JP4819183B2 - レール溶接部の冷却方法、レール溶接部の冷却装置、及びレール溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、従来と比較して溶接継手の疲労強度を向上させるレール溶接部の冷却方法及びレール溶接部の冷却装置、そしてレール溶接継手に関する。特に、本発明は、溶接直後のレール継手部の冷却方法及び冷却装置に関する。
本願は、２００９年３月３０日に、日本に出願された特願２００９−０８１５８７号と、２００９年７月２８日に、日本に出願された特願２００９−１７５６４６号とに基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

レール継手部（レール溶接部）はレールの中で最も損傷が起こりやすく、保守コストがかかる。また、レール継手部は列車通過時に生じる騒音・振動の主要な発生源である。列車の高速化や重積載化が各地で進められているため、上記問題点を有するレール継手部を溶接によって連続化してロングレールにする技術が一般化している。

図１Ａ、図１Ｂを用いて一般的なレールについて説明する。図１Ａはロングレールの側面図である。ロングレールは、少なくとも２本のレールを溶接することにより製造される。このためロングレールには溶接部７が含まれる。溶接部７には溶接ビード８が存在する。

図１Ｂは図１Ａに示すＡ−Ａ線に沿って得られる断面図である。図１Ｂに示すように、レールは、車輪が接触する頭部１（レール上部）と、枕木の上に設けられる足部３（レール下部）と、頭部１及び足部３の中間に存在する柱部２とを有する。また、頭部１は頭頂部４を有し、足部は足表部５と足裏部６とを有する。

フラッシュバット溶接（例えば特許文献１）、ガス圧接（例えば特許文献２）、エンクローズアーク溶接（例えば特許文献３）、及びテルミット溶接（例えば特許文献４）は、レールの主な溶接方法である。

図２Ａ〜図２Ｃは、フラッシュバット溶接の説明図である。フラッシュバット溶接は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、対向して設置された被溶接材１０に電極９を介して電圧をかけて、端面間にアークを発生させて被溶接材の端面を溶融させる。そして、十分に被溶接材が加熱された時点で、軸方向に材料を加圧して被溶接材を接合する。

図３Ａ、図３Ｂは、テルミット溶接の説明図である。図３Ｂは、図３Ａに示すＢ−Ｂ線に沿って得られる断面図である。テルミット溶接では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、被溶接材１０を２０〜３０ｍｍの間瞭を設けて対向させ、間瞭を鋳型１４で囲む。そして、その鋳型内に、ルツボ１５内でアルミと酸化鉄との反応によって生成した溶鋼１６を注入してレール端面を溶融させ、溶接する。

図４Ａ〜図４Ｃは、ガス圧接の説明図である。ガス圧接では、図４Ａに示すように、接合面を加圧した状態で接合面近傍の被溶接材を側面からバーナー１７で加熱し、高温で接合面を圧接する。図４Ｂに示すように、溶接部近傍は加圧により膨張変形する。そして、図４Ｃに示すように、膨張部はトリマー１８によって除去される。

図５Ａ、図５Ｂは、エンクローズアーク溶接の説明図である。エンクローズアーク溶接では図５Ａ、図５Ｂに示すように、被溶接材を１０〜２０ｍｍの間瞭を設けて対向させ、この間瞭の周囲に裏当て金１９と側面当て金２０とを配置する。そして、その間瞭に対して溶接棒２１を用いて溶接金属を盛り上げる。この方法は、いわゆるマニュアルアーク溶接方法である。

特に重荷重の貨物列車が通る路線や寒冷地の路線などでは、レール溶接部の中立軸を起点として疲労亀裂が発生する虞がある。従って、この疲労亀裂を起因とするレールの脆性破壊を防ぐために、レールを頻繁に取替える必要がある。図６Ａ、図６Ｂにこの状態の一例を示す。

図６Ａは、柱部に水平方向に発生した疲労亀裂２２と、これに起因する脆性亀裂２３とを示す図である。また、図６Ｂは、図６Ａに示す疲労亀裂２２及び脆性亀裂２３の亀裂面を示す図である。疲労亀裂２２は、中立軸近傍の溶接ビード８付近の溶接欠陥を起点に水平方向に発生している。疲労亀裂２２を起因とする脆性亀裂２３は、板厚方向に柱部を貫通した後、一方の亀裂はレール頭頂部側へ、他方の亀裂は足部側へ進展している。疲労亀裂２２の起点は溶接欠陥に限らず、様々な要因が考えられる。

疲労亀裂の発生には、外的な負荷条件とともに、材料内部の残留応力が影響すると考えられている。図７Ａは、レール溶接部の周部における、周方向の残留応力分布を示している。図７Ａにおいて、残留応力が０より大きい場合、引張残留応力が存在することを示し、残留応力が０より小さい場合、圧縮残留応力が存在することを示す。

図７Ａから、レール溶接部の柱部近傍に、レール周方向（すなわち上下方向）の大きな引張残留応力が溶接により発生していることがわかる。従って、溶接欠陥を起点とする疲労亀裂は、大きな引張残留応力を有するレール溶接部の柱部近傍に対して、列車の通過による繰返し負荷が与えられるために発生すると考えられる。このような疲労亀裂を防止するためには、起点となる溶接欠陥の防止とともに、溶接欠陥が存在してもそれを無害化することが望ましい。

また、図７Ｂは、溶接中心からの距離（レール長さ方向）と、レールの柱部の上下方向に存在する残留応力との関係を示す。図７Ｂから、溶接中心から２５ｍｍ程度までの範囲に大きな引張残留応力が存在することがわかる。

鉄道における軌道（トラック）は、レールと、レールを支持する枕木とを有する。レール上を列車が通過する際には、多数の列車の車輪から分散した荷重がレールに加わる。

前述の疲労亀裂をひき起す原因は、レール溶接部に対する、車輪からの負荷状態に関連する。列車通過時のレールの負担は、枕木２４の直上のレール部と、２つの枕木２４の間のレール部とで異なる。枕木２４の直上のレール部には、列車の垂直荷重が直接レールに加えられる。工場で溶接されたロングレールを現地で枕木上に設置する場合、溶接部と枕木との位置が偶然一致することがある。１本数百メートルのロングレールには、枕木位置と溶接部とが一致する箇所が数か所は存在すると考えられる。

図９Ａは、枕木２４の位置が溶接部に一致する箇所において、枕木２４の直上（溶接部）を車輪２５が通過する時点を示す。この場合、断面積が小さいレール柱部２に最も大きい応力が発生する。この場合の応力は圧縮応力であるが、前述したように、レール柱部２には大きな引張残留応力が存在する。従って、レール柱部２は実質、引張応力を受けた状態で繰返し応力が作用する状態となる。

一方、図９Ｂは、枕木２４の位置が溶接部に一致しない箇所において、２つの枕木２４、２４の間（溶接部）を車輪２５が通過する時点を示す。この場合、車輪２５からレールに対して上方から押し曲げる荷重が加えられる。このため、レール頭部１には長手方向の圧縮応力、レール足部３には長手方向の引張応力が発生する。レールの柱部２にかかる曲げ応力は中立である。レール足部３の引張応力は車輪２５の通過ごとに発生するため、レール足部３には疲労亀裂の発生に対する配慮が必要である。
図８は、フラッシュバット溶接による溶接部の周部における、長手方向の残留応力を示す。図示するように、レール底部には長手方向に強い圧縮応力が残留している。このため、列車通過時にレール底部に引張応力が付加されたとしても、実効的な応力状態は圧縮残留応力と相殺される。従って、疲労亀裂の発生を抑えることができる。このためレール足部からの疲労破壊の実例は少ないが、圧縮残留応力が小さい場合等には、図１０Ａ、図１０Ｂに示すような、レール足裏に発生した疲労亀裂２６を起点とする損傷が発生する場合もある。

特許文献５，６は、レール柱部の損傷を防ぐために、レール溶接部全体又はレール溶接部の頭部と柱部とを溶接熱又は外部からの加熱により高温状態とし、その後加速冷却する方法を開示している。この技術によれば、レール溶接部の残留応力が制御されるため、レール溶接部の柱部に上下方向に発生する引張残留応力を軽減するか、あるいは、圧縮残留応力に変えることができる。このため、レール溶接部の疲労強度を改善することができる。このような技術により、レール柱部からの疲労亀裂の発生を低減することができる。
その他に、レール溶接部の疲労強度を向上させる技術としては、例えば特許文献７のようにショットピーニングを用いる方法や、ハンマーピーニング、グラインダー処理、ＴＩＧドレッシングを用いる方法等がある。

また、特許文献８は、レール溶接部の冷却装置を開示している。
ロングレールの耐久性を向上させる為には、溶接部の柱部および足部からの疲労亀裂の発生を抑制し、これらの部位の耐疲労特性を両立させることが必要である。

特許文献５及び特許文献６に記載されている冷却方法によりレール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却した場合、レール柱部における上下方向の引張残留応力は改善され、これにより柱部の疲労亀裂の発生が抑えられることが示されている。しかしながら、非特許文献１には、この方法によると足裏部におけるレール長手方向の残留応力が引張残留応力に転ずることが図示されている。近年、重荷重の列車が増加する傾向があるため、足裏部に対する曲げ荷重による負荷は増大している。曲げ荷重による負荷により足裏部はレール長手方向に引っ張られるため、レール足裏部の疲労強度は重要な意味を持つ。上述したように、レール足裏部の疲労強度にはレール長手方向の残留応力が強く影響する。しかしながら、上述のように特許文献５及び特許文献６の冷却処理ではレール足裏部のレール長手方向の残留応力が減少する（引張残留応力に転じようとする）ため、疲労強度の低下が懸念される。このため、図１０Ａ、図１０Ｂに示すような損傷が発生する虞がある。

一方、機械的な後処理により残留応力を改善するための（すなわち、圧縮残留応力を付与するための）従来技術であるショットピーニング処理によれば、直径数ｍｍの鋼球を材料に打ち付けて材料表層を塑性変形させて加工硬化させ、残留応力を増加させることで疲労強度を向上させることができる。しかしその処理には、鋼球投射、鋼球回集、又は粉塵防止等のための大掛かりな設備が必要となり、大型の溶接部には適用が制限される。加えて投射材の摩滅、損壊を補給する必要があるため、コスト面で不利である。

また、工具の先端を材料に打撃して溶接部に塑性変形を与えるハンマーピーニングに関しては、圧縮応力を導入するとともに、塑性変形により応力集中を低減することで材料の疲労強度が向上すると言われている。しかし打撃時の振動が大きく、作業者への負担が大きいことに加え、細かいコントロールが難しく、均一な処理が難しい。非特許文献２には、処理条件によっては加工によって生じるシワ状の溝部が影響し、疲労強度の向上効果は小さいことが示されている。

また、グラインダー処理は溶接ビード止端部を滑らかにすることで応力集中を下げることにより、確実な効果が期待できる。しかしながら、削りすぎた場合は溶接部の肉厚が不足して強度低下を招くことから、処理に熟練を要し、作業に長時間を要するという欠点がある。

また、ＴＩＧドレッシングは、溶接ビードの止端部をタングステン電極から発生するアークで再溶融させて、滑らかな形状に再凝固させて、応力集中を軽減することにより疲労強度を向上できる。しかしレールなどの高炭素材料における手溶接では、硬くて脆いマルテンサイト組織が生成しやすく、これを防止するためには、厳格な施工管理が必要である。

また、特許文献８に示されている溶接部の冷却装置を使用することにより、溶接後の高温状態から適切な冷却を行えば、溶接部の硬度を上昇することが可能である。一方、本発明者らの検討によると、溶接部の残留応力状態を制御するためには適切な範囲を適切な強さで冷却する必要がある。特許文献８の装置を使用することにより残留応力も変化すると思われるが、適切な残留応力分布を得るための冷却条件は説明されていない。

上述したように、レール継手部（レール溶接部）はレールの中で最も損傷が起こりやすく、保守コストがかかる。また、レール継手部は列車通過時に生じる騒音・振動の主要な発生源である。列車の高速化や重積載化が各地で進められているため、上記問題点を有するレール継手部を溶接によって連続化してロングレールにする技術が一般化している。

フラッシュバット溶接（例えば特許文献１参照）、ガス圧接（例えば特許文献２参照）、エンクローズアーク溶接（例えば特許文献３参照）、及びテルミット溶接（例えば特許文献４参照）は、レールの主な溶接方法である。

レール継手部を溶接した場合、特に重荷重の貨物列車が通る路線や寒冷地の路線などでは、レール溶接部の中立軸付近に疲労亀裂が発生する虞がある。このため、この疲労亀裂を起因とするレールの脆性破壊を防ぐために、レールを頻繁に取り替える必要がある。図４１Ａ、図４１Ｂは、この状態の一例を示す。図４１Ａは、水平方向に発生した疲労亀裂１５１がレール溶接部１５０の中立軸付近に発生している状態を示す。脆性亀裂１５２は、レール頭部及びレール足部へ向けて発生している。図４１Ｂは、疲労亀裂１５１と脆性亀裂１５２の破面を示す。図４１Ｂから、レール溶接部１５０の中立軸付近を起点として疲労亀裂１５１が発生し、その後、脆性亀裂１５２が柱部を板厚方向に貫通している様子がわかる。なお、本明細書では、車輪と接触するレール上部１６０を「頭部」、枕木に接地するレール下部１６２を「足部」、頭部と足部の間の部位１６１を「柱部」と呼ぶことがある（図２７Ａ、図２７Ｂ参照）。

