JPH07251276A

JPH07251276A - テルミット溶接金属の注入方法

Info

Publication number: JPH07251276A
Application number: JP6653794A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Karimine; 健一狩峰; Makoto Okumura; 誠奥村; Susumu Sekiguchi; 進関口; Toshimi Washitani; 年巳鷲谷; Yuzo Sato; 雄蔵佐藤
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1995-10-03
Anticipated expiration: 2019-04-05
Also published as: JP3515805B2

Abstract

(57)【要約】【目的】テルミット溶接において溶融金属を注入開始
する時間のばらつきを無くし、溶接品質の向上を図る。【構成】るつぼ底部から流出孔４を通して堆積したテ
ルミット溶剤１の底層部内部または底層部外縁部に、絶
縁された一対の導電体から成る溶融金属検出端９を挿入
し、さらにるつぼ底面２１に平板５を密着させて前記流
出孔４を閉塞し、テルミット反応が開始し、るつぼ底部
への反応到達により前記検出端９が溶融、短絡した１０
〜３５秒後に、前記平板５を瞬時に水平方向に摺動させ
て流出孔４を開口し、溶融金属２０を注入する。

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の現地溶接な
どに使用されるテルミット溶接に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】テルミット反応は次式で示す金属酸化物
と脱酸用金属の酸化還元反応である。本反応は著しい発
熱を伴い、生成物相は通常液相となる。Ｍ₁ Ｏ＋Ｍ₂ →Ｍ₁ ＋Ｍ₂ Ｏ＋Ｑ・・・・・・・（１）ここで、Ｍ₁ は還元される金属元素、Ｍ₂ はＭ₁ より酸
素親和力の強い脱酸金属元素、Ｏは酸素、Ｑは発熱量で
ある。テルミット溶接は上記テルミット反応を利用し、
生成した溶融金属を溶接部に注入して母剤を溶融、接合
する溶接法であり、特に鉄・アルミ系テルミット反応を
利用したレール鋼のテルミット溶接法は現地溶接法とし
て世界的に普及している。

【０００３】テルミット溶接では鋳型で覆った溶接部の
上方に反応るつぼを設置し、反応によって生成した溶融
金属を溶接部に注入する。るつぼから溶融金属を注入す
る方法として、るつぼ底部の流出孔をテルミット反応中
は閉塞しておき、反応完了後に開口して注入する方法が
とられる。反応の際に溶融金属とともに溶融スラグが生
成するが、両者は比重差によりるつぼ内で上下方向に分
離しており、これらの生成物が注入される際には、溶融
金属が先に鋳型内の溶接部に充満し、引き続き溶融スラ
グが押し湯部分に注入される。

【０００４】流出孔の閉塞・開口方法として、図６に示
すような金属製の円盤に棒材を接合した押し上げピンを
用いる手動方式がある。すなわち図６は反応るつぼ２の
中でテルミット反応が終了し溶融金属２０と溶融スラグ
２１が生成した状態における縦断面図を示している。こ
の方法は押し上げピン１５の棒材部分を流出孔４を通し
て下方に突出させ、円盤部が流出孔を閉塞するようにる
つぼ底部に置き、その上に耐火物粉末２２が散布され
る。この耐火物粉末２２は高温のテルミット反応生成物
と押し上げピンの円盤部の接触を防げ、流出孔４の開口
を防ぐ。その後、押し上げピン１５がバール１６などの
工具を用いて手動で押し上げられて流出孔４が開口され
る（「新軌道材料」高原清介著、昭和６０年、（株）鉄
道現業社、Ｐ１１２〜１１５）。なお図中２３は流出口
４の溶損防止のため溶接１回ごとにはめ込まれる耐火物
筒である。

【０００５】近年レール溶接で多用されている注入方法
は、図７に示すような、耐火物を充填した栓１７をるつ
ぼ底部にはめ込み、反応生成物の顕熱、浸食作用で栓内
の充填物を溶融させて開口させるオートタップ方式と呼
ばれる方法である。特公昭５７−１３５８号公報、特公
昭６１−２４６３１号公報に開示されている溶接金属注
入器具はこの方式に基づくものである。

