钢轨焊接区的冷却方法、钢轨焊接区的冷却装置以及钢轨焊接接头

摘要

本发明提供一种钢轨焊接区的冷却方法，其具有以下工序：在直至从奥氏体向珠光体的相变结束的一部分的温度范围对所述钢轨焊接区的柱部冷却区域进行冷却的第1柱部冷却工序；在所述钢轨焊接区的所述柱部的整体发生了向珠光体的相变后，对所述柱部冷却区域进行冷却的第2柱部冷却工序；对所述钢轨焊接区的足部进行冷却的足部冷却工序；以及对所述钢轨焊接区的头部进行冷却的头部冷却工序；当将所述第1柱部冷却工序以及所述第2柱部冷却工序的冷却时间设定为t(分钟)时，k值满足以-0.1t+0.63≤k≤-0.1t+2.33表示的式子。

说明书

技术领域

本发明涉及与以前相比焊接接头的疲劳强度得以提高的钢轨焊接区的冷却方法、钢轨焊接区的冷却装置以及钢轨焊接接头。特别地，本发明涉及刚焊接后的钢轨接头部的冷却方法以及冷却装置。

本申请基于2009年3月30日提出的日本专利申请特愿2009-081587号以及2009年7月28日提出的日本专利申请特愿2009-175646号并主张其优先权，这里全部引用其内容。

背景技术

钢轨接头部(钢轨焊接区)在钢轨之中最容易发生损伤，从而需要保养成本。另外，钢轨接头部是列车通过时产生的噪音和振动的主要的发生源。列车的高速化和重装载化正在各地进行，因而通过焊接使具有上述问题的钢轨接头部连续化、从而成为长钢轨的技术得以普及。

使用图1A、图1B就一般的钢轨进行说明。图1A是长钢轨的侧视图。长钢轨通过焊接至少2根钢轨而进行制造。因此，长钢轨包含焊接区7。焊接区7存在焊道8。

图1B是沿图1A所示的A-A线剖切而得到的剖视图。如图1B所示，钢轨具有与车轮接触的头部1(钢轨上部)、设置于枕木之上的足部3(钢轨下部)、以及存在于头部1和足部3的中间的柱部2。另外，头部1具有头顶部4，足部具有足面部5和足底部6。

闪光对焊(例如专利文献1)、加压气焊(例如专利文献2)、强制成形电弧焊(例如专利文献3)以及铝热焊(例如专利文献4)是钢轨的主要焊接方法。

图2A～图2C是闪光对焊的说明图。闪光对焊如图2A～图2C所示，经由电极9而向对置设置的被焊接材料10施加电压，在端面间产生电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热的时点，在轴向对材料加压而使被焊接材料进行接合。

图3A、图3B是铝热焊的说明图。图3B是沿图3A所示的B-B线剖切而得到的剖视图。铝热焊如图3A以及图3B所示，设置20～30mm的间隔而使被焊接材料10对置，并用铸型14包围该间隔。然后，向该铸型内注入在坩埚15内通过铝和氧化铁的反应而生成的钢水16，从而使钢轨端面熔融并焊接在一起。

图4A～图4C是加压气焊的说明图。加压气焊如图4A所示，在对接合面进行加压的状态下，利用燃烧器17从侧面对接合面附近的被焊接材料进行加热，从而在高温下将接合面压接在一起。如图4B所示，焊接区附近因加压而发生膨胀变形。然后，如图4C所示，采用修整器18将膨胀部除去。

图5A、图5B是强制成形电弧焊的说明图。强制成形电弧焊如图5A、图5B所示，设置10～20mm的间隔而使被焊接材料对置，并在该间隔的周围配置垫板19和侧面压板20。然后，使用焊条21在该间隔将焊接金属堆高。该方法就是所谓的手工电弧焊方法。

特别地，在重载荷的货物列车所通过的线路或寒冷地区的线路等上，以钢轨焊接区的中立轴为起点，有可能产生疲劳龟裂。因此，为了防止钢轨的起因于该疲劳龟裂的脆性破坏，需要频繁地更换钢轨。图6A、图6B表示了该状态的一个例子。

图6A是表示柱部在水平方向上产生的疲劳龟裂22和起因于该疲劳龟裂22的脆性龟裂23的图。另外，图6B是表示图6A所示的疲劳龟裂22以及脆性龟裂23的龟裂面的图。疲劳龟裂22以中立轴附近的焊道8附近的焊接缺陷为起点而在水平方向上发生。起因于疲劳龟裂22的脆性龟裂23在板厚方向贯通柱部之后，一方的龟裂向钢轨头顶部侧进展，而另一方的龟裂向足部侧进展。疲劳龟裂22的起点并不局限于焊接缺陷，可以考虑各种各样的重要原因。

可以认为外界的负荷条件、而且材料内部的残余应力对疲劳龟裂的发生产生影响。图7A表示了钢轨焊接区周部在周向的残余应力分布。在图7A中，在残余应力大于0的情况下，表示存在拉伸残余应力，在残余应力小于0的情况下，表示存在压缩残余应力。

由图7A可知：因焊接而在钢轨焊接区的柱部附近产生钢轨周向(即上下方向)的较大的拉伸残余应力。因此，以焊接缺陷为起点的疲劳龟裂可以认为在具有较大的拉伸残余应力的钢轨焊接区的柱部附近，因受到由列车的通过所带来的交变负荷而发生。为了防止这样的疲劳龟裂，优选在防止成为起点的焊接缺陷的同时，即使存在焊接缺陷，也使其无害化。

另外，图7B表示距焊接中心的距离(钢轨长度方向)和钢轨的柱部在上下方向存在的残余应力之间的关系。由图7B可知：在直至距焊接中心25mm左右的范围内存在较大的拉伸残余应力。

铁道中的轨道(track)具有钢轨和支承钢轨的枕木。当列车在钢轨上通过时，由多数的列车车轮分散的载荷施加在钢轨上。

引起前述的疲劳龟裂的原因与来自于车轮的施加到钢轨焊接区的负荷状态相关联。列车通过时的钢轨的负担在枕木24的正上方的钢轨部和2根枕木24之间的钢轨部上是不同的。在枕木24的正上方的钢轨部上，列车的垂直载荷直接施加在钢轨上。在将于工厂焊接而成的长钢轨在现场设置于枕木上的情况下，焊接区和枕木的位置有时偶然一致。一般认为1根几百米的长钢轨存在几处枕木位置和焊接区一致的部位。

图9A表示在枕木24的位置与焊接区一致的部位，车轮25通过枕木24的正上方(焊接区)的时点。在此情况下，在断面积较小的钢轨柱部2产生最大的应力。此时的应力虽然为压缩应力，但如前所述，在钢轨柱部2存在较大的拉伸残余应力。因此，钢轨柱部2实质上在受到拉伸应力的状态下，处于交变应力发生作用的状态。

另一方面，图9B表示在枕木24的位置与焊接区不一致的部位，车轮25通过2根枕木24、24之间(焊接区)的时点。在此情况下，由车轮25对钢轨从上方施加压曲载荷。因此，在钢轨头部1产生长度方向的压缩应力，而在钢轨足部3产生长度方向的拉伸应力。作用于钢轨的柱部2的弯曲应力则保持中立。钢轨足部3的拉伸应力在车轮25每次通过时产生，因而对于在钢轨足部3的疲劳龟裂的发生必须加以考虑。

图8表示由闪光对焊得到的焊接区的周部在长度方向的残余应力。如图所示，钢轨底部在长度方向残留有较强的压缩应力。因此，在列车通过时即使在钢轨底部附加拉伸应力，实际的应力状态也是与压缩残余应力相互抵消。因此，可以抑制疲劳龟裂的发生。因此，源于钢轨足部的疲劳破坏的实例较少，但在压缩残余应力较小等情况下，有时也产生如图10A、图10B所示的在钢轨足底产生的以疲劳龟裂26为起点的损伤。

专利文献5、6公开了如下的方法：为了防止钢轨柱部的损伤，其借助于焊接热量或者来自外部的加热而使整个钢轨焊接区或者钢轨焊接区的头部和柱部处于高温状态，然后进行加速冷却。根据该技术，钢轨焊接区的残余应力得以控制，因而可以减轻钢轨焊接区的柱部在上下方向产生的拉伸残余应力，或者可以改变为压缩残余应力。因此，可以改善钢轨焊接区的疲劳强度。根据这样的技术，可以降低来自钢轨柱部的疲劳龟裂的发生。

此外，作为提高钢轨焊接区的疲劳强度的技术，例如有如专利文献7那样使用喷丸硬化的方法，和使用锤击硬化、砂轮机处理、TIG修整的方法等。

另外，专利文献8公开了钢轨焊接区的冷却装置。

为了提高长钢轨的耐久性，必须抑制焊接区的来自柱部以及足部的疲劳龟裂的发生，从而使这些部位的耐疲劳特性得以兼顾。

在采用专利文献5以及专利文献6中记载的冷却方法对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却的情况下，显示出钢轨柱部在上下方向的拉伸残余应力得以改善，由此可以抑制柱部的疲劳龟裂的发生。然而，在非专利文献1中，图示了采用该方法，足底部在钢轨长度方向的残余应力转变为拉伸残余应力。近年来，重载荷的列车有增加的倾向，因而由施加到足底部的弯曲载荷引起的负荷增大。在由弯曲载荷引起的负荷的作用下，足底部在钢轨长度方向被拉伸，因而钢轨足底部的疲劳强度具有重要的意义。如上所述，钢轨长度方向的残余应力对钢轨足底部的疲劳强度产生强烈的影响。然而，如上所述，在专利文献5以及专利文献6的冷却处理中，钢轨足底部在钢轨长度方向的残余应力減少(欲转变为拉伸残余应力)，因而让人担心疲劳强度的降低。因此，有可能发生图10A、图10B所示的损伤。

另一方面，根据通过机械的后处理来改善残余应力的(即赋予压缩残余应力的)现有技术即喷丸硬化处理，将直径几mm的钢球与材料撞击使材料表层产生塑性变形以进行加工硬化，从而增加残余应力，由此可以提高疲劳强度。但是，该处理需要用于钢球投射、钢球收集、或者粉尘防止等的大规模设备，适用于大型的焊接区受到限制。除此以外，需要对投射材的磨损和损坏进行补给，因而在成本方面是不利的。

另外，关于用工具的顶端对材料进行打击而使焊接区产生塑性变形的锤击硬化，一般认为在导入压缩应力的同时，通过塑性变形而降低应力集中，由此使材料的疲劳强度得以提高。但是，打击时的振动较大，而且对作业者的负担也较大，除此以外，精细的控制较难，而且均匀的处理困难。非专利文献2表明：根据处理条件的不同，因加工而产生的皱纹状的沟部发生影响，从而疲劳强度的提高效果较小。

另外，砂轮机处理通过使焊道焊趾部变得平滑而减少应力集中，从而可以期待确实的效果。然而，在过于磨削的情况下，焊接区的壁厚不足而招致强度降低，因而所具有的缺点是：处理需要熟练的技术，作业需要较长的时间。

另外，TIG修整是利用由钨电极产生的电弧而使焊道的焊趾部再熔融，并再凝固成平滑的形状，以减轻应力集中，从而可以提高疲劳强度。但是，在钢轨等高碳基材料的手工焊中，容易生成硬而脆的马氏体组织，为了防止该组织的生成，需要严格的施工管理。

另外，如果使用专利文献8所示的焊接区的冷却装置，从而从焊接后的高温状态开始进行适当的冷却，则可能使焊接区的硬度上升。另一方面，根据本发明人的研究，为了控制焊接区的残余应力状态，必须在适当的范围内以适当的强度进行冷却。一般认为通过使用专利文献8的装置，残余应力也发生变化，但用于获得适当的残余应力分布的冷却条件没有进行说明。

如上所述，钢轨接头部(钢轨焊接区)在钢轨之中最容易发生损伤，从而耗费保养成本。另外，钢轨接头部是列车通过时产生的噪音和振动的主要的发生源。由于列车的高速化和重装载化正在各地进行，因而通过焊接而使具有上述问题的钢轨接头部连续化以形成长钢轨的技术正在得到普及。