疲労亀裂の発生には、外的な負荷条件と共に、材料内部の残留応力が影響すると考えられている。図４２は、フラッシュバット溶接によるレール溶接部の、周部における周方向の残留応力分布を示している。図４２のグラフにおいて、縦軸の正方向が引張残留応力、縦軸の負方向が圧縮残留応力を表している。図４２から、柱部の引張残留応力が大きいことがわかる。枕木上にレール溶接部が位置している場合、列車通過時、柱部には上下方向の圧縮応力が作用する。しかし、柱部には、上下方向（レール断面周方向）の大きな引張応力が残留しているため、柱部は実質、引張応力を受けた状態で繰返し応力が作用する状態となる。このため、柱部では、疲労亀裂が発生しやすい。

特許文献５，６は、レール柱部の損傷を防ぐために、レール溶接部全体又はレール溶接部の頭部と柱部とを溶接熱又は外部からの加熱により高温状態とし、その後加速冷却する方法を開示している。この技術によれば、レール溶接部の残留応力が制御されるため、レール溶接部の柱部に上下方向に発生する引張残留応力を軽減するか、あるいは、圧縮残留応力に変えることができる。このため、レール溶接部の疲労強度を改善することができる。

また、レール溶接部の疲労強度を向上させる技術としては、例えば特許文献７に開示されるようなショットピーニング処理を用いる方法がある。ショットピーニング処理では、直径数ミリの鋼球を材料に投射して材料表層を塑性変形させて加工硬化させる。これにより、残留応力を圧縮応力に変えることで疲労強度を向上させる。

また、特許文献８は、レール溶接部の頭頂面を冷却する空気室と、レール溶接部の頭側面を冷却する空気室と、レール溶接部の腹部（柱部）及び底部（足部）を冷却する空気室とを有するレール溶接部の冷却装置を開示している。各空気室にはそれぞれ圧縮空気吐出用の複数のノズルが設けられ、頭頂部を冷却する空気室におけるノズル群の中央には温度検出用のノズルが設けられる。

レール頭部は、車輪との接触により摩耗する。特に曲線軌道では、車輪とレールとの間に生じる相対滑りにより摩耗が促進される。このため、レール頭部を硬化させた熱処理レールが曲線区間に採用されることが多い。熱処理レールの溶接では、溶接後にレール頭部をオーステナイト温度域からパーライト変態完了までの温度範囲で加速冷却し、被溶接母材並みの硬度を得ることが望ましい。溶接後にレール頭部を加速冷却する際、レール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却することにより、レール柱部における上下方向の残留応力が低減し（すなわち、圧縮残留応力が増加し）、これにより柱部の疲労亀裂の発生が抑えられることが非特許文献１に示されている。しかしながら、本発明者等の実験により、レール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却しても、柱部における残留応力が大きく低減しないことがわかった。

また、ショットピーニング処理の場合、鋼球を投射、回収すると共に粉塵防止のための大掛かりな設備が必要となり、大型の溶接部への適用が制限される。加えて、鋼球が摩滅、損壊するため、定期的に鋼球を補給する必要があり、ランニングコストが掛かるという問題がある。

さらにまた、特許文献８に示されている冷却装置を用いてレール溶接部を加速冷却した場合、レール柱部の残留応力が低下せず、疲労寿命もさほど延びないことが、本発明者らが実施した試験によって判明した。即ち、レール溶接部の適切な範囲について適切な冷却速度で冷却を行わないと、レール溶接部の残留応力を低減（圧縮残留応力を増加）できないことが明らかとなった。

特開昭５６−１３６２９２号公報 特開平１１−２７０８１０号公報 特開平６−２９２９６８号公報 特開昭４８−９５３３７号公報 特開昭５９−９３８３７号公報 特開昭５９−９３８３８号公報 特開平３−２４９１２７号公報 特開昭６０−３３３１３号公報

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ， ＩＣＲ２，Ｎａｎｃｙ， Ｆｒａｎｃｅ， ２３−２５，Ｎｏｖ，１９８８，Ｐ９１２−９１８ 三木、穴見、谷、杉本、「溶接止端部改良による疲労強度向上」、溶接学会論文集、Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１，Ｐ１１１−１１９（１９９９）

上述したように、レール柱部の疲労強度とレール足裏部の疲労強度とレール頭部の硬度とを効率的に高めるための技術は従来存在しなかった。そこで、本発明の第１の目的は、従来と比較して溶接部の疲労強度が向上したレールを効率的に製造するための方法を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、レール頭部の硬度を十分確保すると共に、柱部の残留応力をさらに低減させる（すなわち、圧縮残留応力を増加させる）ことにより、従来に比べてレール溶接部の疲労強度を向上させることが可能な、レール溶接部の冷却方法及びそれに用いられる冷却装置を提供することである。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の手段を採用した。
（１）本発明の第１の態様は、パーライトからオーステナイトへの変態の開始温度Ａｃ１以上に加熱されたＡｃ１領域と、前記変態の完了温度Ａｃ３以上に加熱されたＡｃ３領域と、を有するレール溶接部の冷却方法であって、前記レール溶接部における柱部冷却領域を、オーステナイトからパーライトへの変態が完了するまでの一部の温度範囲において冷却する第１の柱部冷却工程と；前記レール溶接部における前記柱部の全体がパーライトへ変態後、前記柱部冷却領域を冷却する第２の柱部冷却工程と；前記レール溶接部における足部を冷却する足部冷却工程と；前記レール溶接部における頭部を冷却する頭部冷却工程と；を備え、前記第１の柱部冷却工程及び前記第２の柱部冷却工程の冷却時間をｔ（分）とすると、前記柱部冷却領域の溶接部を中心とするレール長手方向の幅Ｌを、前記Ａｃ１領域及び前記Ａｃ３領域からなり、溶接直後の最高加熱温度がＡｃ１以上となる領域の溶接部を中心とするレール長手方向の幅ＬＡｃ１で除して得られるｋ値が−０．１ｔ＋０．６３≦ｋ≦−０．１ｔ＋２．３３で示される式を満たすレール溶接部の冷却方法である。
（２）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却してもよい。
（３）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却してもよい。
（４）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却してもよい。
（５）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の柱部冷却工程が、オーステナイト温度領域の冷却工程である第１の柱部冷却前期工程と、その後引き続きパーライトへの変態が完了するまでの温度範囲において冷却する第１の柱部冷却後期工程とを備え、前記第１の柱部冷却前期工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記レール足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却し、前記第１の柱部冷却後期工程では、自然冷却速度又は２℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記レール足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却してもよい。
（６）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記足部の冷却速度が自然冷却速度であってもよい。
（７）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記頭部冷却工程では、Ａ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲において自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却してもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記頭部と前記柱部とを冷却する際に、顎部の下側コーナー部の冷却速度を前記柱部の冷却速度より遅くしてもよい。
（９）上記（８）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却してもよい。
（１０）上記（９）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域に遮蔽板を設け、前記頭部に向けて冷却用流体を噴出してもよい。
（１１）本発明の第２の態様は、上記（１）に記載のレール溶接部の冷却方法を用いて冷却されたレール溶接継手であって、上下方向の残留応力が３５０ＭＰａ以下である前記柱部と；長手方向残留応力が圧縮応力であるレール足裏部と；金属組織の９５％以上がパーライト組織である前記溶接部と；を備えるレール溶接継手である。
（１２）本発明の第３の態様は、上記（８）に記載のレール溶接部の冷却方法を用いて冷却されたレール溶接継手であって、上下方向の残留応力が３００ＭＰａ以下である前記柱部と；前記頭部の硬度がＨｖ３２０以上である前記頭部と；を備えるレール溶接継手である。
（１３）本発明の第４の態様は、レール溶接部の頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却する頭部冷却ユニットを備えてもよい。
（１４）上記（１３）に記載のレール溶接部の冷却装置では、前記頭部冷却ユニットは、前記頭部に向けて冷却用流体を噴出する噴出部と；前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を覆う遮蔽板と；を備えてもよい。

上記（１）〜（７）に記載の方法によれば、レール溶接部の柱部の残留応力を改善し、足裏部の残留応力も圧縮範囲に制御することにより、溶接部に疲労亀裂が生じにくくすることができる。

上記（８）〜（１０）に記載の方法によれば、レール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却する際に、顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くすることにより、レール頭部の硬度を十分確保しつつ、柱部の残留応力をさらに低減させることができる。このため、レール頭部の磨耗性とレール溶接部の疲労強度とを向上させることができる。
上記（１１）に記載のレール溶接継手によれば、重荷重の列車がレール上を通過する場合であっても、金属疲労による損傷を抑えることができる。
上記（１２）に記載のレール溶接継手によれば、重荷重の列車がレール上を通過する場合であっても、金属疲労による損傷や、レール頭部の磨耗を抑えることができる。
上記（１３）、（１４）に記載の装置によれば、頭部冷却ユニットが、頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却するので、顎部の冷却速度が緩和され、顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くすることができる。このため、車輪に接するレール頭部の硬度を高く保った上で、柱部の上下方向の残留応力をさらに低減させることができる。

レールの側面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線に沿って得られる断面図である。 フラッシュバット溶接のフラッシング工程を示す概略図である。 フラッシュバット溶接のアップセット工程を示す概略図である。 フラッシュバット溶接のトリミング工程を示す概略図である。 テルミット溶接について説明するための概略図である。 図３ＡのＢ−Ｂ線に沿って得られる断面図である。 ガス圧接の加熱工程を示す概略図である。 ガス圧接の加圧工程を示す概略図である。 ガス圧接のトリミング工程を示す概略図である。 エンクローズアーク溶接について説明するための概略図である。 エンクローズアーク溶接について説明するための断面図である。 レール溶接部の柱部からの疲労損傷を示す概略図である。 同損傷の破面を示す概略図である。 レール溶接部の周部の周方向に存在する残留応力分布を示すグラフである。 溶接中心からの距離と、レール柱部の上下方向に存在する残留応力との関係を示すグラフである。 レール溶接部の周部のレール長手方向に存在する残留応力分布を示すグラフである。 車輪が枕木の直上を通過する時点を示す概略図である。 車輪が枕木の間を通過する時点を示す概略図である。 レール溶接部の足部からの疲労損傷を示す概略図である。 同損傷の破面を示す概略図である。 炭素鋼の平衡状態図である。 炭素鋼の加熱・冷却に伴う組織変化を示す概略図である。 亜共析組成の鋼のＣＣＴ図である。 共析組成の鋼のＣＣＴ図である。 過共析組成の鋼のＣＣＴ図である。 レール軸方向のレール温度分布と硬度分布とを示すグラフである。 溶接部の柱部における、溶接直後の温度分布を示す図である。 溶接部の柱部における、冷却過程のある時点での温度分布と収縮応力とを示す図である。 溶接部の柱部における、自然冷却過程及び加速冷却過程のある時点での温度分布を示す図である。 溶接部の柱部における、自然冷却過程及び加速冷却過程の、溶接中心の温度がＡｒ１より僅かに高温になる時点での温度分布を示す図である。 柱部を広範囲に冷却した場合の温度分布を示す概略図である。 足部を過剰に冷却した場合の温度分布を示す概略図である。 レール柱部をパーライト変態完了後に加速冷却する場合の温度履歴を示す概略図である。（第１冷却パターン） レール柱部をオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了まで加速冷却する場合の温度履歴を示す概略図である。（第２冷却パターン） レール柱部をオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了まで加速冷却する場合の温度履歴の他の概略図である。（第２冷却パターン） レール柱部をオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了まで加速冷却する場合の温度履歴の他の概略図である。（第２冷却パターン） レール柱部をオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了までを加速冷却しさらにパーライト変態完了後に加速冷却する場合の温度履歴の概略図である。（第３冷却パターン） レール柱部と頭部とをオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了までを加速冷却し、さらにレール柱部をパーライト変態完了後に加速冷却する場合の温度履歴の概略図である。（第４冷却パターン） 冷却時の温度履歴の概略図であり、冷却の途中のパーライト変態温度域で２℃／ｓ以下の緩い冷却域を設ける場合の図である。（第４冷却パターン） 冷却時の温度履歴の概略図であり、レール柱部と頭部をオーステナイト分解開始前からパーライト変態完了までを加速冷却しさらにレール柱部をパーライト変態完了後に加速冷却する場合の図である。（第５冷却パターン） 冷却幅が狭い場合の溶接部の温度分布の概略図である。 冷却幅が中間程度の場合の溶接部の温度分布の概略図である。 冷却幅が広い場合の溶接部の温度分布の概略図である。 短時間冷却の場合の、ｋ値（冷却幅とＡｃ１以上に加熱される材料幅の比）と残留応力との関係を示す概略図である。 長時間冷却の場合の、ｋ値（冷却幅とＡｃ１以上に加熱される材料幅の比）と残留応力との関係を示す概略図である。 残留応力低減に効果的なｋ値（冷却幅とＡｃ１以上に加熱される材料幅の比）と冷却時間との関係を示す概略図である。 柱部の疲労強度評価試験の概略図である。 足部の曲げ疲労強度評価試験の概略図である。 レールの側面図である。 図２７ＡのＸ’−Ｘ’線に沿って得られる断面図である。 レール頭部の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るレール溶接部の冷却装置の概略図である。 レール溶接部の頭部を加速冷却する頭部冷却ユニットの平面図である。 同頭部冷却ユニットの側面図である。 図３０ＡのＡ’−Ａ’線に沿って得られる断面図である。 図３１のＣ’−Ｃ’線に沿って得られる断面図である。 図３０ＡのＢ’−Ｂ’線に沿って得られる断面図である。 フラッシュバット溶接のフラッシング工程を示す概略図である。 フラッシュバット溶接のアップセット工程を示す概略図である。 フラッシュバット溶接のトリミング工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るレール溶接部の冷却方法によりレール溶接部を加速冷却したときの温度履歴を示す概略図である。 レール溶接部を自然冷却したときの温度履歴を示す概略図である。 レール溶接部の頭部のみを加速冷却したときの温度履歴を示す概略図である。 従来の方法によりレール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却したときの温度履歴を示す概略図である。 ４通りの冷却方法による残留応力分布の一例を示す概略図である。 レール溶接部の冷却試験における、温度、硬度、及び残留応力の測定箇所を示した概略図である。 レール溶接部の柱部からの疲労損傷を示す概略図である。 同損傷の破面を示す概略図である。 レール溶接部の周部の周方向に存在する残留応力分布を示すグラフである。

