バタリング溶接と鉄道レールの施工技術と品質管理

バタリング溶接と鉄道レールの施工技術と役割

バタリング溶接なしでHH340レールを溶接すると、頭頂部に割れが入り走行中に折損します。

バタリング溶接の定義と鉄道レールでの基本的な役割

バタリング溶接（Buttering）とは、日本機械学会の定義によれば「異材接合時の母材の希釈防止や溶接金属の割れ・脆化などを防止するために、開先面に使用溶接材料と同種もしくは異種の材料を溶接被覆すること」です。名前の由来はパンにバターを塗る（butter）動作に由来しており、開先面に薄く均一に1層ビードを置く作業がまさにそのイメージと重なります。

鉄道レールでこの技術が重要になる理由は、レール鋼が高炭素鋼であることに直結しています。普通レール（JIS E 1101）でも炭素含有量は0.63〜0.75mass%、さらに耐摩耗性を高めたHH340熱処理レール（JIS E 1120）では0.72〜0.82mass%という高炭素鋼の領域に入ります。これは自動車用高張力鋼板などと比べると炭素量が格段に高く、溶接が難しい鋼材の代表格といえます。

つまり高炭素鋼が前提です。

溶接金属の炭素量がレール母材と大きく異なる場合、熱影響部（HAZ）で「液化割れ」と呼ばれる高温割れが発生しやすくなります。鉄道総研の研究によれば、溶接金属とレール母材の炭素量差（C差）が0.3%以上の領域において、C差が増加するほどHAZ液化割れの発生率が上昇することが明らかにされています。バタリング溶接はこのC差を段階的に緩和するバッファ層として機能します。鉄道レール溶接における基本は、バタリングが条件です。

溶接情報センター（日本溶接協会）の技術Q&Aでも、「開先面に1層、パンにバターを塗るようにバタリング溶接を行うことで、アンダーカット・ポアロシティ・スラグ巻き込みといった不具合を防止する効果が大きい」と解説されています。現場レベルでも広く認知されている有効な手法です。

溶接情報センター（日本溶接協会）：バタリング法の効果と施工方法について詳しく解説

バタリング溶接が鉄道エンクローズアーク溶接で使われる理由

エンクローズアーク溶接（EAW）は、東海道新幹線の建設時にロングレールの現地溶接法として開発された工法で、現在も日本の鉄道インフラを支える主要な現地溶接手段の一つです。レール底部から頭頂部にかけて積層溶接を行う際、頭頂部の約10〜15mmを残した段階でエンクローズアーク溶接をいったん中断し、スラグ除去後に頭頂部を硬化肉盛棒で多層溶接するという施工手順をとります。

ここでバタリング溶接が介在するのが、HH340熱処理レール（高強度・低延性）の溶接においてです。HH340レールのエンクローズアーク溶接では、頭頂部の開先面に対してまずバタリング溶接を施し、その後に硬化肉盛棒（RS400Hなど）を用いる2段階の手順が採用されています。これは鉄道総研（RTRI）の研究ニュースでも「現行のHH340レールのエンクローズアーク溶接では、頭頂部の開先面をバタリング溶接した後、硬化肉盛棒を用いる溶接方法が適用されており、HH340レール自身が高強度・低延性の特性を有していることから、HU・HDともに低たわみの傾向がある」と報告されています。

これは使えそうです。

具体的な施工では、半自動エンクローズアーク溶接（SEA）においてMG-1CMワイヤ（径1.2mm）をバタリング溶接に使用し、その後Y型開先内側の頭頂部にRS400H硬化肉盛ワイヤ（同1.2mm）を切り替えて溶接します。溶接後は残留応力を軽減するため、腹部および底部に対して680±30℃までの加熱と300℃以下までの炉冷処理が行われます。このような後熱処理を含めると、HH340レール1本分の溶接所要時間は約180分に達します。

