JP2014101533A - 後熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レールの溶接部における残留応力を効果的に低減させることができる後熱処理装置を提供する。
【解決手段】溶接されたレールＸの後熱処理装置１０であって、レールＸの溶接中心Ｘ２から長さ方向に２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下離間して配置され、レールＸの少なくとも柱部Ｘ５を加熱する誘導加熱コイル１１を備える。誘導加熱コイル１１の巻数が２巻以上又は溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル１１の配置箇所数が２箇所以上であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接されたレールの後熱処理装置に関する。

騒音、振動等の発生の低減や、保守コストの低減などを図るため、レールの継目を溶接してロングレールにする技術が一般化している。ここで、まず、レールの各部分の名称について図５（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。図５（Ａ）は、溶接されたレールＸの長さ方向に垂直な断面図であり、図５（Ｂ）は、その部分側面図である。レールＸは、少なくとも２本の被溶接材としてのレールが端面間で溶接されたものであり、溶接部Ｘ１を有する。溶接部Ｘ１は、被溶接物である溶接前のレールの端面同士が当接した部分である溶接中心Ｘ２を含む。また、レールＸは、上方に位置し、車輪との接触が生じる頭部Ｘ３、下方に位置し、枕木と接する足部Ｘ４、及び頭部Ｘ３と足部Ｘ４との間に垂直に設けられ、頭部Ｘ３と足部Ｘ４とを連結する柱部Ｘ５を備えている。なお、柱部Ｘ５の上端は、頭部Ｘ３における一対（両側）の下面の延長線の交点Ａとし、柱部Ｘ５の下端は、足部Ｘ４における一対（両側）の上面の延長線の交点Ｂとする。

レールＸの溶接部Ｘ１においては、重荷重である貨物車両を始めとした車両の繰り返しの通過等により、柱部Ｘ５中に又は柱部Ｘ５を起点として水平方向に疲労亀裂が発生する場合がある。この疲労亀裂は、溶接部Ｘ１における柱部Ｘ５に生じる鉛直方向（周方向）の強い引張残留応力が影響する。また、この引張残留応力は、溶接の際の溶接部Ｘ１とその周辺との温度勾配により生じるものである。

このような残留応力を低減し、レールの溶接部の耐久性を高める手段としては、溶接部中心から長さ方向に所定距離離れた部分をバーナーで５００〜１０００℃に局部加熱する方法が提案されている（特許文献１参照）。溶接部の周辺には、溶接部とは逆に圧縮残留応力が生じており、このように溶接部から所定距離離れた部分を加熱することで、偏在化していた残留応力が再分配され溶接部の引張残留応力が低減する。また、他の方法として、加熱されたレールの溶接部を高圧の気体又は含水気体によってパーライト変態が終了するまで冷却し、その後急速冷却する方法も提案されている（特許文献２参照）。この方法は、冷却過程を制御することで、残留応力を低減させるものである。

特開平０８−３３７８１９号公報 特開昭５９−０９３８３８号公報

これらの各方法によれば、相応の残留応力の低減が可能であるが、レールの耐久性の更なる向上のためには、残留応力をより低減させることができる手段が求められている。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、レールの溶接部における残留応力を効果的に低減させることができる後熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明者は、バーナーで加熱した場合は加熱速度が遅く、残留応力の低減には、より速い加熱速度での加熱が効果的であること、また、冷却制御よりも加熱制御の方が残留応力の低減には効果的であることを見出し、本発明に至った。

すなわち、前記目的に沿う本発明に係る後熱処理装置は、溶接されたレールの後熱処理装置であって、
前記レールの溶接中心から長さ方向に２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下離間して配置され、前記レールの少なくとも柱部を加熱する誘導加熱コイルを備える。

誘導加熱コイルは、加熱速度が速く、容易に加熱制御を行うことができる。従って、本発明に係る後熱処理装置によれば、誘導加熱コイルによりレールの溶接中心から所定距離離間した領域を速い加熱速度で加熱でき、溶接されたレールの溶接部に存在する残留応力を効果的に低減することができる。

