WO2014077140A1 - 後熱処理装置 - Google Patents

Abstract

　本発明に係る、溶接されたレールの後熱処理装置は、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。本発明に係る後熱処理装置は、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、前記溶接中心の両側に配置されてもよい。本発明に係る後熱処理装置は、複数の前記誘導加熱コイルを有し、前記誘導加熱コイルの軸方向が、前記レールの側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。

Description

後熱処理装置

　本発明は、溶接されたレールの後熱処理装置に関する。
　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。

　騒音、振動等の発生の低減や、保守コストの低減などを図るため、レールの継目を溶接してロングレールにする技術が一般化している。ここで、まず、レールの各部分の名称について図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、溶接されたレールＸの長さ方向に垂直な断面図であり、図１１Ｂは、溶接されたレールＸの側面図、すなわち溶接されたレールＸの長さ方向および上下方向に垂直な方向から見た平面図である。なお、本発明において、レールの上方向および下方向とは、レールを設置して使用する際の上方向および下方向を意味する。レールＸは、少なくとも２本の材料レールが材料レール端面間で溶接されることにより製造されたものであり、溶接部Ｘ１を有する。溶接部Ｘ１は、材料レールの端面同士が当接した部分である溶接中心Ｘ２を含む。また、レールＸは、頭部Ｘ３と足部Ｘ４と柱部Ｘ５とを含む。頭部Ｘ３は、レールＸの上方に位置し、車輪と接触する。足部Ｘ４は、レールＸの下方に位置し、枕木と接する。柱部Ｘ５は、頭部Ｘ３と足部Ｘ４とを連結する。なお、柱部Ｘ５の上端とは、頭部Ｘ３の一対（両側）の下面の延長面の交線であり、図１１Ａ中では点Ａとして示されている。柱部Ｘ５の下端は、足部Ｘ４における一対（両側）の上面の延長面の交線であり、図１１Ａ中では点Ｂとして示されている。

　レールＸの溶接部Ｘ１には、例えば貨物車両などの車両が繰り返し通過すること等により重荷重が与えられ、これにより、溶接部Ｘ１における柱部Ｘ５中に、又は溶接部Ｘ１における柱部Ｘ５を起点として、水平方向に疲労亀裂が発生する場合がある。この疲労亀裂が発生する原因の一つは、溶接部Ｘ１における柱部Ｘ５に生じる鉛直方向の強い引張残留応力である。この引張残留応力は、溶接の際の溶接部Ｘ１とその周辺との温度勾配により、生じるものである。

　このような溶接部の引張残留応力を低減し、レールの溶接部の耐久性を高める手段として、溶接部中心から長さ方向に所定距離離れた部分をバーナーで５００℃～１０００℃に局部加熱する方法が提案されている（特許文献１参照）。溶接部の周辺には、溶接部とは逆に圧縮残留応力が生じているので、溶接部から所定距離離れた部分を加熱することで、偏在していた残留応力が相殺されて溶接部の引張残留応力が低減される。
　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。

日本国特開平０８－３３７８１９号公報 日本国特開昭５９－０９３８３８号公報 日本国特開昭５９－０９３８３７号公報

　しかしながら、これらの各方法によっても、溶接部の引張残留応力を十分に低減させることができない。レールの耐久性の更なる向上のために、溶接部の引張残留応力をさらに低減させることができる手段が求められている。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、レールの溶接部における引張残留応力を効果的に低減させることができる後熱処理装置を提供することを目的とする。

　本発明者らは、検討の結果、後熱処理において溶接部の周辺を加熱する際に、溶接部そのものの温度の上昇を抑制することで、従来技術と比較してさらに効率的に残留応力を低減させることが可能であるということを知見した。そして本発明者らは、溶接部そのものの温度の上昇を抑制するためには、溶接部の周辺の加熱速度を速くすることが必要であることを知見した。さらに、レールの溶接部の周辺部をバーナーで加熱した場合は加熱速度が遅いので、残留応力のさらなる低減のためには、さらに速い加熱速度での加熱が効果的であることが見出された。加えて、本発明者らは、レールの溶接部の周辺部をバーナーで加熱した場合は溶接部に火炎が接触し、溶接部の温度が上昇することを知見した。また、本発明者らは、残留応力の低減のためには冷却制御よりも加熱制御の方が効果的であることを見出した。これらの知見に基づき、本発明者らは本発明を完成するに至った。

（１）本発明の一実施形態に係る後熱処理装置は、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。
（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。

　誘導加熱コイルは、加熱速度が速く、容易に加熱制御を行うことができる。従って、本発明に係る後熱処理装置によれば、誘導加熱コイルによりレールの溶接中心から所定距離離間した領域を速い加熱速度で加熱でき、溶接されたレールの溶接部に存在する残留応力を効果的に低減することができる。また、誘導加熱コイルは、加熱する領域を狭くすることができる。従って、本発明に係る後熱処理装置によれば、誘導加熱コイルによりレールの溶接中心から所定距離離間した領域だけを加熱することにより、レールの溶接中心の温度上昇を抑制し、溶接部に存在する残留応力を効果的に低減することができる。

