JP2880370B2

JP2880370B2 - レール足部の溶接方法

Info

Publication number: JP2880370B2
Application number: JP9339693A
Authority: JP
Inventors: 健一狩峰; 誠奥村; 信行青木; 盈昭乙黒
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH06304752A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄道レール、クレーンレ
ールなどの足部の突合せ溶接方法に関するものであり、
特に自動溶接方法において適用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、軌道上のレールを結合するには継
目板とボルトナットを使用して機械的に締結する方法が
一般的であった。しかし、列車の騒音・振動軽減、軌道
保守コストの低減を目的とした溶接によるレールの連続
化、すなわちロングレール化が普及しつつあり、近年、
国内外の高速軌道、重荷重軌道においては必須の技術と
なりつつある。ロングレールの施工は、まず２５〜５０
ｍの定尺レールを設備化された溶接工場において２００
ｍ程度まで連続化した後、さらに軌道の敷設現地におい
て１５００ｍ程度まで連続化される。

【０００３】敷設現地におけるレール溶接には、テルミ
ット溶接が世界的に広く普及している。テルミット溶接
は酸化鉄とアルミの化学反応によって高温の溶鋼を生成
し、これを溶接部に注入してレールを溶接するものであ
る。この溶接法は迅速かつ簡便な溶接法であるが、幅
広、厚肉の余盛が形成され、レール柱部、足部にこの余
盛を付けたまま使用されるため、列車通過の際に余盛止
端部に応力集中が大きく働く、基本的に鋳造と類似の
プロセスであり、微小なキャビティ、アルミナ介在物を
多数含有する、という欠点を持っている。最近、北米に
おいて列車積載重量を増大する取り組みが進められる
中、テルミット溶接部の破損が頻発し、その継手性能限
界の低さが問題となっている。

【０００４】一方、国内ではテルミット溶接の改善のた
めにアーク溶接（手）による方法、エンクローズアーク
溶接が開発され（特公昭４３−２７８２号公報他参
照）、新幹線などの重要軌道に適用されてきた。最近で
はさらに、溶接金属の高炭素化による、新エンクローズ
アーク溶接（特公平４−５４５５７号公報他）が開発さ
れ、実用に供されている。エンクローズアーク溶接法は
熟練技能を要する、施工時間が長いという欠点があ
り、これらを解決するために自動溶接技術の開発も進め
られている（特公平４−５７４３５号公報他参照）。こ
れらエンクローズアーク溶接、自動溶接はレール足部を
アーク溶接で行うものであるが、いずれもレール足先端
部にタブ板を設け、溶接金属を延長形成させるもので、
溶接終了後ガス切断または加熱押し抜きなどの手段によ
り、タブ部を除去する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記エンクローズアー
ク、自動溶接法では図１に示すように、被溶接レール１
ａ，１ｂの被接合面を適当な間隙２を介して対向設置
し、足部３から腹部４、頭部５の母材端面を順々に溶融
させながら溶接金属を積層していく。図中６は溶接ワイ
ヤ、７は溶接トーチである。

【０００６】初層裏波溶接では、図２に示すように溶接
金属８を保持しつつ滑らかな裏波ビードを形成していく
ために、銅、固形耐火物、粉末耐火物（フラックス）な
どが裏当て材９として単独、ないし組合せた形で使用さ
れる。固形ないし粉末形態の耐火物裏当て材を用いる場
合、初層裏波溶接から２層目への折り返し部分に微小ひ
け巣状欠陥が発生する。かかる欠陥が溶接金属内に残存
すると、継手に荷重が負荷された際に内在切り欠きとし
て作用し、静的曲げ強度や疲労強度などの継手性能を著
しく低下させる原因となり、望ましくない。

【０００７】そこで従来の技術では、このような微小ひ
け巣状欠陥を溶接部に残存させないために、初層裏波溶
接から２層目への折り返し位置を足先端の外側数十mmの
位置に設定して、足先タブ部にさらに溶接金属を形成
し、欠陥発生をその延長部にとどめる方法がとられてき
た。この方法では溶接完了後、ガス切断または加熱押し
抜きなどによってタブ部を除去する必要がある。レール
の現地溶接は夜間の限定された時間内に行う必要がある
ことから装置搬入、搬出、溶接など全ての作業の簡便
性、迅速性が要求される。従って、軌道内に搬入する機
材は少ない程良く、作業時間も極力短いことが望まし
い。しかしながら従来の技術ではタブ切断のための機材
の追加及び施工時間の増加が避けられなかった。

