JPWO2010109837A1 - レール溶接部の冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Abstract

本発明のレール溶接部の冷却装置は、レール溶接部の頭部を冷却する第１の冷却器と；前記レール溶接部の柱部を冷却する第２の冷却器と；前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを制御する制御部と；を備え、前記第１の冷却器は、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出部と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出部と；を有し、前記第２の冷却器は、前記柱部の温度を検出する第２の温度検出部と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出部と；を有し、前記制御部は、前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類と流量と流速とを、前記頭部及び前記柱部の冷却時に個別に変更する。

Description

本発明は、レールを溶接した後のレール溶接部の冷却装置および冷却方法に関する。
本願は、２００９年３月２７日に、日本に出願された特願２００９−０７９９３８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

レールの継目は、レールの中で最も損傷が起こりやすく、保守コストが掛かる部位である。また、レールの継目は、列車通過時に生じる騒音及び振動の主たる発生源である。他方、旅客鉄道の高速化や貨物鉄道の重積載化が国内外で進められている。このような状況から、レールの継目を溶接接合により連続化して全長２００ｍ以上のロングレールを製造する技術が一般化している。

レール継目の主な溶接方法としては、フラッシュバット溶接（例えば特許文献１参照）、ガス圧接（例えば特許文献２参照）、エンクローズアーク溶接（例えば特許文献３参照）、及びテルミット溶接（例えば特許文献４参照）がある。

レールの継目を溶接した場合、レール溶接部の中立軸付近に応力が集中するため、疲労亀裂を未然に防ぐためにレールを頻繁に交換する必要がある。図７Ａは、水平方向に走る疲労亀裂５１がレール溶接部５０の中立軸付近に発生し、レール頭部及びレール足部へ向けて脆性亀裂５２が進展する様子を示す。亀裂破面を示す図７Ｂから、レール溶接部５０の中立軸付近を起点として疲労亀裂５１が発生し、その後、脆性亀裂５２が柱部を板厚方向に貫通している様子がわかる。

なお、本明細書では、車輪と接触するレール上部を「頭部」、枕木に接地するレール下部を「足部」、頭部と足部の間の部位を「柱部」と呼ぶ。また、頭部の上面を「頭頂部」、頭部側面を「頭側部」、足部の裏面を「足裏部」と呼ぶ。

上記疲労亀裂の発生には、外的な負荷条件だけでなく、レール溶接部の残留応力が影響する。図８Ａ、図８Ｂ、及び図９は、レールの継目をフラッシュバット溶接した際に発生する残留応力分布の一例を示す。図８Ａ、図８Ｂ及び図９のグラフにおいて、縦軸の正方向が引張残留応力、縦軸の負方向が圧縮残留応力を示す。図８Ａは、レール溶接部の周部における、周方向の残留応力分布を示す。この図８Ａから、柱部の引張残留応力が大きいことがわかる。また、図８Ｂは、溶接中心面からレール軸方向への離間距離を横軸にとって、柱部中央部における周方向（上下方向）の引張残留応力を示す図である。この図８Ｂから、溶接中心面から２５ｍｍ程度離れた位置までの範囲に、周方向（上下方向）の引張残留応力が分布していることがわかる。枕木上にレール溶接部が位置している場合、列車通過時、柱部には上下方向の圧縮応力が作用する。しかし、柱部には、上下方向の大きな引張応力が残留しているため、柱部は実質的に、常に引張応力がかかる状態で繰返し応力を受ける。このため、柱部では、疲労亀裂が発生しやすい。一方、図９は、レールの溶接部の周部におけるレール軸方向の残留応力分布を示す。この図９から、大きな圧縮応力がレール足裏部に残留していることがわかる。枕木と枕木の間にレール溶接部が位置している場合、列車通過時、レール足裏部にはレール軸方向の引張応力が作用する。しかし、レール軸方向の引張応力は上記レール軸方向の圧縮残留応力と相殺されるため、レール足部は実質的に、常に圧縮応力がかかる状態で繰り返し応力を受ける。このため、レール足部に疲労亀裂が発生することは少ない。

上記レール柱部の破損を防ぐため、特許文献５及び特許文献６では、溶接熱あるいは外部からの加熱による高温の状態にあるレール溶接部全体あるいはレール溶接部の頭部と柱部を急速冷却する方法が提案されている。この方法によれば、レール溶接部の柱部に発生する上下方向の引張残留応力を軽減もしくは圧縮応力に変えてレール溶接部の耐疲労性を改善できる。

