JP2708259B2

JP2708259B2 - レールのテルミット溶接方法

Info

Publication number: JP2708259B2
Application number: JP2097703A
Authority: JP
Inventors: 健一狩峰; 誠奥村; 睦岡崎; 耕一内野; 隆介花田; 康俊中田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH03297586A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はレールのテルミット溶接方法に関するもので
ある。

［従来の技術］最近、レールの継ぎ目部における騒音、振動対策、軌
道保守コスト低減を目的として溶接によるロングレール
化が急速に進められている。ロングレールは一般に工
場、あるいは基地内で200m〜400mの長さまでフラッシュ
バット溶接またはガス圧接を用いて溶接した後、敷設現
場に輸送し、ここでテルミット溶接あるいはエンクロー
ズアーク溶接によって1500m以上まで伸ばされる。

エンクローズアーク溶接は日本固有のレール溶接法で
あるが、その欠点は熟練した技能を有する溶接工を必要
とし、溶接所要時間が長いことである。しかし、熟練し
た溶接工によって作製された溶接継手の信頼性は比較的
高い。一方、テルミット溶接は、装置が簡便なこと、溶
接所要時間が短いこと、高度の技量を要しない、などの
利点により世界的に広く用いられているレール溶接法で
あり、最近、国内でもエンクローズアーク溶接に代わっ
て、テルミット溶接の使用される頻度が高くなりつつあ
る。ただし、継手性能の点では、疲労強度が低いという
問題点がある。

レールのテルミット溶接に関しては、これまでにも多
くの文献が公知となっており、最近では溶接学会誌第54
巻第１号（1985年）43頁〜49頁に「テルミット溶接法の
進歩」と題して記載がある。

テルミット溶接では、るつぼ内において酸化鉄とアル
ミニウムの酸化還元反応により高温の溶鋼が生成し、こ
れを耐火鋳型を装着したレール溶接部に注入することに
よってレールを溶接する。鋳型内面の溶接金属が接する
部分には凹部が設けられており、高温の溶鋼が流入でき
る空間となっている。注入された溶鋼はこの凹部に充満
し、その凹部形状にしたがった余盛り形状が形成され
る。

このようなテルミット溶接法では、注入時の溶鋼の流
動による浸食作用と、溶鋼の顕熱によって母材が溶融さ
れる。したがって、正常な溶接継手を得るためには、
（１）溶鋼の浸食効果を促進するために十分な量の溶鋼
を鋳型空間に供給すること、（２）溶鋼の顕熱による母
材溶融を促進するために、鋳型内面に溶鋼を保持する凹
状空間（第２図の６、後に余盛りとなる）を設けるこ
と、（３）溶接に先立って予熱を行い、母材の初期温度
を上昇させ、注入時の母材温度上昇を促進すること、な
どが必要である。従来の各種テルミット溶接施工法もこ
れらの点を考慮したものとなっている。

また、レールの溶接においては溶接部の継手強度とと
もに、限定された軌道の閉鎖時間内に溶接を完了させる
必要から溶接所要時間が重視される。最近のテルミット
溶接においては、特公昭53−29649号公報に見られるよ
うな、溶剤量を増加してテルミット溶鋼からの入熱量を
増加することによって予熱時間を1.5〜２分間に限定す
る溶接方法が主流となっている。また、特公昭53−2965
0号公報には余盛りの形状に関する記載がある。しかし
これらの発明の内容には疲労強度に対して重要な影響を
及ぼす余盛り止端部の形状については規定が見られな
い。

［発明が解決しようとする課題］テルミット溶接における溶接余盛りは他の溶接法に比
べると厚み、幅ともに大きく（厚み10mm、幅40mm程
度）、溶接後に削除することは多大な労力を要する。そ
のため、列車の車輪と接するレール頭部を除き、レール
柱部、レール底部は余盛りのついた溶接ままの状態で使
用される。そのため、列車通過時の列車荷重による曲げ
負荷によって余盛りの止端部に大きな応力集中が発生
し、ここから疲労亀裂が発生、進展しやすい。

したがって、テルミット溶接法の疲労強度は200万回
疲労限が22kgf/mm²程度と低く、余盛りを削除して使用
され、応力集中の発生しない他のレール溶接法の疲労限
（28kgf/mm²以上）に比較して劣っている。疲労亀裂の
発生しやすい部位は、荷重負荷時に最大引張応力の発生
する足裏余盛止端部、あるいは引張溶接残留応力が発生
する足表余盛止端部である。