本発明に係る後熱処理装置において、前記誘導加熱コイルの巻数が２巻以上又は前記溶接中心の一方側における前記誘導加熱コイルの配置箇所数が２箇所以上であることが好ましい。ここで、誘導加熱コイルの配置箇所数は、レールの長さ方向における配置箇所数とする。すなわち、溶接中心から同一距離に配置された複数の誘導加熱コイルは、１箇所に配置されているとする。このように２巻以上の誘導加熱コイルを又は２箇所以上に誘導加熱コイルを配置することで加熱速度をより高めることができ、残留応力をより低減することができる。

本発明に係る後熱処理装置において、複数の前記誘導加熱コイルを備え、該複数の誘導加熱コイルが前記溶接中心を挟んだ両側に配置されることが好ましい。このように誘導加熱コイルを溶接中心を挟んだ両側に配置することで、溶接中心を挟んだ両領域を同時に加熱することができるため、残留応力をより低減することができ、かつ後熱処理時間を短縮することができる。

本発明に係る後熱処理装置によれば、レールの溶接部における残留応力を効果的に低減させることができる。

（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る後熱処理装置の模式的断面図であり、（Ｂ）はその模式的側面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、同後熱処理装置により残留応力が低減する機構を順に示す模式図である。 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る後熱処理装置の模式的断面図であり、（Ｂ）はその模式的側面図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る後熱処理装置の模式的断面図であり、（Ｂ）はその模式的側面図である。 （Ａ）は溶接されたレールの長さ方向に垂直な断面図であり、（Ｂ）はその部分側面図である。 実施例１における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 実施例２における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 図７に示すグラフ中の記号の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら本発明を具体化した実施の形態について説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る後熱処理装置１０は、溶接されたレールＸの後熱処理装置であり、４つの誘導加熱コイル１１及び高周波電源（図示しない）を備える。

（レール）
ここで、まず被後熱処理物であるレールＸについて説明する。レールＸは、一般的な形状を有し、前述した頭部Ｘ３、足部Ｘ４及び柱部Ｘ５を備える。レールＸを形成するレール鋼としては、炭素含有量が０．６〜１．０質量％程度の亜共析鋼、共析炭素鋼、過共析炭素鋼等を用いることができる。過共析炭素鋼（例えば、炭素含有量０．８５〜１．０質量％）は、耐摩耗性が高いが靭性が低下し、疲労亀裂が生じやすい傾向にある。従って、後熱処理装置１０は、過共析炭素鋼から形成されたレールに用いた場合、残留応力の低減機能をより効果的に発揮することができる。

レールＸは、溶接前の各レールの端面同士が溶接されている。この端面同士が当接し、溶接された部分を溶接中心Ｘ２とする。この溶接方法としては特に限定されず、フラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接、テルミット溶接等、公知の方法で行うことができる。フラッシュバット溶接は、対向して設置されたレール（被溶接材）に電極を介して電圧をかけ、端面間にアークを発生させてレールの端面を溶融させ、長さ方向にレールを加圧してレールを接合する溶接方法である。ガス圧接は、端面同士を当接させて加圧した状態で、端面近傍を側面からバーナーで加熱し、高温で圧接する方法である。エンクローズアーク溶接は、端面同士を１０〜２０ｍｍ程度の間隙を設けて対向配置し、この間隙を当て金で取り囲んでおき、溶接棒を用いて溶接する方法である。テルミット溶接は、端面同士を２０〜３０ｍｍ程度の間隙を設けて対向配置し、間隙部分を鋳型で囲み、鋳型の上部に配置したルツボ内でアルミニウムと酸化鉄との反応により溶鋼を生成し、この溶鋼を鋳型内に注入して端面を溶融させて溶接する方法である。

前記各溶接方法の中でも、フラッシュバット溶接が溶接部Ｘ１とその周辺部との間の温度勾配が大きくなり、その結果、レールの柱部Ｘ５における鉛直方向の残留応力の発生が顕著となる。そのため、後熱処理装置１０は、フラッシュバット溶接により接合されたレールに用いた場合、残留応力の低減機能をより効果的に発揮することができる。

また、レールＸの溶接部Ｘ１のＨＡＺ（熱影響部）幅としては、特に限定されないが、例えば、５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下のものに後熱処理装置１０を好適に適用することができる。

