有限要素法を用いた鉄道用レールガス圧接部の加熱変形解析

摘要

ガス圧接法は，ガス炎を用いた固相接合法の一種であり，国内では主に鉄筋やレールの接合方法として広く用いられている．特に，レールのガス圧接法は，高速·安定走行に必要不可欠であるロングレールを構成するため，日本国内においてレール溶接施工総数の40%程度となる年間約1.5万口が施工されている．ガス圧接法の接合原理は，ガス炎による部材外周からの加熱による接合界面温度の上昇，および部材軸方向への加圧に伴う接合界面の塑性変形により，接合阻害因子（酸化介在物）を分断·微細化し，金属結合を達成させることである．圧接部には接合時の塑性変形によりふくらみが生じるが，レールのガス圧接法ではこのふくらみを圧接直後に専用バイトで押抜くことで研削加工処理を低減している．しかしながら，専用バイトによるふくらみの押抜きに伴い，接合界面上に大きな引張応力が作用するため，この引張応力により，酸化介在物が多く残存した強度の低い接合界面が開口する（以下，押抜き割れと称す）ことが報告されている．特に，レール隅角部に押抜き割れが生じやすく，列車の安定輸送に障害をもたらす可能性がある．この要因として，隅角部では酸化介在物の破壊と排出に寄与する変形（塑性ひずみ）が小さいため，端面の突合わせ精度，加熱バーナおよび加熱位置の不具合等の人為的ミスが生じた際に，押抜き割れが健在化しやすいものと考えられる．さらに，加熱バーナを用いるガス圧接法では，レール断面上の温度分布が不均一になることから，複雑な塑性ひずみ分布が形成されているものと推定される．