普通レールの溶接時間（約60分）と比較すると、約3倍の作業時間が必要になります。これは「レール溶接は簡単に終わる」という感覚がある作業者には意外な数字かもしれません。バタリング溶接を含む複数工程の積み重ねが、鉄道の安全を支えているということですね。

JR東海道本線・芦屋構内での敷設試験データ（土木学会 平成21年）では、SEAによるHHレールのバタリング溶接部（RS270相当）と頭頂部硬化肉盛部の溶接金属幅が約42〜46mm、熱影響部を含めた溶接部全体では約53〜56mm程度となることが確認されています。幅53〜56mmというのは、一円玉（直径20mm）を2〜3枚並べた程度の幅感覚です。この狭い範囲に材料特性が大きく変化するゾーンが集中するため、バタリングによる組成緩衝が不可欠となります。

鉄道総合技術研究所（RTRI）施設研究ニュース：HH340レールのエンクローズアーク溶接における曲げ基準値と施工特性について詳細に解説

新幹線分岐器のノーズ可動クロッシングとバタリング溶接の接点

新幹線の分岐器（ポイント）に設置されているノーズ可動クロッシングは、車両が高速で基準線を通過する際に軌間欠線部（レールが途切れる箇所）をなくすための重要な軌道部材です。従来の高マンガン鋼製クロッシングは摩耗に強い反面、超音波探傷検査が困難なため内部傷の進展を把握しにくいという課題がありました。

そこで鉄道総研が開発したレール鋼製ノーズ可動クロッシングでは、超音波探傷検査が可能で前後レールとの溶接も容易となる設計を採用しています。意外なのです。このレール鋼製クロッシングの製作において、可動レール底部へのロッド取付け金具をアーク溶接で接合する際、溶接に伴う熱影響を極力小さくするために、レール底面に厚さ約25mmのバタリング溶接を施してからアーク溶接を行うという工程が採用されています。

25mmという厚さは、一般的なバタリング溶接の「1層のみ」という概念を超えており、多層肉盛りによる段階的な熱影響緩和を意識した施工です。これが独特な点で、溶接金属とレール高炭素鋼母材の成分差を多層バッファで吸収する高度な手法といえます。

このような新幹線部材への適用は、バタリング溶接が単なる「つなぎ処理」ではなく、精密な材料設計の一部として機能していることを示しています。結論は高度な構造設計の一手段です。鉄道総研 RRR誌（Vol.71 No.12 2014年12月号）に掲載されたこの開発内容は、現場の溶接技術者がバタリング溶接の本来の機能を再確認するうえで示唆に富む事例です。

また、新幹線用ノーズ可動クロッシングの交換基準は「通過トン数1.8億トン」と定められており（JR東日本）、その長寿命化に向けた取り組みの中でも溶接技術の高精度化は継続的な課題となっています。

鉄道総合技術研究所：レール鋼を用いた新幹線用ノーズ可動クロッシングの開発（バタリング溶接の適用部位と目的を詳解）

バタリング溶接施工の具体的な手順と注意すべきポイント

実際の施工手順を整理すると、以下の流れになります。

• ① 開先加工：レール端面を専用グラインダで研削し、錆・油脂・水分を完全除去する。清浄度の確保が最初の条件です。
  




• ② 予熱：普通レールでは底部両側150mm範囲を500℃程度まで予熱する。HH340レールの場合はさらに厳密な温度管理が必要で、予熱不足は低温割れの直接原因になります。
  




• ③ バタリング層の溶接：開先面に対して1層（場合により複数層）の低炭素系または中間組成の溶接材料を均一に肉盛りする。この際、電流・速度・パス間温度を一定に保つことが品質確保の核心です。
  