＜溶接方法＞
本発明において、レール溶接部の溶接方法は、フラッシュバット溶接に限らない。以下、レール溶接部の溶接方法の１例として、フラッシュバット溶接について図２Ａ〜図２Ｃを参照してさらに詳しく説明する。
フラッシュバット溶接方法の第１の工程は、図２Ａで示した端面間に連続してアークを発生させる工程である（フラッシング工程）。この工程では、電極９を介して印加される電圧により被溶接材の端面間にアークが発生する。アークが発生した部分は局部的に溶かされて、溶けた金属の一部はスパッターとして外部に放出され、残りは端面に残留する。アークによって溶かされた部分にはクレータと呼ばれる凹みが発生する。被溶接材は徐々に近づけられていき、次々に新たな接触部分にアークが発生し、その局部的な溶融の繰返しにより材料は次第に短くなっていく。この過程では材料間隔がほぼ一定の間隔を保つように被溶接材の移動速度が調整される。

フラッシング工程の途中において、故意に材料端面を接触させ、直接通電による大電流により被溶接母材の温度を高める工程が採用される場合がある。その目的は、端面近傍の温度分布をなだらかにして、より効率的にアップセット工程に進むためである。この工程は「予熱工程」と呼ばれ、２〜５秒程度の接触通電と１秒程度の非接触、休止期間を数回繰り返すのが通常である。

フラッシング工程を数１０秒から数分間続けることにより、被溶接材の端面の全面が溶融した状態となる。また、端面近傍の材料は温度上昇により軟化する。この状態に到達した時点で、図２Ｂに示すように、軸方向へ加圧が行われる。このアップセットと呼ばれる加圧により、端面に形成されていたクレータ凹凸面はつぶされ、端面間に存在していた溶融金属は系外に押し出される。軟化した端面近傍は、塑性変形して断面が増大し、溶接面の周囲には溶接ビード１１が形成される。

この溶接ビード１１は図２Ｃに示すように、溶接直後の高温の期間にトリマー１２により熱間でせん断、除去される（トリミング工程）。トリミング後は溶接部の周囲に高さ数ｍｍ、幅１０〜３０ｍｍ程度の薄い溶接ビードが残存する。

トリミング後に残った薄い溶接ビードは、車輪と接触するレール頭部はグラインダーで平滑化、研磨される。レール柱部、足部の溶接ビードは、鉄道会社によりグラインダー研磨による完全な平滑化、グラインダー研磨による薄肉化、無手入れ、などと処置方法が異なる。

＜レール素材＞
次にレール鋼について説明する。レール鋼はＪＩＳ−Ｅ１１０１、ＪＩＳ−Ｅ１１２０に規定されているように、炭素を０．５〜０．８質量％含有する亜共析鋼、もしくは炭素を約０．８質量％含有する共析炭素鋼が一般的に用いられる。また、最近は海外の鉱山鉄道における重荷重貨物線を対象に、より耐摩耗性を向上させた、０．８質量％を超える炭素を含有する過共析組成のレール鋼も普及しつつある。

＜平衡状態図＞
図１１は、炭素量を横軸で示す炭素鋼の平衡状態図である。前記の通り、レール鋼の炭素量は概ね０．４〜１．２質量％の範囲にある。レール鋼は炭素の他、ＳｉやＭｎを含有し、場合によってはＣｒなどの強化元素を含有する。これら炭素以外の元素の影響により厳密には平衡状態図は変化するが、その変化はレール鋼における（炭素以外の元素の）含有量の範囲においてはごく僅かである。亜共析組成の鋼は、Ａ１点以下の温度ではパーライトを主体としてフェライトを一部含有する金属組織を有し、Ａ１点〜Ａ３点の温度ではフェライトとオーステナイトとが混合する金属組織を有し、Ａ３点以上の温度ではオーステナイト組織を有する。

共析組成の鋼の場合、Ａ１点以下の温度ではパーライト組織を有し、Ａｅ点以上の温度ではオーステナイト組織を有する。
過共析組成の鋼の場合、Ａ１点以下の温度ではパーライトを主体としてセメンタイトを一部含有する金属組織を有し、Ａ１点〜Ａｃｍ点の温度ではフェライトとセメンタイトとが混合する金属組織を有し、Ａｃｍ点以上の温度ではオーステナイト組織を有する。

上述の組成の鋼はいずれも、さらに高温の固相線温度Ｔｓ点以上の温度ではオーステナイト相と液相との２相組織となり、液相線温度ＴＬ点以上の温度では液相組織となる。フラッシュバット溶接では溶接界面の温度はＴＬ点に達する。また、溶接界面から遠ざかる位置ほど低い温度を有する。

レール圧延後の大気中自然冷却（自然放冷）、もしくは圧延に引き続いて行われる加速冷却、さらに一旦常温まで冷却された後の再加熱々処理後の連続冷却過程では、その冷却速度に応じて平衡変態温度からの過冷が起こり、状態図から想定される初析相の含有量が低下し、組織分率はパーライト組織が大半を占める。特に共析組成近傍の炭素量０．６〜１．０質量％の範囲については、パーライト組織分率はほぼ１００％に達する。なお、「加速冷却」とは、冷却用流体を被冷却物に噴出することにより当該被冷却物を自然冷却速度より速い冷却速度で強制的に冷却することをいう。

＜溶接熱サイクルと組織変化＞
図１２は、炭素鋼の加熱・冷却に伴う組織変化を示す概略図である。図１２に示されるように、加熱過程における実際の組織変化は、その加熱速度に応じて平衡変態温度より高い温度で開始する。また、冷却過程における実際の組織変化は、その冷却速度に応じて平衡変態温度より低い温度で開始する。このため、加熱過程においては過熱状態が生じ、冷却過程においては過冷状態が生じる。一般に、加熱過程における変態温度はＡ１、Ａ３などの平衡変態温度に「ｃ」を付け、冷却過程における変態温度はＡ１、Ａ３などの平衡変態温度に「ｒ」を付けて区別される。

すなわち、亜共析組成の鋼に関しては、加熱過程におけるパーライト→オーステナイト変態の開始点をＡｃ１、完全にオーステナイトに変態する温度をＡｃ３と呼び、冷却過程におけるオーステナイト→フェライト変態の開始点をＡｒ３、オーステナイトが消失する温度をＡｒ１と呼ぶ。

同様に、過共析組成の鋼に関しては、加熱過程におけるパーライト→オーステナイト変態の開始点をＡｃ１、完全にオーステナイトに変態する温度をＡｃｃｍと呼び、冷却過程におけるオーステナイト→セメンタイト変態の開始点をＡｒｃｍ、オーステナイトが消失する温度をＡｒ１と呼ぶ。

また、共析組成の鋼に関しては、加熱過程におけるパーライト→オーステナイト変態の開始点をＡｃ１、完全にオーステナイトに変態する温度をＡｃｅと呼び、冷却過程におけるオーステナイト→パーライト変態の開始点をＡｒｅ、オーステナイトが消失する温度をＡｒ１と呼ぶ。
尚、図１１に示すように、共析組成の鋼に関しては、Ａ３線とＡｃｍ線とが集合する点をＡｅ点と呼ぶ。

＜連続冷却線図（ＣＣＴ図）による組織変化の説明＞
一般に、冷却過程における相変化に関しては、鋼成分と冷却速度とにより変態温度、析出相が異なる。図１３Ａ〜図１３Ｃは、連続冷却による高炭素鋼の組織変化を示すＣＣＴ図である。

図１３Ａは亜共析鋼のＣＣＴ図である。曲線（０）で示されるような緩冷却を行う場合、Ｆｓ線と曲線（０）との交点の温度で初析フェライトが析出する。その後、Ｐｓ線と曲線（０）との交点の温度でパーライト変態が開始する。更に、Ｐｆ線と曲線（０）との交点の温度でパーライト変態が完了する。この場合、金属組織は微量の粒界フェライトを含有するフェライト・パーライト組織となる。冷却速度を上げて、曲線（１）で示されるような冷却を行う場合、Ｆｓ線がＰｓ線と合流して消失するため初析フェライトは析出しないが、Ｐｓ線とＰｆ線との間でパーライト変態が起きる。この場合、金属組織はパーライト組織となる。さらに冷却速度を上げて、曲線（３）で示されるような冷却を行う場合、温度Ｂでパーライト変態が停止し、一部ベイナイト組織を生じることがあるが、未変態部はオーステナイトのまま過冷される。そして、温度Ｃと温度Ｄとの間でマルテンサイト変態を起こす。この場合、金属組織はパーライトとベイナイトとマルテンサイトとが混合した組織となる。さらに冷却速度を上げて、曲線（５）で示されるような冷却を行う場合、曲線（５）はＰｓ線と交差せず、オーステナイト組織のままＭｓ点まで過冷された後、マルテンサイト変態を起こす。高炭素鋼のマルテンサイト組織は極めて硬くて脆いため、レール鋼の溶接においては冷却曲線（２）を越すような速い冷却は避けることが好ましい。

図１３Ｂは共析鋼のＣＣＴ図である。共析鋼の場合、亜共析鋼と異なり、緩冷却時の初析フェライトが析出しない。

図１３Ｃは過共析鋼のＣＣＴ図である。過共析鋼の場合、緩冷却時に初析フェライトが析出する亜共析鋼とは異なり、緩冷却時に初析セメンタイトが析出する。図中、θｓ線はセメンタイトの初析線を示す。冷却曲線がθｓ線に交差する緩冷却を行う場合、金属組織は初析セメンタイトを微量含む、セメンタイト・パーライト組織となる。

＜硬度分布から見た最高温度、組織、硬度＞
図１４は、レール溶接完了時のレール軸方向の温度分布と、レール溶接完了時の金属組織（高温組織）と、冷却後の金属組織と、冷却後の硬度と、を模式的に示す。図１４の左端は熱影響を受けないレール母材であり、右端は溶接中心を示す。

フラッシング工程により、溶接中心（図１４中の右端）の温度は固相線温度Ｔｓを超え、レール溶接中心部には脱炭部が生じる。脱炭部はアップセット工程後も薄く残留する。この部分は冷却時に周囲に比較して初析フェライトが生じやすいため、冷却後の硬度が下がる。

Ａｃ３、Ａｃｅ、又はＡｃｃｍを超えて加熱され、完全なオーステナイト相に変態した溶接中心付近の第１の領域は、その後の冷却時に全てパーライト変態し、冷却後は均一な硬度が得られる。その第１の領域の外側には、温度がＡｃ１以上であるが、Ａｃ３、Ａｃｅ、又はＡｃｃｍを超えない第２の領域がある。この第２の領域には、加熱時点で、オーステナイト相と、未変態のフェライト相又はセメンタイト相と、が混在する。オーステナイトに変態した部分はその後の冷却でパーライトに変態するが、未変態のフェライト相や、未溶解で球状化したままのセメンタイトはそのまま室温まで残る。これらの組織はオーステナイト相から変態した正常なパーライトに比較して硬度が低い。この未変態相の分率が溶接中心から遠ざかるにつれて増加するため、第２の領域の硬度は低下していく。

さらに溶接中心から離れると、Ａｃ１に達しない領域がある。この領域においても５００℃以上に加熱される第３の領域はパーライト中のセメンタイトが球状化し硬度が低下する。溶接中心から遠ざかるにつれて球状化の程度は小さくなり、しだいに母材の硬度に近づいていく。

また、溶接部の鉛直長手断面のマクロ組織は、５００℃〜Ａｃ１までの球状化域は母材と変わらないが、Ａｃ１以上、Ａｃ３、Ａｃｅ、Ａｃｃｍ以下の領域はオーステナイト、フェライト、セメンタイトの混相領域のため細粒となり硝酸アルコールなどにより差異が明確に判別できる。Ａｃ３、Ａｃｅ、Ａｃｃｍ以上に加熱された第１の領域は高温加熱により粒が粗くなる傾向はあるが、肉眼では母材に近い組織を呈する。なお、５００℃〜Ａｃ１までの第３の領域では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により球状化したセメンタイトを確認できる。

レールの溶接において被溶接材がＡｃ１以上に加熱される距離は、溶接方法、溶接条件、レールの部位により多少の差がある。レール溶接後の鉛直長手方向断面におけるマクロ組織、硬度分布を観察した結果、フラッシュバット溶接のレール柱部においては溶接条件に応じて１０〜５０ｍｍの範囲であった。また、同様にＡｃ３、Ａｅ３又はＡｃｃｍ以上に加熱される距離は、５〜４０ｍｍであった。

＜残留応力の発生メカニズム＞
次にレール溶接における柱部の著大な上下方向残留応力の発生メカニズムについて、発明者らの考えを説明する。

フラッシュバット溶接では、レールの端面間にフラッシングを起こさせ、端面を１３００〜１４００℃の融点以上に達せしめる。一方、電力供給のための電極９（図２Ａ参照）は溶損などによる損耗を抑制するために水冷される。このため、レール材は水冷された電極９から冷却されており、電極９の近傍では溶接終了時点でも３００℃程度である。電極９のレールへの装着位置は通常、溶接端面から１００ｍｍ前後離間している。従って、溶接完了時点において、電極９と端面の距離１００ｍｍ程度の間には、１０００℃前後の温度差が生じる。図１５Ａ〜図１５Ｄは、レール溶接部の柱部における温度分布を示す。図１５Ａにおける曲線ＸＸ０は溶接直後の温度分布を示す。この図１５Ａから、急峻な温度勾配がレール材に生じていることがわかる。

