JP4902021B2 - レール鋼のフラッシュバット溶接方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年10月30日に、日本に出願された特願2009−251071号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
まず図1Aに示すように、対向して設置された被溶接材料としての一対のレール鋼1A、1Bそれぞれに、電源3から電極2を介して電圧をかける。これとともに、レール鋼1Aを矢印4方向に移動させて、レール鋼1A、1Bの溶接面となる互いの端面を徐々に接近させる。そうすると、局所的に短絡電流が流れ、抵抗発熱により急速に加熱され溶融に至る。この結果、一対のレール鋼1A、1B間は溶融金属で橋絡される。この橋絡部では、図1Bに示すように、アークが発生し、溶融金属の一部が飛散する(フラッシュ)。さらに、フラッシュが生じるとともに抵抗発熱とアーク発熱で端面が加熱され、これらが連続的に繰り返される。これらはフラッシュ工程と呼ばれる。
予熱工程は溶接面への入熱を効果的に行い、溶接時間の短縮効果が得られるため、フラッシュ工程と組み合わせる溶接方法が採用されている。また、フラッシュバット溶接は大気雰囲気で行われるため、形成される溶融金属部には多量の酸化物が生成する。
このとき、溶接中に生成された酸化物は、排出されるとともに、微細・分散化されるため、曲げ性能を阻害する欠陥として接合面に残存する可能性を低くすることが可能である。
アプセット工程で接合面外に排出された酸化物(ビード部)は後工程において熱間せん断などにより除去される。
このHAZの範囲を求める場合、機械的性質の変質域の確認は硬さ測定などの手間を要するので、ミクロ・マクロ観察により比較的簡易に母材と識別可能な範囲をHAZと呼ぶ場合が多い(非特許文献1)。本明細書では、後述のミクロ・マクロ観察により母材と識別可能な範囲をHAZと呼ぶ。
(1)室温から500℃まではパーライト組織は変化しない。
(2)550℃を超えると、層状組織の界面エネルギーを減らす方向の構造の変化、すなわちセメンタイトの分断、球状化が始まる。このとき温度が上がるほど、セメンタイトの球状化は進む。
(3)Ac1変態点の720℃付近からパーライト組織がオーステナイト組織へ変態を始める。その結果、金属中にフェライト、球状化したセメンタイト(球状化セメンタイト)、オーステナイトの三相が共存する温度域が存在する。
(4)さらに温度が上昇すると、フェライトもしくはセメンタイトのいずれかの相が消失し、オーステナイトと球状化セメンタイトもしくはオーステナイトとフェライトの2相組織となる。
(5)さらに温度が上昇すると、オーステナイトの単相組織となる。
(6)さらに温度が上昇し、融点(固相線温度)を超えると、オーステナイト組織中に溶融相が生成する。
(7)さらに温度が上昇すると完全に溶融する。
(2)球状化セメンタイト域において、球状化セメンタイトはそのままの状態で冷却され、室温でも球状化組織を呈する。球状化セメンタイト組織の硬度は低く、Hv300程度である。つまり、昇温過程において、最高到達温度が上がるに従って、セメンタイトの球状化が進んでいるため、溶接面に近いほど球状化セメンタイトが多く存在している。そのため、球状化セメンタイト域では、冷却過程において溶接面に近くなるほど軟化する。
(3)オーステナイト、フェライト、球状化セメンタイトが共存する3相域は温度低下に伴い、オーステナイトがパーライトに変態するが、球状化セメンタイトはそのまま室温まで冷却される。最高到達温度が上がるに従って、オーステナイト相率が増え、冷却後にパーライトとなる分率が増加するため、溶接面に近くなるほど硬度は回復していく。球状化セメンタイト組織の硬度は低く、Hv300程度である。
(4)フェライトとオーステナイト、もしくはオーステナイトとセメンタイトの2相域は、冷却時にオーステナイトがパーライト組織に変態する。最高到達温度が上がるに従って、オーステナイトの分率が増加し、冷却後にパーライトとなる分率が増加するため、溶接面に近くなるほど硬度は回復していく。
(5)オーステナイト単相域においては、オーステナイトがパーライト組織に変態する。この領域の硬度はほぼ一定となる。
(6)溶融相が存在するオーステナイト域においては、まず液相が凝固してオーステナイトになるため、オーステナイト単相になり、その後、パーライト組織に変態する。この領域のほぼ硬度はほぼ一定となる。
(7)溶融域は、まず凝固してオーステナイト単相になり、その後、パーライト組織に変態する。この領域の硬度はほぼ一定となる。
特許文献2には、フラッシュバット溶接されたパーライト鋼の継手の溶接部硬さ分布が示されており、この文献では、HAZ幅は42mm程度、軟化幅は25から30mm程度となっている。
