CN102361725A - 轨道焊接部的冷却装置及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的轨道焊接部的冷却装置具备：第一冷却器，对轨道焊接部的头部进行冷却；第二冷却器，对上述轨道焊接部的柱部进行冷却；控制部，控制上述第一冷却器和上述第二冷却器；上述第一冷却器具有：第一温度检测部，检测上述头部的温度；第一喷出部，朝向上述头部喷出第一冷却用流体；上述第二冷却器具有：第二温度检测部，检测上述柱部的温度；第二喷出部，朝向上述柱部喷出第二冷却用流体；在上述头部及上述柱部的冷却时，上述控制部独立地变更上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类、流量和流速。

Description

轨道焊接部的冷却装置及冷却方法
技术领域
本发明涉及将轨道焊接后的轨道焊接部的冷却装置及冷却方法。
本申请基于2009年3月27日在日本提出申请的特愿2009-079938号并主张优先权，这里引用其内容。
背景技术
轨道的接缝是在轨道之中最容易发生损伤、花费维护成本的部位。此外，轨道的接缝是在列车通过时发生的噪声及振动的主要的发生源。另一方面，客运铁路的高速化及货运铁路的重载化在国内外被推进。因为这样的状况，通过将轨道的接缝焊接接合而连续化，从而制造全长200m以上的长轨道的技术已普遍化。
作为轨道接缝的主要的焊接方法，有闪光对焊(flash pad)焊接(例如参照专利文献1)、气体压焊(例如参照专利文献2)、强制成形电弧(enclose arc)焊接(例如参照专利文献3)、及铝热剂焊接(例如参照专利文献4)。
在将轨道的接缝焊接的情况下，由于应力集中在轨道焊接部的中立轴附近，所以为了将疲劳龟裂防止于未然而需要频繁地更换轨道。图7A表示在轨道焊接部50的中立轴附近发生沿水平方向行进的疲劳龟裂51，并且脆性龟裂52朝向轨道头部及轨道脚部发展的状况。由表示龟裂断面的图7B可知，以轨道焊接部50的中立轴附近为起点发生疲劳龟裂51，然后脆性龟裂52将柱部沿板厚方向贯通的状况。
另外，在本说明书中，将与车轮接触的轨道上部称作“头部”，将在枕木上接地的轨道下部称作“脚部”，将头部与脚部之间的部位称作“柱部”。此外，将头部的上表面称作“头顶部”，将头部侧面称作“头侧部”，将脚部的背面称作“脚背部”。
对于上述疲劳龟裂的发生，不仅是外在的负荷条件，轨道焊接部的残留应力也有影响。图8A、图8B、及图9表示对轨道的接缝进行闪光对焊焊接时发生的残留应力分布的一例。在图8A、图8B及图9的曲线图中，纵轴的正方向表示拉伸残留应力，纵轴的负方向表示压缩残留应力。图8A表示轨道焊接部的周部上的周向的残留应力分布。根据该图8A可知，柱部的拉伸残留应力较大。此外，图8B是取从焊接中心面向轨道轴向的离开距离为横轴、表示柱部中央部的周向(上下方向)的拉伸残留应力的图。根据该图8B可知，在从焊接中心面离开25mm左右的位置以内的范围中分布着周向(上下方向)的拉伸残留应力。在轨道焊接部位于枕木上的情况下，当列车通过时，在柱部上作用上下方向的压缩应力。但是，由于在柱部上残留着上下方向的较大的拉伸应力，所以柱部实质上总是在作用有拉伸应力的状态下受到反复应力。因此，在柱部容易发生疲劳龟裂。另一方面，图9表示轨道的焊接部的周部上的轨道轴向的残留应力分布。根据该图9可知，较大的压缩应力残留在轨道脚背部中。在轨道焊接部位于枕木与枕木之间的情况下，当列车通过时，在轨道脚背部上作用轨道轴向的拉伸应力。但是，由于轨道轴向的拉伸应力与上述轨道轴向的压缩残留应力抵消，所以轨道脚部实质上在总是在作用有压缩应力的状态下受到反复应力。因此，在轨道脚部发生疲劳龟裂的情况较少。