なお、テルミット溶接法では高温の溶鋼の注入によりレール端面を溶融させて溶接するため、溶鋼注入によりレール長手方向に強い温度分布が一時に生じる。

ガス圧接では圧接するレール端面近傍の加熱により、端面の近傍は１０００℃前後に加熱され、上記溶接法と同様にレール長手方向に温度分布が生じる。

エンクローズアーク溶接では作業時間１時間以上をかけてレール底部から順次、手溶接により溶接金属が盛られていく。上記溶接法と同様にレール長手方向の温度分布が生じるが、上下方向にも温度分布が生じる点が他の溶接方法とやや異なり、この溶接方法に関しては本発明の制御冷却方法は必ずしも有効とは言えない。

レール柱部における上下方向（周方向）残留応力の発生は、温度勾配が最も急峻なフラッシュバット溶接が最も顕著である。そして、テルミット溶接、ガス圧接は順に温度分布が緩くなる、すなわち、残留応力が緩和する。本発明はこれらの溶接方法に対していずれも有効である。

残留応力は、構造物内の温度の不均一に基づく熱収縮応力の不均一が存在する場合に、構造物内の構成部位が互いに収縮ひずみを拘束しあうために収縮応力が内部応力として残存する結果、発生する。上記構造物が高温の状態では、降伏点が低く塑性変形が容易に起こるため、構成部材間に拘束力が発生せず、残留応力は少ない。降伏点は温度が低下するとともに増加することが知られており、残留応力の発生は低温で大きくなる。

一方、冷却過程でオーステナイト相から変態が起こる際には、応力のより小さい方向に結晶格子が組み変わりやすい。その結果、その方向に大きくひずみが生じることで応力が緩和されることがある。このため変態点において、応力はいったん開放されると考えられる。常温に到達した後の状態からみると、変態点より高い温度における応力分布は省略して考えて良い場合もある。ただし、温度分布そのものは変態前後において引き継がれ、その後の残留応力の発生に影響するため重要である。

図１５Ｂは溶接部の柱部における、冷却過程のある時点での温度分布と収縮応力とを示す。実線ＸＸ１はその時点での温度分布を示している。溶接部中心の温度Ｔ１と、周囲の温度との違いにより、溶接部には収縮応力が発生する。変態温度域ではいったん応力が開放されるため、その温度域では応力は小さく、Ｔ１が変態完了温度Ａｒ１まで冷却した以降に本格的に残留応力が発生すると考えられる。

図１５Ｃは、溶接部の柱部における、自然冷却過程及び加速冷却過程のある時点での温度分布を示す。破線で示した曲線ＹＹ２は溶接部中心付近の高温領域を加速冷却した場合の温度分布を曲線を示す。実線で示した曲線ＸＸ２は溶接部中心付近の高温領域を自然冷却した場合の温度分布を示す。

図１５Ｄは、自然冷却過程及び加速冷却過程における、溶接中心の温度がＡｒ１より僅かに高温になる時点での温度分布を示す図である。実線で示した曲線ＸＸ３は自然冷却の場合の温度分布を示す。破線で示した曲線ＹＹ３は、溶接部中心付近の広範囲を加速冷却した場合の温度分布を示し、破線で示した曲線ＺＺ３は、溶接部中心付近の狭範囲を加速冷却した場合の温度分布を示す。この温度に達するまでの時間は溶接中心を加速冷却した場合のほうが短い。ここで、溶接中心付近における、ある一定領域、例えば溶接直後の温度分布ＸＸ０において最高加熱温度がＡｃ１以上となる範囲（ＬＡｃ１）における温度分布の違いと、それに基づく残留応力の違いとについて以下に説明する。溶接中心を加速冷却すると、自然冷却の場合に比べ前記ＬＡｃ１範囲内における最高温度と最低温度の差が小さくなる。その結果、この範囲内における温度差に基づく残留応力の発生は小さくなる。また、より広範囲に考えた場合にも、溶接部から離れた低温部による収縮拘束が溶接部の広い範囲に分散されるため、残留応力の発生は小さくなる。このように、溶接後一定時間が経過した時点における、溶接部のある範囲内の最高温度と最低温度との差を小さくすることにより、残留応力を低減する効果が得られる。冷却幅を変更することにより温度分布は変化し、場合によっては図１５Ｄ中の曲線ＺＺ３のように中心部の温度が低い、凹型の温度分布となることがあるが、上記領域における最高温度と最低温度との差が小さくなれば同様の効果が得られる。

本発明者らの実験によると、溶接部の最高加熱温度がＡｃ１を超える領域において、溶接後一定時間経過した時点における前記領域中の最高温度と最低温度との温度差が５０℃以内であると柱部の残留応力の低減効果が認められた。

温度分布は冷却する時間と、冷却速度とに影響される。レール鋼は高炭素組成であるために焼入れ性が高く、オーステナイト領域から加速冷却を行う場合には、変態様式に対する配慮が必要である。冷却速度が速すぎる場合、図１３Ａ〜図１３Ｃに示したオーステナイト→パーライト変態領域を通らず、その短時間側の過冷オーステナイト領域を通過する。このため、硬くて脆いマルテンサイト組織が生成し、溶接部が脆化する。そこで、本発明では、レール鋼の脆化を防止するために、冷却速度を最大５℃／ｓに規定する。本発明者らの実験によると、マルテンサイトが発生しない冷却速度の範囲では、冷却時間と冷却幅とが残留応力に対する主な因子である。冷却時間及び冷却幅の適正な範囲は後述する。

溶接中心付近を加速冷却して温度分布を平坦化することにより残留応力を軽減する効果は、平坦化された温度分布がＡｒ１付近で得られていることが最も効果が大きいと考えられるが、それ以上の温度、またはそれ以下の温度でも効果を有する。ただし溶接部の中心温度が２００℃を下回った状態で平坦な温度分布が得られても、すでに残留応力は大きく発生しており効果が小さい。

＜溶接部の冷却幅＞
図１６Ａは、レール柱部を広範囲に冷却した場合の、溶接部におけるレール頭部、柱部、足部の温度分布を模式的に示す。レール柱部中央部における長手方向Ｂ−Ｂ’上の温度分布は全体に温度が低下するのみで、中心部の温度分布を平坦にして応力を緩和させる働きは期待できない。一方、溶接中心の温度分布図において、冷却時間が長くなるにつれて柱部が頭部、足部に比べて相対的に温度低下する結果、頭部、足部の長手方向の収縮応力が、先に冷却した柱部に拘束され、特に足裏部に長手方向に引張応力が発生する。足裏部の長手方向残留応力の引張化は曲げ疲労強度を低下させる懸念があり、好ましくない。ただし柱部は長手方向に圧縮され、上下方向（周方向）の残留応力も緩和されることから、柱部に限れば疲労強度は向上していく。このように冷却幅の影響は冷却する時間によっても変わる。その適正条件については後述する。

＜足裏冷却＞
図１６Ｂは、レール足裏部を過剰に冷却した場合の温度分布を示す。加速冷却により足部が柱部に比べて温度低下した場合、レール柱部の長手方向の収縮応力がより温度の低下した足部に拘束される。この作用により、柱部に長手方向の引張応力が発生し、上下方向（周方向）にもポアソン比分の引張応力を発生し、柱部の上下方向（周方向）応力を引張側に変化させる結果となる。このため、レール足部を強度増加などを目的として加速冷却する場合には、レール柱部より温度を高く保つことが望ましい。

＜冷却装置＞
溶接部の冷却装置は冷却対象とするレール部位を適切に冷却できるものであれば、特にその形式は問わない。冷却媒体により冷却能力が異なるが、本発明で規定する冷却速度が得られれば冷却媒体の種類は特に限定されない。ただしレール部位ごとに冷却速度を調整できるようになっていることが必要である。たとえば冷却媒体として空気を用いる場合にはその噴出量、噴出ノズルとレール表面との距離、などの調整により冷却速度を調整できることが必要である。このような冷却装置の詳細は後述する。

＜冷却方法（高強度熱処理レールの頭部冷却方法）＞
ところで、レール頭部には車輪との接触により摩耗が生じる。特に曲線軌道においては車輪とレールの間に生じる相対すべりにより、摩耗が促進される。また、列車重量が重いほどその傾向は強まる。このため、曲線区間にはレールの交換頻度を少なくするために、レール頭部を硬化させた熱処理レールが採用されることが多い。

高い硬度を有する熱処理レールは、レールの製造工程において行われる高温のオーステナイト状態からの加速冷却により変態温度を低下させて製造される。熱処理レールを溶接する場合、溶接中心付近のオーステナイト化領域は溶接後の冷却速度に応じて硬度が決まる。このため、溶接部の硬度は、熱処理レールのうち溶接熱が影響されない部分の硬度と異なる。

フラッシュバット溶接による溶接後の自然冷却におけるパーライト変態温度域での冷却速度は通常１℃／ｓ以下であるため、溶接部は熱処理レールより硬度が低下する場合が多い。このため、熱処理レールの溶接では、溶接後にレール頭部をオーステナイト領域からパーライト変態完了までの温度範囲で加速冷却し、母材並の硬度を得ることが望ましい。フラッシュバット溶接以外の溶接法では、冷却速度がさらに遅いため、溶接部の硬度はさらに低下する。熱処理レールの溶接で母材並の溶接部硬度を得るためには、溶接後にレール頭部をオーステナイト分解開始温度からパーライト変態完了までの温度範囲を加速冷却することが望ましい。

ただし、溶接により５００℃以上、かつＡｃ３、Ａｃｅ、Ａｃｃｍ以下の温度域に加熱された部分における、球状化したセメンタイト領域又はフェライト単相領域は加速冷却を行っても硬化しない。したがって、加速冷却を行って硬度調整が可能な部分は、溶接中心近傍の、オーステナイト単相域まで加熱された領域である。

＜冷却温度域＞
冷却温度域について、図１７〜図２１に基づき以下に説明する。

図１７は、レール柱部がパーライト変態完了した後に、レール柱部を加速冷却する第１冷却パターンを示す。
柱部の冷却の開始温度は高いほど望ましいが、パーライト変態が完了していない高温の状態から高冷速で冷却すると、マルテンサイト組織が発生する危険性があり、望ましくない。

柱部の冷却速度は自然冷却速度以上が必要であり、冷速が早いほど溶接中心の温度分布を平坦化しやすく、残留応力を低減する効果が大きい。

また、足部が柱部を超える冷却速度となった場合、遅れて柱部に収縮応力が発生することになる。その結果、柱部の収縮が足部に拘束されるため、長手方向の引張残留応力が増大する。その結果、柱部の上下方向（周方向）にもポアソン比分の引張応力が生じるため、上下方向（周方向）の残留応力が引張側に悪化するため好ましくない。図１７に示す第１冷却パターンによりレール柱部の上下方向（周方向）の残留応力を低減し、足部の長手方向残留応力を圧縮に保つことが可能である。

図１８Ａ、図１８Ｂ、及び図１８Ｃは、レール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域である状態から加速冷却を開始する第２冷却パターンを示す。

図１８Ａは柱部の温度がオーステナイト域からパーライト変態が完了するまでを冷却した例である。残留応力の発生が著しくなるパーライト変態温度以下に至るまでに、あらかじめ溶接中心近傍の温度分布を平坦化すること、及び溶接部柱部を加速冷却することで強度を高める効果により疲労強度を高めることができる。これらの効果を得るためには、オーステナイト温度域から冷却を開始する必要がある。またパーライト変態が完了するＡｒ１以下まで冷却しているため冷却部の硬度は顕著に上昇する。

図１８Ｂはレール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域から加速冷却を開始し、パーライト変態域の途中まで冷却した例である。
この方法においても残留応力の発生が著しくなるパーライト変態温度以下に至るまでに、あらかじめ溶接中心近傍の温度分布を平坦化すること、及び溶接部柱部を加速冷却することで強度を高める効果により疲労強度を高めることができる。これらの効果を得るためには、少なくともオーステナイト温度域から冷却を開始する必要がある。一方、パーライト変態が完了する前に冷却を停止しているため、硬度の上昇代は先に示した図１８Ａより小さい。

図１８Ｃはレール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域から加速冷却を開始し、パーライト変態域に差しかかかる前に冷却を停止した例である。
この冷却方法においても残留応力の発生が著しくなるパーライト変態温度以下に至るまでに、あらかじめ溶接中心近傍の温度分布を平坦化することにより疲労強度を高めることができる。この効果を得るためには、少なくともオーステナイト温度域から冷却を開始する必要がある。また、温度分布の平坦化を目指すためには、少なくとも冷却開始から５０℃以上、温度低下するまで冷却することが望ましい。この場合、冷却停止温度がパーライト変態の冶金的な駆動力が作用するＡｒ３点、Ａｅ点、Ａｃｍ点以下まで冷却された場合には硬度は幾分上昇するが、硬度の上昇代は図１８Ａ、図１８Ｂより小さい。冷却停止温度がパーライト変態の冶金的な駆動力が作用するＡｒ３点、Ａｅ点、Ａｃｍ点以上の場合には硬度上昇は起きないが、この場合においても温度分布の平坦化により残留応力は改善される。

