Разработка способа и обоснование технологических решений процесса сварки дифференцированно упрочненных железнодорожных рельсов.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Направление 15.03.01 «Машиностроение»

Разработка способа и обоснование технологических решений процесса сварки дифференцированно упрочненных железнодорожных рельсов.

Контрольная работа по дисциплине

«Учебно-исследовательская работа студентов»

Студент гр._З-10А11 ___________________ А.В. Воронкин

^{(номер группы) (подпись)}

(дата) ___________________

Руководитель ____________________ Д.П. Ильященко

^{(подпись)}

(дата) ___________________

Юрга – 2022

Введение

Железнодорожная отрасль Российской Федерации имеет стратегическое значение. Она является связующим звеном единой экономической системы, обеспечивает стабильную деятельность промышленных предприятий, своевременный подвоз жизненно важных грузов в самые отдаленные уголки страны, а также является самым доступным транспортом для миллионов граждан. По данным ОАО «РЖД» на 2019 год развернутая длина главных путей является одной из самых протяженных в мире и составляет свыше 124 тыс. км. Одним из основных элементов строения железных дорог являются рельсы. На сегодня, как на железных дорогах Российской Федерации, так и за рубежом, происходит отказ от звеньевой конструкции пути. Одним из основных недостатков звеньевого пути является наличие стыка. Развитие технологий, позволяющих обеспечить возможность получения бесстыкового железнодорожного пути, является актуальным направлением в настоящее время. Следует принимать во внимание, что эксплуатация железнодорожного пути в стране происходит в сложных климатических и эксплуатационных условиях (в стране используются пути совмещенного типа, а не как в Европейских станах - раздельно для промышленного и пассажирского потока).

Сварные соединения являются слабыми участками бесстыкового пути для всех случаев движения (в случае скоростного, высокоскоростного движения и тяжеловесного движения). За 2018 год 56 % изломов рельсов произошло по причине излома по сварному стыку, выявлено 15 % остродефектных рельсов в зоне сварных стыков. Причины этого заключаются в изменении однородности микроструктуры в зонах сварного шва и термического влияния; создании неблагоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений; создании при сварке условий для образования внутренних дефектов, являющихся концентраторами напряжений и ослабляющих участок рельса со сварным швом; короблении рельса в зоне сварного шва с последующим образованием «седловин» при эксплуатации. 6

Создание рельсов с эксплуатационным ресурсом более 1500 – 2000 млн т брутто возможно только при комплексной оптимизации металлургического качества, структуры металлической матрицы, эпюры остаточных напряжений и прямолинейности.

В данной работе будут рассмотрен способ и обоснование технологических решений процесса сварки дифференцированно упрочненных железнодорожных рельсов.

.

1. Основная часть

1. Степень разработанности проблемы.

В настоящее время наибольшее распространение получил электроконтактный способ сварки рельсов методом пульсирующего оплавления. Считается, что данный метод наиболее экономичен и технологичен в сравнении с непрерывным оплавлением. При контактной сварке рельсов, так же, как и при других видах сварки происходит нагрев и непрерывное охлаждение металла в зоне термического влияния. При быстром нагреве сварного стыка, которое обеспечивается методом пульсирующего оплавления и последующим интенсивным охлаждением зоны термического влияния на месте микрообъемов с повышенным содержанием хрома, никеля и углерода формируется высокопрочный слой со структурой мартенсита. Участки мартенсита играют роль концентраторов напряжения и приводят к образованию дефектов в сварных стыках (развитие усталостных трещин в головке, шейке и подошве рельса с хрупким изломом). Данная проблема в процессе изготовления бесстыкового пути при сварке рельсов решается обязательной локальной термической обработкой сварного стыка. Термическая обработка сваренных стыков включает в себя закалку поверхности катания головки рельса и нормализацию подошвы и шейки. Локальная термическая обработка сварного стыка приводит к увеличению и появлению новых зон термического влияния по сравнению с зонами при сварке рельсов электроконтактным способом без термической обработки. В результате зона с пониженной твердостью приводит к локальному повышенному износу поверхности катания головки, происходит смятие и выкрашивание. На сегодняшний день проблема получения сварного соединения рельсов с малой протяженностью зоны термического влияния при достаточной пластичности не решена.

1. Современное состояние вопроса сварки рельсов.

1.2.1. Классификация, химический состав и механические свойства железнодорожных рельсов

В России производство железнодорожных рельсов, предназначенных для звеньевого и бесстыкового пути железных дорог и для производства стрелочных переводов, регламентируется ГОСТ Р 51685–2013 [6].

Рельсы железнодорожные подразделяют:

1. по назначению: а) рельсы общего назначения; б) рельсы специального назначения: 1) рельсы низкотемпературной надежности (НН); 2) рельсы повышенной износостойкости и контактной выносливости (ИК); 3) рельсы для скоростного совмещенного движения (СС); 4) рельсы для высокоскоростного движения (ВС);

2. по типам: Р50; Р65; Р65К (для наружных нитей кривых участков пути); Р75;

3. по наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах; без отверстий;

4. по способу выплавки стали: К – из конвертерной стали; Э – из электростали;

5. по виду исходных заготовок: из слитков; из непрерывно–литых заготовок (НЛЗ);

6. по способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали; прошедшие контролируемое охлаждение; прошедшие изотермическую выдержку;

7. по термическому упрочнению: а) термоупрочненные, подвергнутые дифференцированному упрочнению по сечению рельса (ДТ); б) термоупрочненные, подвергнутые объемной закалке и отпуску (ОТ); в) нетермоупрочненные (НТ);

8. по классу прочности (минимальной твердости): а) 370 (термоупрочненные); б) 350 (термоупрочненные); в) 320 (нетермоупрочненные); г) 300 (нетермоупрочненные); д) 260 (нетермоупрочненные).

