WO2014077140A1 - 後熱処理装置 - Google Patents
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Definitions
- the post-heat treatment apparatus includes a plurality of the induction heating coils, and an axial direction of the induction heating coils disposed on the rail is set with respect to a surface of the rail.
- a plurality of the induction heating coils that are perpendicular to each other and have the same distance from the welding center along the length direction of the rail may be arranged so as to be separated from each other and cover the entire circumference of the rail.
- an axial direction of the induction heating coil disposed on the rail is parallel to the length direction of the rail, and the induction heating coil May be arranged covering the entire circumference of the rail.
- the number of turns of the induction heating coil is two or more, or the number of places of the induction heating coil on one side of the welding center is two or more.
- the number of placement locations of the induction heating coil is the number of placement locations in the length direction of the rail. That is, it is assumed that the plurality of induction heating coils arranged at the same distance from the welding center are arranged at one place.
- the heating rate can be further increased, and the residual stress can be further reduced.
- the post heat treatment apparatus it is preferable that a plurality of the induction heating coils are provided, and the plurality of induction heating coils are arranged on both sides of the welding center.
- the induction heating coils By arranging the induction heating coils on both sides of the welding center in this manner, both regions sandwiching the welding center can be heated at the same time, so that the residual stress can be further reduced and the post heat treatment time can be reduced. It can be shortened.
- the residual stress at the welded portion of the rail can be effectively reduced.
- 1 is a schematic cross-sectional view of a post heat treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention.
- 1 is a schematic side view of a post heat treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention.
- It is a schematic diagram which shows the mechanism in which a residual stress reduces with a post-heat processing apparatus.
- It is a schematic diagram which shows the mechanism in which a residual stress reduces with a post-heat processing apparatus.
- It is typical sectional drawing of the post-heat processing apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
- It is a typical side view of the post-heat-treatment apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
- a post-heat treatment apparatus 10 is a post-heat treatment apparatus for a welded rail X, and includes four induction heating coils 11 and a high-frequency power source (illustrated). Not).
- the end surfaces of the material rails are arranged facing each other with a gap of about 20 mm to 30 mm, the gap is surrounded by a mold, and aluminum and iron oxide are placed in a crucible placed at the top of the mold.
- molten steel is produced by a chemical reaction, and the material rail is welded by injecting the molten steel into a mold and melting the end face of the rail material.
- the size of the induction heating coil 11 may be appropriately set according to the size of the rail X or the like.
- the shape of the induction heating coil 11 viewed in the axial direction is a circle, an ellipse, a substantially rectangular shape, or a substantially rectangular shape
- the outer diameter, the long diameter, or the side length in the shape viewed in the axial direction is set to about 20 mm to 150 mm. be able to.
- the cross-sectional shape of the metal wire or the metal pipe forming the induction heating coil 11 is not particularly limited, and may be a circle, an ellipse, a substantially square, a substantially rectangular, or the like.
- the outer diameter, major axis, or side length of the metal wire or metal pipe can be about 5 mm to 40 mm.
- the induction heating coil 11 is disposed on the side surface of the rail column portion in a state of being 20 mm to 300 mm apart from the rail welding center in the rail length direction.
- the four induction heating coils 11 are arranged to face each other so as to sandwich the column part X5 on both sides of the rail X with the welding center X2 interposed therebetween. That is, the pair of induction heating coils 11 is arranged at one place on each side of the welding center X2 (that is, the number of places where the induction heating coils 11 are arranged on both sides of the welding center X2).
- each induction heating coil 11 needs to be disposed at least on the side surface of the column portion X5. Even if the induction heating coil 11 is arranged only in the head X3 and / or the foot X4, the above-described effect of reducing the tensile residual stress cannot be sufficiently obtained. Further, as described above, it is preferable to arrange the pair of induction heating coils 11 so as to face each other with the column part X5 interposed therebetween, but in the case where one induction heating coil 11 is arranged only on one side of the column part X5. Even if it exists, it is possible to give calorie
- the high frequency power source is electrically connected to the induction heating coil 11 and allows a high frequency current to flow through the induction heating coil 11. Any type of high-frequency power source can be used as long as it generates a high-frequency current having a predetermined frequency.
- the high frequency power source include a high frequency power source such as a transistor type, a thyristor type, and an electron tube type.
- the post-heat treatment apparatus 10 can further include a fixing means for the induction heating coil 11, a position moving means for the induction heating coil 11, a temperature measuring means for the part to be heated (for example, a thermocouple or a radiation thermometer), and the like. .
- the induction heating coil 11 can heat the region separated from the welding center X2 of the rail X by the predetermined distance C in the length direction of the rail X at a high heating rate. Thereby, the residual stress which exists in the welding part X1 of the welded rail X can be reduced effectively.
