JPH01162596A - レール溶接用複合ワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は鉄道用またはクレーンレール用レールを突き合
わせ溶接または肉盛溶接する際に用いられる自動溶接用
複合ワイヤに関するものである。

（従来の技術） 第１図はレールの断面を示し、ｌは足部、２は腹部、３
は頭部、４は頭表面である。従来からレールを突合せ溶
接または肉盛溶接するには、接合レール端面を開先加工
して逐次多層溶接する方法、あるいは■型開光で突き合
わせた後レール足部１を多層溶接し、その後腹部２と頭
部３をエンクローズド当合材で取り囲み、連続的に溶接
するエンクローズドアーク溶接法が用いられている。ま
た、レールの肉盛溶接には突合せ溶接部のレール頭表面
４を硬化肉盛したり、レールの局部的な表面きずまたは
摩耗部分を肉盛補修する方法がある。

しかしながら、これらの溶接技術は被覆アーク溶接棒を
使用する手溶接法であり、溶接用複合ワイヤを用いる自
動溶接法は未だ実用に供されたものがない。従って上記
の既存溶接技術では■作業に熟練を要する、■予熱温度
が高いため作業環境が悪い、■作業能率が劣る、等の問
題があり、熟練を必要としない自動溶接法およびそれに
適用する溶接材料の開発が要望されている。

レールはその使用目的から頭表面では車輪とのころがり
接触に対する耐摩耗性と疲労亀裂に対する抵抗力、すな
わち耐疲労損傷性の大きい性質が要求されている。一方
、足部と腹部では車輪通過時の衝撃あるいは曲げ荷重に
耐え得るだけの静的強度と疲労強度が必要とされており
、さらに溶接割れ等の溶接欠陥についても皆無または実
用的にさしつかえない程度以下に極力少なくなっていな
ければならない。

現在世界の鉄道用普通レールの化学成分は第１表に示す
ように重量％でＣ；　０．４０〜０．８２％。

Ｓｔ　；　０．０５〜０．３５％、　Ｍｎ；　０．６０
〜１．２５％を含有しており、その金属組織はパーライ
トで、引張り強さは７０ｋｇ／−以上である。

最近、レール使用性能に関する研究は多（、耐摩耗性と
疲労損傷性はパーライト組織が最も優れ、マルテンサイ
ト組織は有害で、同じパーライト組織であれば硬さが大
きくＣ含有量の多い方が優れていることが明らかにされ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） これらの性能をさらに高めるため前記の普通レールの頭
表面または全体を熱処理した硬頭レールまたは前記普通
レールの成分にＳｉ　；　１．１％以下、Ｍｎ　；　１
．６％以下まで高めさらにＣｒ、　Ｎｉ、　Ｍｏ、　　
Ｖ。

Ｎｂ、　Ｃｕのうち一種または二種以上でＣｒ　；　１
．３％以下、Ｍｏ；またはＶ　ｉ　０．３％以下、Ｎｂ
　、　０．１以下、Ｃｕ　；　０．３％以下添加した合
金鋼レールおよび両方を併用した合金鋼熱処理レールが
実用化されている。

従来、レールを突合せ溶接または肉盛溶接する際に用い
られる被覆アーク溶接棒は第２表に示すようにＪＩＳＺ
３２１３低合金高張力鋼用被覆アーク溶接棒である。こ
れらの溶接棒は通常厚鋼板等に使用されるため、ＪＩＳ
Ｚ３５０３被覆アーク溶接棒心線用線材またはＪＩＳＧ
３５０５軟鋼線材で定められるＣ　、　０．２５％以下
、Ｍｎ　；　０．６５％以下の線材にＮｉ、　Ｃｒおよ
びＭｏの一種または二種以上の合金成分剤を含有するフ
ラックスを被覆したものである。従って、このような溶
接棒をレールに適用した場合に形成される溶接金属はＣ
；０．３％以下で、Ｓｉ、　Ｍｎの他に、Ｎｉ、　Ｃｒ
、　Ｍｏの一種または二種以上を０．１％以上含有する
。このためレール母材の溶融境界部近傍に高温割れが発
生する。この高温割れはレール鋼の溶融点が約１４７０
″Ｃであるのに対し、溶接金属はそれより高く約１５３
０℃であるために理論的に避けられない。さらにこの溶
融境界部近傍には溶接のままで多量のマルテンサイト組
織を生成し、疲労強度が著しく低下するので、通常溶接
後７１０°Ｃ以下の温度で焼き戻しまたは焼きなましを
しなければならない。その結果、溶接金属の組織は耐摩
耗性の低い焼き戻しマルテンサイトを生成するため、前
記の溶接棒を用いたレールの溶接部はたとえ硬さが母材
レールと同じでも溶接金属層が局部的に早期に摩耗する
。