Низкое содержание кислорода, в стали определяет ее высокую чистоту по неметаллическим включениям. При этом в нашей стране принимаются дополнительные технологические мероприятия (глубокое раскисление металла и шлака в печи, модификация силикокальцием в ковше и др.), позволяющие обеспечить минимальное загрязнение стали кислородом и соответственно неметаллическими включениями.

Конечно, для получения требуемого низкого содержания водорода и кислорода в рельсовой стали необходимо вакуумирование, однако различные варианты раскисления и ведения плавки могут обеспечить требуемый эксплуатационный уровень содержания кислорода и водорода. Норма предельного содержания азота в некоторых зарубежных стандартах вполне выполнима, но необоснованно, т.к. ряд исследований указывает не только на допустимость, но и на целесообразность нитридного упрочнения рельсовой стали, способствующего измельчению зерна и повышению ударной вязкости стали при положительных и отрицательных температурах, повышению прочности и износостойкости металла.

1.2.2. Современные способы сварки рельсов

Для соединения рельсов используется электродуговая, термитная, газопрессовая и электроконтактная сварка. Электродуговая сварка рельсов используется в основном на промышленных и малоответственных путях, так как она малопроизводительна, качество получаемых соединений не соответствует современным требованиям. Термитная сварка, которая обеспечивает более надежное качество сварного соединения, чем электродуговая, широко распространена за границей. Все же она имеет относительно малую надежность сварных стыков рельсов и соответственно низкие технико-экономические показатели жизненного цикла, поэтому получила малое распространение в нашей стране. Газопрессовая сварка позволяет получить высокие механические свойства сварного соединения, однако она имеет низкую производительность и требует больших экономических затрат. Самое широкое распространение в России получила электроконтактная сварка рельсов, благодаря надежности получаемых соединений, производительности, экономической эффективности. Средние значения показателей качества сварных рельсов, полученных разными способами при их испытании на статический трехточечный изгиб представлены в таблице 1

Таблица 1– Среднестатистические значения прочности и пластичности объемно закаленных сварных рельсов при испытании на статический трехточечный изгиб натурных образцов

Из перечисленных способов сварки рельсов наибольшее распространение получил электроконтактный способ (ЭС), который применяют более чем в 95 % случаев. В России на железнодорожном транспорте применяют ЭС, которым ежегодно выполняют порядка 600 тыс. стыков рельсов на рельсосварочном предприятии (РСП) и до 50 тыс. стыков машинами путевыми рельсосварочными машинами (ПРСМ) [12].

Стыковая сварка – способ контактной сварки, при котором детали соединяют по всей площади касания торцов хотя бы одной детали [13]. При этом стыковую сварку разделяют на сварку сопротивлением и оплавлением, последняя в свою очередь в ходе развития способа имеет следующие разновидности: оплавлением с прерывистым подогревом, непрерывным оплавлением, импульсным оплавлением, пульсирующим оплавлением. Для сварки железнодорожных рельсов в настоящее время используют контактную стыковую сварку пульсирующим оплавлением.

Процесс оплавления – разновидность способа нагрева металлов сопротивлением, при котором тепло выделяется в контакте между деталями при прохождении по ним тока. Напряжение подается на свариваемые несоприкасаемые друг с другом детали, после чего начинается их медленное сближение. При соприкосновении даже ровно обрезанных торцов деталей первые контакты между ними возникают в отдельных местах, по имеющимся микронеровностям. В отличие от других способов нагрева сопротивлением контакты в данном случае доводятся до расплавления. Для этого подводимое напряжение и плотность тока в контактах должны быть достаточно велики, чтобы контакты успели разрушиться раньше, чем их площадь успеет существенно увеличиться в процессе сближения деталей. После взрыва контактов на их месте образуются кратеры, и форма поверхности постепенно становится неровной. Поэтому контакты в каждой точке на поверхности торцов возникают через определенные промежутки, а места контактирования непрерывно изменяются. В любой момент общая площадь, занимаемая контактами, значительно меньше площади поперечного сечения свариваемых деталей. На большей части поверхности оплавления между торцами имеется зазор, величина которого неодинакова по сечению деталей.

К достоинствам ЭС можно отнести: высокое качество сварного соединения связанное, в том числе с отсутствием присадочного металла, и сваркой рельсов непосредственно друг с другом; наличие в сварочной машине системы контроля, позволяющей контролировать отклонение параметров режима сварки; высокая механизация и автоматизация работ (в стационарных условиях); высокая производительность процесса.