- the heating rate is slow, and it is difficult to heat only the desired region. Since the flame of the burner heats a wide range, when the burner is used as a heating means, the flame hits the welding center X2 as well as a region spaced a predetermined distance from the welding center X2, and the temperature rise of the welding center X2 increases. .
- the post-heat treatment apparatus 10 is configured such that the induction heating coil 11 does not cover the entire circumference of the rail X and is disposed only on the left and right of the column part X5. Therefore, the post-heat treatment apparatus 10 can be easily disposed on the rail X to be post-heat treated, and can be suitably used not only for factory welding but also for post-heat treatment for welding at the site where the rail is installed.
- the distance between the induction heating coils 31b and 31c arranged on the side close to the welding center X2 and the welding center X2 is C3, and the induction heating coils 31a and 31d arranged on the side far from the welding center X2 and the welding center X2 The distance between is C4.
- the distance C3 or C4 between the welding center X2 and each induction heating coil 31a to 31d refers to the shortest distance between the welding center X2 and each induction heating coil 31a to 31d.
- the number of places where the induction heating coil 31 is arranged on one side of the welding center X2 is two (the distance from the welding center X2 is C3 and the distance from the welding center X2 is C4). position).
- the post-heat treatment apparatus 30 heats not only the column part X5 but also the entire circumference of the heated region including the head part X3 and the foot part X4.
- the post-heat treatment apparatus 30 since heating is performed over a wider range along the height direction of the column portion X5, a stronger compressive stress can be applied to the welded portion X1 during cooling after heating. Therefore, according to the post-heat treatment apparatus 30, the residual stress is more effectively offset, and the tensile residual stress at the weld X1 can be further reduced.
- heating the entire circumference of the heated region of the rail X in this way also has an effect of reducing the residual stress in the length direction of the rail X.
- the induction heating coils 31a to 31d of the post heat treatment apparatus 30 are arranged at predetermined positions on the welded rail X. This arrangement may be performed by moving the induction heating coils 31a to 31d with respect to the fixed rail X, or by moving the rail X with respect to the fixed heat treatment apparatus 30. You may go. In the latter case, for example, in factory welding, the post-heat treatment device 30 is disposed downstream of the rail welding device, whereby the rail X is continuously moved and the induction heating coils 31a to 31d are disposed at predetermined positions. it can.
- the frequency of the alternating current is not particularly limited, but may be, for example, 1 kHz to 50 KHz, preferably 1 kHz to 20 kHz, and more preferably 1 kHz to 18 kHz. These numerical ranges are considered to be relatively low values in the technical field of induction heating using induction heating coils.
- This frequency is less than 1 kHz, the heating rate may decrease, and when the frequency exceeds 20 kHz, only the surface of the rail X may be heated.
- the flame of the burner heats a wide range, when the burner is used as a heating means, the flame hits the welding center X2 as well as a region spaced a predetermined distance from the welding center X2, and the temperature rise of the welding center X2 increases. .
- the induction heating coils 31a to 31d are excellent in controllability of the heating region, according to the post heat treatment apparatus 30 having the induction heating coils 31a to 31d, a desired region (region separated from the welding center X2) is heated. At the same time, the temperature rise at the welding center X2 can be suppressed, and the residual stress can be effectively reduced.
- the number of heating coils is not limited.
- the number of induction heating coils can be changed according to the size of the rail X and the induction heating coils 41a to 41f. Also, other configurations can be changed in the same manner as other embodiments.
- -Heating temperature Heating from room temperature to 700 ° C-Heating speed in case of post-heat treatment devices A and B: Two types of 2.5 ° C / s and 3.0 ° C / s-Heating speed in case of post-heat treatment device C : 2.5 ° C / s -Number of heating points: One on one side of the welding center-Induction heating device output for post-heat treatment devices A and B (per pair for spot heating, per coil for full circumference heating): heating rate In the case of 2.5 ° C / s, 100 kW, in the case of heating rate of 3.0 ° C / s, more than 100 kW.
- -Fuel gas for gas heating in the case of the post heat treatment apparatus C propane-air mixed gas
- the post-heat treatment apparatus A performs post-heat treatment that heats one side sequentially and post-heat treatment that heats both sides simultaneously
- the post-heat treatment apparatus B uses two induction heating coil currents sandwiching the welding center.
- a post-heat treatment for changing the direction to the forward direction and a post-heat treatment for changing the direction to the reverse direction were performed.
- the experimental conditions are as follows. In addition, it was naturally cooled after heating. Of the experimental conditions listed below, the conditions that are not particularly specified apply to both the post-heat treatment apparatuses A and B.
