CC BY
24Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 76-85. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 1 (60). Р. 76-85.
ТРАНСПОРТ
Научная статья УДК 625.143.482
doi 10.52170/1815-9265_2022_60_76
Совершенствование производственного процесса термитной сварки рельсов
Эдуард Сергеевич Сидоров
Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Россия, sesnsk@mail.ru
Аннотация. Термитный способ сварки рельсов в настоящее время применяется для соединения железнодорожных рельсов, элементов стрелочных переводов и ремонта бесстыкового пути. Широкое распространение такого метода сварки связано с относительно невысокой стоимостью рельсовых соединений. Недостатком термитной сварки рельсов является значительная продолжительность технологического процесса получения рельсовых соединений, которая составляет порядка 159...189 мин.
В данной статье предложена технология шлифования термитных сварных швов в горячем состоянии, позволяющая сократить продолжительность процесса получения сварных соединений рельсов до 74.76 мин. Рекомендуется вместо двух операций шлифования, предварительного и окончательного, выполнять одну в температурном интервале 600...560 °С. Выбор температурного интервала 600.560 °С базируется на результатах экспериментальных исследований, изложенных в данной статье. Шлифование сварных швов производили при разных температурах в диапазоне 850.560 °С. Затем оценивали твердость поверхности головки рельса, микротвердость в поперечном сечении, износостойкость и шероховатость поверхности катания в зоне сварного шва. Также были проведены микроструктурные исследования поверхностного слоя сварных швов. Согласно полученным результатам шлифование в интервале 600.560 °С приводит к повышению твердости поверхности катания в зоне сварного шва на 2.4 HRC. Измерения микротвердости в поперечном сечении показали, что толщина слоя с повышенной твердостью достигает 1.1,5 мм. Износостойкость образцов, шлифованных в температурном интервале 600.560 °С, была выше, чем других.
Апробация предлагаемой технологии подтвердила, что термитные сварные швы, шлифование которых выполняли в температурном интервале 600.560 °С, соответствуют требованиям технических условий на сварку рельсов термитным способом.
Ключевые слова: термитная сварка рельсов, сварные соединения рельсов, шлифование сварных швов, шлифование горячего металла, твердость сварных швов, износостойкость поверхности катания
Для цитирования: Сидоров Э. С. Совершенствование производственного процесса термитной сварки рельсов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 76-85. DOI 10.52170/1815-9265_2022_60_76.
TRANSPORT
Original article
Improving the technology of thermite rail welding Eduard S. Sidorov
Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia, sesnsk@mail.ru
Abstract. Thermite welding used for connection rails, railroad switch elements and railroad repairs. The widespread use of this welding method is associated with the relatively low cost of receiving rail joints. The disadvantage of thermite welding of railways is the duration of the technological process for obtaining railway connections that is about 159...189 minutes.
This article proposes a technology for grinding thermite welds in a hot state, which makes it possible to reduce the duration of the process of obtaining welded rail joints to 74...76 minutes. It is recommended instead of two grinding operations, preliminary and final, to perform one grinding operation of thermite welds in the temperature range 600.560 °C. The temperature range 600.560 °C is based on the results of the experimental studies described in article. Grinding of welded joints was carried out at different temperatures in the range 850.560 °C. According to the results obtained, grinding in the range of 600...560 °C leads to an increase in the hardness of the tread surface in the weld zone by 2...4 HRC. Measurements of microhardness in the cross section showed that the
© Сидоров Э. С., 2022
thickness of the layer with increased hardness reaches 1.. .1,5 mm. The wear resistance of samples ground in the temperature range of 600.560 °C was higher than that of other samples.
Approbation of the proposed technology confirmed that thermite welds, which were ground in a temperature range of 600...560 °C, meet the requirements of technical specifications for thermite welding of rails.
