JPH05253674A - レール突合せ部の疲労強度改善溶接法 - Google Patents

レール突合せ部の疲労強度改善溶接法

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JPH05253674A
JPH05253674A JP3677592A JP3677592A JPH05253674A JP H05253674 A JPH05253674 A JP H05253674A JP 3677592 A JP3677592 A JP 3677592A JP 3677592 A JP3677592 A JP 3677592A JP H05253674 A JPH05253674 A JP H05253674A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は実路線で疲労破損事故が散見される
現地溶接の、溶接部の疲労強度を効果的、かつ経済的に
改善する方法を提供するものである。 【構成】 レールを溶接するにあたり、レール頭部側を
凸とするレール1m当りの角変形量が5〜25mmになる
ように逆ひずみを与えて溶接し、その後角変形量がなく
なるまでレール頭部側から負荷し、レール溶接部の底部
側に引張りの塑性変形を与えて該部に圧縮残留応力を付
与して溶接部の疲労強度を改善する。 【効果】 本発明により製作したレール溶接部の底部表
面は約245MPa の圧縮残留応力が発生し、これにより
溶接ままの疲労限度の1.5倍以上の疲労強度向上が図
られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレール突合せ部の疲労強
度の改善溶接法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】鉄道輸送の高効率化を狙って、列車の一
層の高速化、メンテナンスフリー化ならびに快適運行が
指向されている。こうした動向から、列車を支えるレー
ルについても一層の耐損傷性の要求が求められると同時
に、レールを溶接することによるロングレール化が図ら
れつつある。
【0003】レールの溶接法には、一般に実施されてい
るものとしてフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンク
ローズアーク溶接およびテルミット溶接がある。前二法
は一般にJRならびに私鉄各社の工場(基地)で実施さ
れ、後二法は一般に実路線の現地で実施される。
【0004】フラッシュバット溶接は、溶接しようとす
る両レール端部近傍を電極で挟み、接合端部に放電させ
てレール端部を溶融状態にした後、両レールを押付けて
接合する方法である。ガス圧接も接合法としては基本的
にはフラッシュバット溶接と同様で、ただレール端部の
溶融熱源にガスを使用することがフラッシュバット溶接
とは異なる。工場(基地)で実施されるこれらの溶接法
は、溶融圧接するために基本的には欠陥が発生しにく
く、また溶接環境および溶接実施条件が安定しているた
めに信頼性が高い。したがってレール溶接部の疲労強度
も非常に優れている。
【0005】ところが、後二法の溶接法の場合、エンク
ローズアーク溶接は一種の手アーク溶接であり、溶接者
の技術によって溶接部の品質が左右されること、テルミ
ット溶接は溶接しようとする両レール間に鋳型を設けて
鋳造する一種の鋳物であることから、鋳造欠陥などが発
生し易いこと、などの欠点がある。さらに、実路線で実
施されるために列車通過の合間を縫って溶接を実施する
などの時間的な制約があったり、溶接環境が悪かったり
などのことから、これらの溶接部は信頼性が低く、疲労
強度も低いのが実状であった。したがって、実路線にお
いて破損が発生している箇所はこれらの現地溶接箇所で
あり、エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接な
どの現地溶接箇所の疲労強度の改善が最大の課題となっ
ていた。これら溶接部の疲労強度を改善するために、従
来、エンクローズアーク溶接の場合は溶接技術の向上が
図られ、テルミット溶接の場合は鋳型の改善などで鋳造
欠陥の軽減技術が図られてきた。その結果、実路線にお
けるこれら溶接部からの疲労破損はかなり減少してきた
ものの、まだこれら溶接部からの疲労破損が散見されて
いた。その後、さらに溶接部の余盛り削除による応力
集中の削減、溶接後熱処理による硬さ分布の均一化、
などの処置が実施されてきているが、これら溶接部の疲
労強度を抜本的に改善するまでには至っていなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者らは、
エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接などの現
地溶接箇所における疲労破損の主原因が何に起因してい
るかを実破損レールについて詳細に検討を行った。その
結果、 (1)疲労破損起点は溶接欠陥などではなく、エンクロ
ーズアーク溶接の場合は溶接余盛りの研削疵であるこ
と、テルミット溶接の場合は溶接余盛り止端部の応力集
中箇所であること。 (2)疲労破損起点となっている溶接部のレール底部側
にはエンクローズアーク溶接およびテルミット溶接共に
レール長手方向に大きな引張残留応力が存在しているこ
