專利名稱：鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法、鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置以及鋼軌焊接接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與以前相比焊接接頭的疲勞強(qiáng)度得以提高的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法 、 鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置以及鋼軌焊接接頭。特別地，本發(fā)明涉及剛焊接后的鋼軌接頭部的冷卻方法以及冷卻裝置。本申請(qǐng)基于2009年3月30日提出的日本專利申請(qǐng)?zhí)卦?009-081587號(hào)以及2009 年7月觀日提出的日本專利申請(qǐng)?zhí)卦?009-175646號(hào)并主張其優(yōu)先權(quán)，這里全部引用其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
鋼軌接頭部(鋼軌焊接區(qū))在鋼軌之中最容易發(fā)生損傷，從而需要保養(yǎng)成本。另外，鋼軌接頭部是列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)的主要的發(fā)生源。列車(chē)的高速化和重裝載化正在各地進(jìn)行，因而通過(guò)焊接使具有上述問(wèn)題的鋼軌接頭部連續(xù)化、從而成為長(zhǎng)鋼軌的技術(shù)得以普及。使用圖1A、圖IB就一般的鋼軌進(jìn)行說(shuō)明。圖IA是長(zhǎng)鋼軌的側(cè)視圖。長(zhǎng)鋼軌通過(guò)焊接至少2根鋼軌而進(jìn)行制造。因此，長(zhǎng)鋼軌包含焊接區(qū)7。焊接區(qū)7存在焊道8。圖IB是沿圖IA所示的A-A線剖切而得到的剖視圖。如圖IB所示，鋼軌具有與車(chē)輪接觸的頭部1 (鋼軌上部)、設(shè)置于枕木之上的足部3 (鋼軌下部)、以及存在于頭部1和足部3的中間的柱部2。另外，頭部1具有頭頂部4，足部具有足面部5和足底部6。閃光對(duì)焊(例如專利文獻(xiàn)1)、加壓氣焊(例如專利文獻(xiàn)2、、強(qiáng)制成形電弧焊(例如專利文獻(xiàn)3)以及鋁熱焊(例如專利文獻(xiàn)4)是鋼軌的主要焊接方法。圖2A 圖2C是閃光對(duì)焊的說(shuō)明圖。閃光對(duì)焊如圖2A 圖2C所示，經(jīng)由電極9 而向?qū)χ迷O(shè)置的被焊接材料10施加電壓，在端面間產(chǎn)生電弧而使被焊接材料的端面熔融。 然后，在被焊接材料被充分地加熱的時(shí)點(diǎn)，在軸向?qū)Σ牧霞訅憾贡缓附硬牧线M(jìn)行接合。圖3A、圖;3B是鋁熱焊的說(shuō)明圖。圖:3B是沿圖3A所示的B-B線剖切而得到的剖視圖。鋁熱焊如圖3A以及圖;3B所示，設(shè)置20 30mm的間隔而使被焊接材料10對(duì)置，并用鑄型14包圍該間隔。然后，向該鑄型內(nèi)注入在坩堝15內(nèi)通過(guò)鋁和氧化鐵的反應(yīng)而生成的鋼水16，從而使鋼軌端面熔融并焊接在一起。圖4A 圖4C是加壓氣焊的說(shuō)明圖。加壓氣焊如圖4A所示，在對(duì)接合面進(jìn)行加壓的狀態(tài)下，利用燃燒器17從側(cè)面對(duì)接合面附近的被焊接材料進(jìn)行加熱，從而在高溫下將接合面壓接在一起。如圖4B所示，焊接區(qū)附近因加壓而發(fā)生膨脹變形。然后，如圖4C所示， 采用修整器18將膨脹部除去。圖5A、圖5B是強(qiáng)制成形電弧焊的說(shuō)明圖。強(qiáng)制成形電弧焊如圖5A、圖5B所示，設(shè)置10 20mm的間隔而使被焊接材料對(duì)置，并在該間隔的周?chē)渲脡|板19和側(cè)面壓板20。 然后，使用焊條21在該間隔將焊接金屬堆高。該方法就是所謂的手工電弧焊方法。特別地，在重載荷的貨物列車(chē)所通過(guò)的線路或寒冷地區(qū)的線路等上，以鋼軌焊接區(qū)的中立軸為起點(diǎn)，有可能產(chǎn)生疲勞龜裂。因此，為了防止鋼軌的起因于該疲勞龜裂的脆性破壞，需要頻繁地更換鋼軌。圖6A、圖6B表示了該狀態(tài)的一個(gè)例子。圖6A是表示柱部在水平方向上產(chǎn)生的疲勞龜裂22和起因于該疲勞龜裂22的脆性龜裂23的圖。另外，圖6B是表示圖6A所示的疲勞龜裂22以及脆性龜裂23的龜裂面的圖。疲勞龜裂22以中立軸附近的焊道8附近的焊接缺陷為起點(diǎn)而在水平方向上發(fā)生。起因于疲勞龜裂22的脆性龜裂23在板厚方向貫通柱部之后，一方的龜裂向鋼軌頭頂部側(cè)進(jìn)展，而另一方的龜裂向足部側(cè)進(jìn)展。疲勞龜裂22的起點(diǎn)并不局限于焊接缺陷，可以考慮各種各樣的重要原因?？梢哉J(rèn)為外界的負(fù)荷條件、而且材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞龜裂的發(fā)生產(chǎn)生影響。圖7A表示了鋼軌焊接區(qū)周部在周向的殘余應(yīng)力分布。在圖7A中，在殘余應(yīng)力大于0 的情況下，表示存在拉伸殘余應(yīng)力，在殘余應(yīng)力小于0的情況下，表示存在壓縮殘余應(yīng)力。由圖7A可知因焊接而在鋼軌焊接區(qū)的柱部附近產(chǎn)生鋼軌周向(即上下方向)的較大的拉伸殘余應(yīng)力。因此，以焊接缺陷為起點(diǎn)的疲勞龜裂可以認(rèn)為在具有較大的拉伸殘余應(yīng)力的鋼軌焊接區(qū)的柱部附近，因受到由列車(chē)的通過(guò)所帶來(lái)的交變負(fù)荷而發(fā)生。為了防止這樣的疲勞龜裂，優(yōu)選在防止成為起點(diǎn)的焊接缺陷的同時(shí)，即使存在焊接缺陷，也使其無(wú)害化。另外，圖7B表示距焊接中心的距離(鋼軌長(zhǎng)度方向)和鋼軌的柱部在上下方向存在的殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。由圖7B可知在直至距焊接中心25mm左右的范圍內(nèi)存在較大的拉伸殘余應(yīng)力。鐵道中的軌道(track)具有鋼軌和支承鋼軌的枕木。當(dāng)列車(chē)在鋼軌上通過(guò)時(shí)，由多數(shù)的列車(chē)車(chē)輪分散的載荷施加在鋼軌上。引起前述的疲勞龜裂的原因與來(lái)自于車(chē)輪的施加到鋼軌焊接區(qū)的負(fù)荷狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。列車(chē)通過(guò)時(shí)的鋼軌的負(fù)擔(dān)在枕木M的正上方的鋼軌部和2根枕木M之間的鋼軌部上是不同的。在枕木M的正上方的鋼軌部上，列車(chē)的垂直載荷直接施加在鋼軌上。在將于工廠焊接而成的長(zhǎng)鋼軌在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置于枕木上的情況下，焊接區(qū)和枕木的位置有時(shí)偶然一致。 一般認(rèn)為1根幾百米的長(zhǎng)鋼軌存在幾處枕木位置和焊接區(qū)一致的部位。圖9A表示在枕木M的位置與焊接區(qū)一致的部位，車(chē)輪25通過(guò)枕木M的正上方 (焊接區(qū))的時(shí)點(diǎn)。在此情況下，在斷面積較小的鋼軌柱部2產(chǎn)生最大的應(yīng)力。此時(shí)的應(yīng)力雖然為壓縮應(yīng)力，但如前所述，在鋼軌柱部2存在較大的拉伸殘余應(yīng)力。因此，鋼軌柱部 2實(shí)質(zhì)上在受到拉伸應(yīng)力的狀態(tài)下，處于交變應(yīng)力發(fā)生作用的狀態(tài)。另一方面，圖9B表示在枕木M的位置與焊接區(qū)不一致的部位，車(chē)輪25通過(guò)2根枕木MJ4之間(焊接區(qū))的時(shí)點(diǎn)。在此情況下，由車(chē)輪25對(duì)鋼軌從上方施加壓曲載荷。 因此，在鋼軌頭部1產(chǎn)生長(zhǎng)度方向的壓縮應(yīng)力，而在鋼軌足部3產(chǎn)生長(zhǎng)度方向的拉伸應(yīng)力。 作用于鋼軌的柱部2的彎曲應(yīng)力則保持中立。鋼軌足部3的拉伸應(yīng)力在車(chē)輪25每次通過(guò)時(shí)產(chǎn)生，因而對(duì)于在鋼軌足部3的疲勞龜裂的發(fā)生必須加以考慮。圖8表示由閃光對(duì)焊得到的焊接區(qū)的周部在長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力。如圖所示，鋼軌底部在長(zhǎng)度方向殘留有較強(qiáng)的壓縮應(yīng)力。因此，在列車(chē)通過(guò)時(shí)即使在鋼軌底部附加拉伸應(yīng)力，實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)也是與壓縮殘余應(yīng)力相互抵消。因此，可以抑制疲勞龜裂的發(fā)生。因此，源于鋼軌足部的疲勞破壞的實(shí)例較少，但在壓縮殘余應(yīng)力較小等情況下，有時(shí)也產(chǎn)生如圖10A、圖IOB所示的在鋼軌足底產(chǎn)生的以疲勞龜裂沈?yàn)槠瘘c(diǎn)的損傷。專利文獻(xiàn)5、6公開(kāi)了如下的方法為了防止鋼軌柱部的損傷，其借助于焊接熱量或者來(lái)自外部的加熱而使整個(gè)鋼軌焊接區(qū)或者鋼軌焊接區(qū)的頭部和柱部處于高溫狀態(tài)，然后進(jìn)行加速冷卻。根據(jù)該技術(shù)，鋼軌焊接區(qū)的殘余應(yīng)力得以控制，因而可以減輕鋼軌焊接區(qū)的柱部在上下方向產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力，或者可以改變?yōu)閴嚎s殘余應(yīng)力。因此，可以改善鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度。根據(jù)這樣的技術(shù)，可以降低來(lái)自鋼軌柱部的疲勞龜裂的發(fā)生。此外，作為提高鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度的技術(shù)，例如有如專利文獻(xiàn)7那樣使用噴丸硬化的方法，和使用錘擊硬化、砂輪機(jī)處理、TIG修整的方法等。另外，專利文獻(xiàn)8公開(kāi)了鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置。為了提高長(zhǎng)鋼軌的耐久性，必須抑制焊接區(qū)的來(lái)自柱部以及足部的疲勞龜裂的發(fā)生，從而使這些部位的耐疲勞特性得以兼顧。在采用專利文獻(xiàn)5以及專利文獻(xiàn)6中記載的冷卻方法對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻的情況下，顯示出鋼軌柱部在上下方向的拉伸殘余應(yīng)力得以改善，由此可以抑制柱部的疲勞龜裂的發(fā)生。然而，在非專利文獻(xiàn)1中，圖示了采用該方法，足底部在鋼軌長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞖堄鄳?yīng)力。近年來(lái)，重載荷的列車(chē)有增加的傾向，因而由施加到足底部的彎曲載荷引起的負(fù)荷增大。在由彎曲載荷引起的負(fù)荷的作用下，足底部在鋼軌長(zhǎng)度方向被拉伸，因而鋼軌足底部的疲勞強(qiáng)度具有重要的意義。如上所述，鋼軌長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力對(duì)鋼軌足底部的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。然而，如上所述，在專利文獻(xiàn)5以及專利文獻(xiàn)6的冷卻處理中，鋼軌足底部在鋼軌長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力減少(欲轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞖堄鄳?yīng)力)，因而讓人擔(dān)心疲勞強(qiáng)度的降低。因此，有可能發(fā)生圖10A、圖IOB所示的損傷。另一方面，根據(jù)通過(guò)機(jī)械的后處理來(lái)改善殘余應(yīng)力的(即賦予壓縮殘余應(yīng)力的) 現(xiàn)有技術(shù)即噴丸硬化處理，將直徑幾mm的鋼球與材料撞擊使材料表層產(chǎn)生塑性變形以進(jìn)行加工硬化，從而增加殘余應(yīng)力，由此可以提高疲勞強(qiáng)度。但是，該處理需要用于鋼球投射、 鋼球收集、或者粉塵防止等的大規(guī)模設(shè)備，適用于大型的焊接區(qū)受到限制。除此以外，需要對(duì)投射材的磨損和損壞進(jìn)行補(bǔ)給，因而在成本方面是不利的。另外，關(guān)于用工具的頂端對(duì)材料進(jìn)行打擊而使焊接區(qū)產(chǎn)生塑性變形的錘擊硬化， 一般認(rèn)為在導(dǎo)入壓縮應(yīng)力的同時(shí)，通過(guò)塑性變形而降低應(yīng)力集中，由此使材料的疲勞強(qiáng)度得以提高。但是，打擊時(shí)的振動(dòng)較大，而且對(duì)作業(yè)者的負(fù)擔(dān)也較大，除此以外，精細(xì)的控制較難，而且均勻的處理困難。非專利文獻(xiàn)2表明根據(jù)處理?xiàng)l件的不同，因加工而產(chǎn)生的皺紋狀的溝部發(fā)生影響，從而疲勞強(qiáng)度的提高效果較小。另外，砂輪機(jī)處理通過(guò)使焊道焊趾部變得平滑而減少應(yīng)力集中，從而可以期待確實(shí)的效果。然而，在過(guò)于磨削的情況下，焊接區(qū)的壁厚不足而招致強(qiáng)度降低，因而所具有的缺點(diǎn)是處理需要熟練的技術(shù)，作業(yè)需要較長(zhǎng)的時(shí)間。另外，TIG修整是利用由鎢電極產(chǎn)生的電弧而使焊道的焊趾部再熔融，并再凝固成平滑的形狀，以減輕應(yīng)力集中，從而可以提高疲勞強(qiáng)度。但是，在鋼軌等高碳基材料的手工焊中，容易生成硬而脆的馬氏體組織，為了防止該組織的生成，需要嚴(yán)格的施工管理。另外，如果使用專利文獻(xiàn)8所示的焊接區(qū)的冷卻裝置，從而從焊接后的高溫狀態(tài)開(kāi)始進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，則可能使焊接區(qū)的硬度上升。