闪光对焊(例如参照专利文献1)、加压气焊(例如参照专利文献2)、强制成形电弧焊(例如参照专利文献3)以及铝热焊(例如参照专利文献4)是钢轨的主要的焊接方法。

在对钢轨接头部进行焊接的情况下，特别地，在重载荷的货物列车所通过的线路或寒冷地区的线路等上，在钢轨焊接区的中立轴附近有可能产生疲劳龟裂。因此，为了防止起因于该疲劳龟裂的钢轨的脆性破坏，需要频繁地更换钢轨。图41A、图41B表示了该状态的一个例子。图41A表示了在水平方向产生的疲劳龟裂151在钢轨焊接区150的中立轴附近发生的状态。脆性龟裂152向钢轨头部以及钢轨足部发生。图41B表示了疲劳龟裂151和脆性龟裂152的断口。由图41B可知以钢轨焊接区150的中立轴附近为起点而产生疲劳龟裂151、然后脆性龟裂152在板厚方向贯通柱部的情况。此外，在本说明书中，有时将与车轮接触的钢轨上部160称为“头部”，将与枕木接地的钢轨下部162称为“足部”，将头部和足部之间的部位161称为“柱部”(参照图27A、图27B)。

可以认为外界的负荷条件、而且材料内部的残余应力影响疲劳龟裂的发生。图42表示了采用闪光对焊得到的钢轨焊接区的周部在周向的残余应力分布。在图42的曲线图中，纵轴的正方向表示拉伸残余应力，纵轴的负方向表示压缩残余应力。由图42可知柱部的拉伸残余应力较大。在钢轨焊接区位于枕木上的情况下，列车通过时，上下方向的压缩应力作用于柱部。但是，由于在柱部残留有上下方向(钢轨断面周向)的较大的拉伸应力，因而柱部实质上在受到拉伸应力的状态下，处于交变应力发生作用的状态。因此，在柱部容易产生疲劳龟裂。

专利文献5、6公开了为了防止钢轨柱部的损伤，借助于焊接热量或者来自外部的加热而使整个钢轨焊接区或者钢轨焊接区的头部和柱部处于高温状态，然后进行加速冷却的方法。根据该技术，钢轨焊接区的残余应力得以控制，因而可以减轻钢轨焊接区的柱部在上下方向产生的拉伸残余应力，或者可以改变为压缩残余应力。因此，可以改善钢轨焊接区的疲劳强度。

另外，作为提高钢轨焊接区的疲劳强度的技术，例如有专利文献7所公开的使用喷丸硬化处理的方法。在喷丸硬化处理中，向材料投射直径几毫米的钢球，使材料表层产生塑性变形从而进行加工硬化。由此，通过将残余应力改变为压缩应力而使疲劳强度得以提高。

另外，专利文献8公开了一种钢轨焊接区的冷却装置，其具有用于冷却钢轨焊接区的头顶面的空气室、用于冷却钢轨焊接区的头侧面的空气室以及用于冷却钢轨焊接区的腹部(柱部)和底部(足部)的空气室。各空气室分别设有用于吐出压缩空气的多个喷嘴，在用于冷却头顶部的空气室中的喷嘴群的中央设有温度检测用喷嘴。

钢轨头部因与车轮的接触而发生磨损。特别在曲线轨道上，因车轮和钢轨之间产生的相对滑动而促进磨损。因此，使钢轨头部硬化过的热处理钢轨往往在曲线区间采用。在热处理钢轨的焊接中，优选焊接后在从奥氏体温度区域到珠光体相变结束的温度范围对钢轨头部进行加速冷却，从而得到与被焊接母材同等的硬度。如非专利文献1所示，焊接后在对钢轨头部进行加速冷却时，通过加速冷却钢轨焊接区的头部以及柱部，钢轨柱部在上下方向的残余应力得以降低(即压缩残余应力增加)，由此可以抑制柱部的疲劳龟裂的发生。然而，由本发明人等的实验可知：即使对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却，柱部的残余应力也不会大大降低。

另外，在喷丸硬化处理的情况下，需要用于投射、回收钢球以及防止粉尘的大规模的设备，适用于大型的焊接区受到限制。除此以外，所存在的问题还有：由于钢球磨损、损坏，因而需要定期地补给钢球，从而耗费运行成本。

再者，通过本发明人所实施的试验已经判明：在使用专利文献8所示的冷却装置对钢轨焊接区进行加速冷却的情况下，钢轨柱部的残余应力不会降低，疲劳寿命也没有那么延长。也就是说，表明如果不就钢轨焊接区的适当的范围以适当的冷却速度进行冷却，则不能降低钢轨焊接区的残余应力(增加压缩残余应力)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭56-136292号公报

专利文献2：日本特开平11-270810号公报

专利文献3：日本特开平6-292968号公报

专利文献4：日本特开昭48-95337号公报

专利文献5：日本特开昭59-93837号公报

专利文献6：日本特开昭59-93838号公报

专利文献7：日本特开平3-249127号公报

专利文献8：日本特开昭60-33313号公报

非专利文献

非专利文献1：Proceedings of the Second International Conference onresidual stresses，ICR2，Nancy，France，23-25，Nov，1988，P912-918

非专利文献2：三木、穴見、谷、杉本，“通过改良焊接焊趾部进行的疲劳强度的提高”，溶接学会論文集，Vol.17，No.1，P111-119(1999)

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，用于有效地提高钢轨柱部的疲劳强度、钢轨足底部的疲劳强度以及钢轨头部的硬度的技术以前并不存在。于是，本发明的第1目的在于提供一种用于有效地制造与以前相比、焊接区的疲劳强度得以提高的钢轨的方法。

另外，本发明的第2目的在于提供一种钢轨焊接区的冷却方法以及用于该冷却方法的冷却装置，其在充分确保钢轨头部的硬度的同时，使柱部的残余应力进一步降低(即增加压缩残余应力)，从而与以前相比，使钢轨焊接区的疲劳强度得以提高。

用于解决课题的手段

本发明为了解決上述的课题，采用了以下的手段。(1)本发明的第1实施方式涉及一种钢轨焊接区的冷却方法，其包括：加热到从珠光体向奥氏体相变的开始温度Ac1以上的Ac1区域、以及加热到所述相变的结束温度Ac3以上的Ac3区域，其中，所述冷却方法具有以下工序：在直至从奥氏体向珠光体的相变结束的一部分的温度范围对所述钢轨焊接区的柱部冷却区域进行冷却的第1柱部冷却工序；在所述钢轨焊接区的所述柱部的整体发生了向珠光体的相变后，对所述柱部冷却区域进行冷却的第2柱部冷却工序；对所述钢轨焊接区的足部进行冷却的足部冷却工序；以及对所述钢轨焊接区的头部进行冷却的头部冷却工序；当将所述第1柱部冷却工序以及所述第2柱部冷却工序的冷却时间设定为t(分钟)时，所述柱部冷却区域的宽度L除以所述Ac1区域的宽度LAc1所得到的k值满足以-0.1t+0.63≤k≤-0.1t+2.33表示的式子。

(2)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在所述第1柱部冷却工序中，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度进行冷却，在所述第2柱部冷却工序中，以超过自然冷却速度且在所述足部的冷却速度以上的冷却速度进行冷却。

(3)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在所述第2柱部冷却工序中，以超过自然冷却速度且在所述足部的冷却速度以上的冷却速度进行冷却。

(4)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在所述第1柱部冷却工序中，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度进行冷却。

(5)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，在所述第1柱部冷却工序中，奥氏体温度区域的冷却工序包括：第1柱部冷却前期工序，以及之后接着在直至向珠光体的相变结束的温度范围进行冷却的第1柱部冷却后期工序；也可以在所述第1柱部冷却前期工序中，以超过自然冷却速度且在所述钢轨足部的冷却速度以上的冷却速度进行冷却，在所述第1柱部冷却后期工序中，以自然冷却速度或者2℃/s以下的冷却速度进行冷却，在所述第2柱部冷却工序中，以超过自然冷却速度且在所述钢轨足部的冷却速度以上的冷却速度进行冷却。

(6)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，所述足部的冷却速度也可以是自然冷却速度。

(7)根据上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在所述头部冷却工序中，在从超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域到向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度进行冷却。

(8)根据上述(1)～(7)的任一项所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在冷却所述头部和所述柱部时，使颚部的下侧角部的冷却速度比所述柱部的冷却速度慢。

(9)根据上述(8)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，如果将形成所述头部的侧面的头侧部的高度设定为Hs，则也可以对除比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域以外的整个头部(或头部全域)进行加速冷却。

(10)根据上述(9)所述的钢轨焊接区的冷却方法，其中，也可以在比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域设置屏蔽板，并向所述头部喷出冷却用流体。

(11)本发明的第2实施方式涉及一种钢轨焊接接头，其是使用上述(1)所述的钢轨焊接区的冷却方法而冷却的钢轨焊接接头，所述钢轨焊接接头具有：上下方向的残余应力为350MPa以下的所述柱部，长度方向残余应力为压缩应力的钢轨足底部，以及金属组织的95％以上为珠光体组织的所述焊接区。

(12)本发明的第3的实施方式涉及一种钢轨焊接接头，其是使用上述(8)所述的钢轨焊接区的冷却方法而冷却的钢轨焊接接头，所述钢轨焊接接头具有：钢轨断面周向的残余应力为300MPa以下的所述柱部，以及所述头部的硬度为Hv320以上的所述头部。

(13)本发明的第4实施方式也可以具有头部冷却单元，其中，如果将形成钢轨焊接区的头部的侧面的头侧部的高度设定为Hs，则对除比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域以外的整个头部进行加速冷却。

(14)根据上述(13)所述的钢轨焊接区的冷却装置，其中，所述头部冷却单元也可以具有：向所述头部喷出冷却用流体的喷出部，以及覆盖比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域的屏蔽板。

发明的效果

根据上述(1)～(7)所述的方法，钢轨焊接区的柱部的残余应力得以改善，足底部的残余应为也控制在压缩范围，由此可以在焊接区难以产生疲劳龟裂。

根据上述(8)～(10)所述的方法，在对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却时，使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢，由此可以充分确保钢轨头部的硬度，而且使柱部的残余应力进一步降低。因此，可以提高钢轨头部的磨损性和钢轨焊接区的疲劳强度。

根据上述(11)所述的钢轨焊接接头，即使在重载荷的列车于钢轨上通过的情况下，也可以抑制因金属疲劳引起的损伤。

根据上述(12)所述的钢轨焊接接头，即使在重载荷的列车于钢轨上通过的情况下，也可以抑制因金属疲劳引起的损伤和钢轨头部的磨损。

根据上述(13)、(14)所述的装置，因为头部冷却单元对除比距头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域以外的整个头部进行加速冷却，所以颚部的冷却速度得以缓和，可以使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢。因此，在将与车轮接触的钢轨头部的硬度保持在较高水平的基础上，可以进一步降低柱部在上下方向的残余应力。

附图说明

图1A是钢轨的侧视图。

图1B是沿图1A的A-A线剖切而得到的剖视图。

图2A是表示闪光对焊的闪光工序的示意图。

图2B是表示闪光对焊的加压(upset)工序的示意图。

图2C是表示闪光对焊的修整工序的示意图。

图3A是用于对铝热焊进行说明的示意图。

图3B是沿图3A的B-B线剖切而得到的剖视图。

图4A是表示加压气焊的加热工序的示意图。

图4B是表示加压气焊的加压工序的示意图。

图4C是表示加压气焊的修整工序的示意图。

图5A是用于对强制成形电弧焊进行说明的示意图。

图5B是用于对强制成形电弧焊进行说明的剖视图。

图6A是表示来自钢轨焊接区柱部的疲劳损伤的示意图。

图6B是表示该损伤的断口的示意图。

图7A是表示钢轨焊接区的周部在周向存在的残余应力分布的曲线图。

图7B是表示距焊接中心的距离与钢轨柱部在上下方向存在的残余应力之间的关系的曲线图。

图8是表示钢轨焊接区的周部在钢轨长度方向存在的残余应力分布的曲线图。

图9A是表示车轮在枕木的正上方通过的时点的示意图。

图9B是表示车轮在枕木之间通过的时点的示意图。

图10A是表示来自钢轨焊接区足部的疲劳损伤的示意图。

图10B是表示该损伤的断口的示意图。

图11是碳素钢的平衡状态图。

图12是表示碳素钢的伴随着加热和冷却的组织变化的示意图。

图13A是亚共析组成的钢的CCT图。

图13B是共析组成的钢的CCT图。

图13C是过共析组成的钢的CCT图。

图14是表示钢轨轴向的钢轨温度分布和硬度分布的曲线图。

图15A是表示焊接区的柱部刚焊接后的温度分布的图示。

图15B是表示焊接区的柱部在冷却过程的某时点的温度分布和收缩应为的图示。

图15C是表示焊接区的柱部在自然冷却过程以及加速冷却过程的某时点的温度分布的图示。

图15D是表示焊接区的柱部在自然冷却过程以及加速冷却过程中、焊接中心的温度稍高于Ar1的时点的温度分布的图示。

图16A是表示对柱部进行大范围的冷却时的温度分布的示意图。

图16B是表示过剩地冷却足部时的温度分布的示意图。

图17是表示珠光体相变结束后对钢轨柱部进行加速冷却时的温度过程的示意图(第1冷却模式)。

图18A是表示从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部进行加速冷却时的温度过程的示意图(第2冷却模式)。

