JPH03249127A - レール溶接継手部のショットピーニング処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、鉄道用レールを現地あるいは工場において
溶接する場合の、溶接継手部の疲労強度を向上するため
のショットピーニング処理方法に関するものである。

（従来の技術） 鉄道用レールの溶接継手はロングレール敷設およびその
補修時に不可欠な要素である。レールの現地における溶
接方法としては、まずエンクローズ溶接法が挙げられる
。この場合、溶接余盛は完全に除去されるので応力集中
がなく、さらに後熱処理を受けるために＾い疲労強度を
示すが、作業能率が低く、たとえば特開昭５６−４３５
０号公報に記載されているような、作業能率向上と共に
狭開先による施工によって溶接時に発生する欠陥を防ぐ
ものや、特開昭６３−１６０７９９号公報に記載されて
いるような、＾炭素系溶接棒を用いた溶接で欠陥と割れ
の発生を防止することにより継手部信頼性を得る技術が
ある。

テルミット溶接法はたとえば溶接学会誌第５４巻第１号
（１９８５年）第４３〜４９頁に記載されているように
公知の技術であるが、この信頼性を向上する技術は、た
とえば特開昭５３−２９６４９号公報および特開昭５３
−２９６５０号公報に記載されているように溶接時の予
熱温度や溶剤量および余盛形状を管理することによるも
のである。

さらに、たとえば特開昭６０ｍｍ５４１４６号公報に記
載されているような、サブマージアーク溶接とエレクト
ロスフグ溶接を併用した自動溶融溶接法があるが、スラ
グの巻き込みと融合不良を防止することにより健全な溶
接継手部を得ることを目的とした技術である。

以上のように、溶接時に発生する欠陥を未然に防止して
、その結果としてレール溶接継手部の信頼性を高める技
術があるが、実溶接作業時における欠陥の発生を皆無に
することはできないし、溶接時の材質的な劣化、および
溶接継手部に発生する残留応力や余盛部における応力集
中のために必ずしも＾い信頼性を有しているとはいえず
、したがって保守・点検が重要となる。そこで、ショッ
トピーニング処理加工により表面亀裂の発生を防止する
と信頼性を向上させる効果が＾い。

ショットピーニング処理方法は、加工による表面硬化と
表面圧縮残留応力の発生によって疲労強度寿命を＾める
表面処理方法として、従来からたとえば自動車用のバネ
部材などに対して用いられており、鋼製小球を＾速度で
多数投射することによって材料表面を加工する処理法で
ある。バネ部材のような比較的小さな対象物の場合は、
表面加工の影響が顕著に生じるために表面硬度や残留応
力値のみを追及すればよいが、レール溶接継手部の場合
は形状のみならず材質も異なるため、バネ部材に対する
投射の条件をそのままレール溶接継手部に適用すること
はできない。また、溶接または鋳造によって製造される
レールクロッシング部にショットピーニング処理が施さ
れることがあるが、製造過程において処理されるもので
あり、さらに具体的な処理条件については定量的な指標
がない。

（発明が解決しようとする課題） このように、レールの溶接継手部に存在する残留応力や
材質劣化によって疲労強度が低下することが必然であり
、このためにショットピーニング処理が有効であると考
えられる。本発明は、従来主として自動重用部材等の小
部品に対して施されてきたショットピーニング処理を、
厚肉部材に適用するための最適加工条件を明確化するも
のであり、材料が有する機械的特性と負荷応力状態に鑑
みて、投射される材料および投射条件による残留応力値
と加工深度の関係および疲労強度の検証から、ショット
ピーニング時における各処理条件を具体的に提供するも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、レール溶接継手部に対して直径が１．０ｍｍ
以上１．８１以下でＨＲＣスケールで４８以上６０以下
の硬度を有する鋼製小球によってショットピーニング処
理することを特徴とするレール溶接継手部のショットピ
ーニング処理方法である。

ショットピーニングの投射密度を４００　ｋｇｆ／ｍ’
以上１０００　ｋＨｆ／ｍ２以下とすること、レール溶
４１１部の曲げ中立軸よりＦ方のウェブ両面と足部の表
裏部にショットピーニング処理すること、レール溶接施
工後に５００℃以上６５０℃以ドの温度に３０秒以上保
持する溶接後熱処理を施′した後にショットピーニング
処理することは好ましい。