　本発明の一態様に係る後熱処理装置において、前記誘導加熱コイルの巻数が２巻以上又は前記溶接中心の一方側における前記誘導加熱コイルの配置箇所数が２箇所以上であることが好ましい。ここで、誘導加熱コイルの配置箇所数は、レールの長さ方向における配置箇所数とする。すなわち、溶接中心から同一距離に配置された複数の誘導加熱コイルは、１箇所に配置されているとする。このように２巻以上の誘導加熱コイルを又は２箇所以上に誘導加熱コイルを配置することで加熱速度をより高めることができ、残留応力をより低減することができる。

　本発明の一態様に係る後熱処理装置において、複数の前記誘導加熱コイルを備え、該複数の誘導加熱コイルが前記溶接中心を挟んだ両側に配置されることが好ましい。溶接中心を挟んだ両側にこのように誘導加熱コイルを配置することで、溶接中心を挟んだ両領域を同時に加熱することができるため、残留応力をより低減することができ、かつ後熱処理時間を短縮することができる。

　本発明に係る後熱処理装置によれば、レールの溶接部における残留応力を効果的に低減させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る後熱処理装置の模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る後熱処理装置の模式的側面図である。 後熱処理装置により残留応力が低減する機構を示す模式図である。 後熱処理装置により残留応力が低減する機構を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る後熱処理装置の模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る後熱処理装置の模式的側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る後熱処理装置の模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る後熱処理装置の模式的側面図である。 本発明の第４の実施形態に係る後熱処理装置の模式的断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る後熱処理装置の模式的側面図である。 実施例１における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 実施例２における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 図７に示すグラフ中の記号の説明図である。 実施例３における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 実施例４における各レールの残留応力の測定結果を示したグラフである。 溶接されたレールの長さ方向に垂直な断面図である。 溶接されたレールの部分側面図である。

　続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
　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。

（レール）
　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。

　レールＸは、溶接前の各レール（材料レール）の端面同士が溶接されることにより製造されている。この材料レールの端面同士が当接し、溶接された部分を、溶接中心Ｘ２と定義する。溶接方法は特に限定されず、フラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接、およびテルミット溶接等の、公知の方法であってもよい。フラッシュバット溶接は、端面同士を対向させ且つ離間させた状態で設置された材料レール（被溶接材）に、電極を介して電圧をかけることにより、端面間にアークを発生させて材料レールの端面を溶融させる工程と、次いで、材料レールの端面同士を当接させた状態で長さ方向に沿って材料レールの端面に加圧する工程とによって、材料レールを接合する溶接方法である。ガス圧接は、材料レールの端面同士を当接させ、且つ端面に加圧した状態で、端面近傍の材料レール側面をバーナーで加熱することにより、高温状態で圧接する方法である。エンクローズアーク溶接は、材料レールの端面同士を、１０ｍｍ～２０ｍｍ程度の間隙を設けた状態で対向させて配置し、この間隙を当て金によって取り囲み、溶接棒を用いて溶接することにより、材料レールを溶接する方法である。テルミット溶接は、材料レールの端面同士を、２０ｍｍ～３０ｍｍ程度の間隙を設けた状態で対向させて配置し、この間隙を鋳型で囲み、この鋳型の上部に配置したルツボ内で、アルミニウムと酸化鉄との化学反応により溶鋼を生成し、この溶鋼を鋳型内に注入してレール材料の端面を溶融させることにより、材料レールを溶接する方法である。

　上述した各溶接方法のうち、フラッシュバット溶接は、レールの柱部Ｘ５における鉛直方向の残留応力を最も顕著に発生させる。フラッシュバット溶接を行った場合、溶接部Ｘ１とその周辺部との間の温度勾配が大きくなるからである。そのため、後熱処理装置１０は、フラッシュバット溶接を用いて接合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。

　また、レールＸの溶接部Ｘ１のＨＡＺ（熱影響部）の幅は、特に限定されない。例えば、ＨＡＺの幅が５ｍｍ～１５０ｍｍであるレールに、後熱処理装置１０を好適に適用することができる。

（誘導加熱コイル）
　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。

　誘導加熱コイル１１の形状も特に限定されない。従って、誘導加熱コイル１１の軸方向視の形状を、例えば、円形、楕円形、略方形、略矩形、その他の多角形等とすることができる。これらの中でも、レールＸの柱部Ｘ５を効率的に加熱できることなどを理由として、円形、楕円形又は略方形が、誘導加熱コイル１１の軸方向視の形状として好ましい。また、誘導加熱コイル１１の巻数が２以上である場合、誘導加熱コイル１１は螺旋状であってもよいし、渦巻状であってもよい。