- the substantial heating width in the length direction is 50 mm
- the shape in the axial direction is substantially enlarged similar to the outer edge of the rail cross section
- the coil which is a shape was arrange
- -Distance from the welding center to the heating position It was changed between 10 mm and 400 mm.
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Abstract
Description
本願は、2012年11月16日に日本に出願された特願2012-252111号と、2012年11月16日に日本に出願された特願2012-252113号とに基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、溶接部の引張残留応力を低減するための他の方法として、加熱されたレールの溶接部を、パーライト変態が終了するまで高圧の気体又は含水気体を用いて冷却し、その後急速冷却する方法も提案されている(特許文献2、および特許文献3参照)。この方法は、溶接部の冷却過程を制御することで、溶接部の引張残留応力を低減させるものである。しかしながら、特許文献2および3に記載された方法は、加熱されたレールを冷却する工程を含む。このことは、レールの後熱処理に要する時間およびコストを増大させるので好ましくない。
(2)上記(1)に記載の後熱処理装置は、複数の前記誘導加熱コイルを有し、前記誘導加熱コイルが、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心の両側に配置されてもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載の後熱処理装置は、複数の前記誘導加熱コイルを有し、前記レールに配置された前記誘導加熱コイルの軸方向が、前記レールの表面に対して垂直であり、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心からの距離が等しい複数の前記誘導加熱コイルが、互いに離間して、前記レールの全周を覆って配置されてもよい。
(4)上記(1)または(2)に記載の後熱処理装置は、前記レールに配置された前記誘導加熱コイルの軸方向が、前記レールの前記長さ方向と平行であり、前記誘導加熱コイルが前記レールの全周を覆って配置されてもよい。
(5)上記(4)に記載の後熱処理装置は、前記誘導加熱コイルが、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心の両側に配置されており、前記溶接中心の一方に配置された前記誘導加熱コイルに流れる電流の向きと、前記溶接中心の他方に配置された前記誘導加熱コイルに流れる電流の向きとが互いに逆方向であってもよい。
(6)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の後熱処理装置は、前記溶接中心の片側または両側において、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心からの距離が互いに異なる複数の前記誘導加熱コイルが、互いに離間して配置されてもよい。
(7)上記(1)~(6)のいずれか一項に記載の後熱処理装置は、前記誘導加熱コイルの巻数が2巻以上であってもよい。
(8)上記(1)~(7)のいずれか一項に記載の後熱処理装置は、前記誘導加熱コイルに流れる電流の周波数が1kHz~20kHzであってもよい。
図1A、および図1Bに示すように、本発明の第1の実施形態に係る後熱処理装置10は、溶接されたレールXの後熱処理装置であり、4つの誘導加熱コイル11及び高周波電源(図示しない)を備える。
まず、被後熱処理物であるレールXについて説明する。レールXは、鉄道用レールとしての一般的な形状を有し、前述した頭部X3、足部X4及び柱部X5を備える。レールXを形成するレール鋼としては、炭素含有量が0.6質量%~1.0質量%程度の亜共析鋼、共析炭素鋼、過共析炭素鋼等を用いることができる。過共析炭素鋼(例えば、炭素含有量0.85質量%~1.0質量%)は、高い耐摩耗性を有するが、靭性が低いので、疲労亀裂が生じやすい傾向にある。従って、後熱処理装置10は、過共析炭素鋼から形成されたレールに用いた場合、残留応力の低減機能をさらに効果的に発揮することができる。