と。 以上のことを明らかにした。したがって、これら現地溶
接箇所の疲労強度を改善するには、溶接部の応力集中を
極力小さくすること、および溶接部底部のレール長手方
向の引張残留応力を軽減あるいは圧縮側に変えることが
重要であることが分かった。
【0007】以上の知見をもとに、まず溶接部の応力集
中を極力小さくすることによる溶接部の疲労強度改善に
取り組んだ。エンクローズアーク溶接の場合、溶接余盛
り研削疵を極力小さくするために、グラインダー研磨盤
を#25〜#120まで変えたレールについて疲労強度
を調査した。その結果、研磨盤の粗さが小さいほど疲労
強度も向上することが分かった。しかし、フラッシュバ
ット溶接やガス圧接などのように工場(基地)で溶接す
る場合には粗さの小さい研磨盤で丁寧に仕上げられる
が、実路線の現地では列車通過の合間を縫って溶接する
ため、工場(基地)での溶接部のように時間をかけて丁
寧な仕上げを期待できない。したがって、溶接部底部の
レール長手方向の引張残留応力を軽減あるいは圧縮側に
変えることで、疲労強度の改善を図る必要があることが
分かった。
【0008】一方、テルミット溶接の場合、溶接余盛り
を剪断で打ち抜き、余盛り止端部の応力集中を小さくす
ることでどの程度の疲労強度改善が得られるかを検討し
た。その結果、疲労限度は20〜30MPa 程度改善でき
ることが分かった。さらに疲労強度を改善するには、エ
ンクローズアーク溶接の場合と同様にレール溶接部の残
留応力制御が必要であることが分かった。
【0009】溶接部底部のレール長手方向の引張残留応
力を軽減あるいは圧縮側に変える方法としては、特開昭
59−93837号公報および特開昭62−22704
0号公報のような溶接熱あるいは溶接後再加熱により残
留応力を制御する方法がある。しかし、これらの方法
は、残留応力が確実に制御されているかどうかの管理が
困難であること、また再加熱などの場合、加熱装置およ
び冷却装置が必要であるなど、残留応力制御にコストが
嵩むことなどの欠点がある。
【0010】そこで、本発明者らは、上記方法に変わる
低コストでかつ簡便なレール残留応力制御法を模索し
た。その結果、レールを曲げ加工すると、引張りの塑性
変形した側には圧縮の残留応力が発生することに着眼
し、レール頭部側が凸の角変形となるような変位を予め
与えて溶接し、溶接後、レール頭部側から負荷してレー
ル底部側表面に引張りの塑性変形を与えてレールを真っ
直ぐにすると同時にレール底部側に圧縮の残留応力を付
与する方法を提案した。本発明はこのようなレール溶接
部の疲労強度改善法を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところ
は、レールを相対向させて溶接するにあたり、溶接部の
レール頭部側を凸とするレール1m長さ当りの角変形量
が5〜25mmになるように逆ひずみを与えて溶接し、そ
の後角変形量がなくなるまでレール頭部側から負荷し、
レール溶接部の底部側表面に引張りの塑性変形を与える
レール突合せ部の疲労強度改善溶接法である。
【0012】以下本発明について図面を参照しながら詳
細に説明する。図1はレールの横断面を示す。まず説明
の便宜上レール各部の名称を述べる。図1において、1
の範囲は頭部、2の範囲は腹部、3の範囲は底部であ
る。図2は本発明によるレールの溶接後の角変形の状態
を示す。Yは溶接部を、Sは溶接後の角変形量を示す。
溶接後の角変形量Sは、レール頭部側を凸としてレール
長さ1m当たり5〜25mmになるようにレール溶接前に
逆ひずみを与えて溶接しなければならない。溶接後の角
変形量をレール頭部側を凸としなければならない理由は
レール頭部側から負荷してレール底部側表面に引張りの
塑性変形をさせながらレールを真っ直ぐにするためであ
る。レール底部側表面に引張りの塑性変形をさせること
で、レール底部側表面に圧縮の残留応力を付与するため
である。溶接後の角変形量Sをレール長さ1m当たり5
〜25mmに限定する理由は、5mm以下の角変形量ならば
レール底部側表面の引張り塑性変形量が小さくて、レー
ル底部側表面に耐疲労破損に効果的な大きい圧縮残留応
力を付与できないためである。角変形量の最大値を25
mmに限定する理由は、25mmを超える角変形量の場合、
レール頭部側から負荷してレールを真っ直ぐにしようと
する場合、テルミット溶接などでは静的に破壊が発生す
る恐れがあること、および25mm以上の角変形量ではも
はやレール底部側表面の圧縮の残留応力値は飽和を示す
ため、実用的にはあまり意味がないためである。
【0013】図3の実線Aは本発明による角変形を有す
るレールをレール頭部側から負荷している状態を示す。
Gは負荷治具を、Cは荷重支持治具を示す。本発明では
負荷方法を特に規定するものではない。レール底部側に
例えばまくら木間隔に相当するようなスパンを設けて該
スパン部に荷重支持治具Cをセットし、レール頭部側か
ら負荷治具Gで徐々に負荷する。負荷は油圧ジャッキや
機械的なスクリュージャッキなどが利用できる。負荷を
どの程度まで行うかについては、レールのスプリングバ
ック量と荷重の関係を予め実験室的にレール形状、鋼種
および溶接法などを変えて求めておくと、レールを頭部
側から負荷してレール底部側表面を引張り塑性変形させ
た後、除荷したときレールが真っ直ぐになるような荷重
を選択できる。図3の破線Bは負荷が終了した状態の本