另一方面，根據(jù)本發(fā)明人的研究，為了控制焊接區(qū)的殘余應(yīng)力狀態(tài)，必須在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度進(jìn)行冷卻。一般認(rèn)為通過(guò)使用專利文獻(xiàn)8的裝置，殘余應(yīng)力也發(fā)生變化，但用于獲得適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布的冷卻條件沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明。如上所述，鋼軌接頭部(鋼軌焊接區(qū))在鋼軌之中最容易發(fā)生損傷，從而耗費(fèi)保養(yǎng)成本。另外，鋼軌接頭部是列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)的主要的發(fā)生源。由于列車(chē)的高速化和重裝載化正在各地進(jìn)行，因而通過(guò)焊接而使具有上述問(wèn)題的鋼軌接頭部連續(xù)化以形成長(zhǎng)鋼軌的技術(shù)正在得到普及。閃光對(duì)焊(例如參照專利文獻(xiàn)1)、加壓氣焊(例如參照專利文獻(xiàn)2)、強(qiáng)制成形電弧焊(例如參照專利文獻(xiàn)3)以及鋁熱焊(例如參照專利文獻(xiàn)4)是鋼軌的主要的焊接方法。在對(duì)鋼軌接頭部進(jìn)行焊接的情況下，特別地，在重載荷的貨物列車(chē)所通過(guò)的線路或寒冷地區(qū)的線路等上，在鋼軌焊接區(qū)的中立軸附近有可能產(chǎn)生疲勞龜裂。因此，為了防止起因于該疲勞龜裂的鋼軌的脆性破壞，需要頻繁地更換鋼軌。圖41A、圖41B表示了該狀態(tài)的一個(gè)例子。圖41A表示了在水平方向產(chǎn)生的疲勞龜裂151在鋼軌焊接區(qū)150的中立軸附近發(fā)生的狀態(tài)。脆性龜裂152向鋼軌頭部以及鋼軌足部發(fā)生。圖41B表示了疲勞龜裂151 和脆性龜裂152的斷口。由圖41B可知以鋼軌焊接區(qū)150的中立軸附近為起點(diǎn)而產(chǎn)生疲勞龜裂151、然后脆性龜裂152在板厚方向貫通柱部的情況。此外，在本說(shuō)明書(shū)中，有時(shí)將與車(chē)輪接觸的鋼軌上部160稱為“頭部”，將與枕木接地的鋼軌下部162稱為“足部”，將頭部和足部之間的部位161稱為“柱部”(參照?qǐng)D27A、圖27B)?？梢哉J(rèn)為外界的負(fù)荷條件、而且材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響疲勞龜裂的發(fā)生。圖42 表示了采用閃光對(duì)焊得到的鋼軌焊接區(qū)的周部在周向的殘余應(yīng)力分布。在圖42的曲線圖中，縱軸的正方向表示拉伸殘余應(yīng)力，縱軸的負(fù)方向表示壓縮殘余應(yīng)力。由圖42可知柱部的拉伸殘余應(yīng)力較大。在鋼軌焊接區(qū)位于枕木上的情況下，列車(chē)通過(guò)時(shí)，上下方向的壓縮應(yīng)力作用于柱部。但是，由于在柱部殘留有上下方向(鋼軌斷面周向)的較大的拉伸應(yīng)力，因而柱部實(shí)質(zhì)上在受到拉伸應(yīng)力的狀態(tài)下，處于交變應(yīng)力發(fā)生作用的狀態(tài)。因此，在柱部容易產(chǎn)生疲勞龜裂。專利文獻(xiàn)5、6公開(kāi)了為了防止鋼軌柱部的損傷，借助于焊接熱量或者來(lái)自外部的加熱而使整個(gè)鋼軌焊接區(qū)或者鋼軌焊接區(qū)的頭部和柱部處于高溫狀態(tài)，然后進(jìn)行加速冷卻的方法。根據(jù)該技術(shù)，鋼軌焊接區(qū)的殘余應(yīng)力得以控制，因而可以減輕鋼軌焊接區(qū)的柱部在上下方向產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力，或者可以改變?yōu)閴嚎s殘余應(yīng)力。因此，可以改善鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度。另外，作為提高鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度的技術(shù)，例如有專利文獻(xiàn)7所公開(kāi)的使用噴丸硬化處理的方法。在噴丸硬化處理中，向材料投射直徑幾毫米的鋼球，使材料表層產(chǎn)生塑性變形從而進(jìn)行加工硬化。由此，通過(guò)將殘余應(yīng)力改變?yōu)閴嚎s應(yīng)力而使疲勞強(qiáng)度得以提
尚ο另外，專利文獻(xiàn)8公開(kāi)了一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置，其具有用于冷卻鋼軌焊接區(qū)的頭頂面的空氣室、用于冷卻鋼軌焊接區(qū)的頭側(cè)面的空氣室以及用于冷卻鋼軌焊接區(qū)的腹部(柱部)和底部(足部)的空氣室。各空氣室分別設(shè)有用于吐出壓縮空氣的多個(gè)噴嘴， 在用于冷卻頭頂部的空氣室中的噴嘴群的中央設(shè)有溫度檢測(cè)用噴嘴。鋼軌頭部因與車(chē)輪的接觸而發(fā)生磨損。特別在曲線軌道上，因車(chē)輪和鋼軌之間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)而促進(jìn)磨損。因此，使鋼軌頭部硬化過(guò)的熱處理鋼軌往往在曲線區(qū)間采用。在熱處理鋼軌的焊接中，優(yōu)選焊接后在從奧氏體溫度區(qū)域到珠光體相變結(jié)束的溫度范圍對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行加速冷卻，從而得到與被焊接母材同等的硬度。如非專利文獻(xiàn)1所示，焊接后在對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行加速冷卻時(shí)，通過(guò)加速冷卻鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部，鋼軌柱部在上下方向的殘余應(yīng)力得以降低(即壓縮殘余應(yīng)力增加)，由此可以抑制柱部的疲勞龜裂的發(fā)生。 然而，由本發(fā)明人等的實(shí)驗(yàn)可知即使對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻，柱部的殘余應(yīng)力也不會(huì)大大降低。另外，在噴丸硬化處理的情況下，需要用于投射、回收鋼球以及防止粉塵的大規(guī)模的設(shè)備，適用于大型的焊接區(qū)受到限制。除此以外，所存在的問(wèn)題還有由于鋼球磨損、損壞，因而需要定期地補(bǔ)給鋼球，從而耗費(fèi)運(yùn)行成本。再者，通過(guò)本發(fā)明人所實(shí)施的試驗(yàn)已經(jīng)判明在使用專利文獻(xiàn)8所示的冷卻裝置對(duì)鋼軌焊接區(qū)進(jìn)行加速冷卻的情況下，鋼軌柱部的殘余應(yīng)力不會(huì)降低，疲勞壽命也沒(méi)有那么延長(zhǎng)。也就是說(shuō)，表明如果不就鋼軌焊接區(qū)的適當(dāng)?shù)姆秶赃m當(dāng)?shù)睦鋮s速度進(jìn)行冷卻，則不能降低鋼軌焊接區(qū)的殘余應(yīng)力(增加壓縮殘余應(yīng)力)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1專利文獻(xiàn)2專利文獻(xiàn)3專利文獻(xiàn)4專利文獻(xiàn)5專利文獻(xiàn)6專利文獻(xiàn)7專利文獻(xiàn)8非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn) 1 !Proceedings of the Second International Conference on residual stresses, ICR2, Nancy, France, 23-25，Nov, 1988，P912-918非專利文獻(xiàn)2:三木、穴見(jiàn)、谷、杉本，“通過(guò)改良焊接焊趾部進(jìn)行的疲勞強(qiáng)度的提高，，，溶接學(xué)會(huì)論文集，Vol. 17, No. 1，P111-119(1999)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題如上所述，用于有效地提高鋼軌柱部的疲勞強(qiáng)度、鋼軌足底部的疲勞強(qiáng)度以及鋼軌頭部的硬度的技術(shù)以前并不存在。于是，本發(fā)明的第1目的在于提供一種用于有效地制造與以前相比、焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度得以提高的鋼軌的方法。另外，本發(fā)明的第2目的在于提供一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法以及用于該冷卻方法的冷卻裝置，其在充分確保鋼軌頭部的硬度的同時(shí)，使柱部的殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低(即增加壓縮殘余應(yīng)力)，從而與以前相比，使鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度得以提高。用于解決課題的手段本發(fā)明為了解決上述的課題，采用了以下的手段。(1)本發(fā)明的第1實(shí)施方式涉日本特開(kāi)昭56-136四2號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)平11-270810號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)平6-292968號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)昭48-95337號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)昭59-93837號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)昭59-93838號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)平3-249127號(hào)公報(bào) 日本特開(kāi)昭60-33313號(hào)公報(bào)及一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其包括加熱到從珠光體向奧氏體相變的開(kāi)始溫度Acl以上的Acl區(qū)域、以及加熱到所述相變的結(jié)束溫度Ac3以上的Ac3區(qū)域，其中，所述冷卻方法具有以下工序在直至從奧氏體向珠光體的相變結(jié)束的一部分的溫度范圍對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第1柱部冷卻工序；在所述鋼軌焊接區(qū)的所述柱部的整體發(fā)生了向珠光體的相變后，對(duì)所述柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第2柱部冷卻工序；對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的足部進(jìn)行冷卻的足部冷卻工序；以及對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行冷卻的頭部冷卻工序；當(dāng)將所述第1柱部冷卻工序以及所述第2柱部冷卻工序的冷卻時(shí)間設(shè)定為t (分鐘)時(shí)，所述柱部冷卻區(qū)域的寬度L除以所述Acl區(qū)域的寬度LAcl所得到的k值滿足以-0. lt+0. 63彡k彡-0. lt+2. 33表示的式子。(2)根據(jù)上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在所述第1柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。(3)根據(jù)上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。(4)根據(jù)上述⑴所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在所述第1柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻。(5)根據(jù)上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，在所述第1柱部冷卻工序中，奧氏體溫度區(qū)域的冷卻工序包括第1柱部冷卻前期工序，以及之后接著在直至向珠光體的相變結(jié)束的溫度范圍進(jìn)行冷卻的第1柱部冷卻后期工序；也可以在所述第1柱部冷卻前期工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述鋼軌足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第1柱部冷卻后期工序中，以自然冷卻速度或者2V /S以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述鋼軌足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。(6)根據(jù)上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，所述足部的冷卻速度也可以是自然冷卻速度。(7)根據(jù)上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在所述頭部冷卻工序中，在從超過(guò)A3、Ae或者Acm的奧氏體溫度區(qū)域到向珠光體的相變結(jié)束的至少一部分的溫度范圍以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻。(8)根據(jù)上述⑴ (7)的任一項(xiàng)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在冷卻所述頭部和所述柱部時(shí)，使顎部的下側(cè)角部的冷卻速度比所述柱部的冷卻速度慢。