冷却速度は自然冷却速度ではその効果が得られず、逆に冷却が速すぎる場合、柱部の組織がパーライト変態を起こさず、より低温でベイナイトもしくはマルテンサイト変態を起こす。高炭素鋼のマルテンサイト組織はきわめて硬くてもろいため避けなければならない。またベイナイト組織は変態温度により強度が変動し、合金成分の偏析部はさらに変態が遅延してマルテンサイト組織を混入する危険性があり、好ましくない。これらパーライト以外の組織を防止するためには冷却速度は５℃／ｓ以下である必要がある。

図１９はレール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域から加速冷却を開始し、さらに柱部がパーライト変態を完了した後も柱部を加速冷却する第３冷却パターンを示す。この方法は残留応力の発生が著しくなるパーライト変態温度以下に至るまでに、あらかじめ溶接中心近傍の温度分布を平坦化することと、溶接部柱部を加速冷却することで、柱部の強度を高める効果と、柱部がパーライト変態が完了した後に更に柱部を冷却することで、さらに疲労強度を高めることができる。これらの効果を得るためには、少なくともオーステナイト温度域から冷却を開始する必要がある。オーステナイト温度域からの冷却終了は、温度分布の平坦化を目指すためには少なくとも冷却開始から５０℃以上の冷却を行うことが望ましい。また、硬度上昇を得るためにはパーライト変態の冶金的な駆動力が作用するＡｒ３点、Ａｅ点、Ａｃｍ点以下まで冷却することが望ましい。オーステナイト域からの冷却をパーライト変態完了後まで行い、引き続きパーライト完了後の冷却を連続的に行っても良い。

オーステナイト領域からパーライト変態完了までの冷速は自然冷却速度以上が必要であるが、マルテンサイト組織、ベイナイト組織を避けるために、５℃／ｓ以下であることが好ましい。

パーライト変態を完了した後の柱部の冷却速度は自然冷却速度以上であり、冷速が早いほど残留応力を低減する効果が大きい。

前述したようにマルテンサイト組織を防止するためにはパーライト変態域の冷却速度を５℃／ｓ以下にする必要がある。マルテンサイト組織を防止するための他の方法として、パーライト変態温度域において冷却速度が十分に遅い、たとえば自然冷却速度もしくは２℃／ｓ以下の加速冷却となる期間を設け、パーライト変態の完了を待つ方法も有効である。パーライト変態温度域以外の温度域における冷却速度にかかわらず、パーライト変態温度域におけるこの十分に遅い冷却の期間を設けることによりパーライト変態が完了し、マルテンサイトの生成を完全に抑制することができる。

言い換えると、この冷却パターンは溶接部の冷却期間を前段、中段、後段に区分し、中段の期間を６５０℃〜６００℃のパーライト変態温度域の一部に設定し、自然冷却速度もしくは２℃／ｓ以下の緩い冷却速度とする方法である。中段冷却の期間は２０秒以上とすることがマルテンサイト組織を抑制するために望ましい。

図２０Ａ、図２０Ｂはその例である第４冷却パターンを示す。
図２０Ａは前段の冷却によりレール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域からパーライト変態温度域の途中まで加速冷却し、引き続き中段の冷却として自然冷却速度もしくは２℃／ｓ以下の緩い冷却速度で柱部のパーライト変態を完了させ、引き続き後段の冷却で、柱部を自然冷却速度以上の冷却速度で冷却した例である。この方法は前段の冷却の温度区間がパーライト変態温度域の一部を含むことから、柱部の強度を高める効果が得られる。パーライト変態を完了した後の後段の柱部の冷却速度は、速いほど残留応力を低減する効果が大きい。

図２０Ｂはレール溶接部の柱部の温度がオーステナイト温度域から前段の加速冷却を開始してオーステナイト温度域で中段冷却に切り替え、中段冷却としてオーステナイト温度域からパーライト変態を完了するまでを自然冷却速度もしくは冷却速度２℃／ｓ以下で緩やかに冷却し、引き続き後段の冷却として柱部を加速冷却した例である。パーライト変態を完了した後の柱部の冷却速度は、速いほど残留応力を低減する効果が大きい。

また、柱部がパーライト変態した後の冷却において、足部の冷速が柱部を超える場合、柱部が遅れて収縮し、柱部の収縮が足部に拘束されて長手方向の引張残留応力が増加する結果、上下方向（周方向）にもポアソン比分の引張応力が生じるため好ましくない。この方法によりレール柱部の上下方向（周方向）の残留応力をさらに低減し、また、柱部の強度を増すことでより高い疲労強度を得ることができる。

上記冷却方法において、柱部がパーライト変態した後の足部の冷却速度が柱部のそれを超えないことが必要であることを説明した。この観点から、重荷重鉄道などのレールがより過酷な環境で使用される場合において、より残留応力を改善し、さたに高い疲労強度を得るためには、溶接後の冷却過程においてレール足部を自然冷却とすることが必要である。

一方、磨耗の早い曲線軌道向けのレール頭部を熱処理したレールに対しては、溶接後の冷却過程において、レール頭部がパーライト変態する温度域を加速冷却して、母材レールと同等の硬度を与えることが望ましい。

図２１は、レール頭部および柱部の温度がオーステナイト温度域から加速冷却を開始し、さらに柱部がパーライト変態を完了した後に、さらに柱部を加速冷却する第５冷却パターンを示す。

レール頭部、柱部を硬化させるためには、レール頭部の加速冷却はＡ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域から開始させる必要があり、パーライト変態が完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を冷却する必要がある。オーステナイト温度域からの冷却終了は、温度分布の平坦化を目指すためには少なくとも冷却開始から５０℃以上の冷却を行うことが望ましい。また、硬度を上げるためにはパーライト変態の冶金的な駆動力が作用するＡｒ３点、Ａｅ点、Ａｃｍ点以下まで冷却する必要があり、より十分な硬度を得るためにはパーライト変態が完了するＡｒ１以下まで冷却する必要がある。オーステナイト域からの冷却をパーライト変態完了後まで行い、引き続きパーライト完了後の冷却を連続的に行っても良いが、途中、中断してもかまわない。オーステナイト領域からの頭部と柱部の冷速はいずれも自然冷却速度以上でなくては硬化させることができず、一方、マルテンサイト組織、ベイナイト組織を避けるために５℃／ｓ以下であることが必要である。この方法によりレール頭部を硬化させた熱処理レールにおいて、レール柱部の上下方向（周方向）の残留応力を低減するとともに、溶接部の部分的な偏磨耗を抑制することが可能である。

＜適正な溶接部冷却幅と冷却時間の関係＞
また、溶接部を冷却した場合、溶接後の経過時間によってレール柱部の溶接部の温度分布状態は変化していく。残留応力が溶接部の温度分布によって決まることから、冷却を停止する温度、あるいは冷却時間によって、残留応力を低減させるのに効果的な冷却範囲が異なってくる。

以下、図２２Ａ〜図２２Ｃを用いて、溶接中心からレール長手方向の温度分布が溶接後の時間経過とともに変化する状況を模式的に図示し、その場合の残留応力の変化について説明する。
図２２Ａ〜図２２Ｃの縦軸は温度、横軸は溶接中心からの距離を材料がＡｃ１以上に加熱される距離ＬＡｃ１で除した無次元数である。この材料のＡｃ１温度は７３０℃であり、溶接時にＡｃ１以上に加熱されている幅は溶接中心部から片側２０ｍｍであるが、溶接中心から両側にまたがる全幅は４０ｍｍである。

図２２Ａ〜図２２Ｃは溶接後１分間自然冷却の後、エアでレール柱部だけを冷却速度２℃／ｓで冷却した場合の、溶接直後、溶接後１分、溶接後３分、溶接後９分の状態を示している。実線は柱部を自然冷却の状態を示し、点線は柱部を加速冷却した状態の温度を示している。これらの例では足部は自然冷却しており、足部の温度分布は実線に相当する。

図２２Ａはレール柱部の冷却範囲Ｌが極度に狭い場合であるｋが０．１の場合の温度分布を示している。冷却幅は溶接中心から片側２ｍｍ、溶接部全体から見ると全冷却幅は４ｍｍである。レール柱部がＡｃ１以上となる幅（ＬＡｃ１）は４０ｍｍで、これと冷却範囲Ｌに対する比率をｋとした場合、ｋは０．１である。

冷却時間が短い段階では柱部の温度分布は溶接中心部のみが温度低下するだけで、溶接中心部すなわち柱部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の横軸、溶接中心からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）での最高温度と最低温度の差が５０℃を超えており、柱部上下方向（周方向）の残留応力は低減しない。

冷却幅が極端に狭いｋが０．１の条件で冷却を長い時間行ったとしても、やはり溶接中心近傍だけが温度低下し、柱部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の横軸、溶接中心からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）での最高温度と最低温度の差は１００℃程度あり、引張残留応力は低減しない。

図２２Ｂはレール柱部の冷却範囲Ｌが中程度の場合であるｋが１の場合の温度分布を示している。冷却幅は溶接中心から片側２０ｍｍ、全冷却幅で４０ｍｍであり、レール柱部がＡｃ１以上となる全幅４０ｍｍに対する比率（ｋ）は１である。

冷却時間が短い段階から柱部の溶接部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の横軸、溶接中心からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）での最高温度と最低温度の差は５０℃以内であり、上下方向（周方向）残留応力は低減する。

長時間冷却を行った状態でも、溶接部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の溶接中止からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）での温度範囲は５０℃以内であり、上下方向（周方向）残留応力は低減する。

図２２Ｃはレール柱部の冷却範囲Ｌが極度に広い場合であるｋが２の場合の温度分布を示している。冷却幅は溶接中心から片側４０ｍｍ、全冷却幅で８０ｍｍであり、レール柱部がＡｃ１以上となる幅４０ｍｍに対する比率ｋは２である。

冷却時間が短い段階では柱部は広範囲に均等に温度低下するため、溶接中心が高い傾向が残り、溶接中心部すなわち柱部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の横軸、溶接中心からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）の最高温度と最低温度の差は５０℃を越えており、上下方向（周方向）残留応力の低減効果は小さい。

一方、長時間冷却を行うと高温部が優先的に冷えていくため、しだいに溶接部中央の温度低下が進む。このため溶接中心部すなわち柱部の温度がＡｃ１以上となる領域（図中の横軸、溶接中心からの距離がＬＡｃ１の０〜０．５倍の範囲）の最高温度と最低温度の差は５０℃以下となり、柱部上下方向（周方向）残留応力は低減する。

一方、柱部と足部（非冷却部）の温度差が顕著な領域が広がると足裏部の長手方向の残留応力は引張側に移行する。図２２Ａ〜図２２Ｃに示されるように、冷却幅が増加するに従って、また、冷却時間が長くなるに従って柱部と足部（非冷却部）の温度差が顕著な領域は広がっていく。

図２２Ａ〜図２２Ｃの中では、冷却範囲が広い図２２Ｃの長時間冷却した場合、柱部と足部の温度差が顕著な領域が著しく広がり、足裏部長手方向の残留応力の絶対値は引張となった。

以上のように、冷却幅に加えて冷却する時間によって温度分布が異なり、それによってもたらされる残留応力が異なってくる。図２２Ａ〜図２２Ｃにおいて説明した内容を短時間冷却の場合と長時間冷却の場合に分け、冷却幅で整理すると図２３Ａ、図２３Ｂのように整理される。

まず図２３Ａに示す短時間冷却の場合は柱部の冷却幅が狭すぎる場合は柱部上下方向（周方向）の応力が変化しない。冷却幅が広すぎると、冷却の際に溶接部およびその周囲が全体的に冷やされるため、溶接中心部が高温の状態のまま残り、残留応力が軽減しない。一方、足裏長手方向応力は冷却幅が増加するにしたがって増加し、冷却幅が極端に広い場合にも引張にまでなることはない。以上から、冷却時間が短い場合には柱部の上下方向（周方向）残留応力が低下する中間的な冷却幅が適正範囲である。

一方、図２３Ｂに示す冷却時間が長い場合には、柱部の残留応力は冷却幅が広くなるほど低減する。冷却幅が広すぎる場合、足部との温度差が大きい領域が広く、足部の長手方向の収縮ひずみが柱部に作用し、長手方向の圧縮歪により柱部の上下方向（周方向）の引張が減じる。これに伴い、足裏は長手方向収縮が柱部に拘束され、残留応力は絶対値が引張応力に達するまで悪化する。冷却幅の適正範囲は足裏の長手方向残留応力の絶対値が引張に達するまでである。

以上から、冷却時間が長くなるに従い冷却幅の適正範囲は狭い範囲に移行する。この様子を図２４に示す。図２４の縦軸は柱部の冷却幅Ｌと柱部においてＡｃ１以上に加熱される幅ＬＡｃ１の比ｋ、横軸は冷却時間を分単位で示している。適正な冷却範囲は図中に（ａ）、（ｂ）に示す直線に囲まれた範囲であり、冷却時間が延びるにしたがって狭い範囲に移行する。直線（ａ）、直線（ｂ）に取り囲まれる範囲は式（１）で表される。

ｋ＝−０．１ｔ＋１．４８±０．８５ ・・・・（１）
言い換えると、ｋの範囲は−０．１ｔ＋０．６３≦ｋ≦−０．１ｔ＋２．３３・・・（２）
で示される。

前述したように、レール柱部の溶接部近傍の温度分布を平坦にすることにより、柱部の上下方向の残留応力を低減することが可能である。そのために冷却範囲を溶接部中心付近の高温域に限定することが有効である。

