CC BY
60DOI 10.52170/1815-9265_2021_59_16 УДК 621.74.01
А. С. Ильиных, М. С. Галай, Э. С. Сидоров, С. В. Щелоков
Совершенствование технологии алюминотермитной сварки рельсов на основе программного моделирования
Поступила 05.06.2021
Рецензирование 10.09.2021 Принята к печати 20.09.2021
Одним из современных способов соединения железнодорожных рельсов при создании бесстыкового пути является термитная сварка. Особенность данного метода заключается в применении большого объема жидкого присадочного металла, образующегося в результате термитной реакции. Этот металл удерживается в зоне сварки с помощью литейной формы. Благодаря высокой температуре он оплавляет торцы соединяемых рельсов, и после остывания образуется сварное соединение. Зазор между рельсами, в который заливается металл, составляет 25 мм. Однако при ремонте рельсов в пути его может быть недостаточно для устранения дефектного участка рельса. Поэтому перспективным направлением развития термитной сварки рельсов считается увеличение сварочного зазора до 50 мм.
В данном исследовании представлены результаты моделирования процесса сварки рельсов термитным способом при помощи программного комплекса NovaFlow&Solid Цель исследования заключается в оценке изменения протяженности зоны сварного шва и зоны термического влияния при увеличении сварочного зазора с 25 до 50 мм.
Для достижения поставленной цели была создана точная трехмерная модель термитного сварного соединения. В программе NovaFlow&Solid ^ заданы материалы для каждого элемента модели и установлены начальные условия. Результатом моделирования стали термограммы, отражающие распространение тепла от зоны сварного шва в рельсы. По этим термограммам определены границы сварного шва и зоны термического влияния. Установлено, что применение сварочного зазора 50 мм (вместо 25 мм) приводит к увеличению протяженности сварного шва в 1,3...1,6 раза. Зона термического влияния при этом достигает 80...95 мм. Полученные результаты могут быть использованы при определении зоны термического влияния для контроля термитных сварных соединений методами неразрушающего контроля.
Ключевые слова: термитная сварка рельсов, сварные соединения рельсов, NovaFlow&Solid моделирование сварки рельсов, сварной шов, зона термического влияния.
На железной дороге при сварке рельсов используется термитная сварка, состоящая из двух процессов: литья и непосредственно сварки рельсов. Процесс литья заключается в следующем (рис. 1): на концы рельсов устанавливается литейная форма, а над стыком двух рельсов - тигель, в который засыпается специальный порошок - термит, представляющий собой механическую смесь окислов железа и алюминиевого порошка. Источником кислорода в термите является окисел, а источником тепла - металл, входящий в смесь в чистом виде. В качестве окислов в термитных смесях применяют железную окалину, а в качестве горючих металлов - алюминий. Затем термит поджигается, и при его горении происходит обменная реакция кислорода с выделением значительного количества тепла. Расплавленный металл заливается из тигля в литейную форму и заполняет оставленный между торцами рельсов зазор, начиная с подошвы рельсов, куда попадает через специальный литник. Постепенно заполняя зазор и
свободное пространство между рельсами и стенками формы, металл вызывает расплавление соприкасающихся с ним торцевых поверхностей стенок рельсов, а застывая, образует с рельсами одно целое - сварное соединение. Вытекающий из тигля за металлом шлак стекает по желобу, оставляя над металлом лишь слой небольшой толщины [1, 2].
На сегодняшний день при сварке рельсов термитным способом применяют литейные формы со стандартным технологическим зазором 25 мм между свариваемыми рельсами. При ремонте и восстановлении бесстыкового пути используют литейные формы с технологическим зазором 50 мм. Следует отметить, что большинство исследований посвящено изучению термитных сварных соединений, полученных при использовании литейных форм со стандартным технологическим зазором 25 мм [3-5], а технология получения сварных соединений рельсов с использованием литейных форм с зазором 50 мм остается малоизученной.
а)
б)
в)
Рис. 1. Схема термитной сварки рельсов способом промежуточного литья: а - плавление термитной смеси; б - заливка расплавленной термитной смеси в форму;
в - кристаллизация сварного шва; 1 - рельс; 2 - форма; 3 - тигель; 4 - расплавленный шлак; 5 - расплавленный металл; 6 - литник
Цель работы заключается в определении ширины сварного шва и зоны термического влияния термитных сварных соединений рельсов, полученных с использованием литейной формы с технологическим зазором 50 мм, путем компьютерного моделирования.