为了防止上述轨道柱部的损坏，在专利文献5及专利文献6中，提出了将处于因焊接热或来自外部的加热带来的高温状态的轨道焊接部整体或轨道焊接部的头部和柱部急速冷却的方法。根据该方法，能够减轻在轨道焊接部的柱部中发生的上下方向的拉伸残留应力或改变为压缩应力而改善轨道焊接部的耐疲劳性。
此外，作为提高轨道焊接部的疲劳强度的技术，有使用喷丸硬化(shotpeening)处理的方法(例如参照专利文献7)等。在喷丸硬化处理中，将直径几毫米的钢球投射到材料上，使材料表层塑性变形而加工硬化。即，通过将残留应力改变为压缩应力而提高疲劳强度。
进而，在专利文献8中，公开了如下的轨道焊接部的冷却装置的发明，该冷却装置具有：冷却轨道焊接部的头顶面的空气室；冷却轨道焊接部的头侧面的空气室；以及冷却轨道焊接部的腹部(柱部)及底部(脚部)的空气室；在各空气室中分别设置压缩空气吐出用的多个喷嘴，进而在冷却头顶部的空气室的喷嘴群的中央设有温度检测用的喷嘴。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：特开昭56-136292号公报
专利文献2：特开平11-270810号公报
专利文献3：特开平06-292968号公报
专利文献4：特开昭48-095337号公报
专利文献5：特开昭59-093837号公报
专利文献6：特开昭59-093838号公报
专利文献7：特开平03-249127号公报
专利文献8：特开昭60-033313号公报
非专利文献
非专利文献1：Proceedings of the Second IhternationalConferenceon Residual Stresses，ICR2，Nancy，France，23-25，Nov.1988，p.912-918
发明的概要
发明所要解决的技术问题
在通过专利文献5及专利文献6中记载的冷却方法来冷却轨道焊接部的头部及柱部的情况下，轨道柱部的上下方向的残留应力减小，由此抑制了柱部的疲劳龟裂的发生。但是，在使用该方法的情况下，如非专利文献1所示，脚背部的轨道轴向的残留应力转变为拉伸应力。近年来，在货运铁路中，货车重量有增加的趋势。伴随与此，作用在轨道上的弯曲力矩也增大，所以在脚背部中的轨道轴向的残留应力转变为拉伸应力的情况下，弯曲疲劳性能下降。
此外，在喷丸硬化处理的情况下，需要将钢球投射、回收并用于粉尘防止的大规模的设备，向大型的焊接部的应用受到限制。除此以外，由于钢球磨损、损坏，所以需要定期地补给钢球，运行成本变大。
进而，根据专利文献8所示的冷却装置，虽然能够强化轨道焊接部的硬度，但不能控制轨道焊接部的残留应力。在使用该专利文献8的冷却装置将轨道焊接部加速冷却的情况下，如后所述，通过本发明者们实施的试验判明了轨道柱部的残留应力不下降、疲劳寿命也不怎么延长。即，已知如果不对轨道焊接部的适当的范围以适当的冷却速度进行冷却，则不能减小轨道焊接部的残留应力。
发明内容
本发明为了解决上述问题，目的是提供一种轨道焊接部的冷却装置及冷却方法，用来制造与以往相比提高了轨道焊接部的疲劳强度的轨道。
为了解决上述问题，本发明采用以下的技术手段。
(1)本发明的第一技术方案是一种轨道焊接部的冷却装置，具备：第一冷却器，对轨道焊接部的头部进行冷却；第二冷却器，对上述轨道焊接部的柱部进行冷却；和控制部，控制上述第一冷却器和上述第二冷却器的。上述第一冷却器具有：第一温度检测部，检测上述头部的温度；第一喷出部，朝向上述头部喷出第一冷却用流体；上述第二冷却器具有：第二温度检测部，检测上述柱部的温度；第二喷出部，朝向上述柱部喷出第二冷却用流体；在上述头部及上述柱部的冷却时，上述控制部独立地变更上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类、流量和流速。
(2)在上述(1)所述的轨道焊接部的冷却装置中，也可以是，上述第二喷出部具备调整将上述第二冷却用流体喷出、以使上述轨道焊接部的冷却宽度成为上述轨道焊接部的轨道轴向宽度的35％～75％的区域的冷却宽度調整部。