また、レール溶接部の疲労強度を向上させる技術として、ショットピーニング処理を用いる方法（例えば特許文献７参照）などがある。ショットピーニング処理では、直径数ミリの鋼球を材料に投射して材料表層を塑性変形させて加工硬化させる。すなわち、残留応力を圧縮応力に変えることで疲労強度を向上させる。

さらにまた、特許文献８には、レール溶接部の頭頂面を冷却する空気室と、レール溶接部の頭側面を冷却する空気室と、レール溶接部の腹部（柱部）及び底部（足部）を冷却する空気室とを有し、各空気室にはそれぞれ圧縮空気吐出用の複数のノズルが設けられ、さらに頭頂部を冷却する空気室におけるノズル群の中央に温度検出用のノズルが設けられている、レール溶接部の冷却装置の発明が開示されている。

特開昭５６−１３６２９２号公報 特開平１１−２７０８１０号公報 特開平０６−２９２９６８号公報 特開昭４８−０９５３３７号公報 特開昭５９−０９３８３７号公報 特開昭５９−０９３８３８号公報 特開平０３−２４９１２７号公報 特開昭６０−０３３３１３号公報

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ， ＩＣＲ２， Ｎａｎｃｙ， Ｆｒａｎｃｅ， ２３−２５， Ｎｏｖ．１９８８， ｐ．９１２−９１８

特許文献５及び特許文献６に記載されている冷却方法によりレール溶接部の頭部及び柱部を冷却した場合、レール柱部における上下方向の残留応力が低減し、これにより柱部の疲労亀裂の発生が抑えられる。しかしながら、この方法を用いる場合、非特許文献１に示されるように、足裏部におけるレール軸方向の残留応力が引張応力に転じてしまう。近年、貨物鉄道では、貨車重量が増加傾向にある。これに伴い、レールに作用する曲げモーメントも増大するため、足裏部におけるレール軸方向の残留応力が引張応力に転じた場合、曲げ疲労性能が低下する。

また、ショットピーニング処理の場合、鋼球を投射、回収すると共に粉塵防止のための大掛かりな設備が必要となり、大型の溶接部への適用が制限される。加えて、鋼球が摩滅、損壊するため、定期的に鋼球を補給する必要があり、ランニングコストが大きくなる。

さらにまた、特許文献８に示されている冷却装置によればレール溶接部の硬度を強化することができるが、レール溶接部の残留応力を制御できない。この特許文献８の冷却装置を用いてレール溶接部を加速冷却した場合、後述するように、レール柱部の残留応力が低下せず、疲労寿命もさほど延びないことが、本発明者らが実施した試験によって判明した。即ち、レール溶接部の適切な範囲に対して適切な冷却速度で冷却を行わないと、レール溶接部の残留応力を低減できないことが明らかとなった。

本発明は、前述の問題を解決するために、従来と比較してレール溶接部の疲労強度が高められたレールを製造するために使用されるレール溶接部の冷却装置および冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の第１の態様は、レール溶接部の頭部を冷却する第１の冷却器と；前記レール溶接部の柱部を冷却する第２の冷却器と；前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを制御する制御部と；を備えるレール溶接部の冷却装置である。前記第１の冷却器は、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出部と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出部と；を有し、前記第２の冷却器は、前記柱部の温度を検出する第２の温度検出部と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出部と；を有し、前記制御部は、前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類と流量と流速とを、前記頭部及び前記柱部の冷却時に個別に変更する。

（２）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却装置において、前記第２の噴出部は、前記レール溶接部の冷却幅が前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の領域となるように、前記第２の冷却用流体を噴出するように調整する冷却幅調整部を備えてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載のレール溶接部の冷却装置では、前記第１の噴出部と前記第２の噴出部とがそれぞれ、空気噴出孔と、気水噴出孔と、水噴出孔とのうち少なくとも２つ以上を有し、前記制御部で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であってもよい。

（４）本発明の第２の態様は、レール溶接部の頭部と柱部とを冷却する冷却方法であって、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出工程と；前記柱部の温度を検出する第２の温度検出工程と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出工程と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出工程と；前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類と流量と流速とを、前記頭部及び前記柱部の冷却時に個別に変更する制御工程と；を備える。