近年、軌道の高速化、重荷重化が進められており、溶
接部に加わる荷重が苛酷化し、テルミット溶接継手の疲
労強度が問題となりつつある。本発明において解決しよ
うとする課題は、テルミット溶接継手の余盛り止端部に
発生する応力集中に起因する疲労強度の低さである。

即ち、本発明は、テルミット溶接余盛りの止端部形状
を改善することによってこの部分に発生する応力集中を
軽減させるとともに、余盛りの止端部の形状に重要な影
響を持つ予熱の適正な方法を明確にし、その効果として
疲労強度を向上させ、テルミット溶接の信頼性を向上さ
せることを目的としている。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するための本発明のテルミット溶接方
法は、被溶接体であるレール同士を開先間隙を開けて対
向設置し、これを取り囲むように装着した鋳型との間に
形成される空間（鋳型空間）に、テルミット反応によっ
て発生する高温の溶鋼を注入することによってレールを
溶接するテルミット溶接方法において、鋳型の内側凹部
の、レール底部およびレール柱部のレール表面に接する
部分の曲率半径ｒが３〜15mmの円弧状をなす鋳型を使用
することを特徴とする。

また、本発明では上記の方法において、プロパンガス
を30〜50リットル／分の流量範囲に調整し、さらにガス
の燃焼状態が弱還元炎となるように酸素ガス流量を調整
したプロパン−酸素ガストーチを使用して、溶接に先だ
って予熱を２〜４分実施することが好ましい。

以下本発明の詳細を説明する。

溶接部の余盛り止端形状が疲労強度に及ぼす影響につ
いては従来から多くの研究が行われており、止端部の曲
率半径が大きいほど応力拡大係数K₁が小さく、疲労強度
に対して有利となる事が報告されている（例えば、「停
留亀裂先端の応力拡大係数に及ぼす余盛り止端部形状の
影響」材料、昭63年、第37巻、第417号、79頁〜85
頁）。したがって、テルミット溶接においても、余盛り
止端部の曲率半径を大きくすることが、疲労強度改善に
極めて効果的である。

従来のテルミット溶接継手では第３図（ａ）に見られ
るように、止端部の曲率半径ｒが小さい（ｒ＜3mm）。
これは鋳型の凹部が元々このような形状になっているか
らである。そこで第２図において鋳型４、５がレールの
足裏、足表、柱下部に接する部分において、凹部６の止
端部が曲率半径3mm〜15mmの円弧形状を有する鋳型を使
用することによって、注入された溶鋼がこの形状にした
がって形成され、第３図（ｂ）に示すように余盛り止端
部形状がなめらかになり、応力集中に対して有利な形状
となる。

曲率半径が3mm未満の場合は応力集中軽減は期待でき
ない。また、曲率半径が大きくなっていくに従って、鋳
型とレール表面の接触部の隙間が狭くなり、溶鋼の確実
な侵入が困難となっていく。その結果、曲率半径が15mm
以上の場合は鋳型の凹部形状通りの余盛りの形成は期待
できない。

また、母材の溶け込み量も余盛り止端部の形成の重要
な因子である。上記新鋳型を使用しても母材溶け込みの
程度によって止端部の形成状況が異なり、疲労強度の改
善効果は異なってくる。すなわち、第３図（ｃ）に示す
様な母材の溶け込みが不足している場合は、円弧状を形
成する余盛り止端部がオーバーラップ８となり、その付
け根部分９には応力集中が新たに発生する。そのため、
余盛り表面の形状はなめらかでも、このような継手では
疲労強度の改善はまったく期待できない。つまり、鋳型
内面凹部のレール接触部に適正な曲率半径を持たせる事
とともに、母材の十分な溶け込みを確保することが、疲
労強度に有利な余盛り止端部形状の形成には不可欠であ
る。

また、母材の溶け込みは、溶接に先だって行われる予
熱に大きく影響される。予熱によって母材温度が高温に
加熱されるに従って、テルミット溶鋼注入による温度上
昇も促進され、溶け込み量はそれに伴って増加する。

