ИНДУКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ, НАПРИМЕР, ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ Российский патент 2003 года по МПК C21D1/10 C21D9/04 

Изобретение относится к термической обработке металлических изделий, и может быть использовано для объемного индукционного нагрева сварных стыков железнодорожных рельсов в местах их эксплуатации перед закалкой, а также для других длинномерных изделий.

Известно, что сварка всегда приводит к образованию в сварном соединении дефектных структур, могущих привести к разрушению в условиях эксплуатации рельса. Структура шва, структура границ шва с основным металлом и структура околошовной зоны ослабляют сварное соединение. Эффективный путь исправления этих дефектов в области сварного соединения - термообработка после сварки. Нагрев после сварки с одновременным принудительным охлаждением деформируемой зоны для предотвращения процессов собирательной и вторичной рекристаллизации и получения мелкозернистой перлитной структуры в сварном соединении позволяет получить в сварном соединении ферритоперлитную смесь со свойствами, идентичными свойствам основного металла. При такой закалке необходимо, чтобы зона фазовой перекристаллизации перекрывала зону термического влияния сварки по всему сечению сварного соединения. Поскольку рельс в сечении имеет сложную форму, возникают определенные требования к конструкции индукционного нагревательного устройства, которое должно обеспечить определенное распределение температуры по сечению сварного соединения для обеспечения вышеуказанных задач и разработанное с возможностью установки его на путевой машине для сварки стыков.

Известен способ поверхностной закалки рельсов, включающий нагрев головки рельса до закалочных температур высокочастотным электромагнитным полем индуктирующего проводника и последующее ее охлаждение (авторское свидетельство СССР 48413, кл. C 21 D 9/04, 1935 г.), однако этот способ закалки рельсов является недостаточно эффективным из-за невозможности обеспечения объемного нагрева в зоне стыка. Известен способ закалки железнодорожных рельсов (патент РФ 2008363, публ. 28.02.1994 г.), в котором производят нагрев головки рельса до закалочных температур высокочастотным электромагнитным полем индуктирующего проводника и при этом уменьшают зону нагрева головки рельса за счет улучшения локальности указанного высокочастотного электромагнитного поля, для чего его возбуждают за счет индуктирования токов высокой частоты в линейном проводнике, соединенном с помощью пластин с индуктирующим проводником, причем линейный проводник имеет больший диаметр, чем индуктирующий проводник. Однако недостатком данного способа является локальный поверхностный нагрев головки рельса, не обеспечивающий необходимое распределение температур между головкой и подошвой рельса для обеспечения достаточной прочности стыка.

Известен способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления, в котором производят одновременный нагрев рабочих поверхностей катания головки в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, имеющего форму поверхности катания головки, и подошвы рельса (патент РФ 2135607, публ. 27.08.1999 г.), однако этот способ направлен на достижение оптимальных соотношений температур в головке и подошве рельса и не учитывает распределение температуры по сечению, поэтому может оказаться, что в средней части головки и шейке не достигается необходимое распределение температуры и, вследствие этого, не достигается необходимая стойкость ударным нагрузкам и остается возможность возникновения поперечных трещин усталости в месте сварного соединения.

Задачей изобретения является создание индукционного нагревательного устройства, которое позволяет обеспечить необходимое распределение температуры по сечению сварного соединения при его объемной закалке, обеспечивающее повышение стойкости рельса в месте стыка износу, контактным повреждениям и поперечным трещинам усталости в процессе эксплуатации, а также обеспечить снижение времени и трудоемкости подготовки устройства к работе при переходе с одного сортамента рельсов на другой.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве индукционного нагрева стыков железнодорожных рельсов, включающем индуктор, подключенный к источнику переменного тока высокой частоты, индуктор выполнен в виде двух плоских прямоугольных спиралевидных обмоток, расположенных друг против друга с двух сторон рельса, прямые и обратные проводники которых разделены подвижными магнитопроводами, свободно перемещающимися относительно обмоток перпендикулярно боковым поверхностям рельса, при этом обмотки подключены к источнику питания так, чтобы обеспечить протекание токов в одном направлении в частях обмоток, прилегающих к головке рельса.

Указанное выполнение обмоток с обеспечением определенного направления протекания токов в сочетании с возможностью перемещения магнитопроводов относительно обмоток дает возможность исключить взаимовлияние прямых и обратных витков индуктора, а также позволяет, изменяя магнитную связь в системе индуктор-нагреваемая деталь, обеспечить наиболее эффективное распределение индуцируемых токов в нагреваемой зоне и получить в ней требуемую картину температурного поля.

Кроме того, для облегчения установки индуктора на нагреваемую часть рельса обмотки вместе с соответствующими магнитопроводами размещены на частях каркаса из тепло- и электроизолирующего материала, объединенных между собой устройством, обеспечивающим их взаимное перемещение относительно друг друга, в направлении, перпендикулярном продольной оси рельса.