(3)在上述(1)或(2)所述的轨道焊接部的冷却装置中，也可以是，上述第二喷出部具备冷却宽度調整部，该冷却宽度調整部进行调整，以上述轨道焊接部的冷却宽度成为上述轨道焊接部的轨道轴向宽度的35％～75％的区域的方式喷出上述第二冷却用流体。
(4)本发明的第二技术方案是将轨道焊接部的头部和柱部独立冷却的冷却方法，具备：第一温度检测工序，检测上述头部的温度；第二温度检测工序，检测上述柱部的温度；第一喷出工序，朝向上述头部喷出第一冷却用流体；第二喷出工序，朝向上述柱部喷出第二冷却用流体；控制工序，在上述头部及上述柱部的冷却时，独立地变更上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类、流量和流速。
(5)在上述(4)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，在上述第二喷出工序中，对上述轨道焊接部的轨道轴向宽度的35％～75％的宽度区域喷出上述第二冷却用流体。
(6)在上述(4)或(5)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，在上述控制工序中独立变更的上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类是空气、气水混合物、以及水。
(7)在上述(4)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后进行。
(8)在上述(4)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中进行。
(9)在上述(4)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，上述第二喷出工序在上述柱部中从处于奥氏体温度域的状态起到珠光体变形完成后、在上述柱部成为200℃左右之前进行。
(10)在上述(4)所述的轨道焊接部的冷却方法中，也可以是，上述第一喷出工序在上述头部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中进行；上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中、以及在从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后进行。
发明的效果
根据上述(1)中记载的冷却装置，仅对轨道焊接部的头部和柱部进行加速冷却，不对脚部进行加速冷却。进而，由于独立地控制头部的加速冷却和柱部的加速冷却，所以能够对轨道焊接部的适当的范围以适当的冷却速度进行冷却。由此，能够减小轨道焊接部的残留应力。因而，与以往相比，轨道焊接部的疲劳强度提高。
根据在上述(2)中记载的冷却装置，能够将轨道的冷却宽度设定在适当的范围中。因此，能够使焊接中心附近的温度分布变得平坦而进一步减小残留应力，疲劳强度提高。
根据在上述(3)中记载的冷却装置，能够迅速地调整轨道焊接部的冷却速度。因此，能够实现精密的温度控制。
根据上述(4)～(10)中记载的冷却方法，由于对轨道焊接部的适当的范围以适当的冷却速度进行冷却，所以将轨道焊接部的残留应力减小，与以往相比，轨道焊接部的疲劳强度提高。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的轨道焊接部的冷却装置的正视图。
图2是该冷却装置的侧视图。
图3A是该冷却装置的第一喷出部的正视图。
图3B是该冷却装置的第二喷出部的正视图。
图4A是表示在轨道焊接部的柱部和头部发生的残留应力与轨道焊接部的冷却方法的关系的曲线图。