なお、冷却幅が狭過ぎる場合には冷却効率が低下して残留応力を低減する効果が下がるため、少なくとも５ｍｍ以上の範囲を冷却することが望ましい。

以上の溶接後の制御冷却により、レール溶接部における柱部の上下方向残留応力は低減し、足裏部の長手方向残留応力も圧縮範囲となる良好な溶接継手が得られる。レール柱部の上下方向の残留応力を引張３５０ＭＰａ以下に低減することにより、本発明者らの実験によると、重荷重鉄道を模擬した疲労試験で柱部の水平亀裂の発生が認められなくなった。また、足裏部の長手方向の残留応力が圧縮範囲であることにより、曲げ疲労試験でも十分な疲労寿命が得られた。また、これらの効果はパーライト変態温度域を冷却する場合の冷却速度の調整により、金属組織の９５％以上をパーライト組織とすることにより、硬くて脆いマルテンサイト組織の発生を抑えることで得られる。

尚、図２０Ａ、図２０Ｂに示したように、冷却工程のなかに極めて冷却速度の遅い区間を含む場合には冷却開始から終了までの全体の冷却時間が長くなる。本発明者らの検討によると、このような冷却方法においては、式（１）及び式（２）に用いる冷却時間は、全体の冷却時間から２℃／ｓ以下の緩冷却の時間を差し引いた値を用いる必要がある。

続いて、レール頭部の硬度を十分確保すると共に、柱部の残留応力をさらに低減させるための一形態について、図面を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明では、図２８に示すように、レール頭部の上面１１５を「頭頂部」、頭部側面１１７を「頭側部」、頭部と柱部の間のくびれた部分１１９を「首部」、頭頂部と頭側部の間の上側コーナー部１１６を「ゲージコーナー部」、頭側部と首部の間の下側コーナー部１１８を「顎部」と呼ぶ場合がある。
レール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却する場合、顎部が角張っているため、後述するように、顎部の冷却速度が他の部位に比べて速くなる。本発明者らは、顎部の冷却速度が他の部位より速くなると、柱部の残留応力が、さほど低下しないことを発見した。そこで、本実施形態では、レール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却する際に、顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くすることにより、レール頭部の硬度を十分確保しつつ、柱部における残留応力の低減を図る。顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くした場合、顎部近傍の強度が低減することにより柱部の収縮歪が吸収され、柱部の残留応力が低減するものと推察される。

また、本実施形態に係るレール溶接部の冷却方法では、前記頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却することが好ましい。これにより、顎部の冷却速度が緩和され、顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くすることができる。

また、本発明に係るレール溶接部の冷却方法では、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域に遮蔽板を設け、前記頭部に向けて冷却用流体を噴出してもよい。このような構成によれば、頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域に向けて噴出される冷却用流体を遮蔽板で遮るようにしているので、顎部の冷却速度が緩和され、顎部の冷却速度を柱部の冷却速度より遅くすることができる。なお、冷却用流体の種類としては、冷却速度に応じて、エア、気水（エアと水の混合流体）、及び水のいずれかを選択できるようにしておけばよい。

また、上記レール溶接部の冷却方法に用いられる冷却装置は、レール溶接部の頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却する頭部冷却ユニットを備えることを特徴としている。

また、本発明に係るレール溶接部の冷却装置では、前記頭部冷却ユニットは、前記頭部に向けて冷却用流体を噴出する噴出部と、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を覆う遮蔽板とを備えていてもよい。

また、本発明の一実施形態に係る溶接継手は、上記レール溶接部の冷却方法により、前記柱部におけるレール断面周方向の残留応力が３００ＭＰａ以下とされ、かつ、前記頭部の硬度がＨｖ３２０以上とされる。ここで、「硬度」は、ビッカース硬度である。

柱部におけるレール断面周方向の残留応力が３００ＭＰａを超えると、レールの疲労強度が著しく低下する。また、頭部の硬度がＨｖ３２０未満であると、レール頭部の摩耗が激しくなり、レールの耐久性が著しく低下する。なお、重荷重鉄道の曲線軌道では極めて摩耗が進みやすく、母材の頭部表層の硬度がＨｖ４００前後のレールが適用されることが多い。このため、レール溶接部の頭部表層においても母材レール並みのＨｖ４００程度の硬度を有することが好ましい。

［フラッシュバット溶接］
レール溶接部の柱部における上下方向の残留応力は、温度勾配が最も急峻になるフラッシュバット溶接において顕著である。このため、本明細書では、レール継目の溶接方法の一例として、フラッシュバット溶接について説明しておく。なお、本発明に係るレール溶接部の冷却方法及びそれに用いられる冷却装置がテルミット溶接等の他の溶接方法に対しても適用できることは言うまでもない。

フラッシュバット溶接を説明するための概略図を図３４Ａ〜図３４Ｃに示す。フラッシング工程と呼ばれる第一の工程では、電源１３７に接続された電極１３６を介して印加される電圧により、連設されたレール１１１の端面間に連続してアークを発生させる（図３４Ａ参照）。アークが発生した部分は局部的に溶融し、溶融した金属の一部はスパッターとして外部に放出されるが、残りはレール１１１の端面に残留する。アークによって溶融した部分にはクレータと呼ばれる凹みが発生する。レール１１１は徐々に近づけられていき、新たな接触部分にアークが次々に発生し、局部的な溶融の繰返しによりレール１１１は次第に短くなっていく。フラッシング工程を数十秒から数分間継続することにより、レール１１１の端面の全面が溶融した状態となる。また、レール１１１の端面近傍は温度上昇により軟化する。この状態に達した時点で、図３４Ｂに示すように、レール軸方向へ加圧が行われる（アップセット工程）。このアップセットと呼ばれる加圧により、レール１１１の端面に形成されていたクレータは潰され、端面間に存在していた溶融金属が溶接面の外へ押し出される。軟化した端面近傍は、塑性変形して断面が増大し、溶接面の周囲には溶接ビード１３８が形成される。この溶接ビード１３８は、図３４Ｃに示すように、溶接直後の高温期にトリマー１３９により熱間でせん断除去される。この工程はトリミングと呼ばれる。トリミング後は、溶接部の周囲に薄い溶接ビード１３８が残存する。レール頭部に残存する薄い溶接ビード１３８は、グラインダーで研磨して平滑化されるが、レール柱部及び足部に残存する薄い溶接ビード１３８は、グラインダーで研磨したり、無手入れなど鉄道会社によって処置が異なる。

［レール鋼］
レール鋼は、ＪＩＳ−Ｅ１１０１「普通レール及び分岐器類用特殊レール」、ＪＩＳ−Ｅ１１２０「熱処理レール」に規定されているように、炭素を０．５〜０．８質量％含有する亜共析もしくは共析炭素鋼が一般的に使用される。また、最近では海外の鉱山鉄道における重荷重貨物線を対象に、より摩耗性を向上させた、０．８質量％を超える炭素を含有する過共析組成のレール鋼も普及しつつある。

［残留応力の発生メカニズム］
レール内の不均一な温度に起因する不均一な収縮歪が存在する場合に、レール内の各部位が互いに収縮歪を拘束し合うことにより生じる収縮応力が内部応力として残存したものが残留応力である。レールの継目を溶接した場合、レール溶接部と周囲との間に大きな温度差が発生する。これにより、レール溶接部に収縮応力が発生していき残留応力となる。そこで、溶接中心付近を加速冷却すれば、溶接中心付近における温度分布が平坦になるため、溶接中心における残留応力の発生は低減される。ただし、溶接中心付近を加速冷却して温度分布を平坦化することにより残留応力を軽減する効果は、平坦化された温度分布がＡｒ１（オーステナイトが消失する温度）付近で得られている場合が最も効果が大きく、レール溶接部の中心温度が２００℃を下回った状態で平坦な温度分布が得られても、既に大きな残留応力が発生しており残留応力の低減効果は小さい。

［レール溶接部の冷却装置］
本発明の一実施の形態に係るレール溶接部の冷却装置（以下では、単に冷却装置と呼ぶ。）１１０は、図２９に示すように、レール１１１を溶接した後のレール溶接部１５０の頭部１１２を加速冷却する頭部冷却ユニット１２０と、レール溶接部１５０の柱部１１３を加速冷却する柱部冷却ユニット１２１とから概略構成され、レール溶接部１５０の足部１１４を加速冷却する冷却ユニットは備えていない。なお、冷却装置１１０は後述する制御装置（図示せず）を有してもよい。

頭部冷却ユニット１２０は、頭部１１２に向けて冷却用流体を噴出する噴出部１２３と、頭部１１２の側方に配置される一対の遮蔽板１２５とを備えている（図３０Ａ、図３０Ｂ参照）。噴出部１２３は、レール溶接部１５０の頭頂部１１２ａ及び頭側部１１２ｂを取り囲む半筒状とされ、頭頂部１１２ａ及び頭側部１１２ｂに向けて冷却用流体を噴出する噴出孔１２３ａが内周面に設けられている。

一対の遮蔽板１２５は、レール軸方向に長く、長手方向の両端部が略コ字状（逆コ字状）断面、中間部が略Ｌ字状（逆Ｌ字状）断面とされている（図３１、図３２、図３３参照）。一対の遮蔽板１２５の両端部は、その上縁部が蝶番１２６により連結されており、頭頂部１１２ａ上に載置される（図３３参照）。一対の遮蔽板１２５は、蝶番１２６を回動軸としてレール軸と直交する面内で回動し、開閉自在とされている。略Ｌ字状（逆Ｌ字状）断面とされた中間部は、頭側部１１２ｂの高さをＨｓとすると、頭側部１１２ｂの上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域（頭側部１１２ｂの下側Ｈｓ／３＋顎部１１２ｃ＋首部１１２ｄ）を覆っている（図２９、図３１参照）。なお、遮蔽板１２５の中間部の上縁１２５ａは、冷却用流体が頭部領域に流れ込まないように、頭側部１１２ｂ側に傾斜している。

柱部冷却ユニット１２１は、レール溶接部１５０の柱部１１３を挟んで対向配置され、柱部１１３に向けて冷却用流体を噴出する噴出孔１２４ａが設けられた一対の噴出部１２４を備えている（図２９参照）。

レール溶接部１５０の頭部１１２を加速冷却する頭部冷却ユニット１２０の噴出部１２３には、冷却用流体を供給するための供給管１２８が接続され、レール溶接部１５０の柱部１１３を加速冷却する柱部冷却ユニット１２１の噴出部１２４には、冷却用流体を供給するための供給管１２９がそれぞれ接続されている。供給管１２８、１２９は、レール１１１を跨いで架設された門型フレームからなる架台１２２に保持されている。

［レール溶接部の冷却方法］
次に、冷却装置１１０によるレール溶接部１５０の冷却方法について説明する。
（１）図３３の破線で示すように、一対の遮蔽板１２５を蝶番１２６を回動軸として回動させて開いた状態とし、レール溶接部１５０の頭頂部１１２ａの上に、蝶番１２６が設けられている部位を載置する。頭頂部１１２ａの上に載置された一対の遮蔽板１２５は、その先端部が自重により下方に回動し、図３３の実線で示した状態となる。これにより、レール溶接部１５０の頭側部１１２ｂの上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域（頭側部１１２ｂの下側Ｈｓ／３＋顎部１１２ｃ＋首部１１２ｄ）が遮蔽板１２５で覆われた状態となる（図３１参照）。
（２）門型フレームからなる架台１２２を、レール１１１を跨ぐように設置し、レール溶接部１５０の頭頂部１１２ａ及び頭側部１１２ｂを取り囲むように、頭部冷却ユニット１２０の噴出部１２３をセットすると共に、レール溶接部１５０の柱部１１３を挟んで柱部冷却ユニット１２１を対向配置する。
（３）レール溶接部１５０の頭部１１２及び柱部１１３においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、頭部冷却ユニット１２０の噴出部１２３及び柱部冷却ユニット１２１の噴出部１２４から冷却用流体を噴出して頭部１１２及び柱部１１３を加速冷却する。上述の冷却の制御には、冷却装置１１０に設けられる制御装置が用いられる。

本発明の実施形態に係るレール溶接部の冷却方法によりレール溶接部を加速冷却したときの温度履歴を図３５に、レール溶接部を自然冷却したときの温度履歴を図３６に、レール溶接部の頭部のみを加速冷却したときの温度履歴を図３７に、従来の方法によりレール溶接部の頭部及び柱部を加速冷却したときの温度履歴を図３８にそれぞれ示す。これらの図より、自然冷却、頭部のみ加速冷却、従来の方法により頭部及び柱部を加速冷却したいずれの場合においても、顎部の冷却速度が最も速いが、本発明によれば、柱部より顎部のほうが冷却速度が緩やかなことがわかる。
図３９は、上記各冷却方法を実施した際の、レールの溶接中心におけるレール断面周方向の残留応力の分布を示したものである。同図より、頭部のみ加速冷却した場合は、自然冷却の場合より柱部の残留応力が大きくなり、従来の方法により頭部及び柱部を加速冷却した場合は、自然冷却の場合より柱部の残留応力が低下することがわかる。さらに、本発明によった場合、従来の方法よりさらに柱部の残留応力を低下することがわかる。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域に向けて噴出される冷却用流体を遮る遮蔽板を設けたが、遮蔽板を設けず、頭側部の下端からＨｓ／３上方の位置より上側の頭部領域に向けて冷却用流体を噴出するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、頭部冷却ユニットの噴出部は半筒状としているが、頭頂部用の噴出部と頭側部用の噴出部とを設けてもよい。

＜試験方法＞
（柱部の疲労試験方法について）
柱部の水平亀裂に対する疲労強度の評価試験は図２５に模式的に示す方法で行った。定盤２７の上にレール溶接部を置き、溶接部のレール頭部から押し治具２８で荷重を繰返し与えた。押し治具２８の曲率半径は車輪に近い４５０ｍｍとした。付与する荷重は重荷重での実荷重が２０トン程度であることを考慮し、実験速度の促進のために３０トンに設定した。荷重繰返しにおける最低荷重は０トンとすると試験片が浮き上がることがあり、それを避けるために４トンとした。荷重繰返し速度は２Ｈｚとし、溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。また、荷重繰返し回数が２００万回まで非破断であった場合は、そこで試験を終了した。

