JP2988607B2 - レールの突き合わせ溶接方法及び溶接材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄道用やクレーン用高強
度レール等のレールの突き合わせ溶接方法及びその溶接
に用いる被覆アーク溶接棒に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レール
を突き合わせ溶接する場合には、レール接合面を開先加
工してからレール脚部から頭頂部までを多層盛溶接する
場合と、Ｉ型開先で脚部(図１中の１)及び頭頂部は多層
盛溶接、腹部から頭部(図１中の２)にかけてはエンクロ
ーズアーク溶接する方法が用いられている。

【０００３】レール頭部表面は車輪と直接接触するため
摩耗や疲労などの損傷を受け易く、これらの特性に優れ
た継手性能が求められている。従来は、頭部の施工法と
して、ＪＩＳ Ｚ ３２５１ ＤＦ２ＡやＪＩＳ Ｚ ３２
１３などに規定された被覆アーク溶接棒を用いた多層盛
溶接が行われ、溶接金属はベイナイト系組織を呈し、そ
の硬さは最も高いものでもＨv３７０〜３９０程度であ
った。これらの溶接継手は溶接後熱処理を行わずに実機
に供されるが、溶接金属の耐摩耗性が母材に比べ劣り、
溶接部の局部摩耗が生じてレールを交換する原因になっ
ていた。なかでも、頭部全断面熱処理レールのような微
細パーライト組織からなる耐摩耗性に優れた高強度レー
ルに対しては、母材との耐摩耗性の差が著しく、実用上
大きな問題になっていた。

【０００４】この他に、ＪＩＳ Ｚ ３２５１ ＤＦ２Ｂ
に規定されている溶接アーク棒の適用も可能ではある
が、これらの被覆アーク溶接棒から形成される溶接金属
はマルテンサイト系であるため、溶接後熱処理を行った
場合、継手部近傍の母材が軟化し、この部分の耐摩耗性
が損なわれる問題があった。

【０００５】一方、レール頭頂部用溶接材料としては、
特公平４−５４５５７号に開示されているように、高Ｃ
パーライト系組織となる被覆アーク溶接棒が提案されて
いる。また、特開平１−１８０７８０号では、Ｃ：０.
４〜１.０％を含む被覆アーク溶接棒を用いた軌道の突
き合わせ溶接方法が開示されている。しかし、このよう
なタイプの被覆アーク溶接棒では、エンクローズアーク
溶接によりレール腹部からあご部にかけて溶接を行った
溶接金属において、あご部の溶接金属に高温割れが生じ
易い欠点があった。更に、頭頂部においては多層盛溶接
が行われるが、従来のＪＩＳ Ｚ ３２５１に規定された
被覆アーク溶接棒などに比べれば、溶接金属に高温割れ
が発生し易く、レール継手溶接金属の健全性が十分でな
いため厳しい施工管理が必要である。高温割れや遅れ割
れが発生し易い溶接材料や施工法は、レール継手溶接部
の信頼性の点で実用上に不安がある。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、母材と同等以上の耐摩耗性を有し、しかも高温割れ
や低温割れ等のない健全な溶接金属が得られるレールの
突き合わせ溶接方法及び溶接材料を提供することを目的
とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明は、脚部を多層盛溶接し、腹部及
び頭部をエンクローズアーク溶接及び／又は多層盛溶接
し、更に頭頂部は多層盛溶接するレールの突き合わせ溶
接において、頭頂部溶接金属表面のビッカース硬さ(Ｈ
w)をＨv３９０以上で、更にＨwとレール母材頭頂部表面
のビッカース硬さ(Ｈв)との差(Ｈw−Ｈв)を少なくと
もＨv３０以上とすることを特徴とするレールの突き合
わせ溶接方法を要旨としている。

【０００８】また、他の本発明は、腹部から頭部にかけ
てエンクローズアーク溶接し、頭頂部を含めた残部は多
層盛溶接する方法において、エンクローズアーク溶接金
属上に、被覆棒全体に含有されるＣ量が０.２wt％以下
であり、かつ７５０℃水分が０.２％以下である被覆ア
ーク溶接棒を用いて下盛溶接してから、多層盛溶接する
ことを特徴としている。また、頭部及び頭頂部の多層盛
溶接を行う前に、開先内面を、被覆棒全体に含有される
Ｃ量が０.２％以下で、７５０℃水分が０.２％以下の被
覆アーク溶接棒を用いてバタリングし、その後、多層盛
溶接することを特徴としている。