（誘導加熱コイル）
誘導加熱コイル１１は、レールＸの少なくとも柱部Ｘ５を加熱するものであり、公知のものを用いることができる。ここでは、複数の誘導加熱コイル１１が、全て同一のものであるが、異なっていてもよい。誘導加熱コイル１１としては、例えば、銅製のコイルを用いることができ、銅パイプ等、パイプ状のコイルを用いることもできる。パイプ状のコイルの場合、内部に冷却水を通しながら使用することで、コイル自身又は他の部分の温度上昇を抑えることができる。

誘導加熱コイル１１の形状も特に限定されないが、コイルの軸方向視の形状として、例えば、円形、楕円形、略方形、その他の多角形等とすることができる。これらの中でも、レールＸの柱部Ｘ５を効率的に加熱できるなどといった点から、円形、楕円形又は略方形が好ましい。また、誘導加熱コイル１１は、２巻以上の場合、螺旋状であってもよいし、渦巻状であってもよい。

誘導加熱コイル１１のサイズは、レールＸのサイズ等に応じて適宜設定すればよい。例えば、軸方向視の形状が円形、楕円形又は略方形であるコイルの場合、この軸方向視の形状における外径又は辺の長さとして２０〜１５０ｍｍ程度とすることができる。また、誘導加熱コイル１１を形成する金属線又は金属パイプの断面形状としては、円形、楕円形、略方形等、特に限定されない。この金属線又は金属パイプの外径又は長辺の長さとしては、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度とすることができる。

誘導加熱コイル１１の巻数も特に制限されず、１巻以上であればよく、２巻以上が好ましい。２巻以上とすることで、加熱速度を高め、より効果的に残留応力の低減を行うことができる。なお、この巻数の上限は特に制限されないが、例えば５巻とすることができる。

（誘導加熱コイルの配置箇所）
後熱処理装置１０においては、使用の際、誘導加熱コイル１１が、レールＸの溶接中心Ｘ２から長さ方向に所定距離離間して配置される。この溶接中心Ｘ２と各誘導加熱コイル１１との距離Ｃ（溶接中心Ｘ２から各誘導加熱コイル１１までの最短距離）は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、３０ｍｍ以上が好ましく、５０ｍｍ以上がより好ましい。前述したように、後熱処理前のレールＸにおいては、溶接中心Ｘ２を中心とする溶接部Ｘ１に引張残留応力が、溶接部Ｘ１の周辺に圧縮残留応力が存在している。そこで、このように所定の距離Ｃをとって誘導加熱コイル１１を配置することで、後熱処理（加熱）の際に、溶接部Ｘ１の周辺を適切に加熱することができ、偏在化していた残留応力の再分配により溶接部に存在する引張残留応力を効果的に低減させることができる。なお、後熱処理装置１０において、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル１１の配置箇所数は１箇所となる（距離Ｃの位置）。

この残留応力が低減する機構を図２（Ａ）、（Ｂ）により説明する。溶接部Ｘ１の周辺である周辺部Ｘ６を加熱することで、この周辺部Ｘ６は温度上昇により少なくとも鉛直方向に膨張歪Ｅｔ１を生じる（図２（Ａ））。この膨張歪Ｅｔ１により溶接部Ｘ１には鉛直方向に引張応力Ｓｑ１が生じる。一方、周辺部Ｘ６は、温度が上昇することで降伏点が低下するため、圧縮塑性変形が生じ、引張応力Ｓｑ１は温度上昇（加熱）の途中で減少に転じる。次いで、加熱後の冷却過程において、周辺部Ｘ６の温度低下に伴って、周辺部Ｘ６には鉛直方向に収縮歪Ｅｔ２が生じる（図２（Ｂ））。この収縮歪Ｅｔ２により溶接部Ｘ１には圧縮応力Ｓｑ２が生じ、溶接部Ｘ１の引張残留応力が減少する。

前記距離Ｃが２０ｍｍ未満の場合は、後熱処理（加熱）の際、引張残留応力が存在している溶接部Ｘ１の温度上昇が大きくなり、溶接部Ｘ１の膨張及び収縮が大きくなる。この場合、周辺部Ｘ６の収縮歪Ｅｔ２により溶接部Ｘ１に与える圧縮応力Ｓｑ２が小さくなるため、引張残留応力を効果的に低減させることができない。逆に、前記距離Ｃが３００ｍｍを超える場合は、残留応力が存在する部分（溶接部Ｘ１）を大きく外れて加熱することとなり、収縮歪Ｅｔ２の影響が溶接部Ｘ１に働きにくく、圧縮応力Ｓｑ２が小さくなるため、溶接部Ｘ１の引張残留応力を効果的に低減させることができない。

