JP2001009578A - Thermit welding method - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、レールなどの鋼材
と、銅より線などの銅材とをテルミット反応を用いて異
材接合するテルミット溶接方法に係わり、特に、溶接部
に粒界割れを生じにくくしたテルミット溶接方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermite welding method for joining a steel material such as a rail and a copper material such as a copper stranded wire using a thermit reaction, and in particular, generates a grain boundary crack in a welded portion. The present invention relates to a thermit welding method that is difficult.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、鉄道の線路において、図２の
上面概略図に示すように、前後する二本のレール１００
の接続部には、この接続部の電気抵抗を下げるために、
銅より線であるレールボンド１を橋渡すように接合する
場合がある。レールボンド１は、図３に概略を示すよう
に、銅線２…をよりあわせて縛り銅線３を用いて縛り、
さらに、両端を銅帯４で束ねたものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in a schematic top view of FIG.
To reduce the electrical resistance of this connection,
There is a case where the rail bond 1 which is a copper stranded wire is joined so as to bridge. As shown schematically in FIG. 3, the rail bond 1 is tied together with copper wires 2.
Furthermore, both ends are bundled with a copper band 4.
【０００３】このレールボンド１をレールに接合する方
法としては、日本ではろう付け温度が２００〜３００℃
の低温ろうを用いて接合する方法が一般的であるが、そ
の他にガス溶接、アークろう付け、テルミット溶接、テ
ルミットろう付け、および摩擦溶接などがある。In order to join the rail bond 1 to a rail, a brazing temperature of 200 to 300 ° C. is used in Japan.
In general, a method using a low-temperature brazing material is used, but other methods include gas welding, arc brazing, thermite welding, thermite brazing, and friction welding.
【０００４】しかし、低温ろうを用いる方法は、接合強
度が低く、また、その接合状態は作業者の技量に大きく
影響されるため、十分な接合強度を安定して得ることは
難しかった。また、ガス溶接も、作業者の技量に大きく
影響されるため、十分な接合強度を安定して得ることは
難しかった。また、アークろう付けは、作業は容易であ
るが、アークの熱によりレール内部までマルテンサイト
が生成するため、レールが脆性化していた。また、テル
ミットろう付けは装置が複雑であり、摩擦溶接は装置が
大型であるため、それぞれ実用的ではなかった。これら
のことを踏まえ、作業が容易かつ安全であり、また、接
合強度がばらつきにくい点などから、テルミット溶接が
最も優れた接合方法と考えられる。However, in the method using low-temperature brazing, the joining strength is low, and the joining state is greatly affected by the skill of the operator, so that it has been difficult to stably obtain a sufficient joining strength. In addition, since gas welding is also greatly affected by the skill of an operator, it has been difficult to stably obtain sufficient joint strength. In addition, arc brazing is easy to perform, but martensite is generated inside the rail by the heat of the arc, so that the rail has become brittle. Further, the thermite brazing has a complicated apparatus, and the friction welding is not practical because of the large size of the apparatus. Based on these facts, thermite welding is considered to be the most excellent joining method because the work is easy and safe, and the joining strength is hard to vary.