　誘導加熱コイル１１のサイズは、レールＸのサイズ等に応じて適宜設定すればよい。例えば、誘導加熱コイル１１の軸方向視の形状が円形、楕円形、略方形又は略矩形である場合、軸方向視の形状における外径、長径、又は辺の長さを約２０ｍｍ～１５０ｍｍとすることができる。また、誘導加熱コイル１１を形成する金属線又は金属パイプの断面形状は特に限定されず、円形、楕円形、略方形、および略矩形等であってもよい。この金属線又は金属パイプの外径、長径または辺の長さは、約５ｍｍ～４０ｍｍ程度とすることができる。

　誘導加熱コイル１１の巻数は、１巻以上であればよく、２巻以上が好ましい。巻き数を２巻以上とすることで、加熱速度を高め、より効果的に残留応力の低減を行うことができる。なお、この巻数の上限は特に制限されないが、例えば巻数の上限を５巻とすることができる。

　誘導加熱コイル１１をレールＸに直接接触させることはできない。誘導加熱コイル１１をレールＸに直接接触させた場合、誘導加熱コイル１１とレールＸとが短絡してしまうからである。これは、当業者には自明の事項である。従って、誘導加熱コイル１１とレールＸとは、互いに電気的に絶縁された状態を確保できる距離だけ離間させる必要がある。または、誘導加熱コイル１１とレールＸとを接触させる場合は、誘導加熱コイル１１とレールＸとの間に絶縁体を配置する必要がある。本発明では、誘導加熱コイルをレールに「配置する」、「設置する」等と記載された場合、この誘導加熱コイルは、レールに対する電気的絶縁が保たれた状態でレールに配置されていると見なされる。

（誘導加熱コイルの配置箇所）
　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。

　本実施形態に係る後熱処理装置によって溶接部Ｘ１の残留応力が低減する機構を、図２Ａおよび図２Ｂにより説明する。溶接部Ｘ１の周辺である周辺部Ｘ６を加熱した場合、まず、この周辺部Ｘ６では温度上昇により少なくとも鉛直方向に膨張歪Ｅｔ１を生じる（図２Ａ参照）。この膨張歪Ｅｔ１によって、溶接部Ｘ１には鉛直方向に引張応力Ｓｑ１が生じる。しかしながら、周辺部Ｘ６は温度が上昇することで降伏点が低下するので、圧縮塑性変形が生じ、引張応力Ｓｑ１は温度上昇（加熱）の途中で減少する。次いで、加熱後の冷却過程において、周辺部Ｘ６の温度低下に伴って、周辺部Ｘ６では鉛直方向に収縮歪Ｅｔ２が生じる（図２Ｂ）。この収縮歪Ｅｔ２によって、溶接部Ｘ１には圧縮応力Ｓｑ２が生じ、溶接部Ｘ１の引張残留応力が減少する。
　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。

　前記距離Ｃが２０ｍｍ未満の場合は、後熱処理（加熱）の際に、周辺部Ｘ６だけではなく引張残留応力が存在している溶接部Ｘ１も強く加熱される。この場合、溶接部Ｘ１の温度上昇が大きくなり、溶接部Ｘ１の膨張量及び収縮量が大きくなる。このことは、周辺部Ｘ６の収縮歪Ｅｔ２によって溶接部Ｘ１に与えられる圧縮応力Ｓｑ２を減少させる。したがって、前記距離Ｃが２０ｍｍ未満の場合は、引張残留応力を効果的に低減させることができない。逆に、前記距離Ｃが３００ｍｍを超える場合は、残留応力が存在する部分（溶接部Ｘ１）を大きく外れて加熱することとなり、収縮歪Ｅｔ２の影響が溶接部Ｘ１に働きにくく、圧縮応力Ｓｑ２が小さくなるため、溶接部Ｘ１の引張残留応力を効果的に低減させることができない。

　従って、誘導加熱コイル１１は、レールの溶接中心からレールの長さ方向に２０ｍｍ～３００ｍｍ離間した状態で、レールの柱部の側面に配置される。本実施形態においては、４つの誘導加熱コイル１１が、レールＸの溶接中心Ｘ２を挟んだ両側において、それぞれ柱部Ｘ５を挟むように対向して配置される。つまり、溶接中心Ｘ２の両側それぞれに１箇所ずつ（すなわち、溶接中心Ｘ２の両側における誘導加熱コイル１１の配置箇所数を１箇所として）、一対の誘導加熱コイル１１が配置される。この際、誘導加熱コイル１１と柱部Ｘ５とが非接触の状態で（すなわち、誘導加熱コイル１１と柱部Ｘ５とをわずかに離間させて）、かつ誘導加熱コイル１１の軸方向が、柱部Ｘ５表面と垂直となるように配置される。また、各誘導加熱コイル１１は、柱部Ｘ５の略中間の高さに配置されている。このように、柱部Ｘ５を挟んで対向するように誘導加熱コイル１１を配置した場合、誘導加熱コイル１１に交流電流を流すと、柱部Ｘ５を挟んだ一対の誘導加熱コイル１１間に交番磁束が生じ、柱部Ｘ５を効果的に加熱することができる。
　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。