４つの誘導加熱コイル１１は、レールＸの溶接中心Ｘ２を挟んだ両側に、それぞれ柱部Ｘ５を挟むように対向して配置される。つまり、溶接中心Ｘ２の両側にそれぞれ１箇所ずつ一対の誘導加熱コイル１１が配置される。この際、誘導加熱コイル１１と柱部Ｘ５とが非接触の状態で（わずかに離間させて）、かつ誘導加熱コイル１１の軸方向が、柱部Ｘ５表面と垂直となるように配置される。また、各誘導加熱コイル１１は、柱部Ｘ５の略中間の高さに配置されている。このように配置することで、誘導加熱コイル１１に交流電流を流すと、柱部Ｘ５を挟んだ一対の誘導加熱コイル１１間に交番磁束が生じ、柱部Ｘ５を効果的に加熱することができる。

なお、各誘導加熱コイル１１は、溶接中心Ｘ２に対して等距離（対称）に配置されることが好ましい。このようにすることで、溶接中心Ｘ２の両側において均等に加熱することができ、残留応力の再分配がより効果的に行われ、その結果溶接部Ｘ１における残留応力をより低減させることができる。

（高周波電源）
高周波電源は、各誘導加熱コイル１１と電気的に接続され、各誘導加熱コイル１１に高周波電流を流すものである。この高周波電源としては、所定の周波数の高周波電流を発生させるものであれば特に限定されず、トランジスタ式、サイリスタ式、電子管式等の公知のものを用いることができる。

各誘導加熱コイル１１と高周波電源とは、各誘導加熱コイル１１に流れる電流の周波数や向き等を個々に制御可能に並列に接続されていてもよいし、４つの誘導加熱コイル１１が直列に接続されていてもよい。なお、柱部Ｘ５を介して対向する２対の誘導加熱コイル１１は、それぞれ同方向に電流が流れるように（同方向の交番磁束が生じるように）接続されることが好ましい。

（他の構成）
後熱処理装置１０は、さらに誘導加熱コイル１１の固定及び位置移動手段、加熱される部分の温度測定手段（例えば、熱電対や放射温度計等）等を備えることができる。

固定及び位置移動手段としては、各誘導加熱コイル１１の固定及び位置移動が可能なものであれば特に限定されない。この固定及び位置移動手段としては、各誘導加熱コイル１１をレールＸの長さ方向、幅方向及び高さ方向（鉛直方向）に移動可能に構成されていることが好ましい。このようにすることで、レールＸのサイズや溶接方法等に応じて、適切な位置の加熱を行うことができる。

（後熱処理装置１０の使用方法）
次に、後熱処理装置１０の使用方法について説明する。前述したように、溶接されたレールＸに対して、所定位置に後熱処理装置１０の誘導加熱コイル１１を配置する。なお、この配置は、固定されているレールＸに対して誘導加熱コイル１１を移動させてもよいし、固定されている後熱処理装置１０に対してレールＸを移動させてもよい。後者の場合、例えば工場溶接において、溶接装置の下流側に後熱処理装置１０を配置することで、レールＸが連続的に移動して所望する位置に配置させることができる。

誘導加熱コイル１１を配置した後、この誘導加熱コイル１１に交流電流を流すことで前述のように誘導加熱により柱部Ｘ５を加熱することができる。この際、柱部Ｘ５を介して対向する計２対の誘導加熱コイル１１には、それぞれ同一方向となるように交流電流を流す。このようにすることで、一対の誘導加熱コイル１１間で交番磁束を発生させることができる。

誘導加熱コイル１１による加熱速度としては、２．０℃／秒以上が好ましく、２．５℃／秒以上が好ましく、２．８℃／秒以上がさらに好ましい。このように速い加熱速度で加熱を行うことで、溶接部Ｘ１の温度上昇を抑え、十分に残留応力の低減を行うことができる。なお、後熱処理装置１０によれば、このように誘導加熱コイル１１により加熱することで、加熱速度を速めることができる。加熱速度の上限としては、誘導加熱コイル１１の能力等を勘案すると、例えば５．０℃／秒程度である。