（作用） レールの実使用時における荷重形態はいわゆる三点曲げ
応力状態であり、そのときの応力分布は設計上の曲げ中
立軸より上方がレール長手方向に圧縮、下方が引張応力
となる。最も引張応力値が厳しい箇所は足裏面であり、
その値は足表面の約１．６７倍である。さらに、溶接継
手部には全盛止燈部の形状効果に−よって応力集中が生
じ、その値は１．２５倍程度にも達する場合がある。こ
のように、三点曲げ荷重負荷時に足裏面の溶接継手部に
は相当に＾い値の引張応力が作用している。

さらに、溶接継手部には、溶接方法による発生箇所の相
違はあるが、材料の降伏応力に近い引張残留応力が発生
する。足表面にこの高い値の引張残留応力が発生した場
合には、荷重負荷時の応力値が低い足表面から疲労亀裂
の発生を見ることもあり、有害である。また、溶接部は
急加熱・急冷却の熱サイクルを受け、たとえば材料の伸
びが１０％にも達しない脆化した領域であって、発生し
た亀裂の進展を抑える能力が低く危険であり、表面処理
等による対策や材質制御が必要となる。

以上のように、残留応力・負荷応力・材質ともに不利な
溶接継手部の疲労強度を向上させるには、ショットピー
ニング処理による表面圧縮残留応力によって亀裂の発生
を防止することが有効である。

加えて、レールのように比較的肉厚が厚い部材に対して
は、ショットピーニングによる加工深度を深めることが
処理効果を明確化するために必要である。

ショットピーニング処理において重要なのは投射される
鋼製小球（以下、投射材という）の形状および硬度であ
る。投射を受けるレール（以下、被投射材という）に対
しである程度の範囲で高い硬度の投射材を使用する必要
があり、その範囲内でも＾い値の表面圧縮残留応力値を
得るには被投射材硬度から、ロックウェル硬さのＣスケ
ールＨＲ９で４８以上、好ましくは５０以上で、６０以
ドの硬度の投射材を用いることが必要である。この範囲
の硬度の投射材を用いた場合には５０　ｋ、ｆ／１１以
上の表面圧縮残留応力を得ることが可能であり、低い硬
度の投射材を使用した場合は残留応力値が低く、また＾
い硬度の投射材を使用すると最表面層で加工軟化が顕著
となり効果が低減する。

また、投射材の粒形状は被投射材の表面に切り欠きが発
生しない球形で、その直径は加工深度と表面粗度に影響
し、その範囲は１．０ｍ−以上、好ましくは１．４−一
以上、１．８１以ｒである。投射材直径が小さい場合に
は加工層深度が＾々５０μ−程度にしかならず、肉厚が
厚いためその効果が低く、また投射材の打痕で表面状態
が劣化して亀裂発生が容易となる。投射材直径を上記範
囲より大きくしても加工深度の増大効果は少なく、また
投射効率が悪くなるために適当でない。

投射材の投射量は投射密度として単位面積当りの投射材
重量によって表すが、２００　ｋｇｆ／ｍ”以上の投射
密度によってほぼ全面の処理が実現され、４００　ｋｇ
ｆ／曽２以上２以上投射残留応力値と加工深度共に安定
した値が得られるが、１０００　ｋｇｆ／ｍ２超投射す
ると過度な加工による表面軟化が顕著になる。

投射速度に関しては特に範囲を定めないが、通常のショ
ットピーニング処理時の速度またはそれよりやや遅い速
度でよく、投射初速度は６０〜１００ｍ／秒の範囲が好
適である。

上述したように、荷重付加時の長手方向引張応力は設計
上の曲げ中立軸より下方にのみ発生するので、疲労強度
向上の手段としては曲げ中立軸より下方だけ、すなわち
ウェブ両面の下方に適用することで充分である。足表面
での応力値は足裏面より充分に低い値であるが、溶接残
留応力によりて疲労亀裂の発生点となることがあるため
足表面にもショットピーニング処理を施す必要がある。

足裏面においては全面でほぼ均一な長手方向引張応力が
発生するため、その幅方向には全面に均一なショットピ
ーニング処理を施す必要がある。また、溶接時の熱影響
は数１０ｍｍの範囲であるので、溶接継手部を中心にし
て艮手力向は＾々１００＋＋＋ｍずつの範囲をショット
ピーニング処理すれば充分である。

