BR112012009852B1 - método de soldagem a arco de topo de trilhos de aço - Google Patents

Abstract

método de soldagem a arco de topo de trilhos de aço. a presente invenção refere-se a uma mola em folhas compósita tendo uma seção central com extremidades opostas e opcionalmente seções terminais conectadas á mesma e incluindo um corpo reforçado de fibra composto de um reforço de fibra embutido dentro de uma resina curada. o reforço de fibra é formado de camadas de uma trama tendo fitas que se estendem longitudinalmente na direção do comprimento da mola em folhas e tendo ainda uma pluralidade de elementos transversais que se estendem transversalmente com relação a esse comprimento. o reforço de fibra é impregnado com a resina quando de moldagem.

Description

[001] A presente invenção se refere a um método de soldagem a arco de topo de trilhos de aço. Particularmente, a invenção se refere a um método de soldagem a arco de topo de trilhos de aço que possa reduzir as zonas afetadas pelo calor (ou “heat-affected zones - HAZ’) em porções soldadas do trilho de aço hipereutectoide com um alto teor de carbono, e reduz desgaste irregular e os danos à superfície dos trilhos.

[002] É reivindicada prioridade sobre o Pedido de Patente Japonês n° 2009-251071, registrada em 30 de outubro de 2009, cujo teor está aqui incorporado como referência.

Antecedentes da técnica [003] A soldagem a arco de topo é amplamente usada como método de soldagem de aço. Esse método tem características benéficas de possibilidade de automação, qualidade altamente estável, curto tempo de soldagem, etc.

[004] Os princípios do método de soldagem a arco de topo serão descritos usando-se as figuras 1Ato 1D.

[005] Inicialmente, conforme mostrado na figura 1A, uma tensão elétrica é aplicada a cada par de trilhos de aço 1A e 1B, que são materiais a serem que Estão dispostos um em oposição ao outro, através de eletrodos 2 a partir de um fornecimento de energia 3. Simultaneamente, o trilho de aço 1A é movido na direção da seta 4 de forma que ambas as superfícies extremas, que são superfícies a serem soldadas dos trilhos de aço 1A e 1B, são gradativamente trazidas para próximo uma da outra. Então, uma corrente de curto circuito flui localmente, e as superfícies extremas são aquecidas abruptamente e finalmente fundidas por aquecimento de resistência. Como resultado, o par de trilhos de aço 1A e 1B é unido com metal fundido. Nas porções

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2/38 de ligação, conforme mostrado na FIG 1B, é gerado um arco, e uma parte do metal fundido é dispersa (faiscamento). Além disso, as superfícies extremas são aquecidas por aquecimento a resistência e aquecimento a arco juntamente com a ocorrência de faiscamento, e as duas são continuamente repetidas. Isto é chamado de processo de faiscamento.

[006] Em adição, o processo conforme mostrado na figura 1C é um processo para executar entrada de calor em todas as superfícies extremas dos trilhos de aço 1A e 1B em um curto espaço de tempo no processo de faiscamento, e é chamado de processo de preaquecimento. No processo de preaquecimento, inicialmente é feito passar uma grande corrente elétrica por um certo tempo em um estado no qual o par de trilhos de aço 1A e 1B são forçadamente trazidos ao contato entre si, as vizinhanças das superfícies extremas são aquecidas por aquecimento a resistência, e então o par de trilhos de aço 1^a e 1B são separados. Esses processos são repetidos várias vezes.

[007] Uma vez que o processo de preaquecimento executa efetivamente a entrada de calor na superfície de soldagem, e produz o efeito de encurtar o tempo de soldagem, é empregado um método de soldagem no qual o processo de preaquecimento é combinado com o processo de faiscamento. Em adição, uma vez que a soldagem a arco de topo é executada na atmosfera, uma grande quantidade de óxido é gerada na porção de metal fundido formada.

[008] A velocidade com que o par de trilhos de aço é trazido para próximo um do outro no processo de faiscamento é chamada de velocidade de faiscamento. Em adição, a quantidade de erosão de uma substância fundida removida quando os trilhos de aço são trazidos para próximo um do outro e o metal fundido é disperso no processo de faiscamento é denominada distância de vaporização (flash-off distance). Se a velocidade de faiscamento se torna excessiva enquanto a entrada

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3/38 de calor nas superfícies a serem soldadas não for suficiente, ocorre um fenômeno denominado congelamento. No congelamento, a área de contato é abruptamente aumentada sem ocorrência de um arco ou dispersão do metal fundido, uma grande corrente flui, e a faiscamento não ocorre continuamente. Uma vez que o congelamento gera óxidos, o que deteriora a performance de dobramento, é necessário evitar o congelamento tanto quanto possível. Para evitar que ocorra o faiscamento, o equilíbrio entre a entrada adequada de calor nas superfícies a serem soldadas e a velocidade de faiscamento é importante.

[009] Posteriormente todas as superfícies a serem soldadas são eventualmente fundidas o processo de faiscamento, conforme mostrado na figura 1D, as superfícies a serem soldadas dos trilhos de aço 1A e 1B são rapidamente mantidas juntas por uma grande pressão de soldagem, a maioria do metal fundido nas superfícies soldadas é removida, e as porções atrás das superfícies soldadas, que são aquecidas até uma alta temperatura, são pressionadas e deformadas, formando assim uma porção de ligação. Isto é chamado de processo de soldagem de recalque.

[0010] Nesse momento, uma vez que o óxido gerado durante a soldagem é miniaturizado e disperso enquanto é expelido, é possível diminuir a possibilidade de o óxido permanecer nas superfícies ligadas como um defeito que inibe a performance de dobramento.

[0011] O óxido expelido para fora das juntas ligadas no processo de soldagem de recalque (porção do cordão de solda) é removido por apara a quente ou similar nos processos seguintes.

[0012] Na soldagem a arco de topo acima, uma vez que os respectivos processos de soldagem são automatizados, o tempo total de soldagem de todo o processo de soldagem é curto, 1,5 minutos a 4 minutos, resultado em uma alta eficiência de soldagem. Portanto, no

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4/38 campo da produção de trilhos, a soldagem a arco é frequentemente empregada como método de soldagem em fábricas. Em adição, a soldagem a arco permite que os equipamentos sejam compactos, e é usado para soldagem no local em vias férreas.

[0013] Conforme descrito acima, a soldagem a arco de topo é uma técnica que une um par de materiais de aço pelo aquecimento e fusão de um par de superfícies extremas dos materiais de aço, e então mantendo as superfícies extremas juntas com pressão. Aqui, o material de aço soldado em soldagem a arco de topo sofre um processo de aumento de temperatura, no qual o material de aço é aquecido da temperatura ambiente até um ponto de fusão, e um subsequente, e um subsequente processo de resfriamento. Como resultado, a sua estrutura metálica se transforma. Como tal, uma área em que a estrutura ou as propriedades mecânicas, tais como dureza, do material a ser soldado são trocadas devido à soldagem é chamada de zona afetada pelo calor. [0014] Determinando-se a faixa da zona afetada pelo calor, a medição da área na qual as propriedades mecânicas são trocadas consome tempo e esforço, tal como medição de dureza. Portanto, é comum empregar micro ou macro observações relativamente fáceis, e as faixas que podem ser diferenciadas a partir do material base por tais observações são designadas como a zona afetada pelo calor (documento de não patente 1). Na presente especificação, uma área que possa ser diferenciada a partir do material base pela observação micro ou macro, conforme descrito mais tarde, será denominada zona afetada pelo calor.

[0015] Trilhos de aço com um ato teor de carbono contêm 0,85% a 1,20% de C, e apresentam uma estrutura perlita. A estrutura perlita apresenta uma estrutura lamelar na qual fases são alternadamente e densamente sobrepostas: uma das fases sendo uma fase de ferro puro que inclui quase nenhum carbono e é denominada ferrita; e outra sendo

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5/38 uma camada de carboneto de ferro (FeaC) chamada cementita. No processo que gera perlita, a energia da transformação é convertida para a energia da interface de ferrita e cementita, e portanto a estrutura lamelar é formada.

[0016] Aqui, a transformação da estrutura do trilho de aço que apresenta estrutura perlita durante o processo de aumento da temperatura é como segue.

[0017] Da temperatura ambiente até 500Ό, a estrutu ra perlita não muda.

[0018] Quando a temperatura excede 550Ό, uma mudança na estrutura para reduzir a energia de interface da estrutura lamelar, isto é, a separação e a esferoidização da cementita começa. A esferoidização da cementita prossegue à medida que a temperatura aumenta.

