KR101346968B1 - 초음파 충격 처리에 의한 용접된 레일 조인트 특성의 품질및 신뢰성 향상 방법 - Google Patents
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Abstract
용접된 레일 섹션의 피로 수명 및/또는 다른 특성을 증가시키기 위해 레일의 조인트 및/또는 길이 주위에서 조인트의 처리를 포함하는 초음파 충격 처리(UIT) 공정을 이용하여 사용된 레일의 용접 전에, 용접 중에, 용접 후에 또는 보수 중에 용접된 조인트를 재가공함으로써 용접에 의해 함께 접합된 레일의 섹션의 성능을 향상시키기 위한 방법이 개시된다. 이 방법은 레일의 용접 시임의 부근에서의 응력 결함의 감소 및 내부 응력 패턴의 재분배를 제공한다. UIT는 레일의 용접 시임의 부근 또는 레일 자체에서 금속 가소성 상태를 유도하는 내부 압축파를 유도하기 위해 용접된 레일의 표면에 주기적 펄스 에너지 충격 처리를 제공한다.
레일 섹션, 조인트, 초음파 충격 처리, 용접 시임, 용접 금속
Description
본 발명은 사용된 레일의 용접 전에, 용접 중에, 용접 후에 또는 보수 중에, 레일의 조인트 및/또는 길이 주위에서 조인트의 처리를 포함하는 초음파 충격 처리(ultrasonic impact treatmemt, UIT) 공정을 이용하여 용접된 조인트를 재가공함으로써, 그리고 용접된 레일 섹션의 피로 수명 및/또는 다른 특성을 증가시키는 과제를 가지고 UIT를 수동 또는 자동 방식으로, 연속적으로 또는 배치식(in batch)으로 초음파 충격 도구에 의해 적용함으로써, 예를 들면 알루모테르믹(alumothermic) 용접 또는 구리 테르믹(thermic) 용접과 같은 테르믹 또는 테르밋(thermite) 용접과, 아크 용접, 가스압 용접 및 플래시 용접과 같은 용접 공정 등의 용접에 의해 함께 접합된 레일의 섹션의 성능의 향상에 관한 것이다.
레일은 철도 및 도시의 철도 차량, 전차, 기관차, 모노레일, 트롤리(trolley) 및 다른 가동형, 회전형 및 선회형 구조체를 위한 운송의 수단을 제공하기 위해 사용된다. 레일은 소재지에 의해 결정되는 다양한 표준 및 사양에 부합해야만 한다. 레일은 적합한 재료로 제조될 수 있고 테르밋 용접과 같은 적합한 방식으로 접합될 수 있다. 레일의 테르밋 용접 중에, 화학 반응은 주조 구조체를 갖는 용접물을 형성하는 테르밋 강을 생성한다. 균열은 불충분한 예열 또는 용접면 사이의 매우 큰 갭의 결과로서 불완전한 융착에 기인하여 용접 중에 레일 내에 발생할 수 있다. 균열은 또한 변위된 레일 단부에 기인하여 발생할 수 있다. 용접된 레일의 다른 결함은 불완전한 용입 및 고온 결정화 균열을 포함한다.
천정 크레인(overhead traveling cranes) 및 기동차(rail car) 통행을 위한 것과 같은 레일 조인트는 종종 높은 듀티 사이클, 높은 차륜 하중 및 접촉 응력에 노출된다. 파손, 손상, 파괴 또는 분리된 레일 조인트는 운송 산업에서 심각하고 비용이 많이 드는 문제점일 수 있다. 따라서, 열차 및 생산 크레인을 효율적인 속도 및 낮은 유지 보수 시간 및 비용으로 안전하고 신뢰적으로 작동하게 유지하는 것이 필수적이다. 따라서, 안전한 레일 상태는 성공적인 크레인 또는 열차 작동에 필요하다.
더 구체적으로, 다수의 레일 문제점이 파손, 파괴 및/또는 분리되어 있는 조인트 고장에 의해 발생된다. 열화된 레일 조인트는 크레인/열차 및 거더(girder), 교량 및 건축물 기둥과 같은 지지 구조체 상에서 높은 충격 하중을 발생시킨다. 충격 하중은 휠 트럭, 기동차 및 구조 부재에서 휠 베어링 파괴 및 차축 파괴, 뿐만 아니라 피로 균열을 가속화하는 데 기여하는 것으로 판명되었다. 게다가, 크레인/열차 범위 내의 다른 구성 요소는 결함이 있는 레일 조인트 상에서 주행하는 크레인/열차의 충격 진동에 기인하여 고장 또는 손상 상태을 받게 된다.
레일 조인트에 의해 생성된 다수의 문제점은 보수에 비용이 많이 들고/들거 나 신속하고 용이한 해결책을 갖지 않는다. 수년간, 다양한 레일 접합 방법이 레일 균열 및 레일 조인트 고장의 보수 및/또는 방지를 위해 이용되었다. 이 레일 접합 방법은 스플라이스 바아 볼트 결합, 전기 아크 용접, 테르밋 용접, 플래시 맞대기 용접 및 가스압 용접을 포함한다. 이 방법 중에서, 테르밋 용접 공정은 무엇보다도 비용 장점에 기인하여 레일 네트워크에서 가장 자주 사용된다. 그러나, 플래시 맞대기 용접이 새로운 레일의 설치를 위해 더욱 자주 채택되고 있다.
플래시 맞대기 용접은 다른 접합 방법과 비교하여 가장 높은 내파괴성을 갖는 고품질의 조인트를 제공하는 방법이다. 게다가, 플래시 맞대기 용접물은 다른 접합 방법에서 경험되는 공통 문제점을 갖지 않는다. 플래시 맞대기 용접 공정에 의해 접합된 레일은 사실상 연속적인 레일에 근접한 상태를 나타낸다. 플래시 맞대기 용접 공정은 레일의 섹션을 접합하기 위한 자동 공정이다. 레일의 길이는 전기적으로 충전된 용접기에 의해 정렬되고 레일의 단부가 접합된다. 단부가 접촉될 때, 아크가 생성되어, 용접봉을 사용하지 않고 단부를 용융하고 함께 용접한다. 전체 용접 공정은 약 2 내지 3분이 소요되고 최종 조인트는 견고하고 균일하며 낮은 고장 위험을 갖는다.
전기 아크 용접에 의해 양호한 용접 조인트를 얻는 것은 종종 완료를 위해 10 내지 12 시간을 요구하고 매우 유능한 조작자를 요구하는 곤란하고 시간 소모적인 절차이다. 전기 아크 용접 기술은 레일 헤드의 단부에서 35°의 완전 경사, 웨브 상에서 35°의 이단 경사 및 기부의 상부면 상에서 35°의 완전 경사를 요구한다. 용접 조인트를 통한 레일의 용접전 정렬은 일직선을 보장하도록 요구된다. 3.175 ㎜(1/8 인치)의 루트 간극은 조인트 하부에 중심 설정되는 203.2 × 50.8 × 6.35 ㎜(8 × 2 × 1/4 인치)의 구리 심(shim)으로 지정된다. 심은 초기 용접 비드를 위한 백업 플레이트로서 역할을 하고 용접물이 냉각될 때 발생되는 수축 왜곡을 보상하는 것을 보조하는 수직 캠버(camber)를 제공한다. 레일 단부는 260℃(500℉)로 예열되고 용접 중에 이 온도에서 유지된다. 레일의 기부, 웨브 및 헤드의 용접은 양 측면 상에서 순차적으로 교대로 진행된다. 완벽한 용접물 용입을 보장하기 위해, 이물질, 슬래그 등의 포집을 회피하기 위해 특정 수단을 취할 필요가 있다. 여분의 용접물 재료는 이어서 371℃(700℉)에서 연삭에 이어서 후가열(post-heating)에 의해 제거된다. 용접물은 절연 블랭킷(blanket)에 의해 비 또는 눈 및 낮은 주위 온도로부터 보호된다. 조인트는 주위 온도로 가능한 천천히 냉각되는 것이 허용되어야 한다.
현재, 전기 아크 용접은 통상의 용도로 그리고 특정 적용에 대해 지속되고 있고 허용 가능한 조인트를 제공한다. 그러나, 대략 약 76.2 ㎜(3인치)의 파손 효과는 고유의 마모 특성이다. 이 상태의 개시를 인식하여 조기에 보정 작용을 취하지 않는 것은 파손된 영역의 심화를 발생시키고 따라서 휠이 조인트를 교차할 때 더 높은 충격을 초래하여 파손을 발생시킨다.
