JP2655776B2 - レール溶接部の疲労強度改善法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレール溶接部の疲労強度
の改善法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道輸送の高効率化を狙って、列車の一
層の高速化、メンテナンスフリー化ならびに快適運行が
指向されている。こうした動向から、列車を支えるレー
ルについても一層の耐損傷性の要求が求められると同時
に、レールを溶接することによるロングレール化が図ら
れつつある。

【０００３】レールの溶接法には、一般に実施されてい
るものとしてフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンク
ローズアーク溶接およびテルミット溶接がある。前二法
は一般にＪＲならびに私鉄各社の工場（基地）で実施さ
れ、後二法は一般に実路線の現地で実施される。フラッ
シュバット溶接は、溶接しようとする両レール端部近傍
を電極で挟み、接合端部に放電させてレール端部を溶融
状態にした後、両レールを押付けて接合する方法であ
る。ガス圧接も接合法としては基本的にはフラッシュバ
ット溶接と同様で、ただレール端部の溶融熱源にガスを
使用することがフラッシュバット溶接とは異なる。工場
（基地）で実施されるこれらの溶接法は、溶融圧接する
ために基本的には欠陥が発生しにくく、また溶接環境お
よび溶接実施条件が安定しているために信頼性が高い。
したがってレール溶接部の疲労強度も非常に優れてい
る。

【０００４】ところが、後二法の溶接法の場合、エンク
ローズアーク溶接は一種の手アーク溶接であり、溶接者
の技術によって溶接部の品質が左右されること、テルミ
ット溶接は溶接しようとする両レール間に鋳型を設けて
鋳造する一種の鋳物であることから、鋳造欠陥などが発
生し易いこと、などの欠点がある。さらに、実路線で実
施されるために列車通過の合間を縫って溶接を実施する
などの時間的な制約があったり、溶接環境が悪かったり
などのことから、これらの溶接部は信頼性が低く、疲労
強度も低いのが実状であった。したがって、実路線にお
いて破損が発生している箇所はこれらの現地溶接箇所で
あり、エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接な
どの現地溶接箇所の疲労強度の改善が最大の課題となっ
ていた。

【０００５】これら溶接部の疲労強度を改善するため
に、従来、エンクローズアーク溶接の場合は溶接技術の
向上が図られ、テルミット溶接の場合は鋳型の改善など
で鋳造欠陥の軽減技術が図られてきた。その結果、実路
線におけるこれら溶接部からの疲労破損はかなり減少し
てきたものの、まだこれら溶接部からの疲労破損が散見
されていた。その後、さらに溶接部の余盛り削除によ
る応力集中の削減、溶接後熱処理による硬さ分布の均
一化、などの処置が実施されてきているが、これら溶接
部の疲労強度を抜本的に改善するまでには至っていなか
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者らは、
エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接などの現
地溶接箇所における疲労破損の主原因が何に起因してい
るかを実破損レールについて詳細に検討を行った。その
結果、 （１）疲労破損起点は溶接欠陥等ではなく、エンクロー
ズアーク溶接の場合は溶接余盛りの研削疵であること、
テルミット溶接の場合は溶接余盛り止端部の応力集中箇
所であること。 （２）疲労破損起点となっている溶接部のレール底部側
にはエンクローズアーク溶接およびテルミット溶接共に
レール長手方向に大きな引張残留応力が存在しているこ
と。 以上のことを明らかにした。したがって、これら現地溶
接箇所の疲労強度を改善するには、溶接部の応力集中を
極力小さくすること、および溶接部底部のレール長手方
向の引張残留応力を軽減あるいは圧縮側に変えることが
重要であることが分かった。

【０００７】以上の知見をもとに、まず溶接部の応力集
中を極力小さくすることによる溶接部の疲労強度改善に
取り組んだ。エンクローズアーク溶接の場合、溶接余盛
り研削疵を極力小さくするために、グラインダー研磨盤
を＃２５〜＃１２０まで変えたレールについて疲労強度
を調査した。その結果、研磨盤の粗さが小さいほど疲労
強度も向上することが分かった。しかし、フラッシュバ
ット溶接やガス圧接などのように工場（基地）で溶接す
る場合には粗さの小さい研磨盤で丁寧に仕上げられる
が、実路線の現地では列車通過の合間を縫って実施する
ため、工場（基地）での溶接部のように時間をかけて丁
寧な仕上げを期待できない。したがって、溶接部底部の
レール長手方向の引張残留応力を軽減あるいは圧縮側に
変えることで、疲労強度の改善を図る必要があることが
分かった。