【０００６】その他の溶融金属の注入方法としては容器
の傾動による方法、連続鋳造における溶鋼鍋出口に用い
られるスライディングノズルなどがある。溶融金属の注
入状態の検出方法としては、連続鋳造設備の鋳型内にお
ける検出方式が特開平２−８０１５９号公報に開示され
ている。この方法は鋳型内に設置した検出端とダミーバ
ーが溶鋼によって電気的に導通することによって溶鋼の
存在を検出する方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】テルミット溶接におい
て、溶融金属の注入時期は溶接部の信頼性に重要な影響
を及ぼす。注入時期が過度に早い場合、すなわちテルミ
ット反応が未完了、あるいは反応は終了していても溶融
金属と溶融スラグの分離が不十分な状態で注入された場
合、溶接金属の中にスラグが残留する巻き込み欠陥を生
じやすい。逆に、注入時期が遅くなる場合には、るつぼ
への熱伝達によって溶融金属の温度が低下し、溶融金属
の顕熱すなわち溶接入熱が低下して、被溶接物の溶け込
み量が減少していく。

【０００８】過度に注入時間が遅延すると、被溶接物が
溶融しないで残る溶け込み不良欠陥を生じる。またテル
ミット溶接における被溶接物の溶融は、注入される溶融
金属の顕熱および浸食作用によって行われる。そのため
被溶接物を確実に溶融し、欠陥無く溶接するためには、
鋳型内への溶融金属の流入が迅速かつ連続的である必要
がある。溶融金属の注入が緩慢、不連続になると溶融金
属の温度が低下すると共に、溶融金属の注入流速が低下
して侵食力が低下する。その結果、溶け込み不良欠陥が
生じやすくなる。

【０００９】図６に示した押し上げピンを手動で操作し
て開口させる方法は、レール溶接のように溶剤重量が１
０ｋｇを越えるような場合、ピンを押し上げる際の抵抗
が大きく、作業自体が容易ではない。また、ピンを押し
上げる際に高温の溶融物が飛散しやすく、作業の安全に
関する配慮が不可欠である。また、溶融金属を流出させ
る際には反応が完了し鎮静化している必要がある。しか
しながらるつぼは耐火物製であるため内部の状況を直接
観察することができない。そのため注入の時期は作業者
の主観的な判断によらざるを得ず、その結果、注入時期
が不正確になりやすい。

【００１０】一方、図７に示したようなオートタップ方
式では、栓に充填された耐火物の溶融時間が栓とるつぼ
のはめ合い位置関係によって変動しやすい。るつぼ耐火
物は使用回数の増加にとともに浸食されて減厚し、栓と
るつぼのはめしろは浅くなっていく。この方式は栓とる
つぼのはめ合い状態が十分に管理されている場合には比
較的正確な注入動作が得られる反面、るつぼの溶食状態
の管理が不十分な場合や、栓とるつぼのはめ合い部に形
状不良があるような場合には注入時期の変動が問題とな
る場合がある。

【００１１】また、溶融金属の注入方法として最も単純
なのは容器の傾動による方法であるが、この方法では正
確かつ迅速な注入作業は困難である。また、連続鋳造に
おけるスライディングノズルは溶融金属の流量調整を目
的とする機構であり、迅速な注入動作を必要とするテル
ミット溶接の注入機構とは目的の異なるものである。ま
た、連続鋳造における溶融金属の検出方法として特開平
２−８０１５９号公報に開示された方法は、検出端とダ
ミーバーの溶鋼による電気的な導通を検出する方法であ
るが、連続鋳造の鋳型とテルミットるつぼでは構造、材
質が異なり、本方法はテルミット溶接には適用できな
い。

【００１２】本発明は上記従来技術の問題点を解決し、
より信頼性の高いテルミット溶接金属の注入方法を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、底部に流出孔４を有する逆円錐また
は逆角錐形状のるつぼ２を使用し、該るつぼ内部に堆積
させたテルミット溶剤１を反応させて、溶融スラグ２１
及び溶融金属２０を生成させ、該溶融金属をるつぼ２の
下方に設置した溶接部に注入するテルミット溶接金属の
注入方法において、るつぼ底部から流出孔４を通して堆
積したテルミット溶剤１の底層部内部または底層部外縁
部に、絶縁された一対の導電体から成る溶融金属検出端
９を挿入し、さらにるつぼ底面２１に平板５を密着させ
て前記流出孔４を閉塞し、テルミット反応が開始し、る
つぼ底部への反応到達により前記検出端９が溶融、短絡
した１０〜３５秒後に、前記平板５を瞬時に水平方向に
摺動させて流出孔４を開口し、溶融金属２０を注入する
テルミット溶接金属の注入方法である。