조인트의 스플라이스 바아 볼트 결합이 먼저 보수 방법으로서 사용되고 이어서 철로 재부설 계획(rerailing project)을 위해 사용된다. 요구되는 조인트의 수를 감소시키는 것을 보조하기 위해, 60 피트(18.3 m)의 레일 길이가 표준 길이가 된다. 초기에, 크레인/열차는 새로 볼트 결합된 조인트 상에서 조용하고 부드럽게 주행한다. 그러나, 몇 달 내에 단부는 파손되고 마모된다. 승차감을 부드럽게 하기 위해, 용접물 보수가 이루어진다. 이 용접물 보수는 단지 일시적인 해결책인 것으로 판명되었고 빈번하게 반복될 필요가 있다. 볼트 결합된 조인트의 다른 특징은 또한 보수 활동을 복잡하게 하고 그 적합성을 감소시킨다.
결함을 절결 제거한 후에 갭을 막기 위해 레일을 잭으로 내리는 것은 스플라이스 바아, 레일 클립 및 볼트로부터의 간섭 때문에 불만족스럽다. 게다가, 레일 클립은 스플라이스 바아에서 제거되어야만 하고 볼트는 느슨해지고 레일 단부 사이에서 갭이 발생한다. 또한, 레일이 약화된 볼트 구멍 영역을 통해 파괴되는 경우가 있다. 현재, 스플라이스 바아 볼트 결합 조인트는 일반적으로 특정 레일 적용에서 허용 가능한 것으로 고려되지 않는 것으로 인정되고 있다.
레일의 테르밋 용접 공정에서, 산화알루미늄 및 산화철 사이의 고도의 발열 반응은 용접될 갭 주위의 몰드 내로 주입되는 용강(molten steel)의 발생을 초래한다. 과열된 용융 금속은 용접될 갭의 에지에서 레일이 용융되도록 하고 또한 충전재 금속으로서 작용하여, 레일로부터의 재료는 고화되어 용접물을 형성함에 따라 첨가된 용강과 합체되고 결합된다.
테르밋 용접을 위한 절차는 일반적으로 레일을 정사각형으로 절삭하고 용접될 갭을 규정된 제한 내에서 준비함으로써 발생된다. 용접될 에지는 녹, 버어(bur), 산화물 또는 기름 오염물을 제거하기 위해 브러시 와이어 또는 연마 도구로 기계적으로 세척된다. 기다란 강철 직선 에지는 레일 헤드의 연장 에지를 정렬하기 위해 사용된다. 레일 단부는 테르밋 강의 고화 및 냉각 중에 수축을 수용하 기 위해 "융기된다"(peaked). 레일의 융기가 이루어지지 않으면, 조인트는 냉각 후에 레일 헤드(더 많은 재료가 이용 가능하고 따라서 냉각이 더 천천히 이루어짐) 및 레일 푸트(foot)의 차동 냉각에 기인하여 침하(sag)될 수 있다. 침하된 조인트는 불량한 승차감을 제공하고 레일의 유지 보수 문제점이 된다. 이러한 조인트는 동적인 증강에 기인하여 더 큰 응력을 받게 될 수 있다.
도가니(crucible) 및 토치를 위한 스탠드는 이어서 용접 갭의 대향 측면의 적절한 위치에서 레일 헤드 상에 고정되고, 토치 스탠드의 높이가 점검되어, 이후의 사용을 위해 이후에 제거되고 배제되는 토치 스탠드 상에 예열된 버너 또는 용접 토치를 배치함으로써 조절된다. 적절한 레일 섹션의 미리 제조된 몰드의 세트가 이어서 선택된다. 몰드는 러팅 샌드(luting sand)를 적절하게 사용하여 이를 적절하게 안착시키는 몰드 슈(mold shoe), 즉 클램프에 배치된다. 몰드의 배치는 갭 상의 중앙이어야만 하고, 대안으로서 용융 금속이 주입되는 동안, 일 레일 단부는 다른 단부보다 더욱 가열될 수 있고 다른 레일에서 금속의 융합이 완료되지 않을 수 있다. 슬래그 보울(bowl)은 주입 중에 범람하는 슬래그 및 용융 금속을 수집하기 위해 몰드 슈에 부착된다. 마그네사이트 라이닝된 도가니는 요동 도가니 스탠드 상의 정확한 높이 및 정렬에서 수용된다. 폐쇄 핀은 이어서 개구 상단 저부에 배치된다. 핀의 헤드는 약 5 그램의 석면 파우더로 덮여져서 용융 금속과 접촉할 때 용융되지 않고 "자동 태핑(tapping)"이 발생한다. 도가니는 레일로부터 이격되어 요동하고 부분(용융 금속을 생성하는 자기 착화 혼합물)이 원추형으로 축적되는 것과 같이 도가니 상으로 주입된다.
상용 실린더 및 산소를 사용하여, 예열 버너 또는 용접 토치가 점화되고 화염이 조정된다. 이 토치는 갭 상에 고정된 그 스탠드에 배치되고 화염은 중앙 개구를 통해 몰드 상으로 유도된다. 화염은 지정 시간 동안 각각의 레일 섹션에 대해 레일 단부를 가열하고 예열 가스가 사용된다. 예열이 완료될 때, 테르밋 반응이 스파클러(sparkler)를 점화하고 도가니 내에 이를 주입함으로써 개시된다. 반응은 지정 시간 동안 발생하고 슬래그는 용융 금속으로부터 분리되는 것이 허용된다.
그 후에, 폐쇄 핀은 외부로부터 태핑되고, 따라서 몰드의 상부 중앙 캐비티 내로 금속을 배출한다. 그 후에, 도가니 및 토치 스탠드가 제거된다. 레일의 헤드 상부의 임의의 여분의 테르밋 강(헤드 압탕)이 고화 후에 그러나 금속이 여전히 가열되어 있을 때, 수동 끌 다듬질(chiseling) 또는 유압식 용접 트리머(trimmer)를 사용함으로써 제거된다. 잔존하는 내화성 금속이 제거되고 용접물의 푸트의 칼라(collar)에 부착된 강철 통기 압탕이 스냅 제거된다. 웨지가 이어서 제거되고 제거된 임의의 체결구가 재고정되고 레일헤드가 접지된다.
테르밋 반응에서, 알루미늄은 고도의 발열 반응으로 산화철, 특히 산화 제2철과 반응하여, 산화철을 환원시켜 철을 유리시키고, 산화 알루미늄의 슬래그를 형성한다. 이 반응은 이하와 같을 수 있다.
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe (3088℃, 719.3kCal↑)
3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe (2500℃, 187.1kCal↑)
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe (2960℃, 181.5kCal↑)
다양한 산화철이 용강의 정확한 최종 양 및 온도를 얻기 위해 적절한 비율로 사용된다. 거의 동일한 양의 용강 및 액체 산화 알루미늄이 발열 반응의 수 초 후에 약 2400℃에서 분리된다. 이러한 반응으로부터 얻어진 철은 연성이고 레일을 접합하기 위한 용접 금속으로서 사용 불가능하다. 정확한 조성의 합금을 생성하기 위해, 페로망간과 같은 합금은 연강의 조각과 함께 작은 입자로서 혼합물에 첨가되어 용융 철에서 신속한 용해를 허용하고 온도를 제어하고 "금속 회수"(metal recovery)를 증가시킨다. 단시간 내의 완벽한 슬래그 분리 및 용융 금속의 더 양호한 유동성은 탄산칼슘 및 형석과 같은 화합물을 첨가함으로써 성취된다.
레일 단부의 예열(약 1000℃)은 주입된 용융 금속이 레일 단부 상의 표면 산화를 세척 제거하는 것을 보조하도록 요구되고, 대안으로서 용융 금속은 표면 산화를 세척 제거하지 않고, 차가운 레일 단부와 접촉하게 될 때 즉시 냉각되고 고화될 수 있다.
테르밋 용접은 레일을 접합하는 데 이점을 제공하지만, 테르밋 용접물은 문제점을 가질 수 있다. 테르밋 용접물과 관련된 문제점은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 낮은 인장 연성, 낮은 충격 인성, 거친 결정립 수지상 결정 미세 구조, 포유물 및 기공성, 성장하는 내부 균열, 용이한 균열 전파, 심각한 결함이 있는 기공, 용접물 및 피로 파괴로 되는 샌드를 포함한다. 테르밋 용접물과 관련된 이 문제점 및 결점은 본 발명에 의해 다루어진다.