このような高温割れおよび局部摩耗は母材レールが高Ｃ
で合金鋼化すなわち高強度化すればするほど顕著になり
、高強度レールにおいては実際に溶接不能の状態になっ
ていた。

またレールの肉盛溶接法には第２表で示すようなＪＩＳ
Ｚ３２５１硬化肉盛用被覆アーク溶接棒のＤＦ２Ａまた
はＤＦ２Ｂに該当する溶接棒が用いられている。ＤＦ２
Ａに該当する溶接棒は前記低合金高張力鋼用溶接棒とほ
とんど変わらないので、前記の問題がそのきま当てはま
る。ＤＦ２Ｂで形成される溶接金属は溶接のままではマ
ルテンサイト組織を生成するので、溶接後焼き戻し処理
を施さざるを得ない。このため、溶接金属は焼き戻しマ
ルテンサイト組織となってパーライト組織が得られない
だけでなく、熱処理レールではこのような後熱処理をす
ると、この熱影響を受ける母材レール頭表部が軟化し、
かえって摩耗が著しくなるという事態が発生していた。

本発明は前記の従来技術における問題点を本質的に解決
すると共に熱処理または合金鋼レールのような高強度レ
ールにも良好な継手性能を安定して確保する事ができ、
さらに自動化により、特に熟練技術を必要とせずに作業
能率の増大を図ることができ、かつ溶接欠陥発生を皆無
にすることのできる鉄道用レールまたはクレーンレール
に用いる溶接用複合ワイヤを提供するものである。

この目的のために本発明者らは広範囲な研究を行った結
果、第２表に示すような従来の被覆アーク溶接棒によっ
て形成された溶着金属は母材レールと著しく異なった成
分となるため前記のような問題が発生することを知見し
、溶着金属が従来溶接には不適当とされてきた母材レー
ルと類似の高Ｃ型パーライト組織となる全く新しいレー
ル溶接用複合ワイヤを発明した。

（問題点を解決するための手段） 本発明の要旨は合成成分剤または合金成分剤とスラグ形
成剤のフラックスを充填してなる溶接用複合ワイヤにお
いてスラグ形成剤を除いた溶接用複合ワイヤの重量に対
し重量％でＣｉ　０．４〜１．０％、Ｓｔ　；　０．０
５〜１．１％、Ｍｎ；０．３〜１．６％、あるいはさら
にＣｒ；０．０５〜１．３％、Ｎｉ；０．０５〜２．０
％、Ｍｏ、ＶＢ夫々０．０１〜０．３％、Ｎｂ　；　０
．０１〜０．１％、Ｃｕ；　０．０５〜０．３％を一種
または二種以上含有し残部がＦｅおよび不可避不純物か
らなることを特徴とするレール溶接用複合ワイヤである
。

以下溶接用複合ワイヤ中の合金成分量を重量％で表示す
る場合には特にことわらない限りスラグ形成剤を除いた
溶接用複合ワイヤの重量に対するものであると定義し次
に作用を説明する。

〔作用〕

本発明による溶接用複合ワイヤで得られる溶接金属はＣ
；０．４〜０．９％、Ｓｔ　；　０．１〜１．０％、Ｍ
ｎｉ　０．６〜１．５％あるいは更にＣｒ、　Ｎｉ、　
Ｍｏ、　　Ｖ、　Ｎｂ。

