JPH081328A - マンガンレールと普通レールの接続方法及び接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マンガンレールと普通レールとを溶接で接続
する場合において、その溶接体積が小さく、しかも溶接
部への応力集中を起こしにくいレールの接続方法ならび
に接続構造を提供する。 【構成】 少なくとも普通レールＲｃに対し、その接続
される側の端面の少なくとも下側縁部に開先部Ｏを形成
し、その開先部Ｏにマンガンを１０重量％以上含むマン
ガン鋼からなる肉盛部１を溶接により形成する。そし
て、普通レールをその肉盛部１の側でマンガンレールＲ
ｍと突き合わせて溶接し、溶接部４を形成することによ
り、それら両レールを互いに接続する。両レールＲｍ、
Ｒｃの突き合わせ部はＩ形開先に近い形態となり、溶接
体積が減少するので、工場あるいは現場における溶接時
間が大幅に短縮される。また、普通レールＲｃの端面下
縁部に高マンガン鋼の肉盛部が入り込むように形成され
るので、応力集中を起こしにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マンガンを１０重量％
以上含むマンガン鋼からなるマンガンレールと、機械構
造用炭素鋼（以下、炭素鋼と称する）からなる普通レー
ルとを接続する接続方法及び接続構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば図８に示すようにレールが
クロスする部分（クロッシングレール部）Ｃに、いわゆ
るマンガンレールＲｍが用いられている。そして、マン
ガンレールＲｍの両側に通常の炭素鋼からなる普通レー
ルＲｃが接続されることとなる。マンガンレールＲｍ
は、１０重量％以上のマンガンを含む高マンガン鋼（ハ
ットフィールド鋼等）で構成されるが、これは応力誘起
（加工誘起）マルテンサイト変態に基づく高い耐摩耗性
を有するので、クロッシングレール部Ｃの耐久性が高め
られる。

【０００３】ところで、このクロッシングレール部Ｃに
おいて、マンガンレールＲｍと普通レールＲｃの継ぎ目
部分に隙間部分が生じていると、列車がそこを通過する
ときに大きな騒音や振動を生ずる問題がある。そこでこ
れを解消するために、マンガンレールＲｍと普通レール
Ｒｃを突き合わせて、被覆アーク溶接により隙間が生じ
ないように接続する方法が実施されている。図９に示す
ように、この方法によれば、両レールの突き合わせ部に
相当大きなＶ形開先部Ｖを形成し、さらに普通レールＲ
ｃの端面に、成分調整及び脆化抑制のためのいわゆるバ
タリング層Ｂを形成した後、被覆アーク溶接により、そ
の開先部Ｖを埋めるように溶接部Ｍが形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】マンガンレールを構成
する高マンガン鋼は、４００℃程度以上の温度に加熱さ
れると炭化物等を析出して脆化する性質を有するので、
マンガンレールを普通レールと溶接する場合、部材への
入熱が小さくなるよう、溶接をなるべくゆっくりと行う
必要がある。ここで、上記従来の方法においては、図９
に示すように、レールの突き合わせ部に形成される開先
部Ｖの体積がかなり大きいので、工場あるいは現場にお
いてこれをそのような低速度の溶接で埋めるのには９時
間程度、開先部やバタリング層の形成時間をあわせると
１ケ所の接続部の溶接に１２時間近くもの長時間を有
し、作業能率が悪い欠点がある。

【０００５】そこで、溶接で埋めるべき体積（以下溶接
体積という）を減らすため、図１０に示すように、いわ
ゆるＩ形開先により溶接を行うことが考えられるが、図
１１に示すように、列車Ｔの通過によりレールがたわむ
ときに、普通レールＲｃとマンガンレールＲｍを比較す
ると、普通レールＲｃは剛性が高く弾性変形しにくいの
に対し、マンガンレールＲｍは弾性変形しやすい傾向が
あるため、幅の狭い溶接部Ｍにおいて応力集中が生じや
すい問題がある。