誘導加熱コイル11は、レールXの少なくとも柱部X5を加熱するものであり、公知のものを用いることができる。ここでは、複数の誘導加熱コイル11は、全て同一のものであるが、これらが互いに異なっていてもよい。誘導加熱コイル11は、通常、金属線又は金属パイプから形成されている。誘導加熱コイル11としては、例えば、銅製のコイルを用いることができ、または銅パイプ等の金属パイプをコイル形状に加工することにより製造されたコイル(パイプコイル)を用いることもできる。パイプコイルを採用した誘電加熱コイルを用いる場合、パイプの内部に冷却水を通しながら誘電加熱コイル使用することにより、コイル自身及び/又は他の部分の温度上昇を抑えることができる。
後熱処理装置10の使用の際に、誘導加熱コイル11は、レールXの溶接中心X2から長さ方向に所定距離Cだけ離間した状態で、レールXの側面に配置される。レールXの側面に配置された誘導加熱コイル11の軸方向は、レールXの側面に対して垂直である。この溶接中心X2と各誘導加熱コイル11との間の距離C(溶接中心X2から各誘導加熱コイル11までの最短距離)は、20mm~300mmとする。距離Cの下限値は30mm以上が好ましく、50mm以上がより好ましい。前述したように、後熱処理前のレールXにおいては、溶接中心X2を中心とする溶接部X1に引張残留応力が存在し、溶接部X1の周辺に圧縮残留応力が存在している。すなわち、後熱処理前のレールXにおいては、残留応力が偏在している。レールXの溶接中心X2から長さ方向に所定距離Cだけ離間した状態で各誘導加熱コイル11をレールXの側面に配置することで、後熱処理(加熱)の際に、溶接部X1の周辺を適切に加熱し、これにより、偏在していた残留応力を相殺させて、溶接部に存在する引張残留応力を効果的に低減させることができる。
なお、本実施形態に係る後熱処理装置10では、溶接中心X2の一方側および他方側それぞれにおいて、2つの誘導加熱コイル11が、溶接中心X2と各誘導加熱コイル11との間の距離Cを等しくした状態で、レールXの両側面に配置されている。すなわち、溶接中心X2の一方側に配置された複数の誘導加熱コイル11それぞれと溶接中心X2との間の距離が1種類である。この場合、誘導加熱コイル11の配置箇所数は1箇所であると見なす。もし、溶接中心X2の一方側に配置された複数の誘導加熱コイル11それぞれと、溶接中心X2との間の距離がN種類であった場合、誘導加熱コイル11の配置箇所数はN箇所であると見なす。このように、本発明では、誘導加熱コイルに関する「個数」との用語と「配置箇所数」との用語とは異なる概念であると見なされる。上述の事項は、本発明に係る他の実施形態においても適用される。
残留応力の低減を効果的に行うためには、溶接部の周辺における膨張歪Et1および収縮歪Et2を大きくし、且つ溶接部そのものの膨張歪および収縮歪を小さくすることが求められる。後熱処理の際に、溶接部において大きな膨張歪および収縮歪が生じた場合、溶接部の周辺部における膨張歪Et1および収縮歪Et2の効果が溶接部の膨張歪および収縮歪によって打ち消されてしまい、溶接部に生じる引張応力Sq1および圧縮応力Sq2が小さくなるからである。溶接部そのものの膨張歪および収縮歪を小さくするためには、溶接部の温度上昇を抑制することが効果的である。
上述のように、各誘導加熱コイル11は、少なくとも柱部X5の側面に配置されることが必要である。頭部X3および/または足部X4だけに誘導加熱コイル11が配置されたとしても、上述した引張残留応力の低減効果を十分に得ることができない。また、上述のように、一対の誘導加熱コイル11を、柱部X5を挟んで対向するように配置することが好ましいが、1つの誘導加熱コイル11を柱部X5の片側だけに配置した場合であっても、溶接部X1の引張残留応力を低減させるために必要な熱量を柱部X5に与えることは可能である。
高周波電源は、誘導加熱コイル11に電気的に接続され、誘導加熱コイル11に高周波電流を流すものである。この高周波電源は、所定の周波数の高周波電流を発生させるものであれば、任意の種類のものを用いることができる。高周波電源の例としては、トランジスタ式、サイリスタ式、電子管式等の高周波電源がある。
後熱処理装置10は、誘導加熱コイル11の固定手段、誘導加熱コイル11の位置移動手段、および加熱される部分の温度測定手段(例えば、熱電対や放射温度計等)等をさらに備えることができる。
次に、後熱処理装置10の使用方法を説明する。前述したように、溶接されたレールXの所定位置に、後熱処理装置10の誘導加熱コイル11を配置する。なお、この配置は、固定されているレールXに対して誘導加熱コイル11を移動させることによって行ってもよいし、固定されている後熱処理装置10に対してレールXを移動させることによって行ってもよい。後者の場合、例えば工場溶接において、溶接装置の下流側に後熱処理装置10を配置することで、レールXを連続的に移動させて、誘導加熱コイル11を所定位置に配置することができる。