图18B是从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部进行加速冷却时的温度过程的其它示意图(第2冷却模式)。

图18C是从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部进行加速冷却时的温度过程的其它示意图(第2冷却模式)。

图19是从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部进行加速冷却、进而在珠光体相变结束后进行加速冷却时的温度过程的示意图(第3冷却模式)。

图20A是从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部和头部进行加速冷却、进而在珠光体相变结束后对钢轨柱部进行加速冷却时的温度过程的示意图(第4冷却模式)。

图20B是冷却时的温度过程的示意图，是在冷却途中的珠光体相变温度区域设置2℃/s以下的缓慢的冷却区域时的图示(第4冷却模式)。

图21是冷却时的温度过程的示意图，是从奥氏体分解开始前到珠光体相变结束对钢轨柱部和头部进行加速冷却、进而在珠光体相变结束后对钢轨柱部进行加速冷却时的图示(第5冷却模式)。

图22A是冷却宽度狭窄时的焊接区的温度分布的示意图。

图22B是冷却宽度为中间程度时的焊接区的温度分布的示意图。

图22C是冷却宽度宽时的焊接区的温度分布的示意图。

图23A是表示短时间冷却时的、k值(冷却宽度和加热到Ac1以上的材料宽度之比)和残余应力之间的关系的示意图。

图23B是表示长时间冷却时的、k值(冷却宽度和加热到Ac1以上的材料宽度之比)和残余应力之间的关系的示意图。

图24是表示对残余应力的降低有效的k值(冷却宽度和加热到Ac1以上的材料宽度之比)和冷却时间之间的关系的示意图。

图25是柱部的疲劳强度评价试验的示意图。

图26是足部的弯曲疲劳强度评价试验的示意图。

图27A是钢轨的侧视图。

图27B是沿图27A的X’-X’线剖切而得到的剖视图。

图28是钢轨头部的局部剖视图。

图29是本发明的一实施方式的钢轨焊接区的冷却装置的示意图。

图30A是用于对钢轨焊接区的头部进行加速冷却的头部冷却单元的平面图。

图30B是该头部冷却单元的侧视图。

图31是沿图30A的A’-A’线剖切而得到的剖视图。

图32是沿图31的C’-C’线剖切而得到的剖视图。

图33是沿图30A的B’-B’线剖切而得到的剖视图。

图34A是表示闪光对焊的闪光工序的示意图。

图34B是表示闪光对焊的加压工序的示意图。

图34C是表示闪光对焊的修整工序的示意图。

图35是表示采用本发明的一实施方式的钢轨焊接区的冷却方法对钢轨焊接区进行加速冷却时的温度过程的示意图。

图36是表示对钢轨焊接区进行自然冷却时的温度过程的示意图。

图37是表示仅对钢轨焊接区的头部进行加速冷却时的温度过程的示意图。

图38是表示采用以前的方法对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却时的温度过程的示意图。

图39是表示由4种冷却方法产生的残余应力分布的一个例子的示意图。

图40是表示钢轨焊接区的冷却试验中的温度、硬度以及残余应力的测定部位的示意图。

图41A是表示来自钢轨焊接区柱部的疲劳损伤的示意图。

图41B是表示该损伤的断口的示意图。

图42是表示钢轨焊接区的周部在周向存在的残余应力分布的曲线图。

具体实施方式

<焊接方法>

在本发明中，钢轨焊接区的焊接方法并不局限于闪光对焊。作为钢轨焊接区的焊接方法的1个例子，以下参照图2A～图2C，就闪光对焊进一步进行详细的说明。

闪光对焊方法的第1工序是在图2A所示的端面间连续产生电弧的工序(闪光工序)。在该工序中，在经由电极9而施加的电压的作用下，在被焊接材料的端面间产生电弧。产生电弧的部分被局部地溶化，溶化的金属的一部分作为飞溅物而向外部放出，剩余部分则残留于端面。在因电弧而溶化的部分产生被称之为弧坑(crater)的凹坑。被焊接材料逐渐接近，陆续在新的接触部分产生电弧，由于该局部熔融的反复进行，材料逐渐缩短。在该过程中调整被焊接材料的移動速度，以便使材料间隔保持大致恒定的间隔。

在闪光工序的途中，往往采用有意地使材料端面接触，从而借助于因直接通电所产生的大电流而提高被焊接母材温度的工序。其目的是为了使端面附近的温度分布变得平稳，从而使加压工序更有效地进行。该工序被称之为“预热工序”，2～5秒左右的接触通电和1秒左右的非接触、停止期间通常反复进行数次。

将闪光工序持续几十秒到几分钟，从而使被焊接材料的整个端面处于熔融的状态。另外，端面附近的材料因温度上升而软化。如图2B所示，在到达该状态的时点，向轴向进行加压。在该被称之为“upset(加压)”的加压的作用下，在端面所形成的弧坑凹凸面被压碎，在端面间存在的熔融金属向体系外凸出来。软化的端面附近发生塑性变形而使断面增大，从而在焊接面的周围形成焊道11。

如图2C所示，在刚焊接后的高温期间借助于修整器12将该焊道11进行热剪断而除去(修整工序)。修整后在焊接区的周围残存有高度为几mm、宽度为10～30mm左右的薄焊道。

在修整后残存的薄焊道中，与车轮接触的钢轨头部采用砂轮机使其平滑化并进行研磨。钢轨柱部、足部的焊道根据铁道公司的不同而采用不同的处理方法：如通过砂轮机研磨进行的完全平滑化、通过砂轮机研磨进行的薄壁化和不进行处理等方法。

<钢轨基材>

下面就钢轨钢进行说明。钢轨钢正如JIS-E1101、JIS-E1120所规定的那样，一般使用含有0.5～0.8质量％碳的亚共析钢、或者含有大约0.8质量％碳的共析碳素钢。另外，最近，以海外的矿山铁道的重载荷货物线为对象、使耐磨性更加提高、且含有超过0.8质量％的碳的过共析组成的钢轨钢也正在普及。

<平衡状态图>

图11是用横轴表示碳量的碳素钢的平衡状态图。如上所述，钢轨钢的碳量大概在0.4～1.2质量％的范围。钢轨钢除碳以外，还含有Si或Mn，根据情况的不同还含有Cr等强化元素。严格地说，由于这些除碳以外的元素的影响，平衡状态图将发生变化，但这种变化在钢轨钢的(除碳以外的元素的)含量范围内是极其微小的。亚共析组成的钢在A1点以下的温度具有以珠光体为主体而含有一部分铁素体的金属组织，在A1点～A3点的温度具有铁素体和奥氏体相混合的金属组织，在A3点以上的温度具有奥氏体组织。

在共析组成的钢的情况下，在A1点以下的温度具有珠光体组织，在Ae点以上的温度具有奥氏体组织。

在过共析组成的钢的情况下，在A1点以下的温度具有以珠光体为主体而含有一部分渗碳体的金属组织，在A1点～Acm点的温度具有铁素体和渗碳体相混合的金属组织，在Acm点以上的温度具有奥氏体组织。

上述组成的钢都是在更高温的固相线温度Ts点以上的温度成为奥氏体相和液相的2相组织，在液相线温度TL点以上的温度成为液相组织。在闪光对焊中，焊接界面的温度达到TL点。另外，越是远离焊接界面的位置，其温度越低。

在钢轨轧制后于大气中的自然冷却(自然放冷)、接着轧制进行的加速冷却、或者暂时冷却到常温后的再加热热处理后的进一步连续冷却过程中，根据其冷却速度的不同而发生偏离平衡相变温度的过冷，从而由状态图可以设想的初析相的含量降低，在组织分率中，珠光体组织占一大半。特别地，对于共析组成附近的碳量为0.6～1.0质量％的范围，珠光体组织分率大致达到100％。此外，所谓“加速冷却”，是指通过将冷却用流体向被冷却物喷出而使该被冷却物以比自然冷却速度更快的冷却速度进行强制冷却。

<焊接热循环和组织变化>

图12是表示碳素钢与加热和冷却相伴的组织变化的示意图。如图12所示，加热过程中的实际的组织变化根据其加热速度而在高于平衡相变温度的温度下开始。另外，冷却过程中的实际的组织变化根据其冷却速度而在低于平衡相变温度的温度下开始。因此，在加热过程中产生过热状态，在冷却过程中产生过冷状态。一般地说，加热过程中的相变温度对于A1、A3等的平衡相变温度标注“c”、而冷却过程中的相变温度对于A1、A3等的平衡相变温度标注“r”以示区别。

也就是说，对于亚共析组成的钢，将加热过程中的珠光体→奥氏体相变的开始点称为Ac1，将完全相变为奥氏体的温度称为Ac3；将冷却过程中的奥氏体→铁素体相变的开始点称为Ar3，将奥氏体消失的温度称为Ar1。

同样地，对于过共析组成的钢，将加热过程中的珠光体→奥氏体相变的开始点称为Ac1，将完全相变为奥氏体的温度称为Accm；将冷却过程中的奥氏体→渗碳体相变的开始点称为Arcm，将奥氏体消失的温度称为Ar1。

另外，对于共析组成的钢，将加热过程中的珠光体→奥氏体相变的开始点称为Ac1，将完全相变为奥氏体的温度称为Ace；将冷却过程中的奥氏体→珠光体相变的开始点称为Are，将奥氏体消失的温度称为Ar1。

此外，如图11所示，对于共析组成的钢，将A3线和Acm线相交的点称为Ae点。

<连续冷却线图(CCT图)的组织变化的说明>

一般地说，对于冷却过程中的相变化，相变温度、析出相根据钢成分和冷却速度的不同而不同。图13A～图13C是表示连续冷却的高碳素钢的组织变化的CCT图。

图13A是亚共析钢的CCT图。在进行用曲线(0)表示的缓慢冷却的情况下，在Fs线和曲线(0)的交点的温度下析出初析铁素体。然后，在Ps线和曲线(0)的交点的温度下开始珠光体相变。进而在Pf线和曲线(0)的交点的温度下结束珠光体相变。在此情况下，金属组织成为含有微量的晶界铁素体的铁素体和珠光体组织。在提高冷却速度而进行用曲线(1)表示的冷却的情况下，由于Fs线与Ps线汇合而消失，因而不会析出初析铁素体，但在Ps线和Pf线之间发生珠光体相变。在此情况下，金属组织成为珠光体组织。在进一步提高冷却速度而进行用曲线(3)表示的冷却的情况下，在温度B下停止珠光体相变，有时生成一部分贝氏体组织，但未相变部保持奥氏体的状态不变而过冷。然后，在温度C和温度D之间发生马氏体相变。在此情况下，金属组织成为珠光体贝氏体和马氏体相混合的组织。在进一步提高冷却速度而进行用曲线(5)表示的冷却的情况下，曲线(5)不与Ps线交叉而保持奥氏体组织的状态不变并过冷至Ms点，然后发生马氏体相变。由于高碳素钢的马氏体组织极硬且脆，因而在钢轨钢的焊接中优选避免超过冷却曲线(2)的快速冷却。

图13B是共析钢的CCT图。在共析钢的情况下，与亚共析钢不同，缓慢冷却时的初析铁素体不会析出。

图13C是过共析钢的CCT图。在过共析钢的情况下，与缓慢冷却时析出初析铁素体的亚共析钢不同，缓慢冷却时析出初析渗碳体。图中，θs线表示渗碳体的初析线。在进行冷却曲线与θs线交叉的缓慢冷却的情况下，金属组织成为含有微量的初析渗碳体的渗碳体和珠光体组织。

<从硬度分布观察到的最高温度、组织、硬度>

图14示意表示了钢轨焊接结束时的钢轨轴向的温度分布、钢轨焊接结束时的金属组织(高温组织)、冷却后的金属组织以及冷却后的硬度。图14的左端为不受热影响的钢轨母材，右端表示焊接中心。

通过闪光工序，焊接中心(图14中的右端)的温度超过固相线温度Ts，在钢轨焊接中心部产生脱碳部。脱碳部在加压工序后也薄薄地残留下来。该部分在冷却时与周围比较，容易生成初析铁素体，因而冷却后的硬度下降。

加热到超过Ac3、Ace或者Accm、从而相变为完全的奥氏体相的焊接中心附近的第1区域在之后的冷却时，全部发生珠光体相变，冷却后可以得到均匀的硬度。在该第1区域的外侧，温度为Ac1以上，但具有不超过Ac3、Ace或者Accm的第2区域。该第2区域在加热时点，奥氏体相、未相变的铁素体相或者渗碳体相混在一起。相变为奥氏体的部分在此后的冷却中向珠光体相变，但未相变的铁素体相、或者未溶解而保持球状化的状态不变的渗碳体就那样残存至室温。这些组织与从奥氏体相发生相变的正常的珠光体相比较，其硬度较低。该未相变相的分率随着远离焊接中心而增加，因而第2区域的硬度降低。