一方、特許文献3には、鉄道レールでは、軟化幅が車輪とレールの接触領域程度より小さければ偏摩耗は起こりにくく、さらに、車輪とレールの接触領域は15mm程度と考えられることから、母材硬度からHv50以上低下した軟化幅は15mm以下とすることが望ましいことが記載されている。
また、溶接には、AC電源で変圧器容量240kVA、アプセット荷重70kNのフラッシュ溶接機を用い、予熱回数は7回、かつ後述の図3で示す初期フラッシュ工程と前期フラッシュ工程の合計時間を120sec、後期フラッシュ工程における後期フラッシュ速度を0.5mm/sec、後期フラッシュ代を3mmとした。
ただし、溶接中央部については、特許文献1に示すように熱処理を行えば母材同等の硬さに回復させることが可能なため、基本的には軟化部に含めないこととする。なお、熱処理を実施せず、または熱処理の効果が少なく、溶接中央部の硬さが母材硬さに満たない場合では、硬さ分布の溶接中央部側に補助線を引き、この線が前述の(母材硬さの平均値−3×標準偏差)と交わる範囲を軟化幅とする。図2Bでは、この方法によって求めて、軟化幅は19mmとした。
ここで、後期フラッシュ速度は、(全フラッシュ代−前期フラッシュ代)/(全フラッシュ時間−前期フラッシュ時間)とされている。
0.1 D≦Y<0.30D ・・・式(2)
ここで、Y:フラッシュ量(フラッシュ代)(mm)、D:被圧延材の太さ(mm)であり、フラッシュ量(フラッシュ代)は、フラッシュバット溶接において、アークによって溶解除去される長さの合計とされている。
しかし、軟化部の発生に対して、上記従来技術では、次のような課題がある。
(1)本発明の一態様に係る方法は、一対の軌道用レール鋼間のフラッシュバット溶接する方法であって、一対の前記軌道用レール鋼に電圧をかけ、両者の端面である溶接面を徐々に接近させることにより局所的に短絡電流を流し、抵抗発熱により前記溶接面を加熱し溶融させ、さらに、前記溶接面においてフラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面を加熱する初期フラッシュ工程と、前記溶接面同士を強制的に接触させた状態で所定時間電流を流し、抵抗発熱により前記溶接面の付近を加熱する予熱工程と、前記溶接面において部分的に前記フラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面を加熱する前期フラッシュ工程と、前記溶接面全体にさらに前記フラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面全体に、均一に熱を加える後期フラッシュ工程とを備え、前記後期フラッシュト工程における後期フラッシュ速度が2.1mm/sec以上2.8mm/sec以下である。
(2)上記(1)に記載のフラッシュバット溶接方法では、前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ代が、10mm以上60mm以下であってもよい。
(3)上記(1)のフラッシュバット溶接方法では、前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ代が、22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量以上60mm以下であってもよい。
(4)上記(1)または(2)のいずれかのフラッシュバット溶接方法では、前記軌道用レール鋼が、質量%で、C:0.85〜1.20%を含有してもよい。
(5)上記(1)または(2)のいずれかのフラッシュバット溶接方法では、溶接継手部の熱影響幅を27mm以下、かつ軟化幅を10mm以下としてもよい。
(7)上記(6)のフラッシュバット溶接方法では、前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ速度が0.5mm/sec以上2.8mm/sec以下であってもよい。
(8)上記(6)または(7)のフラッシュバット溶接方法では、前記軌道用レール鋼が、質量%で、C:0.85〜1.20%を含有してもよい。
(9)上記(6)または(7)のフラッシュバット溶接方法では、溶接継手部の熱影響幅を27mm以下、かつ軟化幅を10mm以下としてもよい。
また、偏摩耗を減少させることにより、車輪通過時に付与されるレールへの衝撃を抑制でき、レールの疲労破壊を防ぐことができる。
本発明者らは、そのようなレール鋼をフラッシュバット溶接した場合の溶接部における上記した課題を解決するためには、溶接面近傍の熱分布を急峻にすることにより、溶接部の軟化幅を低減することが有効であると考えた。そして、それを実現する方法として、溶接面近傍への入熱量を少なくすること、及びアプセット工程直前の時間当たりの入熱量を高めることが効果的であると考えた。
以下に、本発明であるフラッシュバット溶接方法の一実施形態について説明する。