На ранних этапах контактной стыковой сварки рельсов использовался способ оплавления с прерывистым подогревом. Алгоритм процесса следующий: команда движения подвижной колонны вперёд до возникновения короткого замыкания (к. з.) торцов рельсов, в момент к. з. торцов включается отсчет времени в течении которого происходит прогрев. По истечении этого времени подается команда на разведение торцов, в момент исчезновения к. з. запускается отсчет времени на паузу. Нагрев торцов свариваемых рельсов проходящим электрическим током неравномерен по сечению и глубине, во время паузы между протеканием тока в нагреваемой зоне происходит уравнивание температур. Далее данный процесс повторяется определенное количество раз. В момент достижения заданной температуры, переходят к этапу оплавления и последующей осадке.

Данный способ отличается низкими термическими и электрическими КПД. Во время относительно длинных периодов короткого замыкания, происходит неравномерный нагрев торцов, который возрастает с увеличением развития площадей поперечного сечения свариваемых деталей. Это особенно заметно при сварке рельсов, которые имеют ярко выраженную разнотолщинность элементов сечения. Поэтому для обеспечения необходимой пластичности металла торцов свариваемых деталей, производят значительный нагрев, что приводит к увеличению зоны термического влияния, и как следствие снижению эксплуатационных свойств.

В настоящее время прерывистый подогрев используется при сварке рельсов зарубежными компаниями: Schlatter (Австрия), Nippon Steel (Япония). В этом случае предварительный подогрев производят не с начала, а после предварительного оплавления служащего для выравнивания торцов рельсов. Можно выделить четыре характерные стадии: предварительное оплавление, подогрев сопротивлением, оплавление, осадка.

Научные исследования ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины преследующие цель увеличение энергоэффективности контактной стыковой сварки привели к разработке способа сварки рельсов непрерывным оплавлением. Под непрерывным оплавлением понимается оплавление с заданной постоянной скоростью Vопл=const, с реверсированием при переходе оплавления в неустранимые короткие замыкания. Приемлемые параметры режима оплавления ограничены по условию устойчивости процесса, а именно, режим должен подбираться так, чтобы усредненное значение мощности оплавления было в три раза меньше максимально возможного ее значения. В этом случае обеспечивается достаточный запас по устойчивости оплавления за счёт саморегулирования электрической мощности в оплавляемых контактах.

Одним из надежных способов является газопрессовая сварка, при которой нагрев производят до пластического состояния металла, в этом случае соединение происходит в твердом состоянии. Для обеспечения равномерного прогрева сложного сечения рельсов и облегчения удаления окислов, образующихся на стыкуемых кромках, применяют газопрессовую сварку с оплавлением кромок. Подготовленные для сварки рельсы, устанавливаются с зазором и торцы нагреваются газовым пламенем до оплавления. Далее при последующем сжатии (осадке) жидкий металл выдавливается из зазора, и производится обычная сварка давлением металла, находящегося в твердом состоянии. Как правило, нагрев производят ацетиленокислородным пламенем.

Рисунок 1.2 – Распределение твердости металла сварного соединения рельсов выполненного разными способами сварки на расстоянии 2 мм от поверхности катания.

Несмотря на положительные стороны электроконтактного и газопрессового способов сварки, данные способы не позволяют производить сварку в труднодоступных местах, таких как стрелочные переводы, в кривых малого радиуса. Сварку в таких случаях обычно выполняют термитным способом. Термитная сварка рельсов (ТСР) производится по ТУ 0921-127-01124323-2005, применяется способ промежуточного литья. При сварке рельсов в состав термита входит железная окалина и металлический алюминий. Железную окалину обжигают с целью удаления из нее влаги и масла, так как используют отходы прокатного производства. После этого производят измельчение до фракции размером от 0,1 до 2,5 мм.

Окалина имеет различный химический состав. Для производства сварочного термита стремятся использовать окалину с минимальным содержанием кремния, при этом кислорода должно быть не ниже 25 %. В зависимости от условий, железо с кислородом образует три оксида: FeO; Fe2O3; Fe3O4. Для начала химической реакции между компонентами термита необходимо нагреть смесь до 1100 – 1200 °C. Реакция идет с большим выделением тепла, скорость реакции нарастает лавинообразно, процесс идет самопроизвольно – неуправляемо.

В настоящее время достаточно широко исследованы и разработаны различные способы сварки рельсов электродуговым способом. На железных дорогах Швеции, на ряду с другими способами используется технология ручной дуговой сварки рельсов. Компания ESAB разработала подобную технологию, которую применяют на железных дорогах Норвегии и Дании. Для осуществления сварки по данному способу между свариваемыми торцами рельсов выставляют зазор 15 – 18 мм. Чтобы скомпенсировать эффект усадки, концы рельсов приподнимают на 1,5 – 2 мм. Под зазором устанавливают прокладку, обеспечивающую плавный переход между наплавляемым металлом и металлом рельса. Производят предварительный подогрев. Сварку начинают с подошвы рельса. Наплавляемые сверху валики на подошве должны образовывать максимально гладкий шов с плавными переходами к основному металлу. Далее подкладка удаляется, и качество формирования корня шва контролируется визуально с помощью зеркала. После контроля рабочей температуры, с обеих сторон рельса закрепляются медные башмаки. Далее, тем же электродом без обрывов дуги, шейка и головка рельса заплавляются до полного заполнения. После окончания сварки медные башмаки удаляются, а головка рельса проковывается, пока она не остыла.