図3A、および図3Bに示すように、本発明の第2の実施形態に係る後熱処理装置20は、溶接されたレールXの後熱処理装置であり、8つの誘導加熱コイル21及び高周波電源(図示しない)を備える。後熱処理装置20は、誘導加熱コイル21の個数及びその配置箇所数以外は、図1Aおよび図1Bの後熱処理装置10と同様である。
図4A、図4Bに示すように、本発明の第3の実施形態に係る後熱処理装置30は、溶接されたレールXの後熱処理装置であり、4つの誘導加熱コイル31a~31d及び高周波電源(図示しない)を備える。後熱処理装置30は、誘導加熱コイル31a~31dの個数及び形状以外は、図1Aおよび図1Bの後熱処理装置10と同様である。
各誘導加熱コイル31a~31dは、レールXに配置した場合に、その軸方向がレールXの長さ方向と平行であり、且つレールXの全周を覆う形状を有する。具体的には、レールXに設置された各誘導加熱コイル31a~31dは、軸方向視の形状がレールXの断面外縁の略拡大相似形である構造を有している。また、各誘導加熱コイル31a~31dの巻数は1回である。
後熱処理装置30においては、使用の際、4つの誘導加熱コイル31a~31dが、レールXの長さ方向に沿った、レールXの溶接中心X2を挟んだ両側にそれぞれ2つずつ配置される。さらに、4つの誘導加熱コイル31a~31dは、溶接中心X2から長さ方向に所定距離離間した状態で配置される。また、各誘導加熱コイル31a~31dは、その軸方向がレールXの長さ方向と平行である状態で、レールXの全周を覆うように配置される。溶接中心X2に近い側に配置される誘導加熱コイル31b及び31cと溶接中心X2との間の距離をC3とし、溶接中心X2に遠い側に配置される誘導加熱コイル31a及び31dと溶接中心X2との間の距離をC4とする。ここで、溶接中心X2と各誘導加熱コイル31a~31dとの間の距離C3又はC4とは、溶接中心X2と各誘導加熱コイル31a~31dとの間の最短距離をいう。また、後熱処理装置30において、溶接中心X2の一方側における誘導加熱コイル31の配置箇所数は2箇所となる(溶接中心X2からの距離がC3の位置と、溶接中心X2からの距離がC4の位置)。
後熱処理装置30においても、誘導加熱コイル31a~31dに交流電流を流すことで生じる誘導加熱によって、誘導加熱コイル31a~31dに覆われた領域が加熱される。この被加熱領域は、溶接中心X2から距離C3及びC4だけ離れた領域である。この際、後熱処理装置30は、柱部X5のみならず、頭部X3及び足部X4を含む被加熱領域の全周が加熱されることになる。この場合、柱部X5の高さ方向に沿ったさらに広範囲にわたって加熱が行われるので、加熱後の冷却時に、さらに強い圧縮応力を溶接部X1に与えることができる。従って、後熱処理装置30によれば、残留応力の相殺がさらに効果的に行われ、溶接部X1における引張残留応力をさらに低減させることができる。
さらに、このようにレールXの被加熱領域の全周を加熱することは、レールXの長さ方向の残留応力を低減させるという効果をも奏する。後熱処理において、例えば柱部X5のみを加熱した場合は、溶接部X1の柱部X5に長さ方向の引張残留応力が発生し、溶接部X1の頭部X3及び足部X4に長さ方向の圧縮残留応力が発生するが、このように全周を加熱することで、この長さ方向の残留応力も低減することができる。柱部X5のみを局部加熱した場合は、加熱後の冷却の際、被加熱部の柱部X5は長さ方向に大きく収縮するが、被加熱の頭部X3および足部X4の長さ方向の収縮は比較的小さくなる。その結果、柱部X5の長さ方向の収縮が他の部分(頭部X3や足部X4)に拘束されるので、長さ方向の残留応力が生じる。しかし、後熱処理装置30を用いてレールXの全周を加熱することにより、頭部X3、足部X4及び柱部X5の温度上昇が均一化し、冷却の際の長さ方向の収縮も均一化されるため、長さ方向の残留応力の増加が抑制される。
各誘導加熱コイル31a~31dは、溶接中心X2の両側に配置されることが好ましく、溶接中心X2に対して等距離(対称)な位置に配置されることがさらに好ましい。このようにすることで、溶接中心X2の両側において均等に加熱することができ、残留応力の相殺がより効果的に行われ、その結果溶接部X1における残留応力をより低減させることができる。しかしながら、溶接中心X2の一方側に配置された誘導加熱コイル31aおよび31bと溶接中心X2との間の距離と、溶接中心X2の他方側に配置された誘導加熱コイル31cおよび31dと溶接中心X2との間の距離とが、それぞれ互いに異なっていたとしても、溶接部X1における残留応力を低減させることができる。加えて、誘導加熱コイルが溶接中心X2に対して片側だけに配置されたとしても、溶接部X1における残留応力を低減させることができる。この場合、先ず溶接中心X2の一方側に誘導加熱コイルを配置した状態で加熱を行い、次に溶接中心X2の他方側に誘導加熱コイルを配置した状態で加熱を行うことにより、各誘導加熱コイルを溶接中心X2の両側に配置した場合と同様の効果が得られる。
