Изобретение относится к области термической обработки сварных соединений, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использовано для устранения зональной структурной неоднородности после сварки на железнодорожном, городском и промышленном транспорте в условиях рельсосварочного поезда или путевых условиях с целью повышения пластичности, вязкости металла, уменьшения склонности к хрупким изломам со сложной формой разрушения в месте сварного соединения.
Современные требования к подвижному составу обуславливают рост нагрузки на ось и увеличение скорости движения, что усиливает динамические удары при прохождении стыков рельсов. Прогрессивным направлением усиления верхнего строения пути является замена болтовых стыков сварными. Применение сварки наряду с увеличением мощности рельсов и термическим их упрочнением, повышением чистоты стали и качества металла улучшает работу пути и снижает затраты на его содержание. Однако с увеличением выпуска сварных плетей из новых и старогодных рельсов, внедрением рельсов из электростали и кислородно-конвертерного производства более остро встал вопрос качества сварки.
Сварное соединение состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита и ферритной сетки вокруг зерен и, следовательно, имеет более низкие механические свойства, чем основной металл. Такие сварные рельсы по сравнению с прокатными рельсами обладают меньшей пластичностью, меньшей вязкостью металла и большей склонностью к хрупким разрушениям. Эффективным путем устранения зональной структурной неоднородности металла (дефектов) в области сварного соединения при сварке рельсов обычной, повышенной и высокой прочности является дифференцированная термическая обработка, заключающаяся в упрочнении головки стыка с повторного перекристаллизационного индукционного нагрева всего его сечения с последующей нормализацией подошвы и шейки рельса. В результате такой операции повышается твердость металла головки до необходимого уровня. Вследствие получения мелкозернистой перлитной структуры металла в шейке и подошве сварного соединения при нормализации индукционным нагревом возрастает усталостная и хрупкая прочность.
Известен способ закалки железнодорожных рельсов (см. описание к патенту 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. Недостатком данного способа является локальный поверхностный нагрев головки рельса, не обеспечивающий необходимое распределение температур между головкой и подошвой рельса, требуемое для обеспечения достаточной прочности стыка.
Известен способ термической обработки сварных изделий (см. описание к авторскому свидетельству СССР №373318 кл. С21D 9/04, 1973), например рельсов, по которому производят нагрев всего сечения в зоне сварного шва до температуры 850-900°С с последующим ускоренным охлаждением подошвы и шейки рельса естественным или принудительным путем. Этот способ позволяет улучшить структуру сварного соединения по всему сечению рельсов, в том числе в подошве, однако существенным недостатком является трудность восстановления повышенной твердости металла в головке в связи с узкой зоной нагрева. Поэтому при термической обработке сварных соединений с зоной нагрева, соизмеримой с зоной влияния сварки, не обеспечиваются необходимые высокие показатели пластичности сварных соединений рельсов, что делает малоэффективным такую термическую обработку при сварке рельсов современного и перспективного производства, особенно с комплексными раскислителями стали, склонными к подкалке металла, в первую очередь объемно закаленных.
Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки сварных рельсов (SU 1735392), выбранный нами за прототип, в котором с целью повышения прочности и пластичности и улучшения прямолинейности головку рельса нагревают на ширину зоны термического влияния сварки до 850-900°С, одновременно нагревают до данной температуры подошву и шейку рельса на одинаковую ширину, превышающую зону термического влияния сварки не менее чем на 1.5-2 раза, при этом охлаждение головки ведут со скоростью 10-40°С/с до температуры не ниже 300°С. Недостатками данного способа являются самоотпуск головки после ее охлаждения за счет значительного увеличения зоны нагрева шейки по сравнению с зоной нагрева головки и связанная с этим недостаточная твердость металла в головке рельса, невозможность обеспечения высокой степени прямолинейности без вогнутостей (седловин) в месте сварного соединения, поскольку рельс представляет собой достаточно тяжелую конструкцию.