Пока стык не остыл ниже 350 °С, производят термическое снятие напряжений, нагрев сварного соединения и околошовной зоны на расстоянии 100 мм от стыка до 600 – 650 °С с выдержкой при этой температуре в течение 10 минут. После этого нагретую зону обкладывают теплоизолирующей минеральной ватой, чтобы обеспечить ее плавное охлаждение. Головку и подошву рельса зачищают до придания сварному шву соответствующего профиля. Все концентраторы напряжений, такие, как подрезы на внешней поверхности подошвы, должны быть зачищены. С целью увеличения производительности и исключения человеческого фактора учеными различных стран ведутся работы по автоматизации электродуговой сварки рельсов, так компанией Nippon Steel предложен способ, позволяющий заменить термитную и ручную сварку рельсов. В его основу заложено два способа: сварка в защитных газах вращающимся плавящимся электродом (сварка подошвы) и электрошлаковой сварки (сварка шейки и головки рельсов). Процесс идет в автоматическом режиме с помощью компьютерных технологий. В результате данный способ обеспечивает: высокие механические свойства сварного стыка, в сравнении с термитной сваркой; время сварки стыка составляет 100 мин.

Электродуговая сварка плавящимся мундштуком (ЭСПМ) – новый технологический процесс, разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона для соединения стальных деталей толщиной 16 – 250 мм. Являясь разновидностью вертикальной электродуговой сварки с принудительным формированием, он отличается использованием специального электрода с изолирующим покрытием, размещаемого в зазоре между свариваемыми кромками и выполняющего роль плавящегося мундштука, через который в процессе сварки осуществляется подача сварочной проволоки (от одной до четырех). Сварка осуществляется в узкий зазор (8 – 20 мм) без разделки кромок, что обеспечивает высокую производительность процесса (коэффициент наплавки достигает 22 – 24 г/А·ч) при умеренном удельном тепловложении (25 – 50 кДж/см2).

Важным моментом при электродуговой сварке рельсов является то, что при большом содержании углерода (более 6 %) высокая вероятность образования холодных трещин в металле участка перегрева ЗТВ. Это связано с особенностями влияния термодеформационного цикла дуговой сварки на процесс гомогенизации аустенита в высокотемпературной области термического цикла и последующим γ-α-превращением при охлаждении. В результате в металле участка перегрева ЗТВ формируется структура с повышенной плотностью дислокаций и высоким уровнем внутренних напряжений. Это приводит к тому, что даже при сравнительно низком содержании диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле (до 2,2 см3/100 г) при сварке высокопрочной рельсовой стали критические напряжения при замедленном разрушении составляют всего 0,1– 0,25 от предела текучести металла ЗТВ. Структура металла шва, выполненная электродуговым способом, представляет собой зерна феррита небольшого размера с малым количеством перлита. Для предотвращения образования закалочных структур обязательным мероприятием является предварительный подогрев торцов рельсов от 250 до 380 °С.

В связи с вышеприведенными трудностями широкого распространения электродуговой способ сварки на железной дороге не получил и используется для сварки малоответственных подъездных путей, трамвайных и подкрановых рельсов.

Таким образом можно сделать промежуточные выводы:

1. Сварные соединения рельсов являются слабым местом бесстыкового пути, гарантийный ресурс которых в три раза меньше ресурса рельсов. При этом в последнее время наблюдается увеличение изъятия рельсов из пути по причине дефектов сварки и послесварочной термической обработки рельсов.

2. Для изготовления бесстыкового железнодорожного пути на сегоднешний день в мире используется электродуговая, термитная, газопрессовая и электроконтактная сварка. Электродуговая сварка рельсов используется в основном на промышленных и малоответственных путях, так как она малопроизводительна, качество получаемых соединений не соответствует современным требованиям. Термитная сварка, которая обеспечивает более надежное качество сварного соединения, чем электродуговая, широко распространена за границей. Все же она имеет относительно малую надежность сварных стыков рельсов и соответственно низкие технико-экономические показатели жизненного цикла, поэтому получила малое распространение в нашей стране. Газопрессовая сварка позволяет получить высокие механические свойства сварного соединения, однако у нее низкая производительность и требует больших экономических затрат. Самое широкое распространение в России получила электроконтактная сварка рельсов, благодаря надежности получаемых соединений, производительности, экономической эффективности. При этом разработанные в настоящее время способы сварки рельсов, особенно эксплуатируемых на высокоскоростных магистралях, не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству сварных соединений.

3. Переход от объемно термоупрочненных рельсов к дифференцированно термоупрочненным с прокатного нагрева привел к увеличению содержания хрома в рельсовой стали для повышения закаливаемости. При электроконтактной сварке интенсивный нагрев, реализуемый пульсирующим методом оплавления и последующее быстрое охлаждение способствует образованию закалочных структур на месте микрообъемов с повышенным содержанием хрома. Участки мартенсита являются концентраторами напряжений и приводят к развитию усталостных трещин и хрупкому излому.

4. Проблема образования локальных закаленных участков в процессе изготовления бесстыкового пути при сварке рельсов решается обязательной локальной термической обработкой сварного стыка. В результате локальная термическая обработка сварного стыка позволяет исключить образование закалочных структур, но приводит к увеличению и появлению новых зон термического влияния с пониженной твердостью по сравнению с зонами при сварке рельсов электроконтактным способом без термической обработки. При эксплуатации это приводит к повышенному износу поверхности катания на данных участках и смятию головки на месте сварного стыка, что служит причиной изъятия рельсов из пути.