【０００６】本発明の課題は、マンガンレールと普通レ
ールとを溶接で接続する場合において、その溶接体積が
小さく、しかも溶接部への応力集中を起こしにくいレー
ルの接続方法ならびに接続構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】接続方法に関する発明
は、マンガンを１０重量％以上含むマンガン鋼からなる
マンガンレールと、炭素鋼からなる普通レールとを接続
する方法であって、下記の工程を含むものである。少
なくとも普通レールに対し、その接続される側の端面の
少なくとも下側縁部に開先部を形成する（開先部形成工
程）。その開先部に、マンガンを１０重量％以上含む
マンガン鋼からなる肉盛部を溶接により形成する（肉盛
部形成工程）。普通レールをその肉盛部の側でマンガ
ンレールと突き合わせて溶接することにより、それら両
レールを互いに接続する（溶接工程）。

【０００８】上記方法により得られるマンガンレールと
普通レールの接続構造は、マンガンレールと普通レール
の接続部に形成される溶接部と、少なくとも普通レール
に対しその溶接部と隣接する側の端面の少なくとも下側
縁部に形成される開先部と、その開先部を埋めるように
形成される肉盛部とを含むものとなる。そして、溶接部
及び肉盛部はマンガンを１０重量％以上含むマンガン鋼
により構成される。

【０００９】開先部は、上記端面の上側縁部及び下側縁
部の両方に形成してもよい。また、溶接部はその溶接の
後に低温焼鈍することができる。

【００１０】また、溶接部をレールの幅方向から挟むよ
うに、その溶接部の幅より長い補強プレートを向かい合
わせて、それぞれ両レールにまたがるように配置し、さ
らにこれら補強プレートを当該各レールを貫通するボル
ト手段により締結する工程を上記方法に付け加えること
ができる。これにより、溶接部の両側に補強プレートが
配置され、それらが各レールを貫通してボルト手段によ
り締結された接続構造を得ることができる。

【００１１】

【発明の作用及び効果】本発明の接続方法によれば、普
通レール側端面の下側縁部に開先部を形成し、そこにマ
ンガン鋼の肉盛部を形成してからマンガンレールと突き
合わせ溶接を行うので、その突き合わせ部は実質的にＩ
形開先部に近い形態となる。その結果、従来のＶ形開先
による溶接よりも溶接体積が少なく、工場又は現場にお
ける溶接時間を大幅に短縮することができる。また、そ
れにより得られる接続構造は、列車通過時のたわみによ
り応力集中しやすい普通レール端面の下側縁部に、弾性
変形しやすいマンガン鋼の肉盛部が入り込むように形成
されたものとなるので、応力集中を起こしにくく、接続
強度が高められる。

【００１２】また、溶接後に溶接部を低温で焼鈍するこ
とにより、溶接に伴う残留応力が緩和され、接続部の信
頼性が向上する。

【００１３】さらに、溶接部を補強プレートで挟んで、
ボルト手段によりそれらプレートを締結する方法ならび
に構造によれば、接続部の強度が向上し、その信頼性が
さらに高められる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の方法によるレール接続工程の
一例を示している。まず、図１（ａ）に示すように、例
えば機械構造用炭素鋼製の普通レールＲｃの突き合わせ
側端面に対し、その上下縁部に沿って開先部Ｏを例えば
フライスを用いた切削加工等により、えぐるように形成
する。開先部Ｏの大きさは、列車通過時に接続部にかか
る荷重等を勘案して適宜調整され、例えば普通レールＲ
ｃの高さＨが１５３mmの場合、上側縁部における幅ａ及
び高さｂ、下側縁部における幅ｃ及び高さｄはいずれも
２０mm以上が適当である。そして、ａ／Ｈ、ｂ／Ｈ、ｃ
／Ｈはいずれも０．１３〜０．１７の範囲に設定するこ
とが望ましい。