【０００９】更に、他の本発明は、被覆棒全体におい
て、Ｃ：０.１〜０.３wt％、Ｃr：０.５〜３.０wt％を
必須成分として含み、更にＭo：０.１〜１.５wt％、
Ｖ：０.１〜１.０wt％、Ｗ：０.１〜１.５wt％の１種又
は２種以上を含み、７５０℃水分が０.２％以下である
ことを特徴とする上記の頭部及び頭頂部の多層盛溶接に
用いるレール頭頂部溶接用被覆アーク溶接棒を要旨とし
ている。

【００１０】

【作用】

【００１１】レール母材の種類としては、普通レールの
ように合金成分がＣ、Ｓi及びＭnのみを主体としたもの
や、これらの他にＣrやＭoを積極的に添加したＣr−Ｍo
鋼レール、更に成分はＣ、Ｓi、Ｍnを主体にしている
が、頭部を熱処理したレールなどが実用化されている。
そして、これらのレールはＣ量が０.４〜０.８％と高い
レベルであることが共通の特徴である。したがって、こ
のような範囲のＣ量のレールに対して継手溶接を行って
も、溶接金属に高温割れや低温割れなどの欠陥が発生せ
ず、更に母材と同等以上の耐摩耗性を有する溶接金属が
得られる施工法や溶接材料を確立することが必要とな
る。なかでも、頭部全断面熱処理レール(高強度レール)
のように、典型的なパーライト組織を示し、良好な耐摩
耗性を備えているものの、母材のＣ量が約０.７５％と
高いために従来の施工法や溶接材料では、健全性や耐摩
耗性の点で継手溶接金属の性能が十分ではなかったこと
を鑑みると、この両者が両立できる施工法や溶接材料の
開発が急務である。

【００１２】本発明は、このような観点からなされたも
のであり、特に微細パーライト組織を示す頭部全断面熱
処理レールにおいても健全かつ良好な溶接継手を作製で
きる施工法、溶接材料を開発したものである。以下に本
発明を更に詳細に説明する。

【００１３】レール頭頂部の性能はレール表面の摩耗や
レールの破損など寿命に直接関係することが多い。摩耗
の点からすれば、溶接金属の硬さを高くすることが効果
的と考えられる。しかしながら、市販の硬化肉盛材料を
みても、硬さを高くすることにより、ミクロ組織もパー
ライト系からベイナイト系、更にマルテンサイト系へと
変化する。前にも述べたように、マルテンサイト系はレ
ール溶接材料として不適当である。一方、呼び硬さ２５
０〜３５０程度のパーライト系では硬さが不足し、やは
りレール溶接材料としては適切でない。

【００１４】そのなかで、ベイナイト系溶接材料を用い
て形成した溶接金属は、硬さを一定値以上とすること
で、頭部全断面熱処理レールと同等以上の耐摩耗性が得
られることを見い出したものである。すなわち、頭部全
断面熱処理レールの表面硬さはＨv３６０〜３９０程度
であるが、少なくともレール継手溶接金属の硬さをＨv
３９０以上とし、しかもレール母材の表面硬さよりもＨ
v３０以上高くすることで母材と同等以上の耐摩耗性が
得られる。

【００１５】しかも、更に、溶接材料の化学成分及び水
分を規定することで、高温割れや遅れ割れも防止できる
ことを見い出した。

【００１６】すなわち、レールの継手溶接を行う場合、
腹部から頭部の溶接においては水冷銅当て金で囲み、エ
ンクローズアーク溶接及び多層盛溶接が実施されてい
る。したがって、頭部の多層盛溶接金属のスタート又は
クレータ部は水冷銅当て金と直接接触し、この部分は急
冷される。このような場合、溶接金属の硬さの上昇と共
に冷間割れや遅れ割れの危険性があること、更に、これ
らの割れは、多層盛溶接に用いる被覆アーク溶接棒の成
分及び水分と密接な関係があることが明らかになった。
一方、頭部又は頭頂部の溶接金属に必要な耐摩耗性も同
時に有さなければならないことは勿論のことである。