1.2.3. Технология и оборудование для производства длинномерных рельсовых плетей

Технология сварки рельсов производится согласно требованиям ТУ 0921-312-01124323 и требованиям СТО РЖД 1.08.002. Технологический процесс выполняется в следующей последовательности:

• доставка и разгрузка рельсов на склад сырья;

• входной контроль и подача рельсов на технологическую линию;

• зачистка контактных поверхностей рельсов перед сваркой;

• обрезка рельса требуемой длинны (при необходимости);

• сверловка болтовых отверстий;

• сварка рельсов контактной стыковой сваркой в рельсовую плеть;

• правка сварных стыков в горячем состоянии;

• грубая шлифовка сварных стыков по всему контуру;

• термообработка сварных стыков;

• воздушно-водяное охлаждение сварных стыков;

• правка сварных стыков в холодном состоянии;

• чистовая шлифовка головки рельса в зоне стыка;

• охлаждение сварного стыка; 30

• ультразвуковой контроль сварных стыков;

• погрузка рельсовых плетей на рельсовозный состав.

В России на рельсосварочных предприятиях сварка рельсов выполняется способом контактной стыковой сварки пульсирующим оплавлением. Используются стационарные рельсосварочные машины, предназначенные для контактной стыковой сварки оплавлением с программным изменением основных параметров железнодорожных рельсов всех типов. Конструкция машин – проходного типа, т. е. подача заготовок и выдача сваренных деталей, производится в направлении продольной оси машины, совпадающей с направлением действия усилия осадки. Зажимные узлы машины выполнены таким образом, что обеспечивается механизированное перемещение свариваемых деталей в зажатом состоянии перпендикулярно к продольной оси машины в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В процессе развития оборудования для сварки железнодорожных рельсов были разработаны машины для контактной стыковой сварки: МСРГ-500, УМАК-100, РСКМ-320, К-190, К-190ПА в которых был реализован метод непрерывного оплавления, при сварке рельсов с большим поперечным сечением в результате низкой мощности сварочных трансформаторов процесс включал в себя предварительный подогрев коротким замыканием свариваемых торцов перед оплавлением.

На сегодняшний день вместо жесткого программирования основных параметров, принятых при непрерывном оплавлении или с подогревом сопротивлением, разработана самонастраивающаяся система регулирования параметров, которая позволяет в реальных производственных условиях поддерживать оптимальный режим устойчивого оплавления и нагрева независимо от изменения условий эксплуатации (колебания напряжения цепи и температуры окружающей среды), что легло в основу создания рельсосварочных машин К1000, К1100 (ПАО «КЗЭСО») украинского и МСР–6301 (ЗАО «Псковэлектросвар») российского производства. Машины предназначены для контактной стыковой сварки в стационарных условиях рельсов площадью поперечного сечения от 5000 мм2 до 10000 мм2 со снятием грата непосредственно после сварки (рисунок 1.3). Машины оборудованы системой управления сварочным процессом, построенной на новейшем контроллере фирмы Siemens, которая обеспечивает компьютерную паспортизацию технологических параметров сварки каждого стыка.

Рисунок 1.3 – Общий вид сварочных машин К1000 (а) и МСР–6301 (б)

Новое поколение машин отличается большими усилиями зажатия и осадки, что позволяет выполнять сварку длинномерных плетей с одновременным их натяжением, а также с использованием повышенных удельных давлений, необходимых для сварки на жестких режимах.

Компьютеризированная система управления параметрами сварки позволяет автоматически адаптировать режимы сварки к реальным изменениям условий эксплуатации (колебанию напряжения сети, сопротивлению сварочного контура, температуре окружающей среды). Система осуществляет также оценку качества соединений сразу после сварки, результаты оценки заносятся в память электронных носителей.

На рельсосварочных предприятиях используется технология и оборудование для изготовления сварных бесстыковых плетей с местным дифференцированным термическим упрочнением стыков. Упрочнение сварных стыков осуществляется дифференцированно по сечению (различное в головке, шейке и подошве). Ранее для закалки головки рельса использовали тепло оставшееся после сварки, что давало возможность получить в ней необходимые показатели твердости и предела выносливости металла. При этом нормализацию подошвы проводили с помощью контактного нагрева, что повышало пластичность и хрупкую прочность рельсов.

При современном производстве бесстыковых рельсовых плетей в Российской Федерации осуществили переход от термообработки с тепла сварки стыков к индукционной термообработке, в результате чего достигается дополнительное повышение прочности и надежности сварных рельсов, улучшаются качественные показатели. Сварные стыки рельсовых плетей, обязательно подвергаются термической обработке на индукционных установках УИН-001-100/РТ-С и УИН-001-100/РТ-П (далее УИН), производимых предприятием ООО «Магнит М». На рисунке 1.4 показан общий вид индукционных установок.