본 발명은 사용된 레일의 용접 전에, 용접 중에, 용접 후에 또는 보수 중에, 레일의 조인트 및/또는 길이 주위에서 조인트의 처리를 포함하는 초음파 충격 처리(UIT) 공정을 이용하여 용접 조인트를 재가공함으로써, 그리고 용접된 레일 섹션의 피로 수명 및/또는 다른 특성을 증가시키는 과제를 가지고 초음파 충격 처리를 수동 또는 자동 방식으로, 연속적으로 또는 배치식으로 초음파 충격 도구에 의해 적용함으로써, 예를 들면 알루모테르믹 용접, 구리 테르믹 용접과 같은 테르믹 또는 테르밋 용접과, 아크 용접, 가스압 용접 및 플래시 용접 등과 같은 용접 공정 등의 용접에 의해 함께 접합된 레일의 섹션의 성능의 향상에 관한 것이다.
레일의 용접 시임에서의 내부 응력의 감소, 보상 및 재분배 및 양호한 압축 응력의 생성은 본 발명에 따른 초음파 충격 처리에 의해 성취된다. 이러한 결과는 레일의 용접 시임의 부근 또는 레일 자체에서 금속 가소성 상태를 유도하는 내부 압축파를 유도하기 위해 용접된 레일의 표면의 주기적 펄스 에너지 충격 처리에 의해 성취된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 초음파 충격 기술 비파괴 표면 처리 단계는 응력을 완화하고 용접 위치를 상당히 강화하는 응력 구배 패턴을 도입하는 압축파 패턴으로 용접된 레일의 용접물의 부근에서 가소성의 상태를 생성한다. 용접된 레일의 생성된 내부 구배 미세 구조 패턴은 용접물의 부근 금속 결정립 구조 둘레에 일반적으로 중심 설정되는 마이크로 응력 집중 경계를 피한다. 이는 더 긴 수명, 더 높은 하중 지지 능력을 갖는 용접된 레일을 발생시킨다. 이러한 UIT 처리 단계는 초기 제품 제조, 유지 보수 작업 및 수명을 복구하기 위한 응력 피로 또는 치명적인 파괴의 처리 중에 유용하다.
본 발명의 실시예에서, UIT 변환기 헤드는 잔류 응력을 완화하고 용접 금속 및 열 영향 구역의 미세 구조에 영향을 주는 데 충분한 초음파 및 임펄스 응력을 용접물의 체적 내에 생성하는 초음파의 길이의 1/4의 배수의 거리로 용접된 레일의 표면 상에서 이격되어 있다. 용접 영역에서의 온도는 주위 온도로부터 용융 금속 온도로의 범위 내에서 변화한다. 초음파 변환기 헤드는 용접된 조인트 섹션을 따른 초음파의 파절(node) 및 파복(antinode) 점의 변위를 보장하도록 이동 가능할 수 있고, 또는 예를 들면 낮은 다중 주파수로부터 높은 다중 주파수까지, 그리고 높은 다중 주파수로부터 낮은 다중 주파수까지의 변경 다중 주파수에 대응하는 공진 차원의 영역에서 여기 캐리어 주파수의 "스위핑(sweeping)"을 사용하여 초음파의 파절 및 파복의 위치를 제어하는 데 고정형일 수 있다. 초음파 변환기 헤드는 용접물의 표면 또는 인접한 영역에 장착되고, 표면의 온도는 주위 온도로부터 재료 가소성 온도로 변화될 수 있다. 초음파 변환기 헤드는 용접물의 표면 또는 열 영향 구역을 따라 이동하고, 양호한 압축 응력을 갖는 소성 변형 구역을 표면 층에 생성하고, 상기 구역을 통해 재료에서 잔류 응력을 완화하고 용접 금속 및 열 영향 구역의 미세 구조에 영향을 주는 데 충분한 변형 및 초음파 응력의 분배를 수반하는 초음파를 개시한다.
초음파 충격 처리로 용접된 조인트를 처리하는 것은 하기 중 적어도 하나를 제공한다:
- 인성, 접촉 강도, 열과 수축 크기 변화에 대한 저항성, 낮은 사이클 및 높은 사이클 내구성, 내식성 및 부식 피로 손상에 대한 저항, 가변 하중 하에서의 내구성 한계 및/또는 내충격성을 증가시키는 것,
- 실제 기준과 대조하여 재료의 강도에 대한 보장된 최대 허용 가능한 하중을 증가시키는 것,
- HAZ에서 용접물 및/또는 용접 토우(toe)의 단면의 미세 결정립 구조에 대한 보장된 균일성을 제공하는 것,
- 액체 상태의 용접 재료의 생성량(yield)을 증가시키는 것,
- 탈가스된 용접된 재료를 제공하는 것,
- 초음파 충격 처리 펄스의 효과 하에서 용융 풀의 중앙으로부터 액체 금속의 이동에 기인하는 용접물의 경계에서의 블라스트 냉각의 영역의 열 및 질량 교환을 최적화하는 것,
- 초음파 충격 처리 펄스를 작용함으로써 발생되는 현상에 기인하는 기공, 액화 균열, 불안정한 상태, 입계 석출 및 손상 및/또는 불완전한 융합(즉, 융합 불량)으로서 나타나는 미시 및 거시적 결함을 억제하는 것,
- 제1, 제2 및 제3 종류의 응력 및 구조 변형을 제어하는 것,
- 재료의 편향된 모드 및 결정립, 하위-결정립 및 모자이크 구조에 영향을 줌으로써 결정되는 재료 특성을 제어하는 것,
- 인장 응력의 영역에서 용접물 및 HAZ 금속의 편향된 모드를 최적화하는 것,
- 초음파 충격 처리 효과 하에서 향상된 공정 신뢰성 및 조인트 품질에 기초하여 용접을 위해 용접된 조인트를 준비할 때 및 용접 중에 기술적 파라미터를 확장하고 제한을 최소화하는 것, 및
- 용접된 조인트의 후용접 열처리 공정의 통계 신뢰성을 향상시키고 용접된 조인트의 열처리를 배제하는 것.
이제, 도면을 참조하기로 한다.
도1은 파동 응력 파복(wave stress antinode)의 영역에서 여기 중의 용접 동안의 본 발명의 초음파 진동의 개략도이다.
도2는 이동 파복(travel antinode)의 영역에서 여기 중의 용접 동안의 본 발명의 초음파 진동의 개략도이다.
도3은 프로파일 단면을 따른 여기 중의 용접 동안의 본 발명의 초음파 진동의 개략도이다.
도4는 레일 기부 조인트 상의 본 발명의 초음파 충격 처리 방법의 개략도이다.
도5는 본 발명의 초음파 충격 처리 도구의 실시예의 개략도이다.
도6은 도5의 도구를 사용하는 용접물 프로파일을 따른 용접물의 기계화 초음파 충격 처리의 개략도이다.
도7은 수동 초음파 충격 처리 도구를 사용하는 용접된 조인트 프로파일을 따른 용접물의 초음파 충격 처리의 개략도이다.
도8은 도7의 용접 조인트의 측면도이다.
도9의 (a)는 고온 균열을 갖는 초음파 충격 처리로 처리되지 않은 레일의 개략도이고, 도9의 (b)는 가스 캐비티를 갖는 초음파 충격 처리로 처리되지 않은 레일의 개략도이고, 도9의 (c)는 기공을 갖는 초음파 충격 처리로 처리되지 않은 레일의 개략도이고, 도9의 (d)는 슬래그 포유물을 갖는 초음파 충격 처리로 처리되지 않은 레일의 개략도이고, 도9의 (e)는 불완전한 융합물을 갖는 초음파 충격 처리로 처리되지 않은 레일의 개략도이다.
도10의 (a)는 도9의 (a)의 고온 균열의 제거를 도시하는 초음파 충격 처리로 용접되어 있는 레일의 개략도이고, 도10의 (b)는 도9의 (b)의 가스 캐비티의 제거를 도시하는 초음파 충격 처리로 용접되어 있는 레일의 개략도이고, 도10의 (c)는 도9의 (c)의 기공의 제거를 도시하는 초음파 충격 처리로 용접되어 있는 레일의 개략도이고, 도10의 (d)는 도9의 (d)의 슬래그 포유물의 제거를 도시하는 초음파 충격 처리로 용접되어 있는 레일의 개략도이고, 도10의 (e)는 도9의 (e)의 불완전한 융합물의 제거를 도시하는 초음파 충격 처리로 용접되어 있는 레일의 개략도이다.
