JP2003260564A

JP2003260564A - レールのエンクローズアーク溶接方法

Info

Publication number: JP2003260564A
Application number: JP2002061277A
Authority: JP
Inventors: Hideki Shidara; 英樹設楽; Yasuto Fukada; 康人深田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-16

Abstract

(57)【要約】【課題】レールの溶接後に後熱処理を施すことなく、
レールの溶接部の残留応力分布を改善することのでき
る、レールのエンクローズアーク溶接を提供する。【解決手段】相対向するレール１の突合せ継手部１０
に所定幅Ｃの開先を設けた状態で、脚部２にアーク溶接
による多層盛を施し、この開先の側面に当て材９を配置
し、この開先内のレール１の腹部３から頭部４に至るま
で連続してアーク溶接を施して溶融金属を充填させ溶接
部１１を形成するレールのエンクローズアーク溶接方法
で、溶接部１１の表面に、レール１の脚部２から腹部３
までを覆うように仕上溶接１２を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として鉄道に使
用されるレールの突合せ継手部のアーク溶接方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レールのロングレール化は、軌道の最弱
点箇所である継ぎ目をなくし、騒音、振動、およびメン
テナンスコスト低減、さらには乗り心地を向上させる等
の多くの利点がある。このロングレール化は、２５ｍあ
るいは５０ｍのレールを基地、軌道上などで溶接して造
られる。その溶接方法として、フラッシュ溶接、ガス溶
接、エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接が、
採用されている。これら４種の溶接方法の中で、エンク
ローズアーク溶接法はレールを動かさずに溶接でき、な
おかつ、テルミット溶接に比較して疲労強度などの継手
性能が高い。

【０００３】しかし、一方で、エンクローズアーク溶接
は手作業による溶接方法であるため、欠陥を完全に無く
すことは困難で、欠陥からき裂が発生することがある。
このき裂は、エンクローズアーク溶接部の場合、レール
頭部の欠陥を起点とするものが全体の約５割、レール底
部の欠陥を起点とするものが約４割である。エンクロー
ズアーク溶接は、軌道上で実施されることが多い現場溶
接であり、制限された施工時間の中で溶接を実施する必
要がある。溶接部の残留応力分布を改善するために、過
去にガスバーナと加熱炉による後熱処理が実施されてい
たが、この後熱処理には約１時間を要するとともに、列
車通過による落ち込みを発生させる原因となっており、
後熱処理を省略した施工方法が現在普及している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、レー
ルの溶接後に後熱処理を施すことなく、レールの溶接部
の残留応力分布を改善することのできる、レールのエン
クローズアーク溶接を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、例えば図１に示すように、相対向するレール１の突
合せ継手部１０に所定幅Ｃの開先を設けた状態で、脚部
２にアーク溶接による多層盛を施し、図２に示すように
この開先の側面に当て材９を配置し、この開先内のレー
ル１の腹部３から頭部４に至るまで連続してアーク溶接
を施して溶融金属を充填させ溶接部１１を形成するレー
ルのエンクローズアーク溶接方法であって、前記溶接部
１１の表面に、前記レール１の脚部２の高さから腹部３
の高さまでにわたって仕上溶接１２を施すことを特徴と
する。

【０００６】請求項１に記載の発明によれば、レールの
突合せ継手部の開先に溶融金属を充填させて溶接部を形
成したのち、その溶接部の表面にレールの脚部の高さか
ら腹部の高さまでにわたって仕上溶接を施すので、溶接
部の形成後に後熱処理を施す場合のように多大な時間を
要することなく、溶接部の残留応力分布を、き裂発生の
起点となりやすい溶接部の頂部および底部において圧縮
側にすることができる。したがって、エンクローズアー
ク溶接によるレールの突合せ継手部の疲労強度、耐損傷
性が向上し、欠陥からのき裂発生を抑制できる。