Ｃｕのうち一種または二種以上でＣｒ　；　１．３％、
以下、Ｎｉ；２．０％、以下、Ｍｏ、Ｖ；夫々０．３％
以下、Ｎｂ；０．１％以下、Ｃｕ　；　０．３％以下残
部がＦｅおよび不可避不純物となるために、その成分は
母材レールと類似の高炭素成分で母材レールの溶融境界
層に高温割れの発生がなく、適切な後熱処理を施すこと
により、母材レールと類似のパーライト組織、硬さ、引
張り強さおよび耐食性等の継手性能が得られる。

以下に本発明のレール溶接用複合ワイヤにおける各合金
成分の添加理由とその限定値について詳細に説明する。

Ｃは溶着金属にレール鋼と類似のパーライト組織を生成
させるための必須成分であると同時に、溶着金属を高炭
素成分系すなわちＣ；　０．４〜０．９％に調整して、
この凝固温度をレール鋼とほぼ同等にすることによって
、従来技術で発生していた母材レールの溶融境界層にお
ける高温液化割れを防止するもので本発明の最大の特徴
をなすものである。更に、溶着金属のＣ含有量が増加す
るに従い継手引張り強さおよび硬さが増加するため溶接
金属の耐摩耗性および耐疲労損傷性を向上させることが
できる。溶接用複合ワイヤのＣ含有量が０、４％未満で
は溶着金属のＣ量も０．４％未満となる場合が生じ、母
材レールの溶融境界層に高温割れが発生すると共に溶接
金属のパーライト組織が少なくなり継手引張り強さの７
０ｋｇ／−以上が得られない。一方溶接用複合ワイヤの
Ｃ含有量が１．０％超では溶着金属のｃ３１が０．９％
超となり、溶接金属に初析セメンタイトが析出し、溶接
金属が著しく脆化する。

Ｓｉは通常溶着金属の脱酸剤として含有されるものであ
るが、サブマージドアーク溶接またはエレクトロスラグ
溶接の場合フラックスから添加される場合もあり、必要
に応じてその量をコントロールし溶着金属中のＳｉ含有
量を０．１％〜１．０％の範囲に入れるようにする。レ
ール鋼のＳｉ含有量は通常０．１％以上であり、Ｓｉは
パーライト組織においてフェライトを強化して強度を上
昇させると同時に耐疲労損傷性を向上させ、さらにパー
ライト変態の開始時間、温度におぼす影響が小さいため
溶着金属のＳｉ量がレール鋼より多く含有しても、１．
０％以下であれば有害にはならない。従って母材希釈お
よびフラックスが含有するＳｉ源を考慮して溶接用複合
ワイヤのＳｉ含有量は０．０５〜１．１％の範囲に入る
ようにする必要がある。

ＭｎはＳｉ同様溶着金属の脱酸剤として添加される。

レール鋼のＭｎ含有量は０．６％以上であり、Ｍｎはパ
ーライト変態を遅滞させる元素であって添加量によりパ
ーライト変態の開始が変化し強度も変化するので、溶着
金属のＭｎ含有量はレール鋼とほぼ対応したものでなけ
ればならない。溶接用複合ワイヤ中のＭｎ量が０．３％
未満では溶着金属のＭｎ量が低くなり、溶着金属の引張
り強さまたは伸びすなわち延性が低下する。一方溶接用
複合ワイヤ中のＭｎ量が１．６％超では溶着金属のＭｎ
量が増加し、溶接金属中に形成されたマルテンサイトを
パーライトに変態させる後熱処理が著しく困難となる。

母材レールが前記Ｃ，Ｓｔ、　Ｍｎの他にＣｒ、　Ｍｏ
、　Ｖ。

Ｎｂ、　Ｃｕのうち一種または二種以上含有する場合に
は、溶着金属にもこれらの合金成分を母材レールと同等
もしくはそれ以下の量だけ含有しなければならない場合
がある。すなわちＣｒ、　Ｍｏ、　　ＶはＭｎと同様パ
ーライト変態を遅滞させる元素であって、添加量により
パーライト変態の開始が変化し強度も変化するので、母
材レールがこれらの合金成分を含有する合金鋼である場
合には、すくなくともレール頭頂面に用いる溶接用複合
ワイヤにもこれらの合金成分を含有していないと、溶接
のまま、または溶接後の熱処理によって母材レールと類
似の金属組織、硬さおよび継手引張り強さが得られない
。従って溶接用複合ワイヤのＣｒ、　Ｍｏ、　Ｖ含有量
はＣｒ　；　０．０５〜１．３％、Ｍｏ、　　Ｖ、夫々
０．０１〜０．３％にする。