在进一步离开焊接中心时，具有未达到Ac1的区域。即使在该区域中，加热到500℃以上的第3区域也因珠光体中的渗碳体球状化而使硬度降低。随着远离焊接中心，球状化的程度减少，逐渐接近母材的硬度。

另外，对于焊接区的垂直纵向断面的宏观组织，500℃到Ac1的球状化区域与母材相比没有变化，但在Ac1以上且Ac3、Ace、Accm以下的区域因为是奥氏体、铁素体、渗碳体的混相区域，可以获得微细粒子，能够利用硝酸乙醇等对其差异加以明确的判别。加热到Ac3、Ace、Accm以上的第1区域通过高温加热，晶粒具有变粗的倾向，但用肉眼来看，呈现出与母材接近的组织。此外，在500℃到Ac1的第3区域，通过扫描型电子显微镜(SEM)可以确认球状化的渗碳体。

在钢轨的焊接中被焊接材料被加热到Ac1以上的距离根据焊接方法、焊接条件、钢轨部位的不同而有稍微的差异。对钢轨焊接后的垂直纵向断面中的宏观组织、硬度分布进行了观察，结果在闪光对焊的钢轨柱部，根据焊接条件的不同而在10～50mm的范围。另外，同样地，加热到Ac3、Ae3或者Accm以上的距离为5～40mm。

<残余应力的发生机理>

下面就钢轨焊接中柱部的巨大的上下方向残余应力的发生机理说明发明人的看法。

在闪光对焊中，钢轨的端面间发生闪光，从而使端面达到1300～1400℃的熔点以上。另一方面，用于电力供给的电极9(参照图2A)为了抑制因熔损等引起的损耗而进行水冷。因此，钢轨材料由水冷的电极9进行冷却，电极9的附近即使在焊接结束时点也是300℃左右。电极9在钢轨上的安装位置通常离开焊接端面100mm左右。因此，在焊接结束时点，在距离大约100mm的电极9和端面之间，产生1000℃左右的温度差。图15A～图15D表示了钢轨焊接区的柱部中的温度分布。图15A中的曲线XX0表示刚焊接后的温度分布。由该图15A可知：在钢轨材料上产生陡峭的温度梯度。

此外，在铝热焊法中，由于通过注入高温的钢水使钢轨端面熔融而进行焊接，因而通过钢水的注入而在钢轨长度方向暂时产生较大的温度分布。

在加压气焊中，由于压接的钢轨端面附近的加热，端面附近被加热到1000℃左右，与上述焊接法同样，在钢轨长度方向产生温度分布。

在强制成形电弧焊中，花费1时间以上的作业时间而借助于手工焊从钢轨底部依次装满焊接金属。与上述焊接法同样，产生钢轨长度方向的温度分布，但在上下方向也产生温度分布这一点上，与其它的焊接方法稍稍不同，关于该焊接方法，本发明的控制冷却方法未必可以说是有效的。

关于钢轨柱部在上下方向(周向)的残余应力的发生，在温度梯度最陡峭的闪光对焊中最为显著。而且铝热焊、加压气焊的温度分布依次减缓，也就是说，残余应力得以缓和。本发明对于这些焊接方法都是有效的。

在存在基于构造物内的温度不均匀而产生的热收缩应力的不均匀的情况下，由于构造物内的构成部位相互约束收缩应变，因而收缩应力作为内部应力残存下来，结果产生了残余应力。上述构造物在高温的状态下，由于屈服点降低而容易发生塑性变形，因而在构成部件间不会产生约束力，从而残余应力较少。为人所知的是屈服点在温度降低的同时增加，残余应力的发生在低温增大。

另一方面，当于冷却过程中从奥氏体相发生相变时，晶格容易向应力更小的方向改变。其结果是，往往通过在该方向上产生较大的应变而使应力得以缓和。因此，可以认为应力在相变点暂时释放。从到达常温后的状态来看，有时也可以省略考虑在高于相变点的温度下的应力分布。但是，温度分布本身在相变前后持续下来，从而影响此后的残余应力的发生，因而是重要的。

图15B表示了焊接区的柱部在冷却过程的某时点的温度分布和收缩应力。实线XX1表示在该时点的温度分布。由于焊接区中心的温度T1和周围温度的不同，在焊接区产生收缩应力。由于应力在相变温度区域暂时释放，因而可以认为在该温度区域应力较小，T1在冷却至相变结束温度Ar1之后，残余应力真正地产生。

图15C表示了焊接区的柱部在自然冷却过程以及加速冷却过程的某时点的温度分布。用虚线表示的曲线YY2表示的是对焊接区中心附近的高温区域进行加速冷却时的温度分布的曲线。用实线表示的曲线XX2表示对焊接区中心附近的高温区域进行自然冷却时的温度分布。

图15D是表示自然冷却过程以及加速冷却过程中的、在焊接中心的温度稍高于Ar1的时点的温度分布的图示。用实线表示的曲线XX3表示自然冷却时的温度分布。用虚线表示的曲线YY3表示对焊接区中心附近的广大范围进行加速冷却时的温度分布，用虚线表示的曲线ZZ3表示对焊接区中心附近的狭窄范围进行加速冷却时的温度分布。直至达到该温度的时间在对焊接中心进行加速冷却时较短。在此，下面就焊接中心附近的某一一定区域的、例如在刚焊接后的温度分布XX0中最高加热温度在Ac1以上的范围(LAc1)中的温度分布的不同、以及以此为基础的残余应力的不同进行说明。如果对焊接中心进行加速冷却，则与自然冷却时相比，所述LAc1范围内的最高温度和最低温度之差减小。其结果是，基于该范围内的温度差的残余应力的发生减小。另外，在更大范围进行考虑的情况下，远离焊接区的低温部所产生的收缩约束分散在焊接区的宽广范围内，因而残余应力的发生减小。这样一来，由于使焊接后经过一定时间时的、焊接区的某范围内的最高温度和最低温度之差减小，因而可以得到降低残余应力的效果。通过变更冷却宽度而使温度分布发生变化，有时正如图15D中的曲线ZZ3那样，根据情况的不同而成为中心部的温度较低的凹型的温度分布，但如果上述区域中的最高温度和最低温度之差减小，则可以得到同样的效果。

根据本发明人的实验，在焊接区的最高加热温度超过Ac1的区域，焊接后经过一定时间时的所述区域中的最高温度与最低温度的温度差在50℃以内，柱部残余应力的降低效果得以确认。

温度分布受到冷却时间和冷却速度的影响。钢轨钢由于是高碳组成，因而淬透性高，在从奥氏体区域进行加速冷却的情况下，必须对相变方式加以考虑。在冷却速度过快的情况下，不是通过图13A～图13C所示的奥氏体→珠光体相变区域，而是通过其短时间侧的过冷奥氏体区域。因此，生成硬且脆的马氏体组织，从而焊接区发生脆化。于是，本发明为了防止钢轨钢的脆化，将冷却速度规定为最大5℃/s。根据本发明人的实验，在不发生马氏体的冷却速度的范围内，冷却时间和冷却宽度是与残余应力相关的主要因素。冷却时间以及冷却宽度的适当范围容后叙述。

通过对焊接中心附近进行加速冷却使温度分布平坦化而减轻残余应力的效果当平坦化的温度分布可以在Ar1附近得到时是效果最大的，而在其以上的温度或者在其以下的温度都具有效果。但是，在焊接区的中心温度低于200℃的状态下，即使能够得到平坦的温度分布，也因为残余应力已经大大地产生，因而效果较小。

<焊接区的冷却宽度>

图16A示意表示了在对钢轨柱部进行大范围的冷却时的、焊接区的钢轨头部、柱部、足部的温度分布。钢轨柱部中央部在长度方向B-B’上的温度分布在整体上只是温度降低，不能期待通过使中心部的温度分布变得平坦而缓和应力的作用。另一方面，在焊接中心的温度分布图中，随着冷却时间的延长，柱部与头部、足部相比，温度相对降低，结果头部、足部在长度方向的收缩应力受到先期冷却的柱部的约束，特别地，在足底部于长度方向产生拉伸应力。足底部的长度方向残余应力的拉伸化使人担心引起弯曲疲劳强度的降低，因而是不优选的。但是，柱部由于在长度方向被压缩，并且在上下方向(周向)的残余应力也得以缓和，因而疲劳强度仅限于柱部而得以提高。这样一来，冷却宽度的影响也随着冷却时间的改变而变化。关于其适当条件容后叙述。

<足底冷却>

图16B表示对钢轨足底部进行过剩冷却时的温度分布。当在加速冷却的作用下而使足部的温度比柱部的温度降低时，钢轨柱部在长度方向的收缩应力受到温度更加降低的足部的约束。通过这种作用，在柱部上产生长度方向的拉伸应力，从而在上下方向(周向)也产生与泊松比相应的拉伸应力，结果使柱部的上下方向(周向)应力在拉伸侧发生变化。因此，在以强度增加等为目的而对钢轨足部进行加速冷却时，优选使钢轨足部的温度保持在高于钢轨柱部的水平。

<冷却装置>

焊接区的冷却装置只要能够对成为冷却对象的钢轨部位进行适当的冷却，装置的类型就没有特别的限制。虽然冷却能力随冷却介质的不同而不同，但只要能够获得本发明所规定的冷却速度，冷却介质的种类就没有特别的限定。但是，必须能够对每个钢轨部位进行冷却速度的调整。例如在使用空气作为冷却介质的情况下，必须能够通过调整其喷出量、喷出喷嘴和钢轨表面的距离等而调整冷却速度。这样的冷却装置的详细情况容后叙述。

<冷却方法(高强度热处理钢轨的头部冷却方法)>

可是，钢轨头部因与车轮的接触而产生磨损。特别是在曲线轨通上，由于在车轮和钢轨之间产生的相对滑动，磨损得以促进。另外，列车重量越重，这种倾向就越强。因此，为了减少钢轨在曲线区间的交換频率，大多采用使钢轨头部硬化的热处理钢轨。

具有高硬度的热处理钢轨是通过在钢轨的制造工序中进行的从高温奥氏体状态的加速冷却而降低相变温度来制造的。在焊接热处理钢轨的情况下，焊接中心附近的奥氏体化区域根据焊接后的冷却速度的不同而决定硬度。因此，焊接区的硬度与热处理钢轨中焊接热量不产生影响的部分的硬度不同。

采用闪光对焊的焊接后的自然冷却中在珠光体相变温度区域的冷却速度通常为1℃/s以下，因而焊接区的硬度大多比热处理钢轨的硬度降低。因此，在热处理钢轨的焊接中，优选焊接后在从奥氏体区域到珠光体相变结束的温度范围内对钢轨头部进行加速冷却，从而得到与母材同等的硬度。在闪光对焊以外的焊接法中，由于冷却速度更加缓慢，因而焊接区的硬度进一步降低。在热处理钢轨的焊接中，为了获得与母材同等的焊接区硬度，焊接后在从奥氏体分解开始温度到珠光体相变结束的温度范围内对钢轨头部进行加速冷却。

但是，因焊接而被加热到500℃以上、且Ac3、Ace、Accm以下的温度区域的部分的、球状化的渗碳体区域或者铁素体单相区域即使进行加速冷却也不会硬化。因此，进行加速冷却而能够调整硬度的部分是焊接中心附近的被加热到奥氏体单相区域的区域。

<冷却温度区域>

关于冷却温度区域，下面以图17～图21为基础进行说明。

图17表示在钢轨柱部的珠光体相变结束后，对钢轨柱部进行加速冷却的第1冷却模式。

柱部冷却的开始温度越高越优选，但如果从珠光体相变未结束的高温状态以高的冷却速度进行冷却，则有产生马氏体组织的危险性，从而并不是优选的。

柱部的冷却速度必须在自然冷却速度以上，冷却速度越快，就越容易使焊接中心的温度分布平坦化，从而降低残余应力的效果就越大。

另外，在足部的冷却速度超过柱部的冷却速度的情况下，便推迟在柱部产生收缩应力。其结果是，柱部的收缩受到足部的约束，因而长度方向的拉伸残余应力增大。其结果是，在柱部的上下方向(周向)也产生与泊松比相应的拉伸应力，故而上下方向(周向)的残余应力在拉伸侧恶化，因而是不优选的。借助于图17所示的第1冷却模式，钢轨柱部在上下方向(周向)的残余应力得以降低，从而可以将足部的长度方向残余应力保持为压缩的状态。