도11은 피로 균열 개시 위치를 도시하는 레일의 도면이다.
도12a 및 도12b는 용접 충전재와 기부 금속 사이의 처리된 영역 및 처리된 영역 옆의 레일 재료 상의 열 영향 구역을 나타내는 레일의 단면을 도시한다.
도13은 초음파 충격 처리로 처리된 레일 기부의 밑면을 도시한다.
도14는 초음파 충격 처리로 처리된 도13의 레일 기부의 상세부를 도시한다.
도15는 초음파 충격 처리로 처리된 레일 웨브의 상세부를 도시한다.
도16은 초음파 충격 처리로 처리된 레일 헤드의 상세부를 도시한다.
도17은 레일 상의 피로 시험을 수행하기 위해 사용되는 MTS 시험기를 도시한다.
도18은 도17의 MTS 시험기에서 수행되는 피로 시험의 개략도를 도시한다.
도19는 파괴의 방향을 갖는 샘플 1의 레일의 측면도를 도시한다.
도20은 파괴의 방향을 나타내는 샘플 1의 레일(기부)의 밑면을 도시한다.
도21은 파괴 표면을 도시하는 샘플 1의 레일의 단부도를 도시한다.
도22는 도21의 레일 기부의 밑면에 인접한 파괴 표면의 상세부를 도시한다.
도23은 파괴의 방향을 나타내는 샘플 2의 레일의 측면도를 도시한다.
도24는 파괴의 방향을 나타내는 도23의 레일(기부)의 저면도를 도시한다.
도25는 파괴 표면의 개요를 나타내는 샘플 2의 레일의 단부도를 도시한다.
도26은 도25의 레일 기부의 밑면에 인접한 파괴 개시의 상세부를 도시한다.
도27은 파괴의 방향을 나타내는 샘플 3의 레일(기부)의 측면도를 도시한다.
도28은 파괴 표면을 나타내는 샘플 3의 레일의 단부도를 도시한다.
도29는 도28의 레일의 파괴 개시 영역의 상세부를 도시한다.
도30은 도19 내지 도29의 샘플 1 내지 3에 대한 피로 시험의 결과의 차트 요약이다.
도31은 레일 기부의 밑면에서의 테르밋 용접물의 단면이다.
도32는 도31의 레일 기부(좌측)에서의 용접물의 밑면 상의 레일 기부에서의 용접물로부터 기부로의 천이 영역을 도시한다.
도33은 도31의 파괴 후에 레일 기부(우측)에서의 용접물의 밑면 상의 레일 기부에서의 용접물로부터 기부로의 천이 영역을 도시한다.
도34는 도32의 박스 영역의 더 높은 배율에서의 상세부를 도시한다.
도35는 도33의 박스 영역의 더 높은 배율에서의 상세부를 도시한다.
도36은 100 ㎛의 UIT 처리의 결과로서 최대 변형 깊이를 나타내는 더 높은 배율에서의 도34의 박스 영역의 변형의 상세부를 도시한다.
도37은 80 ㎛의 UIT 처리의 결과로서 최대 변형 깊이를 나타내는 더 높은 배율에서의 도35의 박스 영역의 변형의 상세부를 도시한다.
본 발명은 레일의 용접 전에, 용접 중에, 용접 후에 또는 보수 중에, 레일의 조인트 및/또는 길이 주위에서 조인트의 처리를 포함하는 초음파 충격 처리(UIT) 공정을 이용하여 용접된 조인트를 재가공함으로써, 그리고 용접된 레일 섹션의 피로 수명 및/또는 다른 특성을 증가시키는 과제를 가지고 초음파 충격 처리를 수동 또는 자동 방식으로, 연속적으로 또는 배치식으로 초음파 충격 도구에 의해 적용함으로써, 예를 들면 알루모테르믹 용접 또는 구리 테르믹 용접과 같은 테르믹 또는 테르밋 용접과, 아크 용접, 가스압 용접 및 플래시 용접과 같은 용접 공정 등의 용접에 의해 함께 접합된 레일의 섹션의 성능의 향상에 관한 것이다.
레일의 용접 시임(seam)에서의 내부 응력의 감소, 보상 및 재분배 및 양호한 압축 응력의 생성은 본 발명에 따른 초음파 충격 처리에 의해 성취된다. 이러한 결과는 레일의 용접 시임의 부근 또는 레일 자체에서 금속 가소성 상태를 유도하는 내부 압축파를 유도하기 위해 용접된 레일의 표면의 주기적 펄스 에너지 충격 처리에 의해 성취된다.
인가된 펄스 에너지는 레일의 용접 접합부와 기부 위치 사이에서 테이퍼진 구배 응력 패턴을 생성하는 방식으로 레일 내에 압축파를 생성한다. 이는 전체 제품 하중 지지 능력을 감소시키고 파괴 및 피로에 영향 받기 쉬운 구역을 도입하는 응력 결함 및 예측할 수 없는 또는 제어되지 않은 응력 패턴을 제거한다. 최적 유효성에 대해 충격 처리는 바람직하게 초음파 유도된다.
일반적으로, 본 발명은 용접물의 부근 또는 레일 자체에서 구조 응력 패턴을 완화하고 재분배하기 위해 제조, 유지 보수 및 보수의 다양한 단계에서 용접된 레일의 내부 미세 구조체를 재가공함으로써 종래 기술의 결점을 보정한다. 이 절차는 레일의 수명 및 하중 지지 능력을 감소시키는 임계 응력 패턴 또는 집중을 제거하거나 최소화한다. 따라서, 본 발명에 의해 제공되는 초음파 충격 기술의 적용은 다수의 종래 기술 작업을 대체하고 용접된 레일의 하중 지지 능력 및 피로, 응력 부식 및 치명적인 파괴에 이르게 하는 응력 집중 중심의 감소를 향상시키는 역할을 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 초음파 충격 기술 비파괴 표면 처리 단계는 응력을 완화하고 용접 위치를 상당히 강화하는 응력 구배 패턴을 도입하는 압축파 패턴으로 용접된 레일의 용접물의 부근에서 가소성의 상태를 생성한다. 용접된 레일의 최종 내부 구배 미세 구조 패턴은 용접물의 부근에서 금속 결정립 구조 둘레에 일반적으로 중심 설정되는 마이크로 응력 집중 경계를 회피한다. 이는 더 긴 수명, 더 높은 하중 지지 능력 및 증가된 내마모성을 갖는 용접된 레일을 발생시킨다. 이러한 UIT 처리 단계는 초기 제품 제조, 유지 보수 작업 및 수명을 복구하기 위한 응력 피로 또는 치명적인 파괴의 처리 중에 유용하다.
균열과 같은 결함의 보수의 기술적 작업시, 본 발명은 첨예한 에지를 모따기하는 기계적 변형 단계에 의해 보충되는 바와 같은 UIT 처리의 기본 방법 단계 및 내부 잔류 응력 결함을 완화하고 균열 형성 및 성장의 동역학에 영향을 주기 위한 부가의 매개체로서 용접된 레일 상에 브레이싱 구조체를 용접하는 부가의 단계를 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에서, UIT 변환기 헤드는 잔류 응력을 완화하고 용접 금속 및 열 영향 구역의 미세 구조에 영향을 주는 데 충분한 초음파 및 임펄스 응력을 용접물의 체적 내에 생성하는 초음파의 길이의 1/4의 배수의 거리로 용접된 레일의 표면 상에서 이격되어 있다. 용접 영역에서의 온도는 주위 온도로부터 용융 금속 온도로의 범위 내에서 변화한다. 초음파 변환기 헤드는 용접된 조인트 섹션을 따른 초음파의 파절 및 파복 점의 변위를 보장하도록 이동 가능할 수 있고, 또는 예를 들면 낮은 다중 주파수로부터 높은 다중 주파수까지, 그리고 높은 다중 주파수로부터 낮은 다중 주파수까지의 변경 다중 주파수에 대응하는 공진 차원의 영역에서 여기 캐리어 주파수의 "스위핑"을 사용하여 초음파의 파절 및 파복의 위치를 제어하는 데 고정형일 수 있다. 초음파 변환기 헤드는 용접물의 표면 또는 인접한 영역에 장착되고, 표면의 온도는 주위 온도로부터 재료 가소성 온도로 변화될 수 있다. 초음파 변환기 헤드는 용접물의 표면 또는 열 영향 구역을 따라 이동하고, 양호한 압축 응력을 갖는 소성 변형 구역을 표면 층에 생성하고, 상기 구역을 통해 재료에서 잔류 응력을 완화하고 용접 금속 및 열 영향 구역의 미세 구조에 영향을 주는 데 충분한 변형 및 초음파 응력의 분배를 수반하는 초음파를 개시한다.