（５）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の幅領域に、前記第２の冷却用流体を噴出してもよい。

（６）上記（４）又は（５）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記制御工程で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であってもよい。

（７）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に行われてもよい。

（８）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間に行われてもよい。

（９）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域にある状態からパーライト変態が完了した後、前記柱部が２００℃程度になるまで行われてもよい。

（１０）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の噴出工程は、前記頭部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間に行われ、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、及び、オーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に行われてもよい。

上記（１）に記載の冷却装置によれば、レール溶接部の頭部と柱部のみが加速冷却され、足部が加速冷却されない。更に、頭部の加速冷却と柱部の加速冷却とが個別に制御されるため、レール溶接部の適切な範囲について適切な冷却速度で冷却を行うことが可能となる。これにより、レール溶接部の残留応力を低減させることができる。従って、従来と比較してレール溶接部の疲労強度が向上する。
上記（２）に記載の冷却装置によれば、レールの冷却幅を最適な範囲に設定することができる。このため、溶接中心付近の温度分布を平坦にして残留応力を更に低減することができ、疲労強度が向上する。
上記（３）に記載の冷却装置によれば、レール溶接部の冷却速度を速やかに調節することができる。このため、精密な温度制御が実現可能になる。
上記（４）〜（１０）に記載の冷却方法によれば、レール溶接部の適切な範囲について適切な冷却速度で冷却が行われるため、レール溶接部の残留応力が低減され、従来と比較してレール溶接部の疲労強度が向上する。

本発明の一実施形態に係るレール溶接部の冷却装置の正面図である。 同冷却装置の側面図である。 同冷却装置の第１の噴出部の正面図である。 同冷却装置の第２の噴出部の正面図である。 レール溶接部の柱部と頭部とに発生する残留応力と、レール溶接部の冷却方法との関係を示すグラフである。 レール溶接部の柱部と頭部との疲労寿命と、レール溶接部の冷却方法との関係を示すグラフである。 レール溶接部の柱部と頭部とに発生する残留応力と、冷却幅比との関係を示すグラフである。 レール溶接部の柱部と頭部との疲労寿命と、冷却幅比との関係を示すグラフである。 フラッシュバット溶接におけるフラッシング工程を説明するための模式図である。 フラッシュバット溶接におけるアップセット工程を説明するための模式図である。 フラッシュバット溶接におけるトリミング工程を説明するための模式図である。 レール溶接部の疲労亀裂に起因する損傷例を示す模式図である。 上記疲労亀裂の破面を示す模式図である。 フラッシュバット溶接によるレール溶接部の周部における、周方向の残留応力分布を示す図である。 溶接中心面からレール軸方向への離間距離を横軸にとって、柱部中央部における周方向（上下方向）の引張残留応力を示す図である。 レール溶接部の周部における、レール軸方向の残留応力分布を示す図である。 溶接直後におけるレール溶接部の柱部の温度分布を示す模式図である。

本発明者らは、レール溶接部の冷却方法とレール溶接部の疲労強度との関係について研究した結果、以下の（Ａ）〜（Ｃ）について発見した。
（Ａ）レール溶接部の足部を加速冷却することにより足部の温度が柱部に比べて低下させた場合、柱部に生じるレール軸方向の収縮歪は、より低温度である足部の影響を受ける。従って、柱部にレール軸方向の引張応力が発生し、上下方向にもポアソン比分の引張応力が発生する。その結果、柱部の上下方向の引張残留応力を増大させることになる。従って、加速冷却によりレール溶接部の足部の温度を柱部の温度より低くすることは、好ましくない。

（Ｂ）柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に、柱部を加速冷却する場合、柱部の上下方向の残留応力を低減させることができる。一方、柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、柱部を加速冷却する場合、疲労強度を高めることができる。また、オーステナイト温度域から柱部の加速冷却を開始し、パーライト変態が完了した後も加速冷却した場合、さらに疲労強度を高めることができる。

（Ｃ）レール頭部は車輪との接触により摩耗が生じる。特に曲線軌道では、車輪とレールの間に生じる相対滑りにより摩耗が促進される。このため、レール頭部を硬化させた熱処理レールが曲線区間に採用されることが多い。熱処理レールの溶接では、溶接後にレール頭部をオーステナイト温度域からパーライト変態完了までの温度範囲で加速冷却し、母材並みの硬度を得ることが望ましい。

