Как правильно наплавлять рельсу сваркой. Электродуговая сварка стыков рельсов

При работах с крановыми установками и выполнении монтажа железнодорожного полотна возникает необходимость соединения и сварки рельсов. В данном случае используется специальная технология, которая обеспечивает особую прочность соединения и устойчивость к повышенным нагрузкам. Необходимо сказать, что такие работы относятся к отдельной категории сварочных работ, об особенности которых мы и расскажем в этой статье.

Сварка может выполняться следующими технологиями :

• Термитная.
• Электродуговая.
• Газопрессовая сварка.

Каждая из этих технологий имеет свои определенные недостатки и преимущества. Поговорим поподробнее о таких способах сварки.

Электродуговая сварка стыков рельсов

На сегодняшний день данная технология получила наибольшее распространение, что объясняется простотой оборудования, легкостью самой работой и качеством выполненного соединения. При выполнении сварочных работ рельсы укладываются в нужном положении, после чего имеющееся между стыками послойно пространство заполняется сварочным материалом. Расплавление сварочного материала обеспечивается за счет высоких температур дугового разряда. При необходимости сварки торцов рельсов используется переменный ток от трансформатора. Также возможно использование мобильных сварочных аппаратов, работающих от постоянного тока.

При использовании электродуговой технологии возможно выполнение сварка рельсовых стыков ванным методом, при котором рельсы, обрезанные перпендикулярно своей оси, монтируются внутри ванны. В ванне проводится их качественное сваривание друг с другом. При данном методе сварки рельсы закрепляются с зазором не более 16 миллиметров. Возвышение профиля может колебаться в диапазоне 3-5 миллиметров.

При использовании ванного метода между торцов располагают электрод, по которому подается электрический ток мощностью порядка 350 Ампер. Электрод быстро заполняет зазор между соединяемыми рельсами, равномерно распределяя расплавленный материал по всему сечению. Данный метод исключает растекание металла, при этом обеспечивается максимально качественное закрытие зазора между соединенными металлическими элементами. После завершения сварки необходимо будет зашлифовать соединительный шов по периметру.

Алюминотермитная сварка рельсов

Метод термитной сварки основывается на свойстве окиси алюминия и железа вступать друг с другом в реакцию при высоких температурах. Такую термитную сварку также называют алюминотермитной технологией. Для выполнения такой сварки используется устойчивая к высоким температурам форма, которая по своему внешнему виду идентична геометрии рельсов. Такая форма должна выдерживать температуру больше 2000 градусов, при которой возникает контакт алюминия и железа.

Открыта данная технология сварки еще в конце 19 века. Однако по причине ее технологической сложности распространение она получила лишь относительно недавно. Основные трудности при выполнении такой термитной сварки заключаются в том, что реакция окиси алюминия и железа возникает лишь при температурах в несколько тысяч градусов. Соответственно требовалось нагреть до таких экстремальных температур, как сами рельсы, так и использовать соответствующую форму, способную не расплавляться и сохранять свою геометрию.

Для соединения металлов необходимо поджечь термитную смесь, которая быстро выгорает с образованием высокой температуры. Такая термитная порция содержит не только окиси алюминия и железа, но и разнообразные легирующие добавки. Такие добавки необходимы для получения максимально прочного соединения с нужными параметрами устойчивости к механическим воздействиям. Во время такой температурной реакции происходит послойное разделение легкого шлака и жидкой стали. Шлак при этом оказывается сверху и в последующем с легкостью удаляется из соединения.

Термитный способ сварки рельсов позволяет соединять объемно-закаленные и поверхностно-закаленные материалы. Необходимо сказать, что при помощи подобной технологии обеспечивается прочное и долговечное соединение, поэтому термитный способ сварки нашел применение при изготовлении безстыковых высокоскоростных железнодорожных магистралей.

Газопрессовая технология

Эта оригинальная технология соединения рельсов подразумевает использование температуры ниже точки плавления, однако за счет воздействия высокого давления обеспечивается качественное соединение рельсов. Из преимуществ данной технологии сварки можно отметить следующее:

• Отличные показатели качества выполненного соединения.
• Однородная структура стыка железнодорожного покрытия.
• Высокая производительность.
• Минимальный расход наплавляемых материалов.