Рисунок 1.4 – Общий устройств для термической обработки УИН-001-100/РТ-С и УИН-001-100/РТ-П

1.2.4. Недостатки способов электроконтактной сварки рельсов и локальной термической обработки

На сегодня гарантийная наработка для рельсов по ГОСТ 51685-2013 в зависимости от категории рельсов и радиуса кривых участков пути составляет от 320 до 500 млн т брутто. При этом в 2014 г. произошел переход с рельсов категории ТО (объемно термоупрочненных) на рельсы дифференцированно термоупрочненные с прокатного нагрева с минимальной твердостью 350 единиц по Бринеллю. Теперь два отечественных завода выпускают рельсы ДТ350 длинной 100 метров с прогнозируемым сроком службы 1,1 млрд т брутто, но до настоящего времени этот ресурс не подтверждён. На сегодняшний день подтвержден ресурс 700 млн т брутто.

На 2014 год число изломов произошедших по причине дефектов сварных стыков, от общего количества изломов составляло 42 %, в 2015 г. – 47 % [65]. За 2018 год 56 % изломов рельсов произошло по причине излома по сварному стыку, выявлено 15% остродефектных рельсов в зоне сварных стыков. Наблюдаемая тенденция увеличения изломов рельсов по сварным стыкам связанна с различными причинами, основные из которых являются: хрупкие закалочные структуры, неметаллические включения в зоне стыка, поджоги поверхностей рельса в зоне сварки, поперечная усталостная трещина в пере подошвы, недостатки технологии термической обработки сварных швов.

Так же, как и при других способах сварки, при контактной стыковой сварке рельсов оплавлением, происходит нагрев и непрерывное охлаждение металла шва и зоны термического влияния. Увеличение доли хрома в стали приводит к замедлению распада аустенита, что в свою очередь приводит к снижению критической скорости охлаждения при которой происходит превращение аустенита в мартенсит. В работе при исследовании структурных превращений рельсовой стали Э76ХФ определенно, что образование закалочных структур происходит при скоростях от 1 °C/с. При быстром нагреве сварного стыка, которое обеспечивается методом пульсирующего оплавления и последующим интенсивным охлаждением ЗТВ на месте микрообъемов с повышенным содержанием хрома, никеля и углерода формируется высокопрочный слой со структурой мартенсита (рисунок 1.5). Участки мартенсита играют роль концентраторов напряжения и приводят к образованию дефектов в сварных стыках (развитие усталостных трещин в головке, шейке и подошве рельса с хрупким изломом).

а – усталостное разрушение; б – структура с участком мартенсита × 500

Рисунок 1.5 – Развитие усталостной трещины

Данная проблема в процессе изготовления бесстыкового пути при сварке рельсов решается обязательной локальной термической обработкой сварного стыка. Термическая обработка сваренных стыков включает в себя закалку поверхности катания головки рельса и нормализацию подошвы и шейки, что позволяет увеличить прочностные характеристики сваренных стыков рельсов. Термообработку производят с помощью индукционных установок, что в свою очередь увеличивает затраты. При всех положительных воздействиях термической обработки с применением закалочной среды в виде сжатого воздуха у современных индукционных установок имеется ряд недостатков, которые связаны с:

1. появлением новых зон термического влияния при местном нагреве сварных стыков при термической обработке;

2. односторонним охлаждением только со стороны головки, что приводит к ухудшению прямолинейности сварных стыков после охлаждения;

3. недостаточной глубиной прогрева сварных стыков при термической обработке.

Локальная термическая обработка сварного стыка приводит к увеличению и появлению новых зон термического влияния по сравнению с зонами при сварке рельсов электроконтактным способом без термической обработки. Увеличение линейной величины зон после термической обработки в головке рельса на расстоянии порядка 40-47 мм от сварного стыка и в его подошве на расстоянии 70-75 мм приводит к снижению механических свойств сварного стыка.

В результате зона с пониженной твердостью приводит к локальному повышенному износу поверхности катания головки, происходит смятие и выкрашивание (рисунок 1.6).

а – вид в поперечном сечении; б – вид на поверхности катания

Рисунок 1.8 – Смятие и выкрашиваение поверхности головки рельса термобработанного сварного стыка

Данный вид дефектов (смятие головки из-за неравномерности механических свойств металла в месте сварного стыка) приводит к большим экономическим потерям при содержании пути. Несмотря на интенсивные темпы смены рельсов по причине наличия этого дефекта, их количество продолжает увеличиваться.

Для исключения образования закалочных структур в металле сварного соединения предлагают при электроконтактной сварке совмещать методы непрерывного и пульсирующего оплавления – комплексный метод оплавления. Данный способ предполагает выполнение нескольких циклов, повторяющихся по заданной программе. Каждый цикл воспроизводит либо пульсирующее оплавление для быстрого нагрева торцов, либо непрерывное для выравнивания зоны оплавления. Таким образом регулируется внесенная энергия и распределение температур в ЗТВ. Иначе говоря, производится замедление скорости нагрева с целью снижения скорости охлаждения, что позволяет избежать закалочных структур. Данный способ не учитывает некоторые важные моменты: увеличение тепловложения при сварке приводит к снижению показателей механических свойств. Это обусловлено прежде всего, увеличением размера зерна в средней части шва и развитием процесса выделения феррита по границам первичных аустенитных зерен по линии соединения, такая структура не способна эффективно бороться с усталостными трещинами. При этом частично нивелируются положительные моменты пульсирующего метода оплавления, такие как энергоэффективность, скорость сварки, и малая протяженность ЗТВ. Все это не позволяет говорить о совершенстве данного подхода.