【０００８】本発明はこのような従来の問題を解消する
ために初層裏波溶接から２層目への折り返し部分に生じ
やすい微小ひけ巣状欠陥を防止するものであり、これに
より、足先タブ部の溶接金属形成、及びそのタブ除去工
程が不要となるため、機材数の低減、施工時間の短縮を
可能とする、レール足部の溶接を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記レー
ル初層裏波溶接から２層目への折り返し端部におけるひ
け巣状欠陥発生と凝固形成状況を詳細に調査した結果、
微小ひけ巣状欠陥の発生機構に関し、次のような点が明
らかになった。すなわち、初層裏波溶接が終了した後、
溶接アークを中断することなく、直ちにトーチ移動方向
を反転し、２層目の積層を行った場合、初層から２層目
への折り返し位置には、図３に示すように初層の溶融金
属８と、２層目で新たに供給される溶融金属が混在する
大型の溶融プール１０が形成される。その後、２層目溶
接がさらに進んだ時点で、初層凝固層の上に２層目溶接
金属が乗り上げていく。図４にこのような状況を模式的
に示している。すなわち裏当て材９の材質が固形ないし
粉末形態の耐火物であった場合、溶融プールの下面を保
持する材料が、乗り上げ部分１１以降耐火物から金属に
切り替わる。このような乗り上げ現象が生じた場合、溶
融プールから下方向への熱移動が急速に増加するため、
後方に多量の液相部分を残したまま乗り上げ部１１付近
が先に凝固する。その結果、後方に取り残された液相領
域では凝固収縮に見合う溶融金属の供給が十分になされ
ず、微小なひけ巣状欠陥１２が生じやすくなる。

【００１０】従って、これを防止するためには２層目溶
接において溶融プールが途中から初層凝固層の上に乗り
上げるような現象を避け、溶融プール下面に最初から凝
固層が存在する必要があるという解決策に至った（図５
参照）。本発明は以下の溶接手法を適宜採用することに
より、２層目溶接の開始時点までに初層凝固層を確実に
形成させ、微小ひけ巣状欠陥を確実に防止することがで
きる。

【００１１】すなわち本発明は、耐火物裏当て材をレー
ル溶接部底面に装着し、ガスシールドアーク溶接法、セ
ルフシールドアーク溶接法によりレール足部を溶接する
際に、適用されるものであって、以下の構成を要旨とす
る。

【００１２】（１）初層裏波溶接において、レール足幅
の２／３以上を経過した時点で、電流、電圧のいずれ
か、または双方を８０％以下に低下させて以後の溶接を
行い、その間に初層溶接金属が裏当て材と接する底面層
の凝固を促進させた後、トーチの横行方向を反転して２
層目の溶接を行う。初層溶接金属底面層の凝固を促進さ
せるためには電流、電圧を初層前半、中盤の８０％以下
に低減しないと効果が得られない（請求項１の発明）。

【００１３】（２）初層裏波溶接において、レール足幅
の２／３以上を経過した以降、及び／または、裏波溶接
終了後の折り返し端部で溶接アークを等時間間隔ないし
不等時間間隔で断続し、その間に初層溶接金属が裏当て
材と接する底面層の凝固を促進させた後、トーチの横行
方向を反転して２層目の溶接を行う。その際に、断続時
間間隔が０．５秒以下では初層溶接金属の凝固層形成を
促進させる効果は少なく、また、１０秒以上の長時間間
隔では能率低下を招くことに加え、折り返し端部を除く
部分ではビード形成が不可能となる。また、４０回の断
続の繰り返しにより初層溶接金属の凝固層が完全に形成
されるため、それ以上の回数増加は必要ない（請求項２
の発明）。

【００１４】（３）上記（１），（２）は、これらを適
宜組合せて初層裏波溶接と２層目溶接を行うことにより
各項の特長が併せて得られるようにできる。

【００１５】

【作用】本発明の溶接手法により２層目溶接開始まで
に、初層裏波溶接金属が裏当て材と接する底面層に凝固
層が形成され、２層目溶接の溶融プールが途中から初層
凝固層の上に乗り上げるような現象が避けられる。

【００１６】初層溶接金属の凝固を促進する上で最も効
果的なのは、初層裏波溶接の終端部で溶接を停止し、そ
の間熱量の供給を完全に停止する溶接中断手法である。
ただしこの方法を単独で採用する場合には初層裏波溶接
の終端部にクレータ収縮孔が生じやすく、次の２層目溶
接で収縮孔発生部分を確実に再溶融するように溶接条件
を設定する必要がある。