誘導加熱コイル31a~31dの配置箇所数は、溶接中心X2の片方側において2以上とすることが好ましい。しかしながら、溶接中心X2の片方側における配置箇所数が1であっても、本発明が目的とする効果を得ることができる。
各誘導加熱コイル31a~31dに電気的に接続される高周波電源は、第1の実施形態に係る高周波電源と同様のものを用いることができる。各誘導加熱コイル31a~31dと高周波電源とは、各誘導加熱コイル31a~31dに流れる電流の周波数および向き等を個々に制御可能な状態で並列に接続されていてもよい。または、4つの誘導加熱コイル31a~31dが高周波電源に直列に接続されていてもよい。
さらに、後熱処理装置30においては、溶接中心X2の一方側における誘導加熱コイル配置箇所数が2以上であった場合、これら誘導加熱コイルの交流電流が流れる方向を同一にすることが好ましい。つまり、溶接中心X2に対して同一側にある誘導加熱コイル31aおよび誘導加熱コイル31b(誘導加熱コイル31cと誘導加熱コイル31dも同様)に流れる交流電流の方向を同一にすることが好ましい。これにより、2つの誘導加熱コイル31a及び31bが一体となって交番磁束を形成し、各誘導加熱コイル31a及び31bの間の領域も効果的に加熱することができる。また、溶接中心X2に対して互いに反対側にある誘導加熱コイル31a及び31bと誘導加熱コイル31c及び31dとに流れる交流電流の方向は、互いに逆方向にすることが好ましい。これにより、誘導加熱コイル31a及び31bの交番磁束と、誘導加熱コイル31c及び31dの交番磁束とは互いに逆向きになる。この場合、2つの誘導加熱コイル31b及び31cの間に位置する溶接部X1に生じる交番磁束の密度が低下するので、溶接部X1の温度上昇を抑えることができる。これにより、溶接部X1の残留応力をさらに効果的に低減させることができる。
後熱処理装置30は、誘導加熱コイル31a~31dの固定手段及び位置移動手段、ならびに加熱される部分の温度測定手段(例えば、熱電対や放射温度計等)などをさらに備えることができる。
次に、後熱処理装置30の使用方法について説明する。前述したように、溶接されたレールXの所定位置に、後熱処理装置30の誘導加熱コイル31a~31dを配置する。なお、この配置は、固定されているレールXに対して誘導加熱コイル31a~31dを移動させることにより行ってもよいし、固定されている後熱処理装置30に対してレールXを移動させることにより行ってもよい。後者の場合、例えば工場溶接において、レール溶接装置の下流側に後熱処理装置30を配置することで、レールXを連続的に移動させて、誘導加熱コイル31a~31dを所定位置に配置することができる。
図5Aおよび図5Bに示すように、本発明の第4の実施形態に係る後熱処理装置40は、溶接されたレールXの後熱処理装置であり、12個の誘導加熱コイル41a~41f及び高周波電源(図示しない)を備える。後熱処理装置40には、誘導加熱コイル41a~41fの個数、形状及びその配置する箇所以外は、図1Aおよび図1Bの後熱処理装置10と同様である。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、誘導加熱コイルがレールXの溶接中心X2の一方側にのみ配置される構成であってもよい。また、誘導加熱コイルの軸方向がレールXの表面に対して垂直である場合、誘導加熱コイルは、レールXの柱部X5の片面側のみに配置される構成であってもよい。なお、誘導加熱コイルがレールXの溶接中心X2の一方側にのみ配置される構成である場合、溶接中心X2の一方側のみを加熱してもよいし、溶接中心X2の両側を順番に加熱してもよい。誘導加熱コイルの配置箇所数も特に限定されず、1つでも複数でもよい。配置箇所数が複数である場合、溶接中心X2に対して非対称に配置されるようなものであってもよい。また、柱部X5とともに、頭部X3又は足部X4を加熱するように配置可能な誘導加熱コイルを有していてもよい。その他、図4Aおよび図4Bの後熱処理装置30のように、誘導加熱コイルの軸方向がレールXの長さ方向と平行であり、且つ誘導加熱コイルがレールXの全周を覆う場合、誘導加熱コイルの軸方向視の形状を、レールXの断面外縁の略拡大相似形状とすることができるが、それ以外に、例えば楕円形、略方形、および略矩形等とすることもできる。
残留応力の測定方法は、以下のとおりである。まず、ゲージ長さ2mmの歪ゲージを測定位置の表面に接着し、この歪ゲージを計測器に配線して歪を測定した。この際に、以後の切断工程のために、歪ゲージに防水コーティングを行った。その後、切断により発生する熱により歪ゲージが変質しないように、切断箇所に十分に水を散布しながら、歪ゲージを接着した測定部を板厚5mm、長さ15mm、幅15mmを有する形状に切り出した。切断後に、歪ゲージを再度計測器に接続して、歪の変化量(測定部切り出し前の歪と測定部切り出し後の歪との差)から残留応力を算出した。
