СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2021 года по МПК B23K11/04 B23K101/26 

Изобретение относится к контактной стыковой сварке и может быть использовано при изготовлении длинномерных рельсов и бесстыковых плетей для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта путем соединения рельсов.

Известен способ контактно стыковой сварки оплавлением, при котором вначале на свариваемые детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают с заданной скоростью. При соприкосновении происходит оплавление торцов деталей, после чего производят осадку (Оборудование для контактной сварки рельсов и его эксплуатация / С.А. Солодовников [и др.] / Академия наук Украинской СССР - Киев: Изд-во Наукова думка, 1974. - 184 с.).

Существенным недостатком данного способа является процесс нагрева, который не обеспечивает в ряде случаев требуемою структуру и качество свариваемых изделий, в частности он характеризуется повышенной зоной термического влияния, при этом возможно формирование высокопрочного слоя высокой твердости со структурой мартенсита, что в дальнейшем приводит к образованию дефектов в сварных стыках - трещин, приводящих к хрупкому излому рельса.

Известен также способ термической обработки сварных стыков объемно закаленных рельсов в составе путевых рельсосварочных машин в пути, в котором нагревают сечение рельса в зоне сварного шва до 850-900°C и принудительно охлаждают головку с одновременным охлаждением шейки и подошвы естественным путем на воздухе, в котором при термообработке сварных стыков рельсов в составе путевых рельсосварочных машин в пути для упрочнения металла головки сварного стыка рельсов применяют поток воздуха с давлением 0,5-0,8 МПа и расходом 0,08-0,15 м³/с, подаваемый в течении не менее 180 с со скоростями 60-200 м/с на поверхность рельса через ряд отверстий диаметром 2 мм каждое и с суммарной площадью 0,0008-0,0011 м², объемом 0,002-0,003 м³, установленного на расстоянии не более 10 мм между поверхностью головки рельса и плоскостью нижней панели с отверстиями (RU №2371535, МПК Е01В 31/18; C21D 9/04; C21D 9/50 опубл. 27.10.2009)

Существенным недостатком данного способа является неоптимальный выбор режимов охлаждения, что в ряде случае не обеспечивает требуемые параметры твердости в головке и шейке рельсового профиля.

Известен, выбранный в качестве прототипа, способ контактной стыковой сварки рельсов, включающий операцию предварительной механической обработки, разогрев свариваемых концов, осадку и последующую термомеханическую обработку стыков, при котором сварку проводят при силе тока 6000÷32000 А, плотности тока 1÷3,87 А/мм², напряжении 4÷10 В и усилии осадки 450÷800 кН, после осадки производят выдержку 5÷15 секунд после чего через сварной стык пропускают переменный электрический ток 2÷4 импульсами длительностью 0,5÷220 секунд с интервалами 10÷40 секунд при плотности тока 2÷40 А/мм² (RU №2641586 МПК В23К 11/04, В23К 101/26, C21D 9/5, C21D 9/04, опубл. 18.01.2018).

Существенными недостатками данного способа являются:

- повышенная отбраковка сварных стыков по физико-механическим свойствам: низкие значения стрелы прогиба и усилия изгиба при испытании сварного стыка рельса на статический трехточечный изгиб;

- высокая отбраковка сварных стыков по значениям твердости в головке рельса в месте сварного стыка.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств и требуемой твердости на поверхности катания головки в зоне сварного стыка.

Для решения существующей технической проблемы в известном способе контактной стыковой сварки рельсов, включающем предварительную механическую обработку свариваемых концов, их разогрев, осадку, выдержку, пропускание переменного электрического тока через сварной стык импульсами с интервалами 10÷40 секунд, при плотности тока 2÷40 А/мм², согласно изобретению, после осадки производят выдержку в течение 200÷300 секунд, а переменный электрический ток через сварной стык пропускают 4÷8 импульсами длительностью 2÷8 секунд после чего осуществляют принудительное охлаждение головки потоком воздуха с давлением 0,3÷1 МПа и расходом 0,06÷0,20 м³/с в течение не менее 150 с со скоростью 80÷300 м/с.

Технические результаты, получаемые в результате использования изобретения, заключаются:

- в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного соединения;

- в исключении дефектов в сварном шве и околошовной зоне по твердости.

Предлагаемый способ осуществлялся с помощью машины контактной стыковой сварки, обеспечивающей импульсный подогрев свариваемых стыков в пределах температуры, необходимой для образования заданной структуры и с последующим охлаждением сварного шва и околошовной зоны сжатым воздухом.