[0019] A transformação da estrutura perlita até uma estrutura austenita começa em torno do ponto de transformação Aci de 720Ό. Como resultado, está presente a região de temperatura a qual três fases de ferrita, cementita esferoidizada (cementita esférica) e austenita coexistem no metal [0020] Quando a temperatura é também aumentada, ou a fase de ferrita ou a fase de cementita é perdida, e a estrutura de três fases se torna uma estrutura de fase dupla de austenita e cementita esférica, ou austenita e ferrita.

[0021] Quando a temperatura é também aumentada, uma estrutura de fase única de austenita é formada.

[0022] Quando a temperatura é também aumentada e excede o ponto de fusão (temperatura sólida), uma fase fundida é formada na estrutura austenita.

[0023] Quando a temperatura é também aumentada, a estrutura perlita é completamente fundida.

[0024] A soldagem a arco de topo a temperatura de pico varia com

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6/38 a distância da superfície soldada. Isto é, a temperatura de pico alcança um valor maior que o ponto de fusão na superfície soldada, mas permanece à temperatura ambiente em uma porção suficientemente longe da superfície soldada. Em resumo, na zona afetada pelo calor no trilho de aço que apresenta a estrutura perlita, qualquer uma das transformações de estrutura (1) a (7) ocorre dependendo da temperatura de pico. Especificamente, a zona afetada pelo calor é dividida em (1) uma área perlita (nenhuma mudança), (2) uma área cementita esférica, (3) uma área de três fases na qual austenita, ferrita e cementita esférica coexistem, (4) uma área de fase dupla de austenita e ferrita ou austenita e cementita esférica, (5) uma [área de fase única austenita, (6) uma área na qual uma mistura de fase austenita e de uma fase fundida está presente, e (7) uma área completamente fundida a partir da porção suficientemente longe da superfície soldada para a superfície soldada.

[0025] Nas estruturas transformadas no processo de aumento da temperatura, transformações adicionais de estrutura ocorrem respectivamente devido ao resfriamento, dependendo da diminuição nas temperaturas, quando o processo de aquecimento da soldagem é terminado, e a distribuição de dureza é formada de acordo com as transformações de estrutura. As distribuições de dureza variam com as estruturas e com os componentes, mas o caso de trilho de aço de alta resistência para uma ferrovia de carga pesada tendo uma dureza Hv de material base de 420 será descrito abaixo como exemplo.

[0026] A área perlita (a porção na qual não ocorre nenhuma transformação de estrutura no processo de aumento de temperatura) permanece imutável mesmo após o resfriamento.

[0027] Na área de cementita esférica, a cementita esférica é resfriada sem mudança, e apresenta uma estrutura esférica mesmo à temperatura ambiente. A dureza da cementita esférica é baixa e

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7/38 aproximadamente 300 Hv. Isto é, no processo de aumento da temperatura, a esferoidização da cementita progride à medida que a temperatura de pico aumenta, e portanto a quantidade de cementita esférica é aumentada na direção da superfície soldada. Portanto, a área de cementita esférica se torna mais macia na direção da superfície soldada no processo de resfriamento.

[0028] Na área de três fases na qual austenita, ferrita e cementita esférica coexistem à medida que a temperatura diminui, a austenita é transformada em perlita, e a cementita esférica é resfriada sem mudança até a temperatura ambiente. Uma vez que a fração da fase austenita é aumentada à medida que a temperatura de pico aumenta, e a fração que se transforma em perlita após o resfriamento é aumentada, a dureza é mais restaurada na direção da superfície soldada. A dureza da estrutura cementita esférica é baixa e aproximadamente 300 Hv.

[0029] Na área de duas fases de ferrita e austenita ou austenita e cementita, a austenita é transformada em uma estrutura perlita durante o resfriamento. Uma vez que a fração da fase austenita é aumentada à medida que a temperatura de pico aumenta, e a fração que se transforma em perlita após o resfriamento é aumentada, a dureza é mais restaurada na direção da superfície soldada.

[0030] Na área de fase única austenita, a austenita é transformada em uma estrutura perlita. A dureza da área se torna quase constante.

[0031] Na área austenita na qual a fase fundida está presente, a fase líquida é inicialmente solidificada em austenita, e assim se transforma em uma fase única austenita, e então é transformada em uma estrutura perlita. A dureza da área se torna quase constante.

[0032] A área fundida e primeiramente solidificada em uma fase única austenita, e então transformada em uma estrutura perlita. A dureza da área se torna quase constante.

[0033] Como tal, independentemente das regiões de temperatura a

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8/38 partir das quais as porções são resfriadas, todas as porções se transformam em uma estrutura perlita na qual a ferrita e a cementita eventualmente formam uma estrutura lamelar. Entretanto, as áreas (2) e (3) incluem a estrutura cementita esférica, e assim são amaciadas, a dureza é mudada dependendo da fração da estrutura cementita esférica.

[0034] Portanto, uma porção amaciada tendo uma dureza diminuída é gerada na porção soldada do trilho de aço. Quando a porção amaciada é longa na direção longitudinal de um trilho, e, além disso, a dureza é significativamente diminuída, o desgaste irregular progride na porção amaciada devido às rodas dos trens que passam na porção de cabeça dos trilhos, e ocorre uma variedade de problemas.

[0035] O documento de patente 2 mostra a distribuição de dureza em uma porção soldada em uma ligação de aço perlita que é soldada a arco de topo, e, no documento, a largura da zona afetada pelo calor é aproximadamente 42 mm, e a largura amaciada é aproximadamente 25 mm a 30 mm.

[0036] Enquanto isso, o Documento de Patente 3 descreve que, nos trilhos de ferrovia, quando a largura amaciada é mais estreita que a área de contato entre as rodas do trem e o trilho, o desgaste irregular não ocorre facilmente, e, além disso, uma vez que a área de contato entre as rodas do trem e o trilho é considerada ser aproximadamente 15 mm, a largura amaciada tendo uma dureza menor que a do material base por 50 ou mais é desejável mente 15 mm ou menos.

[0037] A figura 2A mostra uma seção transversal macro na direção longitudinal de uma porção soldada em uma junta formada pela soldagem de trilho de aço hipereutectoide com um alto teor de carbono por um método de soldagem a arco de topo da técnica relativa. A figura 2B mostra a distribuição de dureza a partir da camada de superfície do trilho até uma profundidade de 5 mm na vizinhança da porção soldada

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9/38 na ligação conforme mostrado na figura 2A.

[0038] Em adição, na soldagem, fori usado um soldador a arco tendo uma fonte de energia AC, uma capacidade de transformador de 240 kVA, e uma carga de recalque de 70 kN, o preaquecimento foi executado 7 vezes, o tempo total de um processo inicial de faiscamento conforme mostrado na figura 3, que será descrito abaixo, e um processo de faiscamento anterior foi ajustado para 120 segundos, a última velocidade de faiscamento no último processo de faiscamento foi ajustada para 0,5 mm/s, e a última distância de vaporização foi ajustada para 3 mm.

[0039] Como fica claro das Figuras 2A e 2B, as fronteiras da zona afetada pelo calor, que são determinadas na seção transversal macro, estão localizadas mais próximas do lado central da porção soldada que varia na qual a dureza é mudada, e estão localizadas levemente fora do local no qual a dureza é mais diminuída. Na figura 2B, a largura da zona afetada pelo calor é 35 mm, e a largura amaciada é 19 mm, que mostra que há uma preocupação em relação ao desgaste irregular acima.

[0040] Enquanto isso, a largura amaciada se refere a uma faixa na qual a dureza cai abaixo daquela do material base. Uma vez que a dureza do material base é também levemente inconsistente nos casos atuais, a largura amaciada é ajustada para uma faixa de na qual a dureza cai abaixo de (valor médio da dureza do material base - e x o desvio padrão).

[0041] Entretanto, uma vez que a dureza equivalente do material base pode ser restaurada no centro da porção soldada quando um tratamento térmico é executado conforme mostrado no Documento de Patente 1, basicamente o centro da porção soldada não está incluído na porção amaciada. Enquanto isso, em um caso em que o tratamento térmico não é executado, ou o efeito de um tratamento térmico é pequeno, e a dureza no centro da porção soldada não alcança a dureza

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10/38 do material base, uma linha auxiliar é desenhada na direção o lado central da porção soldada na distribuição de dureza e uma faixa determinada pela interseção da linha com (valor médio da dureza do material base -3 x desvio padrão) forma a largura amaciada. Na figura 2B, a largura amaciada foi obtida por esse método e foi 19 mm.

[0042] Em relação ao problema acima de amaciamento na porção soldada a arco de topo, é proposta a técnica a seguir.

