JP5477452B1 - Post heat treatment equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】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後熱処理装置を提供する。
【解決手段】溶接されたレールXの後熱処理装置10であって、レールXの溶接中心X2から長さ方向に20mm以上300mm以下離間して配置され、レールXの少なくとも柱部X5を加熱する誘導加熱コイル11を備える。誘導加熱コイル11の巻数が2巻以上又は溶接中心X2の一方側における誘導加熱コイル11の配置箇所数が2箇所以上であることが好ましい。
【選択図】図1
A post heat treatment apparatus capable of effectively reducing residual stress in a welded portion of a rail is provided.
A post heat treatment apparatus 10 for a welded rail X, which is arranged at a distance of 20 mm or more and 300 mm or less from a welding center X2 of the rail X in a length direction, and induces heating at least a column part X5 of the rail X. A heating coil 11 is provided. The number of turns of the induction heating coil 11 is preferably 2 or more, or the number of places of the induction heating coil 11 on one side of the welding center X2 is preferably 2 or more.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、溶接されたレールの後熱処理装置に関する。 The present invention relates to a post heat treatment apparatus for welded rails.
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5(A)、(B)を用いて説明する。図5(A)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5(B)は、その部分側面図である。レールXは、少なくとも2本の被溶接材としてのレールが端面間で溶接されたものであり、溶接部X1を有する。溶接部X1は、被溶接物である溶接前の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、上方に位置し、車輪との接触が生じる頭部X3、下方に位置し、枕木と接する足部X4、及び頭部X3と足部X4との間に垂直に設けられ、頭部X3と足部X4とを連結する柱部X5を備えている。なお、柱部X5の上端は、頭部X3における一対(両側)の下面の延長線の交点Aとし、柱部X5の下端は、足部X4における一対(両側)の上面の延長線の交点Bとする。 In order to reduce the generation of noise, vibration, etc., and to reduce maintenance costs, a technique of welding rail joints to make a long rail is becoming common. Here, first, names of the respective parts of the rail will be described with reference to FIGS. FIG. 5A is a cross-sectional view perpendicular to the length direction of the welded rail X, and FIG. 5B is a partial side view thereof. The rail X is formed by welding at least two rails as materials to be welded between end faces, and has a welded portion X1. The welded portion X1 includes a weld center X2 that is a portion where the end surfaces of the rail before welding, which is the workpiece, are in contact with each other. In addition, the rail X is located at the top, the head X3 where contact with the wheel occurs, the foot X4 located below and contacting the sleepers, and the head X3 and the foot X4 are provided vertically, A column portion X5 that connects the head portion X3 and the foot portion X4 is provided. The upper end of the column part X5 is an intersection A of the extension lines of the pair (both sides) of the lower surface in the head X3, and the lower end of the column part X5 is the intersection B of the extension lines of the pair (both sides) of the upper surface of the foot part X4. And
レールXの溶接部X1においては、重荷重である貨物車両を始めとした車両の繰り返しの通過等により、柱部X5中に又は柱部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。この疲労亀裂は、溶接部X1における柱部X5に生じる鉛直方向(周方向)の強い引張残留応力が影響する。また、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。 In the welded part X1 of the rail X, fatigue cracks may be generated in the horizontal direction in the column part X5 or starting from the column part X5 due to repeated passage of vehicles such as a heavy load freight vehicle. . This fatigue crack is affected by a strong tensile residual stress in the vertical direction (circumferential direction) generated in the column portion X5 in the welded portion X1. Further, this tensile residual stress is caused by a temperature gradient between the welded portion X1 and its periphery during welding.
このような残留応力を低減し、レールの溶接部の耐久性を高める手段としては、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おり、このように溶接部から所定距離離れた部分を加熱することで、偏在化していた残留応力が再分配され溶接部の引張残留応力が低減する。また、他の方法として、加熱されたレールの溶接部を高圧の気体又は含水気体によってパーライト変態が終了するまで冷却し、その後急速冷却する方法も提案されている(特許文献2参照)。この方法は、冷却過程を制御することで、残留応力を低減させるものである。 As a means for reducing such residual stress and improving the durability of the welded portion of the rail, a method of locally heating a portion separated by a predetermined distance in the length direction from the center of the welded portion to 500 to 1000 ° C. is proposed. (See Patent Document 1). In the vicinity of the welded portion, compressive residual stress is generated contrary to the welded portion, and by heating the portion away from the welded portion in this way, the unevenly distributed residual stress is redistributed and the welded portion is redistributed. The tensile residual stress of is reduced. As another method, a method in which the welded portion of the heated rail is cooled with high-pressure gas or water-containing gas until the pearlite transformation is completed, and then rapidly cooled is proposed (see Patent Document 2). This method reduces residual stress by controlling the cooling process.
