見極めるために、レール足表とレール足裏の鋳バリの厚みを変化させて、疲労強度を評価した。レールの足表３Ｂの鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下とした場合、図２に示すように疲労亀裂の起点がレール足裏側に移行し、かつ図１に示すように疲労強度が増加した。足表３Ｂの鋳バリの厚さの低下に伴う疲労強度の向上は、鋳バリに起因した応力集中が軽減したためと考えられる。
【００２７】
この結果から、本発明者らは、２分割式鋳型をレールの足表３Ｂ側から密着させることにより、レール足表３Ｂ側に亀裂が発生する因子が軽減することで疲労強度最弱部での亀裂発生が抑えられ、疲労寿命が延伸することを見出した。より厳しい応力設定の疲労試験ではレール足裏３Ａ側に亀裂起点が生じるものの、疲労強度としては上昇していることになる。
【００２８】
次に、具体的な溶接方法について説明する。被溶接レールの端部を隙間を開けて対向させて真直ぐに設置する。隙間の大きさは、例えば２５ｍｍ±１ｍｍである。対向する被溶接レールの端面は鉛直方向、水平方向ともに一致していることが望ましいが、レール製造時の変動のためにレール断面形状がわずかにずれる場合がある。その場合には列車の車輪との接触が主に生じる、軌道内面側の直線性を確保するようにレールをセットする。
【００２９】
次に被溶接レールの端面間の隙間を２分割型の鋳型４Ａ、４Ｂで取り囲むように、被溶接レール及び鋳型４Ａ，４Ｂを配置する。このとき図３に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂの内面のレール接触面をレール足表３Ｂに密着するようにセットする。これにより、レール足表３Ｂがレール足裏３Ａより鋳型４Ａ、４Ｂの内面に近くなるように、被溶接レールが鋳型４Ａ、４Ｂの内部に配置される。このようにするのは、疲労亀裂の発生起点となっていたレール足表３Ｂに１ｍｍ以上の厚さの鋳バリが生じるのを避けるためである。なお、鋳型４Ａ、４Ｂとレールの寸法差によって生じる鋳型と被溶接レールの隙間はレール足裏３Ａ側に生じる。
【００３０】
次いで図４に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂを、レールに固定した治具１７及び鋳型カバー１６を用いて固定する。鋳型４Ａ、４Ｂをその会合面が正確に一致するように丁寧に装着する。鋳型４Ａ、４Ｂ内側の空間２２とレール端面間の隙間によって溶接金属が流し込まれる溶接空間が形成される。
【００３１】
なお、鋳型４Ａ、４Ｂの材質は耐火物であるが、一般的には硅砂ＳｉＯ２を水ガラスで結合したものを用いる。鋳型４Ａ、４Ｂの高温時の強度を確保するために、水ガラスに酸化鉄Ｆｅ2Ｏ3を配合してもよい。
【００３２】
また図５に示すように、溶鋼が反応ルツボ７Ａから溶接部に注入される際に、鋳型４Ａ、４Ｂに加わる衝撃を緩和するために、鋳型４Ａ、４Ｂ内に分流板６を取り付けることが望ましい。また図３に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂの被溶接レールに向いた面には溶接金属が充満してビードを形成する空間１３が設けられている。また、上方から注入された溶鋼がレール足部で停滞することなく上方に上昇するように、鋳型４Ａ、４Ｂのレール足表３Ｂに対応する位置に湯揚り１２が設けられている。湯揚り１２に溶鋼が流出することで、レール断面部に高温の溶鋼が次々に上方から流入し、レール足部３への入熱を大きくし、溶け込みを確実にすることができる。湯揚り１２に充満した溶鋼は凝固、冷却後に除去される。
【００３３】
上記したように、鋳型４Ａ，４Ｂと被溶接レールの間には、製造寸法の変動により隙間が生じることが避けられない。この隙間に溶接金属が侵入することにより鋳バリが生じる。本実施形態では、レール足表３Ｂがレール足裏３Ａより鋳型４Ａ、４Ｂの内面に近いため、鋳型４Ａ，４Ｂとレール足裏３Ａの間の空間から溶鋼が漏洩することを防ぐ必要がある。このためには、目地材を鋳型とレールの接触部分に充填することが有効である。目地材は耐火性であることが必要であり、硅砂ＳｉＯ２などの耐火物の混練物が有効である。
【００３４】
鋳型４Ａ，４Ｂをセットした後、溶接に先立って被溶接レール、鋳型４Ａ、４Ｂの乾燥、レールの十分な溶け込みを確保するために予熱を行う。予熱ガスはプロパンガスもしくはプロパン-酸素の混合ガスを用い、これらに点火して鋳型の注入口から燃焼炎を鋳型内に吹き込む。予熱の間は分流板６を取り外しておく必要がある。予熱が不十分であるとレール端面の溶け込みが不十分になることがあるため確実に行う必要がある。予熱時間は、例えば１．５〜２．５分間である。
【００３５】
テルミット反応を起こさせる溶剤は、酸化鉄と金属アルミ粉末を混合したものである。本発明においては使用する溶剤の配合は規定しないが、簡単に溶剤について説明を行う。酸化鉄と金属アルミの混合比率は、下記の反応式における化学量論比に概略一致している必要がある。
Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａｌ→２Ｆｅ＋Ａｌ２Ｏ３
３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ２Ｏ３
なお、溶接金属の成分調整用に、フェロマンガン、フェロシリコン、フェロクロム、フェロモリブデン、フェロバナジュームなどの鉄合金もしくは金属マンガン、金属クロムなどの純金属を適宜加えてもよい。また溶接金属の温度調整や金属量の調整のために金属鉄を配合してもよい。
【００３６】