短辺50mm、長辺70mmの略矩形状を有し、巻数が1巻である一対の誘導加熱コイルを高周波電源と接続させて、レールの柱部の両側面にスポット加熱を行う後熱処理装置Aを構成した。また、レールの長さ方向に垂直なレール断面形状に対して略拡大相似形状である形状を有し、巻数が2巻である一つの誘導加熱コイルを高周波電源と接続させて、全周加熱を行う後熱処理装置Bを構成した。後熱処理装置Bの誘導加熱コイルは、断面が略矩形(20mm×10mm)である銅製パイプから形成された。これらの後熱処理装置A、Bには、誘導加熱コイルを所定位置に移動及び固定させる手段を設けた。さらに、比較例として、ガス加熱によってレールを加熱する後熱処理装置Cを構成した。
・溶接部のHAZ幅:15mmと100mmとの2種類
・溶接のままの残留応力:250MPa(HAZ幅100mmのレール)、500MPa(HAZ幅15mmのレール)
・後熱処理装置Aの場合のコイル形状およびコイル配置方法:誘導加熱コイルの長辺(70mm)をレール高さ方向と一致させ、誘導加熱コイルの短辺(50mm)をレール長さ方向と一致させ、柱部の鉛直方向の中央部分と誘導加熱コイルの長辺の中間位置とを一致させた状態で、1対の誘導加熱コイルが柱部を挟んで対向するように配置した。
・後熱処理装置Bの場合のコイル形状およびコイル配置方法:長さ方向の実質的な加熱幅が50mm(この加熱幅は、断面の長辺が20mmである銅製パイプを2回巻くことにより得られる)であり、かつ軸方向視の形状がレールの断面外縁の略拡大相似形であるコイルを、コイルの軸方向とレールの長さ方向とが平行である状態でレールを覆うように配置した。
・溶接中心から加熱位置までの距離:10mm~400mmの間で変化させた。(10mm、20mm、50mm、100mm、200mm、300mm、400mm)
・加熱温度:常温から700℃まで加熱
・後熱処理装置AおよびBの場合の加熱速度:2.5℃/s、および3.0℃/sの2種類
・後熱処理装置Cの場合の加熱速度:2.5℃/s
・加熱箇所数:溶接中心の一方側に1箇所
・後熱処理装置AおよびBの場合の誘導加熱装置出力(スポット加熱の場合は1対あたり、全周加熱の場合は1コイルあたり):加熱速度2.5℃/sの場合100kW、加熱速度3.0℃/sの場合100kW超
・後熱処理装置AおよびBの場合の誘導加熱装置周波数:30kHz
・後熱処理装置Cの場合のガス加熱用の燃料ガス:プロパン-エア混合ガス
図8に示すように、後熱処理装置AおよびBにおいて、誘導加熱コイルを溶接中心に対して一方側、または両方側に配置し、さらに誘導加熱コイルの片側当たりの配置箇所数を1箇所、2箇所、または3箇所とした。これらの各後熱処理装置を用いて、フラッシュバット溶接により溶接したロングレールに対し、溶接中心に対して片方側のみを加熱する後熱処理、および溶接中心に対して両側を加熱する後熱処理を行った。なお、両側を加熱する場合、後熱処理装置Aは片側ずつ順番に加熱する後熱処理と両側同時に加熱する後熱処理とを行い、後熱処理装置Bは、溶接中心を挟んだ2つの誘導加熱コイルの電流方向を順方向にする後熱処理と逆方向にする後熱処理とを行った。実験条件は、以下のとおりである。また、加熱後は自然冷却させた。なお、以下に挙げる実験条件のうち、特に断りが無い条件は、後熱処理装置AおよびBの両方に適用されたものである。
・溶接のままの残留応力:500MPa
・後熱処理装置Aの場合のコイル形状およびコイル配置方法:誘導加熱コイルの長辺(70mm)をレール高さ方向と一致させ、誘導加熱コイルの短辺(50mm)をレール長さ方向と一致させ、柱部の鉛直方向の中央部分と誘導加熱コイルの長辺の中間位置とを一致させた状態で、一対の誘導加熱コイルが柱部を挟んで対向するように配置した。
・後熱処理装置Bの場合のコイル形状およびコイル配置方法:長さ方向の実質的な加熱幅が50mmであり、かつ軸方向視の形状がレールの断面外縁の略拡大相似形であるコイルを、コイルの軸方向とレールの長さ方向とが平行である状態でレールを覆うように配置した。
・溶接中心から加熱位置までの距離:50mm
・加熱温度:常温から700℃まで加熱
・加熱速度:(加熱方法により変化)
・コイル配置箇所数:溶接中心の一方側に1箇所~3箇所、または溶接中心の両側に各1箇所~3箇所
・誘導加熱装置出力(スポット加熱の場合は1対あたり、全周加熱の場合は1コイルあたり):加熱速度2.5℃/sの場合100kW、加熱速度3.0℃/sの場合100kW超
・誘導加熱装置周波数:30kHz
[実施例3]
レールの長さ方向に垂直な断面形状に対して略拡大相似形状である形状を有し、コイル巻数が2巻である一つの誘導加熱コイルを高周波電源に接続して、全周加熱を行う後熱処理装置Dを構成した。なお、誘導加熱コイルは、断面が略矩形(20mm×10mm)である銅製パイプから形成された。比較例として、短辺50mm、長辺70mmの略矩形形状を有し、コイル巻数が1巻である一対の誘導加熱コイルを高周波電源と接続させて、スポット加熱を行う後熱処理装置Eを構成した。加えて、ガス加熱によってレールを加熱する後熱処理装置Fを構成した。これらの後熱処理装置には、誘導加熱コイルを所定位置に移動及び固定させる手段を設けた。