予熱ガスとしては取扱が容易で、しかも充分な火力が
得られるプロパンと酸素の混合ガスが一般的である。従
来、予熱作業を管理する場合、ボンペ２次圧と、予熱時
間のみを規定する事が一般的であった。しかし、使用す
るガスホース長さや中継ジョイントの有無によってボン
ベ下流の流体抵抗が異なり、ボンベ２次圧だけでは投入
されるガス流量、すなわち熱量は正確には定まらない。
その結果、母材の予熱温度が定まらず、母材の溶け込み
量を安定して管理することができない。

これに対して、ガスの流量を管理することによって投
入される熱量を直接的に管理することができ、安定して
予熱を管理することができる。

第４図にバーナー口径約40mmの長方形プロパンガスト
ーチを用い、プロパンガス流量を（イ）25リットル／
分、（ロ）35リットル／分、（ハ）55リットル／分、酸
素ガス流量を各プロパンガス流量に応じて弱還元炎にな
るように調整し、JIS60レールを予熱した時の予熱時間
とレール母材温度上昇の関係を示す。測定位置は開先面
から17mm離れたレール柱部であり、火炎にさらされてい
る開先面はさらに高温に加熱されている。予熱時間の増
加に伴って、母材の予熱温度が上昇している。流量の少
ない場合には母材の温度上昇が遅く、加熱効率が悪い。
逆に、流量が多過ぎる場合にはレール表面が過度に加熱
されて、早期に溶融しだすため好ましくない。従って、
適正なプロパンガスの流量調整範囲は30〜50リットル／
分である。

また、プロパンガスの流量が35リットル／分の時の予
熱時間と母材溶込量の関係を第５図に示した。予熱時間
35秒では底面から15mmの位置で溶込がほとんどなく、開
先面の融合不良を生じる寸前となっている。また、予熱
時間１分40秒でも溶込線がレール底面で余盛り止端部と
ほぼ同位置となっている。一方、４分間予熱した場合
は、余盛り止端部まで充分にレール底部の溶込が得られ
ている。ただし、予熱時間が４分を越えると、レール開
先面が過剰に加熱され、溶融状態を呈してくるため好ま
しくない。従って、応力集中に有害なオーバーラップを
生じさせない適正な予熱時間の範囲は２〜４分である。

一方、鋳型の型式としては従来、２分割型と３分割型
が使用されているが、レールと鋳型の密着性に優れる３
分割型鋳型を使用することが、止端部の形状改善効果を
確実にするうえで有利である。第６図（ａ）に２分割鋳
型と第６図（ｂ）に３分割鋳型の例を示す。２分割鋳型
の場合、レールとの密着性が悪いため、鋳型とレールの
隙間に侵入した溶鋼による鋳バリを発生しやすく、この
ような鋳バリが発生すると余盛り止端部形状の制御は困
難となる。

［作用］鋳型４の足裏、足表、柱下部において、レール表面と
接触する鋳型凹部の終端部が曲率半径3mm〜15mmの円弧
形状を有する鋳型を使用することによって、注入された
溶鋼がこの形状にしたがって形成され、余盛り止端部形
状がなめらかになる。また、溶接に先だって行う予熱に
よって、充分な母材溶込みが確保され、オーバーラップ
を生じず、上記余盛り止端部形状改善効果を確実なもの
にする。

［実施例］ JIS60レールを開先隙間24±1mmにて突合わせ、２種類
の内面凹部形状を持つ鋳型を使用し、異なる予熱条件で
テルミット溶接した時の疲労試験結果を以下に示す。使
用した鋳型の内面凹部形状は第２図において（１）本発
明の形状、ｒ＝6mm、ｈ＝10mm、ｗ＝40mm、（２）公知
の形状、Ｒ＝1mm、ｈ＝6mm、ｗ＝40mmの２種類である。
また、予熱条件を（１）30秒、（２）１分40秒、（３）
３分に変化させている。

使用する溶剤重量は従来使用されているものと同等の
11.7kgとした。

予熱はプロパン−酸素トーチを用い、プロパンガス流
量を35リットル／分に調整し、この状態で燃焼状態が弱
還元炎になるように酸素ガス流量を調整する。この時、
ホース長15m、内径9mmのプロパンガス配管およびホース
長15m、内径8mmの酸素配管を使用したときのプロパンガ
ス２次圧力は0.6kgf/cm²、酸素ガス２次圧力は4kgf/cm²
となる。この様に調整したトーチ火口を鋳型の溶鋼注入
口に挿入し、鋳型空間に燃焼炎を吹き込むことによって
予熱を実施する。