テルミット溶剤の量は、反応によって生じる溶鋼が溶接空間を十分に満たすように設計される必要があり、通常は１０〜２０ｋｇの範囲である。
【００３７】
テルミット溶剤２３は図６に示すように反応ルツボ７Ａ内に装入される。反応ルツボ７Ａの材質はアルミナやマグネシアなどの耐火物を固形化したもので、下部がロート状になっているものが望ましい。テルミット反応は、花火状の反応開始材に点火して溶剤２３中に装入するか、バーナーを溶剤２３に直接当てて開始させることにより開始する。反応ルツボ７Ａは鋼製のケース７Ｂに設置されている。また反応ルツボ７Ａはレールに固定できるスタンド治具１８（図４）を用いて、溶接部近傍に配置される。スタンド治具１８はルツボ支持部分がスタンドを軸として回転可能であり、溶接準備中は退避し、溶接時に溶接部直上にセットできることが望ましい。
【００３８】
テルミット反応は１５ｓｅｃ〜３０ｓｅｃで完了し、反応ルツボ７Ａ内に溶鋼と溶融スラグが生成する。溶融スラグの主成分はアルミナであり、若干の未還元の酸化鉄を含んでいる。溶鋼と溶融スラグは比重差により反応ルツボ７Ａ内で上下に分離する。
【００３９】
反応生成物である溶鋼は、反応ルツボ７Ａ底部を開口することにより被溶接レールの端面間の隙間内に流し込まれる。反応ルツボ７Ａ底部の開口は、反応ルツボ７Ａ底部にあらかじめ装着した酸化物栓１５（図５参照）が溶融して開口する方法が一般的であるが、機械式のスライド弁や手動で反応ルツボ７Ａ底部に設けた溶鋼受け弁を開口する方法も採用可能である
【００４０】
反応ルツボ７Ａ底部が開口すると、まず溶鋼が被溶接レール端面と鋳型４Ａ，４Ｂ内面から構成される溶接空間に充満し、その上に溶融スラグが流入する。
【００４１】
溶鋼の注入後、凝固するまでの数分間は静置しておく。溶鋼が未凝固の状態でレールに力が加わると、割れなどの溶接欠陥を生じるためである。注入後の静置時間は３〜６分程度である。なお溶融スラグの凝固温度は溶鋼と同程度である。
【００４２】
完全に溶鋼が凝固した時期を見計らって、レール頭部１の余盛金属を熱間で除去する。余盛金属の除去はせん断刃を備えた油圧装置を用いて行いるのが一般的であるが、タガネとハンマーにより手動で、はつり落としてもよい。
【００４３】
その後、レール柱部２と足部３に鋳型４Ａ，４ｂがついている状態で、グラインダーによりレール頭部１の平滑研磨を施してもよい。柱部２と足部３から鋳型４Ａ，４Ｂがすぐに除去されない理由は、高温の時点では鋳型４Ａ，４Ｂが溶接部に焼き付いており、除去するのが困難だからである。３００℃程度まで溶接部が冷却されると、柱部２と足部３の鋳型の除去は容易になる。
【００４４】
さてレール溶接部の疲労強度は溶接方法によって差がある。工場や溶接基地での溶接方法として多用され、余盛ビードを除去して使用するフラッシュバット溶接継手、ガス圧接継手における２００万回疲労強度は３００ＭＰａ以上である。一方、現地溶接法であるエンクローズアーク溶接継手も同じくビードを除去して使用されるため疲労強度は比較的高い。しかしマニュアル溶接であるため、微少なスラグ巻き込み等が避けられないことから、２００万回疲労強度はやや変動があり、フラッシュバット溶接やガス圧接よりやや劣る２８０ＭＰａ程度である。
【００４５】
一方、現地溶接法として多用されるテルミット溶接継手は内部に微少な引け巣や粗大な介在物があるため、ビードを残したまま使用せざるを得ず、その止端部や鋳バリによる応力集中により、従来方法における疲労強度は最も低い２２０〜２４０ＭＰａ程度である。このため旅客鉄道において、例えば新幹線の高速区間などの重要区間ではテルミット溶接の使用が制限される場合がある。現地溶接として施工能率や技術の容易さなど、テルミット溶接はエンクローズアーク溶接に比べて利点が多い。テルミット溶接の使用制限が除かれるためには疲労強度の向上が必要である。本発明によれば、２５０ＭＰａ以上に改善させることが可能である。
【００４６】
以上説明したように、レール足表３Ｂに生成する鋳バリの最大厚さは疲労強度に影響する。鋳バリが厚くなるに従って、鋳バリによる応力集中が増大し、レールの疲労強度が低下する。本実施形態では、２分割式鋳型４Ａ，４Ｂを用いてレールをテルミット溶接するにあたり、鋳型４Ａ、４Ｂの内面のレール接触面をレール足表３Ｂに密着するようにする。これにより、溶接により製造されたロングレールにおいて、疲労亀裂の発生起点となっていたレール足表３Ｂに１ｍｍ以上の厚さの鋳バリが生じるのを防止でき、荷重繰り返し回数２００万回における疲労強度２５０ＭＰａ以上を達成することができる。
【実施例】
【００４７】
レールとしてＪＩＳ６０レールを用いて、２分割式鋳型４Ａ、４Ｂをレール足表３Ｂから密着させた場合（実施例）と、レール足裏３Ａから密着させた従来の方法（比較例）でそれぞれ６本の溶接継手を作成し疲労試験を行った。レールは同じ圧延チャンスの成品で断面の各寸法の変動が０．１ｍｍ以下であるものを用いた。
【００４８】
溶剤は質量％で酸化鉄６３％、金属アルミ粉末１９％、高炭素フェロマンガン８％、軟鋼スクラップ粉１０％を混合したものを使用した。溶剤全重量は１３．５ｋｇである。酸化鉄はＦｅ2Ｏ3とＦｅ3Ｏ4の混合でであり、鉄分が６８質量％、酸素が３２質量％である。酸化鉄と金属アルミの混合比率は、テルミット反応における化学量論比にほぼ一致している。高炭素フェロマンガンは質量％でＣが５％、Ｍｎが２０％で残量が不可避不純物及び鉄である。高炭素フェロマンガンの配合量は溶接金属のＣ、Ｍｎがそれぞれ０．６５質量％、０．９質量％になるように設定している。溶接金属の組成はほぼレール素材と同等である。軟鋼スクラップ粉は溶接金属の温度調整、金属量の調整のために使用しており、質量％で９９％が鉄で、Ｃを０．２％以下、Ｍｎを０．８％以下含んでいる。軟鋼スクラップ粉及び高炭素フェロマンガンのサイズは２〜４ｍｍの粒状で、酸化鉄と金属アルミのサイズは０．１〜２ｍｍの範囲に調整されている。