これらの各方法によれば、相応の残留応力の低減が可能であるが、レールの耐久性の更なる向上のためには、残留応力をより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、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後熱処理装置を提供することを目的とする。
According to each of these methods, the corresponding residual stress can be reduced. However, in order to further improve the durability of the rail, means for further reducing the residual stress is required.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a post heat treatment apparatus that can effectively reduce the residual stress in the welded portion of the rail.
本発明者は、バーナーで加熱した場合は加熱速度が遅く、残留応力の低減には、より速い加熱速度での加熱が効果的であること、また、冷却制御よりも加熱制御の方が残留応力の低減には効果的であることを見出し、本発明に至った。 The present inventor found that when heated by a burner, the heating rate is slow, and for reducing residual stress, heating at a higher heating rate is more effective, and that the heating control is more effective than the cooling control. As a result, the present invention has been found to be effective in reducing the above.
すなわち、前記目的に沿う本発明に係る後熱処理装置は、溶接されたレールの後熱処理装置であって、
前記レールの溶接中心から長さ方向に20mm以上300mm以下離間して配置され、前記レールの少なくとも柱部を加熱する誘導加熱コイルを備える。
That is, the post heat treatment apparatus according to the present invention that meets the above object is a post heat treatment apparatus for a welded rail,
An induction heating coil that heats at least the column part of the rail is disposed at a distance of 20 mm to 300 mm in the length direction from the welding center of the rail.
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。 The induction heating coil has a high heating rate and can easily perform heating control. Therefore, according to the post-heat treatment apparatus according to the present invention, a region separated by a predetermined distance from the rail welding center by the induction heating coil can be heated at a high heating rate, and the residual stress existing in the welded portion of the welded rail is effectively reduced. Can be reduced.
本発明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。 In the post heat treatment apparatus according to the present invention, it is preferable that 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. Here, 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. Thus, by arranging two or more induction heating coils or two or more induction heating coils, the heating rate can be further increased, and the residual stress can be further reduced.
本発明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。このように誘導加熱コイルを溶接中心を挟んだ両側に配置することで、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。 The post heat treatment apparatus according to the present invention preferably includes a plurality of the induction heating coils, and the plurality of induction heating coils are disposed on both sides of the welding center. By arranging the induction heating coils on both sides of the welding center in this way, 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.
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。 According to the post heat treatment apparatus according to the present invention, the residual stress in the welded portion of the rail can be effectively reduced.
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の形態について説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施の形態>
図1(A)、(B)に示すように、本発明の第1の実施の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。
<First Embodiment>
As shown in FIGS. 1A and 1B, a post
(レール)
ここで、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、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0.6〜1.0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0.85〜1.0質量%)は、耐摩耗性が高いが靭性が低下し、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より効果的に発揮することができる。
(rail)
Here, the rail X, which is a post-heat treatment product, will be described first. The rail X has a general shape and includes the head X3, the foot X4, and the pillar X5 described above. As the rail steel forming the rail X, hypoeutectoid steel, eutectoid carbon steel, hypereutectoid carbon steel having a carbon content of about 0.6 to 1.0% by mass can be used. Hypereutectoid carbon steel (for example, carbon content of 0.85 to 1.0 mass%) has high wear resistance but has low toughness and tends to cause fatigue cracks. Therefore, when the post