[0043] O Documento de Patente 3 descreve uma técnica na qual trilhos são soldados a arco de topo com um bloco de encosto montado neles, e assim a porção de cabeça do trilho é resfriada pelo bloco de encosto durante a soldagem. A faixa de contato entre os blocos de encosto e o trilho inclui pelo menos a superfície do topo da cabeça do trilho na seção transversal do trilho, e o comprimento da faixa de contato na direção do eixo do trilho na superfície de topo da cabeça é 15 mm ou mais. A espessura de uma porção na qual o bloco de encosto e a superfície de topo da cabeça entram em contato entre si é 10 mm ou mais. A extremidade frontal do bloco de encosto no lado da superfície da extremidade frontal do trilho está localizada de 20 mm a 50 mm distante da superfície da extremidade do trilho que ainda deve ser soldada. É mostrado que o uso dessa técnica pode ajustar a largura na direção longitudinal tendo uma dureza que é menor que a do material base por 50 Hv ou mais até 15 mm ou menos.

[0044] O Documento de Patente 4 mostra um exemplo no qual a faixa da última distância de vaporização é de 2 mm a 8 mm, e a faixa da última velocidade de faiscamento é 1 mm/s a 4 mm/s quando uma barra laminada a quente é soldada usando-se um soldador a arco com um fornecimento de energia AC. A soldagem foi executada após a barra ser extraída de um forno de aquecimento de barras, e antes do fornecimento ao primeiro cilindro.

[0045] Aqui, a última velocidade de faiscamento é (a distância total

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11/38 de vaporização - a distância de vaporização anterior)/(o tempo total de faiscamento - o tempo de faiscamento anterior).

[0046] O Documento de Patente 5 mostra um método de laminação continua de um material metálico no qual a extremidade traseira de um material precedente a ser soldado é unida à extremidade frontal do material seguinte a ser soldado por soldagem a arco de topo, e então os materiais são laminados continuamente usando-se um arranjo de laminadores posteriores, produzindo assim um material de acabamento metálico, no qual os materiais são ligados com a quantidade de faiscamento Y (distância de vaporização) ajustado para satisfazer a fórmula (2) a seguir:

0,1D<Y<0,30D ... Fórmula (2) [0047] Aqui, Y é a quantidade de faiscamento (distância de vaporização) (mm), D é o diâmetro do material a ser soldado (mm), e a quantidade de faiscamento (distância de vaporização) é a distância total do material que é fundido e removido por um arco durante a soldagem a arco de topo.

[0048] O documento de não patente 2 mostra um método no qual a velocidade de faiscamento (flash) é abruptamente aumentada imediatamente antes da violação, e a superfície da extremidade de topo é aplainada e alisada como método para produzir uma junta de soldagem de topo de alta qualidade de um trilho. Especificamente, é mostrado que uma velocidade de faiscamento (flash) final favorável é 1,0 mm/s a 1,25 mm/s. A distância de vaporização nesse momento é proclamada ser 3 mm.

Lista de Citações

Literatura de Patente [0049] [Documento de Patente 1] Pedido de Patente Japonês não examinado, primeira publicação H06-145791 [0050] [Documento de Patente 2] Pedido de Patente Japonês não

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12/38 examinado, primeira publicação 2001-152291 [0051] [Documento de Patente 3] Pedido de Patente Japonês não examinado, primeira publicação 2007-289970 [0052] [Documento de Patente 4] Pedido de Patente Japonês não examinado, primeira publicação S53-007559 [0053] [Documento de Patente 5] Pedido de Patente Japonês não examinado, primeira publicação 2002-346611 [0054] Literatura de Não Patente [0055] [Documento de Não Patente 1] Welding metallurgy by the Nikkan Kogyo Shimbun, Ltd.

[0056] [Documento de Não Patente 2] Resistance Welding phenomena e its Applications (IV) by Society of Light-weighted Structure Joining Process, Japan Welding Society

Resumo da Invenção

Problema Técnico [0057] Conforme descrito acima, uma porção amolecida tendo uma dureza diminuída é gerada em uma porção soldada de trilho. Quando a porção amolecida é longa na direção longitudinal de um trilho, e, além disso, a dureza é significativamente diminuída, o desgaste irregular progride na porção amolecida devido às rodas do trem que passam a porção de cabeça do trilho, o que algumas vezes provoca barulho e vibração. Em adição, quando o desgaste irregular se torna grande, há casos em que o impacto no trilho é aumentado quando as rodas do trem passam.

[0058] Entretanto, em relação à geração da porção amaciada, na técnica relativa ocorrem os problemas a seguir.

[0059] Uma vez que a área de contato entre as rodas do trem e o trilho é considerada ser aproximadamente 15 mm conforme mostrado no Documento de Patente 3, em um caso em que a largura da zona afetada pelo calor é aproximadamente 42 mm, e a largura amolecida é

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13/38 aproximadamente 25 mm a 30 mm conforme mostrado no Documento de Patente 2, o desgaste irregular progride na porção amolecida, e o impacto no trilho é passível de ser aumentado quando as rodas do trem passam.

[0060] Em adição, no método no qual um bloco de encosto é montado, tal como no Documento de Patente 3, uma vez que é necessário montar um bloco de encosto preparado separadamente em uma faixa especificada, o processo de montagem de blocos de encosto deve ser recém fornecido antes da soldagem. Em adição, uma vez que o metal fundido que é disperso extremamente perto de uma superfície de extremidade de topo é fixado ao bloco de encosto, tempo e esforço são necessários para remover o flash fixo. Além disso, uma vez que não é fácil remover o bloco de encosto, há o problema de que as vantagens da soldagem a arco de topo tendo uma alta eficiência de soldagem automatizada são prejudicadas.

[0061] Em adição, o Documento de Patente 4 mostra o ajuste da última velocidade de faiscamento em uma faixa de 1 mm/s a 4 mm/s, mas o material a ser soldado é uma barra aquecida a alta temperatura extraída de um forno de aquecimento, e a técnica do Documento de Patente 4 é apenas aplicável sob uma condição na qual a superfície da extremidade de topo e as outras porções estejam a uma temperatura suficientemente alta. Sob esta condição, ocorre facilmente faiscamento, e o congelamento não ocorre facilmente. Em adição, uma vez que a velocidade de faiscamento pode ser facilmente aumentada sob essa condição, a técnica do Documento de Patente 4 não pode ser aplicada para resolver o problema acima no qual os trilhos são aquecidos a partir de um estado de temperatura ambiente.

[0062] Em adição, no caso de trilho de carga pesada, a área da seção transversal perpendicular à direção longitudinal do trilho se torna 8500 mm² ou mais. Nesse caso, a distância de vaporização se torna em

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14/38 uma faixa de 5 mm a 16 mm no Documento de Patente 5. Entretanto, no Documento de Patente 5, o material a ser soldado é um material metálico processado, tal como uma barra extraída a partir de um forno de aquecimento, ou um material laminado obtido pela laminação do material metálico processado em um material metálico bruto com uma dimensão predeterminada. Essas técnicas se referem a um método de laminação contínua de um material metálico no qual um material precedente a ser laminado e o material seguinte a ser laminado são unidos em uma linha de laminação por soldagem a arco de topo, e então os materiais são laminados continuamente usando-se um arranjo de laminadores posteriores. Isto é, similarmente ao Documento de Patente 4, a técnica é apenas aplicável sob uma condição na qual a superfície da extremidade de topo e as outras porções estão a uma temperatura suficientemente alta, e não pode ser aplicada para resolver o problema acima no qual trilhos são aquecidos a partir de um estado de temperatura ambiente;

[0063] O Documento de não patente 2 se refere a um método de soldagem a arco de topo de trilhos, mas foca na performance de dobramento, e, além disso, a velocidade final de faiscamento é lenta e a distância de vaporização não é suficiente, resultando em uma incapacidade de obter uma largura amaciada estreitada.

[0064] Um objetivo da invenção é fornecer um método de soldagem a arco de topo de trilhos de aço no qual o amaciamento das porções soldadas do trilho é suprimido se, provocar os problemas acima, de forma que o desgaste irregular dos trilhos possa ser reduzido.

[0065] Meios para resolver o problema [0066] Como contramedida aos problemas acima, a invenção se refere a um método no qual, na soldagem a arco de topo de trilhos de aço hipereutectoide com um alto teor de carbono e similares, a largura da zona afetada pelo calor é reduzida na porção de topo do trilho, a

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15/38 largura amaciada é reduzida, e o desgaste irregular do trilho é suprimido. O método específico é como segue.