图18A、图18B以及图18C表示钢轨焊接区的柱部的温度从处于奥氏体温度区域的状态开始加速冷却的第2冷却模式。

图18A是柱部的温度从奥氏体区域冷却到珠光体相变结束的例子。在达到残余应力的发生显著的珠光体相变温度以下之前，利用预先使焊接中心附近的温度分布平坦化、以及对焊接区柱部进行加速冷却从而提高强度的效果，可以提高疲劳强度。为了获得这些效果，必须从奥氏体温度区域开始冷却。另外，由于冷却到珠光体相变结束的Ar1以下，因而冷却部的硬度显著上升。

图18B是钢轨焊接区的柱部的温度从奥氏体温度区域开始加速冷却、且冷却到珠光体相变区域的途中的例子。

在该方法中，也是在达到残余应力的发生显著的珠光体相变温度以下之前，利用预先使焊接中心附近的温度分布平坦化、以及对焊接区柱部进行加速冷却从而提高强度的效果，可以提高疲劳强度。为了获得这些效果，必须至少从奥氏体温度区域开始冷却。另一方面，由于在珠光体相变结束前停止冷却，因而硬度的上升量比先前所示的图18A小。

图18C是钢轨焊接区的柱部的温度从奥氏体温度区域开始加速冷却、且临到珠光体相变区域之前停止冷却的例子。

在该方法中，也是在达到残余应力的发生显著的珠光体相变温度以下之前，通过预先使焊接中心附近的温度分布平坦化，从而可以提高疲劳强度。为了获得该效果，必须至少从奥氏体温度区域开始冷却。另外，为了以温度分布的平坦化为目标，优选至少冷却到温度从冷却开始降低50℃以上。在此情况下，当冷却停止温度下降至珠光体相变的冶金驱动力发生作用的Ar3点、Ae点、Acm点以下时，硬度有少许上升，但硬度的上升量比图18A、图18B小。当冷却停止温度在珠光体相变的冶金驱动力发生作用的Ar3点、Ae点、Acm点以上时，不会产生硬度上升，但即使在此情况下，借助于温度分布的平坦化也可以改善残余应力。

冷却速度采用自然冷却速度不能获得其效果，相反在冷却过快的情况下，柱部的组织不会发生珠光体相变，而是在更低的温度下发生贝氏体或者马氏体相变。高碳素钢的马氏体组织极硬且脆，因而是必须避免的。另外，贝氏体组织因相变温度的不同而使强度发生变动，合金成分的偏析部进而因相变延迟而有混入马氏体组织的危险性，因而是不优选的。为了防止这些珠光体以外的组织，冷却速度必须在5℃/s以下。

图19表示钢轨焊接区的柱部温度从奥氏体温度区域开始加速冷却，进而在柱部的珠光体相变结束后还对柱部进行加速冷却的第3冷却模式。该方法在达到残余应力的发生显著的珠光体相变温度以下之前，利用预先使焊接中心附近的温度分布平坦化、以及对焊接区柱部进行加速冷却从而提高强度的效果，而且通过在柱部的珠光体相变结束后进一步对柱部进行冷却，可以进一步提高疲劳强度。为了获得这些效果，至少必须从奥氏体温度区域开始冷却。始于奥氏体温度区域的冷却的结束为了以温度分布的平坦化为目标，优选至少进行距冷却开始50℃以上的冷却。另外，为了获得硬度的上升，优选冷却至珠光体相变的冶金驱动力发生作用的Ar3点、Ae点、Acm点以下。也可以使从奥氏体区域开始的冷却进行至珠光体相变结束后，接着连续地进行珠光体结束后的冷却。

从奥氏体区域到珠光体相变结束的冷却速度必须在自然冷却速度以上，但为了避免马氏体组织和贝氏体组织，优选在5℃/s以下。

珠光体相变结束后的柱部的冷却速度在自然冷却速度以上，冷却速度越快，降低残余应为的效果越大。

如前所述，为了防止马氏体组织，必须使珠光体相变区域的冷却速度为5℃/s以下。作为用于防止马氏体组织的其它方法，在珠光体相变温度区域设置冷却速度充分慢的、例如为自然冷却速度或者2℃/s以下的加速冷却的期间，以等待珠光体相变结束的方法也是有效的。不论珠光体相变温度区域以外的温度区域中的冷却速度，通过设置珠光体相变温度区域中的该充分慢的冷却期间从而使珠光体相变结束，可以完全抑制马氏体的生成。

换句话说，该冷却模式是将焊接区的冷却期间区分为前段、中段、后段，将中段的期间设定为650℃～600℃的珠光体相变温度区域的一部分，而且设定自然冷却速度或者2℃/s以下的缓慢的冷却速度的方法。为了抑制马氏体组织，优选将中段冷却的期间设定为20秒以上。

图20A、图20B表示作为它的例子的第4冷却模式。

图20A是通过前段的冷却而使钢轨焊接区的柱部的温度从奥氏体温度区域加速冷却至珠光体相变温度区域的途中，接着在中段的冷却中以自然冷却速度或者2℃/s以下的缓慢的冷却速度使柱部的珠光体相变结束，接着在后段的冷却中使柱部以自然冷却速度以上的冷却速度进行冷却的例子。该方法由于使前段的冷却的温度区间包含珠光体相变温度区域的一部分，因而可以获得提高柱部强度的效果。珠光体相变结束后的后段的柱部的冷却速度越快，则降低残余应力的效果越大。

图20B是钢轨焊接区的柱部的温度从奥氏体温度区域开始前段的加速冷却并在奥氏体温度区域转换为中段冷却，并且作为中段冷却，从奥氏体温度区域到珠光体相变结束以自然冷却速度或者2℃/s以下的冷却速度缓慢地进行冷却，接着在后段的冷却中对柱部进行加速冷却的例子。珠光体相变结束后的柱部的冷却速度越快，降低残余应力的效果越大。

另外，在柱部发生珠光体相变后的冷却中，在足部的冷却速度超过柱部的情况下，柱部延迟收缩，柱部的收缩受到足部的约束而使长度方向的拉伸残余应为增加，结果在上下方向(周向)也产生与泊松比相应的拉伸应力，因而是不优选的。借助于该方法，可以进一步降低钢轨柱部在上下方向(周向)的残余应力，而且通过增加柱部的强度可以获得更高的疲劳强度。

在上述的冷却方法中，就柱部发生珠光体相变后的足部的冷却速度必须不超过柱部的冷却速度进行了说明。从该观点出发，在重载荷铁道等的钢轨于荷刻的环境下使用时，为了更加改善残余应为、从而进一步获得较高的疲劳强度，在焊接后的冷却过程中需要将钢轨足部设定为自然冷却。

另一方面，关于磨损较快的面向曲线轨道的对钢轨头部进行过热处理的钢轨，优选在焊接后的冷却过程中，在钢轨头部发生珠光体相变的温度区域进行加速冷却，从而赋予与母材钢轨同等的硬度。

图21表示钢轨头部以及柱部的温度从奥氏体温度区域开始加速冷却，进而在柱部结束珠光体相变后，对柱部进一步进行加速冷却的第5冷却模式。

为了使钢轨头部、柱部硬化，钢轨头部的加速冷却需要从超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域开始，需要在直至珠光体相变结束的至少一部分的温度范围进行冷却。始于奥氏体温度区域的冷却的结束为了以温度分布的平坦化为目标，优选进行至少距冷却开始50℃以上的冷却。另外，为了提高硬度，需要冷却到珠光体相变的冶金驱动为发生作用的Ar3点、Ae点、Acm点以下，为了获得更充分的硬度，需要冷却至珠光体相变结束的Ar1以下。虽然也可以使从奥氏体区域开始的冷却进行到珠光体相变结束后、接着连续地进行珠光体结束后的冷却，但即使在途中将其中断也没有关系。始于奥氏体区域的头部和柱部的冷却速度均不在自然冷却速度以上就不能硬化，另一方面，为了避免马氏体组织和贝氏体组织，需要在5℃/s以下。借助于该方法，在使钢轨头部硬化的热处理钢轨中，可以降低钢轨柱部在上下方向(周向)的残余应力，而且可以抑制焊接区的局部的偏磨损。

<适当的焊接区冷却宽度和冷却时间的关系>

另外，在对焊接区进行冷却的情况下，根据焊接后的经过时间的不同，钢轨柱部的焊接区的温度分布状态发生变化。由于残余应为取决于焊接区的温度分布，因而根据停止冷却的温度、或者冷却时间的不同，对降低残余应力有效的冷却范围不同。

下面使用图22A～图22C，示意图示了钢轨长度方向的距焊接中心的温度分布与焊接后的时间经过一起发生变化的状况，并就此时的残余应力的变化进行说明。

图22A～图22C的纵轴为温度，横轴为距焊接中心的距离除以材料被加热到Ac1以上的距离LAc1所得到的无量纲数。该材料的Ac1温度为730℃，焊接时被加热到Ac1以上的宽度距焊接中心部在单侧为20mm，而从焊接中心横跨两侧的整个宽度为40mm。

图22A～图22C表示焊接后自然冷却1分钟之后、在空气中仅对钢轨柱部以2℃/s的冷却速度进行冷却时，刚焊接后、焊接后1分钟、焊接后3分钟、焊接后9分钟的状态。实线表示对柱部进行自然冷却的状态，虚线表示加速冷却柱部的状态的温度。在这些例子中，足部进行自然冷却，足部的温度分布相当于实线。

图22A表示在钢轨柱部的冷却范围L极度狭窄时即k为0.1时的温度分布。冷却宽度距焊接中心在单侧为2mm，从焊接区整体看时整个冷却宽度为4mm。钢轨柱部在Ac1以上的宽度(LAc1)为40mm，当将该宽度相对于冷却范围L的比率设定为k的情况下，k为0.1。

因为只是焊接中心部温度降低，所以在冷却时间较短的阶段，柱部的温度分布在焊接中心部即柱部的温度达到Ac1以上的区域(在图中的横轴上，距焊接中心的距离在LAc1的0～0.5倍的范围)的最高温度和最低温度之差超过50℃，柱部上下方向(周向)的残余应力不会降低。

即使在冷却宽度极端狭窄的k为0.1的条件下长时间地进行冷却，仍然只是焊接中心附近温度降低，柱部的温度达到Ac1以上的区域(在图中的横轴上，距焊接中心的距离为LAc1的0～0.5倍的范围)的最高温度和最低温度之差为100℃左右，拉伸残余应力不会降低。

图22B表示在钢轨柱部的冷却范围L为中等程度时即k为1时的温度分布。冷却宽度距焊接中心在单侧为20mm，整个冷却宽度为40mm，相对于钢轨柱部达到Ac1以上的整个宽度40mm的比率(k)为1。

从冷却时间较短的阶段起，柱部的焊接区的温度达到Ac1以上的区域(在图中的横轴上，距焊接中心的距离为LAc1的0～0.5倍的范围)的最高温度和最低温度之差在50℃以内，上下方向(周向)的残余应力得以降低。

在进行长时间冷却的状态下，焊接区的温度达到Ac1以上的区域(图中距焊接中心的距离为LAc1的0～0.5倍的范围)的温度范围也在50℃以内，上下方向(周向)的残余应力得以降低。

图22C表示钢轨柱部的冷却范围L极度宽时即k为2时的温度分布。冷却宽度距焊接中心在单侧为40mm，整个冷却宽度为80mm，相对于钢轨柱部达到Ac1以上的宽度40mm的比率k为2。

由于在冷却时间较短的阶段，柱部的温度大范围且均匀地降低，因而焊接中心的温度较高的倾向残存下来，焊接中心部即柱部的温度达到Ac1以上的区域(在图中的横轴上，距焊接中心的距离为LAc1的0～0.5倍的范围)的最高温度和最低温度之差超过50℃，上下方向(周向)残余应力的降低效果较小。

另一方面，如果进行长时间冷却，则高温部优先冷下来，因而焊接区中央的温度降低逐步进行。因此，焊接中心部即柱部的温度达到Ac1以上的区域(在图中的横轴上，距焊接中心的距离为LAc1的0～0.5倍的范围)的最高温度和最低温度之差在50℃以下，柱部上下方向(周向)的残余应力得以降低。

另一方面，柱部和足部(非冷却部)的温度差显著的区域如果扩大，则足底部在长度方向的残余应力向拉伸侧转移。如图22A～图22C所示，随着冷却宽度的增加，而且随着冷却时间的延长，柱部和足部(非冷却部)的温度差显著的区域得以扩大。