誘導加熱コイル１１による加熱は、常温から例えば４００℃以上７５０℃以下の加熱温度まで行うことができる。ここで、加熱温度は、加熱した部分における最高温度とする。加熱温度が４００℃未満の場合は、残留応力の低減効果が低下するおそれがある。逆に、加熱温度が７５０℃を超える場合は、加熱部分が軟化するおそれがあり好ましくない。このように、常温から加熱温度まで加熱した後は、加熱を止め、自然冷却により冷却させればよい。後熱処理装置１０を用いると、加熱制御のみで、特別な冷却制御を行うことなく、十分に残留応力を低減させることができる。

以上説明したように、後熱処理装置１０によれば、誘導加熱コイル１１によりレールＸの溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域を速い加熱速度で加熱でき、溶接されたレールＸの溶接部Ｘ１に存在する残留応力を効果的に低減することができる。なお、バーナーでの加熱は、加熱速度が遅いことに加え、所望する領域のみを加熱することが困難となる。すなわち、溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域を加熱する場合であっても、溶接中心Ｘ２にも火炎が当たることで、溶接中心Ｘ２の温度上昇も大きくなる。一方、誘導加熱コイル１１は加熱領域の制御性に優れるため、このことからも後熱処理装置１０によれば、所望する領域（溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域）を加熱する一方、溶接中心Ｘ２の温度上昇を抑えることができ、残留応力を効果的に低減することができる。また、後熱処理装置１０は、誘導加熱コイル１１を溶接中心Ｘ２を挟んだ両側にそれぞれ配置しているため、２つの領域を同時に加熱することができる。このため、加熱速度が速まり、また残留応力の再分配が均等に行われるため残留応力をより低減することができ、かつ後熱処理時間を短縮することができる。

さらに、後熱処理装置１０は、誘導加熱コイル１１がレールＸの全周を覆わず、柱部Ｘ５の左右のみに配置される構成としている。従って、後熱処理するレールＸへの配置が容易であり、工場溶接のみならず、レールを設置する現場での溶接の後熱処理にも好適に用いることができる。

＜第２の実施の形態＞
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る後熱処理装置２０は、溶接されたレールＸの後熱処理装置であり、８つの誘導加熱コイル２１及び高周波電源（図示しない）を備える。後熱処理装置２０においては、誘導加熱コイル２１の個数及びその配置箇所以外は、図１の後熱処理装置１０と同様である。

８つの誘導加熱コイル２１は、レールＸの溶接中心Ｘ２を挟んだ両側に、計４対がそれぞれ柱部Ｘ５を挟むように対向して配置される。この際、誘導加熱コイル２１と柱部Ｘ５とが非接触の状態で（わずかに離間させて）、かつ誘導加熱コイル２１の軸方向が、柱部Ｘ５表面と垂直となるように配置される。また、柱部Ｘ５に対して同一面側にある４つの誘導加熱コイル２１は、柱部Ｘ５の略中間の高さに、略同一直線状に配置されている。すなわち、後熱処理装置２０においては、複数の誘導加熱コイル２１が、溶接中心Ｘ２の両側のそれぞれ２箇所ずつに配置される。また、複数の誘導加熱コイル２１は、溶接中心Ｘ２に対して対称に配置されている。なお、各誘導加熱コイル２１の溶接中心Ｘ２からの離間距離（Ｃ１及びＣ２）は、いずれも２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲で配置されている。また、後熱処理装置２０において、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル２１の配置箇所数は２箇所となる（距離Ｃ１の位置と、距離Ｃ２の位置）。

各誘導加熱コイル２１は、全て同一のものであるが、異なっていてもよい。例えば、溶接中心Ｘ２からの距離に応じて、各誘導加熱コイルの大きさ、巻数、形状等を変えることもできる。

後熱処理装置２０は、８つの誘導加熱コイル２１を備え、このように溶接中心Ｘ２の両側のそれぞれ２箇所に配置して用いることで、加熱速度をより高めることができ、残留応力をより効果的に低減することができる。