なお、前記軌道用レール鋼の組成成分は必ずしも限定する必要はないが、質量%で、C:0.85〜1.20%を含有するのが好ましい。
本実施形態におけるフラッシュバット溶接は、初期フラッシュ工程、予熱工程、前期フラッシュ工程、後期フラッシュ工程、アプセット工程を含む。
また、初期フラッシュ工程ではフラッシュを生じさせるため、図3に示すようにフラッシュ代(溶損量)は増加する。フラッシュ代とは、各工程によって溶融飛散または変形によって失われるレールの長さである。
また、予熱回数は4回以上とすることが好ましい。より好ましくは7回以上であり、さらに好ましくは10回以上である。前記の通り、予熱工程は対向する溶接面同士を強制的に接触させ大電流を流すためにフラッシュ工程に比べて入熱効率が高い。このため、予熱回数を多くすることが好ましい。
また、この予熱工程は、通常大気環境中で行われるため、溶接面では溶接欠陥となる酸化物が発生してしまう。
本実施形態において予熱工程以降のフラッシュ工程は、フラッシュ速度がそれぞれ異なる前期フラッシュ工程及び後期フラッシュ工程とからなる。
前期フラッシュ工程では、対向する溶接面間において部分的にフラッシュを生じさせるとともに、このフラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により溶接面を加熱する。ここで、前期フラッシュ工程において生じさせるフラッシュを前期フラッシュと呼ぶ。
なお、初期フラッシュ工程に要する時間(初期フラッシュ時間)と前期フラッシュ工程に要する時間(前期フラッシュ時間)の合計時間は20sec以上、180sec以下が好ましい。初期フラッシュ工程は引き続き行う予熱工程を効率的に行うために端面を垂直にする必要があり、時間が短すぎるとその効果が得られにくいため20sec以上は必要である。また初期フラッシュ時間と前期フラッシュ時間の合計時間が長すぎるとHAZ幅が広がりすぎるため、初期フラッシュ時間と前期フラッシュ時間の合計時間は180sec以下が好ましい。
つまり、後期フラッシュ工程では、前期フラッシュ工程において溶接面の一部に生じていた前期フラッシュを、フラッシュ速度を上げることにより溶接面全体に生じさせ、このフラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により溶接面全体に、均一に熱を加える。
またさらに、後期フラッシュ工程では、予熱工程中に生じた酸化物を、フラッシュにより飛散させることにより減少させる。
なお、後期フラッシュ工程において生じさせるフラッシュを前期フラッシュと区別するために後期フラッシュと呼ぶ。
後期フラッシュ工程によって、溶接面全面が溶融された状態の後、大加圧力で溶接面同士を急速に密着させ、溶接面の溶融金属の大部分を外部へ排出するとともに、溶接面後方の高温に加熱された部分に加圧及び変形を与えて接合部を形成する。つまり、溶接中に生成された酸化物は、排出されるとともに、微細・分散化されるため、曲げ性能を阻害する欠陥として接合面に残存する可能性を低くすることが可能である。なお、アプセット工程で接合面外に排出された酸化物(ビード部)は後工程において熱間せん断などにより除去する。
また、後期フラッシュ速度が加速する場合は、その平均速度を後期フラッシュ速度とする。
さらに予熱工程以降、アプセット工程までの間の工程においてフラッシュ速度が時間の経過とともに増加し、前期フラッシュ工程と後期フラッシュ工程の区分が困難な場合は、予熱工程終了後からアプセット工程開始までの経過時間の前半の1/2を前期フラッシュ工程とし、後半の1/2を後期フラッシュ工程とする。また、前期フラッシュ工程におけるフラッシュ速度の平均速度を前期フラッシュ速度、また、後期フラッシュ工程におけるフラッシュ速度の平均速度を後期フラッシュ速度とする。なお、フラッシュバット溶接は、溶接前の条件設定でフラッシュ速度、フラッシュ代を設定するため、予熱工程終了からアプセット工程開始までの経過時間を予め知ることができる。
フラッシュ速度が遅いと溶接面全体に均一に熱を加える効果が小さくなるため、フラッシュ速度は速いほうが好ましい。よって後期フラッシュ速度の下限値は2.1mm/secとする。しかしながら後期フラッシュ速度が速くなりすぎるとフリージングが生じる場合があるため、フラッシュ速度の上限は2.8mm/secとする。
以下に、本実施形態における後期フラッシュ速度の数値限定についてさらに詳細に説明する。
なお、後期フラッシュ速度を単純に上げると、前述の通り、溶接欠陥の原因となるフリージングが生じてしまう。そこで、後期フラッシュ速度を上げる以前の入熱量については、その速度を上げた後期フラッシュ速度で後期フラッシュ工程を開始でき、またそれ以降においても、後期フラッシュを安定して持続させるのに好適なフラッシュ時間、予熱回数に設定する。