在图22A～图22C中，在进行冷却范围宽的图22C的长时间冷却的情况下，柱部和足部的温度差显著的区域明显扩大，足底部长度方向的残余应为的绝对值达到拉伸侧。

如上所述，除冷却宽度以外，根据冷却时间的不同，温度分布存在不同，由此带来的残余应力也不同。如果将在图22A～图22C中说明的内容分为短时间冷却的情况和长时间冷却的情况、且用冷却宽度进行调整，则被调整为如图23A、图23B所示。

首先，在图23A所示的短时间冷却的情况下，当柱部的冷却宽度过于狭窄时，柱部上下方向(周向)的应力没有变化。当冷却宽度过宽时，冷却时焊接区及其周围整体上冷下来，因而焊接中心部保持高温的状态不变而残存下来，残余应力不会减轻。另一方面，足底长度方向应力随着冷却宽度的增加而增加，在冷却宽度极端宽的情况下，甚至也不会成为拉伸应力。由以上可知：在冷却时间较短的情况下，柱部的上下方向(周向)残余应为降低的中间的冷却宽度为适当范围。

另一方面，在图23B所示的冷却时间较长的情况下，冷却宽度越宽，柱部的残余应力越降低。在冷却宽度过宽的情况下，与足部的温度差较大的区域扩大，足部在长度方向的收缩应变作用于柱部，在长度方向的压缩应变的作用下，柱部在上下方向(周向)的拉伸减少。足底的长度方向收缩随之受到柱部的约束，残余应力的绝对值甚至变为拉伸应力而恶化。冷却宽度的适当范围是直至足底的长度方向残余应力的绝对值达到拉伸侧。

由上可知：随着冷却时间的延长，冷却宽度的适当范围向狭窄范围转移。该情况如图24所示。图24的纵轴表示柱部的冷却宽度L与柱部中加热到Ac1以上的宽度LAc1之比k，横轴以分钟为单位表示冷却时间。适当的冷却范围在图中为被(a)、(b)所示的直线包围的范围，它随着冷却时间的延长而向狭窄范围转移。被直线(a)、直线(b)所包围的范围用式(1)表示。

k＝-0.1t+1.48±0.85            (1)

换句话说，k的范围用-0.1t+0.63≤k≤-0.1t+2.33(2)表示。

如前所述，通过使钢轨柱部的焊接区附近的温度分布变得平坦，可以降低柱部在上下方向的残余应为。因此，将冷却范围限定为焊接区中心附近的高温区域是有效的。

此外，在冷却宽度过于狭窄的情况下，冷却效率降低从而残余应力减少的效果下降，因而优选至少冷却5mm以上的范围。

通过以上的焊接后的控制冷却，可以得到钢轨焊接区中柱部的上下方向残余应力得以降低、足底部的长度方向残余应力也处于压缩范围的良好的焊接接头。通过将钢轨柱部在上下方向的残余应力降低到350MPa以下的拉伸应为，则根据本发明人的实验，在模拟重载荷铁道的疲劳试验中没有看到柱部的水平龟裂的发生。另外，由于足底部在长度方向的残余应力处于压缩范围，因而可以得到即便是弯曲疲劳试验也充分的疲劳寿命。另外，这些效果是通过调整冷却珠光体相变温度区域时的冷却速度，从而将金属组织的95％以上设定为珠光体组织，由此抑制硬且脆的马氏体组织的发生而得到的。

此外，如图20A、图20B所示，在冷却工序中包含冷却速度极慢的区间的情况下，从冷却开始到结束的整体的冷却时间延长。根据本发明人的研究，在这样的冷却方法中，式(1)以及式(2)所使用的冷却时间需要使用从整体的冷却时间中减去2℃/s以下的缓慢冷却的时间所得到的值。

接着，对于用于充分确保钢轨头部的硬度、同时使柱部的残余应力进一步降低的一个实施方式，以下参照附图进行说明。此外，在以下的实施方式的说明中，如图28所示，有时将钢轨头部的上表面115称为“头顶部”，将头部侧面117称为“头侧部”，将头部和柱部之间的中间变细部分119称为“颈部”，将头顶部和头侧部之间的上侧角部116称为“轨间(gauge)角部”，将头侧部和颈部之间的下侧角部118称为“颚部”。

在对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却的情况下，由于颚部有棱角，因而如后所述，颚部的冷却速度比其它部位快。本发明人发现：如果颚部的冷却速度比其它部位快，则柱部的残余应力并不是那种程度地降低。于是，本实施方式在对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却时，由于使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢，因而可以充分确保钢轨头部的硬度，而且谋求柱部的残余应为的降低。可以推测在使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢的情况下，由于颚部附近的强度降低，因而柱部的收缩应变被吸收，柱部的残余应为得以降低。

另外，本实施方式的钢轨焊接区的冷却方法中，如果将形成所述头部的侧面的头侧部的高度设定为Hs，则优选对除比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域以外的整个头部进行加速冷却。由此，颚部的冷却速度得以缓和，可以使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢。

另外，在本发明的钢轨焊接区的冷却方法中，也可以在距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域设置屏蔽板，并向所述头部喷出冷却用流体。根据这样的构成，由于用屏蔽板遮盖了向距头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域喷出的冷却用流体，因而颚部的冷却速度得以缓和，从而可以使颚部的冷却速度比柱部的冷却速度慢。此外，作为冷却用流体的种类，可以根据冷却速度的不同，能够选择空气、气水(空气和水的混合流体)以及水之中的任一种。

另外，上述钢轨焊接区的冷却方法中使用的冷却装置的特征在于：其具有头部冷却单元，其中，如果将形成钢轨焊接区的头部的侧面的头侧部的高度设定为Hs，则对除比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域以外的整个头部进行加速冷却。

另外，在本发明的钢轨焊接区的冷却装置中，所述头部冷却单元也可以具有：向所述头部喷出冷却用流体的喷出部，以及覆盖比距所述头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域的屏蔽板。

另外，本发明的一实施方式的焊接接头采用上述钢轨焊接区的冷却方法，使所述柱部中的钢轨断面周向的残余应力被设定为300MPa以下，而且使所述头部的硬度被设定为Hv320以上。在此，“硬度”为维氏硬度。

如果柱部中的钢轨断面周向的残余应为超过300MPa，则钢轨的疲劳强度显著降低。另外，如果头部的硬度低于Hv320，则钢轨头部的磨损剧烈，从而钢轨的耐久性显著降低。此外，在重载荷铁道的曲线轨道上，磨损极其容易发展，从而大多使用母材的头部表层的硬度为Hv400左右的钢轨。因此，即使在钢轨焊接区的头部表层中，也优选具有与母材钢轨同等的Hv400左右的硬度。

[闪光对焊]

钢轨焊接区的柱部在上下方向的残余应为在温度梯度最为陡峭的闪光对焊中尤其显著。因此，在本说明书中，作为钢轨接缝的焊接方法的一个例子，就闪光对焊进行说明。此外，本发明的钢轨焊接区的冷却方法以及该冷却方法中使用的冷却装置当然即使对于铝热焊等其它焊接方法也可以适用。

图34A～图34C表示了用于说明闪光对焊的示意图。在被称之为闪光工序的第一工序中，在经由与电源137连接的电极136而施加的电压的作用下，在连接设置的钢轨111的端面间连续地产生电弧(参照图34A)。产生电弧的部分局部熔融，熔融的金属的一部分作为飞溅物向外部放出，但剩余部分残留于钢轨111的端面。在因电弧而熔融的部分产生被称之为弧坑的凹坑。钢轨111逐渐接近，在新的接触部分陆续产生电弧，钢轨111因局部熔融的反复进行而逐渐缩短。使闪光工序持续几十秒到几分钟，从而钢轨111的整个端面处于熔融状态。另外，钢轨111的端面附近因温度上升而软化。在达到该状态的时点，如图34B所示，向钢轨轴向进行加压(加压工序)。在该被称之为“upset(加压)”的加压的作用下，在钢轨111的端面形成的弧坑被压碎，在端面间存在的熔融金属向焊接面之外挤出。软化的端面附近发生塑性变形而使断面增大，从而在焊接面的周围形成焊道138。该焊道138如图34C所示，在刚焊接后的高温期借助于修整器139进行热剪断而除去。该工序被称之为修整。修整后，在焊接区的周围残存有薄焊道138。在钢轨头部残存的薄焊道138利用砂轮机进行研磨而使其平滑化，但在钢轨柱部以及足部残存的薄焊道138根据铁道公司的不同而采用不同的处理方法：或者利用砂轮机进行研磨，或者不进行处理等。

[钢轨钢]

钢轨钢正如JIS-E1101“普通钢轨以及道岔类用特殊钢轨”、JIS-E1120“热处理钢轨”中规定的那样，一般使用含有0.5～0.8质量％碳的亚共析或者共析碳素钢。另外，最近以海外矿山铁道中的重载荷货物线为对象、且磨损性得到进一步提高、含有超过0.8质量％碳的过共析组成的钢轨钢也正在普及。

[残余应力的发生机理]

在存在起因于钢轨内的不均匀温度的不均匀收缩应变的情况下，钢轨内的各部位相互受到收缩应变的约束而产生收缩应力，该收缩应力作为内部应为残存下来，便被称作残余应为。在对钢轨的接缝进行焊接的情况下，在钢轨焊接区和周围之间产生较大的温度差。由此，在钢轨焊接区产生收缩应为并成为残余应为。于是，如果对焊接中心附近进行加速冷却，则焊接中心附近的温度分布变得平坦，因而焊接中心的残余应力的发生得以降低。但是，对焊接中心附近进行加速冷却而使温度分布平坦化、由此减轻残余应力的效果在平坦化的温度分布于Ar1(奥氏体消失的温度)附近得到时是最大的，在钢轨焊接区的中心温度低于200℃的状态下即使能够得到平坦的温度分布，也已经产生较大的残余应力，从而残余应为的降低效果较小。

[钢轨焊接区的冷却装置]

本发明的一实施方式的钢轨焊接区的冷却装置(以下简称为冷却装置)110如图29所示，概要的构成包括：用于对焊接了钢轨111之后的钢轨焊接区150的头部112进行加速冷却的头部冷却单元120、以及用于对钢轨焊接区150的柱部113进行加速冷却的柱部冷却装置121；并不具有对钢轨焊接区150的足部114进行加速冷却的冷却装置。此外，冷却装置110也可以具有后述的控制装置(未图示)。

头部冷却单元120具有：向头部112喷出冷却用流体的喷出部123、以及在头部112的侧面配置的一对的屏蔽板125(参照图30A、图30B)。喷出部123被设计成包围钢轨焊接区150的头顶部112a以及头侧部112b的半筒状，向头顶部112a以及头侧部112b喷出冷却用流体的喷出孔123a设置在内周面上。

一对屏蔽板125被设计成沿钢轨轴向延长，在长度方向的两端部呈大致“コ”字状(倒“コ”字状)断面，且中间部呈大致“L”字状(倒“L”字状)断面(参照图31、图32、图33)。关于一对屏蔽板125的两端部，其上缘部通过铰链126进行连结，并载置在头顶部112a上(参照图33)。一对的屏蔽板125以铰链126为旋转轴而在与钢轨轴正交的面内旋转，并且开闭自如。如果将头侧部112b的高度设定为Hs，则被设计成大致“L”字状(倒“L”字状)断面的中间部覆盖比距头侧部112b的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域(头侧部112b的下侧Hs/3+颚部112c+颈部112d)(参照图29、图31)。此外，屏蔽板125的中间部的上缘125a以冷却用流体不会流入头部区域的方式向头侧部112b侧倾斜。

柱部冷却装置121夹持着钢轨焊接区150的柱部113而相向配置，并具备设置有用于向柱部113喷出冷却用流体的喷出孔124a的一对喷出部124(参照图29)。

在用于对钢轨焊接区150的头部112进行加速冷却的头部冷却单元120的喷出部123上，连接有用于供给冷却用流体的供给管128，在用于对钢轨焊接区150的柱部113进行加速冷却的柱部冷却装置121的喷出部124上，连接有用于供给冷却用流体的供给管129。供给管128、129保持在由横跨钢轨111而架设的门型框架构成的台架122上。

[钢轨焊接区的冷却方法]

下面就采用冷却装置110进行的钢轨焊接区150的冷却方法进行说明。

(1)如图33的虚线所示，通过以铰链126为转动轴转动而使一对屏蔽板125处于打开的状态，在钢轨焊接区150的头顶部112a上，载置着铰链126所设置的部位。载置在头顶部112a上的一对屏蔽板125，其顶端部在自重的作用下向下方转动而成为图33的用实线表示的状态。由此，比距钢轨焊接区150的头侧部112b的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域(头侧部112b的下侧Hs/3+颚部112c+颈部112d)处于用屏蔽板125覆盖的状态(参照图31)。