图4B是表示轨道焊接部的柱部和头部的疲劳寿命与轨道焊接部的冷却方法的关系的曲线图。
图5A是表示在轨道焊接部的柱部和头部发生的残留应力与冷却宽度比的关系的曲线图。
图5B是表示轨道焊接部的柱部和头部的疲劳寿命与冷却宽度比的关系的曲线图。
图6A是用来说明闪光对焊焊接中的闪光工序的示意图。
图6B是用来说明闪光对焊焊接中的镦锻工序的示意图。
图6C是用来说明闪光对焊焊接中的修整工序的示意图。
图7A是表示起因于轨道焊接部的疲劳龟裂的损伤例的示意图。
图7B是表示上述疲劳龟裂的断面的示意图。
图8A是表示通过闪光对焊焊接形成的轨道焊接部的周部上的、周向的残留应力分布的图。
图8B是取从焊接中心面向轨道轴向的离开距离为横轴、表示柱部中央部的周向(上下方向)的拉伸残留应力的图。
图9是表示轨道焊接部的周部上的、轨道轴向的残留应力分布的图。
图10是表示刚焊接后的轨道焊接部的柱部的温度分布的示意图。
具体实施方式
本发明者们对轨道焊接部的冷却方法与轨道焊接部的疲劳强度的关系进行了研究，结果发现了以下的(A)～(C)。
(A)在通过将轨道焊接部的脚部加速冷却而使脚部的温度比柱部低的情况下，在柱部发生的轨道轴向的收缩应变受到更低温度的脚部的影响。因而，在柱部发生轨道轴向的拉伸应力，在上下方向上也发生泊松比的量的拉伸应力。结果，使柱部的上下方向的拉伸残留应力增大。因而，通过加速冷却使轨道焊接部的脚部的温度比柱部的温度降低并不优选。
(B)在柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后将柱部加速冷却的情况下，能够减小柱部的上下方向的残留应力。另一方面，在柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中将柱部加速冷却的情况下，能够提高疲劳强度。此外，从奥氏体温度域开始柱部的加速冷却、在珠光体变形完成后也加速冷却的情况下，能够进一步提高疲劳强度。
(C)轨道头部由于与车轮的接触发生磨损。特别是，在曲线轨道中，由于在车轮与轨道之间发生的相对滑动促进了摩耗。因此，在曲线区间中采用使轨道头部硬化的热处理轨道的情况较多。在热处理轨道的焊接中，优选的是在焊接后将轨道头部在从奥氏体温度域向珠光体变形完成的温度范围中加速冷却，得到与母材同样的硬度。
本发明者们基于上述(A)～(C)想出了本发明的轨道焊接部的冷却装置。以下，对本发明的一实施方式的冷却装置进行说明。本发明的一实施方式的冷却装置仅对轨道焊接部的头部及柱部进行加速冷却，不对脚部进行加速冷却。此外，在该冷却装置中，独立控制各冷却单元，以便能够对头部和柱部分别以适当的冷却速度进行加速冷却。此外，构成为，冷却用流体的种类、流量及流速能够在冷却中改变。根据该结构，能够迅速地调节轨道焊接部的冷却速度。作为冷却用流体的种类，只要能够根据冷却速度选择空气、气水混合物(空气与水的混合流体)、以及水的任一种就可以。
此外，在上述轨道焊接部的冷却装置中，优选的是能够调节冷却宽度，以使由(对于轨道焊接部的柱部的轨道轴向的冷却宽度)/(轨道焊接部的轨道轴向的宽度)表示的值为0.35以上0.75以下的范围内。这里，对(对于上述轨道焊接部的柱部的轨道轴向的冷却宽度)/(上述轨道焊接部的轨道轴向的宽度)进行补充。图10是表示刚焊接后的轨道焊接部的柱部的温度分布的示意图，实线XX表示该时刻的温度分布。图中的TS是固相线温度，TL是液相线温度。轨道焊接部的轨道轴向的宽度是刚焊接后的轨道焊接部的温度成为奥氏体变形开始温度Ac1以上的温度区域W。此外，对于轨道焊接部的柱部的轨道轴向的冷却宽度为从冷却装置对轨道焊接部的柱部喷出的冷却用流体的轨道轴向的喷出范围。