【００１７】その点で、溶接アーク断続手法は、溶接停
止と溶接金属供給が交互に行われるため、クレータ収縮
孔が過大に成長することがなく、これが問題になること
はない。ただし、初層底面に形成された凝固層が第２層
溶接の際に再溶融されないように、第２層の溶接を比較
的低入熱で行う必要がある。

【００１８】請求項１の溶接手法は、初層裏波溶接から
２層目にかけて、低入熱ながら常に溶接が継続されるた
め、前記溶接中断手法さらに溶接アーク断続手法に比較
して初層溶接金属の凝固促進の点で効果が下がる。従っ
て、請求項１の溶接手法では、初層底面に形成された凝
固層が第２層溶接の際に再溶融されないように、第２層
の溶接を溶接アーク断続手法（請求項２）の場合よりさ
らに低入熱で行う必要がある。

【００１９】本発明の各溶接手法は単独で実施した場合
でも、目的とする初層溶接金属の凝固促進効果は得られ
るが、上述したように、それぞれ溶接条件設定に際して
注意すべき点があり、これらに配慮する必要がある。

【００２０】一方、請求項各項の溶接手法を複数併用す
ると、初層溶接金属の凝固層形成のうえで効果が加算さ
れる上、各手法における、溶接条件に関する制約条件を
相殺することも可能となる。その結果、適正溶接条件範
囲が広がり、溶接条件選定の際に有利となる。たとえ
ば、請求項１および２のいずれか、または両方の溶接手
法を併用すると、溶接中断手法を単独で行った場合に生
じるクレータ収縮孔を軽減することが可能となり、２層
目溶接におけるクレータ収縮孔の再溶融について配慮す
る必要がなくなる。この場合、溶接中断手法に先だっ
て、他の請求項の溶接手法を行う必要がある。

【００２１】

【実施例】以下、レール足部にＣＯ₂ガスシールドアー
ク溶接を採用した場合の本発明の実施例及びその比較例
を示す。実施例１，２は請求項１，２の溶接手法を単独
で行った例であり、一方、実施例３〜５は請求項１，２
の溶接手法を組合せて併用した例である。各例ともレー
ル腹部、頭部はエレクトロスラグ溶接法によって溶接
し、溶接後、支持スパン１ｍ、レール足部引張りモード
の実物３点曲げ試験を行い、破断荷重及び、破断面にお
けるひけ巣状欠陥の有無、欠陥長さを測定した。

【００２２】供試レール鋼材はＪＩＳ５０Ｎレール、溶
接ワイヤーは高炭素系共金ワイヤーを使用した。また、
裏当て材には１mm厚のガラステープを介してＳｉＯ₂−
Ａｌ₂Ｏ₃系固形裏当て材をレール底面に密着させる構
成とした。表１にレール、ワイヤーの化学組成、その他
の溶接材料、溶融電源特性などを示した。

【００２３】

【表１】

【００２４】タブ溶接金属を形成させた比較例１を除く
各例は初層裏波溶接から２層目への折り返し位置をレー
ル開先内部とし、タブ溶接金属を形成させなかった。

【００２５】〔実施例１〕初層裏波溶接がレール足幅の３／４の位置を経過した時
点から溶接電流、電圧をそれぞれ４２．５％，７０％に
低下させた後に２層目の溶接を行った例である。溶接条
件及び継手部の試験結果を表２に示す。２層目溶接では
初層の底面凝固層を再溶融させないように、実施例３〜
５に比較して入熱を低下させている。この例でも開先内
部にひけ巣状欠陥の発生はなく、曲げ試験結果も良好で
ある。

【００２６】

【表２】

【００２７】〔実施例２〕初層裏波溶接を完了後、折り返し端部において溶接アー
クを２秒間隔で１５回断続を繰り返してから２層目の溶
接を行った例である。溶接条件及び継手部の試験結果を
表３に示す。２層目溶接では初層の底面凝固層を再溶融
させないように、実施例３〜５に比較して入熱をやや低
下させている。この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発
生はなく、曲げ試験結果も良好である。

【００２８】

【表３】

【００２９】〔実施例３〕初層裏波溶接がレール足幅の３／４の位置を経過した時
点から溶接電流、電圧をそれぞれ４２．５％，７０％に
低下させ、さらに折り返し端部において、溶接を１５秒
間停止した後に２層目の溶接を行った例である。表４に
溶接条件及び継手部の試験結果を示す。この例でも開先
内部にひけ巣状欠陥の発生はなく、曲げ試験結果も良好
である。