【０００５】テルミット溶接は、酸化金属をアルミニウ
ムなどの酸化傾向の強い金属で還元する際に発生する熱
を利用した溶接方法であり、レール１００にレールボン
ド１を接合する場合の具体的な工程は、以下に示す通り
である。まず、図２の上面概略図および図４の断面概略
図に示すように、下方のモールド２１の内部に、レール
ボンド１の端部を挿入し、さらに、上方の開口部にセラ
ミックカップ２０を接続する。ここで、セラミックカッ
プ２０の底部は銅ディスク２２によって一時的に塞がれ
ている。次に、酸化銅と金属アルミニウムを主成分とす
るテルミット剤１０をセラミックカップ２０に投入し、
このテルミット剤１０の反応を、点火剤１１を用いて開
始させる。このテルミット剤１０の反応は、例えば３Ｃ
ｕＯ＋２Ａｌ→３Ｃｕ＋Ａｌ2Ｏ3、３Ｃｕ2Ｏ＋２Ａｌ
→６Ｃｕ＋Ａｌ2Ｏ3であり、大きな発熱を伴う。従っ
て、反応を開始させるとテルミット剤１０自身が溶融
し、銅ディスク２２を溶融させた後にセラミックカップ
２０からモールド２１に流れ込み、レール１００とレー
ルボンド１の端部とを接合する。[0005] Thermite welding is a welding method utilizing heat generated when reducing a metal oxide with a metal having a strong tendency to oxidize such as aluminum. A specific process for joining the rail bond 1 to the rail 100 is as follows. , As shown below. First, as shown in the schematic top view of FIG. 2 and the schematic cross-sectional view of FIG. 4, the end of the rail bond 1 is inserted into the lower mold 21, and the ceramic cup 20 is connected to the upper opening. I do. Here, the bottom of the ceramic cup 20 is temporarily closed by the copper disk 22. Next, a thermite agent 10 containing copper oxide and metal aluminum as main components is put into the ceramic cup 20,
The reaction of the thermite agent 10 is started using the ignition agent 11. The reaction of the thermite agent 10 is, for example, 3C
uO + 2Al → 3Cu + Al 2 O 3 , 3Cu 2 O + 2Al
→ 6Cu + Al 2 O 3 , accompanied by large heat generation. Therefore, when the reaction is started, the thermite agent 10 itself melts, melts the copper disk 22, flows into the mold 21 from the ceramic cup 20, and joins the rail 100 and the end of the rail bond 1.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】溶融したテルミット剤
１０がレール１００に接すると、その熱によりレール１
００を構成する鋼の組織はオーステナイトと呼ばれる状
態になるが、このオーステナイトの粒界には溶融した銅
が進入しやすい。粒界に銅が進入したオーステナイトに
繰り返し応力を加えると粒界割れに起因した亀裂が生じ
やすい。すなわち、テルミット溶接を用いてレール１０
０とレールボンド１とを接合すると、テルミット剤１０
中に含まれる銅がレール１００に生成したオーステナイ
トの粒界に進入して、繰り返し応力、すなわち列車の往
来により粒界割れに起因した亀裂が生じ、レールの寿命
を短くする可能性があった。When the molten thermite agent 10 comes into contact with the rail 100, its heat causes the rail 1 to move.
The structure of the steel constituting 00 becomes a state called austenite, and molten copper easily enters the austenite grain boundaries. When stress is repeatedly applied to austenite in which copper has entered grain boundaries, cracks due to grain boundary cracks are likely to occur. That is, the rail 10 is formed by using thermite welding.
0 and rail bond 1 are joined to form a thermite 10
The copper contained therein may enter the austenite grain boundaries formed on the rail 100 and cause repeated stress, that is, cracks caused by grain boundary cracks due to train traffic, thereby shortening the life of the rail.
【０００７】上記事情に鑑み、本発明は、レールなどの
鋼材中に生成するオーステナイトの粒界に銅を進入させ
にくく、より実用的にしたテルミット溶接方法を提供す
ることを目的とする。In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a more practical thermite welding method in which copper does not easily enter the grain boundaries of austenite generated in a steel material such as a rail.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題点
を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、テルミット溶
接により生じる銅を主成分とする溶接金属中にニッケル
（Ｎｉ）元素を加えることにより、鋼材中に生成するオ
ーステナイトの粒界に溶接金属は進入しにくくなり、そ
の結果、粒界割れが生じにくくなるとの知見を得た。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have added nickel (Ni) element to a weld metal mainly composed of copper produced by thermite welding. As a result, it has been found that the weld metal is less likely to enter the grain boundaries of austenite generated in the steel material, and as a result, grain boundary cracks are less likely to occur.