【００４９】
鋳バリの最も厚い部分の厚さを疲労試験前に測定した結果を表１に示す。鋳型４Ａ、４Ｂをレール足表３Ｂに密着させた本発明の方法ではレール足表３Ｂの鋳バリは薄く、逆にレール足裏３Ａの鋳張りが厚めとなる。反対にレール足裏３Ａに鋳型４Ａ、４Ｂを密着させる標準工法ではレール足表３Ｂの鋳バリは厚く、レール足裏３Ａの鋳バリが薄くなる。
【００５０】
疲労試験は鉄道レール溶接継手の一般的な疲労評価方法である３点曲げ試験で行った。図７はその負荷状況を模式的に示している。レールを正立姿勢で溶接部を中心にして、スパン１ｍの支持台２１Ａ、２１Ｂに置き、中央に治具２０で頭部１から繰り返し荷重を負荷する。図８は応力パターンの模式図で、最小荷重σｍｉｎを３０ＭＰａの一定にして、最大荷重σｍａｘを継手によって変化させ、レールが破断するまで繰り返し負荷を行った。繰り返し最大回数は２００万回、負荷速度は５Ｈｚとした。
【００５１】
疲労試験を実施した際の負荷応力範囲、破断の有無、破断回数、破断起点を表1に併せて示す。応力範囲を徐々に上げて行き、２００万回到達できる疲労強度を求めた。
【００５２】
【表１】
【００５３】
本発明の実施例であるレール足表３Ｂに鋳型を密着させた符号Ａ−１〜Ａ−６の継手群においては、応力範囲２６０ＭＰａまでのＡ−１〜Ａ−５では疲労破壊が起こらなかったが、Ａ−６の２７０ＭＰａではレール足裏３Ａ側から疲労亀裂が生じて途中破断した。本発明の方法による２００万回疲労強度は２６０〜２７０ＭＰａと判断できた。
【００５４】
これに対して、比較例である鋳型をレール足裏に密着させた符号Ｂ−１〜Ｂ−６の継手群においては、応力範囲２３０ＭＰａまでのＢ−１〜Ｂ−２では疲労破壊がおこらなかったが、２４０ＭＰａのＢ−３では途中破断した。破壊材の疲労亀裂はレール足表３Ｂ側に生じた。従来法による２００万回疲労強度は２３０〜２４０ＭＰａと判断できた。
【００５５】
以上より、本発明によってレール溶接部の疲労強度が従来と比較して向上することが示された。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】テルミット溶接継手の疲労性能の説明図
【図２】本発明におけるレール足部の疲労破面の例
【図３】本発明における２分割式鋳型のレール装着の説明図
【図４】鋳型、ルツボセットの説明図
【図５】テルミット溶接を説明する為の断面概略図
【図６】反応ルツボの説明図
【図７】疲労試験における負荷状態を示す模式図
【図８】疲労試験における負荷応力を示す模式図
【図９】レール部位の説明図
【図１０】テルミット溶接の継手外観
【図１１】２分割形式鋳型と３分割形式鋳型の説明図
【図１２】従来例における２分割式鋳型のレール装着の説明図
【図１３】鋳バリの説明図
【図１４】従来におけるレール足部の疲労破面の例
【符号の説明】
【００５７】
１…レール頭部
２…レール柱部
３…レール足部
３Ａ…レール足裏部
３Ｂ…レール足表部
４Ａ，４Ｂ…左右鋳型
４Ｃ…底面鋳型
５…レール端面間の隙間
６…分流板
７Ａ…ルツボ耐火物
７Ｂ…ルツボの鋼製ケース
８…溶融スラグ
９…溶鋼
１０…ビード
１１ａ、１１ｂ…鋳バリ
１２…鋳型の湯揚り
１３…鋳型のビードになる空間
１４Ａ、１４Ｂ…疲労破面
１５…ルツボの開口栓
１６…鋳型カバー
１７…鋳型セット治具
１８…ルツボのセット用スタンド治具
２０…疲労試験機の押し治具
２１Ａ、２１Ｂ…疲労試験機のレール支持
２２…鋳型のレールに装着される空間
２３…溶剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２分割式鋳型を用いたレールのテルミット溶接方法及びロングレールに関する。特に本発明は、溶接継手部の疲労強度を向上させることができるレールのテルミット溶接方法及びロングレールに関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道レールの中で最も損傷の起こりやすく、保守コストがかかる部分はレール継目部である。また継目部は列車通過時に騒音振動の主要な発生源となる。旅客鉄道の高速化や貨物鉄道の高積載化が国内外で進められてきた過程で、上記問題点を有するレール継目を溶接によって連続化してロングレールとして使用する技術が一般化している。
【０００３】
列車の通過の際にレールには曲げ荷重が作用し、レール底部には引張応力が生じる。この応力は車輪の通過ごとに発生するため、レールには高い疲労強度が必要となる。特に断面形状や材質上の変化が避けられない溶接部では疲労強度は重要である。
【０００４】
図９は、レールの断面を示す図である。レールは、車輪との接触が生じるレール上部である頭部１、枕木に接地するレール下部である足部３、頭部１と足部３の中間の垂直部分である柱部２を有する。足部３の裏側をレール足裏３Ａとし、表側をレール足表３Ｂとする。レール足裏３Ａの範囲はレール底面の直線部、レール足表３Ｂは足部３の表面側の直線部及び足部３と柱部２の間の曲線部を含むこととする。以上のように定義された部分は、本明細書の全体に渡って適用される。
【０００５】
