JPH06304752A

JPH06304752A - レール足部の溶接方法

Info

Publication number: JPH06304752A
Application number: JP9339693A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Karimine; 健一狩峰; Makoto Okumura; 誠奥村; Nobuyuki Aoki; 信行青木; Mitsuaki Otoguro; 盈昭乙黒
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-11-01
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JP2880370B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装着
し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアーク
溶接法により溶接する際に初層裏波溶接から２層目へ折
り返し端部における微小なひけ巣状欠陥を防止し、タブ
溶接金属を省略する。【構成】初層裏波溶接〜２層目溶接において、下記溶
接手法を単独ないし複数組合せて行う。(1) 裏波溶接完
了後、溶接アークを5 〜40秒間中断。(2) 裏波溶接終了
後、ビード端部において電流、電圧を低下させる端部処
理を8 〜45秒間行う。(3) 裏波溶接の終盤部で電流、電
圧を80％以下に低下させる。(4) 裏波溶接の終盤部、ま
たは終了後、端部において溶接アークを0.5 〜10秒間隔
で1 〜40回断続する。【効果】２層目溶融プールの下面に最初から初層凝固
層が形成されるためひけ巣の発生が防止され、タブ溶接
金属を省略できるため溶接後の除去工程が省略できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄道レール、クレーンレ
ールなどの足部の突合せ溶接方法に関するものであり、
特に自動溶接方法において適用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、軌道上のレールを結合するには継
目板とボルトナットを使用して機械的に締結する方法が
一般的であった。しかし、列車の騒音・振動軽減、軌道
保守コストの低減を目的とした溶接によるレールの連続
化、すなわちロングレール化が普及しつつあり、近年、
国内外の高速軌道、重荷重軌道においては必須の技術と
なりつつある。ロングレールの施工は、まず２５〜５０
ｍの定尺レールを設備化された溶接工場において２００
ｍ程度まで連続化した後、さらに軌道の敷設現地におい
て１５００ｍ程度まで連続化される。

【０００３】敷設現地におけるレール溶接には、テルミ
ット溶接が世界的に広く普及している。テルミット溶接
は酸化鉄とアルミの化学反応によって高温の溶鋼を生成
し、これを溶接部に注入してレールを溶接するものであ
る。この溶接法は迅速かつ簡便な溶接法であるが、幅
広、厚肉の余盛が形成され、レール柱部、足部にこの余
盛を付けたまま使用されるため、列車通過の際に余盛止
端部に応力集中が大きく働く、基本的に鋳造と類似の
プロセスであり、微小なキャビティ、アルミナ介在物を
多数含有する、という欠点を持っている。最近、北米に
おいて列車積載重量を増大する取り組みが進められる
中、テルミット溶接部の破損が頻発し、その継手性能限
界の低さが問題となっている。

【０００４】一方、国内ではテルミット溶接の改善のた
めにアーク溶接（手）による方法、エンクローズアーク
溶接が開発され（特公昭４３−２７８２号公報他参
照）、新幹線などの重要軌道に適用されてきた。最近で
はさらに、溶接金属の高炭素化による、新エンクローズ
アーク溶接（特公平４−５４５５７号公報他）が開発さ
れ、実用に供されている。エンクローズアーク溶接法は
熟練技能を要する、施工時間が長いという欠点があ
り、これらを解決するために自動溶接技術の開発も進め
られている（特公平４−５７４３５号公報他参照）。こ
れらエンクローズアーク溶接、自動溶接はレール足部を
アーク溶接で行うものであるが、いずれもレール足先端
部にタブ板を設け、溶接金属を延長形成させるもので、
溶接終了後ガス切断または加熱押し抜きなどの手段によ
り、タブ部を除去する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記エンクローズアー
ク、自動溶接法では図１に示すように、被溶接レール１
ａ，１ｂの被接合面を適当な間隙２を介して対向設置
し、足部３から腹部４、頭部５の母材端面を順々に溶融
させながら溶接金属を積層していく。図中６は溶接ワイ
ヤ、７は溶接トーチである。

【０００６】初層裏波溶接では、図２に示すように溶接
金属８を保持しつつ滑らかな裏波ビードを形成していく
ために、銅、固形耐火物、粉末耐火物（フラックス）な
どが裏当て材９として単独、ないし組合せた形で使用さ
れる。固形ないし粉末形態の耐火物裏当て材を用いる場
合、初層裏波溶接から２層目への折り返し部分に微小ひ
け巣状欠陥が発生する。かかる欠陥が溶接金属内に残存
すると、継手に荷重が負荷された際に内在切り欠きとし
て作用し、静的曲げ強度や疲労強度などの継手性能を著
しく低下させる原因となり、望ましくない。