【０００９】本発明は、上記知見に基づいてなされたも
のであり、請求項１記載の発明は、鋼材と銅材とをテル
ミット反応を利用して接合するテルミット溶接方法にお
いて、テルミット反応により生成し、鋼材と銅材とを接
合する溶接金属が、銅元素とニッケル元素とを含む合金
であることを特徴とする。[0009] The present invention has been made based on the above findings, and an invention according to claim 1 is a method for joining a steel material and a copper material using a thermite reaction, the method comprising the steps of: The welding metal for joining the steel material and the copper material is an alloy containing a copper element and a nickel element.
【００１０】本発明によれば、鋼−銅間の異種溶接にお
ける粒界割れを抑制できるため、溶接部に繰り返し応力
を加えても粒界割れに起因した亀裂は生じにくくなる。
また、粒界割れを抑制するためには、テルミット剤中の
銅に不純物として含まれるＳｎの量を極力低減すること
が望ましいが、これは多大なコストを必要としていた。
しかし、本発明によれば、粒界割れは生じにくいために
銅中のＳｎの許容範囲を広げることは可能となり、コス
ト的にも有利になる。According to the present invention, since intergranular cracking can be suppressed in the welding of different kinds of steel and copper, cracks caused by intergranular cracking are less likely to occur even when stress is repeatedly applied to the welded portion.
Further, in order to suppress grain boundary cracking, it is desirable to reduce the amount of Sn contained as an impurity in copper in the thermite agent as much as possible, but this requires a large cost.
However, according to the present invention, since grain boundary cracks are unlikely to occur, it is possible to increase the allowable range of Sn in copper, which is advantageous in terms of cost.
【００１１】ここで、銅元素およびＮｉ元素は、任意の
状態および方法で添加可能である。例えば銅元素は周知
の通り、金属銅や酸化銅（価数によらない）の状態でテ
ルミット剤に加えられるが、同様に、Ｎｉ元素も、例え
ば金属Ｎｉや酸化Ｎｉ（価数によらない）の状態でテル
ミット剤に加えることにより、溶接金属中に添加され
る。また、銅−Ｎｉ合金をテルミット剤に加えても、同
様の作用を得る。また、テルミット剤とは別ルートでＮ
ｉを含む物質を溶接箇所に添加してもよい。Here, the copper element and the Ni element can be added in any state and method. For example, as is well known, the copper element is added to the thermite agent in the form of metallic copper or copper oxide (independent of the valence). Similarly, the Ni element is, for example, metal Ni or Ni oxide (independent of the valence). Is added to the weld metal by adding to the thermite in the state of Similar effects can be obtained by adding a copper-Ni alloy to the thermite agent. In addition, another route than the thermite agent
A substance containing i may be added to the welding location.
【００１２】また、本発明は、より具体的には、請求項
２に記載するように、溶接金属中のニッケル元素を５重
量％以上とするのが望ましい。Further, in the present invention, more specifically, as described in claim 2, it is desirable that the nickel element in the weld metal be 5% by weight or more.
【００１３】ここで、溶接金属中のＮｉ元素を５重量％
以上としたのは、鋼材や銅材の状態などによらずに確実
に粒界進入抑制効果を得るためである。Here, the Ni element in the weld metal is 5% by weight.
The reason for this is to ensure the effect of suppressing grain boundary penetration regardless of the state of the steel or copper material.
【００１４】また、本発明は、請求項３に記載するよう
に、請求項１または請求項２において、溶接金属中のニ
ッケル元素を、６０重量％以下としてもよい。Further, in the present invention, as described in claim 3, in claim 1 or claim 2, the nickel element in the weld metal may be 60% by weight or less.
【００１５】ここで、Ｎｉ含有量の増加に伴って粒界進
入抑制効果が向上するにも係わらず、溶接金属中のＮｉ
元素を６０重量％以下としたのは、この上限値を超える
と電気抵抗の上昇、テルミット剤の単価の上昇などが生
じるためであり、また、接合強度が低下する可能性もあ
るからである。Here, although the effect of suppressing grain boundary penetration is improved with an increase in the Ni content, the Ni content in the weld metal is increased.