따라서, 본 발명은 최소의 단계 또는 기술적 작업을 요구하는 초기 용접 시에 그 하중 지지 수명 및 강도를 증가시키는 레일 처리의 비파괴 변형 방법을 제공하는데, 이 방법은 레일 외부 표면 상의 위치에서 용접되는 시임의 부근의 레일의 용접물 또는 조인트 또는 외부 표면에서 비파괴적으로 펄스 충격 에너지를 유도하는 것과, 바람직하게는 소정 주파수 및 크기의 초음파 주기적 충격 에너지를 이용하는 것과, 용접된 시임 접합부에 근접하고 이를 포함하는 내부 압축파 패턴에 의해 유도되는 레일에서의 일시적인 가소성 구역을 내부적으로 유도하여, 레일에서 내부 기부 점을 향해 지향되는 응력 구배 패턴으로 이어지는 실질적으로 무결정립 백색층을 구성하는 레일 표면에서의 용접 시임 접합부를 갖는 패터닝된 결정립 구조를 생성하기 위해 레일의 내부 결정 구조를 재배열하는 것을 포함한다. 최종 결정립 구조 구배는 결정입계에 집중되는 경향이 있는 내부 마이크로 응력 중심이 실질적으로 없고 따라서 초음파 에너지가 제거되고 관련된 일시적인 가소성 상태가 종료된 후에 레일에 잔류하는 구배 범위를 넘는 상당한 결정입계 응력 중심 미세 결함을 제거한다.
전술된 실시예에 의해 설명되는 이러한 방식으로, 본 발명은 초기 제조 공정 중에, 사용된 레일의 용접 중에, 용접 후에 또는 보수 중에 그 하중 지지 수명 및 강도를 증가시키기 위한 새로운 레일 처리 방법을 제공하며, 본 방법은 본 발명의 실시예와 관련하여 후술되는 바와 같은 다른 장점, 특성 및 실시예를 갖는다.
본 발명은 또한 레일의 파괴 또는 균열과 같은 치명적인 파괴 보수 방법을 포함한다. 더욱이, 상기 보수 방법은 최소의 전문 공구를 사용하면서 균열 영역 내의 내부 잔류 응력을 완화하고, 향상된 강도 특성의 가소성 변형 구역을 생성하고, 내부 미세 구조 응력의 결함 및 집중을 감소시키고, 균열 및 인접한 용접된 시임 접합부 부근의 경계층에 양호한 압축 응력 구역을 형성하고, 레일의 용접된 조인트의 외부 및 내부 응력을 감소시키기 위해 용접 시임으로부터 레일 내로 연장되는 구배 응력 패턴을 생성하고, 레일의 후처리 이용 수명에서의 부가의 균열 성장 및 응력 피로 파괴를 감소시키거나 또는 방지하는 데 도움이 된다. 균열 및 균열 단부 응력 중심을 따르는 첨예한 에지 구조의 더욱 파괴적인 제거에 의해, 갱신된 수명 기대 및 감소된 응력 피로의 추가의 상당한 연장이 또한 성취된다.
본 발명의 방법은 또한 지정된 신뢰성 기준에 의해 지배되는 용접된 조인트의 상태 및 특성을 제어하는 수단으로서 초음파 충격 처리의 사용에 기초하여 현재 한계 기준의 증가 방법을 제공한다. 신뢰성 기준은 용접된 조인트의 이하의 기계적 특성, 즉 항복 강도, 최대 강도, 충격 강도 및 피로 저항(고객에 의해 지정된 사이클의 수에서 피로 한계에 기초하여 평가됨)을 포함한다. 이 기준은 (a) 용접물 및 열 영향 구역 상의 국부적 초음파 충격 처리, (b) 레일 길이를 따라 그리고 응력 및 이동 파복의 영역에서 초음파 펄스로 개시되는 그 단면에서 용접된 조인트의 저주파 진동의 공진에서의 용접물로부터의 원격 초음파 충격 처리, 또는 (c) 용접 중에 또는 작업 조건에 따라서는 용접 후의 정규화된 가열로 저온 금속에 대한 원격 초음파 충격 처리에 사용될 수 있다. UIT 절차는 후술되는 바와 같이 수동, 휴대용 및/또는 기계화 초음파 충격 처리 도구를 사용함으로써 구현될 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 초음파 충격 처리 절차에 기초하여 선로 상에서 연속적으로 증가하는 하중의 조건 하에서 용접된 조인트의 미리 정해진 품질 및 신뢰성을 보장하는 수단으로서 결과 일관성을 증가시키고 결과 분산을 최소화하는 방법을 제공한다. 표준 시험에서, 결과 분산이 최대 60%인 것이 주지의 사실이다. UIT 후의 분산은 15%를 초과하지 않는다.
본 발명에 따른 초음파 충격 처리로 테르밋 용접된 조인트 및 레일을 처리하는 것은 후술되는 바와 같이 용접물, 조인트 및 레일의 특징 및/또는 특성을 향상시키고 또는 용접물, 조인트, 레일의 새로운 특징 및/또는 특성을 제공한다. 향상된 및/또는 새로운 특징 및/또는 특성은 용접 전에, 용접 중에, 용접 후에 및/또는 레일의 보수 중에 얻어질 수 있다. 부가적으로, 이들 향상된 및/또는 새로운 용접된 조인트 또는 레일의 특성은 용접 조인트를 보수하는 것 뿐만 아니라 레일을 제조하고 수리하기 위해 초음파 충격 처리를 사용하는 테르밋 용접 및 다른 유형의 용접의 적용의 확장을 제공한다. 초음파 충격 처리로 처리되는 용접된 조인트의 향상된 및/또는 새로운 특성은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 미세 결정립 및 용접물의 결정립의 양호한 균일성, 열 영향 구역(HAZ), 용접 토우, 소르바이트(sorbite) 구조와 베이나이트(bainite) 구조 및 고온 균열, 가스 캐비티, 기공, 슬래그 포유물 및 불완전한 융합과 같은 결함의 제거를 갖는 것을 포함할 수 있다. 부가적으로, 레일의 테르밋 용접 또는 다른 유형의 용접과 함께 초음파 충격 처리 로 처리되는 레일의 기부 재료의 다른 특성은 증가된 충격 강도, 접촉 강도, 열과 수축 크기 변화에 대한 저항성, 낮은 사이클 및 높은 사이클 강도, 내식성 및 부식 피로 손상에 대한 저항, 가변 하중 하에서의 피로 한계 및 내충격성 및 현재 기준에 상당하는 재료 강도의 레벨에서의 보장된 최대 허용 가능 하중의 증가를 포함한다.
테르믹 용접물 및 용접물을 포위하는 영역에 초음파 충격 처리를 적용함으로써 성취되는 용접된 조인트의 향상된 새로운 구조적 특성은 또한 액체 상태에서의 용접 재료의 향상된 생성량과, 초음파 충격 처리 펄스의 영향 하에서 용융 풀의 중앙으로부터의 액체 금속의 이동에 기인하는 용접물의 경계에서의 블라스트 냉각의 영역의 최적화된 가열 및 질량 교환과, 초음파 충격 처리 펄스를 작용함으로써 발생되는 기공, 액화 균열, 불안정한 상태, 입계 석출 및 손상 및 불완전한 융합의 형태의 미시 및 거시적 결함의 억제를 포함하지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 용접 결함의 예는 도9의 (a) 내지 도9의 (e)에 도시되어 있고 도10의 (a) 내지 도10의 (e)는 초음파 충격 처리에 의한 용접의 사용으로 이들 결함의 최소화를 도시하고 있다.
본 발명의 방법은 또한 제1, 제2 및 제3 종류의 응력 및 구조 변형의 제어 및 결정립, 하위-결정립 및 모자이크 블록의 레벨에서 그 응력 변형 상태 및 구조 상의 영향에 의해 지배되는 재료 특성의 제어를 제공한다. 상기 열거된 영향은 그 모드가 작업에 따라 설정되는 변화된 초음파 충격의 직접 작용의 결과이다. 제어된 파라미터는 하중 하에서 초음파 변환기 진동의 진폭 및 주파수, 처리된 재료의 특성에 따른 반향의 모드 및 파라미터를 포함한다.