[0067] Um método de acordo com um aspecto da invenção é um método de soldagem a arco de topo de um par de peças de trilhos de aço para ferrovias, tendo um processo inicial de faiscamento no qual a tensão elétrica é aplicada ao par de peças de trilhos para ferrovia, e superfícies soldadas, que são as superfícies extremas dos dois trilhos, são lentamente trazidas para próximo uma da outra de forma que correntes de curto-circuito são feitas fluir localmente, as superfícies de soldagem são aquecidas e soldadas através do aquecimento a resistência, além disso, o faiscamento é provocado nas superfícies soldadas, e as superfícies de soldagem são aquecidas pelo aquecimento a resistência e pelo aquecimento a arco do faiscamento; um processo de preaquecimento no qual uma corrente elétrica é feita fluir por um tempo predeterminado em um estado no qual as superfícies de soldagem são forçadamente trazidas ao contato entre si, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento a resistência; um primeiro processo de faiscamento no qual o faiscamento é parcialmente provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas pelo aquecimento a resistência e pelo aquecimento a arco do faiscamento; e um último processo de faiscamento no qual o faiscamento é também provocado através de todas as superfícies de soldagem, e todas as superfícies de soldagem são uniformemente aquecidas pelo aquecimento a resistência e aquecimento a arco do faiscamento, no qual a última velocidade de faiscamento é 2,1 mm/s a 2,8 mm/s no último processo de faiscamento.

[0068] No método de soldagem a arco de topo conforme o item (1) acima, a última distância de vaporização pode ser 10 mm a 60 mm no ultimo processo de faiscamento.

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16/38 [0069] No método de soldagem a arco de topo conforme o item (1) acima, a última distância de vaporização no último processo de faiscamento pode estar na faixa: 60mm > [última distância de vaporização] > 22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no último processo de faiscamento].

[0070] No método de soldagem a arco de topo conforme os itens (1) e (2) acima, o trilho de aço para ferrovia pode conter C: 0,85% a 1,20% em % em massa.

[0071 ] No método de soldagem a arco de topo conforme os itens (1) e (2) acima, a largura da zona afetada pelo calor em uma porção de junta de soldagem pode ser 27 mm ou menos, e a largura amaciada pode ser 10 mm ou menos.

[0072] Um método conforme outro aspecto da invenção é um método de soldagem a arco de topo de um par de peças de trilhos de aço para ferrovia, tendo um processo de preaquecimento no qual uma corrente elétrica é feita fluir por um tempo predeterminado em um estado no qual as superfícies de soldagem do par de peças de trilhos de aço para ferrovia são forçosamente trazidas ao contato entre si, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência; um primeiro processo de faiscamento no qual o faiscamento é parcialmente provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento; e um último processo de faiscamento no qual o faiscamento é também provocado através de todas as superfícies de soldagem, e todas as superfícies de soldagem são uniformemente aquecidas pelo aquecimento por resistência e por aquecimento a arco do faiscamento, em que a última distância de vaporização no último processo de faiscamento está na faixa 60 mm > [última distância de vaporização] > 22.6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no último processo de

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17/38 faiscamento].

[0073] No método de soldagem a arco de topo conforme o item (6) acima, a última velocidade de faiscamento pode ser 0,5 mm/s a 2,8 mm/s no último processo de faiscamento.

[0074] No método de soldagem a arco de topo conforme os itens (6) ou (7) acima, o trilho de aço para ferrovia pode conter C: 0,85% a 1,20% em massa.

[0075] No método de soldagem a arco de topo conforme o item (6) ou (7) acima, a largura da zona afetada pelo calor em uma porção de junta de soldagem pode ser 27 mm ou menos, e a largura amaciada pode ser 10 mm ou menos.

Efeitos vantajosos da invenção [0076] De acordo com os respectivos aspectos da invenção, no processo de faiscamento da soldagem a arco de topo, a última velocidade de faiscamento durante o último processo de faiscamento é aumentado, e, além disso, a última distância de vaporização (flash-off) nesse período é aumentada de forma que a distribuição de calor na superfície de soldagem se torna precipitada, e portanto a largura da zona afetada pelo calor é diminuída, e a largura amaciada é também diminuída. Como resultado, o desgaste irregular devido ao contato entre a porção de cabeça dos trilhos e as rodas do trem é reduzida, e, portanto o dano que ocorre na superfície da porção de cabeça do trilho pode ser reduzido, e, além disso, o ruído ou a vibração podem ser reduzidos. Em adição, como resultado da redução do desgaste irregular, o dano na superfície, etc., pode contribuir para alongar intervalos de corte de esmerilhamento na camada de superfície do trilho e também o alongamento do ciclo de troca do trilho.

[0077] Em adição, uma vez que o desgaste irregular é reduzido, o impacto fornecido a um trilho quando as rodas do trem passam pode ser suprimido, e é possível evitar o colapso por fadiga do trilho.

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Breve descrição dos desenhos [0078] A figura 1A é uma vista esquemática da seção transversal para explicar o princípio do método de soldagem a arco de topo mostrado a disposição do trilho de aço, eletrodos, etc.

[0079] A figura 1B mostra o processo de faiscamento do método de soldagem a arco de topo.

[0080] A figura 1C mostra o processo de preaquecimento do método de soldagem a arco de topo.

[0081] A figura 1D mostra o processo de recalque do método de soldagem a arco de topo.

[0082] A figura 2A é uma vista mostrando um exemplo da macro seção transversal de uma junta de soldagem a arco de topo da técnica relativa.

[0083] A figura 2B é uma vista mostrando um exemplo da distribuição de dureza em uma junta de soldagem a arco de topo da técnica relativa.

[0084] A figura 3 é uma vista mostrando um exemplo da mudança na distância do movimento do trilho de aço nos respectivos processos de soldagem a arco de topo da modalidade.

[0085] A figura 4 é uma vista mostrando a relação entre a última velocidade de faiscamento e a largura da zona afetada pelo calor na modalidade.

[0086] A figura 5 é uma vista mostrando a relação entre a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada na modalidade.

[0087] A figura 6A é uma vista mostrando a macro seção transversal da junta de soldagem a arco de topo da modalidade.

[0088] A figura 6B é uma vista mostrando a distribuição de dureza da junta de soldagem a arco de topo da modalidade.

[0089] A figura 7 é uma vista mostrando o esboço de um testador de fadiga de laminação que é usado na modalidade.

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19/38 [0090] A figura 8 é uma vista mostrando a relação entre a largura da zona afetada pelo calor e a profundidade do desgaste irregular que é obtido usando-se o testador de fadiga de laminação da modalidade.

[0091] A figura 9 é uma vista mostrando a relação entre a última velocidade de faiscamento e a quantidade de deflexão máxima no dobramento de quatro pontos na modalidade..

[0092] A figura 10 é uma vista mostrando a relação entre a última distância de vaporização (flash-off) e a largura da zona afetada pelo calor (em um caso em que a última velocidade de faiscamento é 2,1 mm/s) na modalidade.

[0093] A figura 11 é uma vista mostrando a relação entre a última distância de vaporização e a quantidade de deflexão máxima do dobramento de quatro pontos na modalidade quando a última velocidade de faiscamento é 2,1 mm/s.

[0094] A figura 12 é uma vista mostrando a relação entre a última distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor (em um caso em que a última velocidade de faiscamento é 2,5 mm/s) na modalidade.

[0095] A figura 13 é uma vista mostrando a relação entre a última distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor (em um caso em que a última velocidade de faiscamento é 1,2 mm/s) na modalidade.

Descrição de Modalidades [0096] Como trilhos que satisfazem a resistência ao desgaste necessária para trilhos de rodovia de carga pesada, trilhos de aço hipereutectoide com um alto teor de carbono, que contêm 0,85% a 1,20% de C e têm uma estrutura perlita são amplamente usados.

[0097] Os presentes inventores conceberam que, para resolver os problemas acima em porções soldadas em um caso em que o trilho de aço é soldado a arco de topo, é eficaz fornecer uma distribuição de calor

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20/38 precipitada na vizinhança de uma superfície soldada de modo a reduzir a largura amaciada em uma porção soldada. Em adição, os inventores conceberam que, como método para realizar o exposto acima, é eficaz diminuir a quantidade de entrada de calor na vizinhança da superfície soldada e aumentar a taxa de entrada de calor imediatamente antes do processo de recalque.

[0098] A seguir, será descrita uma modalidade do método de soldagem a arco de topo conforme a presente invenção.

[0099] O método descrito na modalidade é um método de soldagem a arco de topo de um par de peças de aço para ferrovias, tendo um processo inicial de faiscamento no qual a tensão elétrica é aplicada ao par de peças de trilhos de aço para ferrovias, e superfícies de soldagem, que são as superfícies das extremidades do par, são lentamente trazidas para próximo uma da outra de forma que correntes de curto circuito são feitas fluir localmente, as superfícies da soldagem são aquecidas e soldadas através de aquecimento por resistência, além disso, o faiscamento é provocado nas superfícies soldadas, e as superfícies soldadas são aquecidas por aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento; um processo de preaquecimento no qual uma corrente elétrica é feita fluir por um tempo predeterminado em um estado no qual as superfícies de soldagem são forçosament4 trazidas ao contato entre si, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento apor resistência; o processo de faiscamento no qual o faiscamento é parcial mente provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas pelo aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento; e um último processo de faiscamento no qual o faiscamento é também provocado através de todas as superfície de soldagem, e todas as superfície de soldagem são aquecidas uniformemente pelo aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento, em

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21/38 que a última velocidade de faiscamento é 2,1 mm/s a 2,8 mm/s no último processo de faiscamento.