(9)根據(jù)上述(8)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，如果將形成所述頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則也可以對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部(或頭部全域)進(jìn)行加速冷卻。(10)根據(jù)上述(9)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其中，也可以在比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域設(shè)置屏蔽板，并向所述頭部噴出冷卻用流體。(11)本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及一種鋼軌焊接接頭，其是使用上述(1)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法而冷卻的鋼軌焊接接頭，所述鋼軌焊接接頭具有上下方向的殘余應(yīng)力為350MPa以下的所述柱部，長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力為壓縮應(yīng)力的鋼軌足底部，以及金屬組織的95%以上為珠光體組織的所述焊接區(qū)。(12)本發(fā)明的第3的實(shí)施方式涉及ー種鋼軌焊接接頭，其是使用上述(8)所述的 鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法而冷卻的鋼軌焊接接頭，所述鋼軌焊接接頭具有鋼軌斷面周向的 殘余應(yīng)カ為300MPa以下的所述柱部，以及所述頭部的硬度為Hv320以上的所述頭部。(13)本發(fā)明的第4實(shí)施方式也可以具有頭部冷卻単元，其中，如果將形成鋼軌焊 接區(qū)的頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下 方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻。(14)根據(jù)上述(1 所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置，其中，所述頭部冷卻単元也可 以具有向所述頭部噴出冷卻用流體的噴出部，以及覆蓋比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3 的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域的屏蔽板。發(fā)明的效果根據(jù)上述(1) (7)所述的方法，鋼軌焊接區(qū)的柱部的殘余應(yīng)カ得以改善，足底部 的殘余應(yīng)為也控制在壓縮范圍，由此可以在焊接區(qū)難以產(chǎn)生疲勞龜裂。根據(jù)上述(8) (10)所述的方法，在對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻 吋，使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢，由此可以充分確保鋼軌頭部的硬度，而且使柱 部的殘余應(yīng)カ進(jìn)一歩降低。因此，可以提高鋼軌頭部的磨損性和鋼軌焊接區(qū)的疲勞強(qiáng)度。根據(jù)上述(11)所述的鋼軌焊接接頭，即使在重載荷的列車(chē)于鋼軌上通過(guò)的情況 下，也可以抑制因金屬疲勞引起的損傷。根據(jù)上述(12)所述的鋼軌焊接接頭，即使在重載荷的列車(chē)于鋼軌上通過(guò)的情況 下，也可以抑制因金屬疲勞引起的損傷和鋼軌頭部的磨損。根據(jù)上述(13)、(14)所述的裝置，因?yàn)轭^部冷卻單元對(duì)除比距頭側(cè)部的上端為 2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻，所以顎部的冷卻速度 得以緩和，可以使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢。因此，在將與車(chē)輪接觸的鋼軌頭部 的硬度保持在較高水平的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一歩降低柱部在上下方向的殘余應(yīng)力。


圖IA是鋼軌的側(cè)視圖。圖IB是沿圖IA的A-A線剖切而得到的剖視圖。圖2A是表示閃光對(duì)焊的閃光エ序的示意圖。圖2B是表示閃光對(duì)焊的加壓(upset)エ序的示意圖。圖2C是表示閃光對(duì)焊的修整エ序的示意圖。圖3A是用于對(duì)鋁熱焊進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。圖加是沿圖3A的B-B線剖切而得到的剖視圖。圖4A是表示加壓氣焊的加熱エ序的示意圖。圖4B是表示加壓氣焊的加壓エ序的示意圖。圖4C是表示加壓氣焊的修整エ序的示意圖。圖5A是用于對(duì)強(qiáng)制成形電弧焊進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。圖5B是用于對(duì)強(qiáng)制成形電弧焊進(jìn)行說(shuō)明的剖視圖。圖6A是表示來(lái)自鋼軌焊接區(qū)柱部的疲勞損傷的示意圖。
圖6B是表示該損傷的斷口的示意圖。圖7A是表示鋼軌焊接區(qū)的周部在周向存在的殘余應(yīng)力分布的曲線圖。圖7B是表示距焊接中心的距離與鋼軌柱部在上下方向存在的殘余應(yīng)力之間的關(guān)系的曲線圖。圖8是表示鋼軌焊接區(qū)的周部在鋼軌長(zhǎng)度方向存在的殘余應(yīng)力分布的曲線圖。圖9A是表示車(chē)輪在枕木的正上方通過(guò)的時(shí)點(diǎn)的示意圖。圖9B是表示車(chē)輪在枕木之間通過(guò)的時(shí)點(diǎn)的示意圖。圖IOA是表示來(lái)自鋼軌焊接區(qū)足部的疲勞損傷的示意圖。圖IOB是表示該損傷的斷口的示意圖。圖11是碳素鋼的平衡狀態(tài)圖。圖12是表示碳素鋼的伴隨著加熱和冷卻的組織變化的示意圖。圖13A是亞共析組成的鋼的CCT圖。圖1 是共析組成的鋼的CCT圖。圖13C是過(guò)共析組成的鋼的CCT圖。圖14是表示鋼軌軸向的鋼軌溫度分布和硬度分布的曲線圖。圖15A是表示焊接區(qū)的柱部剛焊接后的溫度分布的圖示。圖15B是表示焊接區(qū)的柱部在冷卻過(guò)程的某時(shí)點(diǎn)的溫度分布和收縮應(yīng)為的圖示。圖15C是表示焊接區(qū)的柱部在自然冷卻過(guò)程以及加速冷卻過(guò)程的某時(shí)點(diǎn)的溫度分布的圖示。圖15D是表示焊接區(qū)的柱部在自然冷卻過(guò)程以及加速冷卻過(guò)程中、焊接中心的溫度稍高于Arl的時(shí)點(diǎn)的溫度分布的圖示。圖16A是表示對(duì)柱部進(jìn)行大范圍的冷卻時(shí)的溫度分布的示意圖。圖16B是表示過(guò)剩地冷卻足部時(shí)的溫度分布的示意圖。圖17是表示珠光體相變結(jié)束后對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖 (第1冷卻模式)。圖18A是表示從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖(第2冷卻模式)。圖18B是從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的其它示意圖(第2冷卻模式)。圖18C是從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的其它示意圖(第2冷卻模式)。圖19是從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻、進(jìn)而在珠光體相變結(jié)束后進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖(第3冷卻模式)。圖20A是從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部和頭部進(jìn)行加速冷卻、進(jìn)而在珠光體相變結(jié)束后對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖(第4冷卻模式)。圖20B是冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖，是在冷卻途中的珠光體相變溫度區(qū)域設(shè)置 2V /s以下的緩慢的冷卻區(qū)域時(shí)的圖示(第4冷卻模式)。圖21是冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖，是從奧氏體分解開(kāi)始前到珠光體相變結(jié)束對(duì)鋼軌柱部和頭部進(jìn)行加速冷卻、進(jìn)而在珠光體相變結(jié)束后對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的圖示(第5冷卻模式)。圖22A是冷卻寬度狹窄時(shí)的焊接區(qū)的溫度分布的示意圖。圖22B是冷卻寬度為中間程度時(shí)的焊接區(qū)的溫度分布的示意圖。圖22C是冷卻寬度寬時(shí)的焊接區(qū)的溫度分布的示意圖。圖23A是表示短時(shí)間冷卻時(shí)的、k值(冷卻寬度和加熱到Acl以上的材料寬度之比)和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系的示意圖。圖2 是表示長(zhǎng)時(shí)間冷卻時(shí)的、k值(冷卻寬度和加熱到Acl以上的材料寬度之比)和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系的示意圖。圖M是表示對(duì)殘余應(yīng)力的降低有效的k值(冷卻寬度和加熱到Acl以上的材料寬度之比)和冷卻時(shí)間之間的關(guān)系的示意圖。圖25是柱部的疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)的示意圖。圖沈是足部的彎曲疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)的示意圖。圖27A是鋼軌的側(cè)視圖。圖27B是沿圖27A的X’ -X，線剖切而得到的剖視圖。圖28是鋼軌頭部的局部剖視圖。圖四是本發(fā)明的一實(shí)施方式的鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置的示意圖。圖30A是用于對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行加速冷卻的頭部冷卻單元的平面圖。圖30B是該頭部冷卻單元的側(cè)視圖。圖31是沿圖30A的A’ _A，線剖切而得到的剖視圖。圖32是沿圖31的C’ -C’線剖切而得到的剖視圖。圖33是沿圖30A的B’ -B，線剖切而得到的剖視圖。圖34A是表示閃光對(duì)焊的閃光工序的示意圖。圖34B是表示閃光對(duì)焊的加壓工序的示意圖。圖34C是表示閃光對(duì)焊的修整工序的示意圖。圖35是表示采用本發(fā)明的一實(shí)施方式的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法對(duì)鋼軌焊接區(qū)進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖。圖36是表示對(duì)鋼軌焊接區(qū)進(jìn)行自然冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖。圖37是表示僅對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖。圖38是表示采用以前的方法對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程的示意圖。圖39是表示由4種冷卻方法產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布的一個(gè)例子的示意圖。圖40是表示鋼軌焊接區(qū)的冷卻試驗(yàn)中的溫度、硬度以及殘余應(yīng)力的測(cè)定部位的示意圖。圖41A是表示來(lái)自鋼軌焊接區(qū)柱部的疲勞損傷的示意圖。圖41B是表示該損傷的斷口的示意圖。圖42是表示鋼軌焊接區(qū)的周部在周向存在的殘余應(yīng)力分布的曲線圖。
具體實(shí)施方式