【０００７】そこで従来の技術では、このような微小ひ
け巣状欠陥を溶接部に残存させないために、初層裏波溶
接から２層目への折り返し位置を足先端の外側数十mmの
位置に設定して、足先タブ部にさらに溶接金属を形成
し、欠陥発生をその延長部にとどめる方法がとられてき
た。この方法では溶接完了後、ガス切断または加熱押し
抜きなどによってタブ部を除去する必要がある。レール
の現地溶接は夜間の限定された時間内に行う必要がある
ことから装置搬入、搬出、溶接など全ての作業の簡便
性、迅速性が要求される。従って、軌道内に搬入する機
材は少ない程良く、作業時間も極力短いことが望まし
い。しかしながら従来の技術ではタブ切断のための機材
の追加及び施工時間の増加が避けられなかった。

【０００８】本発明はこのような従来の問題を解消する
ために初層裏波溶接から２層目への折り返し部分に生じ
やすい微小ひけ巣状欠陥を防止するものであり、これに
より、足先タブ部の溶接金属形成、及びそのタブ除去工
程が不要となるため、機材数の低減、施工時間の短縮を
可能とする、レール足部の溶接を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記レー
ル初層裏波溶接から２層目への折り返し端部におけるひ
け巣状欠陥発生と凝固形成状況を詳細に調査した結果、
微小ひけ巣状欠陥の発生機構に関し、次のような点が明
らかになった。すなわち、初層裏波溶接が終了した後、
溶接アークを中断することなく、直ちにトーチ移動方向
を反転し、２層目の積層を行った場合、初層から２層目
への折り返し位置には、図３に示すように初層の溶融金
属８と、２層目で新たに供給される溶融金属が混在する
大型の溶融プール１０が形成される。その後、２層目溶
接がさらに進んだ時点で、初層凝固層の上に２層目溶接
金属が乗り上げていく。図４にこのような状況を模式的
に示している。すなわち裏当て材９の材質が固形ないし
粉末形態の耐火物であった場合、溶融プールの下面を保
持する材料が、乗り上げ部分１１以降耐火物から金属に
切り替わる。このような乗り上げ現象が生じた場合、溶
融プールから下方向への熱移動が急速に増加するため、
後方に多量の液相部分を残したまま乗り上げ部１１付近
が先に凝固する。その結果、後方に取り残された液相領
域では凝固収縮に見合う溶融金属の供給が十分になされ
ず、微小なひけ巣状欠陥１２が生じやすくなる。

【００１０】従って、これを防止するためには２層目溶
接において溶融プールが途中から初層凝固層の上に乗り
上げるような現象を避け、溶融プール下面に最初から凝
固層が存在する必要があるという解決策に至った（図５
参照）。本発明は以下の溶接手法を適宜採用することに
より、２層目溶接の開始時点までに初層凝固層を確実に
形成させ、微小ひけ巣状欠陥を確実に防止することがで
きる。

【００１１】すなわち本発明は、耐火物裏当て材をレー
ル溶接部底面に装着し、ガスシールドアーク溶接法、セ
ルフシールドアーク溶接法によりレール足部を溶接する
際に、適用されるものであって、以下の構成を要旨とす
る。

【００１２】（１）初層裏波溶接を完了後、折り返し端
部において、溶接を一時的に中断し、その間に初層溶接
金属が裏当て材と接する底面層の凝固を促進させた後、
トーチの横行方向を反転して２層目の溶接を行う。その
際に中断時間が５秒以下では初層溶接金属の凝固層の形
成が充分でなく、ひけ巣状欠陥防止に効果を及ぼさな
い。また、４０秒経過すると初層溶接金属の凝固層が完
全に形成されるため、それ以上は長くする必要がない
（請求項１の発明）。

【００１３】（２）初層裏波溶接終了後、折り返し端部
において電流、電圧のいずれか、または双方を初層裏波
溶接時の８０％以下に低下させる処理を８〜４５秒間行
い、その間に初層溶接金属が裏当て材と接する底面層の
凝固を促進させた後、トーチの横行方向を反転して２層
目の溶接を行う。電流、電圧は初層裏波溶接時の８０％
以下にしないとアークからの入熱と溶融プールからの熱
放出がバランスし、新たな凝固成長の進まない定常状態
となるため効果がない。また、端部処理時間を８秒未満
にすると初層溶接金属の凝固層の形成が不十分で、欠陥
防止に効果を及ぼさない。一方、４５秒以上経過すると
初層溶接金属の凝固層が充分に形成されるため、それ以
上は長くする必要はない（請求項２の発明）。