＜第３の実施の形態＞
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る後熱処理装置３０は、溶接されたレールＸの後熱処理装置であり、４つの誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄ及び高周波電源（図示しない）を備える。後熱処理装置３０においては、誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄの個数及び形状以外は、図１の後熱処理装置１０と同様である。

各誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄは、レールＸの全周を覆う形状を有する。具体的には、各誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄは、軸方向視がレールＸの断面外縁の略拡大相似形である１巻の構造を有している。この誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄを形成する金属線又は金属パイプの断面形状も特に限定されないが、略方形が好ましい。この誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄは、レールＸを覆うように配置されるため、断面略方形の金属線又は金属パイプを用いると、誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄ内面からレールＸ表面までの距離を均一化することができる。この場合、レールＸ表面の磁束密度が均一化し、加熱がより均等に行われ効果的である。

後熱処理装置３０においては、各誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄがレールＸを覆うように配置される。溶接中心Ｘ２と各誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄとの離間距離（Ｃ３及びＣ４）は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下となるように配置される。また、後熱処理装置３０において、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄの配置箇所数は２箇所となる（距離Ｃ３の位置と、距離Ｃ４の位置）。

後熱処理装置３０においても、誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄに交流電流を流すことで誘導加熱により誘導加熱コイル３１ａ〜３１ｄに覆われたレールＸが加熱される。この際、後熱処理装置３０においては、溶接中心Ｘ２から離間距離（Ｃ３及びＣ４）ほど離れた領域における柱部Ｘ５のみならず、頭部Ｘ３及び足部Ｘ４を含むレールＸの全周が加熱されることとなる。この場合、柱部Ｘ５の高さ方向により広範囲にわたって加熱することとなり、加熱後の冷却時により強い圧縮応力を溶接部Ｘ１に与えることができる。従って、後熱処理装置３０によれば、残留応力の再分配がより効果的に行われ、溶接部Ｘ１における引張残留応力をさらに低減させることができる。さらに、後熱処理において例えば柱部Ｘ５のみを加熱した場合は、溶接部Ｘ１における長さ方向の残留応力としては、柱部Ｘ５に引張残留応力が、頭部Ｘ３及び足部Ｘ４に圧縮残留応力が発生するが、このように全周を加熱することでこの長さ方向の残留応力も低減することができる。

後熱処理装置３０においては、溶接中心Ｘ２に対して同一側にある誘導加熱コイル３１ａと誘導加熱コイル３１ｂ（誘導加熱コイル３１ｃと誘導加熱コイル３１ｄも同様）には同一方向に交流電流を流すことが好ましい。このようにすることで、２つの誘導加熱コイル３１ａ及び３１ｂが一体となって交番磁束を形成し、各誘導加熱コイル３１ａ及び３１ｂの間の領域も効果的に加熱することができる。また、溶接中心Ｘ２に対して反対側にある誘導加熱コイル３１ａ及び３１ｂと誘導加熱コイル３１ｃ及び３１ｄとには、逆方向に交流電流を流すことが好ましい。このようにすることで、誘導加熱コイル３１ａ及び３１ｂと、誘導加熱コイル３１ｃ及び３１ｄとで逆向きの交番磁束が形成される。この場合、２つの誘導加熱コイル３１ｂ及び３１ｃ間に位置する溶接部Ｘ１に生じる交番磁束の密度が低下するため、溶接部Ｘ１の温度上昇を抑えることができる。

＜他の実施の形態＞
本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、誘導加熱コイルがレールＸの溶接中心Ｘ２の一方側にのみ配置される構成であってもよく、レールＸの柱部Ｘ５の片面側のみに配置される構成であってもよい。なお、誘導加熱コイルがレールＸの溶接中心Ｘ２の一方側にのみ配置される構成である場合、溶接中心Ｘ２の一方側のみを加熱してもよいし、溶接中心Ｘ２の両側を順に加熱してもよい。誘導加熱コイルの数も特に限定されず、１つでも複数でもよく、複数の場合、溶接中心Ｘ２に対して非対称に配置されるようなものであってもよい。また、柱部Ｘ５とともに頭部Ｘ３又は足部Ｘ４を加熱するように配置可能な誘導加熱コイルを有していてもよい。その他、図４の後熱処理装置３０のように、誘導加熱コイルがレールＸの全周を覆う形状である場合、その形状としては、レールＸの断面外縁の略拡大相似形状以外に、例えば楕円形、略方形等とすることができる。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、測定は以下の方法で行った。

