JPH06292968A - 相対向するレールのアーク溶接法 - Google Patents

相対向するレールのアーク溶接法

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JPH06292968A
JPH06292968A JP4911893A JP4911893A JPH06292968A JP H06292968 A JPH06292968 A JP H06292968A JP 4911893 A JP4911893 A JP 4911893A JP 4911893 A JP4911893 A JP 4911893A JP H06292968 A JPH06292968 A JP H06292968A
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耕一 内野
Kazuo Sugino
和男 杉野
Makoto Okumura
誠 奥村
Katsuyoshi Kamiyama
且芳 上山
Mitsumasa Tatsumi
光正 辰巳
Takashi Nishimura
孝 西村
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レールなどの溶接構造物の具備すべき特性を
向上させるために溶接残留応力を最適な分布にする。 【構成】 C≦0.2%の低合金溶接金属および0.4
≦C≦1.0の溶接金属を用い、その組み合せにより溶
接部に発生する残留応力を圧縮あるいは引張に制御する
ことを特徴とする溶接方法。 【効果】 溶接構造物の溶接残留応力制御が可能とな
り、レール頭頂部の転がり疲労損傷性、レール底部の曲
げ疲労性の向上、機械構造用鋼の脆性き裂伝播の阻止が
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は鉄道や産業用機械の運搬
に使用されるレールの突合わせ継手部のアーク溶接法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】相対向するレールの突合わせ継手部の溶
接法にはアーク溶接法、テルミット溶接法、ガス溶接法
などが従来から使用されているが、中でも優れた溶接部
が手軽に得られまた設備費も安い利点から、一般にアー
ク溶接法が多く使用されている。そのアーク溶接法につ
いては特公昭56−4350号公報や特公昭56−17
987号公報など、多くの特許公報で紹介されている。
例えば特公昭56−4350号公報には、レールの溶接
法として、「溶接すべきレールを互いに間隔をおいて対
向させた状態で、底部を通常の積層法で溶接し、その上
方の腹部と頭部はその接合部の側面を銅ブロックで囲み
ながらその空所を連続的に垂直立向き溶接する手法」が
紹介されている。また、特公昭56−17987号公報
にも「溶接アークを間欠的にオシレートさせることによ
り、溶接ビードに一定間隔の突起部を設ける溶接方法」
が開示され、その溶接の基本的手法は特公昭56−43
50号公報の溶接法と変わっていない。さらに、これら
の溶接法には、表1で示すような溶接金属成分組成が得
られるように、C:0.15%以下の低炭素で少量のN
i,Cr,Moなどの成分を含有したJIS−Z321
2低合金高張力鋼用被覆アーク溶接棒が使用されてい
る。
【0003】
【表1】
【0004】このような被覆アーク溶接棒を用いると、
引張強さ80kgf/mm2 以上の溶接継手部が得られるが、
その反対に、溶接時の熱収縮に加えベイナイト(アシキ
ュラーフェライトを含む)あるいはマルテンサイトへの
組織変態が400℃前後の低温度で生じることに起因し
て、レールのように繰返し応力のかかる溶接継手部にお
いては、図3で示すように、レール溶接頭頂部(c部)
で著しく高い引張残留応力を生ぜしめ、疲労損傷特性の
低下が懸念されていた。
【0005】また、レール溶接用として開発され特公平
4−54557号公報で開示されているC:0.4〜
1.0%を含有する高炭素鋼系被覆溶接棒は、強靭性に
優れたパーライト組織を生成し、しかもその溶接金属は
650℃前後で共析変態するため、図4で示すように、
レール溶接頭頂部(c′部)では圧縮残留応力を呈して
耐摩耗性や車輪との転がり接触下での耐疲労損傷性など
レールに要求される特性を向上するが、その下方の溶接
底部の初層溶接部(a′)はその後の積層溶接の結果、
レール継手全体の残留応力バランスから引張残留応力を
呈し、脚部aの底部a′の曲げ疲労強度を低下する問題
があった。特に、レール脚部aの底部a′は、列車通過
の際曲げ(表面では引張)応力の繰り返しを受けるた
め、著しく疲労寿命を速めるという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記したよう
な問題点を解消するものであってレール継手部における
溶接残留応力を最適な分布にし、レールに要求される特
性を向上させるレールのマーク溶接法を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明者は、アーク溶接法について溶接棒の成分設計
ならびに溶接施工法から検討した結果、継手溶接部を高
炭素鋼系溶接棒で接合した後、接合下方部を低炭素低合
金鋼系溶接棒で重ね溶接(化粧溶接)すると、図1に示
すように、圧縮残留応力が最適位置に付与できることを
知見した。本発明はこの知見に基づいて構成したもので
あって、その要旨とするところは、相対向するレールの
突合わせ継手部の脚部をC:0.3%以下の低炭素低合
金鋼系溶接棒またはC:0.4〜1.0%の高炭素鋼系
溶接棒で溶接した後、腹部から頭部をC:0.4〜1.