【０００７】請求項２に記載の発明は、例えば図１、図
４に示すように、請求項１に記載のレールのエンクロー
ズアーク溶接方法において、前記仕上溶接１２の上端１
２ｔの高さＨ１は、溶接の終了後に前記溶接部１１の頂
部１１ｔおよび底部１１ｂにおける残留応力が圧縮にな
るような高さに設定されていることを特徴とする。ここ
で、上記高さＨ１は、各種断面形状のレールについてあ
らかじめ溶接試験などを行うことにより取得しておくこ
とができる。

【０００８】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明と同様の効果が得られるとともに、仕上溶
接の上端の高さは、溶接の終了後に前記溶接部の頂部お
よび底部における残留応力が圧縮になるような高さに設
定されているので、き裂発生の起点となりやすい溶接部
の頂部および底部における溶接部の残留応力分布を圧縮
側にすることが確実にできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のレールのエンク
ローズアーク溶接方法の実施の形態を、図面を参照して
説明する。本実施の形態に記載のレールのエンクローズ
アーク溶接方法は、図１に示すように、相対向するレー
ル１の突合せ継手部１０に所定幅Ｃ（＝１７ｍｍ）の開
先を設けた状態で、脚部２にアーク溶接による多層盛を
施し、図２に示すようにこの開先の側面に当て材９を配
置し、この開先内のレール１の腹部３から頭部４に至る
まで連続してアーク溶接を施して溶融金属を充填させ溶
接部１１を形成し、溶接部１１の表面に、レール１の脚
部２の高さから腹部３の高さまでにわたって仕上溶接１
２を施すものである。また、図１に示すように、仕上溶
接１２の上端１２ｔは、レール１の頂面１ｔより下方に
７０ｍｍの高さに設定されている（Ｈ１＝１０４ｍ
ｍ）。

【００１０】本実施の形態では、レール１として、「Ｊ
ＩＳ（日本工業規格）Ｅ１１０１普通レール」で定めら
れたレールのひとつである「６０ｋｇレール」を例に挙
げる。この「ＪＩＳ６０ｋｇレール」の断面を、図３に
示す。上記脚部２とは、レール１の全高Ｈのうち、レー
ル１の底面１ｂの高さから、脚部２の上面の定勾配部の
延長線とレール１の対称軸との交点の高さまでの範囲Ｈ
Ａを指すものとする。上記頭部４とは、レール１の頂面
１ｔの高さから、頭部４の下面の定勾配部の延長線とレ
ール１の対称軸との交点の高さまでの範囲ＨＣを指すも
のとする。上記腹部３とは、レール１のうち脚部２と頭
部４とを除く範囲ＨＢを指すものとする。上記「ＪＩＳ
６０ｋｇレール」では、レール１の全高Ｈは１７４ｍ
ｍ、脚部２の高さＨＡは３０．１ｍｍ、腹部３の高さＨ
Ｂは９４．７ｍｍ、頭部４の高さＨＣは４９．２ｍｍで
ある。

【００１１】本発明のレールのエンクローズアーク溶接
方法と従来のレールのエンクローズアーク溶接方法とに
よるレールの溶接部の性能の比較について述べる。従来
のレールのエンクローズアーク溶接方法として、図５に
示すように、同じ「ＪＩＳ６０ｋｇレール」であるレー
ル１の突合せ継手部２０に所定幅Ｃ（＝１７ｍｍ）の開
先を設けた状態で、脚部２にアーク溶接による多層盛を
施し、図２に示すようにこの開先の側面に当て材９を配
置し、この開先内のレール１の腹部３から頭部４に至る
まで連続してアーク溶接を施して溶融金属を充填させ溶
接部１１を形成し、溶接部１１の表面に、レール１の脚
部２のみを覆うように仕上溶接１２を施す場合を例に挙
げる。仕上溶接１２の上端１２ｔは、図５に示すよう
に、レール１の頂面１ｔより下方に１４５ｍｍの高さに
設定されている（Ｈ３＝２９ｍｍ）。また、比較例とし
て、仕上溶接１２の上端１２ｔが、レール１の頂面１ｔ
より下方に１３０ｍｍまたは４０ｍｍの高さに設定され
た例についても述べる（Ｈ１＝４４ｍｍまたは１３４ｍ
ｍ）。