〈焊接方法〉在本發(fā)明中，鋼軌焊接區(qū)的焊接方法并不局限于閃光對(duì)焊。作為鋼軌焊接區(qū)的焊接方法的1個(gè)例子，以下參照?qǐng)D2A 圖2C，就閃光對(duì)焊進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。閃光對(duì)焊方法的第1工序是在圖2A所示的端面間連續(xù)產(chǎn)生電弧的工序(閃光工序)。在該工序中，在經(jīng)由電極9而施加的電壓的作用下，在被焊接材料的端面間產(chǎn)生電弧。 產(chǎn)生電弧的部分被局部地溶化，溶化的金屬的一部分作為飛濺物而向外部放出，剩余部分則殘留于端面。在因電弧而溶化的部分產(chǎn)生被稱之為弧坑(crater)的凹坑。被焊接材料逐漸接近，陸續(xù)在新的接觸部分產(chǎn)生電弧，由于該局部熔融的反復(fù)進(jìn)行，材料逐漸縮短。在該過(guò)程中調(diào)整被焊接材料的移動(dòng)速度，以便使材料間隔保持大致恒定的間隔。在閃光工序的途中，往往采用有意地使材料端面接觸，從而借助于因直接通電所產(chǎn)生的大電流而提高被焊接母材溫度的工序。其目的是為了使端面附近的溫度分布變得平穩(wěn)，從而使加壓工序更有效地進(jìn)行。該工序被稱之為“預(yù)熱工序”，2 5秒左右的接觸通電和1秒左右的非接觸、停止期間通常反復(fù)進(jìn)行數(shù)次。將閃光工序持續(xù)幾十秒到幾分鐘，從而使被焊接材料的整個(gè)端面處于熔融的狀態(tài)。另外，端面附近的材料因溫度上升而軟化。如圖2B所示，在到達(dá)該狀態(tài)的時(shí)點(diǎn)，向軸向進(jìn)行加壓。在該被稱之為“upset (加壓)”的加壓的作用下，在端面所形成的弧坑凹凸面被壓碎，在端面間存在的熔融金屬向體系外凸出來(lái)。軟化的端面附近發(fā)生塑性變形而使斷面增大，從而在焊接面的周?chē)纬珊傅?1。如圖2C所示，在剛焊接后的高溫期間借助于修整器12將該焊道11進(jìn)行熱剪斷而除去(修整工序)。修整后在焊接區(qū)的周?chē)鷼埓嬗懈叨葹閹譵m、寬度為10 30mm左右的薄焊道。在修整后殘存的薄焊道中，與車(chē)輪接觸的鋼軌頭部采用砂輪機(jī)使其平滑化并進(jìn)行研磨。鋼軌柱部、足部的焊道根據(jù)鐵道公司的不同而采用不同的處理方法如通過(guò)砂輪機(jī)研磨進(jìn)行的完全平滑化、通過(guò)砂輪機(jī)研磨進(jìn)行的薄壁化和不進(jìn)行處理等方法?！翠撥壔摹迪旅婢弯撥変撨M(jìn)行說(shuō)明。鋼軌鋼正如JIS-E1101、JIS-E1120所規(guī)定的那樣，一般使用含有0. 5 0. 8質(zhì)量％碳的亞共析鋼、或者含有大約0. 8質(zhì)量％碳的共析碳素鋼。另外，最近，以海外的礦山鐵道的重載荷貨物線為對(duì)象、使耐磨性更加提高、且含有超過(guò)0.8 質(zhì)量％的碳的過(guò)共析組成的鋼軌鋼也正在普及?！雌胶鉅顟B(tài)圖〉圖11是用橫軸表示碳量的碳素鋼的平衡狀態(tài)圖。如上所述，鋼軌鋼的碳量大概在 0. 4 1. 2質(zhì)量％的范圍。鋼軌鋼除碳以外，還含有Si或Mn，根據(jù)情況的不同還含有Cr等強(qiáng)化元素。嚴(yán)格地說(shuō)，由于這些除碳以外的元素的影響，平衡狀態(tài)圖將發(fā)生變化，但這種變化在鋼軌鋼的(除碳以外的元素的)含量范圍內(nèi)是極其微小的。亞共析組成的鋼在Al點(diǎn)以下的溫度具有以珠光體為主體而含有一部分鐵素體的金屬組織，在Al點(diǎn) A3點(diǎn)的溫度具有鐵素體和奧氏體相混合的金屬組織，在A3點(diǎn)以上的溫度具有奧氏體組織。在共析組成的鋼的情況下，在Al點(diǎn)以下的溫度具有珠光體組織，在Ae點(diǎn)以上的溫度具有奧氏體組織。在過(guò)共析組成的鋼的情況下，在Al點(diǎn)以下的溫度具有以珠光體為主體而含有一部分滲碳體的金屬組織，在Al點(diǎn) Acm點(diǎn)的溫度具有鐵素體和滲碳體相混合的金屬組織， 在Acm點(diǎn)以上的溫度具有奧氏體組織。上述組成的鋼都是在更高溫的固相線溫度Ts點(diǎn)以上的溫度成為奧氏體相和液相的2相組織，在液相線溫度TL點(diǎn)以上的溫度成為液相組織。在閃光對(duì)焊中，焊接界面的溫度達(dá)到TL點(diǎn)。另外，越是遠(yuǎn)離焊接界面的位置，其溫度越低。在鋼軌軋制后于大氣中的自然冷卻(自然放冷)、接著軋制進(jìn)行的加速冷卻、或者暫時(shí)冷卻到常溫后的再加熱熱處理后的進(jìn)一步連續(xù)冷卻過(guò)程中，根據(jù)其冷卻速度的不同而發(fā)生偏離平衡相變溫度的過(guò)冷，從而由狀態(tài)圖可以設(shè)想的初析相的含量降低，在組織分率中，珠光體組織占一大半。特別地，對(duì)于共析組成附近的碳量為0.6 1.0質(zhì)量％的范圍， 珠光體組織分率大致達(dá)到100%。此外，所謂“加速冷卻”，是指通過(guò)將冷卻用流體向被冷卻物噴出而使該被冷卻物以比自然冷卻速度更快的冷卻速度進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。<焊接熱循環(huán)和組織變化>圖12是表示碳素鋼與加熱和冷卻相伴的組織變化的示意圖。如圖12所示，加熱過(guò)程中的實(shí)際的組織變化根據(jù)其加熱速度而在高于平衡相變溫度的溫度下開(kāi)始。另外，冷卻過(guò)程中的實(shí)際的組織變化根據(jù)其冷卻速度而在低于平衡相變溫度的溫度下開(kāi)始。因此， 在加熱過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)熱狀態(tài)，在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)冷狀態(tài)。一般地說(shuō)，加熱過(guò)程中的相變溫度對(duì)于Al、A3等的平衡相變溫度標(biāo)注“C”、而冷卻過(guò)程中的相變溫度對(duì)于Al、A3等的平衡相變溫度標(biāo)注“r”以示區(qū)別。也就是說(shuō)，對(duì)于亞共析組成的鋼，將加熱過(guò)程中的珠光體一奧氏體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為Acl，將完全相變?yōu)閵W氏體的溫度稱為Ac3 ；將冷卻過(guò)程中的奧氏體一鐵素體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為Ar3，將奧氏體消失的溫度稱為Arl。同樣地，對(duì)于過(guò)共析組成的鋼，將加熱過(guò)程中的珠光體一奧氏體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為Acl，將完全相變?yōu)閵W氏體的溫度稱為Accm ；將冷卻過(guò)程中的奧氏體一滲碳體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為Arcm，將奧氏體消失的溫度稱為Arl。另外，對(duì)于共析組成的鋼，將加熱過(guò)程中的珠光體一奧氏體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為 Acl，將完全相變?yōu)閵W氏體的溫度稱為Ace ；將冷卻過(guò)程中的奧氏體一珠光體相變的開(kāi)始點(diǎn)稱為Are，將奧氏體消失的溫度稱為Arl。此外，如圖11所示，對(duì)于共析組成的鋼，將A3線和Acm線相交的點(diǎn)稱為Ae點(diǎn)。<連續(xù)冷卻線圖(CCT圖)的組織變化的說(shuō)明>一般地說(shuō)，對(duì)于冷卻過(guò)程中的相變化，相變溫度、析出相根據(jù)鋼成分和冷卻速度的不同而不同。圖13A 圖13C是表示連續(xù)冷卻的高碳素鋼的組織變化的CCT圖。圖13A是亞共析鋼的CCT圖。在進(jìn)行用曲線(0)表示的緩慢冷卻的情況下，在Fs 線和曲線(0)的交點(diǎn)的溫度下析出初析鐵素體。然后，在I3S線和曲線(0)的交點(diǎn)的溫度下開(kāi)始珠光體相變。進(jìn)而在Pf線和曲線(0)的交點(diǎn)的溫度下結(jié)束珠光體相變。在此情況下， 金屬組織成為含有微量的晶界鐵素體的鐵素體和珠光體組織。在提高冷卻速度而進(jìn)行用曲線(1)表示的冷卻的情況下，由于Fs線與I^s線匯合而消失，因而不會(huì)析出初析鐵素體，但在I^s線和Pf線之間發(fā)生珠光體相變。在此情況下，金屬組織成為珠光體組織。在進(jìn)一步提高冷卻速度而進(jìn)行用曲線C3)表示的冷卻的情況下，在溫度B下停止珠光體相變，有時(shí)生成一部分貝氏體組織，但未相變部保持奧氏體的狀態(tài)不變而過(guò)冷。然后，在溫度C和溫度D
14之間發(fā)生馬氏體相變。在此情況下，金屬組織成為珠光體貝氏體和馬氏體相混合的組織。在進(jìn)一步提高冷卻速度而進(jìn)行用曲線(5)表示的冷卻的情況下，曲線(5)不與I^s線交叉而保持奧氏體組織的狀態(tài)不變并過(guò)冷至Ms點(diǎn)，然后發(fā)生馬氏體相變。由于高碳素鋼的馬氏體組織極硬且脆，因而在鋼軌鋼的焊接中優(yōu)選避免超過(guò)冷卻曲線O)的快速冷卻。圖1 是共析鋼的CCT圖。在共析鋼的情況下，與亞共析鋼不同，緩慢冷卻時(shí)的初析鐵素體不會(huì)析出。圖13C是過(guò)共析鋼的CCT圖。在過(guò)共析鋼的情況下，與緩慢冷卻時(shí)析出初析鐵素體的亞共析鋼不同，緩慢冷卻時(shí)析出初析滲碳體。圖中，θ s線表示滲碳體的初析線。在進(jìn)行冷卻曲線與θ s線交叉的緩慢冷卻的情況下，金屬組織成為含有微量的初析滲碳體的滲碳體和珠光體組織。<從硬度分布觀察到的最高溫度、組織、硬度>圖14示意表示了鋼軌焊接結(jié)束時(shí)的鋼軌軸向的溫度分布、鋼軌焊接結(jié)束時(shí)的金屬組織(高溫組織)、冷卻后的金屬組織以及冷卻后的硬度。圖14的左端為不受熱影響的鋼軌母材，右端表示焊接中心。通過(guò)閃光工序，焊接中心(圖14中的右端)的溫度超過(guò)固相線溫度Ts，在鋼軌焊接中心部產(chǎn)生脫碳部。脫碳部在加壓工序后也薄薄地殘留下來(lái)。該部分在冷卻時(shí)與周?chē)容^，容易生成初析鐵素體，因而冷卻后的硬度下降。加熱到超過(guò)Ac3、Ace或者Accm、從而相變?yōu)橥耆膴W氏體相的焊接中心附近的第 1區(qū)域在之后的冷卻時(shí)，全部發(fā)生珠光體相變，冷卻后可以得到均勻的硬度。在該第1區(qū)域的外側(cè)，溫度為Acl以上，但具有不超過(guò)Ac3、Ace或者Accm的第2區(qū)域。該第2區(qū)域在加熱時(shí)點(diǎn)，奧氏體相、未相變的鐵素體相或者滲碳體相混在一起。相變?yōu)閵W氏體的部分在此后的冷卻中向珠光體相變，但未相變的鐵素體相、或者未溶解而保持球狀化的狀態(tài)不變的滲碳體就那樣殘存至室溫。這些組織與從奧氏體相發(fā)生相變的正常的珠光體相比較，其硬度較低。該未相變相的分率隨著遠(yuǎn)離焊接中心而增加，因而第2區(qū)域的硬度降低。在進(jìn)一步離開(kāi)焊接中心時(shí)，具有未達(dá)到Acl的區(qū)域。即使在該區(qū)域中，加熱到 500°C以上的第3區(qū)域也因珠光體中的滲碳體球狀化而使硬度降低。隨著遠(yuǎn)離焊接中心，球狀化的程度減少，逐漸接近母材的硬度。另外，對(duì)于焊接區(qū)的垂直縱向斷面的宏觀組織，500°C到Acl的球狀化區(qū)域與母材相比沒(méi)有變化，但在Acl以上且Ac3、Ace、ACCm以下的區(qū)域因?yàn)槭菉W氏體、鐵素體、滲碳體的混相區(qū)域，可以獲得微細(xì)粒子，能夠利用硝酸乙醇等對(duì)其差異加以明確的判別。加熱到Ac3、 Ace.Accm以上的第1區(qū)域通過(guò)高溫加熱，晶粒具有變粗的傾向，但用肉眼來(lái)看，呈現(xiàn)出與母材接近的組織。此外，在500°C到Acl的第3區(qū)域，通過(guò)掃描型電子顯微鏡(SEM)可以確認(rèn)球狀化的滲碳體。在鋼軌的焊接中被焊接材料被加熱到Acl以上的距離根據(jù)焊接方法、焊接條件、 鋼軌部位的不同而有稍微的差異。對(duì)鋼軌焊接后的垂直縱向斷面中的宏觀組織、硬度分布進(jìn)行了觀察，結(jié)果在閃光對(duì)焊的鋼軌柱部，根據(jù)焊接條件的不同而在10 50mm的范圍。另外，同樣地，加熱到Ac3、Ae3或者Accm以上的距離為5 40mm。 <殘余應(yīng)力的發(fā)生機(jī)理> 下面就鋼軌焊接中柱部的巨大的上下方向殘余應(yīng)力的發(fā)生機(jī)理說(shuō)明發(fā)明人的看法。在閃光對(duì)焊中，鋼軌的端面間發(fā)生閃光，從而使端面達(dá)到1300 1400°C的熔點(diǎn)以上。另一方面，用于電力供給的電極9(參照?qǐng)D2A)為了抑制因熔損等引起的損耗而進(jìn)行水冷。因此，鋼軌材料由水冷的電極9進(jìn)行冷卻，電極9的附近即使在焊接結(jié)束時(shí)點(diǎn)也是300°C 左右。電極9在鋼軌上的安裝位置通常離開(kāi)焊接端面IOOmm左右。因此，在焊接結(jié)束時(shí)點(diǎn)， 在距離大約IOOmm的電極9和端面之間，產(chǎn)生1000°C左右的溫度差。圖15A 圖15D表示了鋼軌焊接區(qū)的柱部中的溫度分布。圖15A中的曲線XXO表示剛焊接后的溫度分布。由該圖15A可知在鋼軌材料上產(chǎn)生陡峭的溫度梯度。此外，在鋁熱焊法中，由于通過(guò)注入高溫的鋼水使鋼軌端面熔融而進(jìn)行焊接，因而通過(guò)鋼水的注入而在鋼軌長(zhǎng)度方向暫時(shí)產(chǎn)生較大的溫度分布。在加壓氣焊中，由于壓接的鋼軌端面附近的加熱，端面附近被加熱到1000°C左右， 與上述焊接法同樣，在鋼軌長(zhǎng)度方向產(chǎn)生溫度分布。在強(qiáng)制成形電弧焊中，花費(fèi)1時(shí)間以上的作業(yè)時(shí)間而借助于手工焊從鋼軌底部依次裝滿焊接金屬。與上述焊接法同樣，產(chǎn)生鋼軌長(zhǎng)度方向的溫度分布，但在上下方向也產(chǎn)生溫度分布這一點(diǎn)上，與其它的焊接方法稍稍不同，關(guān)于該焊接方法，本發(fā)明的控制冷卻方法未必可以說(shuō)是有效的。關(guān)于鋼軌柱部在上下方向(周向)的殘余應(yīng)力的發(fā)生，在溫度梯度最陡峭的閃光對(duì)焊中最為顯著。而且鋁熱焊、加壓氣焊的溫度分布依次減緩，也就是說(shuō)，殘余應(yīng)力得以緩和。本發(fā)明對(duì)于這些焊接方法都是有效的。在存在基于構(gòu)造物內(nèi)的溫度不均勻而產(chǎn)生的熱收縮應(yīng)力的不均勻的情況下，由于構(gòu)造物內(nèi)的構(gòu)成部位相互約束收縮應(yīng)變，因而收縮應(yīng)力作為內(nèi)部應(yīng)力殘存下來(lái)，結(jié)果產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。上述構(gòu)造物在高溫的狀態(tài)下，由于屈服點(diǎn)降低而容易發(fā)生塑性變形，因而在構(gòu)成部件間不會(huì)產(chǎn)生約束力，從而殘余應(yīng)力較少。為人所知的是屈服點(diǎn)在溫度降低的同時(shí)增加，殘余應(yīng)力的發(fā)生在低溫增大。另一方面，當(dāng)于冷卻過(guò)程中從奧氏體相發(fā)生相變時(shí)，晶格容易向應(yīng)力更小的方向改變。其結(jié)果是，往往通過(guò)在該方向上產(chǎn)生較大的應(yīng)變而使應(yīng)力得以緩和。因此，可以認(rèn)為應(yīng)力在相變點(diǎn)暫時(shí)釋放。從到達(dá)常溫后的狀態(tài)來(lái)看，有時(shí)也可以省略考慮在高于相變點(diǎn)的溫度下的應(yīng)力分布。但是，溫度分布本身在相變前后持續(xù)下來(lái)，從而影響此后的殘余應(yīng)力的發(fā)生，因而是重要的。圖15B表示了焊接區(qū)的柱部在冷卻過(guò)程的某時(shí)點(diǎn)的溫度分布和收縮應(yīng)力。實(shí)線 XXl表示在該時(shí)點(diǎn)的溫度分布。由于焊接區(qū)中心的溫度Tl和周?chē)鷾囟鹊牟煌?，在焊接區(qū)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。由于應(yīng)力在相變溫度區(qū)域暫時(shí)釋放，因而可以認(rèn)為在該溫度區(qū)域應(yīng)力較小，Tl 在冷卻至相變結(jié)束溫度Arl之后，殘余應(yīng)力真正地產(chǎn)生。圖15C表示了焊接區(qū)的柱部在自然冷卻過(guò)程以及加速冷卻過(guò)程的某時(shí)點(diǎn)的溫度分布。