Ｎｂはパーライト変態の終了時間を大幅に短縮させる元
素であるため、溶接後の冷却中に生成する有害なマルテ
ンサイトを防止する効果がある。しかし溶着金属のＮｂ
含有量が０．１％を超えると巨大な炭・窒化物を生じ、
靭性・疲労強度を低下させるので、溶接用複合ワイヤの
Ｎｂ含有量は０．０１〜０．１％とする。

Ｃｕはレール鋼の耐食性を向上するのに効果のある合金
成分であり、耐食性レールには０．３％以下含有される
。従って、耐食性レールの溶接には溶着金属にも０．３
％以下のＣｕを含有しないと母材レールと同様の耐食性
が得られない。しかし溶着金属のＣａ含を量が０．３％
超では、熱間脆性を起こし表面きずが発生するので、溶
接用複合ワイヤのＣｕ含有量は０．０５〜０．３％とす
る。

Ｎｉはレール鋼の延性または靭性を向上する合金成分で
あるが、レール鋼はもともと延性または靭性が低くても
使用可能な鋼材であるため、レールに添加する場合は少
ない。しかし溶着金属に２．０％以下含有すると溶接部
の延性または靭性が向上するので、溶接金属にＮｉを添
加する必要のある場合がある。しかし溶着金属がＮｉを
２．０％超金含有ると、溶接金属に高温凝固割れが発生
しやすくなるので、溶接用複合ワイヤのＮｉ含有量は０
．０５〜２．０％とする。

またＣｒ、　Ｍｏ、　　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｃｕの各々の下
限値は各成分における下限値未満の値では各成分による
有効な作用を得ることができないことにより設定されて
いる。

また、スラグ形成剤は通常の溶接用複合ワイヤにおいて
は、ビード形成のためのスラグ粘性調整剤、アーク安定
剤として含有されているものであるが、本発明の複合ワ
イヤの使用においてはガスシールド溶接ばかりでなく潜
弧溶接法、およびエレクトロスラグ溶接法にも適用され
ることから外部からのスラグ形成剤供給があるため必ず
しも含有する必要はない。

また、スラグ形成剤を含有する場合には、それが多量に
含有されるとスラグ量が増えすぎ溶接作業性を損なうの
で、溶接用複合ワイヤ中に含有されるスラグ形成剤とし
ては溶接用複合ワイヤの全重量に対して１０％以下が望
ましく、成分としては通常溶接に使用されるＣａＦ　ｚ
　、　ＮａＦその他のフッ化物、５ｉＯｚ、　ＭｎＯ＋
　Ｔｉ０ｚその他の酸化物、ＣａＣ０：＋＋　ＢａＣ０
＋その他の炭酸塩等の１種または２種以上の混合物を溶
接法に応じて適宜配合し含有するものである。

また各合金成分は、フラックスとしてワイヤ中に含有さ
せることができるが、鋼製外皮に成分の一部又は全部を
含有させても構わず、ワイヤ全体として各成分値は規制
されるものである。

また本発明の溶接用複合ワイヤの断面を第２図ａ、ｂ、
ｃ、ｄにその一例を示す。５は鋼製外皮、６は合金成分
剤またはスラグ形成剤等のフラックスである。どの断面
においても１０〜３０％のフラックス含有は可能であり
、従って断面形状において本発明の複合ワイヤが規制さ
れるものではない。

以上詳述したように、本発明溶接用ワイヤを用い、自動
溶融溶接（サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ
溶接およびＣＯ□ガスシールドアーク溶接等）を通常の
溶接条件のもとで、レール鋼に対して行っても、高温割
れ等の溶接欠陥が発生することなく施工でき、溶接後適
切な後熱処理を組み合わせることにより有害組織がなく
母材レールと同等の硬さとパーライト組織を有する溶接
継手を得ることができる。