レールの溶接方法はフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接、テルミット溶接の４つが主な方法である。このうちフラッシュバット溶接及びガス圧接は装置が大がかりであり、溶接工場又は溶接基地における高能率な溶接法として採用されている。これらの溶接方法は圧接法で、軸方向の加圧によりレール断面が膨らむことで、ビードが形成される。このビードは溶接後の高温時に油圧バイトで削除される。このため列車通過時の際のビード止端部における応力集中はほとんど生じない。従ってこれらの溶接法による溶接継手の疲労強度は問題がない。
【０００６】
一方、エンクローズアーク溶接及びテルミット溶接は装置が小さく機動性が高いため、軌道現地での溶接方法として多用されている。これらのうちエンクローズアーク溶接は手棒によるマニュアル溶接であり、形成されるビードは小さく、溶接後に研磨除去される。このため列車通過時の際のビード止端部における応力集中はほとんど生じず、この溶接法による溶接継手の疲労強度も問題がない。
【０００７】
テルミット溶接法の溶接原理を説明する。テルミット溶接法は、アルミと酸化鉄の化学反応によって生成した溶鋼を溶接部に流し込んでレールを溶接する溶接法である。詳細には、溶接されるレールを２０〜３０ｍｍの端面間隙間を設けて対向設置し、このレール端面間の隙間を鋳型で取り囲み、テルミット反応によって生じた溶鋼をレール端面間の隙間に流し込んで溶接する。
【０００８】
テルミット溶接継手には図１０に示すような厚肉、幅広のビード１０がレール柱部と足部に形成され、それを残したまま実用に供される。ビード１０の形状は溶接材料の製造メーカによっても異なるが、厚みは５ｍｍ〜２０ｍｍ、幅は３０〜５０ｍｍ程度である。
【０００９】
テルミット溶接では多量の溶接金属が一気に注入される。このために溶融プールが大きく、凝固収縮量が大きい。この凝固収縮に見合う溶融金属を上方から供給するために太い、湯道すなわちビード部が必要となる。テルミット溶接は技術的には鋳造に近いため、テルミット溶接部には、鋳造物にしばしば発生する微少なピンホールや粗大介在物が生じることがある。厚肉のビード１０は、ピンホールや粗大介在物が溶接部の強度に影響しないようにする強度補償的な意味合いも持っている。また、型のビード１０を除去することは多大の労力を要する。このため、テルミット溶接では、レール柱部２、足部３のビードを残したまま使用される。
【００１０】
図１１に示す通り、テルミット溶接用鋳型は左右２分割の鋳型４Ａ、４Ｂから構成される２分割形式（図１１（Ａ）は断面概略図、（Ｂ）は正面概略図）と、左右鋳型４Ａ、４Ｂ及び底面鋳型４Ｃの３個の鋳型から構成される３分割形式（図１１（Ｃ）は断面概略図、（Ｄ）は正面概略図）があり、日本国内では２分割形式が主流である。２分割形式鋳型４Ａ、４Ｂはレール及び鋳型の製造寸法変動に対応するために、図１２に示すように鋳型のレールにはめ込む空間２２をレールの標準断面より幾分（１〜２ｍｍ）大きめに製作される。このため鋳型をレールにセットした際に、レールと鋳型の間に隙間が生じる。溶接の際に、この隙間に溶鋼が差し込むと図１３に示すような鋳バリ１１ａ、 １１ｂが生成する。従来のテルミット溶接工法では、鋳型をできるだけレール足裏側Ａに密着させてセットしていた。そのためレール足裏３Ａに対してレール足表３Ｂに厚い鋳バリが生じやすい。
【００１１】
従来において鋳型をレール足裏３Ａから密着させる理由は、漏れに対する配慮によるものと考えられる。すなわちレールと鋳型の隙間に溶鋼が入り込むと鋳バリを生じるが、溶鋼が鋳型の外面で留まらずに、さらに鋳型外まで漏れると溶接失敗につながる。鋳型とレールの隙間をレール足表３Ｂに多くなるように鋳型をセットしておけば、仮に溶鋼が漏れだしても発見しやすく、またレール足表３Ｂがレール足裏３Ａより位置が高いため静水圧が幾分低くなり、湯漏れ時の勢いが小さく、漏れ止めの対処を行いやすいという利点がある。
【００１２】
２分割式鋳型を使用したテルミット溶接継手の疲労試験を行うと、レール足表３Ｂの余盛付け根から疲労亀裂１４Ａが発生し、ある程度疲労亀裂１４Ａが進むと脆性的に破断する（図１４）。テルミット溶接部の疲労試験においてレール足表３Ｂから亀裂が生成する理由は、溶接残留応力が引張であることが主因であると考えられている。溶接残留応力は溶接後にレールが冷却する過程で、レール各部位の冷却速度が不均一であることにより生じる。テルミット溶接継手の残留応力の測定結果によると、レール足表３Ｂの付け根付近は例えば１００ＭＰａ前後の引張状態、レール足裏３Ａの中央部は例えば２５０ＭＰａ程度の圧縮状態となっている。車輪が通過する際など曲げ荷重が溶接継手に加えられた際に、力学的にはレール足裏３Ａに大きい引張応力が生じるが、残留応力により有効応力は小さくなる。一方、レール足表３Ｂは引張残留応力が存在するため有効応力は大きくなる。このため、レール足表３Ｂが疲労破壊に対して条件がより厳しくなると考えられる。なお、レール足の先端部分については圧縮残留応力が極めて高いことに加えて、荷重がかかった際にたわみを生じて応力が緩和するため、破断起点となることは少ない。
【００１３】
一方、３分割形式の鋳型はレールとの密着性がいく、鋳バリの生成は少ない。
【００１４】
従来技術としては以下のような技術が開示されている。２分割式鋳型を使用した標準的な溶接方法が特許文献１に開示されている。この方法に記載された器具、方法を採用することにより失敗なく安定してテルミット溶接が行うことができる。
【００１５】
また３分割式鋳型を使用した溶接方法が特許文献２に開示されている。その際に溶接ビードの止端部の曲率半径を滑らかにすることで、より疲労性能の優れた溶接継手を提供できるようになっている。
【００１６】
特許文献３には３分割鋳型形式で、溶接ビードの止端部の曲率半径を滑らかにし、さらにビードの厚みを低くすることで、より応力集中を軽減した、疲労性能の優れた溶接継手を提供できるようになっている。