【００３０】

【表４】

【００３１】〔実施例４〕初層裏波溶接がレール足幅の３／４の位置を経過した時
点から溶接電流、電圧をそれぞれ４５％，７０％に低下
させ、さらに折り返し端部において、溶接アークを２秒
間隔で８回断続を繰り返してから２層目の溶接を行った
例である。表５に溶接条件及び継手部の試験結果を示
す。この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発生はなく、
曲げ試験結果も良好である。

【００３２】

【表５】

【００３３】〔実施例５〕初層裏波溶接を完了後、折り返し端部において溶接アー
クを２秒間隔で５回断続を繰り返し、さらに折り返し端
部において、溶接を１０秒間停止した後に２層目の溶接
を行った例である。表６に溶接条件及び継手部の試験結
果を示す。この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発生は
なく、曲げ試験結果も良好である。

【００３４】

【表６】

【００３５】〔比較例１〕本発明の溶接手法を使用しないもので、初層折り返し位
置をレール足先、外側３０mmの位置に設定し、これによ
って生じる４０mm長さのタブ溶接金属を溶接完了後にガ
ス切断によって除去した例であり、溶接部に欠陥は残存
しておらず、曲げ試験結果は良好である。溶接条件及び
継手部の試験結果を表７に示す。ただし、この例ではタ
ブ切断のために作業時間が１５分間増加した。

【００３６】

【表７】

【００３７】〔比較例２〕本発明の溶接手法を一切行わず、しかもタブ溶接金属を
形成させなかったために、ひけ巣状の溶接欠陥が開先内
部に残存し、曲げ性能が低下した例である。溶接条件及
び継手部の試験結果を表８に示した。

【００３８】

【表８】

【００３９】〔比較例３〕初層裏波溶接完了後、初層溶接端部において溶接を３秒
間中断したものであるが、中断時間が適正範囲より短か
いために溶接欠陥が開先内部に残存し、曲げ性能が低下
した例である。溶接条件及び継手部の試験結果を表９に
示した。

【００４０】

【表９】

【００４１】

【発明の効果】本発明の溶接手法により、レール足部２
層目の溶接時に溶融プール下面に初層溶接金属凝固層が
最初から存在する。従って、２層目溶接において溶融プ
ールが途中で初層凝固層に乗り上げる現象がなくなり、
乗り上げ現象に関連して生じていた微小ひけ巣状欠陥を
確実に防止することができる。その結果、足先のタブ溶
接金属を省略することが可能となる。したがって、溶接
後のタブ除去工程が不要となり、溶接機材の簡略化、施
工時間の短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）はレールの溶接積層態様を示す
模式図であって、（ａ）は縦断面、（ｂ）は平面であ
る。

【図２】初層裏波溶接の実施状況を示す模式図である。

【図３】初層完了後、２層目の溶接時に大型の溶融プー
ルが形成される状態を示す模式図である。

【図４】２層目溶接で微小ひけ巣状欠陥が形成される機
構を示す模式図である。

【図５】本発明の実施状況を示す模式図であり、２層目
溶接時に最初から初層凝固層が形成されている状態を示
す。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ被溶接レール２溶接部間隙３レール足部４レール腹部５レール頭部６溶接ワイヤ７溶接トーチ８裏波溶接金属９裏当て材１０大型溶融プール１１２層目における初層凝固層への乗り上げ
部分１２ひけ巣状溶接欠陥

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者乙黒盈昭千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (56)参考文献特開昭63−16861（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−78646（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−177795（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/038,9/095

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接において、レール足幅の２／３以上を経過した時点
で、電流、電圧のいずれか、または双方を８０％以下に
低下させて以後の溶接を行い、その間に初層溶接金属が
裏当て材と接する底面層の凝固を促進し、その後、トー
チの横行方向を反転して２層目の溶接を行うことを特徴
とするレール足部の溶接方法。
【請求項２】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接において、レール足幅の２／３以上を経過した以
降、及び／または、初層裏波溶接終了後の折り返し端部
で溶接アークを０．５〜１０秒間隔で１〜４０回にわた
り、等時間間隔ないし不等時間間隔で断続し、その間に
初層溶接金属が裏当て材と接する底面層の凝固を促進
し、その後、トーチの横行方向を反転して２層目の溶接
を行うことを特徴とするレール足部の溶接方法。
【請求項３】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、請求項１
ないし２の溶接方法を適宜組合せて、初層、２層を溶接
することを特徴とするレール足部の溶接方法。