【００１５】次に、（ｂ）に示すように、開先部Ｏが形
成された普通レールＲｃの端面全面に溶射等の公知の方
法によりバタリング層Ｂを形成する。バタリング層Ｂ
は、高マンガン組成の溶接部ならびに肉盛部と普通鋼と
の間に、成分調整のための中間的なＭｎ組成域として介
在するとともに、普通レールと上記溶接部等との熱膨張
率の相違によって割れ等が生じることを防止する役割を
果たす。また、肉盛及び溶接に対する耐熱性と接合部の
耐摩耗性とを確保するために、Ｃｒ、Ｎｉ等の合金成分
も適宜添加される。そのようなバタリング層Ｂに用いら
れる合金として、Ｆｅ−２重量％Ｍｎ−２４重量％Ｃｒ
−１２重量％Ｎｉ（以下合金組成に関しては、単に％と
記して重量％を意味するものとする）もしくはそれに近
い組成の鋼材を例示することができる。なお、バタリン
グ層Ｂは省略することもできる。

【００１６】そして、（ｃ）に示すように、バタリング
層Ｂが施された開先部Ｏを埋めるように、肉盛部１が被
覆アーク溶接等により形成される。肉盛部１はマンガン
を１０重量％以上含む高マンガン鋼で構成される。ここ
で、肉盛部１を溶接により形成する場合、溶接材として
は、オーステナイト安定化成分であるＭｎ、Ｎｉ等の含
有量を増し、機械的性質（強度）改善のためのＣｒ等を
所定量含有するＦｅ系合金を用いることが望ましく、例
えばＦｅ−１６％Ｍｎ−１６％Ｃｒ−２％Ｎｉ合金もし
くはそれに近い組成の合金が使用される。オーステナイ
ト安定化成分の含有量を増す理由は、溶接部における炭
化物の析出を防止するため溶接材はなるべく炭素を含有
しないことが望ましいが、炭素量が少なくなると応力誘
起（加工誘起）マルテンサイト変態の母相であるオース
テナイト相が不安定となるので、これを安定化させるた
めである。

【００１７】続いて、形成された肉盛部１をグラインダ
ー等で研磨成形し、（ｄ）に示すようにマンガンレール
Ｒｍと突き合わせて下側に裏当て材２を配置するととも
に、その突き合わせ部の全断面を、肉盛部１とほぼ同じ
かそれに近い組成の溶接材３を用いて溶接し、溶接部４
を形成する。ここで、普通レールＲｃの開先部Ｏは肉盛
部１で埋められているので、突き合わせ部はほぼＩ形開
先に近い状態で溶接されることとなる。そのＩ形開先の
隙間ｇは例えば１２〜１７mm程度である。

【００１８】そして、最終的に（ｅ）に示すように、溶
接部４と隣接して普通レールＲｃの上下縁部に侵入する
ように肉盛部１が形成された接続構造が得られることと
なる。なお、開先部Ｏならびに肉盛部１は、列車通過時
に接続部にかかる荷重が比較的小さい場合などは、図２
に示すように、応力が集中しやすい普通レールＲｃの端
面下縁部のみに形成することも可能である。一方、開先
部Ｏならびに肉盛部１を普通レールＲｃ側のみでなく、
マンガンレールＲｍ側にも形成することもできる。

【００１９】上記突き合わせ溶接には、例えば図３〜図
５に示すような溶接ロボットによる自動溶接、特にＭＩ
Ｇ溶接を好適に採用することができる。ここで、図３に
示す溶接ロボットＷＲは、マンガンレールＲｍ及び普通
レールＲｃの突き合わせ部を収容する溶接チャンバ２０
を備え、その上方に位置する溶接ヘッド２１に溶接ワイ
ヤＷがワイヤ供給モータ２３により供給される。溶接ヘ
ッド２１は、Ｘ軸ブロック２４及びＹ軸ブロック２５に
より上下・左右に移動させられるようになっており、そ
の溶接ヘッド２１には、図４に示すように、溶接ノズル
２６を回転させるモータ２７が設けられている。溶接ワ
イヤＷの先端部は、図５に示すように、ノズル２６の中
心線から偏心して位置させられる。