さらに、安定して高い疲労か命強度を得るためには、溶
接後熱処理を施した後にシラントビ−二ング処理を実施
することが好ましい。すなわち、ショットピーニングに
よって制御可能な領域は材料表面から１００μ−程度の
範囲であり、溶接によって急加熱・急冷却された材料内
部に残留する内部歪を除去することはできない。溶接継
手部およびその近傍を５００°Ｃ以上６５０°Ｃ以下の
範囲の温度で３０秒以上保持することによって鋼材内部
に含まれる炭素が球状化して安定し、破断伸びは１０％
以下であった状態から２０％以上に増大して疲労亀裂の
進展に対する抵抗が増す、また材料の比例限度が６０ｋ
ｇｆ／１１であった状態から８０ｋｇｆ／簡−２となり
、弾性範囲の拡大により疲労寿命が伸びる。５００℃未
満の温度ではこの効果が充分には生じず、６５０℃超の
温度では材料が軟化して疲労強度は低下する。

（実施例） 試験体はＲＥ　１３２１ｂｓ＃ｔ　（北米仕様）および
Ｊ　Ｉ　Ｓ　６０　ｋｇｆ／ｍのレールをエンクローズ
溶接法、テルミット溶接法および自動溶融溶接法によっ
て溶接したものであって、溶接後熱処理およびシ壺ット
ピーニングの処理条件を第１表に示し、第１図に三点曲
げ疲労試験の結果を示した６曲げ荷重は溶接部に負荷し
、応力値は足裏面における公称値にて表示している。試
験体の製作条件は各溶接法において同じであり、同一溶
接法の範囲で本発明の効果を比較・検証する。溶接法が
異なるときには試験体が異なり、さらにエンクローズ溶
接法の場合には前述したように溶接部％を完全に除去し
て後熱処理を実施するのが通常であるので、これを比較
の基本条件としたため他の溶接法よりも高い値の疲労強
度を示している。

三点曲げ疲労試験において、ショットピーニング処理を
施さない状態に対し、投射材硬度（ＨＲｅ）と粒径がそ
れぞれ４８．０．８論−の投射材を使用してシ１ットビ
ーニング処理を行ったときの疲労寿命は１．５倍しか増
加しないのに対して、４８．１．２箇−の場合は４倍、
１．４曽−の場合は１２倍、５３．１．４−一の場合は
２０倍の疲労寿命を得ることができた。投射密度が４０
０　ｋｇｆ／簡２と８００ｋｇｆ／鋤２の場合、シタッ
トビーニング処理の程度を表すアークハイトの値は差異
が明確であるが、三点曲げ疲労寿命の差異は少ない、自
動溶融溶接法による試験体を用いて、後熱処理をした後
に適切な処理条件によってシシットビー二ング処理した
場合には、たとえば公称応力２３ｋｇｆ／ｍ論”で疲労
試験したと鯵に疲労限度以上の強度を有した。

実際の鉄道での負荷荷重は一回当り高々１５トン程度（
応力値で約１０　ｋｇｆ／ｍｍ２）であるので、本発明
によるシ謄フトビーニング処理により信頼性の＾い溶接
継手強度を保証することが可能となる。

（発明の効果） 鉄道軌道においてロングレールの使用が普及し、種々の
溶接方法が提唱されているなかで、溶接継手部の信頼性
が要求されている。溶接部は溶融・凝固の過程において
その材質を適切に制御することが困難であり、シシット
ビーニングによる表面強化処理によって、実使用状況に
対する強度すなわち疲労強度が向上することの意義は大
きい。疲労強度を向上させるための処理条件を定量化し
たためこれを実現する処理機が明確化され、作業が容易
でさらに短時間で処理可能となって高い信頼性が得られ
るという顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による疲労強度の向上を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レール溶接継手部に対して直径が１．０ｍｍ以上
   １．８ｍｍ以下でＨ＿Ｒ＿Ｃスケールで４８以上６０以
   下の硬度を有する鋼製小球によってショットピーニング
   処理することを特徴とするレール溶接継手部のショット
   ピーニング処理方法。
2. （２）ショットピーニングの投射密度を４００ｋｇｆ／
   ｍ＾２以上１０００ｋｇｆ／ｍ＾２以下とすることを特
   徴とする請求項１記載のレール溶接継手部のショットピ
   ーニング処理方法。
3. （３）レール溶接部の曲げ中立軸より下方のウェブ両面
   と足部の表裏部にショットピーニング処理することを特
   徴とする請求項１または２記載のレール溶接継手部のシ
   ョットピーニング処理方法。
4. （４）レール溶接施工後に５００℃以上６５０℃以下の
   温度に３０秒以上保持する溶接後熱処理を施した後にシ
   ョットピーニング処理することを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか記載のレール溶接継手部のショットピーニ
   ング処理方法。