　各誘導加熱コイル１１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の両側を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１１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１１と溶接中心Ｘ２との間の距離とが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１１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１１を配置した状態で加熱を行い、次に溶接中心Ｘ２の他方側にこの誘導加熱コイル１１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１１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。

（高周波電源）
　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。

　後熱処理装置が複数の誘導加熱コイル１１を有する場合、各誘導加熱コイル１１と高周波電源とは、各誘導加熱コイル１１に流れる電流の周波数および方向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、高周波電源に４つの誘導加熱コイル１１が直列に接続されていてもよい。なお、柱部Ｘ５を挟んで対向するように誘導加熱コイル１１を配置した場合は、誘導加熱コイル１１それぞれ同方向に電流が流れるように（すなわち、同方向の交番磁束が生じるように）接続されることが好ましい。

　後熱処理装置は、高周波電源を含まなくてもよい。高周波電源が含まれない場合、後熱処理装置は、外部の高周波電源に接続して用いることができる。

（他の構成）
　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。

　固定手段及び位置移動手段は、誘導加熱コイル１１の固定及び位置移動が可能なものである限り、特に限定されない。この固定手段及び位置移動手段は、誘導加熱コイル１１をレールＸの長さ方向、幅方向及び高さ方向（鉛直方向）に移動可能に構成されていることが好ましい。この構成によって、レールＸのサイズや溶接方法等に応じて誘導加熱コイル１１の配置箇所を変更し、適切な位置を加熱することができる。

（後熱処理装置１０の使用方法）
　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。

　誘導加熱コイル１１を所定位置に配置した後、この誘導加熱コイル１１に交流電流を流すことにより、前述のように誘導加熱により柱部Ｘ５を加熱することができる。この際、柱部Ｘ５を挟んで対向する計２対の誘導加熱コイル１１には、それぞれ同一方向となるように交流電流を流すことが望ましい。このようにすることで、誘導加熱コイル１１間で同方向の交番磁束を発生させることができる。

　誘導加熱コイル１１によるレール加熱速度は、２．０℃／秒以上が好ましく、２．５℃／秒以上が好ましく、２．８℃／秒以上がさらに好ましい。このように速い加熱速度で加熱を行うことで、溶接部Ｘ１の温度上昇を抑え、十分に残留応力の低減を行うことができる。なお、後熱処理装置１０では、誘導加熱コイル１１を用いて加熱することで、加熱速度を速めることができる。加熱速度の上限は、誘導加熱コイル１１の能力等を勘案すると、例えば５．０℃／秒程度であるが、特に制限されない。

　誘導加熱コイル１１による加熱は、例えば４００℃以上７５０℃以下の加熱温度まで行うことができる。ここで、本発明における加熱温度とは、加熱した部分における最高温度である。加熱温度が４００℃未満の場合は、残留応力の低減効果が低下するおそれがある。逆に、加熱温度が７５０℃を超える場合は、加熱部分が過度に軟化するおそれがあり好ましくない。常温から上記の加熱温度まで加熱した後は、加熱を止め、自然冷却により冷却させればよい。後熱処理装置１０を用いると、特別な冷却制御を行うことなく、加熱制御だけで十分に残留応力を低減させることができる。

　以上説明したように、後熱処理装置１０によれば、誘導加熱コイル１１により、レールＸの溶接中心Ｘ２からレールＸの長さ方向に所定距離Ｃだけ離間した領域を、速い加熱速度で加熱できる。これにより、溶接されたレールＸの溶接部Ｘ１に存在する残留応力を、効果的に低減することができる。なお、加熱手段としてバーナーを用いた場合は、加熱速度が遅くなり、さらに、所望する領域だけを加熱することが困難となる。バーナーの火炎は広い範囲を加熱するので、加熱手段としてバーナーを用いた場合、溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域だけではなく溶接中心Ｘ２にも火炎が当たり、溶接中心Ｘ２の温度上昇も大きくなる。一方、誘導加熱コイル１１は加熱領域の制御性に優れるので、誘導加熱コイル１１を有する後熱処理装置１０によれば、所望する領域（溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域）を加熱すると同時に、溶接中心Ｘ２の温度上昇を抑えることができ、残留応力を効果的に低減することができる。また、後熱処理装置１０の誘導加熱コイル１１が、溶接中心Ｘ２を挟んだレール長さ方向両側に配置されている場合、２つの領域を同時に加熱することができる。この場合、加熱速度が速まり、残留応力の相殺が均等に行われるので残留応力をさらに低減することができ、かつ後熱処理時間を短縮することができる。