用虛線表示的曲線YY2表示的是對(duì)焊接區(qū)中心附近的高溫區(qū)域進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度分布的曲線。用實(shí)線表示的曲線XX2表示對(duì)焊接區(qū)中心附近的高溫區(qū)域進(jìn)行自然冷卻時(shí)的溫度分布。圖15D是表示自然冷卻過(guò)程以及加速冷卻過(guò)程中的、在焊接中心的溫度稍高于 Arl的時(shí)點(diǎn)的溫度分布的圖示。用實(shí)線表示的曲線XX3表示自然冷卻時(shí)的溫度分布。用虛線表示的曲線YY3表示對(duì)焊接區(qū)中心附近的廣大范圍進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度分布，用虛線表示的曲線ZB表示對(duì)焊接區(qū)中心附近的狹窄范圍進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度分布。直至達(dá)到該溫度的時(shí)間在對(duì)焊接中心進(jìn)行加速冷卻時(shí)較短。在此，下面就焊接中心附近的某一一定區(qū)域的、例如在剛焊接后的溫度分布XXO中最高加熱溫度在Acl以上的范圍(LAcl)中的溫度分布的不同、以及以此為基礎(chǔ)的殘余應(yīng)力的不同進(jìn)行說(shuō)明。如果對(duì)焊接中心進(jìn)行加速冷卻，則與自然冷卻時(shí)相比，所述LAcl范圍內(nèi)的最高溫度和最低溫度之差減小。其結(jié)果是，基于該范圍內(nèi)的溫度差的殘余應(yīng)力的發(fā)生減小。另外，在更大范圍進(jìn)行考慮的情況下，遠(yuǎn)離焊接區(qū)的低溫部所產(chǎn)生的收縮約束分散在焊接區(qū)的寬廣范圍內(nèi)，因而殘余應(yīng)力的發(fā)生減小。 這樣一來(lái)，由于使焊接后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間時(shí)的、焊接區(qū)的某范圍內(nèi)的最高溫度和最低溫度之差減小，因而可以得到降低殘余應(yīng)力的效果。通過(guò)變更冷卻寬度而使溫度分布發(fā)生變化，有時(shí)正如圖15D中的曲線以3那樣，根據(jù)情況的不同而成為中心部的溫度較低的凹型的溫度分布，但如果上述區(qū)域中的最高溫度和最低溫度之差減小，則可以得到同樣的效果。根據(jù)本發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，在焊接區(qū)的最高加熱溫度超過(guò)Acl的區(qū)域，焊接后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間時(shí)的所述區(qū)域中的最高溫度與最低溫度的溫度差在50°C以內(nèi)，柱部殘余應(yīng)力的降低效果得以確認(rèn)。溫度分布受到冷卻時(shí)間和冷卻速度的影響。鋼軌鋼由于是高碳組成，因而淬透性高，在從奧氏體區(qū)域進(jìn)行加速冷卻的情況下，必須對(duì)相變方式加以考慮。在冷卻速度過(guò)快的情況下，不是通過(guò)圖13A 圖13C所示的奧氏體一珠光體相變區(qū)域，而是通過(guò)其短時(shí)間側(cè)的過(guò)冷奧氏體區(qū)域。因此，生成硬且脆的馬氏體組織，從而焊接區(qū)發(fā)生脆化。于是，本發(fā)明為了防止鋼軌鋼的脆化，將冷卻速度規(guī)定為最大5°C /s。根據(jù)本發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，在不發(fā)生馬氏體的冷卻速度的范圍內(nèi)，冷卻時(shí)間和冷卻寬度是與殘余應(yīng)力相關(guān)的主要因素。冷卻時(shí)間以及冷卻寬度的適當(dāng)范圍容后敘述。通過(guò)對(duì)焊接中心附近進(jìn)行加速冷卻使溫度分布平坦化而減輕殘余應(yīng)力的效果當(dāng)平坦化的溫度分布可以在Arl附近得到時(shí)是效果最大的，而在其以上的溫度或者在其以下的溫度都具有效果。但是，在焊接區(qū)的中心溫度低于200°C的狀態(tài)下，即使能夠得到平坦的溫度分布，也因?yàn)闅堄鄳?yīng)力已經(jīng)大大地產(chǎn)生，因而效果較小?！春附訁^(qū)的冷卻寬度〉圖16A示意表示了在對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行大范圍的冷卻時(shí)的、焊接區(qū)的鋼軌頭部、柱部、足部的溫度分布。鋼軌柱部中央部在長(zhǎng)度方向B-B’上的溫度分布在整體上只是溫度降低，不能期待通過(guò)使中心部的溫度分布變得平坦而緩和應(yīng)力的作用。另一方面，在焊接中心的溫度分布圖中，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，柱部與頭部、足部相比，溫度相對(duì)降低，結(jié)果頭部、 足部在長(zhǎng)度方向的收縮應(yīng)力受到先期冷卻的柱部的約束，特別地，在足底部于長(zhǎng)度方向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。足底部的長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力的拉伸化使人擔(dān)心引起彎曲疲勞強(qiáng)度的降低，因而是不優(yōu)選的。但是，柱部由于在長(zhǎng)度方向被壓縮，并且在上下方向(周向)的殘余應(yīng)力也得以緩和，因而疲勞強(qiáng)度僅限于柱部而得以提高。這樣一來(lái)，冷卻寬度的影響也隨著冷卻時(shí)間的改變而變化。關(guān)于其適當(dāng)條件容后敘述?！醋愕桌鋮s〉圖16B表示對(duì)鋼軌足底部進(jìn)行過(guò)剩冷卻時(shí)的溫度分布。當(dāng)在加速冷卻的作用下而使足部的溫度比柱部的溫度降低時(shí)，鋼軌柱部在長(zhǎng)度方向的收縮應(yīng)力受到溫度更加降低的足部的約束。通過(guò)這種作用，在柱部上產(chǎn)生長(zhǎng)度方向的拉伸應(yīng)力，從而在上下方向(周向) 也產(chǎn)生與泊松比相應(yīng)的拉伸應(yīng)力，結(jié)果使柱部的上下方向(周向)應(yīng)力在拉伸側(cè)發(fā)生變化。 因此，在以強(qiáng)度增加等為目的而對(duì)鋼軌足部進(jìn)行加速冷卻時(shí)，優(yōu)選使鋼軌足部的溫度保持在高于鋼軌柱部的水平。<冷卻裝置>焊接區(qū)的冷卻裝置只要能夠?qū)Τ蔀槔鋮s對(duì)象的鋼軌部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，裝置的類型就沒(méi)有特別的限制。雖然冷卻能力隨冷卻介質(zhì)的不同而不同，但只要能夠獲得本發(fā)明所規(guī)定的冷卻速度，冷卻介質(zhì)的種類就沒(méi)有特別的限定。但是，必須能夠?qū)γ總€(gè)鋼軌部位進(jìn)行冷卻速度的調(diào)整。例如在使用空氣作為冷卻介質(zhì)的情況下，必須能夠通過(guò)調(diào)整其噴出量、 噴出噴嘴和鋼軌表面的距離等而調(diào)整冷卻速度。這樣的冷卻裝置的詳細(xì)情況容后敘述。<冷卻方法(高強(qiáng)度熱處理鋼軌的頭部冷卻方法)>可是，鋼軌頭部因與車(chē)輪的接觸而產(chǎn)生磨損。特別是在曲線軌通上，由于在車(chē)輪和鋼軌之間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)，磨損得以促進(jìn)。另外，列車(chē)重量越重，這種傾向就越強(qiáng)。因此，為了減少鋼軌在曲線區(qū)間的交換頻率，大多采用使鋼軌頭部硬化的熱處理鋼軌。具有高硬度的熱處理鋼軌是通過(guò)在鋼軌的制造工序中進(jìn)行的從高溫奧氏體狀態(tài)的加速冷卻而降低相變溫度來(lái)制造的。在焊接熱處理鋼軌的情況下，焊接中心附近的奧氏體化區(qū)域根據(jù)焊接后的冷卻速度的不同而決定硬度。因此，焊接區(qū)的硬度與熱處理鋼軌中焊接熱量不產(chǎn)生影響的部分的硬度不同。采用閃光對(duì)焊的焊接后的自然冷卻中在珠光體相變溫度區(qū)域的冷卻速度通常為 rc /S以下，因而焊接區(qū)的硬度大多比熱處理鋼軌的硬度降低。因此，在熱處理鋼軌的焊接中，優(yōu)選焊接后在從奧氏體區(qū)域到珠光體相變結(jié)束的溫度范圍內(nèi)對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行加速冷卻，從而得到與母材同等的硬度。在閃光對(duì)焊以外的焊接法中，由于冷卻速度更加緩慢，因而焊接區(qū)的硬度進(jìn)一步降低。在熱處理鋼軌的焊接中，為了獲得與母材同等的焊接區(qū)硬度， 焊接后在從奧氏體分解開(kāi)始溫度到珠光體相變結(jié)束的溫度范圍內(nèi)對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行加速冷卻。但是，因焊接而被加熱到500°C以上、且AC3、ACe、ACCm以下的溫度區(qū)域的部分的、 球狀化的滲碳體區(qū)域或者鐵素體單相區(qū)域即使進(jìn)行加速冷卻也不會(huì)硬化。因此，進(jìn)行加速冷卻而能夠調(diào)整硬度的部分是焊接中心附近的被加熱到奧氏體單相區(qū)域的區(qū)域。<冷卻溫度區(qū)域>關(guān)于冷卻溫度區(qū)域，下面以圖17 圖21為基礎(chǔ)進(jìn)行說(shuō)明。圖17表示在鋼軌柱部的珠光體相變結(jié)束后，對(duì)鋼軌柱部進(jìn)行加速冷卻的第1冷卻模式。柱部冷卻的開(kāi)始溫度越高越優(yōu)選，但如果從珠光體相變未結(jié)束的高溫狀態(tài)以高的冷卻速度進(jìn)行冷卻，則有產(chǎn)生馬氏體組織的危險(xiǎn)性，從而并不是優(yōu)選的。柱部的冷卻速度必須在自然冷卻速度以上，冷卻速度越快，就越容易使焊接中心的溫度分布平坦化，從而降低殘余應(yīng)力的效果就越大。另外，在足部的冷卻速度超過(guò)柱部的冷卻速度的情況下，便推遲在柱部產(chǎn)生收縮應(yīng)力。其結(jié)果是，柱部的收縮受到足部的約束，因而長(zhǎng)度方向的拉伸殘余應(yīng)力增大。其結(jié)果是，在柱部的上下方向(周向)也產(chǎn)生與泊松比相應(yīng)的拉伸應(yīng)力，故而上下方向(周向)的殘余應(yīng)力在拉伸側(cè)惡化，因而是不優(yōu)選的。借助于圖17所示的第1冷卻模式，鋼軌柱部在上下方向(周向)的殘余應(yīng)力得以降低，從而可以將足部的長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力保持為壓縮的狀態(tài)。圖18A、圖18B以及圖18C表示鋼軌焊接區(qū)的柱部的溫度從處于奧氏體溫度區(qū)域的狀態(tài)開(kāi)始加速冷卻的第2冷卻模式。圖18A是柱部的溫度從奧氏體區(qū)域冷卻到珠光體相變結(jié)束的例子。在達(dá)到殘余應(yīng)力的發(fā)生顯著的珠光體相變溫度以下之前，利用預(yù)先使焊接中心附近的溫度分布平坦化、 以及對(duì)焊接區(qū)柱部進(jìn)行加速冷卻從而提高強(qiáng)度的效果，可以提高疲勞強(qiáng)度。為了獲得這些效果，必須從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始冷卻。另外，由于冷卻到珠光體相變結(jié)束的Arl以下，因而冷卻部的硬度顯著上升。圖18B是鋼軌焊接區(qū)的柱部的溫度從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始加速冷卻、且冷卻到珠光體相變區(qū)域的途中的例子。在該方法中，也是在達(dá)到殘余應(yīng)力的發(fā)生顯著的珠光體相變溫度以下之前，利用預(yù)先使焊接中心附近的溫度分布平坦化、以及對(duì)焊接區(qū)柱部進(jìn)行加速冷卻從而提高強(qiáng)度的效果，可以提高疲勞強(qiáng)度。為了獲得這些效果，必須至少?gòu)膴W氏體溫度區(qū)域開(kāi)始冷卻。另一方面，由于在珠光體相變結(jié)束前停止冷卻，因而硬度的上升量比先前所示的圖18A小。圖18C是鋼軌焊接區(qū)的柱部的溫度從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始加速冷卻、且臨到珠光體相變區(qū)域之前停止冷卻的例子。在該方法中，也是在達(dá)到殘余應(yīng)力的發(fā)生顯著的珠光體相變溫度以下之前，通過(guò)預(yù)先使焊接中心附近的溫度分布平坦化，從而可以提高疲勞強(qiáng)度。為了獲得該效果，必須至少?gòu)膴W氏體溫度區(qū)域開(kāi)始冷卻。另外，為了以溫度分布的平坦化為目標(biāo)，優(yōu)選至少冷卻到溫度從冷卻開(kāi)始降低50°C以上。在此情況下，當(dāng)冷卻停止溫度下降至珠光體相變的冶金驅(qū)動(dòng)力發(fā)生作用的Ar3點(diǎn)、Ae點(diǎn)、Acm點(diǎn)以下時(shí)，硬度有少許上升，但硬度的上升量比圖18A、圖 18B小。當(dāng)冷卻停止溫度在珠光體相變的冶金驅(qū)動(dòng)力發(fā)生作用的Ar3點(diǎn)、Ae點(diǎn)、Acm點(diǎn)以上時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生硬度上升，但即使在此情況下，借助于溫度分布的平坦化也可以改善殘余應(yīng)力。冷卻速度采用自然冷卻速度不能獲得其效果，相反在冷卻過(guò)快的情況下，柱部的組織不會(huì)發(fā)生珠光體相變，而是在更低的溫度下發(fā)生貝氏體或者馬氏體相變。高碳素鋼的馬氏體組織極硬且脆，因而是必須避免的。另外，貝氏體組織因相變溫度的不同而使強(qiáng)度發(fā)生變動(dòng)，合金成分的偏析部進(jìn)而因相變延遲而有混入馬氏體組織的危險(xiǎn)性，因而是不優(yōu)選的。為了防止這些珠光體以外的組織，冷卻速度必須在5°C /s以下。圖19表示鋼軌焊接區(qū)的柱部溫度從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始加速冷卻，進(jìn)而在柱部的珠光體相變結(jié)束后還對(duì)柱部進(jìn)行加速冷卻的第3冷卻模式。該方法在達(dá)到殘余應(yīng)力的發(fā)生顯著的珠光體相變溫度以下之前，利用預(yù)先使焊接中心附近的溫度分布平坦化、以及對(duì)焊接區(qū)柱部進(jìn)行加速冷卻從而提高強(qiáng)度的效果，而且通過(guò)在柱部的珠光體相變結(jié)束后進(jìn)一步對(duì)柱部進(jìn)行冷卻，可以進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度。