В современном машиностроении применяется большое количество компьютерных программ, которые позволяют моделировать технологические процессы, определять оптимальные режимы обработки продукции при ее производстве и выявлять дефекты на этапе проектирования. В литейном производстве наиболее востребованными программами для моделирования литейных процессов являются Procast, SOLIDCast, NovaFlow&Solid СУ и PoligonSoft. Используя данные программы, технолог может подобрать рациональные параметры литья, при этом нет необходимости проводить натурные эксперименты.
В нашем исследовании использовалась программа NovaFlow&Solid СУ для моделирования процесса литья при производстве термитных сварных соединений рельсов. Определение ширины сварного шва и зоны термического влияния является трудоемкой задачей, связанной со сложностью подготовки макрошлифов. Ранее в работах [6-8] при изучении твердости сварного шва и зон термического влияния было установлено, что ширина сварного шва по поверхности катания при использовании литейной формы с технологическим
зазором 25 мм может достигать 50...70 мм. Известно, что твердость сварного шва ниже, чем твердость рельса, поэтому на поверхности катания рельса в области сварного шва термитных сварных соединений могут возникать такие дефекты, как смятие и износ. Следовательно, чем больше ширина сварного шва, тем выше вероятность возникновения вышеуказанных дефектов.
Для моделирования в программе NovaFlow&Solid СУ необходимо построить 3D-модели всех объектов, участвующих в производстве термитных сварных соединений рельсов: рельса, сварного шва и литейной формы. В системе автоматизированного трехмерного проектирования «КОМПАС-3D» построены две модели рельса длиной 500 мм каждая и модель литейной формы (рис. 2). Размеры профиля модели рельса соответствуют ГОСТ 8161-75. Модель литейной формы построена по размерам, указанным в ТУ 159000-001-72253988-2009 [9, 10]. Также спроектирована модель сварного шва с технологическим зазором 50 мм (рис. 3).
Спроектированные модели рельсов 500 мм, сварной шов и литейную форму с технологическим зазором 50 мм соединили в сборку. Далее сборка была загружена в программный комплекс NovaFlow&Solid СУ (рис. 4).
Для каждого элемента сборки был выбран материал из базы данных материалов. Для рельса выбрали марку стали с содержанием углерода 0,7.0,8 %, для литейной формы -
а)
б)
Рис. 2. Модели рельса Р65 (а) и литейной формы (б)
Рис. 3. Модель сварного шва и рельсов в сборке
Рис. 4. Сборка, преобразованная в программе NovaFlow&Solid СУ
кварцевый песок, а для сварного шва - материал с содержанием углерода 0,5... 0,6 %. Кроме того, по технологическому процессу изготовления термитных сварных швов проводится операция предварительного подогрева рельсов перед сваркой, поэтому в программе была установлена начальная температура рельсов 850 °С. Температура заливаемого металла составляла 2 300 °С. Температуру внешней среды (в нашем случае температуру воздуха, при которой проводят сварку в пути) задали 20 °С. После ввода
начальных условий была задана литниковая точка и установлены датчики температуры по длине сварного соединения рельса около поверхности катания рельса (рис. 5).
Результаты моделирования представлены в виде температурных полей (рис. 6), которые возникают в рельсах во время проведения их сварки. По температурному полю можно судить о величине зоны термического влияния и величине сварного шва. Температурные датчики позволяют определить значения температуры в
Рис. 5. Схема установки температурных датчиков
Рис. 6. Температурное поле в зоне сварного шва и прилегающих к нему рельсов
1 2 3 4 5 6
Рис. 7. Строение сварного соединения низкоуглеродистой стали: 1 - сварной шов; 2-6 - зоны термического влияния
сварном шве и зоне термического влияния на различном расстоянии от границы сплавления.
Для того чтобы определить ширину сварного шва и зоны термического влияния, воспользуемся данными о строении сварного соединения низкоуглеродистой стали, представленными на рис. 7 [11].
Для низкоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,3 % температура плавления составляет примерно 1 100 °С, поэтому на рис. 7 зона сварного шва ограничивается этой температурой. В нашем случае в сварном шве содержание углерода 0,5... 0,6 %, поэтому температура плавления стали порядка 1 480 °С. На рис. 6 данной температуре соответствует область темно-фиолетового цвета протяженностью порядка 80.90 мм, что соразмерно величине зоны сварного шва.