The reason why the content of the element is set to 60% by weight or less is that, if the upper limit value is exceeded, an increase in electric resistance, an increase in the unit price of the thermite agent, and the like may occur, and also there is a possibility that the bonding strength may decrease.
【００１６】また、これら請求項１〜請求項３に記載の
テルミット溶接方法において、鋼材や銅材としては任意
のものを適用できるが、特に、請求項４に記載するよう
に銅線あるいは銅のより線としてもよいし、請求項５に
記載するように、鋼材をレールとしてもよい。また、請
求項５に記載のテルミット溶接方法は、請求項６に記載
するように、銅材を、レールボンドとしてもよい。この
場合は、作業者の技量によることなく、容易かつ安全に
レールとレールボンドとを品質良く溶接する溶接方法と
なる。In the thermite welding method according to any one of the first to third aspects, any steel or copper material can be used. In particular, as described in the fourth aspect, a copper wire or a copper wire is used. A stranded wire may be used, or a steel material may be used as a rail. In the thermite welding method according to a fifth aspect, as described in the sixth aspect, the copper material may be used as a rail bond. In this case, the welding method can easily and safely weld the rail and the rail bond with good quality without depending on the skill of the operator.
【００１７】[0017]
【実施例】以下に、具体的な実施例および比較例を挙げ
て、本発明に係るテルミット溶接方法の特徴とすること
を明らかにする。EXAMPLES Hereinafter, specific examples and comparative examples will be given to clarify the features of the thermite welding method according to the present invention.
【００１８】発明例（実施例）として、酸化銅、金属
銅、アルミニウムを主成分とする従来のテルミット剤
に、酸化Ｎｉ、金属Ｎｉあるいは銅−Ｎｉ合金を添加し
たテルミット剤を、それぞれ製造し、これらを用いて、
ＪＩＳ６０ｋｇＨＨレールの頭頂部にレールボンド１を
テルミット溶接方法にて取り付けることにより、試料を
各テルミット剤につき２体づつ作製した。各試料の一体
は接合断面のミクロ観察（倍率５００倍）を行い、テル
ミット剤による５μｍ以上の粒界侵入部（粒界割れ）の
数を調査した。また、他の一体は頭部が引張側となる３
点曲げ疲労試験を行い、試験後に接続部にてレールを切
断し、表面の観察を行って亀裂の有無を調べた。なお、
この疲労試験の条件は、支点間距離は１ｍ、最小応力は
３０Ｎ／ｍｍ2、最大応力は２１０Ｎ／ｍｍ2、繰返し数
は２×１０6回（破断したらその時点で終了）である。
また、比較例として、従来のテルミット剤を用いて同様
の試料を作製し、同様の試験を行った。As an invention example (Example), a thermite agent obtained by adding Ni oxide, metal Ni, or a copper-Ni alloy to a conventional thermite agent mainly containing copper oxide, metallic copper, and aluminum was manufactured. Using these,
By attaching the rail bond 1 to the top of the JIS 60 kgHH rail by thermite welding method, two samples were prepared for each thermite agent. For each sample, a microscopic observation (magnification: 500 times) of the joined cross section was performed, and the number of grain boundary penetration portions (grain boundary cracks) of 5 μm or more due to the thermite agent was investigated. The other one is that the head is on the pulling side.
A point bending fatigue test was performed, and after the test, the rail was cut at the connection portion, and the surface was observed to check for cracks. In addition,
The conditions of the fatigue test are as follows: the distance between the fulcrums is 1 m, the minimum stress is 30 N / mm 2 , the maximum stress is 210 N / mm 2 , and the number of repetitions is 2 × 10 6 times (the fracture ends at that point).
Further, as a comparative example, a similar sample was prepared using a conventional thermite agent, and a similar test was performed.
【００１９】得られた１１種の試料（試料Ｎｏ１〜１
１）中の溶接部の溶接金属の組成、Ｎｉ添加方法、およ
び試験結果を表１にまとめて示す。The obtained 11 kinds of samples (sample Nos. 1 to 1)
Table 1 summarizes the composition of the weld metal of the weld in 1), the method of adding Ni, and the test results.