　さらに、後熱処理装置１０は、誘導加熱コイル１１がレールＸの全周を覆わず、柱部Ｘ５の左右のみに配置される構成としている。従って、後熱処理装置１０は、後熱処理するレールＸに容易に配置することができ、工場溶接のみならず、レールを設置する現場での溶接の後熱処理にも好適に用いることができる。

＜第２の実施形態＞
　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。

　８つの誘導加熱コイル２１は、それぞれ柱部Ｘ５を挟むように対向して配置される計４対の誘導加熱コイル２１として、レールＸの溶接中心Ｘ２を挟んだ両側に２対ずつ配置される。この際、誘導加熱コイル２１と柱部Ｘ５とが非接触の状態で（すなわち、互いにわずかに離間した状態で）あり、かつ誘導加熱コイル２１の軸方向が、柱部Ｘ５表面に垂直となる。また、柱部Ｘ５に対して同一面側にある４つの誘導加熱コイル２１は、柱部Ｘ５の略中間の高さに、略同一直線状に配置されていることが好ましい。すなわち、後熱処理装置２０においては、４対の誘導加熱コイル２１が、溶接中心Ｘ２の両側それぞれの２箇所ずつに配置される。また、複数の誘導加熱コイル２１は、溶接中心Ｘ２に対して対称に配置されている。なお、各誘導加熱コイル２１の溶接中心Ｘ２からの離間距離（Ｃ１及びＣ２）は、いずれも２０ｍｍ～３００ｍｍの範囲内である。また、後熱処理装置２０において、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル２１の配置箇所数は２箇所となる（溶接中心Ｘ２からの距離がＣ１である配置箇所と、溶接中心Ｘ２からの距離がＣ２である配置箇所）。

　各誘導加熱コイル２１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。例えば、加熱する箇所と溶接中心Ｘ２との間の距離に応じて、各誘導加熱コイルの大きさ、巻数、および形状等を変えることもできる。

　後熱処理装置２０は、８つの誘導加熱コイル２１を備え、このように溶接中心Ｘ２の両側のそれぞれ２箇所に配置して用いることで、加熱速度をさらに高めることができ、残留応力をさらに効果的に低減することができる。

＜第３の実施形態＞
　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。

（誘導加熱コイル）
　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。

　誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄのサイズは特に制限されないが、例えば軸方向視の形状の大きさを、レールＸの長さ方向に垂直な断面の外縁に対して、相似比で１．２倍～２倍とすることができる。また、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄを形成する金属線又は金属パイプの断面形状は特に限定されないが、例えば円形、楕円形、略矩形、および略方形等であってもよく、これら形状の中では略方形が好ましい。これら誘導加熱コイル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を覆うように配置されるので、断面略方形の金属線又は金属パイプを誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの材料として用いる場合、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの内面からレールＸの表面までの距離を均一化することができる。これにより、レールＸの表面に生じる磁束密度が均一化し、レールＸの加熱がさらに均等に行われるので、好ましい。この金属線又は金属パイプの断面の外径、長径、又は長辺の長さを、約５ｍｍ～４０ｍｍとすることができる。

　各誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄは、２つ以上に分割可能に構成されていてもよい。このように誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄが分割可能である場合、溶接されたレールＸに対する誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの所定位置への配置、および取り外し等を容易に行うことができる。また、上述のように、各誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの巻数は１回であるが、それ以上の巻数を有する誘導加熱コイルを後熱処理装置３０において用いてもよい。誘導加熱コイルの巻数を変化させることにより、誘導加熱コイルによって加熱される領域のレール長さ方向に沿った幅を変化させることができる。

（誘導加熱コイルの配置箇所）
　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）。

　この溶接中心Ｘ２と誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄとの間の距離Ｃ３及びＣ４は、２０ｍｍ～３００ｍｍである。溶接中心Ｘ２と誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄとの間の距離の下限は、３０ｍｍであることが好ましく、５０ｍｍであることがさらに好ましい。後熱処理前のレールＸでは、鉛直方向（上下方向）の残留応力として、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。そこで、このように所定の距離Ｃ３又はＣ４だけ溶接中心Ｘ２から離間した状態で誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄを配置することにより、後熱処理（加熱）の際に、溶接部Ｘ１（すなわち、溶接中心Ｘ２及びその近傍）の周辺を適切に加熱することができ、偏在していた残留応力の相殺により、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。

　第３の実施形態における、残留応力が低減される機構は、基本的には第１の実施形態における機構と同じである。しかし、第３の実施形態に係る後熱処理装置３０は、加熱後の冷却時に、第１の実施形態に係る後熱処理装置よりもさらに強く圧縮応力Ｓｑ２を溶接部Ｘ１に与えることができる。その理由は以下のとおりである。
　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。