本発明者らは、上記（Ａ）〜（Ｃ）に基づき本発明のレール溶接部の冷却装置を考案した。以下、本発明の一実施形態にかかる冷却装置について説明する。本発明の一実施形態にかかる冷却装置は、レール溶接部の頭部及び柱部のみを加速冷却し、足部は加速冷却しない。また、この冷却装置では、頭部と柱部とをそれぞれ適切な冷却速度で加速冷却できるように各冷却ユニットが個別に制御される。また、冷却用流体の種類、流量、及び流速を冷却中に変えられるように構成される。この構成によれば、レール溶接部の冷却速度を速やかに調節することができる。冷却用流体の種類としては、冷却速度に応じて、空気、気水（空気と水の混合流体）、及び水のいずれかを選択できるようにしておけばよい。

また、上述したレール溶接部の冷却装置では、（レール溶接部の柱部に対するレール軸方向の冷却幅）／（レール溶接部のレール軸方向の幅）で示される値が０．３５以上０．７５以下の範囲内となるように冷却幅が調節可能であることが好ましい。ここで、（前記レール溶接部の柱部に対するレール軸方向の冷却幅）／（前記レール溶接部のレール軸方向の幅）について補足する。図１０は、溶接直後におけるレール溶接部の柱部の温度分布を示す模式図であり、実線ＸＸはその時点での温度分布を示している。図中のＴ_Ｓは固相線温度、Ｔ_Ｌは液相線温度である。レール溶接部のレール軸方向の幅は、溶接直後のレール溶接部の温度がオーステナイト変態開始温度Ａｃ１以上となる温度領域Ｗとする。また、レール溶接部の柱部に対するレール軸方向の冷却幅は、レール溶接部の柱部に対して冷却装置から噴出される冷却用流体のレール軸方向の噴出範囲とする。

以下、（レール溶接部の柱部に対するレール軸方向の冷却幅）／（レール溶接部のレール軸方向の幅）を「冷却幅比」と呼ぶことにする。柱部の溶接部近傍の温度分布を平坦にすることにより、柱部の上下方向の残留応力を低減することができる。そのためには、加速冷却を行う冷却幅を溶接中心付近の高温域に限定することが有効である。冷却幅比を０．７５以下とすることにより、溶接中心付近の温度分布を平坦にして残留応力を低減することができる。一方、冷却幅比が０．３５未満の場合、冷却効率が低下して残留応力低減効果が下がる。

続いて、添付した図面を参照し、本発明を具体化した実施形態について更に詳細に説明する。

［フラッシュバット溶接］
レール溶接部の柱部における上下方向の残留応力は、温度勾配が最も急峻になるフラッシュバット溶接において顕著である。このため、本明細書では、レール継目の溶接方法の一例として、フラッシュバット溶接について説明しておく。もちろん、本発明に係るレール溶接部の冷却装置はテルミット溶接等の他の溶接方法においても適用できる。

フラッシュバット溶接を説明するための模式図を図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す。フラッシング工程と呼ばれる第１の工程では、電源１７に接続された電極１６を介して印加される電圧により、連設されたレール１１の端面間に連続してアークを発生させる（図６Ａ参照）。アークが発生した部分は局部的に溶融し、溶融した金属の一部はスパッターとして外部に放出されるが、残りはレール１１の端面に残留する。アークによって溶融した部分にはクレータと呼ばれる凹みが発生する。レール１１は徐々に近づけられていき、新たな接触部分にアークが次々に発生し、局部的な溶融の繰返しによりレール１１は次第に短くなっていく。フラッシング工程を数十秒から数分間継続することにより、レール１１の端面の全面が溶融した状態となる。また、レール１１の端面近傍は温度上昇により軟化する。この状態に達した時点で、図６Ｂに示すように、レール軸方向へ加圧が行われる。このアップセットと呼ばれる加圧により、レール１１の端面に形成されていたクレータは潰され、端面間に存在していた溶融金属が溶接面の外へ押し出される。軟化した端面近傍は、塑性変形して断面が増大し、溶接面の周囲にはビード１８が形成される。このビード１８は、図６Ｃに示すように、溶接直後の高温期にトリマー１９により熱間でせん断除去される。この工程はトリミングと呼ばれる。トリミング後は、溶接部の周囲に薄いビード１８が残存する。レール頭部に残存する薄いビード１８は、グラインダーで研磨して平滑化される。一方、レール柱部及び足部に残存する薄いビード１８は、グラインダーで研磨される。ただし、鉄道会社によっては手入れを行わない場合もある。