Keywords: thermite rail welding, rail welded joints, weld grinding, grinding of hot metal, weld hardness, wear resistance of the rail surface
For citation: Sidorov E. S. Improving the efficiency of the asphalt concrete mixture compaction with a smooth drum roller. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(60):76-85. (In Russ.). DOI 10.52170/18159265 2022 60 76.
Протяженность бесстыкового пути сети железных дорог России постоянно увеличивается. В настоящее время более половины рельсов, уложенных в путь, соединено с помощью сварки. Наиболее широко распространен способ контактной электросварки. Однако получить сварные соединения рельсов в области стрелочных переводов, рельсовых пересечений и кривых малого радиуса возможно только термитным способом.
Одним из основных преимуществ метода термитной сварки является относительно невысокая стоимость получаемых рельсовых соединений в сравнении со стоимостью стыков, сваренных контактной электросваркой. Это связано с тем, что для сварки рельсов в условиях пути контактным способом необходимо использовать путевую рельсосварочную машину, а для соединения рельсов термитным способом достаточно комплекта переносного оборудования, которое может быть доставлено на место проведения работ на легковом автомобиле. Мобильность и невысокая стоимость оборудования для термитной сварки рельсов позволяет сформировать большее количество бригад сварщиков и организовать их параллельную работу. Благодаря этим преимуществам термитная сварка применяется для создания бесстыкового пути на перегонах [1-3].
Термитная сварка рельсов выполняется методом промежуточного литья, поэтому технологический процесс включает в себя множество операций, которые условно разделяют на подготовительные, сварочные, послесварочные и контрольные. В результате на сварку одного рельсового стыка требуется достаточно много времени: от 159 до 189 мин. При этом на подготовительные и сварочные операции затрачивается не более 58.. .60 мин, а наибольшее количество времени отведено на формирование необходимого профиля головки рельса шлифова-
нием. Большая продолжительность работ по соединению рельсов требует организации длительных перерывов в движении поездов [4, 5].
Цель работы заключалась в сокращении продолжительности послесварочной обработки термитных рельсовых соединений за счет совершенствования технологии шлифования сварных швов рельсов.
При термитном способе сварки рельсов сварной шов формируется в результате кристаллизации жидкого металла, залитого в специальную литейную форму, смонтированную на концах соединяемых рельсов. Кристаллизация металла длится 180.240 с. Последующие операции направлены на удаление литейной формы, излишков металла и формирование необходимого профиля головки рельса. Верхнюю часть литейной формы вместе с излишками металла срезают с помощью гидравлического станка (рис. 1, а). После этой операции сварной шов выступает над поверхностью рельсов на 3.4 мм. Затем поверхность катания и боковые грани в области сварного шва шлифуют (см. рис. 1, б) в два этапа. Первый этап - предварительное шлифование шва в горячем состоянии до высоты 1 мм над поверхностью катания соединенных рельсов. Второй этап - окончательное шлифование в холодном состоянии до возвышения шва над рельсами на 0,2. 0,8 мм. При этом, согласно технологической инструкции на сварку рельсов термитным способом, время ожидания полного остывания сварного шва, перед окончательным шлифованием, составляет 90.120 мин [4, 5]. Таким образом, большая продолжительность технологического процесса соединения рельсов термитным способом связана с длительным ожиданием остывания металла в зоне сварки.
Для оценки возможностей совершенствования процесса шлифования сварных швов рельсовых соединений были проведены
а) б)
Рис. 1. Послесварочная обработка сварного шва термитного рельсового соединения: а - срезание прибыльной части гидравлическим станком; б - шлифование головки рельса
наблюдения за процессом сварки рельсов термитным способом в условиях пути. Установлено, что на выполнение операций, предшествующих предварительному шлифованию, может потребоваться неодинаковое количество времени, так как они выполняются сварщиками вручную. В результате температура поверхности головки сварного шва к моменту выполнения операции предварительного шлифования может снижаться до 850.600 °С.