Ширину зоны термического влияния определяем по температуре нагрева свариваемого рельса. Известно, что зоной термического влияния является участок основного металла, прилегающий к шву, в котором произошли структурные изменения в результате нагрева. Как видно из рис. 7, структурные изменения в
низкоуглеродистой стали произошли до температуры 500 °С, это и есть зона термического влияния. В нашем случае, для стали с содержанием углерода 0,7.0,8 %, зону термического влияния следует ограничить температурой 600.650 °С. Расстояние от точки вертикальной оси симметрии сварного шва до точки 600 °С составляет 120. 140 мм. Следовательно, протяженность зоны термического влияния составляет порядка 80.95 мм.
Таким образом, проведенное исследование позволило определить область сварного шва и зону термического влияния термитного сварного соединения рельса, полученного при использовании литейных форм с технологическим зазором 50 мм. Установлено, что применение такой литейной формы вместо формы с зазором 25 мм приводит к увеличению протяженности зоны сварного шва на 30.60 %. Результаты моделирования могут быть использованы при разработке методик контроля термитных сварных соединений рельсов методами неразрушающего контроля, а также при разработке технологий упрочнения сварных соединений рельсов.
Библиографический список
1. ТУ 0921-337-01124323-2016. Рельсы железнодорожные, сваренные термитным способом. Технические условия : введ. 01.01.2017. М. : ВНИИЖТ, 2016. 39 с.
2. 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.
3. Современные методы сварки рельсов нового поколения / Н. А. Козырев, А. А. Усольцев, Р. А. Шевченко [и др.] // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60, № 10. С. 785-791.
4. Brice M. Evaluating Full-Section, High-Hardness Thermite Welds // Railway Track & Structures. 2020. № 3. P. 4-6.
5. Орлов С. Е. Алюминотермитная сварка рельсов на отечественных железных дорогах // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 10. С. 26-28.
6. 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. Сер.: Металлургия. 2016. Т. 16, № 3. С. 90-95.
7. Investigation of thermal conditions of the aluminothermic welding and their influence on the structure and properties of metal rails / A. D. Abramov, А. S. Ilinykh, M. S. Galay, Je. S. Sidorov // Materials Science Forum. 2017. Vol. 906. P. 50-55.
8. Ильиных А. С., Галай М. С., Сидоров Э. С. Упрочнение поверхности катания сварных швов рельсов, полученных термитной сваркой // Сварка и диагностика. 2019. № 1. С. 56-58.
9. ГОСТ 8161-75. Рельсы железнодорожные типа Р65. Конструкция и размеры : дата введ. 1977-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1994. 8 с.
10. ТУ 159000-001-72253988-2009. Форма для алюминотермитной сварки. Технические условия : введ. 20.04.2009. М. : СНАГА, 2009.
11. Зорин Н. Е., Зорин Е. Е. Материаловедение сварки. Сварка плавлением. СПб. : Лань, 2018. 164 с.
A. S. Ilinykh, M. S. Galay, E. S. Sidorov, S. V. Shchelokov
Research of Rail Welding Technology Using Software Simulation
Abstract. At present, thermite welding is used in the creation of railways. The peculiarity of this method is the use of a large volume of liquid metal formed as a result of the thermite reaction. This metal is held in the weld zone by a mold. Due to the high temperature, the liquid metal melts the ends of the rails to be joined and, after cooling, forms a welded joint. The gap between the rails, into which the metal is poured, is 25 mm. However, when repairing rails on the way, it may not be enough to eliminate the defective section of the rail. Therefore, a promising direction in the development of thermite welding of rails is considered to be a welding gap of up to 50 mm.
This study presents the results of modeling the process of rail welding by the thermite method using the NovaFlow & Solid CV software package. The purpose of the study was to assess the change in the length of the weld zone and the heat-affected zone with an increase in the welding gap from 25 to 50 mm.
To achieve this goal, an accurate three-dimensional model of a thermite welded joint was created. In the NovaFlow & Solid CV program, materials for each element of the model are specified and initial conditions are set. The results of the simulation were thermograms, reflecting the distribution of heat from the weld zone into the rails. These thermograms were used to determine the boundaries of the welded seam and the heat-affected zone. It was found that the use of a welding gap of 50 mm, instead of 25 mm, leads to an increase in the length of the welded seam by 1.3-1.6 times. The heat-affected zone reaches 80.. .95 mm.
Key words: thermite rail welding; rail welded joints; NovaFlow&Solid CV; rail welding simulation; weld seam; heat affected zone.
Ильиных Андрей Степанович - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: asi@stu.ru
Галай Марина Сергеевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: galayms@stu.ru
Сидоров Эдуард Сергеевич - преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: sesnsk@mail.ru
Щелоков Сергей Вячеславович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: ssv@yandex.ru