　距離Ｃ３が２０ｍｍ未満である場合は、後熱処理（加熱）の際に、引張残留応力が存在している溶接部Ｘ１の温度上昇が大きくなり、溶接部Ｘ１の膨張量及び収縮量が大きくなる。この場合、周辺部Ｘ６（誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄによって加熱される領域）の収縮歪Ｅｔ２によって溶接部Ｘ１に与えられる圧縮応力Ｓｑ２が小さくなるので、引張残留応力を効果的に低減させることができない。距離Ｃ４が３００ｍｍを超える場合は、残留応力が存在する部分（溶接部Ｘ１）を大きく外れて加熱することになり、収縮歪Ｅｔ２の影響が溶接部Ｘ１に及びにくくなるので、圧縮応力Ｓｑが小さくなり、溶接部Ｘ１の引張残留応力を効果的に低減させることができない。
　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。

（高周波電源）
　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。

（他の構成）
　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。

　固定手段及び位置移動手段は、各誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの固定及び位置移動が可能なものである限り、特に限定されない。この固定手段及び位置移動手段は、各誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄをレールの長さ方向に移動可能に構成されていることが好ましい。このようにすることで、レールのサイズおよび溶接方法等に応じた適切な位置を加熱することができる。なお、各誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄが、それぞれ２つ以上に分割可能に構成されている場合、分割される各部分毎にこの固定手段及び位置固定手段が設けられてもよい。

（後熱処理装置３０の使用方法）
　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。

　誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄを配置した後、この誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄに交流電流を流すことで、前述のように、溶接中心Ｘ２から所定距離離間した所定位置におけるレールの全周を誘導加熱により加熱することができる。溶接中心Ｘ２を挟んだ両側に配置される誘導加熱コイル１１ａ及び１１ｂと誘導加熱コイル１１ｃ及び１１ｄとには、前述のように、互いに逆向きに交流電流を流すことが好ましい。これにより、溶接中心Ｘ２付近の交番磁束密度が低減し、溶接中心Ｘ２の温度上昇が抑制されるので、鉛直方向の残留応力をより効果的に低減することができる。

　この交流電流の周波数は特に制限されないが、例えば１ｋＨｚ～５０ＫＨｚとすることができ、１ｋＨｚ～２０ｋＨｚとすることが好ましく、１ｋＨｚ～１８ｋＨｚとすることがさらに好ましい。これら数値範囲は、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱の技術分野においては、比較的低い値であるとみなされる。このように交流電流の周波数を比較的低くすることにより、表皮効果を生じさせて、レールＸの比較的内部まで加熱することができ、より効率的に残留応力の低減を行うことができる。この周波数が１ｋＨｚ未満の場合は、加熱速度が低下する場合があり、周波数が２０ｋＨｚを超える場合は、レールＸの表面のみが加熱される場合がある。

　誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄによる加熱速度は、２．０℃／秒以上であることが好ましく、２．５℃／秒以上であることがさらに好ましく、２．８℃／秒以上であることが一層好ましい。このように速い加熱速度で加熱を行うことにより、溶接部の温度上昇を抑え、十分に残留応力の低減を行うことができる。なお、後熱処理装置３０によれば、このように誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄにより加熱することで、加熱速度を速めることができる。前記加熱速度の上限は、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの能力等を考慮すると、例えば約５．０℃／秒である。

　誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄによる加熱は、例えば４００℃～７５０℃の加熱温度まで行うことができる。ここで、本発明における加熱温度とは、加熱した部分における最高温度である。加熱温度が４００℃未満の場合は、残留応力の低減効果が低下するおそれがある。逆に、加熱温度が７５０℃を超える場合は、加熱部分が過度に軟化するおそれがあり好ましくない。このように、常温から上記の加熱温度まで加熱した後は、加熱を止め、自然冷却により冷却させればよい。後熱処理装置１０を用いると、特別な冷却制御を行うことなく、加熱制御だけで十分に残留応力を低減させることができる。

　以上説明したように、後熱処理装置３０によれば、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄにより、レールＸの溶接中心Ｘ２からレールＸの長さ方向に所定距離Ｃ３～Ｃ４だけ離間した領域を、速い加熱速度で加熱できる。これにより、溶接されたレールＸの溶接部Ｘ１に存在する鉛直方向の残留応力を、効果的に低減することができる。なお、加熱手段としてバーナーを用いた場合は、加熱速度が遅くなり、さらに、所望する領域だけを加熱することが困難となる。バーナーの火炎は広い範囲を加熱するので、加熱手段としてバーナーを用いた場合、溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域だけではなく溶接中心Ｘ２にも火炎が当たり、溶接中心Ｘ２の温度上昇も大きくなる。一方、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄは加熱領域の制御性に優れるので、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄを有する後熱処理装置３０によれば、所望する領域（溶接中心Ｘ２から所定距離離間した領域）を加熱すると同時に、溶接中心Ｘ２の温度上昇を抑えることができ、残留応力を効果的に低減することができる。また、後熱処理装置３０の誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄがレールＸの全周を加熱するので、鉛直方向の残留応力を低減できることに加え、レールＸの長さ方向の残留応力の増加を抑制することもできる。