0%の高炭素鋼系溶接棒で溶接し、しかる後脚部の溶接
継手上面をC:0.3%以下の低炭素低合金鋼系溶接棒
で重ね溶接する相対向するレールのアーク溶接法にあ
る。
【0008】以下本発明を、図1に示したレール溶接に
基づいて詳細に説明する。図1は、狭隘な開先を設けて
相対向するレールの突合わせ継手部を溶接した時の、溶
接継手断面を示す。先ず、相対向するレールの突合わせ
継手部の脚部(a)を、C:0.3%以下の低炭素低合
金鋼系溶接棒またはC:0.4〜1.0%の高炭素鋼系
溶接棒を溶加しながら、継手溶接する。図示の例では、
後者の溶接棒を使用し、下記の表2のHに示す溶接金属
成分としている。この溶接法において、C:0.3%以
下の低炭素低合金鋼系溶接棒またはC:0.4〜1.0
%の高炭素鋼系溶接棒は、レール脚部aの底面a′に圧
縮残留応力を付与し、疲労強度を向上するために使用す
る。
【0009】さらに、レール腹部bおよび頭部cは、そ
の溶接継手部を両側面から鋳型ブロックで囲みながら、
C:0.4〜1.0%の高炭素鋼系溶接棒で接合する
(図示の例では表2のG,Fの溶接金属成分となってい
る)。この時使用する溶接棒のC含有量が0.4%未満
の低炭素低合金鋼系溶接棒では、レール鋼のC含有量
(通常、0.6〜0.8%)との差が大きいため、レー
ルと溶接金属の境界の溶接熱影響部に熱間割れを発生
し、継手疲労損傷の原因となる問題がある。特にC含有
量が0.6%以上で得られるパーライト鋼(レール鋼と
同じ)は、C含有量が0.3%未満の低合金含有で得ら
れるベイナイト鋼の硬さと同じであっても、耐摩耗性が
およそ2倍以上あり、レール継手として有効である。し
かし、C含有量が1.0%を超えると、パーライトにセ
メンタイトが析出して、耐疲労損傷性を低下する。尚、
レールの脚部は、頭部ほど過酷な特性が要求されること
がなく、しかも後続の重ね溶接によって圧縮残留応力に
変化するため引張強さが80kgf/mm2 以上であればよ
く、0.3%未満の低炭素、0.4〜1.0%の高炭素
を含有するいずれの溶接棒を使用してもよい。
【0010】本発明において使用する高炭素鋼系溶接棒
の主たる目的はパーライト組織を得ることにあって、そ
の他の合金成分の添加量について特に限定するものでは
ないが、マルテンサイト組織やベイナイト組織の生成を
防止する理由からSi:<2.0%、Mn:<2.0
%、Cu:<3.0%、Ni:<3.0%、Cr:<
1.0%、Mo:<1.0%、V:<1.0%、Nb:
<1.0%、Ti:<0.5%を選択的に添加した高炭
素鋼の低合金系溶接棒を使用してもよい。このような高
炭素鋼系溶接棒で接合を終えたレールの頭頂部cの表面
c′は、図3のように低炭素低合金鋼系溶接棒を用いた
溶接接合部と異なり、圧縮残留応力を呈し、転がり疲労
強度を向上する。
【0011】しかる後、本発明では、変態温度を低下さ
せ引張残留応力を付与するC:0.3%以下の低炭素低
合金鋼系溶接棒を用いて、レール脚部aの溶接継手上面
を重ね溶接(k)する。この重ね溶接(k)法は、例え
ば高炭素鋼系溶接棒を使用して引張残留応力となったレ
ール脚部a(図4参照)の溶接継手上面を例えば図2の
(イ)に示すように低炭素低合金鋼系溶接棒で再び溶接
(k)して、該上面部分の変態温度を低下させ、かつ引
張残留応力を生成させることにより、レール脚部aの底
部a′を内部応力バランスによって圧縮残留応力に変化
させ、レール脚部全体の疲労強度を改善しようとするも
のである。この場合に使用される低炭素低合金鋼系溶接
棒は、アルテンサイト変態あるいはベイナイト変態を生
ずる成分組成のものでよく、C:<0.3%、Si:<
3.0%、Mn:<3.0%、Cu:<5.0%、N
i:<5.0%、Cr:<5.0%、Mo:<3.0
%、V:<2.0%、Nb:<1.0%、Ti:<0.