【００１７】
【特許文献１】特公昭５３-２９６５０号公報
【特許文献２】特許第９００８１３号
【特許文献３】特許第９２０５４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献２および特許文献３の発明に関わる３分割式鋳型はレールとの密着性に優れており、鋳バリがほとんどでない溶接継手を提供することができる。しかしながら鋳型の個数が１個多いためにこれをセットするための治具が必要になり、また鋳型同士の接触部も1箇所増えることから、湯漏れに対する危険性が高まり、より注意深い鋳型のセットが必要となる。レール溶接工事は夜間の限定された列車運休時間帯に行われる。古レールの撤去、新レールの敷設後に溶接が行われる為、溶接に与えられる時間は限定されている。特に都市近郊の主要線区では終電が遅く、始発が早いため作業時間にはほとんど余裕がないと言われている。このため鋳型セットに時間がかかる３分割方式は施工能率という点で２分割方式に比べて不利である。
【００１９】
一方、２分割式鋳型でレールの溶接を行った場合、３分割式鋳型でレールの溶接を行った場合と比較して疲労特性が低かった。
【００２０】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、施工能率の高い２分割式鋳型を用いており、かつ溶接継手部の疲労性能が向上したレールのテルミット溶接方法及びロングレールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者が鋭意検討を行った結果、鋳バリがレール足部の表面に形成された場合、この鋳バリによって応力集中が生じ、レールの疲労特性を低下させることが見出された。レール足部の表面においては、レールの柱部から応力が伝達される際に柱部との境界部分に応力が集中するが、上記した鋳バリによる応力集中はこの現象と相乗効果を生じ、一層の疲労特性低下をもたらしていた。
【００２２】
本発明は上記した知見に基づいたものであり、その要旨は以下の通りである。
（Ａ）２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、
レールの足部の表面が該足部の底面より２分割式鋳型の内面に近くなるように、前記レールを前記２分割式鋳型の内部に配置し、
その後前記２分割式鋳型にテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接するレールのテルミット溶接方法。
【００２３】
（Ｂ）前記足部の表面を前記２分割式鋳型の内面に密着させることにより、前記足部の表面が前記足部の底面より前記２分割式鋳型の内面に近づける上記（Ａ）に記載のレールのテルミット溶接方法。
（Ｃ）溶接後の前記レールの足部の表面に生じる鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下にする上記（Ａ）又は（Ｂ）に記載のレールのテルミット溶接方法。
（Ｄ）前記レールの溶接部の３点曲げ疲労強度が２５０ＭＰａ以上となる上記（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか一つに記載のレールのテルミット溶接方法。
【００２４】
（Ｅ）少なくとも２本のレールをテルミット溶接方法によって溶接することにより製造されたロングレールであって、
溶接部において、足部の表面に形成された鋳バリが、前記足部の裏面に形成された鋳バリより小さいロングレール。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接してロングレールとした場合に、レール足部の表面に形成される鋳バリを小さく出来る為、ロングレールにおいて溶接継手部の疲労性能を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
まず本発明者らは、２分割式鋳型を用いたテルミット溶接方法で溶接されたレールにおいて、鋳バリが疲労強度に与える影響を見極めるために、レール足表とレール足裏の鋳バリの厚みを変化させて、疲労強度を評価した。レールの足表３Ｂの鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下とした場合、図２に示すように疲労亀裂の起点がレール足裏側に移行し、かつ図１に示すように疲労強度が増加した。足表３Ｂの鋳バリの厚さの低下に伴う疲労強度の向上は、鋳バリに起因した応力集中が軽減したためと考えられる。
【００２７】
この結果から、本発明者らは、２分割式鋳型をレールの足表３Ｂ側から密着させることにより、レール足表３Ｂ側に亀裂が発生する因子が軽減することで疲労強度最弱部での亀裂発生が抑えられ、疲労寿命が延伸することを見出した。より厳しい応力設定の疲労試験ではレール足裏３Ａ側に亀裂起点が生じるものの、疲労強度としては上昇していることになる。
【００２８】
次に、具体的な溶接方法について説明する。被溶接レールの端部を隙間を開けて対向させて真直ぐに設置する。隙間の大きさは、例えば２５ｍｍ±１ｍｍである。対向する被溶接レールの端面は鉛直方向、水平方向ともに一致していることが望ましいが、レール製造時の変動のためにレール断面形状がわずかにずれる場合がある。その場合には列車の車輪との接触が主に生じる、軌道内面側の直線性を確保するようにレールをセットする。
【００２９】