Анализ литературы [6, 7] о влиянии шлифования на механические свойства сталей показал, что шлифование металлов в горячем состоянии способствует измельчению микроструктуры поверхностного слоя, повышению его износостойкости, снижению остаточных напряжений и увеличению производительности процесса механической обработки. Однако в данных источниках отсутствуют сведения о влиянии шлифования в горячем состоянии на механические свойства термитных сварных швов.
Чтобы оценить влияние шлифования в горячем состоянии на механические свойства сварных швов термитных рельсовых соединений были проведены экспериментальные исследования, в рамках которых выполняли сварку рельсов термитным способом по технологической инструкции и производили шлифование головки рельса в зоне сварного шва в разных температурных интервалах: 850.750, 800.700, 700.630 и 600.560 °С. Из полученных соединений были вырезаны образцы сварных швов, проведены измерения твердости металла поверхности катания с помощью твердомера HBRV-187.5, микротвердости
в поперечном сечении поверхностного слоя сварных швов - с помощью твердомера Wolpert 402MVD и определена износостойкость поверхности катания сварных швов на машине испытательной МИ № 164. Кроме того, проведены микроструктурные исследования с помощью микроскопа металлографического Axio Observer Z1m при увеличении 500 крат и измерена шероховатость поверхности катания цифровым профило-метром Mahr MarSurf PS 1.
Согласно результатам исследования твердость поверхности катания сварных швов зависит от температуры, при которой производили шлифование. Твердость сварных швов, для которых шлифование не выполняли, составила от 32 до 33 HRC (рис. 2). Шлифование в температурном интервале 850.750 °C приводило к повышению твердости на 1.2 HRC до значений 33.34 HRC. Наиболее высокую твердость (34.36 HRC) имели сварные швы, шлифованные в температурном интервале 600.560 °C. В интервалах температур 800.700 и 700.630 °C наблюдалось снижение твердости до 31.25 HRC.
При измерении микротвердости в поперечном сечении сварных швов было установлено, что шлифование в горячем состоянии приводит к изменению твердости только в поверхностном слое, толщина которого достигает 1.1,5 мм. Формирование поверхностного слоя с повышенной твердостью возможно за счет шлифования в температурных интервалах 850.750 и 600.560 °C (рис. 3). Наиболее высокую твердость 360.350 HV обеспечивает шлифование в температурном интервале 600.560 °C.
Рис. 2. Распределение значений твердости металла поверхности катания по длине сварных швов после шлифования в разных температурных интервалах
Рис. 3. Изменение значений микротвердости металла по глубине поверхностного слоя головки рельса сварных швов после шлифования в разных температурных интервалах
Испытания сварных швов рельсов на износостойкость проводили в соответствии с ГОСТ 30480-97 [8]. При испытаниях использовали ин-денторы в виде ролика диаметром 37,45 мм из закаленной стали ШХ15 и образцы сварных
швов, шлифованных в разных температурных интервалах, прямоугольного сечения. Для каждого образца использовали новый индентор. Испытания проводили по методу «врезания» ролика в поверхность катания сварных швов при
трении скольжения. Ролик вращался с частотой 200 об/мин и прижимался к поверхности сварного шва с усилием 50 кг.
Наименьшей износостойкостью обладали сварные швы рельсовых соединений, шлифование которых производили в температурном интервале 700.630 °С (рис. 4). Глубина внедрения индентора через 5 ч испытаний достигала порядка 1,2 мм. Величина износа поверхности катания сварных швов, шлифованных в температурных интервалах 850.750 и 800.700 °С, составила 1,05.1,1 мм. Наиболее высокую износостойкость обеспечивает шлифование сварных
швов в температурном интервале 600.560 °С. Глубина внедрения индентора в поверхность катания термитных сварных швов не превысила 0,95 мм.