5%、B:<0.0030%を選択的に含有して構成さ
れるいずれの溶接棒を使用してもよい。また、この場合
の重ね溶接(k)の厚みについては、特に限定されるも
のではないが、通常の4mm径溶接棒(溶接電流値:10
0〜180A)、5mm径溶接棒(溶接電流値:180〜
280A)で溶接する場合に得られる溶接ビード厚みに
相当する程度の3〜10mmの範囲であればよい。
【0012】以上のような本発明の溶接方法によると、
レール溶接継手部材の上下部は圧縮残留応力を呈し、耐
摩耗性、耐疲労損傷性などレールに要求される特性を、
著しく改善する特長がある。
【0013】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図2
の(イ),(ロ),(ハ)は、6mmの間隙開先を設けて
相対向するレールを、前記した表1に示す低炭素系被覆
アーク溶接棒と表2に示す高炭素系被覆アーク溶接棒を
任意に選択しながら接合した時の、溶接継手部の残留応
力値(○内数字で+は引張、−は圧縮を表わす)を示
す。尚、図中の○付きアルファベットは、表1,2にお
ける被覆アーク溶接棒(溶接金属の成分で示す)の符号
(種類)を示す。
【0014】
【表2】
【0015】上記の実験結果から明らかなようにレール
の頭頂部と脚部の底部は、図4と異なり、いずれも圧縮
残留応力を呈した溶接継手部を得ることができる。この
ことは、耐摩耗性や耐疲労損傷性など特性の優れたレー
ルを製造されることを示唆するものである。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レール継手部の溶接後の残留応力が最適になるように溶
接することにより、継手部材の上下部が圧縮応力を呈す
るようにし、耐摩耗性、耐疲労損傷性などを著しく改善
でき、すぐれた特性をもつ、レール継手部とすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明法によるレール溶接法の説明図。
【図2】(イ),(ロ),(ハ)はそれぞれ本発明によ
るレール溶接法の実施例を示す説明図。
【図3】従来法によるレール溶接法を示す説明図。
【図4】従来法による他のレール溶接法を示す説明図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 誠 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 上山 且芳 東京都国分寺市光町二丁目8番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 辰巳 光正 東京都国分寺市光町二丁目8番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 西村 孝 東京都国分寺市光町二丁目8番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相対向するレールの突合わせ継手部の脚
    部をC:0.3%以下の低炭素低合金鋼系溶接棒または
    C:0.4〜1.0%の高炭素鋼系溶接棒で溶接した
    後、腹部から頭部をC:0.4〜1.0%の高炭素鋼系
    溶接棒で溶接し、しかる後脚部の溶接継手上面をC:
    0.3%以下の低炭素低合金鋼系溶接棒で重ね溶接する
    ことを特徴とする相対向するレールのアーク溶接法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010116680A1 (ja) 2009-03-30 2010-10-14 新日本製鐵株式会社 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

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US8557064B2 (en) 2009-03-30 2013-10-15 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Method of cooling rail weld zone, and rail weld joint

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