　また、後熱処理装置３０は、誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄを、溶接中心Ｘ２を挟んだ両側にそれぞれ配置しているので、溶接中心Ｘ２の両側を同時に加熱することができる。このため、加熱速度が速まり、また残留応力の相殺が均等に行われるので、残留応力をさらに低減することができ、かつ後熱処理時間を短縮することができる。さらに、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイル３１ａ～３１ｄの配置箇所数を２箇所（２箇所超でもよい。一方側の配置箇所数の上限としては例えば５箇所である）に配置しているため、加熱速度をより高めることができ、残留応力をより効果的に低減することができる。

＜第４の実施形態＞
　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。

　本発明の第４の実施形態に係る後熱処理装置４０では、レールの長さ方向に沿った溶接中心Ｘ２からの距離が等しい複数の誘導加熱コイルが、互いに離間した状態で、レールの全周を覆って配置されている。以下に、その内容を具体的に説明する。１２個の誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆは、レールＸの溶接中心Ｘ２を挟んで、レールの長さ方向に沿って対称に６個ずつ配置されている。具体的には、溶接中心Ｘ２を挟んだレール長さ方向両側それぞれにおいて、レールＸの頭部Ｘ３の上面側に誘導加熱コイル４１ａが配置され、頭部Ｘ３の両側面側に誘導加熱コイル４１ｂ及び４１ｃがそれぞれ配置され、足部Ｘ４の下面側に誘導加熱コイル４１ｄが配置され、柱部Ｘ５の両側面側に誘導加熱コイル４１ｅ及び４１ｆがそれぞれ配置される。全ての各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆとレールＸとはわずかに離間している（すなわち、非接触の状態とされている）。さらに、各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆ同士の間にも間隔が設けられている。また、各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆと溶接中心Ｘ２との間の距離Ｃ５は、いずれも２０ｍｍ～３００ｍｍの範囲で配置されている。なお、後熱処理装置４０において、溶接中心Ｘ２の一方側における誘導加熱コイルの配置箇所数は１箇所となる（すべて距離Ｃ５の位置）。しかし、誘導加熱コイルの配置箇所数を２箇所以上としてもよい。

　各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆそれぞれは、レールＸの頭部Ｘ３、足部Ｘ４および柱部Ｘ５の表面に対して、軸方向が垂直となるように配置されている。このように配置した場合、各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆに交流電流を流すと、誘導加熱コイル４１ａにより頭部Ｘ３を上側から加熱し、誘導加熱コイル４１ｂ及び４１ｃにより頭部Ｘ３を両側面側から加熱し、誘導加熱コイル４１ｄにより足部Ｘ４を下側から加熱し、誘導加熱コイル４１e及び４１ｆにより柱部Ｘ５を両側面側から加熱することができる。

　後熱処理装置４０は、複数の誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆをレールＸの全周に配置することにより、レールＸの全周を加熱している。これにより、第３実施形態に係る後熱処理装置３０と同様に、鉛直方向の残留応力を低減できることに加え、レールＸの長さ方向の残留応力の増加を抑制することもできる。なお、各誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆは、頭部Ｘ３の下側面及び足部Ｘ４の上面側を直接的には覆っていないが、この部分も実質的に加熱される。このように複数の誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆにより各部分毎を加熱することで、各部分毎の温度制御が可能となる。なお、後熱処理装置４０では、１つの配置箇所に対して６個の誘導加熱コイルが配置されているが、レールＸが全周にわたって加熱されるような構成である限り、１つの配置箇所に対する誘導加熱コイルの個数は限定されない。レールＸおよび誘導加熱コイル４１ａ～４１ｆの大きさなどに応じて、誘導加熱コイルの個数を変更することができる。また、その他の構成に関しても、他の実施形態と同様に変更することが可能である。

＜他の実施形態＞
　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。

　以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、測定は以下の方法で行った。

＜残留応力＞
　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。

［実施例１］
　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。

　後熱処理装置Ａ及びＢを用いた誘導加熱（後熱）、並びに後熱処理装置Ｃを用いたガス加熱（後熱）を用いて、フラッシュバット溶接により溶接したＨＡＺ幅１５ｍｍのロングレールと、テルミット溶接により溶接したＨＡＺ幅１００ｍｍのロングレールとに対して、以下の条件で後熱処理を行った。加熱は、溶接中心に対して一方側のみに実施した。レールを構成する材料レールは、過共析炭素鋼から形成されるレールとした（以下の別の実施例においても同様）。また、加熱後は自然冷却を行った。

　詳細な実験条件は以下のとおりである。なお、以下に示す実験条件のうち、特に断りが無いものは、後熱処理装置Ａ～Ｃの全てに適用されたものである。
・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

　後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力に対する、後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力の比を図６に示す。