（足部の疲労試験方法について）
曲げ疲労強度の評価試験は３点曲げ方式で行った。図２６に試験法方を模式的に示す。１ｍの距離でセットされた台座２９、２９’の中心に１．５ｍに切断したレール溶接部を正立姿勢で置き、その中心部にレール頭部から押し治具３０で荷重を与えた。台座２９、２９’および押し治具３０のレールに接する部位の曲率半径は１００ｍｍＲとした。試験応力はレールの足裏中央部分で設定した。最低応力を３０ＭＰａとし、最大応力を３３０ＭＰａ、応力変動範囲を３００ＭＰａとした。通常のフラッシュバット溶接継ぎ手は応力範囲３００ＭＰａで２００万回までの疲労寿命を有している。荷重繰返し速度は５Ｈｚとし、溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。また、荷重繰返し回数が２００万回まで非破断であった場合は試験を終了し、十分な疲労性能を有していると判断した。

（使用したレールについて）
表１に使用した３種類のレールを示す。レール鋼Ａは通称、普通レールと呼ばれる鋼種で、炭素量０．６５〜０．７５重量％を含有する亜共析鋼であり、圧延ままの素材で、レール頭部の硬度はビッカース硬度２６０〜２９０である。レール鋼Ｂは圧延後に熱処理されたレールで、炭素量０．７５〜０．８５重量％を含有する共析鋼であり、レール頭部の表面下５ｍｍでの硬度がビッカース硬度３６０〜４００の鋼種を使用した。レール鋼Ｃは炭素量０．８５〜０．９５％を含有する過共析鋼であり、圧延後に熱処理されたレールで、レール頭部の表面下５ｍｍでの硬度がビッカース硬度４００〜４５０の鋼種を使用した。レールサイズはメートル単重６０ｋｇ／ｍの一般鉄道用サイズを用いた。

本発明の実施例、比較例を表２〜表８に示す。同一条件で３本の試験体を作成し、そのうち１本は残留応力、溶接部硬度、金属組織を調査し、２本目は柱部の疲労寿命評価試験を行い、３本目は曲げ疲労試験を行った。表中で被溶接レールの種類、溶接部の最高加熱温度がＡｃ１以上となる領域の長手方向の幅ＬＡｃ１、Ａｃ３、Ａｃｅ、Ａｃｃｍ以上となる領域の長手方向の幅、溶接後に冷却を行う場合の長手方向の幅、柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値、冷却時間ｔ、１式で求められるｋ値の適正範囲の上下限、ｋ値が上下限に含まれるかどうかの適否、冷却する温度域、残留応力の測定値、溶接部の硬度、疲労試験における亀裂発生回数を示した。硬度については溶接中心の脱炭領域の測定値がばらつくため、溶接中心から２ｍｍ位置の表面でショア式硬度計により測定し、ビッカース硬度に換算した。残留応力は歪ゲージ接着部を切り出して歪の変化から残留応力値を算出した。金属組織は溶接中心から２ｍｍ位置、表面下２ｍｍの、レール長手方向に直角断面を鏡面研磨し、３％硝酸アルコールでエッチングして顕微鏡で観察した。金属組織の組織分率は倍率１００倍で観察し、ポイントカウント法で算出した。表２〜表６の中で、マルテンサイトなど、パーライト以外の組織が認められたものについては備考欄に記入した。なお表中に記載した温度は溶接中央部付近の表面温度である。

また、フラッシュバット溶接ではフラッシュ工程の時間調整により、溶接部の長手方向温度分布が変化する。以下の実施例で溶接部の最高加熱温度の幅を変化させた例は、フラッシング時間の調整によって行った。

＜実施例Ａ＞ 表２はレールをフラッシュバット溶接した後にレール柱部全体がオーステナイトからパーライトへの変態を完了した後、レール柱部の下記、長手方向の限定した領域内を、自然冷却速度を超える冷却速度で、かつ、レール足部の冷却速度以上で冷却した実施例を示す。
この際の冷却方法は次の通りである。レール柱部の長手方向の柱部の最高加熱温度がＡｃ１点以上となるレール柱部の幅ＬＡｃ１と表中のｋ値の積（Ｌ）で算出される長手方向の領域内を、圧縮空気あるいは水滴を含む圧縮空気の流量および流速を制御装置により制御することによって冷却し、最高加熱温度がＡｃ１点以上となる足部の長手方向の領域内（領域より狭い範囲）を圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、前記領域内以外の領域は自然冷却とした。要するに、加速冷却を施すのはレールの一部分である。被溶接レールには表１の鋼種Ａを用いた。

実施例Ａ１〜Ａ６は柱部がパーライト変態完了した後に柱部を冷却する際の冷却速度を種々変化させた例である。パーライト変態完了温度は約６００℃であり、柱部の冷却開始温度は５００℃、冷却終了温度２００℃とした。実施例Ａ４は長手方向の冷却範囲を変化させた例である。

いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下した。それに伴い、比較例Ａ１の溶接まま材では柱部の疲労試験において荷重繰り返し回数２，０００，０００回に到達しない短寿命で亀裂が発生したのに対して、実施例Ａ１〜Ａ６では２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮範囲であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく非破断であり、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも９５％以上がパーライト組織であった。

一方、比較例Ａ２は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。

また、比較例Ａ３は足部の冷却速度が柱部より速く、柱部の残留応力が下がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ａ４は冷却の開始タイミングが６５０℃と高く、パーライト変態が完了する前に冷却を開始させた例で、加えて冷却速度が速かったためマルテンサイト組織分率が面積率で１０％以上となり、柱部の硬度が異常に高くなった。柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ａ５は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｂ＞
表３はレールをフラッシュバット溶接した後に、溶接部のレール柱部の下記、長手方向の限定した領域内を、柱部の温度がＡｅ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を、自然冷却速度を超え５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却した実施例を示す。この際の冷却方法は次の通りである。
レール柱部の長手方向の柱部の最高加熱温度がＡｃ１点以上となるレール柱部の幅ＬＡｃ１と表中のｋ値の積（Ｌ）で算出される長手方向の領域内を、圧縮空気あるいは水滴を含む圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、最高加熱温度がＡｃ１点以上となる足部の長手方向の領域内（領域より狭い範囲）を圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、前記領域内以外の領域は自然冷却とした。要するに、加速冷却を施すのはレールの一部分である。

パーライト変態温度域は、自然冷却では６５０℃〜６００℃であるが、冷却を行うと冷却速度に応じて変態温度は幾分変化する。被溶接レールには表１の鋼種Ａを用いた。

実施例Ｂ１〜Ｂ４は柱部がオーステナイト領域から冷却する際の冷却速度、冷却温度域を種々変化させた例である。

いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低減した。それに伴い、柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮範囲であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく非破断であり、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも９５％以上がパーライト組織であった。また、レール柱部のパーライト変態域を加速冷却することで、柱部の硬度がＨｖ３５０以上に増加しており、疲労強度の面でさらに有利になっている。

一方、比較例Ｂ１は柱部の冷却速度が５℃／ｓを超えており、柱部にマルテンサイト組織分率が面積率で１０％以上となり、硬度が異常に高くなった。柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｂ２は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。

また、比較例Ｂ３は冷却の終了温度が７６０℃と高く、冷却による温度低下量も小さいため残留応力は溶接ままと大差なく、パーライト変態が開始する前に冷却を終了させたため硬度も上がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｂ４は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｃ＞ 表４はレールを溶接した後に、溶接部のレール柱部の下記、長手方向の限定した領域内を、柱部の温度がＡ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を、自然冷却速度を超え５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、さらにレール柱部全体がオーステナイトからパーライトへの変態を完了した後、自然冷却速度を超える冷却速度で、かつ、レール足部の冷却速度以上で冷却した実施例を示す。
この際の冷却方法は次の通りである。レール柱部の長手方向の柱部の最高加熱温度がＡｃ１点以上となるレール柱部の幅ＬＡｃ１と表中のｋ値の積（Ｌ）で算出される長手方向の領域内を、圧縮空気あるいは水滴を含む圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、最高加熱温度がＡｃ１点以上となる足部の長手方向の領域内（領域より狭い範囲）を圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、前記領域内以外の領域は自然冷却とした。要するに、加速冷却を施すのはレールの一部分である。

パーライト変態温度域は、自然冷却では６５０℃〜６００℃であるが、冷却を行うと冷却速度に応じて変態温度は幾分変化する。正常なパーライト変態は６００℃弱で完了する。なおパーライト変態完了後の冷却の温度域は５００℃〜２００℃とした。被溶接レールには表１の鋼種Ａを用いた。

実施例Ｃ１〜Ｃ４は柱部がオーステナイト領域からパーライト変態温度域を冷却する際の冷却温度範囲と冷却速度、パーライト変態完了後の冷却の冷却速度を変化させた例である。

いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下した。それに伴い、柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも９５％以上がパーライト組織であった。また、レール柱部のパーライト変態域を加速冷却することで、柱部の硬度がＨｖ３５０以上に増加しており、疲労強度の面でさらに有利と考えられる。

一方、比較例Ｃ１は柱部の冷却速度が５℃／ｓを超えており、柱部のマルテンサイト組織分率が面積率で１０％以上となり、柱部の硬度が異常に高くなった。柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

また、比較例Ｃ２は足部の冷却速度が柱部より速く、柱部の残留応力が下がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｃ３は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｃ４は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｄ＞
表５はレールを溶接した後に、溶接部のレール柱部を、柱部の温度がＡ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を、自然冷却速度を超える冷却速度で冷却し、パーライト変態温度域の少なくとも一部を自然冷却速度もしくは２℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、前記溶接部のレール柱部全体がオーステナイトからパーライトへの変態を完了した後、前期溶接部のレール柱部の長手方向の領域を、自然冷却速度を超える冷却速度で、かつ、レール足部の冷却速度以上で冷却した実施例を示す。
この際の冷却方法は次の通りである。レール柱部の長手方向の柱部の最高加熱温度がＡｃ１点以上となるレール柱部の幅ＬＡｃ１と表中のｋ値の積（Ｌ）で算出される長手方向の領域内を、圧縮空気あるいは水滴を含む圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、最高加熱温度がＡｃ１点以上となる足部の長手方向の領域内を圧縮空気の流量および流速を制御することによって冷却し、前記領域内以外の領域は自然冷却とした。要するに、加速冷却を施すのはレールの一部分である。
パーライト変態温度域は６５０℃〜６００℃であり、中段の冷却はこの温度域を含むようにし、６００℃以下のパーライト変態完了後の後段の柱部の冷却において、２００℃の温度低下が得られるようにした。被溶接レールには表１の鋼種Ｂを用いた。
実施例Ｄ１〜Ｄ４は柱部がオーステナイト領域からパーライト変態温度域の一部までを前段冷却し、その後、２℃／ｓ以下の冷却速度で冷却もしくは自然冷却でパーライト変態を完了させ、さらに後段冷却として柱部を加速冷却した例である。実施例Ｄ２は中段冷却は自然冷却とした。
実施例Ｄ５、Ｄ６は柱部がオーステナイト温度領域にある期間で前段の冷却を行い、中段の冷却としてオーステナイト温度域からパーライト変態完了までを自然冷却し、さらに後段の冷却として柱部を加速冷却した例である。
いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下した。それに伴い、柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも１００％パーライト組織であった。
一方、比較例Ｄ１は足部の冷却速度が柱部より速く、柱部の残留応力が下がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。
比較例Ｄ２は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。
比較例Ｄ３は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｅ＞
表６は実施例Ａ、Ｂ、Ｃの条件に加え、レール足部を自然冷却とした場合の実施例を示す。パーライト変態温度域は、自然冷却では６５０℃〜６００℃であるが、冷却を行うと冷却速度に応じて変態温度は幾分変化する。正常なパーライト変態は６００℃弱で完了する。パーライト変態前のＡ３、Ａｅ、Ａｃｍ以上の温度域からの冷却を行った実施例の冷却温度域は８００〜５００℃である。またパーライト変態完了後の冷却を行った実施例の冷却温度域は５００℃〜２００℃とした。被溶接レールには表１の鋼種Ａを用いた。

いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下しており、柱部の上下方向（周方向）残留応力は前記実施例よりも平均的に見てさらに低減されている。柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮範囲であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも９５％以上がパーライト組織であった。

一方、比較例Ｅ１は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｅ２は柱部の冷却速度が５℃／ｓを超えて高く、柱部のマルテンサイト組織分率が面積率で１０％以上となり、柱部の硬度が異常に高くなった。柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｅ３は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｆ＞
実施例Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅの条件に加え、溶接部のレール頭部をＡ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を、自然冷却速度を超え５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却した実施例を表７に示す。パーライト変態温度域は、自然冷却では６５０℃〜６００℃であるが、冷却を行うと冷却速度に応じて変態温度は幾分変化する。正常なパーライト変態は６００℃弱で完了する。パーライト変態前のＡ３、Ａｅ、Ａｃｍ以上の温度域からの冷却を行った実施例の冷却温度域は８００〜５００℃とした。またパーライト変態完了後の冷却を行った実施例の冷却温度域は５００℃〜２００℃とした。被溶接レールには表１の鋼種Ｂもしくは鋼種Ｃの共析、過共析の熱処理レールを用いた。

いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下した。それに伴い、柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮範囲であり、曲げ疲労試験においても２，０００，０００回まで亀裂発生がなく、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも９５％以上がパーライト組織であった。

一方、比較例Ｆ１は足部の冷却速度が柱部より速く、柱部の残留応力が下がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｆ２は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。