Заявляемые режимы подобраны опытным путем. Длительность выдержки подобрана также, исходя из опытных данных и диаграммы распада аустенита рельсовой стали, таким образом, чтобы сварной стык остыл до значений температуры, при которой образуется необходимая структура металла шва. При значениях, превышающих 300 секунд, либо при выдержке менее 200 секунд в металле шва наблюдается образование структур - мартенсита и троостита. При количестве импульсов больше 8, либо меньше 4 в металле шва наблюдается образование недопустимых структур - троостита, либо мартенсит. Количеством импульсов задается время, в течение которого поддерживается средняя температура сварного стыка необходимая для формирования требуемой структуры при сварке. При длительности импульса больше 8 секунд, либо меньше 2 секунд (при плотности тока от 2 до 40 А/мм²) в металле шва наблюдается образование недопустимых структур - троостита или мартенсита. Импульсы пропускания тока задавались с определенным интервалом. Длительность импульса определялась, исходя из плотности пропускаемого через сварной стык тока, и выбрана таким образом, чтобы температура сварного стыка не поднималась выше значений температур, требуемых для образования необходимой структуры. При значениях длительности интервала между импульсами, более 40 секунд, либо при длительности паузы менее 10 секунд в металле шва наблюдалось образование недопустимых структур - троостита и мартенсита. Длительность интервала подобранна таким образом, чтобы температура сварного стыка не опускалась ниже значений температур, при которых образуется необходимая структура металла шва. Структуры троостита и мартенсита приводят к появлению трещин в сварном шве, что снижает физико-механические свойства сварного соединения. При значениях выше и ниже заявляемых пределов не удавалось обеспечить требуемую структуру металла шва и отсутствие дефектов сварки.

Стабильность требуемых значений твердости на поверхности катания головки в зоне сварного стыка получены только при принудительном охлаждении головки потоком воздуха с давлением 0,3÷1 МПа и расходом 0,06÷0,20 м³/с в течении не менее 150 с со скоростью 80÷300 м/с, при выходе за верхние и нижние заявляемые значения не удавалось получить требуемые значения твердости.

Исследования проводили в условиях рельсосварочного предприятия на рельсосварочной машине МСР-6301.

В промышленных условиях, осуществляли сварку двух полнопрофильных рельса Р65, после чего проводили замер твердости на поверхности катания головки в зоне сварки и осуществляли испытание стыков на трехточечный статический изгиб согласно СТО РЖД 1.08.002-2009 «Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом». Испытания на статический изгиб проводили на прессе типа ПМС-320. Контрольные образцы испытывались после сварки и удаления грата в сварочной машине. При испытаниях на статический поперечный изгиб контрольный образец имел длину не менее 1200 мм со сварным стыком посередине. Нагрузку прикладывали в середине пролета контрольного образца в месте сварного стыка с расстоянием между опорами 1 м. В дальнейшем после визуального контроля сварных стыков полнопрофильных рельсов, последние разрезались, и производилось исследование микроструктуры сварного шва и зон термического влияния.

Испытание одного контрольного образца производили, с приложением нагрузки на головку (растяжение в подошве), второй контрольный образец нагружали на подошву (растяжение в головке). Результатами испытания являются значения усилия, возникающего при изгибе Р_изг, кН и значения стрелы прогиба f_пр, мм при которых происходит разрушение контрольного образца, либо максимальные значения данных показателей, если образец не разрушился во время испытаний. Результаты испытаний при заявляемых и заграничных пределах приведены в таблице.

Использование заявляемого способа позволило обеспечить требуемую твердость на поверхности катания головки - уменьшить отбраковку по дефектам твердости на поверхности катания головки рельса 0,2%, а так же снизить отбраковку по механическим свойствам (по параметру стрела прогиба на 0,54%, «усилие изгиба» 0,62%).

Изобретение может быть использовано при изготовлении контактной стыковой сваркой длинномерных рельсов и бесстыковых железнодорожных плетей. Осуществляют предварительную механическую обработку свариваемых концов, их разогрев, осадку, выдержку, пропускание переменного электрического тока через сварной стык импульсами с интервалами 10÷40 с при плотности тока 2÷40 А/мм². После осадки производят выдержку в течение 200÷300 с, а переменный электрический ток через сварной стык пропускают 4÷8 импульсами длительностью 2÷8 с, после чего осуществляют принудительное охлаждение головки потоком воздуха с давлением 0,3÷1 МПа и расходом 0,06÷0,20 м³/с в течение не менее 150 с со скоростью 80÷300 м/с. Изобретение обеспечивает получение требуемых физико-механических свойств сварного соединения при исключении дефектов в сварном шве и околошовной зоне. 1 табл.

Способ контактной стыковой сварки рельсов, включающий предварительную механическую обработку свариваемых концов, их разогрев, осадку, выдержку, пропускание переменного электрического тока через сварной стык импульсами с интервалами 10÷40 секунд, при плотности тока 2÷40 А/мм², отличающийся тем, что после осадки производят выдержку в течение 200÷300 с, а переменный электрический ток через сварной стык пропускают 4÷8 импульсами длительностью 2÷8 с, после чего осуществляют принудительное охлаждение головки потоком воздуха с давлением 0,3÷1 МПа и расходом 0,06÷0,20 м³/с в течение не менее 150 с со скоростью 80÷300 м/с.