[00100] Os inventores executaram soldagem a arco de topo usando trilhos 136 RE da American Railway Engineering Association que têm um peso por metro de 136 libras (61,2 kg). A soldagem a arco de topo foi executada usando-se um soldador a arco tendo um fornecimento de energia AC, uma capacidade de transformação de 320 kVA, e uma carga de recalque de 70 kN em um modo no qual um processo de faiscamento e um processo de preaquecimento foram combinados. Enquanto isso, o mesmo método pode ser usado para AREA 141 AB tendo um peso de 63,45 kg (141 libras), e os mesmos efeitos podem ser obtidos como no caso do trilho AREA 136 RE de 61,2 kg (136 libras ).

[00101] Enquanto isso, não é necessário limitar a composição e os componentes do trilho de aço para ferrovia, mas é preferível conter C: 0,85% q 1,20% em massa..

[00102] Aqui, os processos respectivos d método de soldagem a arco de topo da modalidade e um exemplo do método de soldagem a arco de topo serão descritos usando-se a figura 3.

[00103] O método de soldagem a arco de topo da modalidade inclui um processo inicial de faiscamento, um processo de preaquecimento, um primeiro processo de faiscamento, um último processo de faiscamento, e um processo de recalque.

[00104] O processo inicial de faiscamento é um processo de faiscamento começado pela laminação a frio (à temperatura ambiente) no qual o faiscamento é provocado de forma que as superfícies de soldagem são ajustadas para serem perpendiculares à direção longitudinal do trilho e as superfícies de soldagem são aquecidas pelo aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento para facilitar o contato entre as superfícies de soldagem no processo de preaquecimento que é executado a seguir.

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22/38 [00105] Em adição, uma vez que faiscamento é provocado no processo inicial de faiscamento, a distância de vaporização (quantidade de erosão) é aumentada conforme mostrado na figura 3. A distância de vaporização se refere à distância de trilho perdida por dispersão de fusão ou deformação nos processos respectivos.

[00106] A seguir, no processo de preaquecimento, uma grande corrente elétrica é feita fluir entre um par de trilhos de aço por certo tempo em um estado no qual as superfícies de soldagem que se faceiam são forçosamente trazidas ao contato entre si, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência. Após isto, o par de trilhos de aço é separado, o que é repetido várias vezes.

[00107] Em adição, o número de processos de preaquecimento é preferivelmente ajustado para 4 ou mais, mais preferivelmente 7 ou mais, e ainda mais preferivelmente 10 ou mais. No processo de preaquecimento, uma vez que as superfícies de soldagem que faceiam são forçosamente trazidos ao contato entre si, e uma grande corrente elétrica é feita fluir conforme descrito acima, a eficiência da entrada de calor é alta se comparada com o processo de faiscamento. Portanto, um maior número de processos de preaquecimento é mais preferível.

[00108] Em adição, geralmente, o processo de preaquecimento é executado no ambiente atmosférico, um óxido que age como defeito de soldagem é gerado na superfície de soldagem.

[00109] A seguir será descrito o processo de faiscamento após o processo de preaquecimento.

[00110] O processo de faiscamento após o processo de preaquecimento na modalidade é composto do processo anterior de faiscamento e do processo posterior de faiscamento, no qual as velocidades de faiscamento diferem respectivamente.

[00111] No processo anterior de faiscamento, o faiscamento é

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23/38 parcialmente provocado entre as superfícies de soldagem que se faceiam, e as superfícies de soldagem são aquecidas pelo aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento, Aqui, o faiscamento provocado no processo anterior de faiscamento é chamado de faiscamento anterior.

[00112] O tempo total de um tempo necessário para o processo inicial de faiscamento (tempo inicial de faiscamento) e o tempo necessário para o processo anterior de faiscamento (tempo de faiscamento anterior) é preferivelmente 20 segundos a 180 segundos. Para executar eficientemente o processo de preaquecimento que é subsequentemente executado, é necessário as superfícies extremas perpendiculares no processo de faiscamento inicial, e, quando o tempo é muito curto, é difícil obter os efeitos, e o tempo total precisa ser 20 segundos ou mais. Em adição, quando o tempo total do tempo de faiscamento inicial e do tempo de faiscamento anterior é muito longo, a largura da zona afetada pelo calor se torna excessivamente larga, e portanto o tempo total do tempo de faiscamento inicial e o tempo de faiscamento anterior é preferivelmente 180 segundos ou menos.

[00113] Similarmente ao processo anterior de faiscamento, o faiscamento é provocado entre as superfícies de soldagem que se faceiam no processo de faiscamento posterior, mas o processo de faiscamento posterior é diferente do processo de faiscamento anterior pelo fato de que a velocidade de faiscamento no processo de faiscamento posterior (a última velocidade de faiscamento) é aumentada para mais alta que a velocidade de faiscamento no processo de faiscamento anterior (velocidade de faiscamento anterior).

[00114] Isto é, no processo de faiscamento posterior, o faiscamento provocado na parte das superfícies de soldagem no processo de faiscamento anterior é provocado em todas as superfícies de soldagem pelo aumento da velocidade de faiscamento, e todas as superfícies de

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24/38 soldagem são aquecidas uniformemente por aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento.

[00115] Em adição, no processo de faiscamento posterior, o óxido gerado durante o processo de preaquecimento é diminuído pela dispersão do óxido através do faiscamento.

[00116] Enquanto isso, o faiscamento causado no processo de faiscamento posterior é denominado faiscamento posterior para diferenciar do faiscamento anterior.

[00117] A seguir, será descrito o processo de recalque.

[00118] Após todas as superfícies de soldagem serem fundidas pelo processo de faiscamento posterior, as superfícies de soldagem são abruptamente trazidas para próximo uma da outra por uma grande pressão de soldagem, a maioria do metal fundido nas superfícies de soldagem é expelido, e as porções traseiras das superfícies de soldagem, que são aquecidas até uma alta temperatura, são pressurizadas e deformadas, formando assim uma porção soldada. Isto é, o óxido gerado durante a soldagem é expelido, micronizado e disperso, e portanto é possível diminuir a possibilidade do óxido permanecer nas superfícies de soldagem como defeito que prejudica a performance de dobramento. Enquanto isso, o óxido expelido das superfícies de soldagem no processo de recalque (porção rebordo) é removido pelo cisalhamento a quente ou similar no pós processamento. [00119] A figura 3 mostra um exemplo do processo de faiscamento anterior tendo uma velocidade de faiscamento constante, mas os mesmos efeitos podem ser obtidos mesmo em um caso em que a velocidade é amentada à medida que o tempo passa. Em um caso no qual a velocidade de faiscamento anterior é acelerada, a velocidade media é considerada a velocidade de faiscamento anterior.

[00120] Em adição, em um caso em que a velocidade de faiscamento posterior é acelerada, a velocidade media é considerada a velocidade

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25/38 de faiscamento posterior.

[00121] Além disso, em um caso no qual a velocidade de faiscamento é aumentada à medida que o tempo passa desde o fim do processo de preaquecimento até o processo de recalque, e é difícil diferenciar o processo de faiscamento anterior e o processo de faiscamento posterior, a primeira metade do tempo passado a partir do fim do processo de preaquecimento até o processo de recalque é considerado o processo de faiscamento anterior, e a segunda metade é considerada o processo de faiscamento posterior. Em adição, a velocidade média da velocidade de faiscamento no processo de faiscamento anterior é considerada a velocidade de faiscamento anterior, e a velocidade média da velocidade de faiscamento no processo de faiscamento posterior é considerada a velocidade de faiscamento posterior. Enquanto isso, na soldagem a arco de topo, uma vez que a velocidade de faiscamento e a distância de vaporização são ajustadas pelo ajuste de condições antes da soldagem, é possível saber antecipadamente o tempo passado desde o fim do processo de preaquecimento até o começo do processo de recalque.

[00122] Em adição, na modalidade, a velocidade de faiscamento posterior no processo de faiscamento posterior é ajustada para 2,1 mm/s a 2,8 mm;/s.