次に被溶接レールの端面間の隙間を２分割型の鋳型４Ａ、４Ｂで取り囲むように、被溶接レール及び鋳型４Ａ，４Ｂを配置する。このとき図３に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂの内面のレール接触面をレール足表３Ｂに密着するようにセットする。これにより、レール足表３Ｂがレール足裏３Ａより鋳型４Ａ、４Ｂの内面に近くなるように、被溶接レールが鋳型４Ａ、４Ｂの内部に配置される。このようにするのは、疲労亀裂の発生起点となっていたレール足表３Ｂに１ｍｍ以上の厚さの鋳バリが生じるのを避けるためである。なお、鋳型４Ａ、４Ｂとレールの寸法差によって生じる鋳型と被溶接レールの隙間はレール足裏３Ａ側に生じる。
【００３０】
次いで図４に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂを、レールに固定した治具１７及び鋳型カバー１６を用いて固定する。鋳型４Ａ、４Ｂをその会合面が正確に一致するように丁寧に装着する。鋳型４Ａ、４Ｂ内側の空間２２とレール端面間の隙間によって溶接金属が流し込まれる溶接空間が形成される。
【００３１】
なお、鋳型４Ａ、４Ｂの材質は耐火物であるが、一般的には硅砂ＳｉＯ２を水ガラスで結合したものを用いる。鋳型４Ａ、４Ｂの高温時の強度を確保するために、水ガラスに酸化鉄Ｆｅ2Ｏ3を配合してもよい。
【００３２】
また図５に示すように、溶鋼が反応ルツボ７Ａから溶接部に注入される際に、鋳型４Ａ、４Ｂに加わる衝撃を緩和するために、鋳型４Ａ、４Ｂ内に分流板６を取り付けることが望ましい。また図３に示すように、鋳型４Ａ、４Ｂの被溶接レールに向いた面には溶接金属が充満してビードを形成する空間１３が設けられている。また、上方から注入された溶鋼がレール足部で停滞することなく上方に上昇するように、鋳型４Ａ、４Ｂのレール足表３Ｂに対応する位置に湯揚り１２が設けられている。湯揚り１２に溶鋼が流出することで、レール断面部に高温の溶鋼が次々に上方から流入し、レール足部３への入熱を大きくし、溶け込みを確実にすることができる。湯揚り１２に充満した溶鋼は凝固、冷却後に除去される。
【００３３】
上記したように、鋳型４Ａ，４Ｂと被溶接レールの間には、製造寸法の変動により隙間が生じることが避けられない。この隙間に溶接金属が侵入することにより鋳バリが生じる。本実施形態では、レール足表３Ｂがレール足裏３Ａより鋳型４Ａ、４Ｂの内面に近いため、鋳型４Ａ，４Ｂとレール足裏３Ａの間の空間から溶鋼が漏洩することを防ぐ必要がある。このためには、目地材を鋳型とレールの接触部分に充填することが有効である。目地材は耐火性であることが必要であり、硅砂ＳｉＯ２などの耐火物の混練物が有効である。
【００３４】
鋳型４Ａ，４Ｂをセットした後、溶接に先立って被溶接レール、鋳型４Ａ、４Ｂの乾燥、レールの十分な溶け込みを確保するために予熱を行う。予熱ガスはプロパンガスもしくはプロパン-酸素の混合ガスを用い、これらに点火して鋳型の注入口から燃焼炎を鋳型内に吹き込む。予熱の間は分流板６を取り外しておく必要がある。予熱が不十分であるとレール端面の溶け込みが不十分になることがあるため確実に行う必要がある。予熱時間は、例えば１．５〜２．５分間である。
【００３５】
テルミット反応を起こさせる溶剤は、酸化鉄と金属アルミ粉末を混合したものである。本発明においては使用する溶剤の配合は規定しないが、簡単に溶剤について説明を行う。酸化鉄と金属アルミの混合比率は、下記の反応式における化学量論比に概略一致している必要がある。
Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａｌ→２Ｆｅ＋Ａｌ２Ｏ３
３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ２Ｏ３
なお、溶接金属の成分調整用に、フェロマンガン、フェロシリコン、フェロクロム、フェロモリブデン、フェロバナジュームなどの鉄合金もしくは金属マンガン、金属クロムなどの純金属を適宜加えてもよい。また溶接金属の温度調整や金属量の調整のために金属鉄を配合してもよい。
【００３６】
テルミット溶剤の量は、反応によって生じる溶鋼が溶接空間を十分に満たすように設計される必要があり、通常は１０〜２０ｋｇの範囲である。
【００３７】
テルミット溶剤２３は図６に示すように反応ルツボ７Ａ内に装入される。反応ルツボ７Ａの材質はアルミナやマグネシアなどの耐火物を固形化したもので、下部がロート状になっているものが望ましい。テルミット反応は、花火状の反応開始材に点火して溶剤２３中に装入するか、バーナーを溶剤２３に直接当てて開始させることにより開始する。反応ルツボ７Ａは鋼製のケース７Ｂに設置されている。また反応ルツボ７Ａはレールに固定できるスタンド治具１８（図４）を用いて、溶接部近傍に配置される。スタンド治具１８はルツボ支持部分がスタンドを軸として回転可能であり、溶接準備中は退避し、溶接時に溶接部直上にセットできることが望ましい。
【００３８】
テルミット反応は１５ｓｅｃ〜３０ｓｅｃで完了し、反応ルツボ７Ａ内に溶鋼と溶融スラグが生成する。溶融スラグの主成分はアルミナであり、若干の未還元の酸化鉄を含んでいる。溶鋼と溶融スラグは比重差により反応ルツボ７Ａ内で上下に分離する。
【００３９】
反応生成物である溶鋼は、反応ルツボ７Ａ底部を開口することにより被溶接レールの端面間の隙間内に流し込まれる。反応ルツボ７Ａ底部の開口は、反応ルツボ７Ａ底部にあらかじめ装着した酸化物栓１５（図５参照）が溶融して開口する方法が一般的であるが、機械式のスライド弁や手動で反応ルツボ７Ａ底部に設けた溶鋼受け弁を開口する方法も採用可能である
【００４０】
反応ルツボ７Ａ底部が開口すると、まず溶鋼が被溶接レール端面と鋳型４Ａ，４Ｂ内面から構成される溶接空間に充満し、その上に溶融スラグが流入する。