為了獲得這些效果，至少必須從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始冷卻。始于奧氏體溫度區(qū)域的冷卻的結(jié)束為了以溫度分布的平坦化為目標(biāo)，優(yōu)選至少進(jìn)行距冷卻開(kāi)始50°C以上的冷卻。另外，為了獲得硬度的上升，優(yōu)選冷卻至珠光體相變的冶金驅(qū)動(dòng)力發(fā)生作用的Ar3點(diǎn)、Ae點(diǎn)、Acm點(diǎn)以下。也可以使從奧氏體區(qū)域開(kāi)始的冷卻進(jìn)行至珠光體相變結(jié)束后，接著連續(xù)地進(jìn)行珠光體結(jié)束后的冷卻。從奧氏體區(qū)域到珠光體相變結(jié)束的冷卻速度必須在自然冷卻速度以上，但為了避免馬氏體組織和貝氏體組織，優(yōu)選在5°C /s以下。珠光體相變結(jié)束后的柱部的冷卻速度在自然冷卻速度以上，冷卻速度越快，降低殘余應(yīng)為的效果越大。如前所述，為了防止馬氏體組織，必須使珠光體相變區(qū)域的冷卻速度為5°C /s以下。作為用于防止馬氏體組織的其它方法，在珠光體相變溫度區(qū)域設(shè)置冷卻速度充分慢的、 例如為自然冷卻速度或者2V /s以下的加速冷卻的期間，以等待珠光體相變結(jié)束的方法也是有效的。不論珠光體相變溫度區(qū)域以外的溫度區(qū)域中的冷卻速度，通過(guò)設(shè)置珠光體相變溫度區(qū)域中的該充分慢的冷卻期間從而使珠光體相變結(jié)束，可以完全抑制馬氏體的生成。換句話說(shuō)，該冷卻模式是將焊接區(qū)的冷卻期間區(qū)分為前段、中段、后段，將中段的期間設(shè)定為650°C 600°C的珠光體相變溫度區(qū)域的一部分，而且設(shè)定自然冷卻速度或者 2V /s以下的緩慢的冷卻速度的方法。為了抑制馬氏體組織，優(yōu)選將中段冷卻的期間設(shè)定為20秒以上。圖20A、圖20B表示作為它的例子的第4冷卻模式。圖20A是通過(guò)前段的冷卻而使鋼軌焊接區(qū)的柱部的溫度從奧氏體溫度區(qū)域加速冷卻至珠光體相變溫度區(qū)域的途中，接著在中段的冷卻中以自然冷卻速度或者2°C /s以下的緩慢的冷卻速度使柱部的珠光體相變結(jié)束，接著在后段的冷卻中使柱部以自然冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻的例子。該方法由于使前段的冷卻的溫度區(qū)間包含珠光體相變溫度區(qū)域的一部分，因而可以獲得提高柱部強(qiáng)度的效果。珠光體相變結(jié)束后的后段的柱部的冷卻速度越快，則降低殘余應(yīng)力的效果越大。圖20B是鋼軌焊接區(qū)的柱部的溫度從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始前段的加速冷卻并在奧氏體溫度區(qū)域轉(zhuǎn)換為中段冷卻，并且作為中段冷卻，從奧氏體溫度區(qū)域到珠光體相變結(jié)束以自然冷卻速度或者2V /s以下的冷卻速度緩慢地進(jìn)行冷卻，接著在后段的冷卻中對(duì)柱部進(jìn)行加速冷卻的例子。珠光體相變結(jié)束后的柱部的冷卻速度越快，降低殘余應(yīng)力的效果越大。另外，在柱部發(fā)生珠光體相變后的冷卻中，在足部的冷卻速度超過(guò)柱部的情況下， 柱部延遲收縮，柱部的收縮受到足部的約束而使長(zhǎng)度方向的拉伸殘余應(yīng)為增加，結(jié)果在上下方向(周向)也產(chǎn)生與泊松比相應(yīng)的拉伸應(yīng)力，因而是不優(yōu)選的。借助于該方法，可以進(jìn)一步降低鋼軌柱部在上下方向(周向)的殘余應(yīng)力，而且通過(guò)增加柱部的強(qiáng)度可以獲得更高的疲勞強(qiáng)度。在上述的冷卻方法中，就柱部發(fā)生珠光體相變后的足部的冷卻速度必須不超過(guò)柱部的冷卻速度進(jìn)行了說(shuō)明。從該觀點(diǎn)出發(fā)，在重載荷鐵道等的鋼軌于荷刻的環(huán)境下使用時(shí)， 為了更加改善殘余應(yīng)為、從而進(jìn)一步獲得較高的疲勞強(qiáng)度，在焊接后的冷卻過(guò)程中需要將鋼軌足部設(shè)定為自然冷卻。另一方面，關(guān)于磨損較快的面向曲線軌道的對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行過(guò)熱處理的鋼軌，優(yōu)選在焊接后的冷卻過(guò)程中，在鋼軌頭部發(fā)生珠光體相變的溫度區(qū)域進(jìn)行加速冷卻，從而賦予與母材鋼軌同等的硬度。圖21表示鋼軌頭部以及柱部的溫度從奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始加速冷卻，進(jìn)而在柱部結(jié)束珠光體相變后，對(duì)柱部進(jìn)一步進(jìn)行加速冷卻的第5冷卻模式。為了使鋼軌頭部、柱部硬化，鋼軌頭部的加速冷卻需要從超過(guò)A3、Ae或者Acm的奧氏體溫度區(qū)域開(kāi)始，需要在直至珠光體相變結(jié)束的至少一部分的溫度范圍進(jìn)行冷卻。始于奧氏體溫度區(qū)域的冷卻的結(jié)束為了以溫度分布的平坦化為目標(biāo)，優(yōu)選進(jìn)行至少距冷卻開(kāi)始50°C以上的冷卻。另外，為了提高硬度，需要冷卻到珠光體相變的冶金驅(qū)動(dòng)為發(fā)生作用的 Ar3點(diǎn)、Ae點(diǎn)、Acm點(diǎn)以下，為了獲得更充分的硬度，需要冷卻至珠光體相變結(jié)束的Arl以下。 雖然也可以使從奧氏體區(qū)域開(kāi)始的冷卻進(jìn)行到珠光體相變結(jié)束后、接著連續(xù)地進(jìn)行珠光體結(jié)束后的冷卻，但即使在途中將其中斷也沒(méi)有關(guān)系。始于奧氏體區(qū)域的頭部和柱部的冷卻速度均不在自然冷卻速度以上就不能硬化，另一方面，為了避免馬氏體組織和貝氏體組織， 需要在5°C /s以下。借助于該方法，在使鋼軌頭部硬化的熱處理鋼軌中，可以降低鋼軌柱部在上下方向(周向)的殘余應(yīng)力，而且可以抑制焊接區(qū)的局部的偏磨損。<適當(dāng)?shù)暮附訁^(qū)冷卻寬度和冷卻時(shí)間的關(guān)系>另外，在對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行冷卻的情況下，根據(jù)焊接后的經(jīng)過(guò)時(shí)間的不同，鋼軌柱部的焊接區(qū)的溫度分布狀態(tài)發(fā)生變化。由于殘余應(yīng)為取決于焊接區(qū)的溫度分布，因而根據(jù)停止冷卻的溫度、或者冷卻時(shí)間的不同，對(duì)降低殘余應(yīng)力有效的冷卻范圍不同。下面使用圖22A 圖22C，示意圖示了鋼軌長(zhǎng)度方向的距焊接中心的溫度分布與焊接后的時(shí)間經(jīng)過(guò)一起發(fā)生變化的狀況，并就此時(shí)的殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行說(shuō)明。圖22A 圖22C的縱軸為溫度，橫軸為距焊接中心的距離除以材料被加熱到Acl 以上的距離LAcl所得到的無(wú)量綱數(shù)。該材料的Acl溫度為730°C，焊接時(shí)被加熱到Acl以上的寬度距焊接中心部在單側(cè)為20mm，而從焊接中心橫跨兩側(cè)的整個(gè)寬度為40mm。圖22A 圖22C表示焊接后自然冷卻1分鐘之后、在空氣中僅對(duì)鋼軌柱部以2V / s的冷卻速度進(jìn)行冷卻時(shí)，剛焊接后、焊接后1分鐘、焊接后3分鐘、焊接后9分鐘的狀態(tài)。 實(shí)線表示對(duì)柱部進(jìn)行自然冷卻的狀態(tài)，虛線表示加速冷卻柱部的狀態(tài)的溫度。在這些例子中，足部進(jìn)行自然冷卻，足部的溫度分布相當(dāng)于實(shí)線。圖22A表示在鋼軌柱部的冷卻范圍L極度狹窄時(shí)即k為0. 1時(shí)的溫度分布。冷卻寬度距焊接中心在單側(cè)為2mm，從焊接區(qū)整體看時(shí)整個(gè)冷卻寬度為4mm。鋼軌柱部在Acl 以上的寬度(LAcl)為40mm，當(dāng)將該寬度相對(duì)于冷卻范圍L的比率設(shè)定為k的情況下，k為 0. 1。因?yàn)橹皇呛附又行牟繙囟冉档?，所以在冷卻時(shí)間較短的階段，柱部的溫度分布在焊接中心部即柱部的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(在圖中的橫軸上，距焊接中心的距離在 LAcl的0 0. 5倍的范圍)的最高溫度和最低溫度之差超過(guò)50°C，柱部上下方向(周向) 的殘余應(yīng)力不會(huì)降低。即使在冷卻寬度極端狹窄的k為0. 1的條件下長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行冷卻，仍然只是焊接中心附近溫度降低，柱部的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(在圖中的橫軸上，距焊接中心的距離為L(zhǎng)Acl的0 0. 5倍的范圍)的最高溫度和最低溫度之差為100°C左右，拉伸殘余應(yīng)力不會(huì)降低。圖22B表示在鋼軌柱部的冷卻范圍L為中等程度時(shí)即k為1時(shí)的溫度分布。冷卻寬度距焊接中心在單側(cè)為20mm，整個(gè)冷卻寬度為40mm，相對(duì)于鋼軌柱部達(dá)到Acl以上的整個(gè)寬度40mm的比率(k)為1。
21
從冷卻時(shí)間較短的階段起，柱部的焊接區(qū)的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(在圖中的橫軸上，距焊接中心的距離為L(zhǎng)Acl的0 0. 5倍的范圍)的最高溫度和最低溫度之差在 50°C以內(nèi)，上下方向(周向)的殘余應(yīng)力得以降低。在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間冷卻的狀態(tài)下，焊接區(qū)的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(圖中距焊接中心的距離為L(zhǎng)Acl的0 0.5倍的范圍)的溫度范圍也在50°C以內(nèi)，上下方向(周向)的殘余應(yīng)力得以降低。圖22C表示鋼軌柱部的冷卻范圍L極度寬時(shí)即k為2時(shí)的溫度分布。冷卻寬度距焊接中心在單側(cè)為40mm，整個(gè)冷卻寬度為80mm，相對(duì)于鋼軌柱部達(dá)到Acl以上的寬度40mm 的比率k為2。由于在冷卻時(shí)間較短的階段，柱部的溫度大范圍且均勻地降低，因而焊接中心的溫度較高的傾向殘存下來(lái)，焊接中心部即柱部的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(在圖中的橫軸上，距焊接中心的距離為L(zhǎng)Acl的0 0.5倍的范圍)的最高溫度和最低溫度之差超過(guò)50°C， 上下方向(周向)殘余應(yīng)力的降低效果較小。另一方面，如果進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間冷卻，則高溫部?jī)?yōu)先冷下來(lái)，因而焊接區(qū)中央的溫度降低逐步進(jìn)行。因此，焊接中心部即柱部的溫度達(dá)到Acl以上的區(qū)域(在圖中的橫軸上，距焊接中心的距離為L(zhǎng)Acl的0 0. 5倍的范圍)的最高溫度和最低溫度之差在50°C以下，柱部上下方向(周向)的殘余應(yīng)力得以降低。另一方面，柱部和足部(非冷卻部)的溫度差顯著的區(qū)域如果擴(kuò)大，則足底部在長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力向拉伸側(cè)轉(zhuǎn)移。如圖22A 圖22C所示，隨著冷卻寬度的增加，而且隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，柱部和足部(非冷卻部)的溫度差顯著的區(qū)域得以擴(kuò)大。在圖22A 圖22C中，在進(jìn)行冷卻范圍寬的圖22C的長(zhǎng)時(shí)間冷卻的情況下，柱部和足部的溫度差顯著的區(qū)域明顯擴(kuò)大，足底部長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)為的絕對(duì)值達(dá)到拉伸側(cè)。如上所述，除冷卻寬度以外，根據(jù)冷卻時(shí)間的不同，溫度分布存在不同，由此帶來(lái)的殘余應(yīng)力也不同。如果將在圖22A 圖22C中說(shuō)明的內(nèi)容分為短時(shí)間冷卻的情況和長(zhǎng)時(shí)間冷卻的情況、且用冷卻寬度進(jìn)行調(diào)整，則被調(diào)整為如圖23A、圖2 所示。首先，在圖23A所示的短時(shí)間冷卻的情況下，當(dāng)柱部的冷卻寬度過(guò)于狹窄時(shí)，柱部上下方向(周向)的應(yīng)力沒(méi)有變化。當(dāng)冷卻寬度過(guò)寬時(shí)，冷卻時(shí)焊接區(qū)及其周?chē)w上冷下來(lái)，因而焊接中心部保持高溫的狀態(tài)不變而殘存下來(lái)，殘余應(yīng)力不會(huì)減輕。另一方面，足底長(zhǎng)度方向應(yīng)力隨著冷卻寬度的增加而增加，在冷卻寬度極端寬的情況下，甚至也不會(huì)成為拉伸應(yīng)力。由以上可知在冷卻時(shí)間較短的情況下，柱部的上下方向(周向)殘余應(yīng)為降低的中間的冷卻寬度為適當(dāng)范圍。另一方面，在圖2 所示的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，冷卻寬度越寬，柱部的殘余應(yīng)力越降低。在冷卻寬度過(guò)寬的情況下，與足部的溫度差較大的區(qū)域擴(kuò)大，足部在長(zhǎng)度方向的收縮應(yīng)變作用于柱部，在長(zhǎng)度方向的壓縮應(yīng)變的作用下，柱部在上下方向(周向)的拉伸減少。足底的長(zhǎng)度方向收縮隨之受到柱部的約束，殘余應(yīng)力的絕對(duì)值甚至變?yōu)槔鞈?yīng)力而惡化。冷卻寬度的適當(dāng)范圍是直至足底的長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力的絕對(duì)值達(dá)到拉伸側(cè)。