なお、後期フラッシュ代は、後期フラッシュ工程において、レール鋼から溶融金属が飛散し被溶接物が除去された溶損量(溶損したレールの長さ)を指す。
図4に示すように、後期フラッシュ速度を上げるに従い、HAZ幅は狭くなる。これは、フラッシュ速度を速くすると電流が大きくなるため、単位時間当たりに投入される入熱量が高くなり、その結果、溶接面からレール軸に対して垂直方向の温度分布が急峻になるためである。
図6Bより、後期フラッシュ速度が2.1mm/secの場合のHAZ幅は24mm、軟化幅は8mmである。また、図2Bで示した後期フラッシュ速度が0.5mm/secの場合のHAZ幅は35mm、軟化幅は19mmであった。つまりこのことからも、後期フラッシュ速度を上げるに従い、HAZ幅及び軟化幅ともに狭くなることがわかる。
転動疲労試験には、レール鋼としては長さ2mの136ポンドレール(AREA規格136RE)を用い、車輪としては直径920mmのAAR(アメリカ鉄道協会)タイプとした。ラジアル荷重は196kN、スラスト荷重は9.8kNとした。またレール鋼と車輪の間には間欠給水を行って試験を行った。
図8に示すように、HAZ幅が27mmより狭い場合、摩耗深さは非常に小さくなる。
また図5に示したHAZ幅と軟化幅との関係により、HAZ幅27mmの時の軟化幅は10mmであるため、レール鋼の偏摩耗及び損傷を軽減するための必要な条件としては、HAZ幅を27mm以下、軟化幅を10mm以下とすることが好ましい。
つまり、HAZ幅を27mm以下、軟化幅を10mm以下という条件を満足するには、後期フラッシュ速度を2.1mm/sec以上とすることが好ましい。
また、後期フラッシュ速度の上限については、2.8mm/secとすることが好ましい。これは以下の理由による。後期フラッシュ速度を上げるほど狭いHAZ幅及び軟化幅を得ることができるが、溶接機の変圧器の容量が小さい場合やフラッシュ速度を速くする以前、つまり後期フラッシュバット工程以前の入熱量が少ない場合は、速度を上げすぎると、アークが生じるのに十分な入熱を供給することができなくなる。その結果、後期フラッシュを安定にかつ連続的に発生させることができず、また場合によってはフリージングに至る場合もあるためである。
図10に示すように、後期フラッシュ代を大きくするに従い、さらにHAZ幅が狭くなることがわかる。これは、後期フラッシュ代を大きくすることにより、溶接面近傍の熱分布のさらなる急峻化を実現することができ、結果、HAZ幅及び軟化幅が低減するためである。
また、図10より、フラッシュ代が10mm以上の場合、HAZ幅の減少が飽和する。このため、後期フラッシュ代の好適な範囲の下限を10mmとする。
また、後期フラッシュ代を大きくしすぎると、飛散する溶融金属量が多くなり、レール鋼に接続している電極まわりが汚れ、レール鋼の歩留が低下するおそれがある。さらには、電極等の設備干渉が生じるおそれもある。そのため、環境、コスト、設備制約の観点から、好適な後期フラッシュ代の上限を60mmとする。
また、従来よりも狭いHAZ幅および軟化幅が得られると同時に、曲げ性能も同時に満足することができる。
また、このような偏摩耗の減少や表面の損傷の低減などの結果、レール表層のグラインダ切削の周期延長、レール交換の周期延長にも寄与することができる。
また、偏摩耗を減少させることにより、車輪通過時に付与されるレールへの衝撃を抑制でき、レールの疲労破壊を防ぐことができる。
60≧後期フラッシュ代≧22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量 ・・・ 式(1)
なお、上記式(1)を満たす後期フラッシュ代を採用する際には、後期フラッシュ速度は0.5mm/secから2.8mm/secの範囲に制限してもよい。好ましくは1.2mm/secから2.8mm/secの範囲、さらに好ましくは2.1mm/secから2.8mm/secの範囲とする。
以下に、上記式(1)及び後期フラッシュ速度の限定理由について説明する。
図12に示すように、後期フラッシュ速度2.5mm/secの場合も、後期フラッシュ代を大きくするとHAZ幅は狭くなる。またフラッシュ速度2.5mm/secの場合は、後期フラッシュ代が7.5mm以上で、HAZ幅は飽和する。
フラッシュバット溶接機としては、AC電源で変圧器容量400kVA、アプセット荷重70kNのフラッシュ溶接機を用いた。溶接は、フラッシュ工程と予熱工程を組み合わせ、予熱回数は10回で、かつ初期フラッシュ工程と前期フラッシュ工程の合計時間は90secとし、後期フラッシュ工程における後期フラッシュ速度と後期フラッシュ代を表1に示すようにそれぞれ変化させて行った。
後期フラッシュ速度が2.1mm/sec以上の発明例1〜4及び、後期フラッシュ速度が2.1mm/sec未満ではあるが、後期フラッシュ代が22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量を上回る発明例5〜7は、本発明の規定を満たしており、27mm以下のHAZ幅、10mm以下の軟化幅を満足することができた。