Согласно результатам микроструктурных исследований поверхностного слоя термитных рельсовых соединений структура швов контрольных образцов, которые не подвергали шлифованию в горячем состоянии, представляла собой феррито-цементитную смесь (рис. 5, а). Металл сварных швов, шлифованных в горячем состоянии, имел иную структуру (см. рис. 5, б-д). Это связано с тем, что в
Рис. 4. Изменение глубины внедрения индентора при испытаниях на износостойкость сварных швов, шлифованных в разных температурных интервалах
Рис. 5. Микроструктура сварных швов термитных рельсовых соединений: а - без механической обработки; б - после шлифования в температурном интервале 850.750 °С; в - то же в интервале 800.700 °С; г - то же в интервале 700.630 °С; д - то же в интервале 600.560 °С
процессе шлифования металл деформировался при температурах, лежащих выше линии завершения структурных превращений (Аг 1). В таких условиях одновременно протекают процессы упрочнения (за счет повышения плотности дислокаций) и разупрочнения (в результате динамической рекристаллизации). В зависимости от того, какой из этих процессов преобладает, формируется различная микроструктура, обеспечивающая разные механические свойства металла [9, 10]. При шлифовании в температурном интервале 850...750 °С произошло деформирование аустенита, что привело к формированию дисперсной сорбитообразной структуры и повышению твердости сварных швов. Обработка сварных швов при более низких температурах, в интервале 800.700 °С, сопровождалась деформированием аустенита в процессе его распада, результатом чего стало образование неоднородной феррито-перлитной микроструктуры с пониженной твердостью. Шлифование в температурном интервале 700.630 °С приводило к формированию струк-
туры с участками глобулярного перлита и значительному снижению твердости. Сварные швы, шлифованные в интервале 600.560 °С, имели феррито-перлитную микроструктуру с вытянутыми в результате деформирования зернами. Твердость сварных швов в данном случае наиболее высока, так как при такой температуре отсутствует процесс динамической рекристаллизации и происходит упрочнение металла за счет повышения плотности дислокаций. Таким образом, наиболее однородную микроструктуру, обеспечивающую повышение твердости, возможно получить за счет шлифования термитных сварных швов рельсовых соединений в температурном интервале 600.560 °С.
Измерения шероховатости поверхности катания сварных швов, шлифованных в разных температурных интервалах, показали, что чем выше температура обрабатываемого металла, тем выше значения шероховатости. В температурном интервале 600.560 °С значения шероховатости составляли 0,7.0,9 мкм, а в интервале 850. 750 °С - порядка 2,3.2,5 мкм (рис. 6).
——
1-КЧ. - - • Г; Н
30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 Расстояние от середины сварного шва, мм (О - середина сварного шва)
Температурные интервалы шлифования сварных швов: -¿*-850...750 °С 800...700 °С -СЬ700...630 °С -О-600...560 °С
Рис. 6. Шероховатость поверхности катания сварных швов после шлифования в разных температурных интервалах
Согласно результатам экспериментальных исследований шлифование сварных швов термитных рельсовых соединений в интервале температур 600...560 °С обеспечивает наилучшие показатели твердости и износостойкости поверхности катания в зоне сварного шва. Так как твердость металла сварного шва рельсовых соединений ниже, чем твердость рельсов, в процессе эксплуатации в зоне сварного шва может происходить смятие металла и наблюдаться повышенный износ. Поэтому повышение твердости и износостойкости сварных швов рельсовых соединений является актуальной задачей.
Окончательное шлифование в холодном состоянии сопровождается повторным нагревом поверхности катания и снятием верхнего слоя металла в зоне сварного шва. При этом положительный эффект от шлифования в температур-
ном интервале 600.. .560 °С устраняется и твердость снижается на 2.4 HRC до значений 32.33 ШС.