Такая газопрессовая сварка широко применяется при соединении тяжелых железнодорожных рельсов. При выполнении используется специальное оборудование, которое позволяет обеспечить максимально высокое давление соединяемых рельсов. Металлические изделия плотно прижимаются друг к другу, после чего при помощи специальной струбцины концы нагреваются, а за счет высокого давления рельсы соединяются друг с другом. В процессе такой работы необходимо обеспечить промывку свариваемых элементов треххлористым углеродом. Это позволяет обеспечить соединение металлических элементов на молекулярном уровне.

Показатели рабочей температуры при газопрессовой технологии составляют порядка 1200 градусов. Для такой работы используются многопламенные горелки и мощные гидравлические прессы. Для качественного разогрева места соединения используют многопламенные горелки, осуществляющие в области сварного стыка многочисленные колебания, что и позволяет качественно разогреть металл. Гидравлический пресс, используемый для соединения рельсов, обеспечивает давление в 13 тонн и более. Усадка рельсов при их соединении данной технологией составляет около 20 миллиметров.

Заключение

Существующие в настоящее время технологии позволяют получить долговечное, надежное и устойчивое к механическим нагрузкам соединение. Выбор той или иной технологии выполняется в зависимости от доступного оборудования и конкретных разновидностей соединяемых рельсов. Необходимо сказать, что качественный выбор такого используемого оборудования и следование всей технологии работ позволит вам гарантировать качественно выполненную сварку рельсов.

При проведении монтажных и ремонтных работ на участках железнодорожного полотна, а также в схожих условиях, связанных с прокладкой рельсовых ниток, применяются специальные технологии сварки.

Особенности технологий сварки рельсов выражаются в повышенных требованиях к эксплуатационной надёжности соединений, а также их устойчивости к механическим нагрузкам.

Сварка рельсовых стыков относится к разряду особо ответственных мероприятий, организация и проведение которых невозможны без привлечения оборудования и современных сварочных механизмов.

Основными видами сварочных технологий, применяемых при монтаже и ремонте рельсов, являются:

• электроконтактная сварка;
• электродуговой метод;
• термитная обработка (алюминотермитная сварка рельсов);
• современная газо-прессовая сварка.

Каждый из этих методов отличается определёнными достоинствами и недостатками. Для более полного ознакомления с ними рассмотрим каждый из перечисленных способов сварки более подробно.

Электроконтактный способ

Электроконтактный подход к соединению стыков рельсов основывается на их сильном нагреве и последующем расплаве посредством электрической дуги, которая формируется значительным по величине током низкого напряжения.

Для реализации метода используют специальные машинные комплексы, работающие в автоматическом режиме (МСГР-500, МС-5002 или К-190, например).

Подлежащие обработке рельсы перед началом сварки укладываются либо непосредственно на путях, либо же с небольшим смещением внутри ветки или снаружи колеи (на удалении порядка 260 сантиметров от её оси).

При этом сам сварочный механизм перемещается по восстанавливаемой нитке, то есть представляет собой самоходную рельсосварочную станцию.

В процессе её работы используются сменные контактные головки различного типа, обеспечивающие необходимые режимы сварки (непрерывное оплавление или прерывистый разогрев контактов).

Электродуговой метод

Дуговая бесконтактная сварка относится к наиболее распространенным методикам, применяемым при сопряжении стыков рельсовых ниток.

Согласно этому подходу рельсы сначала укладывают с небольшим зазором, после чего их концы проваривают металлом электродов, расплавляемых посредством дугового разряда. Этот вид бесконтактной сварки не нуждается в приложении избыточного осадочного давления и реализуется с помощью переменного или постоянного токов, поступающих от передвижной сварочной станции.

Наиболее эффективным способом реализации дуговой сварки рельс является так называемый «ванный» метод, согласно которому заранее обрезанные поперёк продольной оси рельсы укладываются строго по линии путей с небольшим возвышением и с зазором приблизительно 14-16 миллиметров.

Между торцами уложенных таким образом рельсовых заготовок вводится рабочий электрод с последующим пропусканием через него тока порядка 300-350 ампер.

В результате такого воздействия расплавленная масса равномерно растекается по зазору и полностью заполняет его. Для предотвращения её стекания наружу зазор между рельсами закрывается специальными блокирующими ограждениями. По завершении сварки образовавшиеся швы шлифуются по всей площади стыка.

Термитная обработка

Алюминотермитная технология проверена временем.. В основу применения термитной сварки рельс заложена восстанавливающая реакция, происходящая при контакте основания (алюминия) с ещё одой составляющей – окисью железа.