본 발명의 방법은 또한 작용하는 인장 응력의 영역에서 용접 금속 및 HAZ의 최적 편향된 모드를 (1) 용접된 조인트의 단면에서 및 그 표면 상에, (2) 요소 사이의 필렛(fillet)의 구역 내의 레일 헤드, 그 벽 및 푸트 및 에지 상의 용접된 조인트 금속 및 표면의 응력 집중의 영역에, (3) 용접물과 HAZ 금속 사이 및 HAZ와 레일 기부 금속 사이의 천이 영역에, (4) 보수된 위치에 제공한다.
부가적으로, 본 발명의 방법은 초음파 충격 처리 효과 하에서 향상된 공정 신뢰성 및 조인트 품질에 기초하여 용접을 위해 용접된 조인트를 준비할 때 그리고 용접 중에 기술적 파라미터의 확대된 범위 및 최소화된 제한을 제공한다. 기술적 파라미터(더 구체적으로, 요건)는 (a) 용접을 위한 조인트 준비에 대한 요구: 갭, 에지의 수직성, 경사; (b) 용접 조건: 열 입력(아크 용접을 위한 전류 및 전압), 속도, 전극 직경, 예비 및 동시 가열의 온도; (c) 용접 소모품: 용접물의 단위 길이 또는 단위 체적 당 용접 소모품의 유형, 화학 조성 및 양을 포함한다. 향상된 공정 신뢰성은 용접된 조인트의 물리적-기계적 특성의 최소 분산을 갖는 제조 대상물의 안정된 재현 가능한 성능 제공의 확률을 암시한다. 향상된 공정 신뢰성은 대상물의 미리 정해진 성능을 얻는 데 책임이 있는 공정 파라미터의 미세한 제어의 가능성을 통해 성취된다.
방법은 또한 본 발명의 초음파 충격 처리의 절차에 기초하여 용접된 조인트의 후용접 열처리 공정의 통계 신뢰성의 향상 및 또한 그 요소의 단면 영역 사이의 특정 재료 특성 및 특정 비율을 갖는 용접된 조인트의 열처리의 배제를 제공한다.
방법은 용접 및 초음파 충격 처리 중에 용접 조인트의 품질 제어의 수단을 제공한다. 방법은 높은 품질의 기준값과 비교하여 진폭 및 주파수 특징을 분석하는 데 기초하여 재료 조건 변경의 초음파 충격 처리 중에 능동 제어를 제공하기 위해 배후 변형(back-striction) 신호의 사용 및 그 규격의 충족을 제공한다. 방법은 높은 품질의 기준 샘플 제조 공정의 특징과 비교하여 진폭-주파수 특징의 분석에 기초하여 재료 조건 변화에 걸친 공정 중의 제어(UIT 중)를 위한 배후 자기 변형 신호(back magnetostriction signal)의 사용 및 표준 요구에 대한 재료의 합치를 암시한다. 다양한 공정이 용접된 조인트에서 불규칙부를 유도하고 용접 변화 중에 배후 자기 변형 신호의 진폭-주파수 특징을 발생시킨다. 상기 특징과 높은 품질의 기준 샘플의 특징 사이의 비교의 결과는 공정 중에 실시간으로 기록되고 공정 중의 제어에 사용된다. 능동 제어는 높은 품질에 대한 기준값에 최대 접근하도록 초음파 충격 처리 파라미터를 처리하는 신호를 발생시켜, 그에 의해 초음파 충격 처리 중에 공정의 능동 제어 및 관리를 발생시키고, 그에 의해 처리 후에 수동 제어를 대체하는 것을 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 현재 사용되는 레일 용접된 조인트의 상태를 평가하고 예측하기 위해, 이동식 음향 모니터링 시스템이 사용된다. 이 시스템은 용접 영역에서 정규화된 충격에 대한 레일 응답의 신호를 이용한다. 제1 UIT가 용접된 조인트 상부를 통과한 후에 얻어지고/지거나 높은 품질의 기준 샘플의 제조에서 기록되는 전술된 신호의 파라미터의 수학적 처리 및 결과와의 비교는 레일 상태를 예측하고 또는 현재 표준에 대한 그 합치성을 조사하는 것을 허용한다.
본 발명의 방법에서, 레일이 현재 사용되고 있는 동안 용접된 레일 조인트 상태의 평가 및 예측이 가능하다. 이는 용접된 조인트의 초기 초음파 충격 처리 후에 얻어지는 결과 및/또는 높은 품질을 위한 기준 신호의 파라미터와 비교하여 용접물에서 레일로부터 정규화된 충격에 대한 응답 신호의 사용 및 용접 특성의 수학적 처리에 기초하여 본 발명의 방법의 휴대용 도구에 의해 성취될 수 있다. 응답 신호는 변환기 반전 자기 변형 전압에 대한 오실로스코프 사진 또는 오실로스코프 사진의 디지털 묘사이다. 오실로스코프 사진 또는 그 디지털 묘사의 형태는 초음파의 정규화된 충격에 대한 처리된 표면의 응답에 의해 발생된다. 신호는 처리된 대상물의 상태에 대한 정보의 기능을 갖는다. 기준 신호의 파라미터는 부가의 모니터링을 위해 그 제조 후에 높은 품질의 기준 샘플 또는 표준 조인트로부터 얻어지는 응답 신호에 대응하는 값을 반영한다.
용접된 레일에 관련된 몇몇 결함은 도입된 압축 응력 또는 인장 응력의 완화, 내부 결함의 존재, Q-계수로 표현되는 내부 마찰 기준에 따른 입상 및 표면 경도를 포함한다. 이들 특징은 배후 변형 파라미터(back striction parameter)에 의해 용이하게 식별될 수 있다. 주 배후 변형 신호 파라미터는 주파수, 진폭, 위상 및 감쇠 계수를 포함한다.
초음파 충격 처리로 테르밋 용접된 조인트를 처리하는 것은 하기 중 적어도 하나를 제공한다:
- 인성, 접촉 강도, 열과 수축 크기 변화에 대한 저항성, 낮은 사이클 및 높은 사이클 내구성, 내식성 및 부식 피로 손상에 대한 저항, 가변 하중 하에서의 내 구성 한계 및/또는 내충격성을 증가시키는 것,
- 실제 기준과 대조하여 재료의 강도에 대한 보장된 최대 허용 가능한 하중을 증가시키는 것,
- HAZ에서 용접물 및/또는 용접 토우의 단면의 미세 결정립 구조에 대한 보장된 균일성을 제공하는 것,
- 액체 상태의 용접 재료의 생성량을 증가시키는 것,
- 탈가스된 용접된 재료를 제공하는 것,
- 초음파 충격 처리 펄스의 효과 하에서 용융 풀의 중앙으로부터 액체 금속의 이동에 기인하는 용접물의 경계에서의 블라스트 냉각의 영역의 열 및 질량 교환을 최적화하는 것,
- 초음파 충격 처리 펄스를 작용함으로써 발생되는 현상에 기인하는 기공, 액화 균열, 불안정한 상태, 입계 석출 및 손상 및 불완전한 융합으로서 나타나는 미시 및 거시적 결함을 억제하는 것,
- 제1, 제2 및 제3 종류의 응력 및 구조 변형을 제어하는 것,
- 재료의 편향된 모드 및 결정립, 하위-결정립 및 모자이크 구조에 영향을 줌으로써 결정되는 재료 특성을 제어하는 것,
- 인장 응력의 영역에서 용접물 및 HAZ 금속의 편향된 모드를 최적화하는 것,
- 초음파 충격 처리 효과 하에서 향상된 공정 신뢰성 및 조인트 품질에 기초하여 용접을 위해 용접된 조인트를 준비할 때 및 용접 중에 기술적 파라미터를 확 장하고 제한을 최소화하는 것, 및
- 용접된 조인트의 후용접 열처리 공정의 통계 신뢰성을 향상시키고 용접된 조인트의 열처리를 배제하는 것.
도1 내지 도3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 초음파 진동은 용접 중에 또는 용접 후에 레일 내로 도입된다. 초음파 충격 처리는 작업 조건에 따라 정규화된 가열로 용접 중에 또는 용접 후에 저온 금속에 바람직하게 수행된다. 도1은 파동 응력 파복의 영역에서 여기 중에 레일 상의 초음파 진동을 도시하고 있다. 도1은 응력파와 용접 영역 사이의 중첩의 조건 하에서 초음파 변환기의 캐리어 주파수에서의 레일의 초음파 진동의 여기의 개략도를 도시하고 있다. 레일의 초음파 진동을 여기하기 위해, 초음파 충격 도구는 용접된 조인트의 축방향 섹션으로부터 초음파의 1/4에 동일하거나 배수의 거리에서 레일에 수직으로 위치된다.