【００１７】このように頭部又は頭頂部の溶接金属に必
要な耐摩耗性が得られ、しかも高温割れや遅れ割れも防
止するには、以下のように化学成分及び水分を規制した
被覆アーク溶接棒を用いることが最も効果的である。な
お、成分量は溶接棒全体に対する重量％である。

【００１８】多層盛溶接用被覆アーク溶接棒のＣ量は、
レール継手溶接金属の硬さを高めミクロ組織をベイナイ
ト系にするために０.１％以上含有されなければならな
い。しかし、０.３％を超えると硬さは高くなるが、耐
摩耗性にはあまり寄与せず、むしろマルテンサイトや溶
接金属の高温割れや低温割れ、遅れ割れなどの危険性が
増大する。したがって、被覆アーク溶接棒のＣ量は０.
１〜０.３％とする。

【００１９】ＣrはＣと同様に硬さを高める効果がある
が、その効果を十分に得るためには０.５％以上の添加
が必要であ。しかし、３.０％を超えるとマルテンサイ
ト化が著しくなると共に、遅れ割れ感受性が高くなる。
したがって、被覆アーク溶接棒のＣr量は０.５〜３.０
％とする。

【００２０】上記のＣ及びＣrを必須成分とするほか、
以下のようにＭo、Ｖ及びＷの１種又は２種以上を適量
にて含有させる。

【００２１】ＭoはＣrと同様に硬さを高めると同時に多
層盛溶接時の焼き戻し軟化の防止に寄与するが、０.１
％以上の添加によりその効果が得られ、しかし、１.５
％を超えてもその効果は飽和する。したがって、被覆ア
ーク溶接棒のＭo量は０.1〜１.５％とする。

【００２２】Ｖは多層盛溶接時の溶接金属の焼き戻し軟
化抵抗を高めるのに寄与するが、十分な効果を発揮する
には０.１％以上が必要である。しかし、１.０％を超え
ると効果は飽和すると同時にスラグの焼き付きや剥離不
良など新たな弊害が生じる。したがって、被覆アーク溶
接棒のＶ量は０.1〜１.０％とする。

【００２３】Ｗは硬さを高めるのに効果があるが、その
ためには０.１％以上が必要である。しかし、１.５％以
上を添加しても新たな効果は得られない。したがって、
被覆アーク溶接棒のＷ量は０.1〜１.５％とする。

【００２４】上記のような成分系においては、多層盛用
被覆アーク溶接棒の水分は多層盛溶接金属の冷間割れや
遅れ割れの発生傾向に大きな影響を与えることが判明し
た。すなわち、頭部の多層盛溶接は１５〜４０mm程度の
厚肉であり、被覆アーク溶接棒からの水分が主要な源と
なって冷間割れや遅れ割れの原因となる溶接金属の拡散
性水素は積層数の増加と共に増大する。そこで、このよ
うな積層によってもこれらの割れが発生しないようにす
るために、被覆アーク溶接棒の水分を７５０℃で０.２
％以下としなければならない。

【００２５】なお、上述のようにして頭部及び頭頂部の
多層盛溶接を行うが、その多層盛溶接に先立って、以下
の施工法を採用するのが好ましい。

【００２６】まず、頭部の多層盛溶接金属は、エンクロ
ーズ溶接金属上に形成される。しかし、エンクローズア
ーク溶接金属はその形成方法のために最終部分が平坦に
なりにくく、むしろ凹凸状になり易い。このようなエン
クローズアーク溶接金属上に上記のようなＣ量の高い被
覆アーク溶接棒を用いて溶接を行うと、溶接金属の形状
が梨形状や凹状になることがあり、多層盛溶接金属に割
れが発生する原因になる。そこで、エンクローズアーク
溶接金属上に多層盛溶接する前に、まずＣ量が０.２％
以下である被覆アーク溶接棒を用いて平坦にするための
溶接を行うことで、このような問題は解決できる。Ｃ量
はエンクローズアーク溶接金属及び母材の希釈を考慮し
た場合、上記のような溶接金属の形状の不安定が生じて
も割れが発生しないようにするために、０.２％以下と
した。なお、積層数は特に規定しないが、これは、エン
クローズアーク溶接金属の凹凸の程度によって適正な積
層数が異なるためであり、通常は１〜３層が適当であ
る。また、下盛溶接金属は多層盛溶接金属の一部を構成
することから、やはり７５０℃水分は０.２％以下とし
た。