Возникающий в результате этого металл (восстановленное железо) при рабочих температурах порядка 2000 градусов заливается в специальную огнеустойчивую форму, совпадающую с геометрией свариваемых рельсов.

Указанная реакция сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии.

Сваривать рельсы по термитному методу начали очень давно (с середины 19-го века), однако уже с тех пор этот вид сварки из-за применения алюминия стал называться алюминотермитным.

Важно отметить, что описываемая химическая реакция после поджога специального высокотемпературного горючего (термита) длится лишь несколько секунд.

Помимо двух рассмотренных составляющих (окиси железа и алюминия) в состав рабочей сварной смеси вводятся легирующие добавки и мелкие стальные частицы, слегка тормозящие или демпфирующие протекающий процесс. Добавки необходимы для того, чтобы сталь в зоне сварки приобрела требуемые качества и параметры, характерные для большинства рельсовых изделий.

При рассмотрении особенностей этого вида сварочного процесса следует отметить, что по завершении реакции общая химическая масса разделяется на две фракции: жидкий металл и лёгкий шлак, всплывающий в верхнюю часть формы.

Термитаня технология позволяет сочленять между собой следующие виды путевых изделий:

• поверхностно-закалённые рельсовые заготовки;
• объёмно-закалённые стыкующиеся части рельс,
• не прошедшие специальную термическую обработку рельсы в любых комбинациях.

Данный вид сварки обеспечивает выполнение требований основных стандартов, предъявляемых к высокоскоростным рельсовым магистралям, в части соблюдения нормативов сварочных технологий.

Газопрессовой способ

Эта технология сварки основывается на соединении металлических стыков рельс при относительно низких температурах (заметно ниже границы плавления), но при достаточно высоком давлении.

К основным преимуществам газопрессового метода следует отнести однородность структуры материала в зоне сварки, а также высокую прочность получаемого сочленения.

Благодаря перечисленным достоинствам, этим методом можно эффективно «варить» даже очень тяжёлые и габаритные железнодорожные изделия. Перед сваркой концы таких рельсов плотно пристыкуются один к другому, после чего посредством специального инструмента (рельсорезного станка с дисковой пилой или механической ножовки) осуществляется одновременный их рез.

В результате подготовительных операций обеспечивается требуемая плотность прилегания торцевых частей рельсов с высокой чистотой металлического сопряжения.

Помимо этого, непосредственно перед самим свариванием торцы обрабатываются дихлорэтаном или четыреххлористым углеродом. На этапе подготовки рельс к сварке их концы нагреваются до необходимой температуры посредством специальных комбинированных горелок, обеспечивающих получение достаточной температуры.

После тщательного разогрева концы рельсов зажимаются посредством гидравлического пресса особой конструкции и продолжают разогреваться до 1200 градусов.

В процессе сварки корпуса горелок слегка смещаются относительно обрабатываемого стыка (совершают небольшие колебательные движения). Частота таких периодических перемещений, как правило, не превышает 50-ти колебаний в одну минуту.

Одновременно с этими перемещениями газовой горелки рельсы сжимаются гидравлическим прессом с усилием от 10-ти до 13-ти тонн, точное значение которых определяется путём специальных расчетов. По результатам такой обработки свариваемый металл в месте стыка осаждается примерно на 20 миллиметров.

Для реализации описанной технологической цепочки применяется специальное газопрессовое оборудование (универсальные станки).

По завершении всего комплекса газосварочных операций готовый стык тщательно зачищается от шлаков, а затем приводится к нормальному виду (говорят, что осуществляется его «нормализация»).

Итак, рассмотренные ключевые методики сварки рельсовых стыков применяются в соответствие с техническими требованиями и условиями проведения ремонтно-восстановительных мероприятий.

Из всех подходов особо выделяется алюмотермитная сварка, как максимально отвечающая современным требованиям к бесконтактному восстановлению рельсов или прокладке железнодорожных веток. Именно термитный способ наиболее часто применяется при сооружении и ремонте современных транспортных магистралей.

Реконструкция скоростного трамвая в Киеве продолжается уже не первый год. За годы независимости Украины перебои с финансированием стали доброй традицией, и этот объект не стал исключением: сроки уже не раз переносились.
По сути полностью завершены только участки от Гната Юры до Кольцевой дороги и ул. Старовокзальная с кусочком ул. Жилянской. Всё остальное всё также находится в стадии реконструкции.