【０００８】一方、テルミット溶接の場合、溶接余盛り
を剪断で打ち抜き、余盛り止端部の応力集中を小さくす
ることでどの程度の疲労強度改善が得られるかを検討し
た。その結果、疲労限度は２０〜３０MPa 程度改善でき
ることが分かった。さらに疲労強度を改善するには、エ
ンクローズアーク溶接の場合と同様にレール溶接部の残
留応力制御が必要であることが分かった。

【０００９】溶接部底部のレール長手方向の引張残留応
力を軽減あるいは圧縮側に変える方法としては、特開昭
５９−９３８３７号公報および特開昭６２−２２７０４
０号公報のような溶接熱あるいは溶接後再加熱により残
留応力を制御する方法がある。しかし、これらの方法
は、残留応力が確実に制御されているかどうかの管理が
困難であること、また再加熱などの場合、加熱装置およ
び冷却装置が必要であるなど、残留応力制御にコストが
嵩むことなどの欠点がある。

【００１０】そこで、本発明者らは、上記方法に変わる
低コストでかつ簡便なレール残留応力制御法を模索し
た。その結果、レールを曲げ加工すると、引張りの塑性
変形した側には圧縮の残留応力が発生することに着眼
し、溶接したレールの継手部をレール上下方向にレール
頭部表面および底部表面が塑性変形するまで負荷し、最
後にレール頭部側から負荷してレール底部側表面に引張
りの塑性変形を与えてレールを真っ直ぐにすると同時に
レール底部側表面に圧縮の残留応力を付与する方法を知
見した。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような知見
に基づいてなされたもので、その要旨とするところは、
溶接したレールの継手部をレールの上下方向に１回以上
１０回までの範囲でレール頭部表面および底部表面が塑
性変形するように荷重を与え、最後の負荷でレール底部
側表面に引張りの塑性変形を与えるレール溶接部の疲労
強度改善法である。

【００１２】以下本発明について図面を参照しながら詳
細に説明する。図１はレールの横断面を示す。まず説明
の便宜上レール各部の名称を述べる。図１において、１
の範囲は頭部、２の範囲は腹部、３の範囲は底部であ
る。図２は溶接したレールの側面図を示す。Ｙは溶接部
を示す。溶接レールは溶接余盛りがあっても、余盛りを
研削除去しても何ら構わない。

【００１３】該レールの上下方向にレール頭部表面およ
び底部表面が塑性変形するように荷重を与える理由は、
ほぼ真っ直ぐに溶接されたレールに、最終的にレール底
部側表面に引張りの塑性変形を与えるためである。した
がって、最短のレール上下方向への荷重負荷回数は１回
である。すなわち、まずレール頭部表面が引張りの塑性
変形するようにレール頭部側にスパンを設けてレール底
部側から負荷し、その後レール底部側にスパンを設けて
レール頭部側から負荷してレール底部側表面に引張りの
塑性変形をさせる。これにより、レール底部側表面に圧
縮の残留応力を付与することができる。レール上下方向
への負荷回数を１０回までに限定する理由は、レール頭
部表面および底部表面が塑性変形するまで１０回以上の
繰返し荷重を与えると、レール頭部表面および底部表面
に疲労損傷が発生すること、および繰返し回数が多くな
ると、レール表面残留応力も漸減してしまうことなどが
あり、繰返し回数としては極力少数回が望ましい。

【００１４】最後の負荷をレール頭部側から行い、レー
ル底部側表面に引張りの塑性変形を与えなければならな
い理由は、レール底部側に引張りの塑性変形をさせるこ
とにより、レール底部側表面に圧縮の残留応力を付与す
るためである。レール上下方向の負荷の大きさは特に限
定するものではないが、要はレール頭部表面および底部
表面が塑性変形する荷重を負荷する必要がある。その荷
重については、レール形状、鋼種、荷重支持スパン、レ
ール溶接法などに関連して荷重と変位の関係を予め求め
ておいたものから選択できる。望ましくはレール頭部表
面および底部表面歪みが０．５％から３％の範囲に収ま
るような荷重を選択した方が、曲げ途中の突然の破壊防
止や残留応力の観点から良い。