予熱終了後ただちにテルミット反応を開始させ、以下
公知のテルミット溶接作業を実施する。

疲労試験は溶接継手を1mのスパンで支持し、その中央
に繰り返し加重を与えて行う３点曲げ方式によって行っ
た。

表１に各条件でテルミット溶接を行った場合の疲労試
験結果を示す。鋳型内面のレールに接する部分を滑らか
にした鋳型を使用しても、（イ）予熱時間が30秒の継手
は早期に低い応力条件で、溶け込み不良欠陥から破断す
る。（イ）〜（ハ）と予熱時間が増加するにしたがっ
て、疲労強度は増加し、（ハ）〜（ホ）の３分間予熱し
たものは応力範囲を24kgf/mm²まで増加しても200万回で
破断せず、応力集中状態が改善されていることを示して
いる。一方、従来技術に見られるような、鋳型内面のレ
ールに接する部分が滑らかでない鋳型（ｒ＜3mm）を使
用した場合、（ヘ）、（ト）に示すように応力範囲22kg
f/mm²の試験条件で200万回弱で破断している。本発明の
鋳型、予熱条件を適用した溶接継手（ハ）〜（ホ）は、
従来法に比較し、200万回疲労強度が２〜4kgf/mm²有利
になる。

ところで、予熱を２〜４分行うことによって、溶鋼の
凝固所要時間は予熱時間の短い（1.5〜２分）既存溶接
法に比べて約１分長くなる。したがって、作業時間の延
長量は従来法に比べ、予熱時間および、凝固時間がそれ
ぞれ１分、合計２分程度に過ぎず、全体の溶接所要時間
（約30分）に占める延長時間の割り合いは小さく、溶接
作業時間のばらつきの範囲内である。

［発明の効果］テルミット鋳型の内面凹部のレールに接する部分に3m
m〜15mmの曲率半径を設けることと、予熱を２〜４分実
施し、充分な溶け込み量を得ることを組合せ、溶接余盛
り止端部の形状を滑らかにしてこの部分に発生する応力
集中を軽減することにより疲労亀裂の発生、進展の防止
を図ることができる。その結果、従来のテルミット溶接
継手に比べ、疲労強度を大幅に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のテルミット溶接模式図、第２図はレール
底部における鋳型の装着状況の断面図、第３図はテルミ
ット溶接によるレール継手の底部断面図、第４図は予熱
時間と母材加熱温度の測定結果、第５図は予熱時間と母
材溶込量の測定結果、第６図（ａ）（ｂ）は公知の２分
割型鋳型と３分割型鋳型を示す図である。１……レール底部、２……レール柱部、３……レール頭
部、４……鋳型、５……鋳型、６……鋳型内面凹部空
間、７……予熱トーチ、８……オーバーラップ、９……
オーバーラップの付け根、10……溶け込み線。

フロントページの続き (72)発明者内野耕一福岡県北九州市八幡東区枝光１―１―１新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者花田隆介福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者中田康俊神奈川県相模原市淵野辺５―10―１新日本製鐵株式会社第２技術研究所内 (56)参考文献特開昭48−95337（ＪＰ，Ａ) 特公昭36−19814（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭53−29650（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭53−29649（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被溶接体であるレール同士を開先間隙を開
けて対向設置し、これを取り囲むように装着した鋳型と
の間に形成される空間（鋳型空間）に、テルミット反応
によって発生する高温の溶鋼を注入することによってレ
ールを溶接するテルミット溶接方法において、鋳型の内
側凹部の、レール底部およびレール柱部のレール表面に
接する部分の曲率半径ｒが３〜15mmの円弧状をなす鋳型
を使用することを特徴とするレールのテルミット溶接方
法。
【請求項２】プロパンガスを30〜50リットル／分の流量
範囲に調整し、さらにガスの燃焼状態が弱還元炎となる
ように酸素ガス流量を調整したプロパン−酸素ガストー
チを使用して、溶接に先だって予熱を２〜４分実施する
請求項１記載のレールのテルミット溶接方法。