【００１２】表１に、本発明のレールのエンクローズア
ーク溶接方法と従来のレールのエンクローズアーク溶接
方法とにより溶接した「ＪＩＳ６０ｋｇレール」試験体
について、レールの頭部４を上側にした状態で、レール
底部におけるレール軸方向の応力が３０〜３１０［Ｎ／
ｍｍ²］、３０〜３３０［Ｎ／ｍｍ²］、３０〜３５０
［Ｎ／ｍｍ²］の範囲内で３点曲げ疲労試験を行った結
果を示す。いずれの試験体とも、斜角探触子による二探
触子法の超音波探傷検査で溶接部１１の検査を行い、基
準試験片の表面にあるφ４×４ｍｍの標準孔の反射エコ
ーを８０％に調整した基準感度に基づいて、溶接部１１
の底部１１ｂの最大エコー高さが１０％以下となるよう
にしている。

【００１３】

【表１】

【００１４】また、表２に、本発明のレールのエンクロ
ーズアーク溶接方法と従来のレールのエンクローズアー
ク溶接方法とにより溶接した「ＪＩＳ６０ｋｇレール」
試験体について、レールの脚部２を上側にした状態で、
レール頭部におけるレール軸方向の応力が３０〜２６５
［Ｎ／ｍｍ²］、３０〜２７５［Ｎ／ｍｍ²］、３０〜２
８５［Ｎ／ｍｍ²］の範囲内で３点曲げ疲労試験を行っ
た結果を示す。いずれの試験体とも、斜角探触子による
二探触子法の超音波探傷検査で溶接部１１の検査を行
い、基準試験片の表面にあるφ４×４ｍｍの標準孔の反
射エコーを８０％に調整した基準感度に基づいて、溶接
部１１の頂部１１ｔの最大エコー高さが２０％を上回り
かつ４０％以下となるようにしている。

【００１５】

【表２】

【００１６】表１、表２に示すように、本発明のレール
のエンクローズアーク溶接方法によるレールの溶接部の
性能は、従来のものより良好であることがわかる。ただ
し、仕上溶接１２の上端１２ｔが、レール１の腹部３の
下端または頭部４の下端（レール１の頂面１ｔより下方
に１３０ｍｍまたは４０ｍｍの高さ）に設定された例に
ついては、溶接部の性能の改善が微小にとどまってい
る。したがって、仕上溶接１２の上端１２ｔは、レール
１の腹部３の中央〜上端程度の位置に設定するのが好ま
しいことがわかる。

【００１７】図４に、本発明のレールのエンクローズア
ーク溶接方法と従来のレールのエンクローズアーク溶接
方法とにより溶接した「ＪＩＳ６０ｋｇレール」試験体
の溶接部１１の残留応力分布を示す。図４に示すよう
に、本発明のレールのエンクローズアーク溶接方法によ
る溶接部１１の残留応力（●印と実線とで図示）は、溶
接部１１のうちレール１の脚部２および頭部４に対応す
る高さにおいて、従来のレールのエンクローズアーク溶
接方法による溶接部１１の残留応力（○印と点線とで図
示）に比して、引張側から圧縮側に改善されているとと
もに、残留応力の変化が小さくなっている。