レールXは、溶接前の各レールの端面同士が溶接されている。この端面同士が当接し、溶接された部分を溶接中心X2とする。この溶接方法としては特に限定されず、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、テルミット溶接等、公知の方法で行うことができる。フラッシュバット溶接は、対向して設置されたレール(被溶接材)に電極を介して電圧をかけ、端面間にアークを発生させてレールの端面を溶融させ、長さ方向にレールを加圧してレールを接合する溶接方法である。ガス圧接は、端面同士を当接させて加圧した状態で、端面近傍を側面からバーナーで加熱し、高温で圧接する方法である。エンクローズアーク溶接は、端面同士を10〜20mm程度の間隙を設けて対向配置し、この間隙を当て金で取り囲んでおき、溶接棒を用いて溶接する方法である。テルミット溶接は、端面同士を20〜30mm程度の間隙を設けて対向配置し、間隙部分を鋳型で囲み、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反応により溶鋼を生成し、この溶鋼を鋳型内に注入して端面を溶融させて溶接する方法である。 As for the rail X, the end surfaces of each rail before welding are welded. The end surfaces are in contact with each other and a welded portion is defined as a welding center X2. This welding method is not particularly limited, and can be performed by a known method such as flash butt welding, gas pressure welding, enclosed arc welding, and thermite welding. In flash butt welding, a voltage is applied to the oppositely installed rails (materials to be welded) via electrodes, an arc is generated between the end surfaces to melt the end surfaces of the rails, and the rails are pressed in the length direction. This is a welding method for joining rails. Gas pressure welding is a method in which the end faces are heated by a burner from the side face and pressed at a high temperature in a state where the end faces are brought into contact with each other and pressurized. Enclosed arc welding is a method in which end faces are arranged to face each other with a gap of about 10 to 20 mm, the gap is surrounded by a metal pad, and welding is performed using a welding rod. In thermite welding, the end faces are arranged facing each other with a gap of about 20 to 30 mm, the gap portion is surrounded by a mold, and molten steel is generated by the reaction between aluminum and iron oxide in a crucible arranged at the top of the mold. This is a method in which molten steel is poured into a mold and the end face is melted and welded.
前記各溶接方法の中でも、フラッシュバット溶接が溶接部X1とその周辺部との間の温度勾配が大きくなり、その結果、レールの柱部X5における鉛直方向の残留応力の発生が顕著となる。そのため、後熱処理装置10は、フラッシュバット溶接により接合されたレールに用いた場合、残留応力の低減機能をより効果的に発揮することができる。
Among the welding methods described above, flash butt welding increases the temperature gradient between the welded portion X1 and its peripheral portion, and as a result, the occurrence of vertical residual stress in the rail column X5 becomes significant. Therefore, when the post
また、レールXの溶接部X1のHAZ(熱影響部)幅としては、特に限定されないが、例えば、5mm以上150mm以下のものに後熱処理装置10を好適に適用することができる。
In addition, the HAZ (heat affected zone) width of the welded portion X1 of the rail X is not particularly limited, but the post
(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が、全て同一のものであるが、異なっていてもよい。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、銅パイプ等、パイプ状のコイルを用いることもできる。パイプ状のコイルの場合、内部に冷却水を通しながら使用することで、コイル自身又は他の部分の温度上昇を抑えることができる。
(Induction heating coil)
The
誘導加熱コイル11の形状も特に限定されないが、コイルの軸方向視の形状として、例えば、円形、楕円形、略方形、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などといった点から、円形、楕円形又は略方形が好ましい。また、誘導加熱コイル11は、2巻以上の場合、螺旋状であってもよいし、渦巻状であってもよい。
The shape of the
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、軸方向視の形状が円形、楕円形又は略方形であるコイルの場合、この軸方向視の形状における外径又は辺の長さとして20〜150mm程度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としては、円形、楕円形、略方形等、特に限定されない。この金属線又は金属パイプの外径又は長辺の長さとしては、5mm以上40mm以下程度とすることができる。
What is necessary is just to set the size of the
誘導加熱コイル11の巻数も特に制限されず、1巻以上であればよく、2巻以上が好ましい。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5巻とすることができる。
The number of turns of the
(誘導加熱コイルの配置箇所)
後熱処理装置10においては、使用の際、誘導加熱コイル11が、レールXの溶接中心X2から長さ方向に所定距離離間して配置される。この溶接中心X2と各誘導加熱コイル11との距離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以上300mm以下であり、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、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Cをとって誘導加熱コイル11を配置することで、後熱処理(加熱)の際に、溶接部X1の周辺を適切に加熱することができ、偏在化していた残留応力の再分配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。なお、後熱処理装置10において、溶接中心X2の一方側における誘導加熱コイル11の配置箇所数は1箇所となる(距離Cの位置)。