【００２７】また、上述のとおり、継手溶接金属の割れ
を防止するために、多層盛溶接用被覆アーク溶接棒の化
学成分及び７５０℃水分を規定したが、実際の溶接にお
いては母材の希釈によつて溶接金属の成分が異なる。本
発明においては、溶接金属の化学成分を特に規定する必
要性はないが、同一継手内において不安定な母材希釈を
生じ、硬さやミクロ組織が大きくばらつくことは避けな
ければならない。そして、この問題は、通常の溶接作業
において予熱・パス間温度や溶接電流などを管理するこ
とで対応が可能であり、その一例を後述の実施例に示し
た。しかし、更に安定した施工とするためには、頭部の
多層盛溶接の前に、開先内をバタリングすることが好ま
しい。バタリング層の形成においては、多層盛溶接金属
とバタリング層の硬さの差が小さい方が好ましい。この
ような点から、母材の希釈を考慮すれば、バタリング層
の形成に用いる被覆アーク溶接棒では、少なくともＣ量
が０.２％以下とすべきである。更に、頭部の溶接金属
の低温割れや遅れ割れを防止するために、多層盛溶接に
用いる被覆アーク溶接棒の水分が一定値以下でなければ
ならないことは、前に述べたとおりである。バタリング
層についても、頭部溶接金属の一部であること、更に拡
散性水素は多層盛溶接を行うことによりパイルアップし
ていくことから、多層盛溶接用被覆アーク溶接棒と同様
に７５０℃水分が０.２％以下でなければならない。

【００２８】なお、下盛溶接やバタリング溶接に用いる
被覆アーク溶接棒には、必要に応じて、Ｃr：０.１〜
２.０％、Ｍo：０.１〜１.０％、Ｖ：０.１〜１.０％、
Ｗ：０.１〜１.５％、Ｎb：０.０５〜１.０％などの合
金成分やＳi、Ｍn、Ａl、Ｔiなどの脱酸剤を添加しても
よい。また、本発明においては、脚部及び腹部の溶接に
ついては何らの制約を受けず、如何なる方法も適用可能
である。

【００２９】次に本発明の実施例を示す。

【００３０】

【実施例１】本例はレール溝の溶接試験例である。表１
に示す化学成分を有する２種類のレールを用いて、腹部
から頭部にかけて市販品であるＬＢ−８０Ｅ(５.０mm
φ)棒を用いたエンクローズアーク溶接し、残部は多層
盛溶接を行った。図２にレール溝形状を示し、表２に多
層盛溶接用被覆アーク溶接棒、表３に下盛溶接用被覆ア
ーク溶接棒、表４にバタリング用被覆アーク溶接棒のそ
れぞれの化学成分及び７５０℃水分を示し、表５に溶接
条件を示す。

【００３１】なお、７５０℃水分はカールフィッシャー
滴定法(ＪＩＳ Ｋ０１１３)に準拠し、試験片を３５０
℃×１hr乾燥後、１２５℃で保管し、その後７５０℃の
Ｏ₂雰囲気中で測定した。

【００３２】溶接終了後、頭部をレール母材と同様な形
状にグラインダー研磨し、表面カラーチェックを行い、
低温割れ又は遅れ割れの有無を確認した。更に、６枚に
分割した各試験板のカラーチェックにより、低温割れな
どの他に高温割れの有無の調査、並びに表面硬さ測定を
行った。評価は、２種類のカラーチェックにより割れが
発生していないこと、及び溶接金属の表面硬さがＨv３
９０以上でかつ母材レールとの表面硬さの差がＨv３０
以上である場合を合格とした。