＜残留応力＞
残留応力は、歪ゲージを測定位置に接着し、この部分を板厚５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍに切り出し、歪の変化量から残留応力を算出した。

［実施例１］
短辺５０ｍｍ、長辺７０ｍｍの略方形状の１巻の一対の誘導加熱コイルを高周波電源と接続させて、スポット加熱を行う後熱処理装置Ａとした。また、レールの長さ方向に垂直な断面形状の略拡大相似形状の２巻の一つの誘導加熱コイルを高周波電源と接続させて、全周加熱を行う後熱処理装置Ｂとした。なお、前記後熱処理装置Ｂの誘導加熱コイルは、断面略矩形（２０ｍｍ×１０ｍｍ）の略帯状の銅製パイプから形成されたものを用いた。これらの後熱処理装置Ａ、Ｂには、誘導加熱コイルを所定位置に移動及び固定させる手段を設けた。

後熱処理装置Ａ及びＢを用いたＩＨ加熱（後熱）、並びに比較例としてガス加熱（後熱）により、フラッシュバット溶接により溶接したＨＡＺ幅１５ｍｍのロングレールと、テルミット溶接により溶接したＨＡＺ幅１００ｍｍのロングレールに対し、以下の条件で後熱処理を行った（溶接中心から一方側のみを加熱）。なお、レールは過共析炭素鋼から形成されるレールを用いた（以下の実施例において同様）。また、加熱後は自然冷却させた。

・溶接部のＨＡＺ幅：１５ｍｍと１００ｍｍとの２種類
・溶接のままの残留応力：２５０ＭＰａ（ＨＡＺ幅１００ｍｍ）、５００ＭＰＡ（ＨＡＺ幅１５ｍｍ）
・スポット加熱の場合のコイル配置位置：長辺（７０ｍｍ）を高さ方向、短辺（５０ｍｍ）を長さ方向とし、柱部の中央高さと長辺の中間位置とが一致するよう柱部を挟んで対向して配置。
・溶接中心から加熱位置までの距離：１０ｍｍ〜４００ｍｍの間で変化させた。
・加熱温度：常温から７００℃まで加熱
・加熱速度：２．５℃／ｓ、３．０℃／ｓ
・コイル配置箇所数：溶接中心の一方側に１箇所
・誘導加熱装置出力（スポット加熱の場合は１対あたり、全周加熱の場合は１コイルあたり）：加熱速度２．５℃／ｓの場合１００ｋＷ、加熱速度３．０℃／ｓの場合１００ｋＷ超
・誘導加熱装置周波数：３０ｋＨｚ
・ガス加熱使用ガス：プロパン−エア混合ガス

後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の残留応力に対する後熱処理後の残留応力の比を図６に示す。

図６に示されるように、溶接中心から加熱位置までの距離が増加すると、溶接部の残留応力は低下する。但し、ある程度距離が離れると効果は落ちていく傾向がある。なお、ガス加熱は火炎が溶接部にもかかり、温度差がつきにくく、残留応力が下がりにくい結果となった。

また、加熱速度が遅いと加熱部分の温度が溶接部に伝わり、溶接部に加熱部分と同様に膨張及び収縮歪が生じやすくなり、冷却の際、溶接部に加わる圧縮応力が低下する。この結果、残留応力の低減効果が減じる。なお、誘導加熱装置（ＩＨ）は、出力を上げることにより加熱速度を３．０℃／ｓ以上とすることが可能である。加熱速度を上げると、溶接部への熱伝達が下がり、加熱部と溶接部との温度差が大きくなるため、残留応力を効果的に低減することができる。一方、ガス加熱の加熱速度は、燃焼ガスとして酸素を用いた混合ガスの場合でも２．５℃／ｓ程度が限界である。

また、全周加熱はスポット加熱に比べて、柱部の高さ方向により広範囲にわたって加熱することになり、この結果、冷却時により強い圧縮応力をかけることができる。このため、残留応力をより低減させることができる。