【００１４】（３）初層裏波溶接において、レール足幅
の２／３以上を経過した時点で、電流、電圧のいずれ
か、または双方を８０％以下に低下させて以後の溶接を
行い、その間に初層溶接金属が裏当て材と接する底面層
の凝固を促進させた後、トーチの横行方向を反転して２
層目の溶接を行う。初層溶接金属底面層の凝固を促進さ
せるためには電流、電圧を初層前半、中盤の８０％以下
に低減しないと効果が得られない（請求項３の発明）。

【００１５】（４）初層裏波溶接において、レール足幅
の２／３以上を経過した以降、及び／または、裏波溶接
終了後の折り返し端部で溶接アークを等時間間隔ないし
不等時間間隔で断続し、その間に初層溶接金属が裏当て
材と接する底面層の凝固を促進させた後、トーチの横行
方向を反転して２層目の溶接を行う。その際に、断続時
間間隔が０．５秒以下では初層溶接金属の凝固層形成を
促進させる効果は少なく、また、１０秒以上の長時間間
隔では能率低下を招くことに加え、折り返し端部を除く
部分ではビード形成が不可能となる。また、４０回の断
続の繰り返しにより初層溶接金属の凝固層が完全に形成
されるため、それ以上の回数増加は必要ない（請求項４
の発明）。

【００１６】（５）上記（１）〜（４）は、これらを適
宜組合せて初層裏波溶接と２層目溶接を行うことにより
各項の特長が併せて得られるようにできる。

【００１７】

【作用】本発明の溶接手法により２層目溶接開始まで
に、初層裏波溶接金属が裏当て材と接する底面層に凝固
層が形成され、２層目溶接の溶融プールが途中から初層
凝固層の上に乗り上げるような現象が避けられる。

【００１８】上記４種類の手法のうち、初層溶接金属の
凝固を促進する上で最も効果的なのは、初層裏波溶接の
終端部で溶接を停止し、その間熱量の供給を完全に停止
する溶接中断手法（請求項１）である。ただしこの方法
を単独で採用する場合には初層裏波溶接の終端部にクレ
ータ収縮孔が生じやすく、次の２層目溶接で収縮孔発生
部分を確実に再溶融するように溶接条件を設定する必要
がある。

【００１９】その点で、溶接アーク断続手法（請求項
４）は、溶接停止と溶接金属供給が交互に行われるた
め、クレータ収縮孔が過大に成長することがなく、これ
が問題になることはない。ただし、溶接中断手法（請求
項１）に比較すると初層溶接金属の凝固促進の点では効
果が下がるため、初層底面に形成された凝固層が第２層
溶接の際に再溶融されないように、第２層の溶接を比較
的低入熱で行う必要がある。

【００２０】請求項２及び３の溶接手法は、初層裏波溶
接から２層目にかけて、低入熱ながら常に溶接が継続さ
れるため、前記溶接中断手法さらに溶接アーク断続手法
に比較して初層溶接金属の凝固促進の点で効果が下が
る。従って、請求項２及び３の溶接手法では、初層底面
に形成された凝固層が第２層溶接の際に再溶融されない
ように、第２層の溶接を溶接アーク断続手法（請求項
４）の場合よりさらに低入熱で行う必要がある。

【００２１】本発明の各溶接手法は単独で実施した場合
でも、目的とする初層溶接金属の凝固促進効果は得られ
るが、上述したように、それぞれ溶接条件設定に際して
注意すべき点があり、これらに配慮する必要がある。

【００２２】一方、請求項各項の溶接手法を複数併用す
ると、初層溶接金属の凝固層形成のうえで効果が加算さ
れる上、各手法における、溶接条件に関する制約条件を
相殺することも可能となる。その結果、適正溶接条件範
囲が広がり、溶接条件選定の際に有利となる。たとえ
ば、請求項２，３、さらに４のいずれか、または複数の
溶接手法を請求項１の溶接中断手法と併用すると、溶接
中断手法を単独で行った場合に生じるクレータ収縮孔を
軽減することが可能となり、２層目溶接におけるクレー
タ収縮孔の再溶融について配慮する必要がなくなる。こ
の場合、請求項１の溶接中断手法に先だって、他の請求
項各項の溶接手法を行う必要がある。

【００２３】

【実施例】以下、レール足部にＣＯ₂ガスシールドアー
ク溶接を採用した場合の本発明の実施例及びその比較例
を示す。実施例１〜４は請求項１から４の溶接手法を単
独で行った例であり、一方、実施例５〜８は請求項１か
ら４の溶接手法を組合せて併用した例である。各例とも
レール腹部、頭部はエレクトロスラグ溶接法によって溶
接し、溶接後、支持スパン１ｍ、レール足部引張りモー
ドの実物３点曲げ試験を行い、破断荷重及び、破断面に
おけるひけ巣状欠陥の有無、欠陥長さを測定した。