【００４１】
溶鋼の注入後、凝固するまでの数分間は静置しておく。溶鋼が未凝固の状態でレールに力が加わると、割れなどの溶接欠陥を生じるためである。注入後の静置時間は３〜６分程度である。なお溶融スラグの凝固温度は溶鋼と同程度である。
【００４２】
完全に溶鋼が凝固した時期を見計らって、レール頭部１の余盛金属を熱間で除去する。余盛金属の除去はせん断刃を備えた油圧装置を用いて行いるのが一般的であるが、タガネとハンマーにより手動で、はつり落としてもよい。
【００４３】
その後、レール柱部２と足部３に鋳型４Ａ，４ｂがついている状態で、グラインダーによりレール頭部１の平滑研磨を施してもよい。柱部２と足部３から鋳型４Ａ，４Ｂがすぐに除去されない理由は、高温の時点では鋳型４Ａ，４Ｂが溶接部に焼き付いており、除去するのが困難だからである。３００℃程度まで溶接部が冷却されると、柱部２と足部３の鋳型の除去は容易になる。
【００４４】
さてレール溶接部の疲労強度は溶接方法によって差がある。工場や溶接基地での溶接方法として多用され、余盛ビードを除去して使用するフラッシュバット溶接継手、ガス圧接継手における２００万回疲労強度は３００ＭＰａ以上である。一方、現地溶接法であるエンクローズアーク溶接継手も同じくビードを除去して使用されるため疲労強度は比較的高い。しかしマニュアル溶接であるため、微少なスラグ巻き込み等が避けられないことから、２００万回疲労強度はやや変動があり、フラッシュバット溶接やガス圧接よりやや劣る２８０ＭＰａ程度である。
【００４５】
一方、現地溶接法として多用されるテルミット溶接継手は内部に微少な引け巣や粗大な介在物があるため、ビードを残したまま使用せざるを得ず、その止端部や鋳バリによる応力集中により、従来方法における疲労強度は最も低い２２０〜２４０ＭＰａ程度である。このため旅客鉄道において、例えば新幹線の高速区間などの重要区間ではテルミット溶接の使用が制限される場合がある。現地溶接として施工能率や技術の容易さなど、テルミット溶接はエンクローズアーク溶接に比べて利点が多い。テルミット溶接の使用制限が除かれるためには疲労強度の向上が必要である。本発明によれば、２５０ＭＰａ以上に改善させることが可能である。
【００４６】
以上説明したように、レール足表３Ｂに生成する鋳バリの最大厚さは疲労強度に影響する。鋳バリが厚くなるに従って、鋳バリによる応力集中が増大し、レールの疲労強度が低下する。本実施形態では、２分割式鋳型４Ａ，４Ｂを用いてレールをテルミット溶接するにあたり、鋳型４Ａ、４Ｂの内面のレール接触面をレール足表３Ｂに密着するようにする。これにより、溶接により製造されたロングレールにおいて、疲労亀裂の発生起点となっていたレール足表３Ｂに１ｍｍ以上の厚さの鋳バリが生じるのを防止でき、荷重繰り返し回数２００万回における疲労強度２５０ＭＰａ以上を達成することができる。
【実施例】
【００４７】
レールとしてＪＩＳ６０レールを用いて、２分割式鋳型４Ａ、４Ｂをレール足表３Ｂから密着させた場合（実施例）と、レール足裏３Ａから密着させた従来の方法（比較例）でそれぞれ６本の溶接継手を作成し疲労試験を行った。レールは同じ圧延チャンスの成品で断面の各寸法の変動が０．１ｍｍ以下であるものを用いた。
【００４８】
溶剤は質量％で酸化鉄６３％、金属アルミ粉末１９％、高炭素フェロマンガン８％、軟鋼スクラップ粉１０％を混合したものを使用した。溶剤全重量は１３．５ｋｇである。酸化鉄はＦｅ2Ｏ3とＦｅ3Ｏ4の混合でであり、鉄分が６８質量％、酸素が３２質量％である。酸化鉄と金属アルミの混合比率は、テルミット反応における化学量論比にほぼ一致している。高炭素フェロマンガンは質量％でＣが５％、Ｍｎが２０％で残量が不可避不純物及び鉄である。高炭素フェロマンガンの配合量は溶接金属のＣ、Ｍｎがそれぞれ０．６５質量％、０．９質量％になるように設定している。溶接金属の組成はほぼレール素材と同等である。軟鋼スクラップ粉は溶接金属の温度調整、金属量の調整のために使用しており、質量％で９９％が鉄で、Ｃを０．２％以下、Ｍｎを０．８％以下含んでいる。軟鋼スクラップ粉及び高炭素フェロマンガンのサイズは２〜４ｍｍの粒状で、酸化鉄と金属アルミのサイズは０．１〜２ｍｍの範囲に調整されている。
【００４９】
鋳バリの最も厚い部分の厚さを疲労試験前に測定した結果を表１に示す。鋳型４Ａ、４Ｂをレール足表３Ｂに密着させた本発明の方法ではレール足表３Ｂの鋳バリは薄く、逆にレール足裏３Ａの鋳張りが厚めとなる。反対にレール足裏３Ａに鋳型４Ａ、４Ｂを密着させる標準工法ではレール足表３Ｂの鋳バリは厚く、レール足裏３Ａの鋳バリが薄くなる。
【００５０】
疲労試験は鉄道レール溶接継手の一般的な疲労評価方法である３点曲げ試験で行った。図７はその負荷状況を模式的に示している。レールを正立姿勢で溶接部を中心にして、スパン１ｍの支持台２１Ａ、２１Ｂに置き、中央に治具２０で頭部１から繰り返し荷重を負荷する。図８は応力パターンの模式図で、最小荷重σｍｉｎを３０ＭＰａの一定にして、最大荷重σｍａｘを継手によって変化させ、レールが破断するまで繰り返し負荷を行った。繰り返し最大回数は２００万回、負荷速度は５Ｈｚとした。
【００５１】
疲労試験を実施した際の負荷応力範囲、破断の有無、破断回数、破断起点を表1に併せて示す。応力範囲を徐々に上げて行き、２００万回到達できる疲労強度を求めた。
【００５２】
【表１】
【００５３】
本発明の実施例であるレール足表３Ｂに鋳型を密着させた符号Ａ−１〜Ａ−６の継手群においては、応力範囲２６０ＭＰａまでのＡ−１〜Ａ−５では疲労破壊が起こらなかったが、Ａ−６の２７０ＭＰａではレール足裏３Ａ側から疲労亀裂が生じて途中破断した。本発明の方法による２００万回疲労強度は２６０〜２７０ＭＰａと判断できた。