【００２０】したがって、Ｉ形開先に沿った溶接動作で
は、図４に示すように消耗電極としての溶接ワイヤＷが
回転しながら一定の幅でＸ軸方向に移動し、かつアルゴ
ン等の不活性ガスもしくはこれに少量の炭酸ガスが加え
られたシールドガス（例えば８０％アルゴン−２０％炭
酸ガス）が上述の溶接チャンバ２０に供給された状態
で、Ｉ形開先に対するＭＩＧ溶接が自動的に行われるこ
ととなる。溶接条件としては、例えば電流が２４０〜３
４０Ａ、電圧が２５〜３５Ｖ程度とされ、上記開先幅を
埋めるための溶接時間は例えば１０〜１５分程度であ
る。

【００２１】上述の工程において、例えば、図１の肉盛
部１の形成までの工程を、レール工場等で予め完了して
おき、自動溶接機ＷＲによる溶接工程をレール接続現場
で行うようにすれば、現場での開先の形成、バタリン
グ、肉盛等は不要となる。また、レール突き合わせ部の
溶接時間も長くとも１５分程度であるので、接続部１ヶ
所当たりの作業時間は、従来の１／５〜１／１０程度に
短縮される。また、溶接に伴う接続部への入熱も少ない
のでマンガンレールＲｍの脆化が防止される。なお、上
記Ｉ形開先による溶接は、必ずしもＭＩＧ溶接に限られ
るものではなく、他の溶接手法を採用することもでき
る。

【００２２】上記のようにして得られた接続部に例えば
電気炉等を被せ、これを低温で焼鈍することができる。
焼鈍は、高マンガン鋼の脆化温度以下で所定時間行わ
れ、例えば３００〜４００℃で３時間以上、望ましくは
３５０℃前後で５時間程度焼鈍される。この焼鈍によ
り、溶接時に生じた残留応力等が除去され、接続部の信
頼性がさらに高められる。

【００２３】また、上記接続部に対し補強プレートをボ
ルト締結して、さらにその信頼性を高めることもでき
る。図６、７はその一例を示している。両レールＲｍ及
びＲｃの接続部に形成された溶接部４を、両側から挟む
ように向かい合って一対の補強プレート１１が配置され
ている。補強プレート１１は、溶接部４の幅より長い板
状の部材で、マンガンレールＲｍと普通レールＲｃとに
またがって、図７に示すように両側のレール側面に互い
に平行に設けられ、さらにこれら補強プレート１１を締
結するＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼製のボルト１２及びナット１
４が設けられている。各補強プレート１１には、ボルト
１２の本数に対応して複数のボルト孔１３が形成され、
また、これに対応する位置において、マンガンレールＲ
ｍ及び普通レールＲｃには、その高さ方向の中間部を貫
通するボルト孔１５が形成されている。各ボルト１２
は、これらボルト孔１３及び１５を貫き、反対側の補強
プレート１１から突出したねじ部に、ナット１４がダブ
ルで締め込まれている。ここで、各補強プレート１１と
レール側面とを所定の接着剤を介して密着させた状態で
ボルト締めする構造も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法によるマンガンレールと普通レー
ルの接続工程の一例を示す概念図。