【００２４】供試レール鋼材はＪＩＳ５０Ｎレール、溶
接ワイヤーは高炭素系共金ワイヤーを使用した。また、
裏当て材には１mm厚のガラステープを介してＳｉＯ₂−
Ａｌ₂Ｏ₃系固形裏当て材をレール底面に密着させる構
成とした。表１にレール、ワイヤーの化学組成、その他
の溶接材料、溶融電源特性などを示した。

【００２５】

【表１】

【００２６】タブ溶接金属を形成させた比較例１を除く
各例は初層裏波溶接から２層目への折り返し位置をレー
ル開先内部とし、タブ溶接金属を形成させなかった。

【００２７】〔実施例１〕初層裏波溶接を完了後、レー
ル足先端部において溶接を２５秒間中断してから２層目
の溶接を行った例である。溶接条件及び継手部の試験結
果を表２に示す。２層目溶接では折り返し端部の溶接中
断部分に生じたクレータ収縮孔を再溶融させるために、
実施例５〜８に比較して溶接速度を低下し、入熱を増加
している。この例では開先内部にひけ巣状欠陥の発生は
なく、曲げ試験結果も良好である。

【００２８】

【表２】

【００２９】〔実施例２〕初層裏波溶接を完了後、初層
折り返し端部において溶接電流、電圧をそれぞれ４０
％，７０％に低下させる端部処理を３５秒間行った後に
２層目の溶接を行った例である。溶接条件及び継手部の
試験結果を表３に示す。２層目溶接では初層の底面凝固
層を再溶融させないように、実施例５〜８に比較して入
熱を低下させている。この例でも開先内部にひけ巣状欠
陥の発生はなく、曲げ試験結果も良好である。

【００３０】

【表３】

【００３１】〔実施例３〕初層裏波溶接がレール足幅の
３／４の位置を経過した時点から溶接電流、電圧をそれ
ぞれ４２．５％，７０％に低下させた後に２層目の溶接
を行った例である。溶接条件及び継手部の試験結果を表
４に示す。２層目溶接では初層の底面凝固層を再溶融さ
せないように、実施例５〜８に比較して入熱を低下させ
ている。この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発生はな
く、曲げ試験結果も良好である。

【００３２】

【表４】

【００３３】〔実施例４〕初層裏波溶接を完了後、折り
返し端部において溶接アークを２秒間隔で１５回断続を
繰り返してから２層目の溶接を行った例である。溶接条
件及び継手部の試験結果を表５に示す。２層目溶接では
初層の底面凝固層を再溶融させないように、実施例５〜
８に比較して入熱をやや低下させている。この例でも開
先内部にひけ巣状欠陥の発生はなく、曲げ試験結果も良
好である。

【００３４】

【表５】

【００３５】〔実施例５〕初層裏波溶接を完了後、初層
折り返し端部において溶接電流、電圧をそれぞれ４０
％，７０％に低下させる端部処理を１５秒間行い、さら
に溶接を１２秒間停止した後に２層目の溶接を行った例
である。溶接条件及び継手部の試験結果を表６に示す。
この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発生はなく、曲げ
試験結果も良好である。

【００３６】

【表６】

【００３７】〔実施例６〕初層裏波溶接がレール足幅の
３／４の位置を経過した時点から溶接電流、電圧をそれ
ぞれ４２．５％，７０％に低下させ、さらに折り返し端
部において、溶接を１５秒間停止した後に２層目の溶接
を行った例である。表７に溶接条件及び継手部の試験結
果を示す。この例でも開先内部にひけ巣状欠陥の発生は
なく、曲げ試験結果も良好である。

【００３８】

【表７】

【００３９】〔実施例７〕初層裏波溶接がレール足幅の
３／４の位置を経過した時点から溶接電流、電圧をそれ
ぞれ４５％，７０％に低下させ、さらに折り返し端部に
おいて、溶接アークを２秒間隔で８回断続を繰り返して
から２層目の溶接を行った例である。表８に溶接条件及
び継手部の試験結果を示す。この例でも開先内部にひけ
巣状欠陥の発生はなく、曲げ試験結果も良好である。

【００４０】

【表８】

【００４１】〔実施例８〕初層裏波溶接を完了後、折り
返し端部において溶接アークを２秒間隔で５回断続を繰
り返し、さらに折り返し端部において、溶接を１０秒間
停止した後に２層目の溶接を行った例である。表９に溶
接条件及び継手部の試験結果を示す。この例でも開先内
部にひけ巣状欠陥の発生はなく、曲げ試験結果も良好で
ある。