(2)以横跨钢轨111的方式设置由门型框架构成的台架122，布置头部冷却单元120的喷出部123，使其包围钢轨焊接区150的头顶部112a以及头侧部112b，并且夹持钢轨焊接区150的柱部113而使柱部冷却装置121相向配置。

(3)关于钢轨焊接区150的头部112以及柱部113，在直至从奥氏体温度区域向珠光体的相变结束的期间，从头部冷却单元120的喷出部123以及柱部冷却装置121的喷出部124喷出冷却用流体而对头部112以及柱部113进行加速冷却。上述冷却的控制可以使用设置在冷却装置110上的控制装置。

采用本发明的实施方式的钢轨焊接区的冷却方法对钢轨焊接区进行加速冷却时的温度过程如图35所示，对钢轨焊接区进行自然冷却时的温度过程如图36所示，仅对钢轨焊接区的头部进行加速冷却时的温度过程如图37所示，采用以前的方法对钢轨焊接区的头部以及柱部进行加速冷却时的温度过程如图38所示。从这些图中可以看出：无论在自然冷却、仅对头部的加速冷却、采用以前的方法对头部以及柱部进行的加速冷却哪一种情况下，颚部的冷却速度最快，但根据本发明，颚部的冷却速度比柱部缓慢。

图39表示实施上述各冷却方法时的、钢轨的焊接中心的钢轨断面周向的残余应力分布。由该图可知：只对头部进行加速冷却的情况与自然冷却的情况相比，柱部的残余应力增大，采用以前的方法对头部以及柱部进行加速冷却的情况与自然冷却的情况相比，柱部的残余应力降低。再者，可知采用本发明的方法的情况与以前的方法相比，柱部的残余应力得以进一步降低。

以上就本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明丝毫不会限定于上述实施方式中记载的构成，也包括在权利要求书所记载的事项的范围内可以考虑的其它实施方式和变形例。例如在上述实施方式中，设置了用于遮挡向比距头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域喷出的冷却用流体的屏蔽板，但也可以不设置屏蔽板而向比距头侧部的下端为Hs/3的上方位置靠上侧的头部区域喷出冷却用流体。另外，在上述实施方式中，头部冷却单元的喷出部设计为半筒状，但也可以设置头顶部用喷出部和头侧部用喷出部。

实施例

<试验方法>

(关于柱部的疲劳试验方法)

对柱部水平龟裂的疲劳强度的评价试验采用图25示意表示的方法来进行。将钢轨焊接区置于平台27上，利用推压工具(pressing tool)28从焊接区的钢轨头部反复施加载荷。推压工具28的曲率半径被设定为与车轮接近的450mm。关于所施加的载荷，考虑到在重载荷下的实际载荷为20吨左右，为了促进实验速度而设定为30吨。如果载荷反复中的最低载荷设定为0吨，则试验片有时浮起，为避免这种现象，最低载荷设定为4吨。载荷反复的速度设定为2Hz，在焊接区产生龟裂的时点结束试验。另外，在直至载荷反复的次数为200万次而没有断裂的情况下，就此结束试验。

(关于足部的疲劳试验方法)

弯曲疲劳强度的评价试验采用3点弯曲方式进行。图26示意表示了试验方法。在以1m的距离设置的台座29、29’的中心以直立姿势放置被切断为1.5m的钢轨焊接区，利用推压工具30在其中心部从钢轨头部施加载荷。台座29、29’以及推压工具30的与钢轨接触的部位的曲率半径设定为100mmR。试验应力被设定在钢轨的足底中央部分。将最低应力设定为30MPa，将最大应力设定为330MPa，将应力变动范围设定为300MPa。通常的闪光对焊接头在300MPa的应为范围具有直至200万次的疲劳寿命。载荷反复速度设定为5Hz，在焊接区产生龟裂的时点结束试验。另外，在直至载荷反复的次数为200万次而没有断裂的情况下结束试验，从而判断具有充分的疲劳性能。

(关于使用的钢轨)

表1表示了所使用的3种钢轨。钢轨钢A是通称为普通钢轨的钢种，为含有0.65～0.75重量％碳的亚共析钢，是轧制状态的基材，钢轨头部的硬度为维氏硬度260～290。钢轨钢B使用的是轧制后进行过热处理的钢轨，为含有0.75～0.85重量％碳的共析钢，是钢轨头部的表面下5mm的硬度为维氏硬度360～400的钢种。钢轨钢C使用的是含有0.85～0.95％碳的过共析钢，为轧制后进行过热处理的钢轨，是钢轨头部的表面下5mm的硬度为维氏硬度400～450的钢种。钢轨尺寸使用每米单重为60kg/m的一般铁道用尺寸。

表1

使用的钢轨钢

本发明的实施例、比较例如表2～表8所示。在同一条件下制作出3个试验体，其中的1个用于调查残余应为、焊接区硬度、金属组织，第2个用于进行柱部的疲劳寿命评价试验，第3个用于进行弯曲疲劳试验。表中表示了被焊接钢轨的种类，焊接区的最高加热温度达到Ac1以上的区域在长度方向的宽度LAc1，达到Ac3、Ace、Accm以上的区域在长度方向的宽度，焊接后进行冷却时的长度方向的宽度，柱部的冷却宽度L与LAc1之比k值，冷却时间t，用1式求出的k值的适当范围的上下限，k值是否包括在上下限内，冷却的温度区域，残余应力的测定值，焊接区的硬度以及疲劳试验中的龟裂发生次数。关于硬度，由于焊接中心的脱碳区域的测定值存在偏差，因而在距焊接中心为2mm的位置的表面采用肖氏硬度计进行测定，然后换算成维氏硬度。残余应力通过切出应变仪粘接部而由应变的变化算出残余应力值。金属组织通过对距焊接中心为2mm的位置、表面下方2mm的垂直于钢轨长度方向的断面进行镜面研磨、然后由3％硝酸乙醇进行浸蚀而采用显微镜来观察。金属组织的组织分率以100倍的放大倍数进行观察，并用点计数法算出。在表2～表6中，确认有马氏体等珠光体以外的组织的例子记入备注栏中。此外，表中记载的温度是焊接中央部附近的表面温度。

另外，在闪光对焊中，焊接区的长度方向温度分布通过闪光工序的时间调整而发生变化。在以下的实施例中，使焊接区的最高加热温度的宽度发生变化的例子是通过闪光时间的调整来进行的。

<实施例A>

表2表示了对钢轨进行闪光对焊后，使整个钢轨柱部结束从奥氏体向珠光体的相变，然后以超过自然冷却速度的冷却速度且在钢轨足部的冷却速度以上对钢轨柱部的下述长度方向的限定区域内进行冷却的实施例。

此时的冷却方法如下。使用控制装置控制压缩空气或者含有水滴的压缩空气的流量以及流速，从而对由钢轨柱部的长度方向的柱部的最高加热温度达到Ac1点以上的钢轨柱部的宽度LAc1与表中的k值之积(L)算出的长度方向的区域内进行冷却，并且通过控制压缩空气的流量以及流速，对最高加热温度达到Ac1点以上的足部的长度方向的区域内(比区域狭窄的范围)进行冷却，所述区域内以外的区域设定为自然冷却。总之，实施加速冷却的只是钢轨的一部分。被焊接钢轨使用表1的钢种A。

实施例A1～A6是柱部的珠光体相变结束后对柱部进行冷却时使冷却速度发生各种变化的例子。珠光体相变结束温度大约为600℃，柱部的冷却开始温度设定为500℃，冷却结束温度设定为200℃。实施例A4是使长度方向的冷却范围发生变化的例子。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，比较例A1的焊接状态材料在柱部的疲劳试验中，以载荷反复次数未达到2,000,000次的短寿命而产生龟裂，与此相对照，实施例A1～A6直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力处于压缩范围，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，而且也没有断裂，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的95％以上都是珠光体组织。

另一方面，在比较例A2中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应力变为拉伸应为，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

另外，在比较例A3中，足部的冷却速度比柱部快，柱部的残余应为没有下降，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

比较例A4是冷却的开始时机较高，为650℃，在珠光体相变结束前开始冷却的例子，除此以外，由于冷却速度较快，因而马氏体组织分率以面积率计达10％以上，柱部的硬度异常地高。在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例A5中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应为，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例B>

表3表示在对钢轨进行闪光对焊之后，在直至从柱部的温度超过Ae的奥氏体温度区域向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度，对焊接区的钢轨柱部的下述长度方向的限定区域内进行冷却的实施例。此时的冷却方法如下。

控制压缩空气或者含有水滴的压缩空气的流量以及流速，从而对由钢轨柱部的长度方向的柱部的最高加热温度达到Ac1点以上的钢轨柱部的宽度LAc1与表中的k值之积(L)算出的长度方向的区域内进行冷却，并且通过控制压缩空气的流量以及流速，对最高加热温度达到Ac1点以上的足部的长度方向的区域内(比区域狭窄的范围)进行冷却，所述区域内以外的区域设定为自然冷却。总之，实施加速冷却的只是钢轨的一部分。

珠光体相变温度区域在自然冷却下为650℃～600℃，而进行冷却时，根据冷却速度的不同，相变温度有些变化。被焊接钢轨使用表1的钢种A。

实施例B1～B4是柱部从奥氏体区域冷却时，使冷却速度、冷却温度区域发生各种变化的例子。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应为与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力处于压缩范围，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，而且也没有断裂，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的95％以上都是珠光体组织。另外，通过对钢轨柱部的珠光体相变区域进行加速冷却，柱部的硬度增加到Hv350以上，在疲劳强度方面更为有利。

另一方面，在比较例B1中，柱部的冷却速度超过5℃/s，在柱部中马氏体组织分率以面积率计达10％以上，硬度异常地高。在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例B2中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应力处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

另外，在比较例B3中，冷却的结束温度较高，为760℃，因冷却引起的温度降低量也较小，因而残余应为与焊接状态没有大的差别，由于在珠光体相变开始前使冷却结束，因而硬度也不会上升，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例B4中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应力，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例C>

表4表示在对钢轨进行焊接之后，在从柱部的温度超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域到向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度，对焊接区的钢轨柱部的下述长度方向的限定区域内进行冷却，进而在整个钢轨柱部从奥氏体向珠光体的相变结束后，以超过自然冷却速度的冷却速度、而且在钢轨足部的冷却速度以上进行冷却的实施例。

此时的冷却方法如下。控制压缩空气或者含有水滴的压缩空气的流量以及流速，从而对由钢轨柱部的长度方向的柱部的最高加热温度达到Ac1点以上的钢轨柱部的宽度LAc1与表中的k值之积(L)算出的长度方向的区域内进行冷却，并且通过控制压缩空气的流量以及流速，对最高加热温度达到Ac1点以上的足部的长度方向的区域内(比区域狭窄的范围)进行冷却，所述区域内以外的区域设定为自然冷却。总之，实施加速冷却的只是钢轨的一部分。

珠光体相变温度区域在自然冷却下为650℃～600℃，而进行冷却时，根据冷却速度的不同，相变温度有些变化。正常的珠光体相变在稍低于600℃下结束。此外，珠光体相变结束后的冷却的温度区域设定为500℃～200℃。被焊接钢轨使用表1的钢种A。

实施例C1～C4是使柱部从奥氏体区域开始在珠光体相变温度区域进行冷却时的冷却温度范围和冷却速度、以及珠光体相变结束后的冷却的冷却速度发生变化的例子。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应为为压缩应力，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的95％以上都是珠光体组织。另外，通过对钢轨柱部的珠光体相变区域进行加速冷却，柱部的硬度增加到Hv350以上，在疲劳强度方面更为有利。

另一方面，在比较例C1中，柱部的冷却速度超过5℃/s，柱部的马氏体组织分率以面积率计达10％以上，柱部的硬度异常地高。在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

另外，在比较例C2中，足部的冷却速度比柱部快，柱部的残余应力没有下降，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例C3中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应力处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例C4中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应为，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例D>

表5表示在对钢轨进行焊接之后，在从柱部的温度超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域到向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围，以超过自然冷却速度的冷却速度，对焊接区的钢轨柱部进行冷却，以自然冷却速度或者2℃/s以下的冷却速度对珠光体相变温度区域的至少一部分进行冷却，在所述焊接区的整个钢轨柱部从奥氏体向珠光体的相变结束后，以超过自然冷却速度的冷却速度、而且在钢轨足部的冷却速度以上对所述焊接区的钢轨柱部在长度方向的区域进行冷却的实施例。

此时的冷却方法如下。控制压缩空气或者含有水滴的压缩空气的流量以及流速，从而对由钢轨柱部的长度方向的柱部的最高加热温度达到Ac1点以上的钢轨柱部的宽度LAc1与表中的k值之积(L)算出的长度方向的区域内进行冷却，并且通过控制压缩空气的流量以及流速，对最高加热温度达到Ac1点以上的足部的长度方向的区域内进行冷却，所述区域内以外的区域设定为自然冷却。总之，实施加速冷却的只是钢轨的一部分。