На основе полученных результатов было предложено объединить операции предварительного и окончательного шлифования (рис. 7), т. е. выполнять одну операцию шлифования в температурном интервале 600.560 °С, формируя при этом окончательный профиль рельса. Ранее было установлено, что фактически предварительное шлифование производят при разных температурах в диапазоне 850.600 °С. Чтобы обеспечить шлифование в интервале 600.560 °С, необходимо ввести обязательный контроль температуры поверхности сварного шва перед началом шлифования с помощью пирометра. Если температура поверхности выше 600 °С, следует дождаться, когда она
Рис. 7. Схема существующего (а) и предлагаемого (б) технологического процесса механической обработки сварных швов термитных рельсовых соединений
снизится до необходимой, и начать шлифование сварного шва. Экспериментально определено, что время снижения температуры поверхности сварного шва с 850 до 600 °С составляет порядка 5.7 мин. Продолжительность существующего технологического процесса соединения рельсов термитным способом составляет 159.189 мин. Из них 90.120 занимает ожидание остывания сварного шва между операциями предварительного и окончательного шлифования. В предлагаемом технологическом процессе одна операция шлифования и ожидание остывания сварного шва перед ее выполнением составляет не более 5.7 мин. В результате общая продолжительность работ по соединению рельсов термитным способом уменьшается с 159.189 до 74.76 мин.
Предлагаемая технология прошла апробацию. Испытания были проведены по методике, изложенной в технических условиях на сварку рельсов термитным способом. Для сварных соединений рельсов, полученных по предлагаемой технологии, были определены показатели твердости, прочности, пластичности и геометрические параметры головки рельса в области сварного соединения.
Согласно результатам измерения твердости поверхности катания рельсовых соединений,
шлифованных по предлагаемой технологии, твердость сварных швов составляла порядка 35.36 НКС (рис. 8). В зоне термического влияния, около границ сплавления, присутствовали участки с повышенной до 37.38 НКС твердостью. На расстоянии 10.15 мм от границ сплавления твердость снижалась и составляла порядка 34.36 НКС. Таким образом, твердость сварных швов, шлифованных по предлагаемой технологии, близка к твердости соединяемых рельсов.
Показатели прочности и пластичности определяли на специализированном гидравлическом прессе МПС-300, предназначенном для проведения испытаний на статический поперечный трехточечный изгиб полнопрофильных сварных соединений рельсов. Образцы устанавливали на две опоры, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга. Нагрузку прикладывали к головке рельса в зоне сварного шва через ролик диаметром 50 мм до момента разрушения рельсового соединения. Показателем прочности при проведении таких испытаний принято считать значение максимальной разрушающей нагрузки в кН, а показателем пластичности - наибольшее значение стрелы прогиба в мм. По результатам оценки показателей прочности и пластичности термитных рельсовых стыков, полученных по предлагаемой технологии, значения разрушаю-
Рис. 8. Твердость поверхности катания в области сварных соединений, полученных
по предлагаемой технологии
щей нагрузки составили в среднем 1 554,25 кН, что выше минимального допустимого значения 1 340 кН. Величина стрелы прогиба сварного шва относительно опор пресса перед разрушением рельсовых соединений составляла в среднем 17,5 мм, что также выше минимального допустимого значения 16 мм [5].
Оценка прямолинейности рельсовых соединений, выполненных по предлагаемой технологии, показала, что все сварные соединения соответствуют требованиям технических условий [5]. В зоне сварных швов отсутствовали дефекты шлифования и впадины. Величина воз-
вышения сварного шва над поверхностью катания головки рельса не превышала 0,2 мм.
Предлагаемый технологический процесс шлифования сварных швов основан на данных экспериментальных исследований, прошел апробацию, обеспечивает сокращение времени получения термитных рельсовых соединений на 52.60 % и повышение твердости поверхности катания в зоне сварного шва на 6.12 %. Получаемые рельсовые соединения соответствуют требованиям технических условий на сварку рельсов термитным способом.
Список источников
1. Генкин И. З. Сварные рельсы и стрелочные переводы // Путь и путевое хозяйство. 2000. № 12. С. 14-20.