［レール鋼］
レール鋼は、ＪＩＳ Ｅ１１０１「普通レール及び分岐器類用特殊レール」、ＪＩＳ Ｅ１１２０「熱処理レール」に規定されているように、炭素を０．５〜０．８質量％含有する亜共析もしくは共析炭素鋼が一般的に使用される。また、最近では海外の鉱山鉄道における重荷重貨物線を対象に、より摩耗性を向上させた、０．８質量％を超える炭素を含有する過共析組成のレール鋼も普及しつつある。

［残留応力の発生機構］
レール内の不均一な温度に起因する不均一な収縮歪が存在する場合に、レール内の各部位が互いに収縮歪を拘束し合うことにより生じる収縮応力が内部応力として残存したものが残留応力である。レールの継目を溶接した場合、レール溶接部と周囲との間に大きな温度差が発生する。これにより、レール溶接部に収縮応力が発生していき残留応力となる。従って、溶接中心付近を加速冷却すれば、溶接中心付近における温度分布が平坦になるため、溶接中心における残留応力の発生は低減される。ただし、レール溶接部の中心温度が２００℃を下回った状態で平坦な温度分布が得られても、既に大きな残留応力が発生しており残留応力の低減効果は小さい。なお、「加速冷却」とは、冷却用流体を被冷却物に噴出することにより当該被冷却物を自然冷却より速い冷却速度で強制的に冷却することをいう。

［レール溶接部の冷却装置］
図１、図２は、本発明の一実施の形態に係るレール溶接部の冷却装置１０（以下では、単に冷却装置１０と呼ぶ。）の模式図を示す。冷却装置１０は、レール１１を溶接した後のレール溶接部１５の頭部１２を加速冷却する第１の冷却ユニット２０と、レール溶接部１５の柱部１３を加速冷却する第２の冷却ユニット２１とを備える。レール溶接部１５の足部１４を加速冷却する冷却ユニットは備えられない。

第１の冷却ユニット２０は、レール溶接部１５の頭頂部１２ａの直上に配置され、頭頂部１２ａに向けて冷却用流体を噴出する一対の噴出部２４と、頭部１２を挟んで対向配置され、頭側部１２ｂに向けて冷却用流体を噴出する二対の噴出部２５と、一対の噴出部２４間に配置され、頭部１２の温度を計測する非接触式の温度センサ２２とを備えている。一方、第２の冷却ユニット２１は、レール溶接部１５の柱部１３を挟んで対向配置され、柱部１３に向けて冷却用流体を噴出する一対の噴出部２６と、一方の噴出部２６上に配置され、柱部１３の温度を計測する非接触式の温度センサ２３とを備えている。また、冷却装置１０には、第１の冷却ユニット２０と第２の冷却ユニット２１とを別個に制御する制御ユニット５０が設けられる。この制御装置５０は、第１の冷却ユニット２０と第２の冷却ユニットとにそれぞれ設けられてもよい。配設位置は、特に限定されるものではないが、図１に示すように、例えば架台２９の下方に配置されてもよい。

レール溶接部１５の頭部１２を加速冷却する第１の冷却ユニット２０はヘッダー３０に支持されており、供給管２７からヘッダー３０を介して各噴出部２４、２５に冷却用流体が供給される。一方、レール溶接部１５の柱部１３を加速冷却する第２の冷却ユニット２１の噴出部２６には、冷却用流体を供給するための供給管２８が接続されている。供給管２７、２８は、レール溶接部１５を跨いで架設された門型フレームからなる架台２９に保持されている。

図３Ａに噴出部２４（噴出部２５も同様）の正面図を、図３Ｂに噴出部２６の正面図をそれぞれ示す。噴出部２４、２６には、複数の噴出孔２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂが規則的に設けられており、噴出孔２４ａ、２６ａからは圧縮空気が、噴出孔２４ｂ、２６ｂからは気水が噴出する。噴出孔２４ａ、２６ａと噴出孔２４ｂ、２６ｂは、冷却速度に応じて切り替えて使用される。また、冷却用流体が噴出孔２６ａ、２６ｂから噴出される際、（レール溶接部１５の柱部１３に対するレール軸方向の冷却幅）／（レール溶接部１５のレール軸方向の幅）は０．３５〜０．７５とされていることが好ましい。すなわち、レール溶接部１５のレール軸方向の幅が４０ｍｍである場合には、レール溶接部１５の柱部１３に対するレール軸方向の冷却幅を１４ｍｍから３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲に冷却幅を設定することで、柱部における残留応力の増加を抑制することができ、疲労寿命を長くすることができる。冷却幅を調整するための構成としては、例えば図３Ｂにおける噴出孔に設けられる、噴出方向を適宜変更可能なノズル等が挙げられる。もしくは、縦列の噴出孔ごとに噴出を制御してもよい。