1.2.5 Сварка полнопрофильных рельсов в промышленных условиях

Изучение влияния режимов сварки с управляемым охлаждением полнопрофильных рельсов, производимой путем пропускания импульсов переменного электрического тока после сварки на качественные показатели сварного стыка проводили на машине для контактной стыковой сварки МСР-6301 в условиях рельсосварочного предприятия ООО «РСП-М» (РСП-29). Сварочная машина МСР-6301 предназначена для контактной стыковой сварки рельсов непрерывным или пульсирующим оплавлением в стационарных условиях.

Машина производит центровку рельсов перед сваркой по оси рельсов и по высоте головки, сварку рельсов по заданной программе, съём горячего грата по всему контуру стыка рельсов после сварки. Система управления машиной выполнена на базе промышленного контроллера, обеспечивает задание и контроль параметров процесса сварки с предоставлением оператору текущей информации о процессе сварки, хранение этой информации, с последующей выдачей паспорта каждого сварного стыка.

Для исследования вырезались образцы полнопрофильных рельсов типа Р65 категории ДТ350 длинной не менее 600 мм. Сварка рельсов производилась по заданному режиму который советует режимам СТО РЖД 1.08.002-2009 «Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом».

Режим сварки главным образом заключается в управлении оплавлением при контактной стыковой сварке, что осуществляется корректировкой задаваемой скорости оплавления в зависимости от текущего значения тока. Это осуществляется изменением установок начала коррекций скорости (ток коррекции Iкор), тока Iост, останавливающего подачу, и тока Iрев, дающего команду на реверс.

Для этого программируемые значения скорости и тока оплавления, реализующие обратную связь Iкор, Iост, Iрев, подбирают таким образом, чтобы фактическое среднее значение тока на осциллограмме было в 2 раза меньше тока короткого замыкания. Это соответствует максимуму электрической мощности, развиваемой в контакте между оплавляемыми торцами заготовок. Недопустимые отклонения тока форме скачкообразных изменений его величины исключаются благодаря быстродействующей обратной связи. Эта же обратная связь стабилизирует текущее значение сварочного тока.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан и представлен алгоритм разработки способа сварки рельсов при производстве длинномерный рельсовых плетей без использования дополнительной локальной термической обработки.

2. Разработана методика теоретических расчетов распределение температур при контактной стыковой сварке оплавлением и последующей изотермической выдержке производимой контактным нагревом лабораторных образцов.

3. Разработана методика экспериментальных исследований влияния кратковременного воздействия электрического тока во время охлаждения рельсовой стали после электроконтактной сварки на качество сварного шва (механических свойств, макро- и микроструктуры, неметаллических включений).

1. Заключение

В результате термодинамического моделирования и дилатометрических исследований рельсовой стали установлена закономерность формирования структуры металла сварного шва, включая зону термического влияния дифференцированно темообработанных железнодорожных рельсов. Показано, что образование зон с пониженной твердостью в сварном соединении неизбежно в результате градиента температуры, создаваемого процессом сварки. При увеличении содержания легирующих элементов в стали температурная область между критическими точками Ac1 и Acm увеличивается, что приводит к увеличению протяженности зоны с пониженной твердостью в сварном соединении.

Разработано лабораторное оборудование для контактной стыковой сварки оплавлением на базе сварочной машины МС-2008 с возможностью реализации управления охлаждением металла после сварки, что позволило исследовать влияние кратковременного воздействия электрического тока во время охлаждения сварного соединения на структуру металла в зоне термического влияния и сварном шве.

Получены зависимости длительности и количества циклов кратковременного воздействия электрического тока на твердость и протяженность зоны термического влияния металла сварного соединения рельсов из электростали. Данные зависимости позволяют подбирать параметры изотермической выдержки в интервале температур, при которых формируется заданная структура металла не расширяя зону термического влияния.

Экспериментально подтверждено положительное влияние кратковременного воздействия электрического тока во время охлаждения рельсового стыка после сварки на результаты испытаний статического трехточечного изгиба без термической обработки по СТО РЖД 1.08.002-2009 рельсов типа Р65 категории ДТ350. Проведение изотермической выдержки путем пропускания четырех кратковременных импульсов длительностью 10 секунд переменного электрического тока через сварное соединение в момент охлаждения после сварки (через 200 секунд после осадки) позволяет увеличить показатели статического трехточечного изгиба: усилие изгиба Pизг на 25 %, стрелу прогиба fпр на 49 %.

Разработан новый способ контактной стыковой сварки рельсов и проведено его промышленное опробование на предприятии структурном подразделении (СТП) ООО "РСП-М" (РСП-29). Определено, что применение предлагаемого способа позволяет снизить себестоимость одного сварного стыка

Список источников

1. Разработка технологии сварки и термообработки железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения: отчет о НИР / ФГБОУ ВО «СибГИУ»; исполн.: Шевченко Р.А. – Новокузнецк, 2018. – 91 с. – № 11866ГУ/2017

2. СТО РЖД 1.08.002-2009. Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом. Технические условия: стандарт организации ОАО «РЖД»: утвержден и введен в действие распоряжением ОАО «РЖД» от 19.10.2009 г. № 2111р : введен впервые : дата введения 19.10.2009 г. / разработан ОАО «ВНИИЖТ». – Москва, – 2009, 41 с.