【００４２】

【表９】

【００４３】〔比較例１〕本発明の溶接手法を使用しな
いもので、初層折り返し位置をレール足先、外側３０mm
の位置に設定し、これによって生じる４０mm長さのタブ
溶接金属を溶接完了後にガス切断によって除去した例で
あり、溶接部に欠陥は残存しておらず、曲げ試験結果は
良好である。溶接条件及び継手部の試験結果を表１０に
示す。ただし、この例ではタブ切断のために作業時間が
１５分間増加した。

【００４４】

【表１０】

【００４５】〔比較例２〕本発明の溶接手法を一切行わ
ず、しかもタブ溶接金属を形成させなかったために、ひ
け巣状の溶接欠陥が開先内部に残存し、曲げ性能が低下
した例である。溶接条件及び継手部の試験結果を表１１
に示した。

【００４６】

【表１１】

【００４７】〔比較例３〕初層裏波溶接完了後、初層溶
接端部において溶接を３秒間中断したものであるが、中
断時間が適正範囲より短かいために溶接欠陥が開先内部
に残存し、曲げ性能が低下した例である。溶接条件及び
継手部の試験結果を表１２に示した。

【００４８】

【表１２】

【００４９】

【発明の効果】本発明の溶接手法により、レール足部２
層目の溶接時に溶融プール下面に初層溶接金属凝固層が
最初から存在する。従って、２層目溶接において溶融プ
ールが途中で初層凝固層に乗り上げる現象がなくなり、
乗り上げ現象に関連して生じていた微小ひけ巣状欠陥を
確実に防止することができる。その結果、足先のタブ溶
接金属を省略することが可能となる。したがって、溶接
後のタブ除去工程が不要となり、溶接機材の簡略化、施
工時間の短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）はレールの溶接積層態様を示す
模式図であって（ａ）は縦断面、（ｂ）は平面である。

【図２】初層裏波溶接の実施状況を示す模式図である。

【図３】初層完了後、２層目の溶接時に大型の溶融プー
ルが形成される状態を示す模式図である。

【図４】２層目溶接で微小ひけ巣状欠陥が形成される機
構を示す模式図である。

【図５】本発明の実施状況を示す模式図であり、２層目
溶接時に最初から初層凝固層が形成されている状態を示
す。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ被溶接レール２溶接部間隙３レール足部４レール腹部５レール頭部６溶接ワイヤ７溶接トーチ８裏波溶接金属９裏当て材１０大型溶融プール１１２層目における初層凝固層への乗り上げ
部分１２ひけ巣状溶接欠陥

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者乙黒盈昭千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接を完了後、折り返し端部において、溶接を５〜４０
秒間中断し、その間に初層溶接金属が裏当て材と接する
底面層の凝固を促進し、その後トーチの横行方向を反転
して２層目の溶接を行うことを特徴とするレール足部の
溶接方法。
【請求項２】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接終了後、折り返し端部において電流、電圧のいずれ
か、または双方を初層裏波溶接時の８０％以下に低下さ
せる端部処理を８〜４５秒間行い、その間に初層溶接金
属が裏当て材と接する底面層の凝固を促進し、その後ト
ーチの横行方向を反転して２層目の溶接を行うことを特
徴とするレール足部の溶接方法。
【請求項３】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接において、レール足幅の２／３以上を経過した時点
で、電流、電圧のいずれか、または双方を８０％以下に
低下させて以後の溶接を行い、その間に初層溶接金属が
裏当て材と接する底面層の凝固を促進し、その後、トー
チの横行方向を反転して２層目の溶接を行うことを特徴
とするレール足部の溶接方法。
【請求項４】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、初層裏波
溶接において、レール足幅の２／３以上を経過した以
降、及び／または、初層裏波溶接終了後の折り返し端部
で溶接アークを０．５〜１０秒間隔で１〜４０回にわた
り、等時間間隔ないし不等時間間隔で断続し、その間に
初層溶接金属が裏当て材と接する底面層の凝固を促進
し、その後、トーチの横行方向を反転して２層目の溶接
を行うことを特徴とするレール足部の溶接方法。
【請求項５】耐火物裏当て材をレール溶接部底面に装
着し、ガスシールドアーク溶接法、セルフシールドアー
ク溶接法によりレールの足部を溶接する際に、請求項１
ないし４の溶接方法を適宜組合せて、初層、２層を溶接
することを特徴とするレール足部の溶接方法。