［レール溶接部の冷却方法］
次に、冷却装置１０を用いてレール溶接部１５を冷却する方法について説明する。なお、以下の方法では、レール溶接部１５の頭部１２及び柱部１３におけるオーステナイト温度域からパーライトへの変態完了の判断は、温度センサ２２、２３により計測（検出）される各部位の温度により推定する。また、各部位を加速冷却する際は、制御部において、温度センサ２２、２３の計測結果より算出した冷却速度に基づいて行う。

（１）第１の冷却方法
レール溶接部１５の柱部１３においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後、第２の冷却ユニット２１の噴出部２６から冷却用流体を噴出して柱部１３を加速冷却する。一方、レール溶接部１５の頭部１２及び足部１４は自然冷却とする。

（２）第２の冷却方法
レール溶接部１５の柱部１３においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、第２の冷却ユニット２１の噴出部２６から冷却用流体を噴出して柱部１３を加速冷却する。一方、レール溶接部１５の頭部１２及び足部１４は自然冷却とする。

（３）第３の冷却方法
レール溶接部１５の柱部１３がオーステナイト温度域にある状態からパーライト変態が完了した後、柱部１３が２００℃程度になるまで、第２の冷却ユニット２１の噴出部２６から冷却用流体を噴出して柱部１３を加速冷却する。一方、レール溶接部１５の頭部１２及び足部１４は自然冷却とする。

（４）第４の冷却方法
レール溶接部１５の頭部１２及び柱部１３においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、第１及び第２の冷却ユニット２０、２１の噴出部２４、２５、２６から冷却用流体を噴出して頭部１２及び柱部１３を加速冷却する。オーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後は、第２の冷却ユニット２１の噴出部２６から冷却用流体を噴出して柱部１３のみ加速冷却する。一方、レール溶接部１５の足部１４は自然冷却とする。

［レール溶接部の冷却試験］
次に、冷却装置１０を用いて実施したレール溶接部の冷却試験について説明する。表１に本発明の実施例、表２に比較例の各冷却条件を示す。表中の数値は冷却速度であり、比較例２以外は、パーライト変態点である５００℃を境として異なる冷却速度とした。また、対象部位の中心温度が２００℃未満の場合、当該対象部位を加速冷却しても残留応力の低減効果が小さいため、加速冷却は２００℃までとした。

実施例１〜３は、レール溶接部の頭部と柱部のみ加速冷却し、比較例１は、レール溶接部全体を加速冷却した。一方、比較例２は、レール溶接部全体を自然冷却した。なお、加速冷却に使用した冷却用流体は、実施例３の２００〜５００℃時のみ気水とし、他は圧縮空気とした。被溶接レールには、炭素量０．７〜０．８質量％を含有し、頭部表面硬度がＨｖ２６０〜２９０を有する普通レールを用いた。レールサイズは、単位メートル当たりの重量が６０ｋｇの一般鉄道用サイズを用いた。レール溶接部の幅は４０ｍｍ、加速冷却時の冷却幅は３０ｍｍ（冷却幅比０．７５）とした。なお、各例とも同一条件で３本の試験体を作製し、そのうち１本目は残留応力の計測、２本目は柱部の疲労寿命評価試験、３本目は足部の疲労寿命評価試験にそれぞれ使用した。

残留応力の計測は以下のように行った。
（１）レール溶接後にレール溶接部に歪ゲージを貼付し、歪を計測して初期値とする。
（２）歪ゲージの周囲を切削して残留応力を解放した後、再び歪を計測する。
（３）計測した切削前の歪と切削後の歪の差を用いて応力と歪の関係式から残留応力を算出する。