(Induction heating coil location)
In the post
この残留応力が低減する機構を図2(A)、(B)により説明する。溶接部X1の周辺である周辺部X6を加熱することで、この周辺部X6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2(A))。この膨張歪Et1により溶接部X1には鉛直方向に引張応力Sq1が生じる。一方、周辺部X6は、温度が上昇することで降伏点が低下するため、圧縮塑性変形が生じ、引張応力Sq1は温度上昇(加熱)の途中で減少に転じる。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には鉛直方向に収縮歪Et2が生じる(図2(B))。この収縮歪Et2により溶接部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。 A mechanism for reducing the residual stress will be described with reference to FIGS. By heating the peripheral portion X6 that is the periphery of the welded portion X1, the peripheral portion X6 generates an expansion strain Et1 at least in the vertical direction due to the temperature rise (FIG. 2A). Due to the expansion strain Et1, a tensile stress Sq1 is generated in the vertical direction in the weld X1. On the other hand, since the yield point of the peripheral portion X6 decreases as the temperature rises, compressive plastic deformation occurs, and the tensile stress Sq1 starts to decrease during the temperature rise (heating). Next, in the cooling process after heating, as the temperature of the peripheral portion X6 decreases, shrinkage strain Et2 is generated in the peripheral portion X6 in the vertical direction (FIG. 2B). Due to the shrinkage strain Et2, a compressive stress Sq2 is generated in the weld X1, and the tensile residual stress of the weld X1 is reduced.
前記距離Cが20mm未満の場合は、後熱処理(加熱)の際、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の膨張及び収縮が大きくなる。この場合、周辺部X6の収縮歪Et2により溶接部X1に与える圧縮応力Sq2が小さくなるため、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。 When the distance C is less than 20 mm, during post-heat treatment (heating), the temperature rise of the weld X1 where the tensile residual stress exists increases, and the expansion and contraction of the weld X1 increase. In this case, the compressive stress Sq2 applied to the welded portion X1 is reduced by the shrinkage strain Et2 of the peripheral portion X6, so that the tensile residual stress cannot be effectively reduced. On the other hand, when the distance C exceeds 300 mm, the portion where the residual stress exists (welded portion X1) is greatly removed and heated, and the influence of the shrinkage strain Et2 hardly acts on the welded portion X1, and the compressive stress Sq2 is Since it becomes small, the tensile residual stress of the welding part X1 cannot be reduced effectively.
4つの誘導加熱コイル11は、レールXの溶接中心X2を挟んだ両側に、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の両側にそれぞれ1箇所ずつ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(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。このように配置することで、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。
The four induction heating coils 11 are arranged on both sides of the rail X with the welding center X2 interposed therebetween so as to sandwich the column portion X5. That is, a pair of induction heating coils 11 are arranged on each side of the welding center X2. At this time, the
なお、各誘導加熱コイル11は、溶接中心X2に対して等距離(対称)に配置されることが好ましい。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、残留応力の再分配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。
Each
(高周波電源)
高周波電源は、各誘導加熱コイル11と電気的に接続され、各誘導加熱コイル11に高周波電流を流すものである。この高周波電源としては、所定の周波数の高周波電流を発生させるものであれば特に限定されず、トランジスタ式、サイリスタ式、電子管式等の公知のものを用いることができる。
(High frequency power supply)
The high frequency power source is electrically connected to each
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や向き等を個々に制御可能に並列に接続されていてもよいし、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を介して対向する2対の誘導加熱コイル11は、それぞれ同方向に電流が流れるように(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。
Each
(他の構成)
後熱処理装置10は、さらに誘導加熱コイル11の固定及び位置移動手段、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)等を備えることができる。
(Other configurations)
The post
固定及び位置移動手段としては、各誘導加熱コイル11の固定及び位置移動が可能なものであれば特に限定されない。この固定及び位置移動手段としては、各誘導加熱コイル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。このようにすることで、レールXのサイズや溶接方法等に応じて、適切な位置の加熱を行うことができる。
The fixing and position moving means is not particularly limited as long as each