以下，将(对于轨道焊接部的柱部的轨道轴向的冷却宽度)/(轨道焊接部的轨道轴向的宽度)称作“冷却宽度比”。通过使柱部的焊接部附近的温度分布变得平坦，能够减小柱部的上下方向的残留应力。为此，将进行加速冷却的冷却宽度限定在焊接中心附近的高温域是有效的。通过使冷却宽度比为0.75以下，能够使焊接中心附近的温度分布变得平坦而减小残留应力。另一方面，在冷却宽度比不到0.35的情况下，冷却效率下降，残留应力减小效果下降。
接着，参照附图，对将本发明具体化的实施方式更详细地说明。
[闪光对焊焊接]
轨道焊接部的柱部中的上下方向的残留应力在温度梯度最陡峭的闪光对焊焊接中较显著。因此，在本说明书中，作为轨道接缝的焊接方法的一例，对闪光对焊焊接进行说明。当然，有关本发明的轨道焊接部的冷却装置在铝热剂焊接等的其他焊接方法中也能够采用。
在图6A、图6B、图6C中表示用来说明闪光对焊焊接的示意图。在称作闪光工序的第一工序中，通过经由与电源17连接的电极16施加的电压，在连接设置的轨道11的端面间连续地发生电弧(参照图6A)。发生了电弧的部分局部熔融，熔融的金属的一部分作为飞溅物被释放到外部，而其余残留在轨道11的端面上。在通过电弧熔融的部分中发生被称作弧坑(crater)的凹陷。使轨道11逐渐靠近，在新的接触部分上逐次发生电弧，通过局部的熔融的反复，轨道11逐渐变短。通过将闪光工序持续几十秒到几分钟，轨道11的端面的整面成为熔融的状态。此外，轨道11的端面附近因温度上升而软化。在达到该状态的时刻，如图6B所示，向轨道轴向进行加压。通过这种被称作镦锻(upset)的加压，将形成在轨道11的端面上的弧坑压扁，将存在于端面间的熔融金属向焊接面之外挤出。软化的端面附近塑性变形而截面增大，在焊接面的周围形成焊道(bead)18。该焊道18如图6C所示，在刚焊接后的高温期通过修整器(trimmer)19热剪切除去。将该工序称作修整(trimming)。在修整后，在焊接部的周围残留有较薄的焊道18。将残留在轨道头部的较薄的焊道18用砂轮机研磨平滑化。另一方面，将残留在轨道柱部及脚部上的较薄的焊道18用砂轮机研磨。但是，根据铁路公司不同，也有不进行修整的情况。
[轨道钢]
轨道钢如在JIS E1101“普通轨道及转辙器类用特殊轨道”、JIS E1120“热处理轨道”中规定那样，一般使用含碳0.5～0.8质量％的亚共析或共析碳素钢。此外，最近以海外的矿山铁路中的重载重货运线为对象，进一步提高了磨损性的、含碳超过0.8质量％的过共析组成的轨道钢也正在普及。
[残留应力的发生机构]
在存在起因于轨道内的不均匀的温度的不均匀的收缩应变的情况下，通过轨道内的各部位相互约束收缩应变而产生的收缩应力作为内部应力残留的是残留应力。在将轨道的接缝焊接时，在轨道焊接部与周围之间发生较大的温度差。由此，在轨道焊接部中发生收缩应力，成为残留应力。因而，只要对焊接中心附近进行加速冷却，焊接中心附近的温度分布就变得平坦，所以减少了焊接中心处的残留应力的发生。但是，即使在轨道焊接部的中心温度低于200℃的状态下得到了平坦的温度分布，也已经发生较大的残留应力，残留应力的减小效果较小。另外，所谓“加速冷却”，是指通过将冷却用流体向被冷却物喷出而以比自然冷却快的冷却速度对该被冷却物进行强制冷却。
[轨道焊接部的冷却装置]
图1、图2表示本发明的一实施方式的轨道焊接部的冷却装置10(以下单称作冷却装置10)的示意图。冷却装置10具备：第一冷却单元20，对焊接了轨道11后的轨道焊接部15的头部12进行加速冷却；以及第二冷却单元21，对轨道焊接部15的柱部13进行加速冷却。不具备对轨道焊接部15的脚部14进行加速冷却的冷却单元。