【００１４】

【作用】本発明は底部に流出孔を有する逆円錐または逆
角錐形状のテルミット反応るつぼの底部に平板を密着さ
せて流出孔を閉塞し、テルミット反応完了、鎮静後に平
板を瞬時に水平方向に摺動させてるつぼ内の溶融金属を
流出させて溶接部に注入するテルミット溶接金属の注入
方法である。そして上記注入方法において、るつぼ底部
から、るつぼ内に堆積した溶剤の底層部内部または底層
部外縁部に、絶縁された一対の導電体から成る溶融金属
検出端を挿入する。これによりテルミット反応のるつぼ
底部への到達により該検出端が部分的に溶融するととも
に、前記一対の導電体間に溶融金属を介して電気的な導
通が生じた瞬間から、あらかじめ設定した鎮静時間経過
後に平板を瞬時にスライドさせて流出孔を開口させる。
以下、図面に従い本発明を詳細に説明する。

【００１５】図１及び図２は本発明方法の実施態様を示
す模式図で、図１はるつぼ中心面における縦断面図であ
り、図２は図１に直角な面での縦断面図である。図にお
いて１はテルミット溶剤、２は耐火物るつぼ、２７はそ
の底面、３はるつぼの外形に合わせて加工された鋼製の
るつぼ外皮であり、２３は流出孔の溶損を防止する耐火
物筒である。

【００１６】５はるつぼ底面２７に密着、摺動させて流
出孔を閉塞、開口する耐火物、金属などによる平板であ
る。６は平板５の保持容器であり、連結棒１２で摺動駆
動機構１０に連結されている。７は平板５をるつぼ底面
に押しつける板バネもしくはつるまきバネである。ま
た、摺動駆動機構１０として圧縮空気シリンダー、油圧
シリンダー、電動モーター、電磁ソレノイド等が利用可
能であるが、平板５を瞬時に摺動させ、溶融金属を円滑
に注入するためには駆動速度が早いことが望ましく、そ
の点で圧縮空気シリンダー、電磁ソレノイドが有利であ
る。８は耐火物筒２３の内面に散布された耐火物粉末で
あり、平板５の表面で溶融金属が凝固することを防止す
る。

【００１７】９は一対の絶縁された導電体から構成され
る溶融金属検出端であり、該一対の導電体間には検出回
路１９から導線２４を介して電圧が印加されている。該
溶融金属検出端９の前記堆積した溶剤１内における挿入
位置は、該堆積した溶剤１の最低位置から上方へ２０ｍ
ｍ以内の底層域の内部、もしくは該底層域の外縁部であ
る。１１はタイマー回路であり、摺動駆動機構１０に接
続される。

【００１８】１３は平板５、保持容器６、摺動駆動機構
１０を保持する基板であり、数本の棒材１４によってる
つぼ外皮３に固定されている。基板１３には保持容器６
が摺動する際の案内突起２５および、溶融金属の流出路
として開口部２６が設けられる。棒材１４が長さ調整可
能な構造を有し、バネ７を使用せずに平板５をるつぼ底
面２７に隙間なく密着できる場合にはバネ７は必要な
い。さらに、平板５と連結棒１２が直接取り付け可能な
構造を具備すれば、保持容器６も必要ない。

【００１９】上記装置の各部に使用される耐火物、すな
わちるつぼ２、耐火物筒２３、平板５、耐火物粉末８の
材質は、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｔｉ
Ｏ₂、ＺｒＯ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＣａＣＯ₃ 等のように酸化
物、弗化物、金属炭酸塩、金属珪酸塩などの単一成分な
いし２種類以上の複合材である。平板５は耐火物粉末８
を十分に厚く堆積させれば鋼板などの金属板を用いるこ
とも可能であり、耐火物板と鋼板を組み合わせた複合材
料を用いてもよい。また平板５の幅、長さは少なくとも
流出孔４の直径または幅の１．５倍以上は必要である
が、１０倍以上になると駆動装置１０が大型化し望まし
くない。また、平板５の厚みは熱衝撃、摺動時の衝撃に
耐えるためには５ｍｍ以上必要であるが、４０ｍｍ超に
なると摺動駆動装置１０が大型化し望ましくない。