3. Пат. 2641586 Российская Федерация, МПК B23K 11/04, B23K 101/26, C21D 9/50, C21D 9/04. Способ контактной стыковой сварки рельсов / Протопопов Е.В., Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Крюков Р.Е., Фейлер С.В., Усольцев А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет» – № 2016148124; заявл. 07.12.2016; опубл. 18.01.2018 Бюл. № 2.

4. Пат. 2725821 Российская Федерация, МПК B23K 11/04, B23K 101/26, C21D 9/50, C21D 9/04. Способ контактной стыковой сварки рельсов / Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Уманский А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет» – № 2019138988; заявл. 29.11.2019; опубл. 06.07.2020 Бюл. № 19.

5. Пат. 2683668 Российская Федерация, МПК B23K 11/04, B23K 11/25. Машина для контактной стыковой сварки / Протопопов Е.В., Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Кратько С.Н., Хомичева В.Е.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет» – № 2017145763; заявл. 25.12.2017; опубл. 01.04.2019 Бюл. № 10.

6. ГОСТ Р 51685–2013. Рельсы железнодорожные: национальный стандарт Российской Федерации: утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 октября 2013 г. N 1155-ст : введен впервые : дата введения 01.07.2014 г. / ОАО "ВНИИЖТ", ОАО "УИМ", ФГУП "НИИ мостов и дефектоскопии", ИМет РАН, ООО "ЕвразХолдинг", ОАО "ЕВРАЗ НТМК", ОАО "ЕВРАЗ ЗСМК". – Москва : Стандартинформ, 2014, 96 с.

7. Азот в металлах / В.В. Аверин, А.В. Рявякин, В.И. Федорченко, Л.Н. Козина. – М.: Металлургия, 1976. – 224 с.

8. Свяжин А.Г. Легированные стали азотом / А.Г. Свяжин // Черная металлургия. Бюллетень ЦНИИ и ТЭИ ЧМ. – 1990. – Вып. 6 (1094). – С. 37-42.

9. Опыт и перспективы легирования стали газообразным азотом / В.П. Немченко, В.А. Козьмин, В.И. Довгопол и др. // Сталь. – №10. С. 829-896.

10. Генкин И.З. Сварные рельсы и стрелочные переводы / И. З. Генкин. – М.: Интекст, 2003. – 93 с.

11. Сварка железнодорожных рельсов: Труды Всесоюз. науч.-исслед. ин-та ж.-д. транспорта, выпуск 556 / под ред. В. Б. Шляпина. – Москва: «Транспорт», 1977. – 144 с.

12. Калашников Е.А. Технологии сварки рельсов: тенденции в России и за рубежом / Е.А. Калашников, Ю.А. Королёв //Путь и путевое хозяйство. – 2015, №8. с 2-6.

13. Технология и оборудование контактной сварки: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / М. Д. Банов. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 224 с.

14. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением / С.И. Кучук-Яценко, В.К. Лебедев. – Киев: Наукова думка, 1976. – 213 с.

15. Козырев Н. А. Современные способы сварки рельсов / Н. А. Козырев, А. А. Усольцев, Р. А. Шевченко, Р. Е. Крюков, П. Е. Шишкин // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. – Новокузнецк: СибГИУ, – 2016. – № 37. – С. 166 - 174.

16. Анализ методов сварки рельсов для шахтных подъездных путей с использованием современных технологий / Р. А. Шевченко, Н. А. Козырев, А. А. Усольцев, Р. Е. Крюков, П. Е. Шишкин // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. – Новокузнецк: СибГИУ, – 2017. – № 3. – С. 232 - 236.

17. Современные методы получения бесстыковых рельсов / Н. А. Козырев, А. А. Усольцев, Р. Е. Крюков, Р. А. Шевченко, П. Е. Шишкин // Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении: сборник трудов Международной научно-практической конференции 18-21 апреля 2017 / под ред. А. Н. Смирнова. – Кемерово: КузГТУ, 2017. С 123 - 127.

18. Temperature field evolution during flash-butt welding of railway rails/ L. Weingrill, J. Krutzler , N. Enzinger // Materials Science Forum, Volume 879, pp 2088-2093, May 2016 || doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.879.2088

19. Способ стыковой сварки оплавлением рельсовой: пат. 2507045 РФ: МПК B23K 11/04, B23K 101/26 / К. Саита, Х. Фукути, Я. Цуцуми; заявитель и патентообладатель НИПОН СТИЛ ЭНД СУМИТОМО МЕТАЛ КОРПОРЕЙШН. –№ 2012117761/02; заявл. 26.10.2010; опубл. 20.02.2014, Бюл. №5

20. Кучук-Яценко С.И. Технология и новое поколение оборудования для контактной стыковой сварки высокопрочных рельсов современного производства при строительстве и реконструкции скоростных железнодорожных магистралей / С.И. Кучук-Яценко, В.Г. Кривенко, А.В. Дидковский, Ю.В. Швец, А.К. Харченко, А.Н. Левчук // Автоматическая сварка. – 2012. – № 6 (710). – С. 32 – 37.

21. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка рельсов повышенной прочности / С.И. Кучук-Яценко, М.В. Богорский, Н.Д. Горонков // Автоматическая сварка. – 1994. – № 3 (492). – С. 34 – 40.