(後熱処理装置10の使用方法)
次に、後熱処理装置10の使用方法について説明する。前述したように、溶接されたレールXに対して、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が連続的に移動して所望する位置に配置させることができる。
(Usage method of post heat treatment apparatus 10)
Next, a method for using the post
誘導加熱コイル11を配置した後、この誘導加熱コイル11に交流電流を流すことで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を介して対向する計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。このようにすることで、一対の誘導加熱コイル11間で交番磁束を発生させることができる。
After the
誘導加熱コイル11による加熱速度としては、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によれば、このように誘導加熱コイル11により加熱することで、加熱速度を速めることができる。加熱速度の上限としては、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。
The heating rate by the
誘導加熱コイル11による加熱は、常温から例えば400℃以上750℃以下の加熱温度まで行うことができる。ここで、加熱温度は、加熱した部分における最高温度とする。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、加熱制御のみで、特別な冷却制御を行うことなく、十分に残留応力を低減させることができる。
Heating by the
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、バーナーでの加熱は、加熱速度が遅いことに加え、所望する領域のみを加熱することが困難となる。すなわち、溶接中心X2から所定距離離間した領域を加熱する場合であっても、溶接中心X2にも火炎が当たることで、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ため、このことからも後熱処理装置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)を加熱する一方、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は、誘導加熱コイル11を溶接中心X2を挟んだ両側にそれぞれ配置しているため、2つの領域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、また残留応力の再分配が均等に行われ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。
As described above, according to the
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、後熱処理するレールXへの配置が容易であり、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。
Furthermore, the
<第2の実施の形態>
図3(A)、(B)に示すように、本発明の第2の実施の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においては、誘導加熱コイル21の個数及びその配置箇所以外は、図1の後熱処理装置10と同様である。
<Second Embodiment>
As shown in FIGS. 3A and 3B, the post
8つの誘導加熱コイル21は、レールXの溶接中心X2を挟んだ両側に、計4対がそれぞれ柱部X5を挟むように対向して配置される。この際、誘導加熱コイル21と柱部X5とが非接触の状態で(わずかに離間させて)、かつ誘導加熱コイル21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、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。すなわち、後熱処理装置20においては、複数の誘導加熱コイル21が、溶接中心X2の両側のそれぞれ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以上300mm以下の範囲で配置されている。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(距離C1の位置と、距離C2の位置)。
The eight induction heating coils 21 are arranged on both sides of the rail X with the welding center X2 interposed therebetween so that a total of four pairs respectively sandwich the column portion X5. At this time, the
各誘導加熱コイル21は、全て同一のものであるが、異なっていてもよい。例えば、溶接中心X2からの距離に応じて、各誘導加熱コイルの大きさ、巻数、形状等を変えることもできる。 The induction heating coils 21 are all the same, but may be different. For example, the size, number of turns, shape, etc. of each induction heating coil can be changed according to the distance from the welding center X2.
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。
The
<第3の実施の形態>
図4(A)、(B)に示すように、本発明の第3の実施の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においては、誘導加熱コイル31a〜31dの個数及び形状以外は、図1の後熱処理装置10と同様である。
<Third Embodiment>
As shown in FIGS. 4A and 4B, the post
各誘導加熱コイル31a〜31dは、レールXの全周を覆う形状を有する。具体的には、各誘導加熱コイル31a〜31dは、軸方向視がレールXの断面外縁の略拡大相似形である1巻の構造を有している。この誘導加熱コイル31a〜31dを形成する金属線又は金属パイプの断面形状も特に限定されないが、略方形が好ましい。この誘導加熱コイル31a〜31dは、レールXを覆うように配置されるため、断面略方形の金属線又は金属パイプを用いると、誘導加熱コイル31a〜31d内面からレールX表面までの距離を均一化することができる。この場合、レールX表面の磁束密度が均一化し、加熱がより均等に行われ効果的である。
Each
後熱処理装置30においては、各誘導加熱コイル31a〜31dがレールXを覆うように配置される。溶接中心X2と各誘導加熱コイル31a〜31dとの離間距離(C3及びC4)は、20mm以上300mm以下となるように配置される。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31a〜31dの配置箇所数は2箇所となる(距離C3の位置と、距離C4の位置)。
In the post
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誘導加熱により誘導加熱コイル31a〜31dに覆われたレールXが加熱される。この際、後熱処理装置30においては、溶接中心X2から離間距離(C3及びC4)ほど離れた領域における柱部X5のみならず、頭部X3及び足部X4を含むレールXの全周が加熱されることとなる。この場合、柱部X5の高さ方向により広範囲にわたって加熱することとなり、加熱後の冷却時により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、残留応力の再分配がより効果的に行われ、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、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における長さ方向の残留応力としては、柱部X5に引張残留応力が、頭部X3及び足部X4に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。
Also in the post