[00123] Uma vez que o efeito de aquecer uniformemente todas as superfícies de soldagem se torna pequeno quando a velocidade de faiscamento lenta, uma velocidade de faiscamento mais rápida é preferível. Portanto, o valor do limite inferior da velocidade de faiscamento posterior é ajustado para 2,1 mm/s. Entretanto, quando a velocidade de faiscamento posterior é excessivamente rápida, há casos nos quais ocorre o congelamento, e portanto o limite superior da velocidade de faiscamento é ajustado para 2,8 mm/s.

[00124] A seguir será explicada a limitação numérica da velocidade

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26/38 de faiscamento posterior na modalidade.

[00125] Os inventores consideraram que a distribuição de calor nas vizinhanças das superfícies de soldagem se torna precipitada pelo aumento da velocidade de faiscamento posterior imediatamente antes do processo de recalque e, consequentemente, a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada são reduzidas, e obtidas as relações entre a velocidade de faiscamento posterior e a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada.

[00126] Enquanto isso, quando a velocidade do faiscamento posterior é simplesmente aumentada, o congelamento, que age como causa de defeitos de soldagem, ocorre conforme descrito acima. Portanto, em relação à quantidade de entrada de calor antes de a velocidade de faiscamento posterior ser aumentada, são ajustados o tempo de faiscamento e o número de processos de preaquecimento, que são preferíveis de forma que o processo de faiscamento posterior possa ser iniciado a uma velocidade crescente de faiscamento posterior, e, mesmo nos processos subseqüentes, o faiscamento posterior é estabilizado e mantido.

[00127] Na modalidade, o número de processos de preaquecimento é ajustado para 7, e o tempo total do processo inicial de faiscamento e do processo posterior de faiscamento é ajustado para 120 segundos. Em adição, a soldagem a arco de topo é executada mudando-se a velocidade de faiscamento posterior e a distância de vaporização posterior respectivamente no processo de faiscamento posterior.

[00128] Enquanto isso, a distância de vaporização posterior indica a quantidade de erosão de um material a ser soldado removido pela dispersão do metal de soldagem do trilho de aço no processo de faiscamento posterior (comprimento de trilho erodido).

[00129] A seguir, após a soldagem a arco de topo sob as condições acima, as seções transversais na direção longitudinal do trilho a partir

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27/38 das superfícies de soldagem são macro observadas, e a largura da zona afetada pelo calor 5 mm abaixo da camada de superfície da porção de cabeça do trilho de aço usando-se uma força de teste de 100 N, uma faixa caindo abaixo do valor médio da dureza do material base - 3o é obtida, e a faixa é considerada a largura amolecida.

[00130] Inicialmente, a relação entre a velocidade de faiscamento posterior e a largura da zona afetada pelo calor em um caso no qual a distância de vaporização posterior é ajustada para 3 mm, e a soldagem a arco de topo é executada sob as condições de soldagem acima está mostrada na figura 4.

[00131] Conforme mostrado na figura 4, como a velocidade de faiscamento posterior é aumentada, a largura da zona afetada pelo calor é diminuída. Isto é porque quando a velocidade de faiscamento é aumentada, a corrente elétrica é aumentada, e portanto a quantidade de entrada de calor injetada por unidade de tempo é aumentada, e, consequentemente, a distribuição de temperaturas na direção perpendicular ao eixo do trilho a partir das superfícies de soldagem se torna precipitada.

[00132] Em adição, a relação entre a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada esse momento está mostrada na figura 5, Como mostrado na figura 5, existe uma forte relação proporcional entre a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada.

[00133] A seguir, a figura 6A mostra a seção transversal macro do centro da porção soldada na direção longitudinal do trilho em um caso em que a velocidade de faiscamento posterior é 2, 1 mm/s conforme mostrado na figura 4. Em adição, a figura 6B mostra a distribuição da dureza Vickers medida 5 mm abaixo da camada de superfície da porção de cabeça do trilho de aço.

[00134] A figura 6B mostra que, em um caso em que a velocidade de faiscamento posterior foi 2,1 mm/s, a largura da zona afetada pelo calor

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28/38 foi 24 mm, e a largura amaciada foi 8 mm. Em adição, em um caso em que a velocidade de faiscamento posterior conforme mostrado na figura 2B foi 0,5 mm/s, a largura da zona afetada pelo calor foi 35 mm, e a largura amaciada foi 19 mm. Isto é, é descoberto do fato acima que a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada são estreitadas à medida que a velocidade de faiscamento posterior é aumentada.

[00135] A seguir, a soldagem a arco de topo foi executada sob as condições acima, as juntas de soldagem tendo vários tipos de larguras da zona afetada pelo calor e larguras amaciadas, que são obtidas pela soldagem a arco de topo, foram usados como espécimes de materiais de teste, e a relação entre a espessura do desgaste irregular e a largura da zona afetada pelo calor nas superfícies do trilho de aço foi obtida usando-se o testador de fadiga de laminação conforme mostrado na figura 7. Enquanto isso, o testador de fadiga de laminação é composto de um deslizador de trilho móvel 5, um trilho 6, uma roda de trem 7, um motor 8, e um equipamento de carregamento de carga 9.

[00136] No testador de fadiga de laminação, um trilho de 136 libras (AREA 136 RE) tendo um comprimento de 2 m foi usado como o trilho de aço, e um tipo AAR (the American Railway Engineering Association) tendo um diâmetro de 920 mm foi usado como roda de trem. A carga radial foi 196 kN, e a carga de impulso foi de 9,8 kN. Em adição, o teste foi executado executando-se fornecimento de água intermitente entre o trilho de aço e a roda do trem.

[00137] Após serem executadas 2,5 milhões de repetições dos testes de fadiga de laminação, as profundidades do desgaste irregular que ocorre na porção amolecida do trilho de aço do trilho de aço foram respectivamente medidas. A figura 8 mostra os resultados em um caso em que a quantidade máxima de desgaste é 1 a uma largura da zona afetada pelo calor de 35 mm.

[00138] Conforme mostrado na figura 8, em um caso em que a

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29/38 largura da zona afetada pelo calor é mais estreita que 27 mm, a profundidade de desgaste é extremamente diminuída.

[00139] Em adição, uma vez que a relação entre a largura da zona afetada pelo calor e a largura amolecida conforme mostrado na figura 5, mostra que a largura amolecida é 10 mm a uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm, as condições necessárias para reduzir o desgaste irregular e os danos nos trilhos de aço são preferivelmente uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm ou menos e uma largura amolecida de 10 mm ou menos.

[00140] Em adição, a relação entre a velocidade de faiscamento posterior e a largura da zona afetada pelo calor conforme mostrado na figura 4 mostra que a velocidade de faiscamento posterior para obter uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm é 2,1 mm;s. Isto é, a velocidade de faiscamento posterior é preferivelmente ajustada para 2,1 mm/s ou menos e uma largura amaciada de 10 mm ou menos.

[00141] Em adição, o limite superior da velocidade de faiscamento posterior é preferivelmente ajustado para 2,8 mm/s. Isto resulta das razões a seguir. Uma largura da zona afetada pelo calor e largura amaciada mais estreita podem ser obtidas à medida que a velocidade de faiscamento posterior é aumentada, entretanto, quando a velocidade é excessivamente aumentada em um caso em que a capacidade do transformador no soldador é pequena ou a quantidade de entrada de calor é pequena antes de a velocidade de faiscamento, isto é, antes do processo de soldagem a arco de topo, torna-se impossível fornecer entrada de calor suficiente para gerar um arco. Como resultado, não é possível gerar estavelmente e continuamente o faiscamento posterior, e há também casos em que resulta o congelamento, dependendo dos casos.

[00142] Além disso, a soldagem a arco de topo é executada sob as condições acima, as juntas de soldagem tendo vários tipos de larguras

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30/38 da zona afetada pelo calor e larguras amaciadas, que são obtidas pela soldagem a arco de topo, são usadas como materiais de espécimes de teste, e testes de dobramento de quatro pontos foram executados com uma distância entre pontos de 48 polegadas (1219,2 mm) e a distância entre os pontos pressurizados de 12 polegadas (304,8 mm) com base na norma 3.11.2.6 da American Railway Engineering e Maintenance-ofWay Association (AREMA). Os resultados estão mostrados na figura 9. Enquanto isso, o valor padrão da quantidade de deflexão máxima do dobramento de quatro pontos é 19 mm no padrão AREMA.

[00143] Conforme mostrado na figura 9, a performance de dobramento da junta cujas largura da zona afetada pelo calor e largura amaciada são estreitadas pelo aumento da velocidade de faiscamento satisfaz o valor padrão de 19 mm, que é o padrão AREMA.

