СПОСОБ АЛЮМИНОТЕРМИТНОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2001 года по МПК B23K23/00 C21D9/50 

Известен способ ремонта рельсов с помощью алюминотермитной сварки с промежуточным литьем (патент РФ N2088390, по МКИ В 23 К 23/00, опублик. 27.08.97 г.), согласно которому устанавливают концы рельсов на одном уровне с образованием между их торцами сварного зазора, размещают вокруг концов рельсов разъемную форму, нагревают концы рельса и разъемную форму до 800-1000^oC, заливают расплавленный металл в разъемную форму снизу вверх с подачей части расплавленного металла в среднюю часть сварного зазора после заполнения его нижней части разъемной формы. В конце заливки осуществляют дополнительный нагрев всего места сварки до температуры не ниже 800^oC путем подачи последних порций расплавленного металла в пространство над головками концов рельсов. После затвердевания расплавленного металла удаляют с головки сваренного рельса прибыльную часть сварного шва.

Недостатком указанного способа является недостаточное качество получаемого сварного шва при производстве работ в полевых условиях, особенно в зимнее время, поскольку происходит быстрое и неравномерное охлаждение расплавленного металла, ухудшающее структуру и механические свойства места сварки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ ремонта рельсов, применение которого позволяет восстанавливать рельсы железнодорожного пути без удаления их с полотна (патент РФ N 2119854, по МКИ В 23 К 23/00, В 23 К 101/26, опублик. 10.10.98 г.), согласно которому устанавливают концы рельсов на одном уровне с образованием между их торцами сварного зазора, размещают вокруг концов рельсов разъемную форму, нагревают концы рельса и разъемную форму до температуры свыше 1000 до 1500^oC, заливают расплавленный металл в разъемную форму снизу вверх с подачей части расплавленного металла в среднюю часть сварного зазора после заполнения его нижней части разъемной формы. В конце заливки осуществляют дополнительный нагрев всего места сварки до температуры не ниже 800^oC путем подачи последних порций расплавленного металла в пространство над головками концов рельсов. После затвердевания расплавленного металла удаляют с головки сваренного рельса прибыльную часть сварного шва.

Недостатком этого способа является снижение прочности сварного шва при его остывании под действием окружающего воздуха и, как следствие, невыполнение условия равнопрочности восстановленного участка рельса.

Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение прочности сварного соединения и сопротивляемости циклическим нагрузкам в месте рельса, близлежащем к сварному соединению, с целью обеспечения условия равнопрочности восстановленного участка рельса.

Технический результат изобретения достигается тем, что вырезают дефектный участок действующего пути, расслабляют концы рельсов на действующем пути в обе стороны от разреза, устанавливают концы рельсов с образованием между их торцами сварочного зазора, размещают вокруг концов рельсов в зоне сварочного зазора разъемную форму, уплотняют контакт разъемной формы с концами рельсов, устанавливают над формой реакционный тигель, заполненный дозой алюминотермитного состава, нагревают концы рельсов и разъемную форму до температуры в диапазоне 1000-1500^oC, поджигают дозу алюминотермитного состава и разогревают его до образования расплавленного металла, подают из реакционного тигля расплавленный металл в среднюю часть разъемной формы после заполнения ее нижней части, дополнительно нагревают концы рельсов и залитый в сварочный зазор расплавленный металл до температуры не ниже 800^oC в конце подачи расплавленного металла в разъемную форму путем подачи последних порций расплавленного металла в пространство над головками рельсов, выдерживают расплавленный металл до затвердевания, после чего сварной шов и область, близлежащую к нему, охлаждают струей сжатого воздуха до температуры 250-300^oC, далее - на воздухе, удаляют с головки сваренного рельса прибыльную часть сварного шва.

На чертеже изображена схема размещения концов свариваемого рельса перед проведением сварки.

При реализации данного способа ремонта результатом охлаждения восстановленного участка рельса струей сжатого воздуха до температуры 250-300^oC является упрочнение сварного шва и области, близлежащей к нему. Результатом данного упрочнения является улучшение режима работы рельса при приложении внешней нагрузки, например от движущегося подвижного состава, выражающееся в обеспечении условия равнопрочности восстановленного участка рельса и повышении сопротивляемости циклическим нагрузкам в месте рельса, близлежащем к сварному соединению.

Участок рельса с обнаруженным дефектом, протяженностью до 10 мм, вырезается, например, автогеном. Размер удаляемого куска рельса превышает величину дефекта, т. е. захватывает ненарушенные участки рельса с обеих сторон. Для устранения прогиба рельсового пути в месте сварки после удаления дефектного куска производят расслабление концов рельса в обе стороны на 1-2 м. Расстояние между концами рельсов может достигать 70 мм. Соединяют концы рельсов алюминотермитной сваркой с промежуточным литьем. Восстановленный участок рельса после его остывания и зачистки закрепляют.

При длине дефектного участка более 70 мм вырезают участок рельса длиной не менее 3 м, на его место устанавливают кусок бездефектного рельса и соединяют полученные стыки алюминотермитной сваркой тем же способом. Рациональный зазор для алюминотермитной сварки с промежуточным литьем составляет 23 - 27 мм.

Концы рельса предварительно очищают от ржавчины, окалины, краски и жировых пленок при помощи металлической щетки и абразивных материалов или путем обжига кислородно-ацетиленовым пламенем с излишком кислорода. Место контакта формы с рельсом уплотняется формовочным материалом, в качестве которого может быть использован, например, материал на основе каолина и асбестовой ваты.