Для дополнительного улучшения магнитной связи системы деталь-индуктор и повышения КПД обмотки изогнуты по форме головки и верхней части подошвы с соответствующих сторон рельса.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - схема устройства, размещенного на нагреваемой детали;
фиг.2 - конфигурация обмотки для выполнения устройства.

Индукционное устройство для термообработки сварных стыков состоит из двух обмоток 1 и 2, расположенных в месте сварного стыка друг против друга с двух сторон рельса 3, имеющего головку 4, шейку 5 и подошву 6. Прямые и обратные проводники обмоток разделены подвижными магнитопроводами 7 и 8, перемещающимися относительно обмоток в направлениях, перпендикулярных боковым поверхностям рельса 3. Соединение индуктора с источником высокочастотного питания должно обеспечивать протекание в одном направлении токов в витках обмоток, прилегающих к головке 4 рельса. Обмотки 1 и 2 имеют плоскую прямоугольную спиралевидную конфигурацию, показанную на фиг.2. Плоские обмотки 1 и 2 изогнуты таким образом, что каждая их них огибает часть головки 4 рельса со своей стороны, соответствующую сторону шейки 5 и верхнюю часть подошвы 6. Обмотки размещены на двух стойках 9 и 10 каркаса, выполненного из тепло- и электроизоляционного материала, верхние части которых объединены устройством перемещения, например, состоящим из отрезков трубы 11 и 12, неподвижно скрепленных со стойками каркаса 9 и 10 в их верхних частях, имеющих внутреннюю резьбу. Между отрезками трубы 11 и 12 укреплена пружина сжатия 13, на которую воздействует шпилька 14 при повороте гаек 16 и 17, изменяя при этом расстояние между стойками 9 и 10.

Устройство работает следующим образом.

Индукционную закалку ведут непосредственно на месте расположения рельса. Перед началом индукционной закалки устройство устанавливают на рельсе 3 в месте сварного стыка с помощью поворота гаек 16 и 17. Путем соответствующего поворота тех же гаек обеспечивается необходимый зазор между индуктором и нагреваемой деталью. Включается подача высокочастотного питания с частотой 10000 Гц. Высокочастотный ток индуктирует токи высокой частоты в обмотках 1 и 2, которые возбуждают электромагнитное поле, воздействующее на область нагрева, вызывая в ней вихревые токи, разогревающие ее до закалочных температур. В процессе нагрева путем перемещения магнитопроводов 7 и 8 можно менять распределение вихревых токов для получения необходимого распределения температурных полей на рельсах данного сортамента и, соответственно, достигать осуществления процессов перекристаллизации для получения необходимой структуры металла по всему сечению сварного стыка. Устройство легко и быстро настраивается на работу при переходе на рельсы другого сортамента.

Разработанное в настоящее время устройство предназначено для проведения нагрева сварных стыков перед их закалкой для термообработки рельсов Р50; Р65; Р75. Возможность обеспечения необходимых условий нагрева места сварного стыка повышает безопасность движения поездов за счет получения необходимой прочности и пластичности сварных стыков.

Изобретение относится к области термической обработки металлических изделий, в частности к индукционному нагреву стыков железнодорожных рельсов. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости рельса в месте стыка износу, контактным повреждениям и поперечным трещинам усталости в процессе эксплуатации. Обмотки индуктора располагают в месте сварного стыка друг против друга с двух сторон рельса. Прямые и обратные проводники обмоток разделяют подвижными магнитопроводами, перемещающимися относительно обмоток в направлениях, перпендикулярных боковым поверхностям рельса. Перед началом нагрева устройство устанавливают в месте сварного стыка с помощью поворотных гаек и ведут нагрев. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нагрева стыков железнодорожных рельсов, содержащее индуктор, подключенный к источнику переменного тока высокой частоты, отличающееся тем, что индуктор выполнен в виде двух плоских прямоугольных спиралевидных обмоток, расположенных друг против друга с двух сторон рельса, прямые и обратные проводники которых разделены подвижными магнитопроводами, свободно перемещающимися относительно обмоток перпендикулярно боковым поверхностям рельса, при этом обмотки подключены к источнику питания так, чтобы обеспечить протекание токов в одном направлении в частях обмоток, прилегающих к головке рельса. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обмотки вместе с соответствующими магнитопроводами размещены на двух частях каркаса из тепло- и электроизолирующего материала, объединенных между собой устройством, обеспечивающим их взаимное перемещение относительно друг друга, в направлении, перпендикулярном продольной оси рельса. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что обмотки изогнуты по форме головки и верхней части подошвы с соответствующих сторон рельса.