【００２０】るつぼ２内に挿入するテルミット溶剤は、
炭素鋼の溶接を例にとると酸化鉄と金属アルミの粉末が
重量比率で４：１〜３：１の範囲で配合され、これにフ
ェロアロイなどの合金添加材や補助溶加鉄源が配合され
たものが用いられる。

【００２１】以上、本発明方法の実施態様における構成
を示した。次に図３から図５に従い、プロセスの進行に
従って本発明を詳細に説明する。まず、図３は反応の開
始状態を示す模式図であり、テルミット反応は点火材１
８によって開始される。いったん溶剤の一部で反応が始
まると、高温の反応生成物が新たな点火源となり、次々
に反応が伝播していく。るつぼ底部まで反応が伝わると
一対の導電体から構成された溶融金属検出端９が溶融金
属と接触して部分的に溶融し、それまで絶縁されていた
前記一対の導電体が溶融金属を介して電気的に導通を生
じる。

【００２２】この導通状態が、あらかじめ前記一対の導
電体に電圧を印加している検出回路１９によって検出さ
れる。この溶融金属の検出と同時にタイマー回路１１が
起動し、該タイマー回路１１であらかじめ設定した鎮静
時間内に、反応生成物は図４のように比重差によって溶
融スラグ２１と溶融金属２０に上下方向に分離する。前
記鎮静時間が経過した時点で摺動駆動機構１０が起動
し、連結棒１２を介して保持容器６と平板５を一体のま
ま水平方向に瞬時に摺動させ、その結果、図５に示すよ
うにるつぼ底部が開口し、溶融物が注入される。

【００２３】タイマー回路で設定する鎮静時間は本発明
者らの実験によると、１０秒〜３５秒が適正な範囲であ
る。鎮静時間が１０秒未満ではるつぼ内での溶融金属と
溶接スラグの分離が不十分であり、溶融金属が注入され
た後、溶接部にスラグ巻き込み欠陥を生じやすくなる。
また、鎮静時間が３５秒を越えると溶融金属の温度低下
が大きく、被溶接物を十分に溶融させることができな
い。もしタイマー回路１１を設けない場合には検出回路
１９に、溶鋼検出によって作動するブザー、ランプなど
の報知装置を装備し、該報知装置の作動時から時計によ
り所定時間を計り、該所定時間経過後に平板５を摺動さ
せてもよい。また、摺動駆動機構１０を設けない場合に
は手動で連結棒１２を動かしてもよい。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例、及びその比較例としてレー
ル鋼のテルミット溶接を行った結果を表１、表２、表３
に示す。被溶接レールのサイズは単位長さ当たりの重量
が６０ｋｇ／ｍ、鋼種は引張強さ８００ＭＰａ級の普通
強度レールである。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】被溶接レールの化学組成は重量％でＣ：
０．６８％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：０．９７％、残
部がＦｅと不可避不純物である。テルミット溶剤は酸化
鉄、金属アルミ粉末、フェロマンガン、補助溶加鉄源を
重量％でそれぞれ６０％、２０％、１０％、１０％配合
した普通レール用テルミット溶剤であり、溶剤重量は約
１５ｋｇである。なお、被溶接レール鋼は溶接に先立ち
プロパン酸素ガスで１５０秒間予熱し、溶接部を取り囲
む鋳型にはＳｉＯ₂ 製乾燥鋳型を使用した。溶接の際に
テルミット反応開始から注入までの所定時間、溶鋼注入
の際の溶鋼温度を測定した。また、溶接完了後、放射線
透過試験により溶接部の内部欠陥検査を行った。