由上可知隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，冷卻寬度的適當(dāng)范圍向狹窄范圍轉(zhuǎn)移。該情況如圖M所示。圖M的縱軸表示柱部的冷卻寬度L與柱部中加熱到Acl以上的寬度LAcl之比k，橫軸以分鐘為單位表示冷卻時(shí)間。適當(dāng)?shù)睦鋮s范圍在圖中為被(a)、(b)所示的直線包圍的范圍，它隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)而向狹窄范圍轉(zhuǎn)移。被直線(a)、直線(b)所包圍的范圍用式⑴表示。k =-0. lt+1. 48士0. 85(1)換句話說(shuō)，k的范圍用-0. lt+0. 63彡k彡-0. lt+2. 33 (2)表示。如前所述，通過(guò)使鋼軌柱部的焊接區(qū)附近的溫度分布變得平坦，可以降低柱部在上下方向的殘余應(yīng)為。因此，將冷卻范圍限定為焊接區(qū)中心附近的高溫區(qū)域是有效的。此外，在冷卻寬度過(guò)于狹窄的情況下，冷卻效率降低從而殘余應(yīng)力減少的效果下降，因而優(yōu)選至少冷卻5mm以上的范圍。通過(guò)以上的焊接后的控制冷卻，可以得到鋼軌焊接區(qū)中柱部的上下方向殘余應(yīng)力得以降低、足底部的長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力也處于壓縮范圍的良好的焊接接頭。通過(guò)將鋼軌柱部在上下方向的殘余應(yīng)力降低到350MPa以下的拉伸應(yīng)為，則根據(jù)本發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，在模擬重載荷鐵道的疲勞試驗(yàn)中沒(méi)有看到柱部的水平龜裂的發(fā)生。另外，由于足底部在長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力處于壓縮范圍，因而可以得到即便是彎曲疲勞試驗(yàn)也充分的疲勞壽命。另外，這些效果是通過(guò)調(diào)整冷卻珠光體相變溫度區(qū)域時(shí)的冷卻速度，從而將金屬組織的95%以上設(shè)定為珠光體組織，由此抑制硬且脆的馬氏體組織的發(fā)生而得到的。此外，如圖20A、圖20B所示，在冷卻工序中包含冷卻速度極慢的區(qū)間的情況下，從冷卻開(kāi)始到結(jié)束的整體的冷卻時(shí)間延長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明人的研究，在這樣的冷卻方法中，式 ⑴以及式⑵所使用的冷卻時(shí)間需要使用從整體的冷卻時(shí)間中減去2°C /s以下的緩慢冷卻的時(shí)間所得到的值。接著，對(duì)于用于充分確保鋼軌頭部的硬度、同時(shí)使柱部的殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低的一個(gè)實(shí)施方式，以下參照附圖進(jìn)行說(shuō)明。此外，在以下的實(shí)施方式的說(shuō)明中，如圖觀所示， 有時(shí)將鋼軌頭部的上表面115稱為“頭頂部”，將頭部側(cè)面117稱為“頭側(cè)部”，將頭部和柱部之間的中間變細(xì)部分119稱為“頸部”，將頭頂部和頭側(cè)部之間的上側(cè)角部116稱為“軌間(gauge)角部”，將頭側(cè)部和頸部之間的下側(cè)角部118稱為“顎部”。在對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻的情況下，由于顎部有棱角，因而如后所述，顎部的冷卻速度比其它部位快。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果顎部的冷卻速度比其它部位快，則柱部的殘余應(yīng)力并不是那種程度地降低。于是，本實(shí)施方式在對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)，由于使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢，因而可以充分確保鋼軌頭部的硬度，而且謀求柱部的殘余應(yīng)為的降低?？梢酝茰y(cè)在使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢的情況下，由于顎部附近的強(qiáng)度降低，因而柱部的收縮應(yīng)變被吸收，柱部的殘余應(yīng)為得以降低。另外，本實(shí)施方式的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法中，如果將形成所述頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則優(yōu)選對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻。由此，顎部的冷卻速度得以緩和，可以使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢。另外，在本發(fā)明的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法中，也可以在距所述頭側(cè)部的上端為 2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域設(shè)置屏蔽板，并向所述頭部噴出冷卻用流體。根據(jù)這樣的構(gòu)成，由于用屏蔽板遮蓋了向距頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域噴出的冷卻用流體，因而顎部的冷卻速度得以緩和，從而可以使顎部的冷卻速度比柱部的冷卻速度慢。此外，作為冷卻用流體的種類，可以根據(jù)冷卻速度的不同，能夠選擇空氣、氣水 (空氣和水的混合流體)以及水之中的任一種。另外，上述鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法中使用的冷卻裝置的特征在于其具有頭部冷卻單元，其中，如果將形成鋼軌焊接區(qū)的頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻。另外，在本發(fā)明的鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置中，所述頭部冷卻單元也可以具有向所述頭部噴出冷卻用流體的噴出部，以及覆蓋比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域的屏蔽板。另外，本發(fā)明的一實(shí)施方式的焊接接頭采用上述鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，使所述柱部中的鋼軌斷面周向的殘余應(yīng)力被設(shè)定為300MPa以下，而且使所述頭部的硬度被設(shè)定為Hv320以上。在此，“硬度”為維氏硬度。如果柱部中的鋼軌斷面周向的殘余應(yīng)為超過(guò)300MPa，則鋼軌的疲勞強(qiáng)度顯著降低。另外，如果頭部的硬度低于Hv320，則鋼軌頭部的磨損劇烈，從而鋼軌的耐久性顯著降低。此外，在重載荷鐵道的曲線軌道上，磨損極其容易發(fā)展，從而大多使用母材的頭部表層的硬度為Hv400左右的鋼軌。因此，即使在鋼軌焊接區(qū)的頭部表層中，也優(yōu)選具有與母材鋼軌同等的Hv400左右的硬度。[閃光對(duì)焊]鋼軌焊接區(qū)的柱部在上下方向的殘余應(yīng)為在溫度梯度最為陡峭的閃光對(duì)焊中尤其顯著。因此，在本說(shuō)明書(shū)中，作為鋼軌接縫的焊接方法的一個(gè)例子，就閃光對(duì)焊進(jìn)行說(shuō)明。 此外，本發(fā)明的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法以及該冷卻方法中使用的冷卻裝置當(dāng)然即使對(duì)于鋁熱焊等其它焊接方法也可以適用。圖34A 圖34C表示了用于說(shuō)明閃光對(duì)焊的示意圖。在被稱之為閃光工序的第一工序中，在經(jīng)由與電源137連接的電極136而施加的電壓的作用下，在連接設(shè)置的鋼軌111 的端面間連續(xù)地產(chǎn)生電弧(參照?qǐng)D34A)。產(chǎn)生電弧的部分局部熔融，熔融的金屬的一部分作為飛濺物向外部放出，但剩余部分殘留于鋼軌111的端面。在因電弧而熔融的部分產(chǎn)生被稱之為弧坑的凹坑。鋼軌111逐漸接近，在新的接觸部分陸續(xù)產(chǎn)生電弧，鋼軌111因局部熔融的反復(fù)進(jìn)行而逐漸縮短。使閃光工序持續(xù)幾十秒到幾分鐘，從而鋼軌111的整個(gè)端面處于熔融狀態(tài)。另外，鋼軌111的端面附近因溫度上升而軟化。在達(dá)到該狀態(tài)的時(shí)點(diǎn)，如圖 34B所示，向鋼軌軸向進(jìn)行加壓(加壓工序)。在該被稱之為“upset (加壓)”的加壓的作用下，在鋼軌111的端面形成的弧坑被壓碎，在端面間存在的熔融金屬向焊接面之外擠出。 軟化的端面附近發(fā)生塑性變形而使斷面增大，從而在焊接面的周?chē)纬珊傅?38。該焊道 138如圖34C所示，在剛焊接后的高溫期借助于修整器139進(jìn)行熱剪斷而除去。該工序被稱之為修整。修整后，在焊接區(qū)的周?chē)鷼埓嬗斜『傅?38。在鋼軌頭部殘存的薄焊道138利用砂輪機(jī)進(jìn)行研磨而使其平滑化，但在鋼軌柱部以及足部殘存的薄焊道138根據(jù)鐵道公司的不同而采用不同的處理方法或者利用砂輪機(jī)進(jìn)行研磨，或者不進(jìn)行處理等。[鋼軌鋼]鋼軌鋼正如JIS-E1101 “普通鋼軌以及道岔類用特殊鋼軌”、JIS-E1120 “熱處理鋼軌”中規(guī)定的那樣，一般使用含有0. 5 0. 8質(zhì)量％碳的亞共析或者共析碳素鋼。另外，最近以海外礦山鐵道中的重載荷貨物線為對(duì)象、且磨損性得到進(jìn)一步提高、含有超過(guò)0.8質(zhì)量％碳的過(guò)共析組成的鋼軌鋼也正在普及。[殘余應(yīng)力的發(fā)生機(jī)理]在存在起因于鋼軌內(nèi)的不均勻溫度的不均勻收縮應(yīng)變的情況下，鋼軌內(nèi)的各部位相互受到收縮應(yīng)變的約束而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，該收縮應(yīng)力作為內(nèi)部應(yīng)為殘存下來(lái)，便被稱作殘余應(yīng)為。在對(duì)鋼軌的接縫進(jìn)行焊接的情況下，在鋼軌焊接區(qū)和周?chē)g產(chǎn)生較大的溫度差。由此，在鋼軌焊接區(qū)產(chǎn)生收縮應(yīng)為并成為殘余應(yīng)為。于是，如果對(duì)焊接中心附近進(jìn)行加速冷卻，則焊接中心附近的溫度分布變得平坦，因而焊接中心的殘余應(yīng)力的發(fā)生得以降低。 但是，對(duì)焊接中心附近進(jìn)行加速冷卻而使溫度分布平坦化、由此減輕殘余應(yīng)力的效果在平坦化的溫度分布于Arl (奧氏體消失的溫度)附近得到時(shí)是最大的，在鋼軌焊接區(qū)的中心溫度低于200°C的狀態(tài)下即使能夠得到平坦的溫度分布，也已經(jīng)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而殘余應(yīng)為的降低效果較小。[鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置]本發(fā)明的一實(shí)施方式的鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置(以下簡(jiǎn)稱為冷卻裝置)110如圖 29所示，概要的構(gòu)成包括用于對(duì)焊接了鋼軌111之后的鋼軌焊接區(qū)150的頭部112進(jìn)行加速冷卻的頭部冷卻單元120、以及用于對(duì)鋼軌焊接區(qū)150的柱部113進(jìn)行加速冷卻的柱部冷卻裝置121 ；并不具有對(duì)鋼軌焊接區(qū)150的足部114進(jìn)行加速冷卻的冷卻裝置。此外，冷卻裝置110也可以具有后述的控制裝置(未圖示)。頭部冷卻單元120具有向頭部112噴出冷卻用流體的噴出部123、以及在頭部 112的側(cè)面配置的一對(duì)的屏蔽板125(參照?qǐng)D30A、圖30B)。噴出部123被設(shè)計(jì)成包圍鋼軌焊接區(qū)150的頭頂部11 以及頭側(cè)部112b的半筒狀，向頭頂部11 以及頭側(cè)部112b噴出冷卻用流體的噴出孔123a設(shè)置在內(nèi)周面上。一對(duì)屏蔽板125被設(shè)計(jì)成沿鋼軌軸向延長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向的兩端部呈大致“ 二 ”字狀 (倒“二”字狀)斷面，且中間部呈大致“L”字狀(倒“L”字狀)斷面(參照?qǐng)D31、圖32、 圖33)。關(guān)于一對(duì)屏蔽板125的兩端部，其上緣部通過(guò)鉸鏈1 進(jìn)行連結(jié)，并載置在頭頂部 11 上(參照?qǐng)D33)。一對(duì)的屏蔽板125以鉸鏈1 為旋轉(zhuǎn)軸而在與鋼軌軸正交的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且開(kāi)閉自如。如果將頭側(cè)部112b的高度設(shè)定為Hs，則被設(shè)計(jì)成大致“L”字狀(倒“L” 字狀)斷面的中間部覆蓋比距頭側(cè)部112b的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域 (頭側(cè)部112b的下側(cè)Hs/3+顎部112c+頸部112d)(參照?qǐng)D29、圖31)。此外，屏蔽板125 的中間部的上緣12 以冷卻用流體不會(huì)流入頭部區(qū)域的方式向頭側(cè)部112b側(cè)傾斜。柱部冷卻裝置121夾持著鋼軌焊接區(qū)150的柱部113而相向配置，并具備設(shè)置有用于向柱部113噴出冷卻用流體的噴出孔12 的一對(duì)噴出部124(參照?qǐng)D29)。在用于對(duì)鋼軌焊接區(qū)150的頭部112進(jìn)行加速冷卻的頭部冷卻單元120的噴出部123上，連接有用于供給冷卻用流體的供給管128，在用于對(duì)鋼軌焊接區(qū)150的柱部113 進(jìn)行加速冷卻的柱部冷卻裝置121的噴出部IM上，連接有用于供給冷卻用流體的供給管 129。供給管128、1四保持在由橫跨鋼軌111而架設(shè)的門(mén)型框架構(gòu)成的臺(tái)架122上。[鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法]下面就采用冷卻裝置110進(jìn)行的鋼軌焊接區(qū)150的冷卻方法進(jìn)行說(shuō)明。(1)如圖33的虛線所示，通過(guò)以鉸鏈126為轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而使一對(duì)屏蔽板125處于打開(kāi)的狀態(tài)，在鋼軌焊接區(qū)150的頭頂部11 上，載置著鉸鏈1 所設(shè)置的部位。載置在頭頂部11 上的一對(duì)屏蔽板125，其頂端部在自重的作用下向下方轉(zhuǎn)動(dòng)而成為圖33的用實(shí)線表示的狀態(tài)。由此，比距鋼軌焊接區(qū)150的頭側(cè)部112b的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域(頭側(cè)部112b的下側(cè)Hs/3+顎部112c+頸部112d)處于用屏蔽板125覆蓋的狀態(tài)(參照?qǐng)D31)。(2)以橫跨鋼軌111的方式設(shè)置由門(mén)型框架構(gòu)成的臺(tái)架122，布置頭部冷卻單元 120的噴出部123，使其包圍鋼軌焊接區(qū)150的頭頂部11 以及頭側(cè)部112b，并且?jiàn)A持鋼軌焊接區(qū)150的柱部113而使柱部冷卻裝置121相向配置。(3)關(guān)于鋼軌焊接區(qū)150的頭部112以及柱部113，在直至從奧氏體溫度區(qū)域向珠光體的相變結(jié)束的期間，從頭部冷卻單元120的噴出部123以及柱部冷卻裝置121的噴出部IM噴出冷卻用流體而對(duì)頭部112以及柱部113進(jìn)行加速冷卻。上述冷卻的控制可以使用設(shè)置在冷卻裝置110上的控制裝置。采用本發(fā)明的實(shí)施方式的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法對(duì)鋼軌焊接區(qū)進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程如圖35所示，對(duì)鋼軌焊接區(qū)進(jìn)行自然冷卻時(shí)的溫度過(guò)程如圖36所示，僅對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程如圖37所示，采用以前的方法對(duì)鋼軌焊接區(qū)的頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻時(shí)的溫度過(guò)程如圖38所示。從這些圖中可以看出無(wú)論在自然冷卻、僅對(duì)頭部的加速冷卻、采用以前的方法對(duì)頭部以及柱部進(jìn)行的加速冷卻哪一種情況下，顎部的冷卻速度最快，但根據(jù)本發(fā)明，顎部的冷卻速度比柱部緩慢。圖39表示實(shí)施上述各冷卻方法時(shí)的、鋼軌的焊接中心的鋼軌斷面周向的殘余應(yīng)力分布。由該圖可知只對(duì)頭部進(jìn)行加速冷卻的情況與自然冷卻的情況相比，柱部的殘余應(yīng)力增大，采用以前的方法對(duì)頭部以及柱部進(jìn)行加速冷卻的情況與自然冷卻的情況相比，柱部的殘余應(yīng)力降低。再者，可知采用本發(fā)明的方法的情況與以前的方法相比，柱部的殘余應(yīng)力得以進(jìn)一步降低。以上就本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明絲毫不會(huì)限定于上述實(shí)施方式中記載的構(gòu)成，也包括在權(quán)利要求書(shū)所記載的事項(xiàng)的范圍內(nèi)可以考慮的其它實(shí)施方式和變形例。例如在上述實(shí)施方式中，設(shè)置了用于遮擋向比距頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域噴出的冷卻用流體的屏蔽板，但也可以不設(shè)置屏蔽板而向比距頭側(cè)部的下端為Hs/3的上方位置靠上側(cè)的頭部區(qū)域噴出冷卻用流體。另外，在上述實(shí)施方式中， 頭部冷卻單元的噴出部設(shè)計(jì)為半筒狀，但也可以設(shè)置頭頂部用噴出部和頭側(cè)部用噴出部。實(shí)施例<試驗(yàn)方法>(關(guān)于柱部的疲勞試驗(yàn)方法)對(duì)柱部水平龜裂的疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用圖25示意表示的方法來(lái)進(jìn)行。將鋼軌焊接區(qū)置于平臺(tái)27上，利用推壓工具(pressing tool)觀從焊接區(qū)的鋼軌頭部反復(fù)施加載荷。推壓工具觀的曲率半徑被設(shè)定為與車(chē)輪接近的450mm。關(guān)于所施加的載荷，考慮到在重載荷下的實(shí)際載荷為20噸左右，為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)速度而設(shè)定為30噸。如果載荷反復(fù)中的最低載荷設(shè)定為0噸，則試驗(yàn)片有時(shí)浮起，為避免這種現(xiàn)象，最低載荷設(shè)定為4噸。載荷反復(fù)的速度設(shè)定為2Hz，在焊接區(qū)產(chǎn)生龜裂的時(shí)點(diǎn)結(jié)束試驗(yàn)。另外，在直至載荷反復(fù)的次數(shù)為200萬(wàn)次而沒(méi)有斷裂的情況下，就此結(jié)束試驗(yàn)。(關(guān)于足部的疲勞試驗(yàn)方法)
26
彎曲疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用3點(diǎn)彎曲方式進(jìn)行。圖26示意表示了試驗(yàn)方法。在以Im的距離設(shè)置的臺(tái)座四、29’的中心以直立姿勢(shì)放置被切斷為1. 5m的鋼軌焊接區(qū)，利用推壓工具30在其中心部從鋼軌頭部施加載荷。臺(tái)座四、29’以及推壓工具30的與鋼軌接觸的部位的曲率半徑設(shè)定為lOOmmR。試驗(yàn)應(yīng)力被設(shè)定在鋼軌的足底中央部分。將最低應(yīng)力設(shè)定為30MPa，將最大應(yīng)力設(shè)定為330MPa，將應(yīng)力變動(dòng)范圍設(shè)定為300MPa。通常的閃光對(duì)焊接頭在300MPa的應(yīng)為范圍具有直至200萬(wàn)次的疲勞壽命。載荷反復(fù)速度設(shè)定為5Hz，在焊接區(qū)產(chǎn)生龜裂的時(shí)點(diǎn)結(jié)束試驗(yàn)。另外，在直至載荷反復(fù)的次數(shù)為200萬(wàn)次而沒(méi)有斷裂的情況下結(jié)束試驗(yàn)，從而判斷具有充分的疲勞性能。(關(guān)于使用的鋼軌)表1表示了所使用的3種鋼軌。鋼軌鋼A是通稱為普通鋼軌的鋼種，為含有0. 65 0. 75重量％碳的亞共析鋼，是軋制狀態(tài)的基材，鋼軌頭部的硬度為維氏硬度260 四0。鋼軌鋼B使用的是軋制后進(jìn)行過(guò)熱處理的鋼軌，為含有0. 75 0. 85重量％碳的共析鋼，是鋼軌頭部的表面下5mm的硬度為維氏硬度360 400的鋼種。鋼軌鋼C使用的是含有0. 85 0. 95%碳的過(guò)共析鋼，為軋制后進(jìn)行過(guò)熱處理的鋼軌，是鋼軌頭部的表面下5mm的硬度為維氏硬度400 450的鋼種。鋼軌尺寸使用每米單重為60kg/m的一般鐵道用尺寸。表 1使用的鋼軌鋼
權(quán)利要求
1.一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其包括加熱到從珠光體向奧氏體相變的開(kāi)始溫度 Acl以上的Acl區(qū)域、以及加熱到所述相變的結(jié)束溫度Ac3以上的Ac3區(qū)域，其特征在于，所述冷卻方法具有以下工序在直至從奧氏體向珠光體的相變結(jié)束的一部分的溫度范圍對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第1柱部冷卻工序；在所述鋼軌焊接區(qū)的所述柱部的整體發(fā)生了向珠光體的相變后，對(duì)所述柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第2柱部冷卻工序；對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的足部進(jìn)行冷卻的足部冷卻工序；以及對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行冷卻的頭部冷卻工序；當(dāng)將所述第1柱部冷卻工序以及所述第2柱部冷卻工序的冷卻時(shí)間設(shè)定為t(分鐘)時(shí)，所述柱部冷卻區(qū)域的寬度L除以所述Acl區(qū)域的寬度LAcl所得到的k值滿足以-0. lt+0. 63彡k彡-0. lt+2. 33表示的式子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在所述第1柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在所述第1柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在所述第1柱部冷卻工序中，奧氏體溫度區(qū)域的冷卻工序包括第1柱部冷卻前期工序，以及之后接著在直至向珠光體的相變結(jié)束的溫度范圍進(jìn)行冷卻的第1柱部冷卻后期工序；在所述第1柱部冷卻前期工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述鋼軌足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第1柱部冷卻后期工序中，以自然冷卻速度或者2V /S以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在所述第2柱部冷卻工序中，以超過(guò)自然冷卻速度且在所述足部的冷卻速度以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于所述足部的冷卻速度為自然冷卻速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在所述頭部冷卻工序中，在從超過(guò)A3、Ae或者Acm的奧氏體溫度區(qū)域到向珠光體的相變結(jié)束的至少一部分的溫度范圍以超過(guò)自然冷卻速度且在5°C /s以下的冷卻速度進(jìn)行冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7的任一項(xiàng)所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在冷卻所述頭部和所述柱部時(shí)，使顎部的下側(cè)角部的冷卻速度比所述柱部的冷卻速度慢。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于如果將形成所述頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其特征在于在比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域設(shè)置屏蔽板，并向所述頭部噴出冷卻用流體。
11.一種鋼軌焊接接頭，其是使用權(quán)利要求1所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法而冷卻的鋼軌焊接接頭，其特征在于，所述鋼軌焊接接頭具有上下方向的殘余應(yīng)力為350MPa以下的所述柱部，長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力為壓縮應(yīng)力的鋼軌足底部，以及金屬組織的95%以上為珠光體組織的所述焊接區(qū)。
12.—種鋼軌焊接接頭，其是使用權(quán)利要求8所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法而冷卻的鋼軌焊接接頭，其特征在于，所述鋼軌焊接接頭具有鋼軌斷面周向的殘余應(yīng)力為300MPa以下的所述柱部，以及所述頭部的硬度為Hv320以上的所述頭部。
13.一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置，其特征在于，具有頭部冷卻單元，其中，如果將形成鋼軌焊接區(qū)的頭部的側(cè)面的頭側(cè)部的高度設(shè)定為Hs，則對(duì)除比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3 的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域以外的整個(gè)頭部進(jìn)行加速冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的鋼軌焊接區(qū)的冷卻裝置，其特征在于所述頭部冷卻單元具有向所述頭部噴出冷卻用流體的噴出部，以及覆蓋比距所述頭側(cè)部的上端為2Hs/3的下方位置靠下側(cè)的頭部區(qū)域的屏蔽板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鋼軌焊接區(qū)的冷卻方法，其具有以下工序在直至從奧氏體向珠光體的相變結(jié)束的一部分的溫度范圍對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第1柱部冷卻工序；在所述鋼軌焊接區(qū)的所述柱部的整體發(fā)生了向珠光體的相變后，對(duì)所述柱部冷卻區(qū)域進(jìn)行冷卻的第2柱部冷卻工序；對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的足部進(jìn)行冷卻的足部冷卻工序；以及對(duì)所述鋼軌焊接區(qū)的頭部進(jìn)行冷卻的頭部冷卻工序；當(dāng)將所述第1柱部冷卻工序以及所述第2柱部冷卻工序的冷卻時(shí)間設(shè)定為t(分鐘)時(shí)，k值滿足以-0.1t+0.63≤k≤-0.1t+2.33表示的式子。
文檔編號(hào)C21D9/50GK102365377SQ20108001551
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者上田正治, 巖野克也, 杉山誠(chéng)司, 狩峰健一 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社