도2는 용접 중의 레일의 여기 동안에 이동 파복 구역에서의 레일의 초음파 진동을 도시하고 있다. 그렇게 함에 있어서, 초음파 충격 도구는 레일에 수직으로 위치된다.
도3은 레일의 프로파일 단면을 따른 여기 중의 용접 동안의 레일 상의 초음파 진동을 도시하고 있다. 도3은 도구가 레일 헤드에 장착된 때 레일 헤드로부터 레일 기부로 레일 축에 수직인 방향에서의 레일의 단면의 초음파 응력 및 초음파 변위 진폭의 분배를 도시하고 있다. 최대 변위 진폭은 레일 헤드 및 레일 기부 표면에 위치되는 섹션 점에 대응한다. 최대 초음파 응력은 최소 변위(또는 파절)의 영역에 대응하고, 이는 이 경우에 레일 기부에서 발생된다. 그러나, 예를 들면 낮 은 다중 주파수로부터 높은 다중 주파수까지, 그리고 높은 다중 주파수로부터 낮은 다중 주파수까지의 다중 공진 영역에서 여기 주파수의 "스위핑(sweeping)"에 의해 초음파의 파절 및 파복의 위치를 제어하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 테르밋 용접된 레일 기부 조인트의 초음파 충격 처리가 도4에 도시되어 있다. 레일의 초음파 충격 처리는 작업 조건에 따라 저온 금속에서 또는 정규화된 가열로 용접 후에 바람직하게 수행된다. 도5는 본 발명에 따른 초음파 충격 처리에 사용을 위한 바람직한 초음파 충격 처리 도구를 도시하고 있다. 초음파 충격 도구(30)는 바림직하게는 진동 속도 방향의 변환기-도파관(32), 핀 홀더 브래킷(34), 핀 홀더 브래킷(34)에 의해 도파관(32)에 연결되는 도파관(32)의 제1 단부 상의 핀 홀더(36)를 포함한다. 핀 홀더(36)의 자유 단부는 바람직하게 적어도 하나의 압입기(indenter, 38)를 그 상부에 갖는다. 도구는 수동으로 사용될 수 있고, 레일을 따라 이동될 수 있는 트롤리 또는 다른 적합한 유형의 차량에 위치될 수 있다. 트롤리가 적소에 고정되거나 또는 레일을 따라 이동하는 동안 본 발명의 초음파 충격 처리가 일어날 수 있다.
도6은 초음파 충격 도구(30)를 사용하는 레일의 용접 프로파일을 따른 용접물의 기계화된 초음파 충격 처리의 실시예를 도시하고 있다.
도7은 수동 초음파 충격 도구를 사용하는 레일의 용접된 조인트 프로파일을 따른 수동 초음파 충격 처리의 실시예를 도시하고 있다. 처리는 작업 조건에 따라 정규화된 가열로 저온 금속에서 또는 용접 후에 수행된다. 용접된 조인트 프로파일을 따른(레일 프로파일의 주위를 따른) 용접 표면 및 용접 토우는 초음파 충격 처리로 처리된다. 도8은 레일의 용접된 영역의 측면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 용접 영역은 용접물에 인접한 영역과 함께 초음파 충격 처리로 처리된다.
도9의 (a) 내지 도9의 (e)는 초음파 충격 처리 없이 레일에서 발생할 수 있는 고온 균열, 가스 캐비티, 기공, 슬래그 포유물 및 불완전한 융합물 각각을 포함하는 몇몇 결함을 도시하고 있다. 도10의 (a) 내지 도10의 (e)는 고온 균열, 가스 캐비티, 기공, 슬래그 포유물 및 불완전한 융합의 각각의 제거 또는 최소화를 포함하는 용접 및 초음파 충격 처리 후에 최소화되는 도9의 (a) 내지 도9의 (e)의 용접 결함을 도시하고 있다.
용접물의 파괴의 대부분은 용접물의 피로 또는 포유물에 기인하여 발생한다. 피로 파괴는 웨브의 필렛의 용접 토우 및 레일의 밑면의 영역에서 가장 빈번히 발생한다. 도11은 레일(40) 상의 피로 균열 개시 위치를 도시하고 있다. 레일(40)은 레일 헤드(44), 레일 웨브(48), 레일 기부(50) 및 레일 웨브(48)와 레일 기부(50) 사이의 웨브-대-기부 필렛(46)을 갖는다. 레일(40)은 레일 헤드(44) 상의 내부 피로 균열(42), 필렛(46)의 용접 토우에서의 피로 균열(52) 및 기부(50)의 용접 토우에서의 피로 균열(52)을 갖는다.
레일은 그 제조 후에, 현장에서의 조립 전 또는 후에, 유지 보수 및 손상 방지의 일부로서, 광범위한 마모 후에 또는 임의의 다른 적합한 기간에 처리될 수 있다.
시험은 레일 상에서 초음파 충격 처리를 사용하는 테르밋 용접물의 피로 수 명 향상을 결정하도록 두 개의 단계에서 처리된다. 단계 1은 피로 수명에서의 대략의 증가의 지시를 얻기 위해 기부, 웨브 및 헤드 상에서 UIT로 처리되는 샘플의 초기 시험-초기 판매 시험이다. 테르밋 용접물의 피로 수명에 대한 표준 요구는 후술되는 바와 같이 하중 및 시험 프로그램 하에서 2백만 사이클 이상이다. 샘플은 용접물의 양 측면 상의 기부 재료의 HAZ에서 15 ㎜의 거리의 기부 재료 및 용접 재료의 접합부에서 초음파 충격 처리로 처리된다. 초음파 충격 처리는 레일 헤드, 레일 웨브 및 레일 기부를 포함하는 레일 도처에서 이루어진다. UIT 처리된 시편의 초기 시험 결과는 5백만 사이클로 진행되고, 시험은 중지된다. 샘플은 파괴되지 않는다
단계 2에서, 3개의 시편이 제조되고 이후에 본 명세서에 설명되는 바와 같이 UIT로 처리된다. 단계 2에서, 레일의 기부 및 웨브 영역 만이 처리된다. 처리 구역은 용접물의 양 측면 상의 기부 재료의 HAZ의 15 ㎜의 거리의 기부 재료 및 용접 재료의 접합부이다. 도12a 내지 도12b에 도시되어 있는 바와 같이, 처리된 영역은 용접 충전재와 기부 금속 사이의 이음 구역(A) 및 구역(A)의 바로 옆의 기부 레일 재료 상의 약 10 ㎜ 내지 약 15 ㎜의 폭을 갖는 HAZ 구역(B)으로서 도시되어 있다.
본 발명에서, 임의의 적합한 초음파 충격 시스템이 사용될 수 있다. 그러나, 상기 시험은 부하를 받지 않았을 때 26 미크론의 진폭을 갖는 1 ㎾ 시스템을 갖는 핸드 도구(hand tool)를 갖는 휴대용 초음파 충격 처리 시스템을 사용한다. 도구의 주파수는 27 ㎑이고 출력 설정은 최대 출력이다. 압입기에 대해, 표준 3 ㎜ 반경 및 25 ㎜ 길이의 니들이 사용된다.
시험 용접은 초음파 충격 처리로 처리한 후에 시각적으로 검사된다. 도13 및 도14는 처리된 레일 기부의 밑면을 도시하고 있다. 도15는 처리된 레일 웨브를 도시하고 있고 도16은 처리된 레일 헤드의 밑면을 도시하고 있다.
다음에, 처리된 레일의 피로 시험이 수행된다. 도17에 도시되어 있는 바와 같이 750 ㎾의 MTS 시험기가 처리된 레일 상에서 4-점 피로-굽힘 시험을 수행하기 위해 사용된다. 도18에 도시되어 있는 바와 같이, 시험기 상의 지지 롤러(60) 사이의 거리는 1250 ㎜이고 압력 롤러(62) 사이의 거리는 150 ㎜이다. 그러나, 지지 롤러 사이 및 압력 롤러 사이의 임의의 적합한 거리를 갖는 임의의 적합한 시험기가 사용될 수도 있다. 레일의 레일 기부는 시험 중에 인장 응력에 노출된다.