柱部の疲労寿命評価試験は以下のように行った。定盤の上にレール溶接部を置き、先端が弧状凸部とされた押し治具によりレール溶接部の頭部に荷重を繰返し与えた。弧状凸部の曲率半径は、車輪に近い４５０ｍｍとした。負荷する荷重は、重荷重での実荷重が２０ｔｏｎ程度であることを考慮し、最大３０ｔｏｎに設定した。一方、荷重繰返しにおける最低荷重は４ｔｏｎとした。荷重繰り返し速度は２Ｈｚとし、レール溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。

足部の疲労寿命評価試験は、以下に記す３点曲げ方式による曲げ疲労強度試験とした。中央にレール溶接部が配された長さ１．５ｍのレールを、１ｍの間隔でセットされた台座で対称に支持し、先端が弧状凸部とされた押し治具によりレール溶接部の頭部に荷重を繰返し与えた。台座及び押し治具の先端部の曲率半径は１００ｍｍとした。負荷荷重は、レール溶接部の足裏中央部の応力を基準とし、最大応力３３０ＭＰａ、最低応力３０ＭＰａとなるように荷重を負荷した。荷重繰り返し速度は５Ｈｚとし、レール溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。

実施例１〜３及び比較例１、２の各レール溶接部に発生した残留応力を図４Ａに、各レール溶接部の疲労寿命を図４Ｂにそれぞれ示す。同図において白丸は柱部、黒丸は足部を示している。同図より、比較例に比べて、全ての実施例において柱部の残留応力が低減し、柱部の疲労寿命が延びていることがわかる。また、実施例１と同じ冷却方法を用いて冷却幅をパラメータとして実施した残留応力及び疲労寿命評価試験結果を図５Ａ、図５Ｂに示す。同図において白丸は柱部、黒丸は足部を示している。同図より、冷却幅を５０ｍｍ（冷却幅比は、５０ｍｍ／４０ｍｍで算出される１．２５）とすると、足部の残留応力が増加し、足部の疲労寿命が短くなることがわかる。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、噴出部は圧縮空気用の噴出孔と気水用の噴出孔とを備えているが、さらに水用の噴出孔を設けて、圧縮空気、気水、水の間で切り替えを行うようにしてもよい。

本発明のレール溶接部の冷却装置によれば、従来と比較してレール溶接部の疲労強度が向上したレールを製造することができる。従って、産業上の利用可能性は大きい。

１０ 冷却装置（レール溶接部の冷却装置）
１１ レール
１２ 頭部
１２ａ 頭頂部
１２ｂ 頭側部
１３ 柱部
１４ 足部
１５ レール溶接部
１６ 電極
１７ 電源
１８ ビード
１９ トリマー
２０ 第１の冷却ユニット
２１ 第２の冷却ユニット
２２、２３ 温度センサ
２４、２５、２６ 噴出部
２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ 噴出孔
２７、２８ 供給管
２９ 架台
３０ ヘッダー
５０ 制御部

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の第１態様は、レール溶接部の頭部を冷却する第１の冷却器と；前記レール溶接部の柱部を冷却する第２の冷却器と；前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを個別に制御する制御部と；を備えるレール溶接部の冷却装置である。前記第１の冷却器は、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出部と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出部と；を有し、前記第２の冷却器は、前記柱部の温度を検出する第２の温度検出部と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出部と；を有し、前記制御部は、前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体による冷却速度を、前記頭部と前記柱部の冷却時に個別に変更する。

（４）本発明の第２態様は、レール溶接部の頭部と柱部とを別個に冷却する冷却方法であって、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出工程と；前記柱部の温度を検出する第２の温度検出工程と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出工程と； 前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出工程と；前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体による冷却速度を、前記頭部と前記柱部の冷却時に個別に変更する制御工程と；を備える。

（８）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまで行われてもよい。

（９）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域にある状態からパーライト変態が完了した後、前記柱部が２００℃になるまで行われてもよい。

（１０）上記（４）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の噴出工程は、前記頭部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまで行われ、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域から、途中パーライトへの変態を経て、前記柱部が２００℃になるまで行われてもよい。

上述の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の第１の態様は、レール溶接部の頭部を冷却する第１の冷却器と；前記レール溶接部の柱部を冷却する第２の冷却器と；前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを個別に制御する制御部と；を備えるレール溶接部の冷却装置である。前記第１の冷却器は、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出部と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出部と；を有し、前記第２の冷却器は、前記柱部の温度を検出する第２の温度検出部と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出部と；を有し、前記制御部は、前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体による冷却速度を、前記頭部と前記柱部の冷却時に個別に変更し、；前記第２の噴出部は、前記レール溶接部の冷却幅が、前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の領域となるように、前記第２の冷却用流体を噴出するように調整する冷却幅調整部を備える。