後熱処理装置30においては、溶接中心X2に対して同一側にある誘導加熱コイル31aと誘導加熱コイル31b(誘導加熱コイル31cと誘導加熱コイル31dも同様)には同一方向に交流電流を流すことが好ましい。このようにすることで、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とには、逆方向に交流電流を流すことが好ましい。このようにすることで、誘導加熱コイル31a及び31bと、誘導加熱コイル31c及び31dとで逆向きの交番磁束が形成される。この場合、2つの誘導加熱コイル31b及び31c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ため、溶接部X1の温度上昇を抑えることができる。
In the
<他の実施の形態>
本発明は前記した実施の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く、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の両側を順に加熱してもよい。誘導加熱コイルの数も特に限定されず、1つでも複数でもよく、複数の場合、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4の後熱処理装置30のように、誘導加熱コイルがレールXの全周を覆う形状である場合、その形状としては、レールXの断面外縁の略拡大相似形状以外に、例えば楕円形、略方形等とすることができる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration thereof can be changed without changing the gist of the present invention. For example, the induction heating coil may be arranged only on one side of the welding center X2 of the rail X, or may be arranged only on one side of the column part X5 of the rail X. When the induction heating coil is configured to be disposed only on one side of the welding center X2 of the rail X, only one side of the welding center X2 may be heated, or both sides of the welding center X2 may be sequentially heated. Also good. The number of induction heating coils is not particularly limited, and may be one or more. In the case of a plurality of induction heating coils, they may be arranged asymmetrically with respect to the welding center X2. Moreover, you may have the induction heating coil which can be arrange | positioned so that the head part X3 or the leg | foot part X4 may be heated with the pillar part X5. In addition, when the induction heating coil has a shape covering the entire circumference of the rail X as in the post
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。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to a following example. Moreover, the measurement was performed by the following method.
<残留応力>
残留応力は、歪ゲージを測定位置に接着し、この部分を板厚5mm、長さ15mm、幅15mmに切り出し、歪の変化量から残留応力を算出した。
<Residual stress>
For the residual stress, a strain gauge was bonded to the measurement position, and this portion was cut into a plate thickness of 5 mm, a length of 15 mm, and a width of 15 mm, and the residual stress was calculated from the amount of change in strain.
[実施例1]
短辺50mm、長辺70mmの略方形状の1巻の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Aとした。また、レールの長さ方向に垂直な断面形状の略拡大相似形状の2巻の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とした。なお、前記後熱処理装置Bの誘導加熱コイルは、断面略矩形(20mm×10mm)の略帯状の銅製パイプから形成されたものを用いた。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。
[Example 1]
A pair of induction heating coils each having a substantially rectangular shape with a short side of 50 mm and a long side of 70 mm were connected to a high frequency power source to form a post-heat treatment apparatus A that performs spot heating. Further, a post-heat treatment apparatus B that performs one-side heating by connecting one induction heating coil of two turns having a substantially enlarged similar shape with a cross-sectional shape perpendicular to the length direction of the rail to a high-frequency power source was obtained. In addition, the induction heating coil of the post-heat treatment apparatus B was formed from a substantially strip-shaped copper pipe having a substantially rectangular cross section (20 mm × 10 mm). These post heat treatment apparatuses A and B were provided with means for moving and fixing the induction heating coil to a predetermined position.
後熱処理装置A及びBを用いたIH加熱(後熱)、並びに比較例としてガス加熱(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。 A long rail having a HAZ width of 15 mm welded by flash butt welding and a HAZ width of 100 mm welded by thermite welding by IH heating (post heat) using post heat treatment apparatuses A and B, and gas heating (post heat) as a comparative example. The long rail was post-heat treated under the following conditions (only one side was heated from the welding center). In addition, the rail used the rail formed from hypereutectoid carbon steel (it is the same also in a following example). In addition, it was naturally cooled after heating.