【００２０】[0020]
【表１】 [Table 1]
【００２１】表１中、Ｎｏ１〜Ｎｏ８は本発明例、Ｎｏ
９〜Ｎｏ１１は比較例である。ミクロ観察の結果、本発
明例においては、粒界割れ個数は０〜４個であるのに対
し、比較例においては９〜１５個であることがわかっ
た。従って、本発明例において、粒界侵入に起因した粒
界割れは抑制されたことがわかる。In Table 1, No. 1 to No. 8 are examples of the present invention, and No.
9 to No. 11 are comparative examples. As a result of micro observation, it was found that the number of grain boundary cracks was 0 to 4 in the examples of the present invention, whereas it was 9 to 15 in the comparative examples. Therefore, in the example of the present invention, it can be seen that grain boundary cracking due to grain boundary penetration was suppressed.
【００２２】また、疲労試験の結果、本発明例において
は破断は勿論、亀裂も無かったのに対し、比較例におい
ては亀裂が生じており、ものによっては破断にまで至っ
た。従って、本発明例においては粒界割れが抑制された
結果、レールの耐久性も向上したことがわかる。In addition, as a result of the fatigue test, there was no crack or crack in the example of the present invention, but a crack occurred in the comparative example, and some samples even broke. Therefore, in the example of the present invention, as a result of suppressing grain boundary cracking, it can be seen that the durability of the rail was also improved.
【００２３】また、Ｓｎが不純物として数重量％含まれ
ている場合について言及する。発明例である試料Ｎｏ
６，８は、それぞれＳｎが５重量％、６重量％であるに
も係わらず、それぞれＮｉを３７重量％、６９重量％ほ
ど添加したため、粒界割れはそれぞれ４個／ｍｍ、０個
／ｍｍであった。これに対し、比較例である試料Ｎｏ１
１はＳｎ濃度は４重量％であり、上記した２つの実施例
より低いにも係わらず、粒界割れは１５個／ｍｍであっ
た。従って、レールなどの鋼材とレールボンドなどの銅
材とを溶接する溶接金属にＮｉを添加することにより、
Ｓｎの許容範囲は広がることがわかる。この傾向は、図
１、すなわち、表１の結果を用いて、Ｎｉ含有量と粒界
割れの個数との関係を示したグラフにより、さらに明確
に示される。The case where Sn is contained as an impurity by several weight% will be described. Sample No. which is an invention example
In Nos. 6 and 8, Ni was added in an amount of about 37% by weight and 69% by weight, respectively, even though Sn was 5% by weight and 6% by weight, respectively, so that grain boundary cracking was 4 pieces / mm and 0 pieces / mm, respectively. Met. On the other hand, Sample No. 1 which is a comparative example
In No. 1, the Sn concentration was 4% by weight, and the grain boundary cracking was 15 cracks / mm, though it was lower than that of the above two examples. Therefore, by adding Ni to the weld metal for welding steel materials such as rails and copper materials such as rail bonds,
It can be seen that the allowable range of Sn expands. This tendency is more clearly shown in FIG. 1, that is, a graph showing the relationship between the Ni content and the number of grain boundary cracks using the results in Table 1.
【００２４】なお、本発明は上記した実施例に限定され
るものではない。例えば、被溶接物はレールやレールボ
ンドに限定されるものではなく、任意の鋼材と銅材とを
溶接する際に、同様の効果を得られる。また、溶接金属
中にＮｉを添加する方法としては、テルミット剤にＮｉ
含有物を添加する方法に限定されるものでもなく、別ル
ートで添加しても当然同様の効果を得られる。また、上
記した試料Ｎｏ１０は、溶接金属中のＮｉ濃度を３重量
％としたにもかかわらず粒界割れ個数は７個／ｍｍとな
ったが、これは本発明の効果を得るためのＮｉ濃度の下
限を示したものではい。すなわち、鋼材と銅材が他の物
であれば、このＮｉ濃度においても粒界割れを抑制する
場合があると考えられる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the object to be welded is not limited to rails or rail bonds, and similar effects can be obtained when welding any steel material to a copper material. As a method of adding Ni to the weld metal, Ni is added to the thermite agent.