（２）上記（１）に記載のレール溶接部の冷却装置では、前記第１の噴出部と前記第２の噴出部とがそれぞれ、空気噴出孔と、気水噴出孔と、水噴出孔とのうち少なくとも２つ以上を有し、前記制御部で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であってもよい。

（３）本発明の第２態様は、レール溶接部の頭部と柱部とを別個に冷却する冷却方法であって、前記頭部の温度を検出する第１の温度検出工程と；前記柱部の温度を検出する第２の温度検出工程と；前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出工程と；前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出工程と；前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体による冷却速度を、前記頭部と前記柱部の冷却時に個別に変更する制御工程と；を備え、前記第２の噴出工程では、前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の幅領域に、前記第２の冷却用流体を噴出する。

（４）上記（３）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記制御工程で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であってもよい。

（５）上記（３）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に行われてもよい。

（６）上記（３）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまで行われてもよい。

（７）上記（３）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域にある状態からパーライト変態が完了した後、前記柱部が２００℃になるまで行われてもよい。

（８）上記（３）に記載のレール溶接部の冷却方法では、前記第１の噴出工程は、前記頭部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまで行われ、前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域から、途中パーライトへの変態を経て、前記柱部が２００℃になるまで行われてもよい。

Claims (10)

1. レール溶接部の頭部を冷却する第１の冷却器と；
   前記レール溶接部の柱部を冷却する第２の冷却器と；
   前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを制御する制御部と；
   を備えるレール溶接部の冷却装置であって、
   前記第１の冷却器は、
   前記頭部の温度を検出する第１の温度検出部と；
   前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出部と；
   を有し、
   前記第２の冷却器は、
   前記柱部の温度を検出する第２の温度検出部と；
   前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出部と；
   を有し、
   前記制御部は、前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類と流量と流速とを、前記頭部及び前記柱部の冷却時に個別に変更する
   ことを特徴とするレール溶接部の冷却装置。
2. 前記第２の噴出部は、前記レール溶接部の冷却幅が、前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の領域となるように、前記第２の冷却用流体を噴出するように調整する冷却幅調整部を備えることを特徴とする、請求項１記載のレール溶接部の冷却装置。
3. 前記第１の噴出部と前記第２の噴出部とがそれぞれ、空気噴出孔と、気水噴出孔と、水噴出孔とのうち少なくとも２つ以上を有し、
   前記制御部で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレール溶接部の冷却装置。
4. レール溶接部の頭部と柱部とを別個に冷却する冷却方法であって、
   前記頭部の温度を検出する第１の温度検出工程と；
   前記柱部の温度を検出する第２の温度検出工程と；
   前記頭部に向けて第１の冷却用流体を噴出する第１の噴出工程と；
   前記柱部に向けて第２の冷却用流体を噴出する第２の噴出工程と；
   前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類と流量と流速とを、前記頭部及び前記柱部の冷却時に個別に変更する制御工程と；
   を備えることを特徴とするレール溶接部の冷却方法。
5. 前記第２の噴出工程では、前記レール溶接部のレール軸方向幅の３５％〜７５％の幅領域に、前記第２の冷却用流体を噴出することを特徴とする、請求項４に記載のレール溶接部の冷却方法。
6. 前記制御工程で個別に変更される前記第１冷却用流体及び前記第２冷却用流体の種類が、空気、気水、及び水であることを特徴とする請求項４又は５に記載のレール溶接部の冷却方法。
7. 前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に行われることを特徴とする、請求項４に記載のレール溶接部の冷却方法。
8. 前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間に行われることを特徴とする、請求項４に記載のレール溶接部の冷却方法。
9. 前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域にある状態からパーライト変態が完了した後、前記柱部が２００℃程度になるまで行われることを特徴とする、請求項４に記載のレール溶接部の冷却方法。
10. 前記第１の噴出工程は、前記頭部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間に行われ、
    前記第２の噴出工程は、前記柱部においてオーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了するまでの間、及び、オーステナイト温度域からパーライトへの変態が完了した後に行われることを特徴とする、請求項４に記載のレール溶接部の冷却方法。

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