・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)、500MPA(HAZ幅15mm)
・スポット加熱の場合のコイル配置位置: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。
・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、3.0℃/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(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
・ガス加熱使用ガス:プロパン−エア混合ガス
-HAZ width of welded part: 2 types of 15 mm and 100 mm-Residual stress as welded: 250 MPa (
Coil arrangement position in the case of spot heating: The long side (70 mm) is the height direction, the short side (50 mm) is the length direction, and the column part is arranged so that the center height of the column part and the middle position of the long side coincide. Arranged opposite each other.
-Distance from welding center to heating position: Varyed between 10 mm and 400 mm.
・ Heating temperature: Heated from room temperature to 700 ℃ ・ Heating rate: 2.5 ℃ / s, 3.0 ℃ / s
-Number of coil arrangements: One on one side of welding center-Induction heating device output (per pair for spot heating, per coil for full circumference heating): When heating rate is 2.5 ° C / s In the case of 100 kW and a heating rate of 3.0 ° C./s, it exceeds 100 kW. Induction heating device frequency: 30 kHz
・ Gas heating use gas: Propane-air mixed gas
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)の残留応力に対する後熱処理後の残留応力の比を図6に示す。 The residual stress in the height direction of the column in the weld after post-heat treatment was measured. FIG. 6 shows the ratio of the residual stress after the post heat treatment to the residual stress as welded (without post heat treatment).
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効果は落ちていく傾向がある。なお、ガス加熱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。 As shown in FIG. 6, when the distance from the welding center to the heating position increases, the residual stress in the welded portion decreases. However, the effect tends to decrease as the distance increases. In addition, in the gas heating, the flame was also applied to the welded portion, and it was difficult for the temperature difference to occur and the residual stress was difficult to decrease.
また、加熱速度が遅いと加熱部分の温度が溶接部に伝わり、溶接部に加熱部分と同様に膨張及び収縮歪が生じやすくなり、冷却の際、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。なお、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、溶接部への熱伝達が下がり、加熱部と溶接部との温度差が大きくなるため、残留応力を効果的に低減することができる。一方、ガス加熱の加熱速度は、燃焼ガスとして酸素を用いた混合ガスの場合でも2.5℃/s程度が限界である。 Further, when the heating rate is slow, the temperature of the heated portion is transmitted to the welded portion, and expansion and contraction distortion is likely to occur in the welded portion similarly to the heated portion, and the compressive stress applied to the welded portion is reduced during cooling. As a result, the residual stress reduction effect is reduced. The induction heating device (IH) can increase the heating rate to 3.0 ° C./s or higher by increasing the output. When the heating rate is increased, the heat transfer to the welded portion is reduced, and the temperature difference between the heated portion and the welded portion is increased, so that the residual stress can be effectively reduced. On the other hand, the heating rate of gas heating is limited to about 2.5 ° C./s even in the case of a mixed gas using oxygen as a combustion gas.
また、全周加熱はスポット加熱に比べて、柱部の高さ方向により広範囲にわたって加熱することになり、この結果、冷却時により強い圧縮応力をかけることができる。このため、残留応力をより低減させることができる。 Further, the entire circumference heating is performed over a wider range in the height direction of the column portion than the spot heating, and as a result, a stronger compressive stress can be applied during cooling. For this reason, a residual stress can be reduced more.
このように、ガス後熱の場合、最も好ましい結果でも75%程度の残留応力が残るのに対し、IH後熱の場合、40%程度にまで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)では、残留応力の低減は75%程度であった。 Thus, in the case of after-gas heat, the residual stress of about 75% remains even in the most preferable result, whereas in the case of post-IH heat, the residual stress can be reduced to about 40%. On the other hand, in the cooling control of the weld described in Patent Document 2 (after heating the weld to 900 ° C., accelerated cooling to 570 ° C. with compressed air, and then water cooling), the reduction of residual stress was about 75%.
[実施例2]
図8に示すように、後熱処理装置Aにおいて誘導加熱コイルを一対から二〜六対に換え、また、後熱処理装置Bにおいて誘導加熱コイルを1つから2〜6つに換えた各後熱処理装置を用意した。これらの各後熱処理装置を用い、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の加熱、又は溶接中心に対して両側の加熱による後熱処理を行った。なお、両側の加熱の際、スポット加熱は片側ずつの場合と両側同時の場合とを行い、全周加熱は、電流を溶接中心を挟んで順方向の場合と逆方向の場合とを行った。加熱条件は、以下の通りである。また、加熱後は自然冷却させた。
[Example 2]
As shown in FIG. 8, each post heat treatment apparatus in which the induction heating coils are changed from one to two to six pairs in the post heat treatment apparatus A, and each induction heat coil is changed from one to two to six in the post heat treatment apparatus B. Prepared. Using each of these post heat treatment apparatuses, the long rail welded by flash butt welding was subjected to post heat treatment by heating only on one side with respect to the welding center or heating on both sides with respect to the welding center. When heating on both sides, spot heating was performed on one side and on both sides simultaneously, and all-around heating was performed in the forward direction and the reverse direction with the current across the welding center. The heating conditions are as follows. In addition, it was naturally cooled after heating.