It is not limited to the method of adding the content, and the same effect can be naturally obtained by adding the content by another route. Further, in the above-mentioned sample No. 10, although the Ni concentration in the weld metal was set to 3% by weight, the number of grain boundary cracks was 7 / mm, which is the Ni concentration for obtaining the effect of the present invention. It does not indicate the lower limit of. That is, if the steel material and the copper material are other materials, it is considered that even at this Ni concentration, grain boundary cracking may be suppressed.
【００２５】[0025]
【発明の効果】以上より、本発明に係るテルミット溶接
方法によれば、鋼材と銅材とを接合する溶接金属中にＮ
ｉを添加したので、鋼材中に生成するオーステナイトの
粒界に溶接金属は進入しにくくなって、粒界割れは生じ
にくくなる。従って、テルミット溶接の溶接品質が向上
するため、特に、作業者の技量によることなく、鋼材
（例えばレール）と銅材（例えばレールボンド）とを高
品質かつ容易に溶接する方法を提供できる。As described above, according to the thermite welding method of the present invention, N is contained in the weld metal for joining steel and copper.
The addition of i makes it difficult for the weld metal to enter the grain boundaries of austenite generated in the steel material, thereby making it difficult for grain boundary cracks to occur. Therefore, since the welding quality of thermite welding is improved, it is possible to provide a method of easily welding a steel material (for example, a rail) and a copper material (for example, a rail bond) with high quality without depending on the skill of an operator.
【図１】本発明の実施例において、レールとレールボン
ドとを接合する溶接金属中のＮｉ含有量と粒界割れの個
数との関係を示したグラフである。FIG. 1 is a graph showing a relationship between a Ni content in a weld metal joining a rail and a rail bond and the number of grain boundary cracks in an example of the present invention.
【図２】レールボンドをレールに接合するテルミット溶
接方法を説明する上面概略図である。FIG. 2 is a schematic top view illustrating a thermite welding method for joining a rail bond to a rail.
【図３】レールボンドの構成を説明する概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a rail bond.
【図４】レールボンドをレールに接合するテルミット溶
接方法を説明する断面概略図である。FIG. 4 is a schematic sectional view illustrating a thermite welding method for joining a rail bond to a rail.
１ レールボンド（銅材） １００ レール（鋼材） 1 Rail bond (copper) 100 Rail (steel)
Claims (6)
溶接するテルミット溶接方法において、 テルミット反応により生成し、鋼材と銅材とを接合する
溶接金属が、銅元素とニッケル元素とを含む合金である
ことを特徴とするテルミット溶接方法。1. A thermite welding method for welding a steel material and a copper material using a thermit reaction, wherein the weld metal formed by the thermit reaction and joining the steel material and the copper material contains a copper element and a nickel element. A thermite welding method characterized by being an alloy.
いて、 溶接金属中のニッケル元素は、５重量％以上であること
を特徴とするテルミット溶接方法。2. The thermite welding method according to claim 1, wherein the nickel element in the weld metal is at least 5% by weight.
ト溶接方法において、 溶接金属中のニッケル元素は、６０重量％以下であるこ
とを特徴とするテルミット溶接方法。3. The thermite welding method according to claim 1, wherein the nickel element in the weld metal is 60% by weight or less.
ルミット溶接方法において、 銅材は、銅線あるいは銅のより線であることを特徴とす
るテルミット溶接方法。4. The thermite welding method according to claim 1, wherein the copper material is a copper wire or a copper stranded wire.
ルミット溶接方法において、 鋼材はレールであることを特徴とするテルミット溶接方
法。5. The thermite welding method according to claim 1, wherein the steel material is a rail.
いて、 銅材は、レールボンドであることを特徴とするテルミッ
ト溶接方法。6. The thermite welding method according to claim 5, wherein the copper material is a rail bond.
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