第一冷却单元20具备：一对喷出部24，配置在轨道焊接部15的头顶部12a的正上方，朝向头顶部12a喷出冷却用流体；两对喷出部25，夹着头部12对置配置，朝向头侧部12b喷出冷却用流体；以及非接触式的温度传感器22，配置在一对喷出部24间，测量头部12的温度。另一方面，第二冷却单元21具备：一对喷出部26，夹着轨道焊接部15的柱部13对置配置，朝向柱部13喷出冷却用流体；以及非接触式的温度传感器23，配置在一个喷出部26上，测量柱部13的温度。此外，在冷却装置10中，设有控制单元50，独立控制第一冷却单元20和第二冷却单元21。该控制装置50也可以分别设在第一冷却单元20和第二冷却单元中。配设位置没有特别限定，但如图1所示，可以配置在例如架台29的下方。
对轨道焊接部15的头部12进行加速冷却的第一冷却单元20支撑在集管(header)30上，从供给管27经由集管30对各喷出部24、25供给冷却用流体。另一方面，在对轨道焊接部15的柱部13进行加速冷却的第二冷却单元21的喷出部26上，连接着用来供给冷却用流体的供给管28。供给管27、28保持在由跨越轨道焊接部15而架设的门型架构成的架台29上。
在图3A中表示喷出部24(喷出部25也同样)的正视图，在图3B中表示喷出部26的正视图。在喷出部24、26上，规则地设有多个喷出孔24a、24b、26a、26b，从喷出孔24a、26a喷出压缩空气，从喷出孔24b、26b喷出气水混合物。喷出孔24a、26a和喷出孔24b、26b根据冷却速度而切换使用。此外，当从喷出孔26a、26b喷出冷却用流体时，优选的是将(对于轨道焊接部15的柱部13的轨道轴向的冷却宽度)/(轨道焊接部15的轨道轴向的宽度)设为0.35～0.75。即，在轨道焊接部15的轨道轴向的宽度是40mm的情况下，优选的是将对于轨道焊接部15的柱部13的轨道轴向的冷却宽度设定在14mm到30mm的范围中。通过在该范围中设定冷却宽度，能够抑制柱部中的残留应力的增加，能够使疲劳寿命变长。作为用来调整冷却宽度的结构，可以举出例如设在图3B的喷出孔中的、能够适当变更喷出方向的喷嘴等。或者，也可以对纵列的喷出孔的每一个控制喷出。
[轨道焊接部的冷却方法]
接着，对使用冷却装置10对轨道焊接部15进行冷却的方法进行说明。另外，在以下的方法中，轨道焊接部15的头部12及柱部13中的从奥氏体温度域向珠光体的变形完成的判断通过由温度传感器22、23测量(检测)的各部位的温度来推测。此外，在对各部位进行加速冷却时，在控制部中，基于由温度传感器22、23的测量结果计算出的冷却速度来进行。
(1)第一冷却方法
在轨道焊接部15的柱部13中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后，从第二冷却单元21的喷出部26喷出冷却用流体，对柱部13进行加速冷却。另一方面，使轨道焊接部15的头部12及脚部14自然冷却。
(2)第二冷却方法
在轨道焊接部15的柱部13中在从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中，从第二冷却单元21的喷出部26喷出冷却用流体，对柱部13进行加速冷却。另一方面，使轨道焊接部15的头部12及脚部14自然冷却。
(3)第三冷却方法
在轨道焊接部15的柱部13从处于奥氏体温度域的状态到珠光体变形完成后，从第二冷却单元21的喷出部26喷出冷却用流体，对柱部13进行加速冷却，直到柱部13成为200℃左右。另一方面，使轨道焊接部15的头部12及脚部14自然冷却。
(4)第四冷却方法
在轨道焊接部15的头部12及柱部13中，在从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中，从第一及第二冷却单元20、21的喷出部24、25、26喷出冷却用流体，对头部12及柱部13进行加速冷却。在从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后，从第二冷却单元21的喷出部26喷出冷却用流体，仅对柱部13进行加速冷却。另一方面，使轨道焊接部15的脚部14自然冷却。