• ④ スラグ・スパッタ除去：各層間でスラグを完全除去する。スラグ残存は次層との融合不良につながります。
  




• ⑤ 本溶接：バタリング層を緩衝材として、硬化肉盛棒やRS400Hワイヤなどで頭頂部を積層溶接する。
  




• ⑥ 後熱処理：HH340レールでは溶接後に680±30℃での加熱と炉冷が必要。この工程を省略すると残留応力と脆化リスクが残ります。
  




• ⑦ 仕上げと検査：グラインダ研磨後、外観・浸透探傷・超音波探傷の順で全数検査を実施する。
  

注意が必要なのは予熱管理です。高炭素鋼は急熱・急冷に対して非常に敏感で、溶接熱影響部の硬化が割れリスクを高めます。特に冬季の低温環境では、同じ予熱条件でも熱が抜けるスピードが速く、実質的な予熱効果が低下します。厳しいところですね。現場では赤外線温度計や温度チョークを活用し、開先面の温度を施工直前に必ず確認する習慣が求められます。

また、バタリング溶接に用いる溶接材料の選定も重要です。母材（高炭素レール鋼）と本溶接材料（硬化肉盛棒）の組成差が大きいほど、バタリング層の組成設計は慎重に行う必要があります。HAZにおける液化割れを防止するには、バタリング材の炭素量を母材と本溶接材の中間的な値に設定する手法が有効で、これはJWES（日本溶接工学会）の溶接管理技術者教材にも記載されています。

日本溶接工学会 溶接管理技術者2級教材：バタリング溶接の材料選定と開先面への適用方法を詳解

鉄道レール溶接に必要な資格と品質管理の全体像

鉄道レールのバタリング溶接を含むレール溶接全般は、一般的な溶接技能者資格では対応できない領域です。日本鉄道施設協会（JRCEA）が定める「レール溶接技術者資格認定証」の取得が必要で、この認定証には段階的な資格区分が設けられています。

資格の取得要件を確認すると、実務経験年数と検定試験のクリアが前提となります。上位区分のレール溶接作業責任者（GP）には、下位資格取得後に3年以上の継続的な実務経験が求められます。これは「溶接が上手ければ誰でもできる」という感覚とは大きく異なります。3年間というのは、36ヶ月・日々の現場経験の積み重ねです。

JR各社や鉄道・運輸機構が発注する軌道工事においては、「レール溶接技術者資格認定証または鉄道事業者の資格を有する者」が施工することが標準示方書で明記されており、無資格での施工は契約違反かつ安全上の重大問題となります。これは絶対条件です。

品質管理の面では、溶接種別ごとに適用する検査項目が定められています。

溶接種別	外観検査	浸透/磁粉探傷	超音波探傷
フラッシュ溶接	✅	✅（磁粉）	❌
エンクローズアーク溶接	✅	✅（浸透）	✅
ガス圧接	✅	✅（磁粉）	❌
テルミット溶接	✅	✅（浸透）	✅

エンクローズアーク溶接部に超音波探傷が義務づけられているのは、内部欠陥（融合不良・高温割れなど）が発生しやすい工法特性によるものです。バタリング溶接を含む多層積層溶接は工程数が多い分、各層の品質確認を怠るとどこかで欠陥が潜在するリスクが高まります。

鉄道総研の研究では、HH340レールのエンクローズアーク溶接部とテルミット溶接部について、旧来の曲げ基準値が昭和47年の普通レールを前提に策定されたものであり、現在の高強度・低延性のHH340レールには合致していない場合があることも指摘されています。これを受けて、実溶接部の荷重-たわみ曲線を基準とした曲げ基準値への改訂が提案されています。基準そのものも進化しているということですね。

技術が進歩すれば検査基準も改訂される。現場の溶接技術者にとっては、古い基準が「現在の施工に対して保守的すぎる」場面も出てきているわけです。最新の鉄道総研情報や各鉄道事業者の基準改訂に常にアクセスしておくことが、現場品質管理の誤りを防ぐ具体的な行動につながります。

公益財団法人 鉄道総合技術研究所（RTRI）/ 日本溶接工学会：日本におけるレールの溶接（4工法の特徴・施工手順・検査体系を網羅した解説論文）

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