【００５４】
これに対して、比較例である鋳型をレール足裏に密着させた符号Ｂ−１〜Ｂ−６の継手群においては、応力範囲２３０ＭＰａまでのＢ−１〜Ｂ−２では疲労破壊がおこらなかったが、２４０ＭＰａのＢ−３では途中破断した。破壊材の疲労亀裂はレール足表３Ｂ側に生じた。従来法による２００万回疲労強度は２３０〜２４０ＭＰａと判断できた。
【００５５】
以上より、本発明によってレール溶接部の疲労強度が従来と比較して向上することが示された。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】テルミット溶接継手の疲労性能の説明図
【図２】本発明におけるレール足部の疲労破面の例
【図３】本発明における２分割式鋳型のレール装着の説明図
【図４】鋳型、ルツボセットの説明図
【図５】テルミット溶接を説明する為の断面概略図
【図６】反応ルツボの説明図
【図７】疲労試験における負荷状態を示す模式図
【図８】疲労試験における負荷応力を示す模式図
【図９】レール部位の説明図
【図１０】テルミット溶接の継手外観
【図１１】２分割形式鋳型と３分割形式鋳型の説明図
【図１２】従来例における２分割式鋳型のレール装着の説明図
【図１３】鋳バリの説明図
【図１４】従来におけるレール足部の疲労破面の例
【符号の説明】
【００５７】
１…レール頭部
２…レール柱部
３…レール足部
３Ａ…レール足裏部
３Ｂ…レール足表部
４Ａ，４Ｂ…左右鋳型
４Ｃ…底面鋳型
５…レール端面間の隙間
６…分流板
７Ａ…ルツボ耐火物
７Ｂ…ルツボの鋼製ケース
８…溶融スラグ
９…溶鋼
１０…ビード
１１ａ、１１ｂ…鋳バリ
１２…鋳型の湯揚り
１３…鋳型のビードになる空間
１４Ａ、１４Ｂ…疲労破面
１５…ルツボの開口栓
１６…鋳型カバー
１７…鋳型セット治具
１８…ルツボのセット用スタンド治具
２０…疲労試験機の押し治具
２１Ａ、２１Ｂ…疲労試験機のレール支持
２２…鋳型のレールに装着される空間
２３…溶剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、
レール足部の表面が該レール足部の底面より２分割式鋳型の内面に近くなるように、前記レールを前記２分割式鋳型の内部に配置し、
その後前記２分割式鋳型にテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接するレールのテルミット溶接方法。
【請求項２】
前記レール足部の表面を前記２分割式鋳型の内面に密着させることにより、前記レール足部の表面が前記レール足部の底面より前記２分割式鋳型の内面に近づける請求項１に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項３】
溶接後の前記レールの足部の表面に生じる鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下にする請求項１又は２に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項４】
前記レールの溶接部の３点曲げ疲労強度が繰り返し回数２００万回で２５０ＭＰａ以上となる請求項１〜３のいずれか一項に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項５】
少なくとも２本のレールをテルミット溶接方法によって溶接することにより製造されたロングレールであって、
溶接部において、足部の表面に形成された鋳バリが、前記足部の裏面に形成された鋳バリより小さいロングレール。
【請求項１】
２分割式鋳型を用いてレールをテルミット溶接する方法であって、
レール足部の表面が該レール足部の底面より２分割式鋳型の内面に近くなるように、前記レールを前記２分割式鋳型の内部に配置し、
その後前記２分割式鋳型にテルミット反応で生じた溶湯を注入することにより、レールを溶接するレールのテルミット溶接方法。
【請求項２】
前記レール足部の表面を前記２分割式鋳型の内面に密着させることにより、前記レール足部の表面が前記レール足部の底面より前記２分割式鋳型の内面に近づける請求項１に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項３】
溶接後の前記レールの足部の表面に生じる鋳バリの最大厚さを１ｍｍ以下にする請求項１又は２に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項４】
前記レールの溶接部の３点曲げ疲労強度が繰り返し回数２００万回で２５０ＭＰａ以上となる請求項１〜３のいずれか一項に記載のレールのテルミット溶接方法。
【請求項５】
少なくとも２本のレールをテルミット溶接方法によって溶接することにより製造されたロングレールであって、
溶接部において、足部の表面に形成された鋳バリが、前記足部の裏面に形成された鋳バリより小さいロングレール。
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−１３７０５２（Ｐ２００８−１３７０５２Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２７２８５（Ｐ２００６−３２７２８５）
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
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