【００１８】本実施の形態に記載のレールのエンクロー
ズアーク溶接方法によれば、レール１の突合せ継手部の
開先に溶融金属を充填させて溶接部１１を形成したの
ち、その溶接部１１の表面にレール１の脚部２の高さか
ら腹部３の高さまでにわたって仕上溶接１２を施すの
で、溶接部１１の形成後に後熱処理を施す場合のように
多大な時間を要することなく、溶接部１１の残留応力分
布を、き裂発生の起点となりやすい溶接部１１の頂部１
１ｔおよび底部１１ｂにおいて圧縮側にすることができ
る。したがって、エンクローズアーク溶接によるレール
１の突合せ継手部の疲労強度、耐損傷性が向上し、欠陥
からのき裂発生を抑制できる。

【００１９】また、仕上溶接１２の上端の高さは、溶接
の終了後に溶接部１１の頂部１１ｔおよび底部１１ｂに
おける残留応力が圧縮になるような高さ１Ｈに設定され
ているので、き裂発生の起点となりやすい溶接部の頂部
１１ｔおよび底部１１ｂにおける溶接部の残留応力分布
を圧縮側にすることが確実にできる。

【００２０】なお、本発明のレールのエンクローズアー
ク溶接方法は、上記の実施の形態に限定されることな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改
良並びに設計の変更を行っても良い。例えば、上記の実
施の形態では、「ＪＩＳ６０ｋｇレール」を対象に本発
明を実施しているが、他の規格のレールなど、各種断面
のレールについても、仕上溶接の上端の高さを、溶接の
終了後に溶接部の頂部および底部における残留応力が圧
縮になるような高さに設定して、本発明を適用すること
が可能である。その他、具体的な細部構造等についても
適宜に変更可能であることは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、レール
の突合せ継手部の開先に溶融金属を充填させて溶接部を
形成したのち、その溶接部の表面にレールの脚部の高さ
から腹部の高さまでにわたって仕上溶接を施すので、溶
接部の形成後に後熱処理を施す場合のように多大な時間
を要することなく、溶接部の残留応力分布を、き裂発生
の起点となりやすい溶接部の頂部および底部において圧
縮側にすることができる。したがって、エンクローズア
ーク溶接によるレールの突合せ継手部の疲労強度、耐損
傷性が向上し、欠陥からのき裂発生を抑制できる。

【００２２】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明と同様の効果が得られるとともに、仕上溶
接の上端の高さは、溶接の終了後に前記溶接部の頂部お
よび底部における残留応力が圧縮になるような高さに設
定されているので、き裂発生の起点となりやすい溶接部
の頂部および底部における溶接部の残留応力分布を圧縮
側にすることが確実にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレールのエンクローズアーク溶接
方法の一例を示す、縦断面図である。

【図２】レールのエンクローズアーク溶接方法の一例を
示す、斜視図である。

【図３】鉄道用レールの形状の一般例を示す、縦断面図
である。

【図４】本発明に係るレールのエンクローズアーク溶接
方法と、従来のレールのエンクローズアーク溶接方法と
の性能の比較を示す、グラフである。

【図５】従来のレールのエンクローズアーク溶接方法の
一例を示す、縦断面図である。

【符号の説明】

１レール２脚部３腹部４頭部９当て材１０突合せ継手部１１溶接部１１ｔ（レールの）頂面１１ｂ（レールの）底面１２仕上溶接１２ｔ（仕上溶接の）上端Ｃ（開先の）幅

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向するレールの突合せ継手部に所定
幅の開先を設けた状態でこの開先の側面に当て材を配置
し、この開先内のレールの脚部から腹部を経て頭部に至
るまでアーク溶接を施して溶融金属を充填させ溶接部を
形成するレールのエンクローズアーク溶接方法であっ
て、前記溶接部の表面に、前記レールの脚部の高さから腹部
の高さまでにわたって仕上溶接を施すことを特徴とする
レールのエンクローズアーク溶接方法。
【請求項２】請求項１に記載のレールのエンクローズ
アーク溶接方法において、前記仕上溶接の上端の高さは、溶接の終了後に前記溶接
部の頂部および底部における残留応力が圧縮になるよう
な高さに設定されていることを特徴とするレールのエン
クローズアーク溶接方法。