珠光体相变温度区域为650℃～600℃，使中段的冷却包含该温度区域，在600℃以下的珠光体相变结束后的后段的柱部的冷却中，使其得到200℃的温度降低。被焊接钢轨使用表1的钢种B。

实施例D1～D4是柱部从奥氏体区域到珠光体相变温度区域的一部分进行前段冷却，然后，以2℃/s以下的冷却速度进行冷却或者以自然冷却使珠光体相变结束，进而作为后段冷却对柱部进行加速冷却的例子。在实施例D2中，中段冷却设定为自然冷却。

实施例D5、D6是柱部在处于奥氏体温度区域的期间进行前段的冷却，作为中段的冷却，从奥氏体温度区域到珠光体相变结束进行自然冷却，进而作为后段的冷却对柱部进行加速冷却的例子。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力为压缩应为，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的100％都是珠光体组织。

另一方面，在比较例D1中，足部的冷却速度比柱部快，柱部的残余应为没有下降，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例D2中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应为处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例D3中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应力，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例E>

表6表示除实施例A、B、C的条件以外、还对钢轨足部进行自然冷却时的实施例。珠光体相变温度区域在自然冷却下为650℃～600℃，而进行冷却时，根据冷却速度的不同，相变温度有些变化。正常的珠光体相变在稍低于600℃下结束。进行从珠光体相变前的A3、Ae、Acm以上的温度区域开始的冷却的实施例的冷却温度区域为800～500℃。而且进行珠光体相变结束后的冷却的实施例的冷却温度区域设定为500℃～200℃。被焊接钢轨使用表1的钢种A。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低，柱部的上下方向(周向)的残余应力平均地看比所述实施例降低。在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力为压缩应为，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的95％以上都是珠光体组织。

另一方面，在比较例E1中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应力处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例E2中，柱部的冷却速度较高，超过5℃/s，柱部的马氏体组织分率以面积率计达10％以上，柱部的硬度异常地高。在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例E3中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应力，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例F>

表7表示除实施例A、B、C、E的条件以外，还在从超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域到向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度，对焊接区的钢轨头部进行冷却的实施例。珠光体相变温度区域在自然冷却下为650℃～600℃，而进行冷却时，根据冷却速度的不同，相变温度有些变化。正常的珠光体相变在稍低于600℃下结束。进行从珠光体相变前的A3、Ae、Acm以上的温度区域开始的冷却的实施例的冷却温度区域为800～500℃。而且进行珠光体相变结束后的冷却的实施例的冷却温度区域设定为500℃～200℃。被焊接钢轨使用表1的钢种B或者钢种C的共析、过共析的热处理钢轨。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力为压缩应力，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的95％以上都是珠光体组织。

另一方面，在比较例F1中，足部的冷却速度比柱部快，柱部的残余应为没有下降，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例F2中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应为处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例F3中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应力，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

<实施例G>

表8是除在珠光体相变温度区域的一部分设置2℃/s以下的缓慢冷却期间的实施例D的条件以外，将钢轨足部设定为自然冷却、进而在从超过A3、Ae或者Acm的奥氏体温度区域到向珠光体的相变结束的至少一部分的温度范围，以超过自然冷却速度且在5℃/s以下的冷却速度，对焊接区的钢轨头部进行冷却的例子。被焊接钢轨使用表1的钢种C。

实施例G1、G2是对足部进行自然冷却的例子，实施例G3、G4是在直至从奥氏体温度区域向珠光体的相变结束的温度范围的一部分对头部进行加速冷却的例子，实施例G5、G6是在直至从奥氏体温度区域向珠光体的相变结束的一部分温度范围对头部进行加速冷却、而且足部为自然冷却的例子。

无论在哪个实施例中，柱部的上下方向(周向)的残余应力与比较例A1所示的焊接状态材料相比较有所降低。与之相伴随，在柱部的疲劳试验中，直至2,000,000次也没有发生龟裂。另外，足底部的长度方向的残余应力为压缩应力，在弯曲疲劳试验中直至2,000,000次没有龟裂发生，综合起来可以确认具有高的疲劳强度。金属组织的100％都是珠光体组织。

另一方面，在比较例G1中，足部的冷却速度比柱部快，柱部的残余应为没有下降，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例G2中，柱部的冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更宽，足部的长度方向残余应为处于拉伸区域，在弯曲疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

在比较例G3中，柱部的柱部冷却宽度L与LAc1之比的k值比适当范围更窄，柱部的长度方向残余应力变为拉伸应力，在柱部的疲劳试验中以短寿命而途中断裂。

下面，就使用冷却装置10实施的钢轨焊接区的冷却试验进行说明。冷却试验所使用的钢轨钢为美国AREA标准136磅钢轨，其成分比为0.8C-0.4Si-1.0Mn-0.2Cr。采用闪光对焊对钢轨的接缝进行焊接接合而形成焊接接头。钢轨焊接区的加速冷却使用空气作为冷却用流体。加速冷却时的空气的压为以及流量如表9所示。

表9

  部位  压力[kPa]  流量[Nm³/Hr]  头部  50～100  40～90  柱部  2～100  20～250

在同一条件下进行冷却而得到的焊接接头各准备2个，用其中的1个测定温度、硬度以及残余应力(参照图40)，用另1个实施柱部的疲劳寿命评价试验(以下简称为“疲劳试验”)。钢轨焊接区的温度测定设定沿钢轨轴向距焊接中心20mm距离的位置的头顶部的中央、颚部、柱部的1/2高度、足面部以及足底部中央共计5个点，采用K电热偶进行测量。另外，钢轨焊接区的硬度测定是在沿钢轨轴向距焊接中心5mm距离的位置，设定头顶部的表面下5mm以及头侧部的表面下方5mm的位置，采用维氏硬度计进行测量。

残余应力的测定是在焊接中心线上，将应变仪长度为2mm的2轴应变仪贴附在柱部的两面(柱部的1/2高度位置)，将该部切成5mm厚×15mm宽×15mm高，使用切削前的应变和切削后的应变之差，由应力和应变的关系式算出残余应力。

另外，柱部的疲劳试验采用如下的方法进行。在平台上放置钢轨焊接区，借助于顶端被设计为弧状凸部的推压工具对钢轨焊接区的头部反复施加载荷。弧状凸部的曲率半径被设计为与车轮接近的450mm。关于所施加的载荷，考虑到在重载荷下的实际载荷为20吨左右，最大设定为30吨。另一方面，载荷反复中的最低载荷设定为4吨。载荷反复的速度设定为2Hz，在钢轨焊接区产生龟裂的时点使试验结束。

表10是表示试验结果的一览表。此外，关于疲劳试验的结果，将载荷反复次数直至200万次没有产生疲劳龟裂的情况标记为“GOOD”，将100万次以上但低于200万次而产生龟裂的情况标记为“FAIR”，将低于100万次而产生龟裂的情况标记为“POOR”。另外，表中的残余应力值是由贴附在柱部两面的应变仪算出的残余应力的平均值。

表10

*在比距头侧部的上端为2Hs的下方位置靠下侧的头部区域设置屏蔽板

在实施例11中，焊接后，在对头部全域以及柱部进行加速冷却时，进行调整从而减弱头侧部的冷却速度，并使颚部的冷却速度在柱部的冷却速度以下。头顶部的硬度与母材钢轨同等，通过减弱头侧部的冷却速度而使头侧部的硬度降低，但比焊接后进行自然冷却的情况要硬。柱部的残余应力与比较例11～13相比有所改善。在疲劳试验中，在载荷反复次数为100万～200万次的期间产生了疲劳龟裂，但疲劳性能较之于比较例11～13优良。

在实施例12中，焊接后，在对头部全域以及柱部进行加速冷却时，进行调整从而提高柱部的冷却速度，并使颚部的冷却速度在柱部的冷却速度以下。头顶部以及头侧部的硬度与母材钢轨同等，柱部的残余应力与实施例11相比有所改善。在疲劳试验中，在载荷反复次数为100万～200万次的期间产生了疲劳龟裂，但疲劳性能较之于比较例11～13优良。

在实施例13中，焊接后，在对头部以及柱部进行加速冷却时，进行调整从而使头侧部的空气喷出孔在头侧部的上侧2/3以上的范围。颚部虽然不进行加速冷却，但与任何部位都不实施加速冷却的比较例11的情况相比，冷却速度有所增大。这是由与头侧部以及柱部的加速冷却相伴的热伝導引起的。头顶部的硬度与母材钢轨同等，头侧部也大致与母材钢轨同等。柱部的残余应力与比较例11～13相比有所改善。在疲劳试验中，在载荷反复次数为100万～200万次的期间产生了疲劳龟裂，但疲劳性能较之于比较例11～13优良。

在实施例14中，焊接后，在对头部以及柱部进行加速冷却时，进行调整从而使头侧部的空气喷出孔在头侧部的上侧1/2以上的范围。头顶部的硬度与母材钢轨同等，头侧部通过减弱冷却速度而使硬度降低，但与焊接后进行自然冷却的情况相比明显要硬。柱部的残余应力比实施例13得到进一步的改善。在疲劳试验中，载荷反复次数直至200万次也没有产生疲劳龟裂。

实施例15是焊接后，在对头部全域以及柱部进行加速冷却时，用屏蔽板覆盖比距头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域的例子。头顶部的硬度与母材钢轨同等，头侧部虽然通过减弱冷却速度而使硬度降低，但比焊接后进行自然冷却的情况要硬。柱部的残余应力与比较例11～13相比有所改善。在疲劳试验中，在载荷反复次数为100万～200万次的期间产生了疲劳龟裂，但疲劳性能较之于比较例11～13优良。

实施例16是使屏蔽板和钢轨的间隙变窄并进行调整从而使颚部的冷却速度比柱部小的实施例15的改善例。头侧部的硬度虽然进一步降低，但比焊接后进行自然冷却的情况要硬。柱部的残余应力与实施例15相比得以明显改善。在疲劳试验中，载荷反复次数直至200万次也没有发生疲劳龟裂。

实施例17是焊接后，在对头部以及柱部进行加速冷却时，进行调整从而使头侧部的空气喷出孔在头侧部的上侧1/2以上的范围，且用屏蔽板覆盖比距头侧部的上端为2Hs/3的下方位置靠下侧的头部区域的例子。头顶部以及头侧部的硬度与母材钢轨同等。柱部的残余应力与比较例11～13相比得以明显改善。在疲劳试验中，载荷反复次数直至200万次也没有发生疲劳龟裂。

与此相对照，比较例11表示了焊接后进行自然冷却的例子。各测定位置中的冷却速度为0.7～0.9℃/s。头部的硬度较低，柱部的残余应力为400MPa左右，处于较强的拉伸状态。在疲劳试验中，载荷反复次数低于100万次便产生了疲劳龟裂。比较例1表示了焊接后、对头部全域进行加速冷却的例子。头部的硬度与母材钢轨同等，但柱部的残余应力比焊接后进行自然冷却的情况恶化。在疲劳试验中，载荷反复次数低于100万次便产生了疲劳龟裂。比较例13表示了焊接后、对头部全域以及柱部进行加速冷却的例子。头部的硬度与母材钢轨同等，柱部的残余应力比焊接后进行自然冷却的情况有所改善。在疲劳试验中，载荷反复次数低于100万次便发生了疲劳龟裂。

产业上的可利用性

根据本发明，能够有效地制造与以前相比较、焊接区的疲劳强度得以提高的钢轨。因此，本发明充分具有在产业上的可利用性。

符号说明：

1钢轨的头部                  2钢轨的柱部

3钢轨的足部                  4钢轨的头顶部

5钢轨的足面                  6钢轨足底

7焊接区                      8焊道

9电极                        10被焊接钢轨

11采用加压得到的焊道         12修整器

13电源                       14铝热焊的铸型

15铝热焊的坩埚               16铝热焊的钢水

17加压气焊的燃烧器           18加压气焊的修整器

19强制成形电弧焊的垫板       20强制成形电弧焊的侧面压板

21压板强制成形电弧焊的焊条   22疲劳龟裂

23脆性龟裂                   24枕木

25车轮                       26疲劳龟裂

XX、YY、ZZ温度分布曲线       P载荷

27平台                       28推压工具

29、29’台座                 30推压工具

110冷却装置                  111钢轨

112头部          112a头顶部

112b头侧部       112c颚部

112d颈部         113柱部

114足部          120头部冷却单元

121柱部冷却装置  122台架

123、124喷出部   123a、124a喷出孔

125屏蔽板        125a上缘

126铰链          128、129供给管

136电极          137电源

138焊道          139修整器

150钢轨焊接区