しかしながら、後期フラッシュ速度が2.1mm/sec未満で、かつ後期フラッシュ代が22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量以下の比較例1〜3の場合、本発明の規定を満たしておらず、HAZ幅及び軟化幅を満足することができなかった。
2 電極
3 電源
4 レール鋼の移動方向
5 レール移動用スライダー
6 レール
7 車輪
8 モーター
9 荷重負荷装置
Claims (9)
- 一対の軌道用レール鋼間をフラッシュバット溶接する方法であって、
一対の前記軌道用レール鋼に電圧をかけ、両者の端面である溶接面を徐々に接近させることにより局所的に短絡電流を流し、抵抗発熱により前記溶接面を加熱し溶融させ、さらに、前記溶接面においてフラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面を加熱する初期フラッシュ工程と、
前記溶接面同士を強制的に接触させた状態で所定時間電流を流し、抵抗発熱により前記溶接面の付近を加熱する予熱工程と、
前記溶接面において部分的に前記フラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面を加熱する前期フラッシュ工程と、
前記溶接面全体にさらに前記フラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面全体に、均一に熱を加える後期フラッシュ工程と、を備え、
前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ速度が2.1mm/sec以上2.8mm/sec以下であることを特徴とするフラッシュバット溶接方法。 - 前記後期フラッシュト工程における後期フラッシュ代が、10mm以上60mm以下であることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュバット溶接方法。
- 前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ代が、下記式(1)の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のフラッシュバット溶接方法。
60mm≧後期フラッシュ代≧22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量 ・・・ (1) - 前記各軌道用レール鋼が、質量%で、C:0.85〜1.20%を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載のフラッシュバット溶接方法。
- 溶接継手部の熱影響幅を27mm以下、かつ軟化幅を10mm以下とすることを特徴とする請求項1または2に記載のフラッシュバット溶接方法。
- 一対の軌道用レール鋼間をフラッシュバット溶接する方法であって、
一対の前記軌道用レール鋼の溶接面同士を強制的に接触させた状態で所定時間電流を流し、抵抗発熱により前記溶接面の付近を加熱した後、一対の前記軌道用レール鋼を引き離す過程を4回以上繰り返す予熱工程と、
前記溶接面において部分的にフラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面を加熱する前期フラッシュ工程と、
前記溶接面全体にさらに前記フラッシュを生じさせるとともに、前記フラッシュの抵抗発熱とアーク発熱により前記溶接面全体に、均一に熱を加える後期フラッシュ工程と、を備え、
前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ代が、下記式(1)の範囲内であることを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
60mm≧後期フラッシュ代≧22.6−6×1秒当りの後期フラッシュ工程の溶損量 ・・・式(1) - 前記後期フラッシュ工程における後期フラッシュ速度が0.5mm/sec以上2.8mm/sec以下であることを特徴とする、請求項6記載のフラッシュバット溶接方法。
- 前記軌道用レール鋼が、質量%で、C:0.85〜1.20%を含有することを特徴とする請求項6または請求項7に記載のフラッシュバット溶接方法。
- 溶接継手部の熱影響幅を27mm以下、かつ軟化幅を10mm以下とすることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のフラッシュバット溶接方法。
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