【００２９】表１に示す本発明の実施例Ａ、Ｂでは、平
板５、耐火物筒２３、るつぼ２としてＡｌ₂ Ｏ₃ を水ガ
ラスで成形し使用した。耐火物粉末８にはＡｌ₂ Ｏ₃ 粉
末を使用した。また、平板５の摺動駆動装置１０として
圧縮空気シリンダーを使用し、溶融金属検出端９として
絶縁した２本の銅線を使用した。タイマー回路１１の鎮
静時間の設定は１５秒および２５秒の２種類とした。実
験の結果、鎮静時間１５秒および２５秒いずれの条件で
も溶鋼温度が安定しており、内部欠陥の無い良好な溶接
継手が得られた。

【００３０】表２は図６、図７に示した手動注入方式、
オートタップ方式で行った比較例を示すものである。手
動注入方式による比較例Ｃでは耐火物粉末２２にＳｉＯ
₂ 、押し上げピン１５に軟鋼材を使用した。また、比較
例Ｃ、Ｄの耐火物筒２３、比較例Ｄの栓１７としてＡｌ
₂ Ｏ₃ を水ガラスで成形したものを使用した。そして、
オートタップ方式で行った比較例Ｄでは栓内充填材とし
て珪酸アルミニウムを水ガラスで混練結合し、充填厚み
を５ｍｍとした。その結果、手動注入方式の比較例Ｃで
は溶鋼の注入時間、溶鋼温度のばらつきが大きく、反応
開始から注入までの時間が短か過ぎる例Ｃ−３ではスラ
グ巻き込み欠陥が、逆に注入時期が遅延して溶鋼温度の
下がった例Ｃ−５では溶け込み不良欠陥が生じた。ま
た、オートタップ方式で行った場合でも、反応開始から
注入までの時間が長く溶鋼温度の下がった例Ｄ−４では
微小な溶け込み不良欠陥が生じた。

【００３１】また、表３に示す比較例Ｅ、Ｆは本発明の
装置を用いているが、タイマー回路の鎮静時間設定が本
発明の範囲外の例である。鎮静時間設定の短すぎる比較
例Ｅでは溶接金属内部にスラグ巻き込み欠陥が見られ、
逆に時間設定の長すぎる比較例Ｆでは溶鋼温度が下がり
溶け込み不良欠陥が生じた。

【００３２】

【発明の効果】本発明のテルミット溶接金属注入方式に
より安全に、かつ、高温で健全性の高い溶融金属を安定
して溶接部に注入することができ、溶接部の信頼性を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施態様の構成を示す模式図で主要部
は断面を示す

【図２】図１と直角な方向の断面図

【図３】本発明方式の実施状況を示す模式図

【図４】本発明方式の実施状況を示す模式図

【図５】本発明方式の実施状況を示す模式図

【図６】従来技術である手動注入方式を示す断面図

【図７】従来技術であるオートタップ注入方式を示す断
面図

【符号の説明】

１テルミット溶剤２るつぼ３るつぼ外皮４流出孔５平板６保持容器７バネ８、３２耐火物粉末９溶融金属検出端１０摺動駆動機構１１タイマー回路１２連結棒１３基板１４棒材１５押し上げピン１６バール１７栓１８反応点火材１９検出回路２０溶融金属２１溶融スラグ２３耐火物筒２４導線２５案内突起２６基板の開口部２７るつぼ底面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥村誠千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者関口進千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者鷲谷年巳千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者佐藤雄蔵千葉県君津市人見1212番地三島光産株式会社鉄鋼事業本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】底部に流出孔（４）を有する逆円錐また
は逆角錐形状のるつぼ（２）を使用し、該るつぼ内部に
堆積させたテルミット溶剤（１）を反応させて、溶融ス
ラグ（２１）及び溶融金属（２０）を生成させ、該溶融
金属をるつぼ（２）の下方に設置した溶接部に注入する
テルミット溶接金属の注入方法において、るつぼ底部か
ら流出孔（４）を通して堆積したテルミット溶剤（１）
の底層部内部または底層部外縁部に、絶縁された一対の
導電体から成る溶融金属検出端（９）を挿入し、さらに
るつぼ底面（２１）に平板（５）を密着させて前記流出
孔（４）を閉塞し、テルミット反応が開始し、るつぼ底
部への反応到達により前記検出端（９）が溶融、短絡し
た１０〜３５秒後に、前記平板（５）を瞬時に水平方向
に摺動させて流出孔（４）を開口し、溶融金属（２０）
を注入するテルミット溶接金属の注入方法。