JPH0451275B2

JPH0451275B2 -

Info

Publication number: JPH0451275B2
Application number: JP62317440A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Okazaki; Nobutaka Yurioka; Makoto Okumura; Hiroshi Kashiwabara; Hirohisa Fujama
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1992-08-18
Also published as: JPH01162596A

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、１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Ｉ型開先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
クローズド当金材で取り囲み、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。従つ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つていな
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％、Si；
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／mm²以上である。最近、レール使用性能に関する研究は多く、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；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JISZ3213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、JISZ3503被覆アーク溶接棒心線
用線材またはJISG3505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
を含有するフラツクスを被覆したものである。従
つて、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℃であるのに対
し、溶接金属はそれより高く約1530℃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℃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にな
つてなつていた。またレールの肉盛溶接法には第２表で示すよう
なJISZ3251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。DF2A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
題がそのまま当てはまる。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ド組織を生
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
イト組織となつ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、かえつ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
行つた結果、第２表に示すような従来の被覆アー
ク溶接棒によつて形成された溶着金属は母材レー
ルと著しく異なつ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ツ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％、あるい
はさらにCr；0.05〜1.3％、Ni；0.05〜2.0％、
Mo，Ｖ；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％、Si；0.1〜1.0％、Mn；
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
にすることによつて、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
％末満では溶着金属の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70Kg／mm²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Ｃ量が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ツクスから添加され
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
フエ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。従つて母材希
釈およびフラツクスが含有する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Mn含有量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つて添加量
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
すなわち延在が低下する。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，Si，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
る元素であつて、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つて
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。従つ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
下含有させる。従つて、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Cu含有量が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
含有すると、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端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CaF₂，NaFその他のフツ
化物、SiO₂，MnO，TiO₂その他の酸化物、
CaCO₃，BaCO₃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、フラツ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
ツクスである。どの断面においても10〜30％のフ
ラツクス含有は可能であり、従つて断面形状にお
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CO₂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
に対して行つても、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。以下に実施例によつ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CO₂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つた
後、腹部・口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℃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℃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CaF₂；30％、TiO₂；30％、SiO₂20
％、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。第６表に試験結果を示す。割れ発
生の有無は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HAZに高温液割れが生じ、
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
しうるものではない。

【表】

【表】（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、溶接継手の信頼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……フラツクス。

Claims

【特許請求の範囲】１合金成分剤または合金成分剤とスラグ形成剤
のフラツ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合金成分剤または合金成分剤とスラグ形成剤
のフラツ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。