[00144] A soldagem a arco de topo foi iniciada a uma velocidade de faiscamento de 2,1 mm/s, e, como condições para manter o faiscamento mesmo nos processos subsequentes no soldador a arco de topo que os inventores usaram no início foram um número de processos de preaquecimento de 7, e um tempo de faiscamento de 120 segundos. [00145] Em adição, na modalidade, em adição à condição da velocidade de faiscamento posterior para obter a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada estreitas conforme descrito acima, a última distância de vaporização no processo de faiscamento de topo posterior é preferivelmente ajustada para 10 mm a 60 mm. A seguir, será descrita a limitação numérica da distância de vaporização posterior.

[00146] A figura 10 mostra a relação entre a distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor quando a última velocidade de faiscamento é 2,1 mm/s, e a soldagem a arco de topo é executada usando-se as condições de soldagem acima.

[00147] Conforme mostrado na figura 10, é descoberto que a largura

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31/38 da zona afetada pelo calor é mais estreita à medida que a última distância de vaporização é aumentada. Isto é porque a distribuição de calor na vizinhança das superfícies de soldagem se torna mais íngreme pelo aumento da distância de vaporização posterior, e, consequentemente, a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada são reduzidas.

[00148] Em adição, a figura 10 mostra que a redução da largura da zona afetada pelo calor é saturada em um caso em que a distância de vaporização é 10 mm ou mais. Portanto, o limite inferior da faixa preferível da distância de vaporização posterior é ajustada para 10 mm. [00149] Em adição, quando a última distância de vaporização é aumentada excessivamente, a quantidade de metal fundido dispersa é aumentada, a vizinhança dos eletrodos conectados ao trilho de aço é contaminada, e há a preocupação de que o rendimento do trilho de aço possa ser reduzido. Além disso, há uma outra preocupação de que a intervenção por instrumentos, tais como eletrodos, possa ocorrer. Portanto, o limite superior da distância de vaporização posterior preferível é ajustado para 60 mm a partir o ponto de vista de limitações no ambiente, custos, e instrumentos.

[00150] A seguir, a performance de dobramento do trilho soldado está mostrada na figura 11. Conforme mostrado na figura 11, é possível obter uma performance de dobramento que satisfaça suficientemente o valor padrão mesmo quando a última distância de vaporização (flashout) é aumentada.

[00151] Conforme descrito acima, de acordo com o método de soldagem a arco de topo da modalidade, a distribuição de calor nas vizinhanças das superfícies de soldagem se torna precipitada, e portanto é possível obter uma largura da zona afetada pelo calor e uma largura amaciada que são mais estreitas que na técnica relativa. Em adição, como resultado, o desgaste irregular devido ao contato entre a

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32/38 camada de superfície da porção de cabeça do trilho e a roda do trem é reduzida, e portanto o dano que ocorre na camada de superfície da porção de cabeça do trilho pode ser reduzida, e, além disso, o ruído e a vibração podem ser reduzidos.

[00152] Em adição, é possível obter uma largura da zona afetada pelo calor e uma largura amaciada que sejam mais estreitas do que na técnica relativa, e, simultaneamente, a performance de dobramento pode também ser satisfeita ao mesmo tempo.

[00153] Além disso, quando a soldagem é executada com uma última distância de vaporização (flash-out) em uma faixa de 10 mm a 60 mm, uma largura da zona afetada pelo calor e uma largura amaciada mais estreitas podem ser obtidas. Assim, o dano que ocorre na camada de superfície da porção de cabeça do trilho pode ser mais reduzida.

[00154] Em adição, como resultado da redução do desgaste irregular, a redução dos danos na camada de superfície, etc., a contribuição para a extensão do ciclo de corte de esmerilhamento na camada de superfície do trilho e também a extensão do ciclo de troca do trilho é possível.

[00155] Em adição, uma vez que o desgaste irregular é reduzido, o impacto fornecido a um trilho quando as rodas do trem passam pode ser suprimido, e é possível evitar a quebra por fadiga do trilho.

[00156] Em adição, uma largura da zona afetada pelo calor e uma largura amaciada suficientemente estreitas podem ser obtidas mesmo quando a última distância de vaporização que satisfaz a Fórmula (1) a seguir é usada ao invés de regular a última velocidade de faiscamento para 2,1 mm/s a 2,8 mm/s conforme descrito acima como um exemplo modificado da modalidade. Aqui, a quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior pode ser obtida por (quantidade de erosão total no processo de faiscamento posterior/tempo necessário para o processo de faiscamento posterior).

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33/38 [00157] 60 > distância de vaporização posterior > 22.6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior] ... Fórmula (1) [00158] Enquanto isso, quando a distância de vaporização posterior que satisfaz a Fórmula (1) acima é empregada, a última velocidade de faiscamento pode ser regulada em uma faixa de 0,5 mm/s a 2,8 mm/s, preferivelmente em uma faixa de 1,2 mm/s a 2,8 mm/s, preferivelmente em uma faixa de 1,2 mm/s a 2,8 mm/s, e mais preferivelmente 2,1 mm/s a 2,8mm/s.

[00159] A seguir serão descritas a Fórmula (1) e as razões da limitação da última velocidade de faiscamento.

[00160] Inicialmente, a última velocidade de faiscamento foi ajustada para 2,5 mm/s, a soldagem a arco de topo foi executada sob as condições de soldagem acima, e a relação entre a última distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor foi obtida. A relação está mostrada na figura 12.

[00161] Conforme mostrado na figura 12, a largura da zona afetada pelo calor é estreitada quando a última distância de vaporização é aumentada, mesmo em um caso em que a última velocidade de faiscamento é 2,5 mm/s. Em adição, a largura da zona afetada pelo calor é saturada a uma última distância de vaporização de 7,5 mm ou mais em um caso em que a velocidade de faiscamento é 2,5 mm/s.

[00162] A seguir, foi obtida a relação entre a última distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor em um caso em que a última velocidade de faiscamento foi ajustada para 1,2 mm/s. A relação está mostrada na figura 13. Como mostrado na figura 13, a largura da zona afetada pelo calor é 30 mm em um caso em que a última distância de vaporização é ajustada para 3 mm, mas a largura da zona afetada pelo calor é estreitada quando a última distância de vaporização é aumentada, uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm ou mais

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34/38 pode ser obtida em um caso em que a última distância de vaporização é ajustada para 15 mm. Enquanto isso, embora não mostrado no desenho, a performance de dobramento pode ser maior que o valor padrão de dobramento de 4 pontos nesse caso.

[00163] Com base nas relações entre a última distância de vaporização e a largura da zona afetada pelo calor como mostrado nas figuras 10, 12 e 13, é descoberto que é preferível empregar a última distância de vaporização que satisfaça à Fórmula (1) para obter uma largura da zona afetada pelo calor e uma largura amaciada estreitas. [00164] Enquanto isso, um aumento excessivo na última distância de vaporização resulta na deterioração do ambiente nas superfícies de soldagem devido à dispersão do metal fundido e uma maior diminuição do rendimento, e portanto o valor limite superior da Fórmula (1) é preferivelmente 60 mm.

[00165] Em adição, quando a última velocidade de faiscamento é diminuída, o efeito de formação de uma distribuição de calor precipitada nas vizinhanças das superfícies de soldagem se torna pequeno mesmo quando a última distância de vaporização é aumentada, e portanto o valor do limite inferior da última velocidade de faiscamento é ajustado para 0,5 mm/s em um caso em que a Fórmula (1) é satisfeita. Por outro lado, quando a última velocidade de faiscamento é aumentada excessivamente, há casos em que ocorre o congelamento, e portanto o valor do limite superior da última velocidade de faiscamento é ajustado para 2,8 mm/s.

[Exemplos] [00166] A seguir, a praticabilidade e os efeitos da invenção serão também descritos usando-se exemplos. Enquanto isso, as condições usadas nos exemplos são meramente um exemplo para confirmação, e a invenção não é limitada apenas aos exemplos.

[00167] Um trilho de aço AREA136 RE que apresenta uma estrutura

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35/38 perlita incluindo, em % em massa, C: 0,85% a 1,2%, Si: 0,1% a 2,0%, e Mn: 0,1% a 2,0%, e tem um peso por metro de 136 libras foi fornecido para soldagem a arco de topo.

[00168] Um soldador a arco tendo um fornecimento de energia AC, uma capacidade de transformador de 400 kVA, e uma carga de recalque de 70 kN foi usado como o soldador de arco de topo. A soldagem foi executada de maneira tal que o processo de faiscamento e o processo de preaquecimento foram combinados, o número de processos de preaquecimento foi de 10, o tempo total do processo de faiscamento inicial e do processo de faiscamento posterior foi ajustado para 90 segundos, a última velocidade de faiscamento e a última distância de vaporização no processo de faiscamento posterior foram trocados respectivamente de acordo com a Tabela 1.