このように、ガス後熱の場合、最も好ましい結果でも７５％程度の残留応力が残るのに対し、ＩＨ後熱の場合、４０％程度にまで残留応力を低減できることが示された。一方、特許文献２に記載の溶接部の冷却制御（溶接部を９００℃に加熱後、圧縮空気で５７０℃まで加速冷却し、その後水冷）では、残留応力の低減は７５％程度であった。

［実施例２］
図８に示すように、後熱処理装置Ａにおいて誘導加熱コイルを一対から二〜六対に換え、また、後熱処理装置Ｂにおいて誘導加熱コイルを１つから２〜６つに換えた各後熱処理装置を用意した。これらの各後熱処理装置を用い、フラッシュバット溶接により溶接したロングレールに対し、溶接中心に対して片方側のみの加熱、又は溶接中心に対して両側の加熱による後熱処理を行った。なお、両側の加熱の際、スポット加熱は片側ずつの場合と両側同時の場合とを行い、全周加熱は、電流を溶接中心を挟んで順方向の場合と逆方向の場合とを行った。加熱条件は、以下の通りである。また、加熱後は自然冷却させた。

・溶接部のＨＡＺ幅：１５ｍｍ
・溶接のままの残留応力：５００ＭＰＡ
・スポット加熱の場合のコイル配置位置：長辺（７０ｍｍ）を高さ方向、短辺（５０ｍｍ）を長さ方向とし、柱部の中央高さと長辺の中間位置とが一致するよう柱部を挟んで対向して配置。
・全周加熱の場合のコイル配置位置：長さ方向に幅５０ｍｍかつ全周
・溶接中心から加熱位置までの距離：５０ｍｍ
・加熱温度：常温から７００℃まで加熱
・加熱速度：（加熱方法により変化）
・コイル配置箇所数：溶接中心の一方側に１〜３箇所、溶接中心の両側に各１〜３箇所
・誘導加熱装置出力（スポット加熱の場合は１対あたり、全周加熱の場合は１コイルあたり）：加熱速度２．５℃／ｓの場合１００ｋＷ、加熱速度３．０℃／ｓの場合１００ｋＷ超
・誘導加熱装置周波数：３０ｋＨｚ

後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の残留応力に対する後熱処理後の残留応力の比を図７に示す。

図７に示されるように、コイル数（コイル配置箇所数）を増やすことで残留応力が低下する傾向にある。これは、加熱速度が上昇するためである。また、溶接中心の両側を別々に順次加熱する場合も、同時に加熱する場合も、片側のみを加熱する場合と比べて高い効果を示すが、同時に加熱するほうがよりすぐれた結果となっている。これは、同時に加熱するほうが、溶接部の温度上昇が抑えられるためといえる。また、全周加熱は、実施例１と同様に、スポット加熱と比べて効果が高いことが示されている。さらに、全周加熱の場合、電流を逆方向に流すことで、さらに残留応力を低減できることが示されている。これは、逆方向に電流を流すことで、形成される交番磁束が逆向きになり、溶接部の磁束密度が低下する結果、溶接部の加熱が抑制されるためであるといえる。

１０：後熱処理装置、１１：誘導加熱コイル、２０：後熱処理装置、２１：誘導加熱コイル、３０：後熱処理装置、３１ａ〜３１ｄ：誘導加熱コイル、Ｘ：レール、Ｘ１：溶接部、Ｘ２：溶接中心、Ｘ３：頭部、Ｘ４：足部、Ｘ５：柱部、Ｘ６：周辺部

Claims (3)

1. 溶接されたレールの後熱処理装置であって、
   前記レールの溶接中心から長さ方向に２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下離間して配置され、前記レールの少なくとも柱部を加熱する誘導加熱コイルを備えることを特徴とする後熱処理装置。
2. 請求項１記載の後熱処理装置において、前記誘導加熱コイルの巻数が２巻以上又は前記溶接中心の一方側における前記誘導加熱コイルの配置箇所数が２箇所以上であることを特徴とする後熱処理装置。
3. 請求項１又は２記載の後熱処理装置において、複数の前記誘導加熱コイルを備え、該複数の誘導加熱コイルが前記溶接中心を挟んだ両側に配置されることを特徴とする後熱処理装置。
   
   
   
   

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