・溶接部のHAZ幅:15mm
・溶接のままの残留応力:500MPA
・スポット加熱の場合のコイル配置位置: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。
・全周加熱の場合のコイル配置位置:長さ方向に幅50mmかつ全周
・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1〜3箇所、溶接中心の両側に各1〜3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
・ HAZ width of welded part: 15mm
-Residual stress as welded: 500MPA
Coil arrangement position in the case of spot heating: The long side (70 mm) is the height direction, the short side (50 mm) is the length direction, and the column part is arranged so that the center height of the column part and the middle position of the long side coincide. Arranged opposite each other.
-Coil placement position for all-round heating: 50 mm wide in the length direction and the entire circumference- Distance from the welding center to the heating position: 50 mm
・ Heating temperature: Heated from room temperature to 700 ℃ ・ Heating rate: (Varies depending on heating method)
-Number of coil arrangements: 1 to 3 on one side of the welding center, 1 to 3 on each side of the welding center-Induction heating device output (one pair for spot heating, 1 coil for full circumference heating) Per): When the heating rate is 2.5 ° C./s, it is 100 kW, when the heating rate is 3.0 ° C./s, it exceeds 100 kW. Induction heating device frequency: 30 kHz
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)の残留応力に対する後熱処理後の残留応力の比を図7に示す。 The residual stress in the height direction of the column in the weld after post-heat treatment was measured. FIG. 7 shows the ratio of the residual stress after the post heat treatment to the residual stress as welded (without post heat treatment).
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ためである。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、同時に加熱するほうがよりすぐれた結果となっている。これは、同時に加熱するほうが、溶接部の温度上昇が抑えられるためといえる。また、全周加熱は、実施例1と同様に、スポット加熱と比べて効果が高いことが示されている。さらに、全周加熱の場合、電流を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逆向きになり、溶接部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。 As shown in FIG. 7, the residual stress tends to decrease by increasing the number of coils (the number of coil arrangement locations). This is because the heating rate increases. Moreover, although both sides of the welding center are heated sequentially separately and when heated simultaneously, the effect is higher than when heating only one side, but heating at the same time is a better result. This can be said that heating at the same time suppresses the temperature rise of the weld. Further, it is shown that the entire circumference heating is more effective than the spot heating similarly to the first embodiment. Furthermore, in the case of all-around heating, it has been shown that residual stress can be further reduced by flowing current in the reverse direction. This can be said to be because the alternating magnetic flux formed in the reverse direction is caused to flow in the reverse direction and the magnetic flux density of the welded portion is reduced, so that heating of the welded portion is suppressed.
10:後熱処理装置、11:誘導加熱コイル、20:後熱処理装置、21:誘導加熱コイル、30:後熱処理装置、31a〜31d: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
10: Post heat treatment apparatus, 11: Induction heating coil, 20: Post heat treatment apparatus, 21: Induction heating coil, 30: Post heat treatment apparatus, 31a to 31d: Induction heating coil, X: Rail, X1: Welded part, X2: Welding Center, X3: Head, X4: Foot, X5: Column, X6: Peripheral
Claims (3)
前記レールの溶接中心から長さ方向に20mm以上300mm以下離間して配置され、前記レールの少なくとも柱部を加熱する誘導加熱コイルを備えることを特徴とする後熱処理装置。 A post-heat treatment apparatus for welded rails,
A post heat treatment apparatus comprising an induction heating coil that is disposed at a distance of 20 mm or more and 300 mm or less from a welding center of the rail and that heats at least a column portion of the rail.
The post heat treatment apparatus according to claim 1 or 2, further comprising a plurality of the induction heating coils, wherein the plurality of induction heating coils are arranged on both sides of the welding center.
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