[00169] Após a soldagem a arco de topo sob as condições acima, a largura da zona afetada pelo calor, a largura amaciada, e a performance de dobramento foram obtidas para avaliar as juntas de soldagem. A largura da zona afetada pelo calor foi macro observada nas seções transversais na direção longitudinal do trilho, e obtidas 5 mm abaixo da camada de superfície da porção de cabeça do trilho de aço. Similarmente à largura da zona afetada pelo calor, a largura amaciada foi ajustada para uma faixa abaixo do valor médio de dureza do material base - 3o após os testes de dureza Vickers serem executados com uma for a de teste de 100 N em uma posição 5 mm abaixo da camada de superfície da porção de cabeça do trilho a seção transversal na direção longitudinal do trilho. Em relação à performance de dobramento, os testes de dobramento de quarto pontos foram executados com uma distância entre pontos de 121,92 cm (48 polegadas) e uma distância entre pontos pressurizados de 30,48 cm (12 polegadas) com base na norma AREMA acima, e foi obtida a quantidade de deflexão máxima.

[00170] Para a avaliação da largura da zona afetada pelo calor, 27

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36/38 mm ou menos, que é uma profundidade de desgaste significativamente reduzida de desgaste irregular do teste de fadiga de laminação, foi usado como padrão. Em adição, 10 mm ou menos, que corresponde a uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm, foi usado como padrão da largura amolecida. Em adição, em relação à performance de dobramento, uma quantidade de deflexão no dobramento de 19 mm ou mais foi usada como padrão na norma AREMA.

[00171] Os resultados estão mostrados na Tabela 1.

[00172] Foi possível satisfazer as condições da invenção, uma largura da zona afetada pelo calor de 27 mm u menos, e uma largura amaciada de 10 mm ou menos nos Exemplos da Invenção 1 a 4 nos quais a última velocidade de faiscamento foi 2,1 mm/s ou mais e nos Exemplos da Invenção 5 a 7 nos quais a última velocidade de faiscamento foi menor que 2,1 mm/s, mas a distância de vaporização foi maior que 22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior].

[00173] Entretanto, não foi possível satisfazer as condições da invenção, e satisfazer a largura da zona afetada pelo calor e a largura amaciada nos casos dos Exemplos Comparativos 1 a 3 nos quais a última velocidade de faiscamento foi menor que 2,1 mm/s, e a última distância de vaporização foi igual a ou menor que 22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior].

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Propriedade de dobramento: deflexão de dobramento de 4 pontos (mm)	22,0	21,0	22,5	21,5	20,0	21,0	20,0	21,5	20,0	19,5
Quantidade de desgaste relativa (com a quantidade no exemplo tendo largura da zona afetada pelo calor de 35 mm dada como 1)	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,5	0,6	O
Largura amaciada	CD	cd	9,0	CN	O)	O)	9,8	00 T“	13,2	CD
Largura da zona afetada pelo calor	24,5	25,5	25,8	24,2	26,5	26,5	26,6	28,5	30,0	35,0
22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior]	O	O	CD	CD	00 T“	uí	19,6	00 T“	uí	19,6
Distância de vaporização posterior (mm)	lo	CO	m	CD	lo	00	22	m	CO	CO
Velocidade de faiscamento posterior (mm/s)	T“ c\T	T“ c\T	m c\T	2.5	00	CX[	0,5	00	CX[	0,5
	Ex. Inv. 1	Ex. Inv. 2	Ex. Inv. 3	Ex. Inv. 4	Ex. Inv. 5	Ex. Inv. 6	Ex. Inv. 7	Ex. Comp. 1	Ex. Comp. 2	Ex. Comp. 3

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Aplicabilidade Industrial [00174] De acordo com a invenção, como resultado da redução do desgaste irregular de um trilho, da redução dos danos na superfície, etc., a contribuição para a extensão do ciclo de corte de esmerilhamento a camada de superfície do trilho e também para a extensão do ciclo de troca do trilho é possível. Em adição, uma vez que o desgaste irregular é reduzido, o impacto fornecido a um trilho quando as rodas do trem passam pode ser suprimido, e é possível evitar a quebra por fadiga de um trilho.

Lista de Sinais de Referência

1A, 1B TRILHO DE AÇO

ELETRODO

FORNECIMENTO DE ENERGIA

DIREÇÃO DE MOVIMENTO DO TRILO DE AÇO

CURSOR DE MOVIMENTO DO TRILHO

TRILHO

RODA DO TREM

MOTOR

EQUIPAMENTO DE CARGA

Claims (9)

1. Método de soldagem a arco de topo de um par de trilhos de aço para ferrovia (1A, 1B) compreendendo:

um processo de faiscamento inicial no qual uma tensão elétrica é aplicada ao par de trilhos de aço para ferrovia (1A, 1B), e superfícies de soldagem, que são as superfícies extremas do par de trilhos de aço para ferrovia (1A, 1B), são lentamente trazidas para próximo uma da outra de forma que correntes de curto-circuito sejam feitas fluir localmente, as superfícies de soldagem são aquecidas e soldadas através de aquecimento por resistência, o faiscamento é também provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência e aquecimento a arco do faiscamento;

um processo de preaquecimento no qual uma corrente elétrica é feita fluir por um tempo predeterminado em um estado no qual as superfícies de soldagem são forçosamente trazidas ao contato uma com a outra, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência;

um processo anterior em que o faiscamento é parcialmente provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência e por aquecimento a arco do faiscamento; e um processo de faiscamento posterior no qual o faiscamento é também provocado através de todas as superfícies de soldagem, e todas as superfície de soldagem são uniformemente aquecidas pelo aquecimento por resistência e pelo aquecimento a arco do faiscamento;

caracterizado pelo fato de que a última velocidade de faiscamento no processo de faiscamento posterior é 2,1 mm/s a 2,8 mm/s;

em que a última velocidade de faiscamento é aumentada

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2. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma última distância de vaporização no processo de faiscamento posterior é 10 mm a 60 mm.

2/4 para mais alta que a velocidade de faiscamento anterior;

em que, em um caso no qual a velocidade de faiscamento é aumentada à medida que o tempo passa desde o fim do processo de preaquecimento até o fim do processo de faiscamento posterior e é difícil diferenciar o processo de faiscamento anterior e o processo de faiscamento posterior, a primeira metade do tempo passado a partir do fim do processo de preaquecimento até o fim do processo de faiscamento posterior é considerado o processo de faiscamento anterior, e a segunda metade é considerada o processo de faiscamento posterior; e em que, em um caso no qual a velocidade de faiscamento anterior é acelerada, a velocidade media é considerada a velocidade de faiscamento anterior, e, em um caso em que a velocidade de faiscamento posterior é acelerada, a velocidade media é considerada a velocidade de faiscamento posterior.

3/4 para ferrovias (1A, 1B) contém C: 0,85% a 1,20% em massa.

3. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a última distância de vaporização no processo de faiscamento posterior está na faixa definida na equação 1:

60 mm > [última distância de vaporização] £ 22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior] (equação 1).

4/4 caracterizado pelo fato de que a última velocidade de faiscamento é 0,5 mm/s a 2,8 mm/s no processo de faiscamento posterior.

4. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada par de trilhos de aço

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5. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a largura da zona afetada pelo calor em uma porção de junta de soldagem é 27 mm ou menos, e a largura amaciada é 10 mm ou menos.

6. Método de soldagem a arco de topo de um par de trilhos de aço para ferrovia (1A, 1B), compreendendo:

um processo de preaquecimento no qual uma corrente elétrica é feita fluir por um tempo predeterminado em um estado no qual as superfícies de soldagem do par de trilhos de aço para ferrovia são forçosamente trazidos ao contato entre si, e as vizinhanças das superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência:

um processo de faiscamento anterior no qual o faiscamento é parcialmente provocado nas superfícies de soldagem, e as superfícies de soldagem são aquecidas por aquecimento por resistência e por aquecimento a arco do faiscamento; e um processo de faiscamento posterior no qual o faiscamento é também provocado através de todas as superfícies de soldagem, e todas as superfícies de soldagem são aquecidas uniformemente por aquecimento a resistência e por aquecimento a arco do faiscamento;

caracterizado pelo fato de que a última distância de vaporização no processo de faiscamento posterior está na faixa definida na equação 1:

60mm > [última distância de vaporização] £ 22,6 - 6 x [quantidade de erosão por segundo no processo de faiscamento posterior] (equação 1).

7. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 6,

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8. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o trilho de aço para ferrovia (1A, 1B) contém C: 0,85% a 1,20% em % em massa.

9. Método de soldagem a arco de topo de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a largura da zona afetada pelo calor na porção da junta de soldagem é 27 mm ou menos, e a largura amaciada é 10 mm ou menos.