【００１５】図３は溶接したレールの負荷状況を示す。
図３において、ＡおよびＢは溶接したレールを、Ｇは負
荷治具、Ｓは荷重支持治具を示す。図４は溶接レールの
図３の負荷による荷重とレール底部表面の変位の関係を
示す。縦軸の上方が引張り荷重、下方が圧縮荷重を、横
軸の右方が引張り変位、左方が圧縮変位を示す。図３の
実線Ａは本発明法によりレール頭部側に荷重支持治具Ｓ
を設け、レール底部側から負荷したレール変形状態を示
す。図４の実線ａは図３の実線Ａに対応するレール溶接
部底部の荷重−変形曲線を概念的に示す。レール底部側
からの負荷後、今度はレール底部側に荷重支持治具Ｓを
設け、レール頭部側から負荷したレールの変形状態を図
３を破線Ｂで示す。図４の破線ｂは図３の破線Ｂに対応
するレール溶接部底部の荷重−変形曲線を概念的に示
す。レール溶接部底部表面には引張りの残留歪みが残る
ので、該部には圧縮の残留応力が発生することが分か
る。

【００１６】本発明では負荷方法を特に規定するもので
はない。例えば実線路のまくら木間隔に相当するような
スパンを設けて該スパン部に荷重支持治具Ｓをセット
し、レール頭部側および底部側から負荷治具Ｇにより徐
々に負荷することができる。負荷は油圧ジャッキや機械
的なスクリュージャッキなどが利用できる。最終負荷の
程度については、レールのスプリングバック量と荷重の
関係を予め実験室的にレール形状、鋼種および溶接法な
どを変えて求めておくと、レールを頭部側から負荷して
レール底部側表面を引張りの塑性変形させた後、除荷し
たときレールが真っ直ぐになるような荷重を選択でき
る。

【００１７】本発明によるレールの残留応力が溶接まま
の場合と比較してどう異なるかをＸ線を用いて求め、結
果を表１に示す。矯正なしのレール溶接ままではレール
長手方向残留応力は、レール頭部中央および底部中央で
約１９６MPa 〜２５０MPa の引張残留応力を示す。一
方、本発明法によるレールはレール頭部中央では１６７
MPa および１７６MPa と溶接ままより減少し、疲労強度
に影響するレール底部側表面は１９６MPa および２０６
MPa の圧縮残留応力に変化していることが分かる。圧縮
の残留応力は疲労強度に非常に効果的に作用することが
知られており、端的にはレール底部側表面に約２００MP
a 以上の引張応力が作用するような荷重をレール頭部側
から負荷しないと疲労破損が起こらないことになる。な
お、レール頭部側表面の引張残留応力については、レー
ル頭部側溶接部は余盛りままで負荷を行い、レールが真
っ直ぐに矯正された後溶接余盛りを研削することによ
り、引張残留応力を除去できる。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【実施例】以下に具体的実施例について説明する。本発
明による疲労強度改善効果がどの程度あるかを確かめる
ために、現地溶接法として一般的に使用されているエン
クローズアーク溶接法およびテルミット溶接法によっ
て、６０kg／ｍの普通炭素鋼レールを溶接した。溶接後
の各々のＸ線によるレール長手方向の残留応力測定結果
を表２に示す。さらに本発明法による疲労強度改善法を
付与したレールのＸ線によるレール長手方向の残留応力
測定結果も表２に比較併記した。これらのレールについ
て、９８０ＫＮの油圧疲労試験機を用いて三点曲げ疲労
試験を実施した。応力範囲は健全エンクローズアーク溶
接継手の疲労限度の下限値である２９４MPa を負荷し
た。疲労試験結果も表２に示す。

【００２０】表２から明らかなように、本発明による疲
労強度改善法は非常に有効であることが分かる。すなわ
ち、溶接ままでは、レール底部側を＃８０の研磨盤を用
いて研削仕上げしても、エンクローズアーク溶接継手お
よびテルミット溶接継手ともに疲労破壊するのに対し、
本発明法では何れの溶接法でも疲労破壊の発生は見られ
ず、非常に優れた疲労強度を示すことが分かる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明では、溶接したレー
ルを上下方向に塑性変形を起すように荷重を与えること
により、レール底部側表面に圧縮の残留応力を付与せし
め、溶接部の疲労強度を大幅に改善することができる。
また、施工工程を大幅に省略することが可能となり、現
場施工を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レールの横断面を示す図。

【図２】溶接したレールの側面を示す図。

【図３】本発明の溶接レール負荷状況を示す説明図。

【図４】溶接レールの負荷による荷重とレール底部表面
の変位の関係を示す図。

【符号の説明】 １ ：レール頭部 ２ ：レール腹部 ３ ：レール底部 Ａ，Ｂ：負荷後の溶接レール Ｇ ：負荷治具 Ｓ ：荷重支持治具 Ｙ ：溶接部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接したレールの継手部をレールの上下
   方向に１回以上１０回までの範囲でレール頭部表面およ
   び底部表面が塑性変形するように荷重を与え、最後の負
   荷でレール底部側表面に引張りの塑性変形を与えること
   を特徴とするレール溶接部の疲労強度改善法。