시험은 8 ㎐의 주파수에서 +20 내지 +200 ㎫(응력 진폭 180 ㎫)의 레일 기부의 밑면 상의 응력 범위로 수행된다. 샘플은 파괴 없이 5,190,000 사이클로 진행된다. 이 때, 응력 범위는 200 ㎫(+20 ㎫ 내지 +220 ㎫)의 응력 진폭으로 증가된다. 응력은 313,000 ㎫의 저항 모멘트로 계산된다. 시험은 유럽 허용 프로그램의 표준 및 가이드라인에 합치하도록 수행된다.
피로 시험의 결과의 개요는 도30에 도시되어 있고 상세히 후술된다.
샘플 번호 1은 180 ㎫의 응력 진폭에서 5.19×106 사이클 이후에 어떠한 균열 또는 손상도 나타내지 않는다. 진폭을 200 ㎫로 증가시킨 이후에, 샘플은 이 진폭에서 부가의 3.39×106 사이클 이후에 파괴된다. 이 샘플의 파괴는 레일 기부의 밑면에서 테르밋 용접 공정에 의해 발생된 과도한 용접 금속의 "과잉 블라우 징(blousing)"(레일의 한계 이상으로 팽윤)시에 개시된다. 샘플 번호 1의 파괴 방향은 도19 및 도20에 도시되어 있고 샘플 번호 1의 파괴 표면은 도21 및 도22에 도시되어 있다.
샘플 번호 2는 180 ㎫의 응력 진폭에서 2.25×106 사이클 이후에 파괴된다. 파괴는 레일 기부의 밑면의 포유물(샌드 결정립)에서 개시된다. 샘플 번호 2의 파괴 방향은 도23 및 도24에 도시되어 있고 샘플 번호 2의 파괴 표면은 도25 및 도26에 도시되어 있다.
샘플 번호 3은 180 ㎫의 응력 진폭에서 2.44×106 사이클 이후에 파괴된다. 파괴는 레일 기부의 상부면에서 테르밋 용접 공정의 결과로서 포유물에서 개시된다. 샘플 번호 3의 파괴 방향은 도27에 도시되어 있고 샘플 번호 3의 파괴 표면은 도28 및 도29에 도시되어 있다.
단면은 현미경 검사를 위해 샘플 번호 2의 레일 기부로부터 취해진다. 검사는 용접 금속과 기부 재료의 열 영향 구역 사이의 천이 영역에 집중된다. 검사 결과는 도31 내지 도37에 도시되어 있다. 도31은 레일 기부의 밑면에서 테르밋 용접물의 단면을 도시하고 있다. 도32는 UIT 처리된 영역의 소성 변형 뿐만 아니라 "과잉 블라우징된(bloused)" 과도한 용접 금속을 도시하는 도31의 레일 기부(좌측)에서 용접물의 밑면 상의 레일 기부에서 용접물로부터 기부 재료로 천이 영역을 도시하고 있다. 도33은 도31의 파괴 후에 레일 기부(우측)에서 용접물의 밑면 상의 레일 기부에서 용접물로부터 기부 재료로 천이 영역을 도시하고 있다. 도34는 도 32의 박스 영역의 상세를 더 높은 배율로 도시하고 있다. 도35는 도33의 박스 영역의 상세를 더 높은 배율로 도시하고 있다. 도36은 100 ㎛의 초음파 충격 처리의 결과로서 최대 변형 깊이를 도시하고 있는 도34의 박스 영역에서의 변형의 상세를 더 높은 배율로 도시하고 있다. 도37은 80 ㎛의 초음파 충격 처리의 결과로서 최대 변형 깊이를 도시하고 있는 도35의 박스 영역에서의 변형의 상세를 더 높은 배율로 도시하고 있다. 일반적으로, 현미경 검사 중에 가시 변형의 깊이는 50 ㎛과 100 ㎛ 사이이다.
시험의 결과로서, 샘플 번호 1은 5.19×106 사이클 이후에 180 ㎫의 규정된 응력 진폭에서 파괴되지 않는다. 단지 응력 진폭을 200 ㎫로 증가시킨 이후에, 부가의 3.39×106 사이클이 진행된 이후에 시편이 파괴된다. 샘플 번호 2 및 3은 각각 180 ㎫의 규정된 응력 진폭에서 2.25×106 및 2.44×106 사이클 이후에 파괴된다. 모든 샘플은 용접물 내의 포유물에 기인하여 파괴된다. 사양은 이들 샘플 모두에 의해 성취되는 180 ㎫의 응력 하중 진폭에서 2×106 사이클을 요구한다. 통상의 미처리 조건, 즉 초음파 충격 처리 없이, 이력 데이터는 용접물 내에 포유물을 갖는 샘플이 1.5×106 사이클 이전에 완전히 파괴되는 것을 결론적으로 나타낸다.
용접 결함을 갖더라도, 본 발명에 따른 초음파 충격 처리에 기인하여 2×106 의 소정의 기준이 성취될 수 있다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 다양한 수정이 전술된 설명의 범주 내에서 이루어질 수 있다. 당업자의 능력 범위 내에 있는 이러한 수정은 본 발명의 일부를 형성하고 첨부된 청구의 범위에 포함된다.
Claims (32)
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- 초음파 충격 처리에 의해 레일의 적어도 일부를 처리하는 처리 단계를 포함하며,상기 레일은 제1섹션 및 제2섹션을 구비하며, 상기 제1섹션 및 상기 제2섹션이 용접된 조인트에 의해 서로 결합하고,상기 초음파 충격 처리는 초음파 변환기 헤드를 포함하는 도구에 의해 수행되고,상기 처리 단계는, 상기 초음파 변환기 헤드를 상기 용접된 조인트로부터 상기 초음파 충격 처리 시의 초음파 파장의 1/4 또는 1/4의 배수의 거리에서 상기 레일의 표면 위에 위치시키어, 상기 도구를 상기 레일의 길이 방향에 수직으로 위치시키는 단계를 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 용접된 조인트 위에서 상기 레일의 표면을 따라 상기 초음파 변환기 헤드를 이동시키는 단계를 더 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 초음파 충격 처리의 여기 주파수를 스위핑하는 단계를 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계 전, 상기 레일이 하나 이상의 용접 결함을 포함하고, 상기 처리 단계에 의해 상기 하나 이상의 용접 결함이 감소하거나 제거되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 용접 결함은 균열, 가스 캐비티, 기공, 슬래그 포유물, 융합 불량 및 이들의 결합 중 하나 이상으로부터 선택되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계에 의해 상기 용접된 조인트의 가스가 제거되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 용접된 조인트는 테르밋 또는 테르믹 용접된 조인트인,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 초음파 충격 처리에 의해 처리된 상기 레일이 180MPa의 응력에서 2백만 사이클 이상의 피로 수명을 갖는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 삭제
- 제 11항에 있어서, 상기 용접된 조인트가 아크 용접, 가스 압력 용접 또는 플래쉬 용접에 의해 형성되는 용접된 조인트인,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 처리 단계가, 상기 용접된 조인트를 형성하는 용접 과정 중, 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가, 상기 용접된 조인트를 형성하는 용접 후, 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계 전, 상기 레일은 상기 용접된 조인트와의 연결로 인한 하나 이상의 균열을 포함하고 있고,상기 용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법은 상기 하나 이상의 균열을 따라 나타나는 에지 구조를 모따기하는 단계를 더 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 초음파 충격 처리에 의해 처리된 레일의 품질을 제어하는 제어 단계를 더 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 제어 단계는, 상기 초음파 충격 처리 중, 초음파 충격 처리된 레일로부터 배후 자기 변형 신호를 측정하고, 상기 배후 자기 변형 신호를 기준 샘플의 신호나 표준 레일 조인트의 신호와 비교하는 단계를 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 제어 단계는 실시간으로 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제25항에 있어서, 초음파 충격 처리된 조인트로부터의 배후 자기 변형 신호의 파라미터 값이 배후 자기 변형 신호의 파라미터의 기준값으로 접근하도록, 상기 초음파 충격 처리의 파라미터를 조정하는 단계를 더 포함하는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가 수동으로 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가 자동으로 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 레일을 따라 이동가능한 트롤리에 위치한 도구에 의해 수행되는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 처리 단계는 초음파 충격 도구에 의해서 수행되고,상기 초음파 충격 도구는 진동의 속도 방향을 변환해주는 도파관과 하나 이상의 압입기를 포함하고,상기 도파관은 제1방향을 가진 초음파 진동을 받아서, 제1방향과는 다른 제2방향을 가진 초음파 진동으로 상기 하나 이상의 압입기에 변환해주는,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 제2방향은 상기 제1방향과 수직인,용접된 레일 조인트의 품질 및 신뢰성 개선 방법.
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