・溶接のままの長さ方向残留応力:200MPa
・後熱処理装置Fを用いたスポット加熱の場合のコイル形状およびコイル配置位置:長辺(70mm)を高さ方向、短辺(50mm)を長さ方向とし、柱部の中央高さと長辺の中間位置とが一致するよう柱部を挟んで対向して配置。
・後熱処理装置Eを用いた全周加熱の場合のコイル形状およびコイル配置位置:長さ方向の実質的な加熱幅が50mmであり、かつ軸方向視の形状がレールの断面外縁の略拡大相似形であるコイルを、コイルの軸方向とレールの長さ方向とが平行である状態でレールを覆うように配置した。
・溶接中心から加熱位置までの距離:10mm~400mmの間で変化させた。
・加熱温度:常温から700℃まで加熱
・加熱速度:2.5℃/s
・加熱箇所数:溶接中心の一方側に1箇所
・後熱処理装置EおよびFの場合の誘導加熱装置出力(スポット加熱の場合は1対あたり、全周加熱の場合は1コイルあたり):100kW
・後熱処理装置EおよびFの場合の誘導加熱装置周波数:30kHz
・後熱処理装置Gの場合のガス加熱使用ガス:プロパン-エア混合ガス
後熱処理装置Eを用い、周波数を変化させて以下の条件にて後熱処理を行った。また、加熱後は自然冷却させた。
・溶接のままの高さ方向残留応力:500MPa
・コイル配置位置:長さ方向の実質的な加熱幅が50mmであり、かつ軸方向視の形状がレールの断面外縁の略拡大相似形であるコイルを、コイルの軸方向とレールの長さ方向とが平行である状態でレールを覆うように配置した。
・溶接中心から加熱位置までの距離:50mm
・加熱温度:常温から700℃まで加熱
・加熱速度:2.5℃/s
・コイル配置箇所数:溶接中心の一方側に1箇所
・誘導加熱装置出力(1コイルあたり):100kW
・誘導加熱装置周波数:0.5kHz~40kHzの範囲で変化させた。
11、21、31a~31d、41a~41d 誘導加熱コイル
X レール
X1 溶接部
X2 溶接中心
X3 頭部
X4 足部
X5 柱部
X6 周辺部
Claims (8)
- 溶接されたレールを後熱処理する後熱処理装置であって、
誘導加熱コイルを備え、
前記誘導加熱コイルは、前記レールの溶接中心から前記レールの長さ方向に20mm~300mm離間して、前記レールの柱部の側面に配置される
ことを特徴とする後熱処理装置。 - 複数の前記誘導加熱コイルを有し、
前記誘導加熱コイルが、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心の両側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の後熱処理装置。 - 複数の前記誘導加熱コイルを有し、
前記レールに配置された前記誘導加熱コイルの軸方向が、前記レールの表面に対して垂直であり、
前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心からの距離が等しい複数の前記誘導加熱コイルが、互いに離間して、前記レールの全周を覆って配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の後熱処理装置。 - 前記レールに配置された前記誘導加熱コイルの軸方向が、前記レールの前記長さ方向と平行であり、
前記誘導加熱コイルが前記レールの全周を覆って配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の後熱処理装置。 - 前記誘導加熱コイルが、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心の両側に配置されており、
前記溶接中心の一方に配置された前記誘導加熱コイルに流れる電流の向きと、前記溶接中心の他方に配置された前記誘導加熱コイルに流れる電流の向きとが互いに逆方向であることを特徴とする請求項4に記載の後熱処理装置。 - 前記溶接中心の片側または両側において、前記レールの前記長さ方向に沿った前記溶接中心からの距離が互いに異なる複数の前記誘導加熱コイルが、互いに離間して配置されることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の後熱処理装置。
- 前記誘導加熱コイルの巻数が2巻以上であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の後熱処理装置。
- 前記誘導加熱コイルに流れる電流の周波数が1kHz~20kHzであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の後熱処理装置。
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