2. Пасько С. В., Тихомирова Л. Б., Болотова О. В. Алюминотермитная сварка рельсов методом промежуточного литья по технологии фирмы «СНАГА» : учеб. пособие. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2010. 100 с.
3. Орлов С. Е. Алюминотермитная сварка рельсов на отечественных железных дорогах // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 10. С. 26-28.
4. ТИ 0921-002-59033294-2017. Технологическая инструкция по термитной сварке рельсов методом промежуточного литья с технологическим зазором соединяемых рельсов шириной от 24 до 26 мм по технологии ЗАО «СНАГА». М. : СНАГА, 2017. 40 с.
5. ТУ 0921-337-01124323-2016. Рельсы железнодорожные, сваренные термитным способом. Технические условия. М. : ВНИИЖТ, 2016. 39 с.
6. Бойко Н. И., Фисенко К. С. Исследование качества поверхности наплавленного металла цилиндрической детали обработанной в горячем состоянии // Инженерный вестник Дона. 2012. № 2. С. 51-55.
7. Шальнов В. А. Шлифование и полирование лопаток газотурбинных двигателей. М. : Оборонгиз, 1958. 350 с.
8. ГОСТ 30480-97. Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость. Общие требования. М. : Изд-во стандартов, 1998. 12 с.
9. Исследование структуры и механических свойств алюминотермитных сварных соединений рельсов / Л. Б. Тихомирова, А. С. Ильиных, М. С. Галай, Э. С. Сидоров // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия : Металлургия. 2016. Т. 16, № 3. С. 90-95.
10. Тушинский Л. И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. Новосибирск : Наука, Сиб. отд-е, 1990. 306 с.
References
1. Genkin I. Z. Welded rails and turnouts. Way and track management. 2000;(12):14-20. (In Russ.).
2. Pasko S. V., Tikhomirova L. B., Bolotova O. V. Aluminothermic welding of rails by the method of intermediate casting according to the technology of the company "SNAGA": textbook. allowance. Novosibirsk: Publishing House of SGUPS; 2010. 100 p. (In Russ.).
3. Orlov S. E. Aluminothermic welding of rails on domestic railways. Way and track management. 2016;(10):26-28. (In Russ.).
4. TI 0921-002-59033294-2017. Technological instructions for thermite welding of rails by the method of intermediate casting with a technological gap of the connected rails with a width of 24 to 26 mm according to the technology of ZAO SNAGA. M.: SNAGA; 2017. 40 p.
5. TU 0921-337-01124323-2016. Railway rails welded by thermite method. Specifications. M.: VNIIZhT; 2016. 39 p. (In Russ.).
6. Boyko N. I., Fisenko K. S. Investigation of the quality of the surface of the deposited metal of a hot-treated cylindrical part. Don Engineering Gazette. 2012;(2):51-55. (In Russ.).
7. Shalnov V. A. Grinding and polishing of blades of gas turbine engines. M.: Oborongiz; 1958. 350 p. (In Russ.).
8. GOST 30480-97. Ensuring product durability. Test methods for wear resistance. General requirements. M.: Publishing house of standards; 1998. 12 p. (In Russ.).
9. Tikhomirova L. B., Ilinykh A. S., Galay M. S., Sidorov E. S. Study of the structure and mechanical properties of aluminothermic welded joints of rails. Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2016;16(3):90-95. (In Russ.).
10. Tushinsky L. I. Theory and technology of metal alloy hardening. Novosibirsk: Nauka, Sib. department; 1990. 306 p. (In Russ.).
Информация об авторе
Э. С. Сидоров - преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Information about the author
E. S. Sidorov - Lecturer of the Department Technology of transport engineering and machine operation, Siberian Transport University.
Статья поступила в редакцию 26.01.2022; одобрена после рецензирования 27.01.2022; принята к публикации 27.01.2022.
The article was submitted 26.01.2022; approved after reviewing 27.01.2022; accepted for publication 27.01.2022.