発明レールを示す。
【0014】本発明によるレールの残留応力が溶接まま
の場合と比較してどう異なるか、をひずみゲージを用い
た切断法で求め、結果を表1に示す。
【0015】
【表1】
【0016】レール溶接ままではレール長手方向残留応
力は、溶接方法にほとんど無関係にレール頭部中央およ
び底部中央共に約200MPa 〜250MPa の引張り残留
応力を示す。一方、本発明法によるレールはレール頭部
中央では溶接ままの場合とほとんど変わらないが、疲労
強度に影響するレール底部側表面には約250MPa の圧
縮残留応力に変化していることが分かる。圧縮の残留応
力は疲労強度に非常に効果的に作用することが知られて
おり、端的にはレール底部側表面に約250MPa 以上の
引張応力が作用するような荷重をレール頭部側から負荷
しないと疲労破損が起こらないことになる。なお、レー
ル頭部側表面の引張残留応力については、レール頭部側
溶接部は余盛りままで負荷を行い、レールが真っ直ぐに
矯正された後溶接余盛りを研削することにより、引張残
留応力を除去できる。
【0017】
【実施例】以下に具体的実施例について説明する。本発
明による疲労強度改善効果がどの程度あるかを確かめる
ために、現地溶接法として一般的に使用されているエン
クローズアーク溶接法およびテルミット溶接法によっ
て、60kg/mの普通炭素鋼レールをそれぞれレール頭
部側が凸となるような逆ひずみを与えて溶接した。溶接
後の各々のレール角変形量およびX線によるレール長手
方向の残留応力測定結果を表2に示す。さらに本発明法
による疲労強度改善法を付与したレールの残留角変形量
およびX線によるレール長手方向の残留応力測定結果も
表2に比較併記した。
【0018】これらのレールについて、980KNの油
圧疲労試験機を用いて三点曲げ疲労試験を実施した。繰
返し応力範囲は健全エンクローズアーク溶接継手の疲労
限度の下限値である294MPa を負荷した。疲労試験結
果も表2に示す。
【0019】
【表2】
【0020】表2から明らかなように、本発明による疲
労強度改善法は非常に有効であることが分かる。すなわ
ち、溶接ままでは、レール底部側を#80の研磨盤を用
いて研削仕上げしても、エンクローズアーク溶接継手お
よびテルミット溶接継手ともに疲労破壊するのに対し、
本発明法ではいずれの溶接法でも疲労破壊の発生は見ら
れず、非常に優れた疲労強度を示すことが分かる。この
ように、本発明における各溶接継手の疲労強度が優れて
いる理由は、レール底部側表面に引張りの塑性変形させ
たことにより発生した約245MPa 程度の圧縮残留応力
に基づくものであることによる。したがって、レール底
部側については溶接余盛りままでも本発明法によって著
しく疲労強度が改善できることが期待され、施工工程の
大幅な省略、コスト削減が可能となる。
【0021】
【発明の効果】以上のように本発明は、溶接後極めて簡
便でかつ低コストの手段でレール底部側に圧縮の残留応
力を付与することができ、これにより極めて優れた疲労
強度を有するレール溶接部を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】レールの横断面を示す図。
【図2】本発明レールの溶接後の角変形の状況を示す
図。
【図3】本発明の角変形レールをレール頭部側から負荷
している状況を示す図。
【符号の説明】
1 レール頭部 2 レール腹部 3 レール底部 A 本発明角変形レール B 負荷後のレール C 荷重支持治具 G 負荷治具 S 角変形量
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年4月16日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】
【表1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0019
【補正方法】変更
【補正内容】
【0019】
【表2】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レールを相対向させて溶接するにあた
    り、溶接部のレール頭部側を凸とするレール1m長さ当
    りの角変形量が5〜25mmになるように逆ひずみを与え
    て溶接し、その後角変形量がなくなるまでレール頭部側
    から負荷し、レール溶接部の底部側表面に引張りの塑性
    変形を与えることを特徴とするレール突合せ部の疲労強
    度改善溶接法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102909249A (zh) * 2012-10-22 2013-02-06 中国科学院金属研究所 一种消除点焊接头再热裂纹的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102909249A (zh) * 2012-10-22 2013-02-06 中国科学院金属研究所 一种消除点焊接头再热裂纹的方法
CN102909249B (zh) * 2012-10-22 2015-04-22 中国科学院金属研究所 一种消除点焊接头再热裂纹的方法

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