Внедрение описанного способа термической обработки сварных рельсов на сети железных дорог сыграло положительную роль в упрочнении, оптимизации структуры металла после термообработки, повышении долговечности сварных соединений. Однако меняющиеся в последнее время эксплуатационные условия, такие как повышенные осевые нагрузки и скорости движения; а также ужесточение норм содержания бесстыкового пути и требований безопасности движения; достаточно большое число изъятий рельсов по дефектам сварных соединений в сочетании с требованиями ресурсосбережения заставляют пересматривать внедренные ранее технические решения с учетом новых требований эксплуатации и технических возможностей.
Задачей изобретения является создание способа термической обработки сварных соединений рельсов, который позволяет:
- повысить прочность и твердость в головке рельса в месте сварного соединения;
- уменьшить склонность к хрупким изломам со сложной формой разрушения за счет повышения пластичности, вязкости и живучести металла;
- исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения;
- обеспечить поверхность катания с равномерным и стабильным распределением твердости в зоне сварного соединения;
- снизить энергоемкость технологического процесса.
Поставленная задача решается тем, что, в отличие от известного способа термической обработки сварных рельсов, нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения до температуры начала фазовых превращений в металле осуществляется по форме распределения температурного поля, близкой к трапецеидальной, где верхним основанием трапеции является зона нагрева головки рельса, равная по ширине зоне термического влияния сварки, а нижним основанием трапеции - зона нагрева подошвы рельса, по ширине превышающая верхнее основание, по меньшей мере, в 2-3 раза. Трапецеидальная форма распределения температурного поля позволяет исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения, а это, в свою очередь, дает возможность уменьшить площадь закалочного устройства и расход воздуха. При этом для выравнивания температуры по сечению и формирования однородной структуры во всем нагреваемом объеме обеспечивается выдержка во времени между завершением процесса нагрева и началом закалки головки рельса. Длительность этой выдержки, полученная из экспериментальных данных, составляет 10-20 с. Для получения наилучших показателей закалка головки рельса выполняется путем принудительного охлаждения головки сжатым воздухом до температуры завершения структурных превращений. При закалке сжатым воздухом твердость поверхности катания в зоне сварного соединения характеризуется более равномерным и стабильным распределением, чем при закалке воздушно-водяной смесью, что обусловлено более стабильной работой воздушного закалочного устройства.
Изменение технологии закалочного охлаждения после индукционного нагрева направлено как на повышение надежности, долговечности и оптимизацию характеристик прочности и пластичности сварного соединения, стабилизацию твердости поверхности катания, так и на снижение стоимости и затрат ресурсов в процессе термообработки.
Изобретение реализуется следующим образом.
Для апробации способа были сварены контактным стыковым методом непрерывного оплавления и методом пульсирующего оплавления стыки из новых и старогодных рельсов типа Р65 (масса порядка 65 кг, площадь поперечного сечения 83 см2), а также рельсы из электростали и кислородно-конвертерного производства.
Термическая обработка сварных соединений была произведена на индукционной установке типа УИН-001-100/Р-Т с максимальной мощностью 100 кВт (рабочая мощность установки составляет порядка 70 кВт) и частотой 10 кГц. Рельс типа Р65 в области сварного соединения подвергался нагреву до температуры 870°С в течение 240 с с помощью индуктора с активными проводниками в головке - шириной 90 мм, а в подошве - длиной 200 мм. Головка сварных соединений рельсов охлаждалась сжатым воздухом в течение 180 с под давлением 0.6 МПа до температуры 400°С. Установлено, что самоотпуск головки отсутствует. Подошва и шейка сварных соединений рельсов охлаждались естественным путем на воздухе.
Испытания сварных соединений рельсов типа Р65 производились на статический поперечный изгиб с доведением до разрушения, а также на твердость головки металла. Расстояние между опорами составляло 1 м. Нагрузка прикладывалась в центре сварного соединения.