比較例Ｆ３は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

＜実施例Ｇ＞
表８はパーライト変態温度域の一部で２℃／ｓ以下の緩冷却期間を設ける実施例Ｄの条件に加え、レール足部を自然冷却とした例、さらに、溶接部のレール頭部をＡ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲を、自然冷却速度を超え５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却した例である。被溶接レールには表１の鋼種Ｃを用いた。
実施例Ｇ１、Ｇ２は足部を自然冷却した例、実施例Ｇ３、Ｇ４は頭部をオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの温度範囲の一部を加速冷却した例、実施例Ｇ５、Ｇ６は頭部をオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの一部の温度範囲を加速冷却し、かつ、足部は自然冷却した例である。
いずれの実施例も柱部の上下方向（周方向）の残留応力は、比較例Ａ１で示した溶接まま材に比較して低下した。それに伴い、柱部の疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂は発生しなかった。また、足裏部の長手方向の残留応力は圧縮であり、曲げ疲労試験において２，０００，０００回まで亀裂発生がなく、総合的に高い疲労強度が確認された。金属組織はいずれも１００％がパーライト組織であった。
一方、比較例Ｇ１は足部の冷却速度が柱部より速く、柱部の残留応力が下がらず、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。
比較例Ｇ２は柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも広く、足部の長手方向残留応力が引張領域となり、曲げ疲労試験において短寿命で途中破断した。
比較例Ｇ３は柱部の柱部の冷却幅ＬとＬＡｃ１の比ｋ値が適正範囲よりも狭く、柱部の長手方向残留応力が引張となり、柱部の疲労試験において短寿命で途中破断した。

次に、冷却装置１０を用いて実施したレール溶接部の冷却試験について説明する。冷却試験に使用したレール鋼は米国ＡＲＥＡ規格１３６ポンドレールであり、その成分比は、０．８Ｃ−０．４Ｓｉ−１．０Ｍｎ−０．２Ｃｒである。フラッシュバット溶接によりレールの継目を溶接接合して溶接継手を形成した。レール溶接部の加速冷却には、冷却用流体としてエアを使用した。加速冷却時のエアの圧力及び流量を表９に示す。

同一条件下で冷却した溶接継手を各２本準備し、そのうちの１本で温度、硬度、及び残留応力を測定し（図４０参照）、他の１本で柱部の疲労寿命評価試験（以下、単に「疲労試験」と呼ぶ。）を実施した。レール溶接部の温度測定は、溶接中心からレール軸方向に２０ｍｍ離れた位置における頭頂部の中央、顎部、柱部の１／２高さ、足表部、及び足裏部中央の計５点とし、Ｋ熱電対により計測した。また、レール溶接部の硬度測定は、溶接中心からレール軸方向に５ｍｍ離れた位置において、頭頂部の表面下５ｍｍ及び頭側部の表面下５ｍｍの位置とし、ビッカース硬度計により計測した。

残留応力の測定は、溶接中心線上にて、ゲージ長２ｍｍの２軸歪ゲージを柱部の両面（柱部の１／２高さ位置）に貼り付け、この部分を５ｍｍ厚×１５ｍｍ幅×１５ｍｍ高さに切出し、切削前の歪と切削後の歪の差を用いて応力と歪の関係式から残留応力を算出した。

また、柱部の疲労試験は以下のように行った。定盤の上にレール溶接部を置き、先端が弧状凸部とされた押し治具によりレール溶接部の頭部に荷重を繰返し与えた。弧状凸部の曲率半径は、車輪に近い４５０ｍｍとした。負荷する荷重は、重荷重での実荷重が２０ｔｏｎ程度であることを考慮し、最大３０ｔｏｎに設定した。一方、荷重繰返しにおける最低荷重は４ｔｏｎとした。荷重繰り返し速度は２Ｈｚとし、レール溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。

表１０に、試験結果の一覧を示す。なお、疲労試験の結果は、荷重繰返し回数が２００万回まで疲労亀裂が生じなかった場合を「ＧＯＯＤ」、同じく１００万回以上〜２００万回未満で亀裂発生した場合を「ＦＡＩＲ」、同じく１００万回未満で亀裂発生した場合を「ＰＯＯＲ」と表記した。また、表中の残留応力値は、柱部の両面に貼付した歪ゲージから算出した残留応力の平均値である。

実施例１１は、溶接後、頭部全域及び柱部を加速冷却する際に、頭側部の冷却速度を弱め、顎部の冷却速度が柱部の冷却速度以下となるように調整した。頭頂部の硬度は母材レール並みになり、頭側部の冷却速度を弱めたことで頭側部の硬度は低下したが、溶接後自然冷却した場合より硬くなっている。柱部の残留応力は比較例１１〜１３に比べて改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万〜２００万回の間で疲労亀裂が生じたが、比較例１１〜１３より疲労性能は優れている。

実施例１２は、溶接後、頭部全域及び柱部を加速冷却する際に、柱部の冷却速度を高めて、顎部の冷却速度が柱部の冷却速度以下となるように調整した。頭頂部及び頭側部の硬度は母材レール並みになり、柱部の残留応力は実施例１１に比べて改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万〜２００万回の間で疲労亀裂が生じたが、比較例１１〜１３より疲労性能は優れている。

実施例１３は、溶接後、頭部及び柱部を加速冷却する際に、頭側部のエア噴出孔が頭側部の上側２／３以上の範囲となるように調整した。顎部は加速冷却を行っていないが、如何なる部位にも加速冷却を施さない比較例１１の場合に比べて冷却速度は増大した。これは、頭側部及び柱部の加速冷却に伴う熱伝導によるものである。頭頂部の硬度は母材レール並みになり、頭側部もほぼ母材レール並みになった。柱部の残留応力は比較例１１〜１３に比べて改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万〜２００万回の間で疲労亀裂が生じたが、比較例１１〜１３より疲労性能は優れている。

実施例１４は、溶接後、頭部及び柱部を加速冷却する際に、頭側部のエア噴出孔が頭側部の上側１／２以上の範囲となるように調整した。頭頂部の硬度は母材レール並みになり、頭側部は冷却速度が弱まったことで硬度は低下したが、溶接後自然冷却した場合より顕著に硬くなっている。柱部の残留応力は実施例１３に比べてさらに改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数２００万回まで疲労亀裂は生じなかった。

実施例１５は、溶接後、頭部全域及び柱部を加速冷却する際に、頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を遮蔽板で覆った例である。頭頂部の硬度は母材レール並みであり、頭側部は冷却速度が弱まったことで硬度は低下したものの溶接後自然冷却した場合より硬くなっている。柱部の残留応力は比較例１１〜１３に比べて改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万〜２００万回の間で疲労亀裂が生じたが、比較例１１〜１３より疲労性能は優れている。

実施例１６は、遮蔽板とレールの隙間を狭くして顎部の冷却速度が柱部より小さくなるように調整した実施例１５の改善例である。頭側部の硬度はさらに低下したが、溶接後自然冷却した場合より硬い。柱部の残留応力は実施例１５に比べて顕著に改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数２００万回まで疲労亀裂は生じなかった。

実施例１７は、溶接後、頭部及び柱部を加速冷却する際に、頭側部のエア噴出孔が頭側部の上側１／２以上の範囲となるように調整し、且つ頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を遮蔽板で覆った例である。頭頂部及び頭側部の硬度は母材レール並みである。柱部の残留応力は比較例１１〜１３に比べて顕著に改善した。疲労試験では、荷重繰返し回数２００万回まで疲労亀裂は生じなかった。

これに対して、比較例１１は、溶接後自然冷却した例を示す。各測定位置における冷却速度は、０．７〜０．９℃／ｓであった。頭部の硬度は低く、柱部の残留応力は４００ＭＰａ程度の強い引張状態にある。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万回未満で疲労亀裂が生じた。比較例１２は、溶接後、頭部全域を加速冷却した例を示す。頭部の硬度は母材レール並みになるが、柱部の残留応力は溶接後自然冷却した場合に比べて悪化する。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万回未満で疲労亀裂が生じた。比較例１３は、溶接後、頭部全域及び柱部を加速冷却した例を示す。頭部の硬度は母材レール並みで、柱部の残留応力は溶接後自然冷却した場合に比べて改善する。疲労試験では、荷重繰返し回数１００万回未満で疲労亀裂が生じた。

本発明によれば、従来と比較して溶接部の疲労強度が向上したレールを効率的に製造することができる。このため、本発明は産業上の利用可能性を十分に有する。

１…レールの頭部
２…レールの柱部
３…レールの足部
４…レールの頭頂部
５…レールの足表
６…レール足裏
７…溶接部
８…溶接ビード
９…電極
１０…被溶接レール
１１…アップセットによる溶接ビード
１２…トリマー
１３…電源
１４…テルミット溶接の鋳型
１５…テルミット溶接のルツボ
１６…テルミット溶接の溶鋼
１７…ガス圧接のバーナー
１８…ガス圧接のトリマー
１９…エンクローズアーク溶接の裏当て金
２０…エンクローズアーク溶接の側面当て金
２１…当て金エンクローズアーク溶接の溶接棒
２２…疲労亀裂
２３…脆性亀裂
２４…枕木
２５…車輪
２６…疲労亀裂
ＸＸ、ＹＹ、ＺＺ…温度分布曲線
Ｐ…荷重
２７…定盤
２８…押し治具
２９，２９’…台座
３０…押し治具
１１０…冷却装置
１１１…レール
１１２…頭部
１１２ａ…頭頂部
１１２ｂ…頭側部
１１２ｃ…顎部
１１２ｄ…首部
１１３…柱部
１１４…足部
１２０…頭部冷却ユニット
１２１…柱部冷却ユニット
１２２…架台
１２３、１２４…噴出部
１２３ａ、１２４ａ…噴出孔
１２５…遮蔽板
１２５ａ…上縁
１２６…蝶番
１２８、１２９…供給管
１３６…電極
１３７…電源
１３８…溶接ビード
１３９…トリマー
１５０…レール溶接部

Claims (14)

1. パーライトからオーステナイトへの変態の開始温度Ａｃ１以上に加熱されたＡｃ１領域と、前記変態の完了温度Ａｃ３以上に加熱されたＡｃ３領域と、を有するレール溶接部の冷却方法であって、
   前記レール溶接部における柱部冷却領域を、オーステナイトからパーライトへの変態が完了するまでの一部の温度範囲において冷却する第１の柱部冷却工程と；
   前記レール溶接部における前記柱部の全体がパーライトへ変態後、前記柱部冷却領域を冷却する第２の柱部冷却工程と；
   前記レール溶接部における足部を冷却する足部冷却工程と；
   前記レール溶接部における頭部を冷却する頭部冷却工程と；
   を備え、
   前記第１の柱部冷却工程及び前記第２の柱部冷却工程の冷却時間をｔ分とすると、前記柱部冷却領域の溶接部を中心とするレール長手方向の幅Ｌを、前記Ａｃ１領域及び前記Ａｃ３領域からなり、溶接直後の最高加熱温度がＡｃ１以上となる領域の溶接部を中心とするレール長手方向の幅ＬＡｃ１で除して得られるｋ値が
   −０．１ｔ＋０．６３≦ｋ≦−０．１ｔ＋２．３３
   で示される式を満たす
   ことを特徴とするレール溶接部の冷却方法。
2. 前記第１の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、
   前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
3. 前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
4. 前記第１の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
5. 前記第１の柱部冷却工程は、オーステナイト温度領域の冷却工程である第１の柱部冷却前期工程と、その後引き続きパーライトへの変態が完了するまでの温度範囲において冷却する第１の柱部冷却後期工程とを備え、
   前記第１の柱部冷却前期工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却し、
   前記第１の柱部冷却後期工程では、自然冷却速度又は２℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、
   前記第２の柱部冷却工程では、自然冷却速度を超え、且つ、前記足部の冷却速度以上の冷却速度で冷却する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
6. 前記足部の冷却速度が自然冷却速度であることを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
7. 前記頭部冷却工程では、Ａ３、ＡｅもしくはＡｃｍ超のオーステナイト温度域からパーライトへの変態を完了するまでの少なくとも一部の温度範囲において自然冷却速度を超え、５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法。
8. 前記頭部と前記柱部とを冷却する際に、顎部の下側コーナー部の冷却速度を前記柱部の冷却速度より遅くすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレール溶接部の冷却方法。
9. 前記頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却することを特徴とする請求項８に記載のレール溶接部の冷却方法。
10. 前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域に遮蔽板を設け、前記頭部に向けて冷却用流体を噴出することを特徴とする請求項９に記載のレール溶接部の冷却方法。
11. 請求項１に記載のレール溶接部の冷却方法を用いて冷却されたレール溶接継手であって、
    上下方向の残留応力が３５０ＭＰａ以下である前記柱部と；
    長手方向残留応力が圧縮応力であるレール足裏部と；
    金属組織の９５％以上がパーライト組織である前記レール溶接部と；
    を備えることを特徴とするレール溶接継手。
12. 請求項８に記載のレール溶接部の冷却方法を用いて冷却されたレール溶接継手であって、
    上下方向の残留応力が３００ＭＰａ以下である前記柱部と；
    前記頭部の硬度がＨｖ３２０以上である前記頭部と；
    を備えることを特徴とするレール溶接継手。
13. レール溶接部の頭部の側面を形成する頭側部の高さをＨｓとすると、前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を除く頭部全域を加速冷却する頭部冷却ユニットを備えることを特徴とするレール溶接部の冷却装置。
14. 前記頭部冷却ユニットは、
    前記頭部に向けて冷却用流体を噴出する噴出部と；
    前記頭側部の上端から２Ｈｓ／３下方の位置より下側の頭部領域を覆う遮蔽板と；
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載のレール溶接部の冷却装置。