实施例
[轨道焊接部的冷却试验]
接着，对使用冷却装置10实施的轨道焊接部的冷却试验进行说明。在表1中表示本发明的实施例，在表2中表示比较例的各冷却条件。表中的数值是冷却速度，除了比较例2以外，以作为珠光体变形点的500℃为边界而设为不同的冷却速度。此外，在对象部位的中心温度不到200℃的情况下，即使对该对象部位进行加速冷却，残留应力的减小效果也较小，所以加速冷却进行到200℃为止。
[表1]
Figure BDA0000092662650000121
[表2]
Figure BDA0000092662650000122
实施例1～3仅对轨道焊接部的头部和柱部进行加速冷却，比较例1对轨道焊接部整体进行加速冷却。另一方面，比较例2使轨道焊接部整体自然冷却。另外，在加速冷却中使用的冷却用流体仅在实施例3的200～500℃时为气水混合物，除此以外为压缩空气。被焊接轨道使用含碳量0.7～0.8质量％、头部表面硬度具有Hv260～290的普通轨道。轨道尺寸使用每单位米的重量为60kg的一般铁路用尺寸。轨道焊接部的宽度为40mm、加速冷却时的冷却宽度为30mm(冷却宽度比0.75)。另外，各例都在相同条件下制作3条试件，分别将其中的第一条用于残留应力的测量、第二条用于柱部的疲劳寿命评价试验、第三条用于脚部的疲劳寿命评价试验。
残留应力的测量如以下这样进行。
(1)在轨道焊接后在轨道焊接部上粘贴应变计，测量应变而作为初始值。
(2)在将应变计的周围切削而将残留应力释放后，再次测量应变。
(3)使用测量出的切削前的应变与切削后的应变的差，根据应力与应变的关系式计算残留应力。
柱部的疲劳寿命评价试验如以下这样进行。在平台上放置轨道焊接部，通过将前端做成弧状凸部的推压夹具对轨道焊接部的头部反复施加载荷。弧状凸部的曲率半径为接近于车轮的450mm。施加的载荷考虑到重载荷下的实际载荷是20ton左右而最大设定为30ton。另一方面，载荷反复施加中的最低载荷为4ton。载荷反复速度为2Hz，在轨道焊接部中发生龟裂的时刻结束试验。
脚部的疲劳寿命评价试验为通过以下表示的3点弯曲方式进行的弯曲疲劳强度试验。将在中央配设有轨道焊接部的长度1.5m的轨道用以1m的间隔设置的台座对称地支撑，通过将前端做成弧状凸部的推压夹具对轨道焊接部的头部反复施加载荷。台座及推压夹具的前端部的曲率半径为100mm。施加的载荷以轨道焊接部的脚背中央部的应力为基准，以最大应力为330MPa、最低应力为30MPa的方式施加载荷。载荷反复速度为5Hz，在轨道焊接部中发生龟裂的时刻结束试验。
分别将在实施例1～3及比较例1、2的各轨道焊接部中发生的残留应力表示在图4A中，将各轨道焊接部的疲劳寿命表示在图4B中。在该图中，白圆表示柱部，黑圆表示脚部。由该图可知，与比较例相比，在全部的实施例中柱部的残留应力减小、柱部的疲劳寿命延长。此外，将使用与实施例1相同的冷却方法以冷却宽度为参数实施的残留应力及疲劳寿命评价试验结果表示在图5A、图5B中。在该图中，白圆表示柱部，黑圆表示脚部。由该图可知，如果使冷却宽度为50mm(冷却宽度比为通过50mm/40mm计算的1.25)，则脚部的残留应力增加，脚部的疲劳寿命变短。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明完全不受上述实施方式中记载的结构限定，也包含在权利要求书所记载的技术范围内可以想到的其他实施方式及变形例。例如，在上述实施方式中，喷出部具备压缩空气用的喷出孔和气水混合物用的喷出孔，但也可以还设置水用的喷出孔，在压缩空气、气水混合物、水之间进行切换。
工业实用性
根据本发明的轨道焊接部的冷却装置，能够制造比以往提高了轨道焊接部的疲劳强度的轨道。因而，工业实用性较高。
标号说明
10冷却装置(轨道焊接部的冷却装置)
11轨道
12头部
12a头顶部
12b头侧部