以下に実施例によって本発明の効果をさらに具体的に説
明する。

（実施例） 使用したレール鋼を第３表に示す。

足部の溶接は潜弧溶接法（サブマージドアーク溶接）ま
たは水平エレクトロスラグ溶接法および両者の併用もし
くはＣＯ□ガスシールドアーク溶接法で行い、次いで銅
当金で溶接部周囲を囲った後、腹部・頭頂部の溶接を立
向上進エレクトロスラグ溶接法またはＣＯ２ガスシール
ドアーク溶接法で溶接した。

溶接条件を第４表に示す。

なお、いずれの場合も溶接施工開始時点でレール足部の
開先面を４００℃から５００°Ｃに予熱し、溶接完了後
レール断面全周を均等に加熱する多孔ノズルバーナーを
用いて８００°Ｃから１０００℃に加熱し放冷した。

第５表に使用したワイヤを示す。なおスラグ形成剤とし
てはＣａｃｔ　；　３０％、Ｔｉ０ｚ　；　３０％、５
ｉＯｚ２０％、ＮａＦ；１０％、ＣａＣＯ３，’　１０
％を配合したものをワイヤ全重量に対し１．５％含有さ
せている。ワイヤＦＣ−１からＦＣ−２４は本発明の溶
接用複合ワイヤ、ＦＣ−２５からＦＣ−３０は比較例の
溶接用複合ワイヤである。竿６表に試験結果を示す。割
れ発生の有無は一溶接中央部の縦断面マクロ試験片を採
取し、研磨後カラーチエツク、検鏡により確認した。本
発明例として示した溶接用複合ワイヤＦＣ−１からＦＣ
−２４は、溶接割れが発生せず金属組織も母材レールと
同様微細パーライトとなり、十分実用に耐えうることが
分かる。一方、比較例として示したＦＣ−２６、ＦＣ−
２７、ＦＣ−２８、ＦＣ−３０はＣ含有量が低いためＨ
ＡＺに高温液化割れが生じ、またＣ含有量が多いＦＣ−
２９およびＣｒ、　Ｎｉ、　Ｍｏ、　Ｎｂ、　Ｃｕが本
発明の範囲より多く含有されているＦＣ−２５において
は溶接金属の延性が低下し、しかも溶接金属凝固割れが
発生し、とても実用に供しうるちのではない。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明の溶接用複合ワイヤにより割
れ発生のない健全なレールの溶接ができ、溶接継手の信
転性を大幅に向上しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレール鋼の断面図、第２図はワイヤ断面形状の
一例を示す断面図である。 １・・・レール足部、２・・・レール腹部、３・・・レ
ール頭部、４・・・レール頭表面、５・・・鋼製外皮、
６・・・フラックス。 第１図 ／ 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）合金成分剤または合金成分剤とスラグ形成剤のフ
   ラックスを充填してなる溶接用複合ワイヤにおいてスラ
   グ形成剤を除いた溶接用複合ワイヤの重量に対し重量％
   で Ｃ；０．４〜１．０％ Ｓｉ；０．０５〜１．１％ Ｍｎ；０．３〜１．６％ 残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とす
   るレール溶接用複合ワイヤ
2. （２）合金成分剤または合金成分剤とスラグ形成剤のフ
   ラックスを充填してなる溶接用複合ワイヤにおいてスラ
   グ形成剤を除いた溶接用複合ワイヤの重量に対し重量％
   で Ｃ；０．４〜１．０％ Ｓｉ；０．０５〜１．１％ Ｍｎ；０．３〜１．６％ さらに Ｃｒ；０．０５〜１．３％ Ｎｉ；０．０５〜２．０％ Ｍｏ；０．０１〜０．３％ Ｖ；０．０１〜０．３％ Ｎｂ；０．０１〜０．１％ Ｃｕ；０．０５〜０．３％ を一種または二種以上含有し残部がＦｅおよび不可避不
   純物からなることを特徴とするレール溶接用複合ワイヤ