【図２】本発明の接続構造の変形例を示す図。

【図３】本発明の溶接方法を実施するのに好適な溶接ロ
ボットの斜視図。

【図４】その溶接ロボットの溶接ノズル部の説明図。

【図５】そのワイヤ先端の作用説明図。

【図６】補強プレートを有する本発明の接続構造の斜視
図。

【図７】図６のＡ−Ａ断面図。

【図８】クロッシングレール部に使用されるマンガンレ
ールとそれに接続される普通レールの一例を示す斜視
図。

【図９】従来のマンガンレールと普通レールの接続方法
ならびに構造を示す側面図。

【図１０】Ｉ形開先による接続構造を示す側面図。

【図１１】列車の通過に伴うレールのたわみを示す概念
図。

【符号の説明】

１ 肉盛部 Ｏ 開先部 ４ 溶接部 １１ 補強プレート １２ ボルト １３ ボルト孔 １４ ナット １５ ボルト孔 ＷＲ 溶接ロボット Ｒｍ マンガンレール Ｒｃ 普通レール

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年８月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】上述の工程において、全工程をレール工場
で行う場合はもちろん、例えば、図１の肉盛部１の形成
までの工程を、レール工場等で予め完了しておき、自動
溶接機ＷＲによる溶接工程をレール接続現場で行う場合
には、現場での開先の形成、バタリング、肉盛等は不要
となる。また、レール突き合わせ部の溶接時間も長くと
も１５分程度であるので、接続部１ヶ所当たりの作業時
間は、従来の１／５〜１／１０程度に短縮される。ま
た、溶接に伴う接続部への入熱も少ないのでマンガンレ
ールＲｍの脆化が防止される。なお、上記Ｉ形開先によ
る溶接は、必ずしもＭＩＧ溶接に限られるものではな
く、他の溶接手法を採用することもできる。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マンガンを１０重量％以上含むマンガン
   鋼からなるマンガンレールと、炭素鋼からなる普通レー
   ルとを接続する方法であって、 少なくとも普通レールに対し、その接続される側の端面
   の少なくとも下側縁部に開先部を形成する開先部形成工
   程と、 その開先部に、マンガンを１０重量％以上含むマンガン
   鋼からなる肉盛部を溶接により形成する肉盛部形成工程
   と、 前記普通レールをその肉盛部の側で前記マンガンレール
   と突き合わせて溶接することにより、それら両レールを
   互いに接続する溶接工程と、 を含むことを特徴とするマンガンレールと普通レールの
   接続方法。
2. 【請求項２】 前記開先部形成工程において、前記開先
   部が前記端面の上側縁部及び下側縁部に形成される請求
   項１記載の接続方法。
3. 【請求項３】 前記溶接工程による溶接部を低温焼鈍す
   る焼鈍工程を含む請求項１又は２記載の接続方法。
4. 【請求項４】 前記溶接部をレールの幅方向から挟むよ
   うに、その溶接部の幅より長い補強プレートを向かい合
   わせて、それぞれ前記両レールにまたがるように配置
   し、さらにこれら補強プレートを当該各レールを貫通す
   るボルト手段により締結する工程を含む請求項１ないし
   ３のいずれかに記載の接続方法。
5. 【請求項５】 マンガンを１０重量％以上含むマンガン
   鋼からなるマンガンレールと、炭素鋼からなる普通レー
   ルとを接続する構造であって、 前記マンガンレールと前記普通レールの接続部に形成さ
   れ、マンガンを１０重量％以上含むマンガン鋼からなる
   溶接部と、 少なくとも前記普通レールの側において、その溶接部と
   隣接する側の端面の少なくとも下側縁部に形成される開
   先部と、 その開先部を埋めるように形成され、マンガンを１０重
   量％以上含むマンガン鋼からなる肉盛部と、 を含むことを特徴とするマンガンレールと普通レールの
   接続構造。
6. 【請求項６】 前記開先部は、前記端面の上側縁部及び
   下側縁部に形成されたものである請求項５記載の接続構
   造。
7. 【請求項７】 前記溶接部をレール幅方向から挟むよう
   に向かい合って両側のレール側面に位置し、かつその溶
   接部の幅よりも長く、それぞれ前記マンガンレールと普
   通レールにまたがって配置された補強プレートと、 それらの補強プレートを当該各レールをそれぞれ貫通し
   て締結するボルト手段と、 を含む請求項５又は６に記載の接続構造。