Сварные рельсы после термической обработки сварных соединений по предлагаемому способу с указанными параметрами способа при изгибе с растяжением как в подошве, так и в головке имели высокие показатели пластичности (стрелы прогибов 50-60 мм), то есть полностью удовлетворяли современным требованиям (ТУ 0921-057-01124328-98) к сварным соединениям рельсов. Такие сварные рельсы имеют также высокую прочность при изгибе с растяжением как в подошве, так и головке (разрушающие нагрузки 230-260 тс и 190-200 тс при приемочных браковочных нормах 180 и 150 тс).
По сравнению с известным способом сварные рельсы отечественного производства и импортных поставок (Австрия, Канада, Франция, Япония и др.) из углеродистых и легированных сталей, сваренных разными способами с дифференцированной термической обработкой сварных соединений по предлагаемому способу, имеют высокий срок службы бесстыковых плетей в пути при работе в различных эксплуатационных и климатических условиях, на линиях с высокой грузонапряженностью, скоростных и высокоскоростных магистралях, в районах с низкими температурами.
Таким образом, предлагаемый способ термической обработки сварных соединений рельсов позволяет:
- повысить прочность и пластичность сварных соединений за счет предлагаемого распределения температурного поля и охлаждения головки рельса сжатым воздухом.
- в головке рельсов в месте сварки обеспечить равномерное распределение твердости поверхности катания на уровне основного металла;
- значительно уменьшить склонность к хрупким изломам со сложной формой разрушения в подошве и нижней части шейки рельсов за счет повышения пластичности, вязкости и живучести металла;
- уменьшить площадь закалочного устройства и расход воздуха за счет исключения самоотпуска головки рельса после ее охлаждения;
- снизить энергоемкость технологического процесса.
Решение данных вопросов позволяет использовать патентуемый способ не только в стационарных технологических условиях, но и в путевых. В целом предлагаемый способ полностью удовлетворяет как техническим условиям, так и современным требованиям ресурсосберегающей политики ОАО "РЖД".
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ | 2018 |
|
RU2704951C1 |
Способ и устройство термической обработки сварных соединений рельсов | 2017 |
|
RU2667574C1 |
Способ термической обработки сварных рельсов | 1989 |
|
SU1735392A1 |
Способ изготовления рельсовых плетей и комплекс для осуществления способа | 2017 |
|
RU2681046C1 |
Способ термической обработки сварных соединений рельсов и устройство для осуществления способа | 2018 |
|
RU2705820C1 |
Способ контактной стыковой сварки рельсов | 1988 |
|
SU1563920A1 |
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ | 2008 |
|
RU2371535C1 |
СПОСОБ АЛЮМИНОТЕРМИТНОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ | 2010 |
|
RU2464141C2 |
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНОГО ШВА РЕЛЬСОВОГО СТЫКА | 2018 |
|
RU2698510C1 |
СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНОГО ШВА РЕЛЬСОВОГО СТЫКА | 2018 |
|
RU2698508C1 |
Изобретение относится к области термической обработки сварных соединений, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей. Для повышения прочности и твердости в головке рельса в месте сварного соединения, уменьшения склонности к хрупким изломам со сложной формой разрушения при одновременном снижении энергоемкости технологического процесса нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения до температуры начала фазовых превращений в металле осуществляют по форме распределения температурного поля, близкой к трапецеидальной, где верхним основанием трапеции является зона нагрева головки рельса, равная по ширине зоне термического влияния сварки, а нижним основанием трапеции - зона нагрева подошвы рельса, по ширине превышающая верхнее основание, по меньшей мере, в 2-3 раза, что позволяет исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения. Между завершением процесса нагрева и началом закалки головки рельса осуществляют выдержку для выравнивания температуры по сечению и формирования однородной структуры во всем нагреваемом объеме. Головку рельса принудительно охлаждают сжатым воздухом до температуры завершения структурных превращений. 2 з.п. ф-лы.
Способ термической обработки сварных рельсов | 1989 |
|
SU1735392A1 |
0 |
|
SU313871A1 | |
РЕЛЬС ИЗ ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСА | 1995 |
|
RU2112051C1 |
ИНДУКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ, НАПРИМЕР, ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ | 2001 |
|
RU2200764C2 |
Авторы
Даты
2007-10-27—Публикация
2006-02-22—Подача