　図６に示されるように、溶接中心から加熱位置までの距離が１０ｍｍである場合、後熱処理装置Ａ～Ｃの残留応力低減効果は同様である。しかし、溶接中心から加熱位置までの距離が２０ｍｍ以上である場合、後熱処理装置ＡおよびＢの残留応力低減効果は後熱処理装置Ｃの残留応力低減効果よりも高くなる。溶接中心から加熱位置までの距離が増加すると、溶接部の残留応力は低下する。但し、ある程度距離が離れると、残留応力低減効果は落ちていく傾向がある。なお、ガス加熱を用いる後熱処理装置Ｃでは、火炎が溶接部にもかかり、温度差がつきにくく、残留応力が下がりにくい結果となった。

　また、加熱速度が遅い場合、加熱部分の温度が溶接部に伝わり、加熱部分と同様に溶接部にも膨張及び収縮歪が生じやすくなり、冷却の際に溶接部に加わる圧縮応力が低下する。この結果、残留応力の低減効果が減じる。誘導加熱装置（ＩＨ）は、出力を上げることにより加熱速度を３．０℃／ｓ以上とすることが可能である。加熱速度を上げると、溶接部への熱伝達量が下がり、加熱部と溶接部との温度差が大きくなるので、溶接部の残留応力を効果的に低減することができた。一方、ガス加熱を行う後熱処理装置Ｃの加熱速度は、燃焼ガスとして酸素を用いた混合ガスの場合でも最大で約２．５℃／ｓであった。

　また、全周加熱はスポット加熱に比べて、柱部の高さ方向に沿ってさらに広範囲にわたって加熱することができ、この結果、冷却時にさらに強い圧縮応力を溶接部にかけることができる。このため、全周加熱を行う後熱処理装置Ｂは、残留応力をさらに低減させることができた。

　このように、ガス加熱を行う場合、最も好ましい結果でも７５％程度の残留応力が溶接中心に残るのに対し、ＩＨ加熱（高周波加熱）を行う場合、４０％程度にまで溶接中心の残留応力を低減できることが示された。一方、特許文献２に記載の、溶接部の冷却制御（溶接部を９００℃に加熱後、圧縮空気で５７０℃まで加速冷却し、その後水冷）を行う後熱処理方法によってレールを熱処理した場合では、溶接中心の残留応力の低減率は７５％程度であった。

［実施例２］
　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。

・溶接部のＨＡＺ幅：１５ｍｍ
・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

　後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力に対する後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向の残留応力の比を図７に示す。

　図７に示されるように、コイル数（コイル配置箇所数）を増やすことで残留応力が低下する傾向にある。これは、加熱速度が上昇するからである。また、溶接中心の両側を別々に順次加熱する場合も、同時に加熱する場合も、片側のみを加熱する場合と比べて高い効果を示すが、同時に加熱する場合のほうがさらにすぐれた結果となっている。これは、同時に加熱する場合のほうが、溶接部の温度上昇が抑えられたからであるといえる。また、全周加熱を行う後熱処理装置Ｂを用いた場合は、実施例１と同様に、スポット加熱を行う後熱処理装置Ａと比べて残留応力低減効果が高いことが示されている。さらに、後熱処理装置Ｂの場合、溶接中心を挟んで両側の誘導加熱コイルの電流を互いに逆方向に流すことで、さらに残留応力を低減できることが示されている。これは、逆方向に電流を流すことで、形成される交番磁束が溶接中心を挟んで逆向きになり、溶接中心の磁束密度が低下する結果、溶接部の加熱が抑制されるためであるといえる。
［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。

　後熱処理装置Ｅを用いた全周の誘導加熱（後熱）、および後熱処理装置Ｅを用いたスポットの誘導加熱、並びに比較例として後熱処理装置Ｆを用いたガス加熱（後熱）により、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、以下の条件で後熱処理を行った（溶接中心から一方側のみを加熱）。なお、レールは過共析炭素鋼から形成されるレールを用いた（以下の実施例において同様）。また、加熱後は、自然冷却させた。

・溶接部のＨＡＺ幅：１５ｍｍ
・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

　後熱処理後の溶接部における柱部中央の長さ方向の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の残留応力に対する後熱処理後の残留応力の比を図９に示す。図９に示されるように、誘導加熱コイルによって全周加熱した場合は、ガス加熱又は誘導加熱コイルによるスポット加熱の場合と異なり、溶接部の柱部中央における長さ方向の残留応力が低減することがわかる。

［実施例４］
　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。

・溶接部のＨＡＺ幅：１５ｍｍ
・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。

　後熱処理後の溶接部における柱部の高さ方向（上下方向）の残留応力を測定した。溶接のまま（後熱処理を行わない）の溶接中心における残留応力に対する後熱処理後の溶接中心における残留応力の比を図１０に示す。

　図１０に示されるように、周波数を増加させる（例えば２０ｋＨｚ超）と、レールに生じる誘導電流の表層への偏在が顕著となるので、温度が上がりにくくなり、残留応力の低減が小さいことがわかる。

１０、２０、３０、４０　後熱処理装置
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)

1. 　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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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。
8. 　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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