СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2021 года по МПК B23K11/04 B23K101/26 E01B29/42 

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 контактной стыковой сварки рельсов, включающий операцию предварительной механической обработки, разогрев свариваемых концов и осадку, при котором 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 9/50, C21D 9/04, опубл. 18.01.2018).

Существенными недостатками известного способа являются:

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

- повышенная протяженность зоны термического влияния;

- повышенная отбраковка по поверхностным дефектам: трещины, раковины, поры.

Известен, выбранный в качестве прототипа, способ контактной стыковой сварки рельсов, включающий предварительную механическую обработку, свариваемых концов, их разогрев, осадку и последующую выдержку в течение 160÷260 секунд, после чего через сварной стык пропускают переменный электрического ток 4÷6 импульсами, длительностью 2÷6 секунд с интервалами 10÷30 секунд при плотности тока 2÷40 А/мм². (RU №2725821 МПК В23К 11/04, В23К 101/26, C21D 9/04, C21D 9/50, опубл. 06.07.2020).

Существенными недостатками известного способа являются:

- повышенная отбраковка сварных стыков по физико-механическим свойствам в связи с повышенным уровнем загрязненности оксидными неметаллическими включениями, образующимися при окислении свариваемых поверхностей и образованием микротрещин в зоне образованных неметаллических включений в процессе сварки.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного стыка, за счет исключения образования оксидных неметаллических включений при сварке, а также исключения образования микротрещин.

Для решения существующей технической проблемы в известном способе контактной стыковой сварки рельсов, включающем предварительную механическую обработку свариваемых концов, их разогрев, осадку в течение 160÷260 секунд, выдержку, с последующим пропусканием через сварной стык переменного электрического тока 4÷6 импульсами длительностью 2÷6 секунд с интервалами 10÷30 секунд при плотности тока 2÷40 А/мм², согласно изобретению, в периоды разогрева свариваемых концов и осадки осуществляют подачу аргона в зону сварки с давлением 1,05÷1,5 МПа, расходом 0,06÷0,20 м³/с и со скоростью истечения до 30 м/с.

Технические результаты, получаемые в результате использования изобретения:

- обеспечение требуемых физико-механических свойств сварного соединения за счет снижения уровня оксидных неметаллических включений в результате подачи аргона в зону сварки в периоды разогрева свариваемых концов и осадки;

- исключение микротрещин в сварном шве в зоне образованных при сварке неметаллических включений.

Предлагаемый способ осуществлялся с помощью машины контактной стыковой сварки, обеспечивающей импульсный подогрев свариваемых стыков в пределах температуры, необходимой для образования заданной структуры, исходя из диаграммы изотермического распада аустенита, оборудованной устройством подачи защитного газа - аргона в зону сварки в периоды разогрева свариваемых концов и осадки, что позволило исключить образование всех оксидных неметаллических включений, образуемых за счет окисления свариваемых поверхностей при сварке.

Заявляемые режимы подобраны опытным путем.

Согласно прототипу - способу контактной стыковой сварки рельсов параметры разогрева, осадки в течение 160÷260 секунд, выдержки, с последующим пропусканием через сварной стык переменного электрического тока 4÷6 импульсами длительностью 2÷6 секунд с интервалами 10÷30 секунд при плотности тока 2÷40 А/мм² не изменялись в опытах.

В качестве инертного газа выбран аргон в связи с более высокой плотностью по сравнению с воздухом и возможностью вытеснения последнего из зоны сварки, соответственно препятствующему окислению легирующих элементов с образованием оксидных включений при нагреве связанным с проведением контактной стыковой сварки рельсов.

Подача аргона в зону сварки с давлением 1,05÷1,5 МПа гарантированно обеспечивает оттеснение воздуха из зоны сварки, причем при повышении давления более 1,5 МПа увеличивается стоимость процесса сварки без повышения качественных показателей.

При расходе аргона менее 0,06 м³/с не удается достигнуть гарантированного оттеснения воздуха из зоны сварки, а при увеличении более 0,20 м³/с, повышаются расходные показатели, и увеличивается себестоимость процесса без обеспечения требуемого качества сварного соединения.

Скорость истечения аргона до 30 м/с в опытах обеспечило требуемое качество сварного соединения. Увеличение скорости истечения снижает качественные показатели процесса - увеличивает зону термического влияния.

Исследования проводили на рельсосварочной машине МСР-6301.

Сваривались по два полнопрофильных образца рельсов Р65, после чего проводили 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 уровня загрязненности неметаллическими оксидными включениями, а так же изучалась микроструктура 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.

Испытания при заявляемых пределах подачи аргона в зону сварки (давление 1,05÷1,5 МПа, расход 0,06÷0,20 м³/с и скорость истечения до 30 м/с) обеспечили полное отсутствие оксидных неметаллических включений (оксидов железа, марганца, кремния и алюминия), а так же отсутствие микротрещин в зоне сварки. В используемом прототипе отбраковка по микротрещинам, образованным в зоне сварки по оксидным неметаллическим включениям составляла 0,01%.

Предлагаемый способ контактной стыковой сварки рельсов позволит обеспечить требуемые физико-механические свойства сварного соединения, исключить образование оксидных неметаллических включений, образованных при сварке, и уменьшить (исключить) отбраковку по микротрещинам в зоне сварного шва.

Изобретение может быть использовано при изготовлении контактной стыковой сваркой длинномерных рельсов и бесстыковых плетей для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта. После предварительной механической обработки свариваемых концов рельсов и их разогрева осуществляют осадку в течение 160–260 с, выдержку, с последующим пропусканием через сварной стык переменного электрического тока 4–6 импульсами длительностью 2–6 с с интервалами 10–30 с при плотности тока 2–40 А/мм². В периоды разогрева свариваемых концов и осадки осуществляют подачу аргона в зону сварки с давлением 1,05–1,5 МПа, расходом 0,06–0,20 м³/с и со скоростью истечения до 30 м/с. Изобретение обеспечивает получение требуемых физико-механических свойств сварного соединения за счет снижения уровня оксидных неметаллических включений и исключения микротрещин в сварном шве.

Способ контактной стыковой сварки рельсов, включающий предварительную механическую обработку свариваемых концов, их разогрев, осадку в течение 160–260 с, выдержку, с последующим пропусканием через сварной стык переменного электрического тока 4–6 импульсами длительностью 2–6 с с интервалами 10–30 с при плотности тока 2–40 А/мм², отличающийся тем, что в периоды разогрева свариваемых концов и осадки осуществляют подачу аргона в зону сварки с давлением 1,05–1,5 МПа, расходом 0,06–0,20 м³/с и со скоростью истечения до 30 м/с.