Реакционный тигель наполняют дозой алюминотермитного состава, устанавливают над разъемной формой, например на поворотном кронштейне.

На газовых редукторах газовой горелки устанавливается давление пропана 3,5 бар, кислорода 1 бар, после чего поджигают горелку. Горелку с нормально отрегулированным пламенем перемещают в зону сварки для предварительного нагрева концов рельсов и литьевой формы. За время около 10 минут концы рельса и литьевая форма нагреваются до температуры 1000 - 1500^oC.

При производстве работ в полевых условиях для получения качественного сварного шва и поддержания оптимального температурного режима не ниже 800^oC наряду с заливкой расплавленного металла, в разъемную форму в три этапа - нижняя, средняя и затем верхняя часть разъемной формы над головками рельсов - необходимо также нагрев концов рельсов и разъемной формы осуществлять до температуры свыше 1000 до 1500^oC.

Нагрев концов рельса до температуры выше 1500^oC нецелесообразен, поскольку может произойти частичное расплавление металла рельса и потеря им исходных механических свойств, которыми он обладает после изготовления.

Нагрев концов рельса и разъемной формы до температуры ниже 1000^oC не позволяет предотвратить быстрое охлаждение расплавленного металла, заливаемого в разъемную форму, и тем самым обеспечить выделение из него шлаков и газов.

Зажженная термитная спичка вставляется в дозу алюминотермитного состава. После воспламенения дозы алюминотермитного состава протекают легирующие, рафинирующие и раскислительные реакции, в результате которых происходит его разогрев до образования расплавленного сварного металла, и через 20 - 28 сек - автоматический выпуск расплавленного сварного металла из тигля в разъемную форму, в которой он снизу вверх заполняет сварной зазор.

При изменении физического состояния расплавленного сварного металла, заполняющего сварной зазор, происходит выделение газов и выплавление (удаление) шлаков из него. Газы и шлаки всплывают из расплавленного сварного металла, заполняющего сварной зазор, и переходят в прибыльную (наплавляемую) часть сварного шва, образующуюся над головками концов рельсов, т.е. за пределами сварного зазора. Т.о. в прибыльной части сварного шва над головками концов рельсов концентрируются загрязнения и пузыри от выходящих газов, а количество дефектов в металле сварного шва от включений шлаков и пузырей газов значительно уменьшается.

Кристаллизация металла сварного шва производится при охлаждении конструкции с помощью обдува сварного шва струей сжатого воздуха до температуры 250-300^oC, далее - на воздухе. После затвердевания металла сварного шва его прибыльная часть удаляется с головки сваренного рельса обрезным приспособлением, и затем поверхность сварного шва на головке рельса шлифуют до высоты приблизительно 1 мм над верхом головки рельса, а после полного остывания сварного шва (до температуры окружающей среды) отшлифовывают весь сварной шов на головке рельса до размера головки рельса с допуском 0,3 мм.

После зачистки сварного шва с головки рельса очищают остальную часть сварного шва от остатков материала формы, а восстановленный участок рельса закрепляют.

Получается качественное сварное соединение рельсов, что подтверждают результаты проведенных экспериментальных сварок. Проведенные сварки рельсов на железнодорожных путях показали, что получаются прочные и долговечные сварные соединения рельсов, выдерживающие более значительные нагрузки и в течение более длительного периода эксплуатации.

Таким образом, предложенный способ ремонта может применяться при восстановлении рельсов с дефектами различной протяженности и с любыми характеристиками, обеспечивая повышение прочности сварного соединения, способствующее выполнению условия равнопрочности, и повышение сопротивляемости циклическим нагрузкам в месте близлежащему к сварному соединению при приложении внешней нагрузки.

Изобретение относится к ремонту рельсов железнодорожного пути без изымания их с полотна. Вырезают дефектный участок действующего пути. Размещают вокруг концов рельсов в зоне сварочного зазора разъемную форму. Устанавливают над формой реакционный тигель, заполненный дозой алюминотермитной смеси, и осуществляют сварку. При этом дополнительно нагревают концы рельсов и залитый в сварочный зазор расплавленный металл в конце подачи последних порций расплавленного металла в пространство над головками рельсов. После затвердевания сварной шов и область, близлежащую к нему, охлаждают струей сжатого воздуха до температуры 250 - 300^oC, далее - на воздухе. Дополнительное охлаждение после сварки позволяет получить равнопрочное основному металлу сварное соединение с высокой цилиндрической прочностью. 1 ил.

Способ алюминотермитной сварки рельсов, при котором устанавливают концы рельсов с образованием между их торцами сварочного зазора, размещают вокруг концов рельсов в зоне сварочного зазора разъемную форму, уплотняют контакт разъемной формы с концами рельсов, устанавливают над формой реакционный тигель, заполненный дозой алюминотермитного состава, нагревают концы рельсов и разъемную форму до температуры в диапазоне 1000 - 1500^oC, поджигают дозу алюминотермитного состава и разогревают его до образования расплавленного металла, подают из реакционного тигля расплавленный металл в среднюю часть разъемной формы после заполнения ее нижней части, дополнительно нагревают концы рельсов и залитый в сварочный зазор расплавленный металл до температуры не ниже 800^oC в конце подачи расплавленного металла в разъемную форму путем подачи последних порций расплавленного металла в пространство над головками рельсов, выдерживают расплавленный металл до затвердевания и образования сварного шва, удаляют с головки сваренного рельса прибыльную часть сварного шва, отличающийся тем, что сварной шов после затвердевания и область, близлежащую к последнему, охлаждают струей сжатого воздуха до температуры 250 - 300^oC, затем - на воздухе.