【００３３】表６に結果を示すとおり、本発明例はいず
れも、割れが認められず、良好な性能であることが確認
できた。一方、比較例においては、頭頂部用としてＣ量
の低い被覆アーク溶接棒を用いたＮo.８やＣr量の低い
場合のＮo.１２では、頭頂部溶接金属の硬さと母材レー
ルの硬さの差がＨv３０以上とならなかった。また、Ｃ
及びＣr量とも高い被覆アーク溶接棒を用いた比較例Ｎ
o.９、並びに下盛、バタリング及び頭頂部の溶接のいず
れも７５０℃水分の高い被覆アーク溶接棒を用いたＮo.
１１では、それぞれ遅れ割れと思われる割れが頭部溶接
金属に発生した。一方、頭頂部にＣ量が高くＣr量の低
い被覆アーク溶接棒を適用したＮo.１０で高温割れが発
生した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】

【表５】

【００３９】

【表６】

【００４０】

【実施例２】本例はレール継手の溶接試験例である。実
施例１で得られた結果を更に確認するために、レール母
材Ｒ２を用いてレール継手溶接を行った。脚部は市販品
であるＬＢ−１１６の４.０mmφ及び５.０mmφ棒を使用
した。図３に積層状況及び溶接箇所、表７に各溶接箇所
(１〜６)の溶接条件を示す。なお、腹部から頭部にかけ
ては表６の実施例Ｎo.７と同様な溶接材料を用いて溶接
を行った。

【００４１】溶接終了後の調査では、頭部表面及び断面
には割れ等の溶接欠陥は認められず、硬さも溶接金属頭
部表面でＨv４７９と良好な結果であった。

【００４２】

【表７】

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の施工法及
び頭頂部用被覆アーク溶接棒を用いてレールの突合せ溶
接を行うことにより、従来の施工法や被覆アーク溶接棒
では避けることのできなかった高温割れや低温割れのな
い健全なレール継手部を形成でき、しかも母材と同等以
上の耐摩耗性を有する溶接金属が得られることから、レ
ールの補修溶接部の信頼性が高まると共にレール溶接部
の飛躍的な寿命延長が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レールの各部を説明する図である。

【図２】レール溝形状を示す図で、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は横断面図である。

【図３】実施例２での積層状況及び溶接箇所を説明する
図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断
面図である。

【符号の説明】

１ レール脚部 ２ レール腹部及び頭部 ３ レール頭頂部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 三郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 夏目松吾 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100−１株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者 西山繁樹 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100−１株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (56)参考文献 特開 平２−258192（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−153828（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−185881（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−262390（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−320275（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−180780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−138445（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−197380（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−54557（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/038 B23K 9/00 B23K 35/30 C22C 38/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 脚部を多層盛溶接し、腹部及び頭部をエ
   ンクローズアーク溶接及び／又は多層盛溶接し、更に頭
   頂部は多層盛溶接するレールの突き合わせ溶接におい
   て、頭頂部溶接金属表面のビッカース硬さ(Ｈw)をＨv３
   ９０以上で、更にＨwとレール母材頭頂部表面のビッカ
   ース硬さ(Ｈв)との差(Ｈw−Ｈв)を少なくともＨv３０
   以上とすることを特徴とするレールの突き合わせ溶接方
   法。
2. 【請求項２】 ベイナイト系溶接材料を用いて頭頂部を
   溶接する請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 腹部から頭部にかけてエンクローズアー
   ク溶接し、頭頂部を含めた残部は多層盛溶接する方法に
   おいて、エンクローズアーク溶接金属上に、被覆棒全体
   に含有されるＣ量が０.２wt％以下であり、かつ７５０
   ℃水分が０.２％以下である被覆アーク溶接棒を用いて
   下盛溶接してから、多層盛溶接することを特徴とする請
   求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 頭部及び頭頂部の多層盛溶接を行う前
   に、開先内面を、被覆棒全体に含有されるＣ量が０.２
   ％以下で、７５０℃水分が０.２％以下の被覆アーク溶
   接棒を用いてバタリングし、その後、多層盛溶接するこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 【請求項５】 被覆棒全体において、Ｃ：０.１〜０.３
   wt％、Ｃr：０.５〜３.０wt％を必須成分として含み、
   更にＭo：０.１〜１.５wt％、Ｖ：０.１〜１.０wt％、
   Ｗ：０.１〜１.５wt％の１種又は２種以上を含み、７５
   ０℃水分が０.２％以下であることを特徴とする請求項
   １、２、３又は４に記載の頭部及び頭頂部の多層盛溶接
   に用いるレール頭頂部溶接用被覆アーク溶接棒。