13柱部
14脚部
15轨道焊接部
16电极
17电源
18焊道
19修整器
20第一冷却单元
21第二冷却单元
22、23温度传感器
24、25、26喷出部
24a、24b、26a、26b喷出孔
27、28供给管
29架台
30集管
50控制部

Claims (10)

1.一种轨道焊接部的冷却装置，其特征在于，具备：
第一冷却器，对轨道焊接部的头部进行冷却；
第二冷却器，对上述轨道焊接部的柱部进行冷却；以及
控制部，控制上述第一冷却器和上述第二冷却器；
上述第一冷却器具有：
第一温度检测部，检测上述头部的温度；以及
第一喷出部，朝向上述头部喷出第一冷却用流体；
上述第二冷却器具有：
第二温度检测部，检测上述柱部的温度；以及
第二喷出部，朝向上述柱部喷出第二冷却用流体；
在上述头部及上述柱部的冷却时，上述控制部独立地变更上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类、流量和流速。
2.如权利要求1所述的轨道焊接部的冷却装置，其特征在于，
上述第二喷出部具备冷却宽度調整部，该冷却宽度調整部进行调整，以上述轨道焊接部的冷却宽度成为上述轨道焊接部的轨道轴向宽度的35％～75％的区域的方式喷出上述第二冷却用流体。
3.如权利要求1或2所述的轨道焊接部的冷却装置，其特征在于，
上述第一喷出部和上述第二喷出部分别具有空气喷出孔、气水混合物喷出孔、和水喷出孔中的至少两个以上，
由上述控制部独立变更的上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类是空气、气水混合物、以及水。
4.一种轨道焊接部的冷却方法，是将轨道焊接部的头部和柱部独立冷却的冷却方法，其特征在于，具备：
第一温度检测工序，检测上述头部的温度；
第二温度检测工序，检测上述柱部的温度；
第一喷出工序，朝向上述头部喷出第一冷却用流体；
第二喷出工序，朝向上述柱部喷出第二冷却用流体；以及
控制工序，在上述头部及上述柱部的冷却时，独立地变更上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类、流量和流速。
5.如权利要求4所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
在上述第二喷出工序中，对上述轨道焊接部的轨道轴向宽度的35％～75％的宽度区域喷出上述第二冷却用流体。
6.如权利要求4或5所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
在上述控制工序中独立变更的上述第一冷却用流体及上述第二冷却用流体的种类是空气、气水混合物、以及水。
7.如权利要求4所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后进行。
8.如权利要求4所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中进行。
9.如权利要求4所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
上述第二喷出工序在上述柱部中从处于奥氏体温度域的状态起到珠光体变形完成后、在上述柱部成为200℃左右之前进行。
10.如权利要求4所述的轨道焊接部的冷却方法，其特征在于，
上述第一喷出工序在上述头部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中进行；
上述第二喷出工序在上述柱部中从奥氏体温度域向珠光体的变形完成之前的期间中、以及在从奥氏体温度域向珠光体的变形完成后进行。
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