В качестве примера - текущее состояние развязки на перекрестке ул. Гната Юры и просп. 50-летия Октября:

Подробный отчет с остальных участков приводить не буду, т.к. это тема отдельного поста, а расскажу лишь о сварке рельсов на перегоне между Политехом и Воздухофлотским просп., на которую мы с dfaw попали по наводке 81412 .

Дело клонилось к вечеру, и при подходе к точке выполнения работ сварщики завершали варить очередной стык:

Стык сварен, можно раскрывать форму:

Сварка выполняется электродуговым способом с закладным электродом (разработка института электросварки имени Патона (?)). Суть в том, что в стык вставляется электрод, на его конце зажигается электрическая дуга и начинается процесс сварки. Сварка выполняется специальной порошковой проволокой, при этом не требуется защитный газ или флюс.
Сварочный аппарат (над сваренным стыком хорошо видно электрод, а еще выше - катушку с проволокой):

Сваренный стык. Его еще предстоит отшлифовать:

Рельсы свариваются в достаточно длинные плети, и для того, чтобы они не изогнулись при нагреве в жаркий летний день, необходимо как-то компенсировать их удлинение. Существует ряд способов решения проблемы. Например, через определенное расстояние могут ставиться "выравнивающие" стыки - несколько обычных стыков между сварными участками. На железной дороге их легко можно услышать на слух - через определенные промежутки времени будет слышен перестук колес, а затем снова тихий ход. Еще один вариант решения проблемы расширения рельс - специальные тепловые стыки, такие как вот этот:

Теперь давайте поразглядываем процесс сварки стыков с самого начала. Перед началом работ торцы рельс зачищаются:

Затем начинают собирать форму, в которой будет вариться стык (чтобы сплав не растекался дальше стыка):

Над стыком устанавливается сварочный аппарат:

Собирается верхняя часть формы:

Выполняется регулировка положения сварочного аппарата, электрода:

И начинается процесс сварки:

Амперметр на сварочном аппарате показывает силу тока 263 А, и это не предел. Для сравнения: утюг или электрочайник мощностью 1 кВт порождает ток менее 5 А. Хотя чтобы полностью честным, следует отметить, что рабочее напряжение при сварке всего пару десятков вольт.

Процесс близится к завершению:

Еще один стык сварен. На весь процесс ушло около 30 мин.

Владельцы патента RU 2270739:

Изобретение относится к дуговым способам сварки и используется преимущественно для ручной электродуговой сварки железнодорожных рельсов. Способ сварки рельсовых стыков включает установку рельсов с зазором между свариваемыми кромками, введение внутрь зазора плавящегося электрода и сварку с применением форм, установленных у места сварки, при силе тока, обеспечивающей образование жидкой ванны во всем объеме зазора. Предварительно осуществляют механическую обработку кромок рельсов или кромки одного из рельсов, включающую выполнение поперечного разреза по вертикальной плоскости от головки до начала подошвы рельса, выполнение горизонтального разреза по торцевой поверхности рельса перпендикулярно по отношению к ранее произведенному разрезу и снятие на торцевой поверхности подошвы фаски с притуплением у основания подошвы рельса. При образовании жидкой ванны в корне шва дополнительно осуществляют расплавление кромок основного металла рельсов. Это позволит получить сварной шов с механическими свойствами, равнозначными свойствам основного металла, что увеличит срок службы рельсов. 2 ил.

Изобретение относится к дуговым методам сварки, преимущественно используется для ручной электродуговой сварки железнодорожных рельсов.

Известен способ сварки рельсовых стыков, в котором сварку рельсов ведут ручным электродуговым способом (SU 78136, В 23 К 9/02, 1942).

В известном способе рельсы устанавливают с зазором между свариваемыми кромками от 9-14 мм в зависимости от выбранного диаметра электрода, поэтому сварной шов получается, в основном, за счет расплавления электродного материала. Свариваемые кромки настолько сильно разогреваются, что образуется общая ванна расплавленного металла, которая поддерживается в жидком состоянии в течение всего периода сварки. В качестве форм могут служить графитовые пластины, внутренняя поверхность которых изготавливается по форме рельса. Размеры и формы усиления сварного шва зависят от размера и формы соответствующего углубления, которое делается в форме.

Концы рельсов обрезают рельсообрезным станком по плоскости, перпендикулярной к оси рельса. Скос кромок перед сваркой не производят.

Большой зазор между торцами рельсов порядка 9-14 мм не позволяет сварить кромки подошвы рельсов, поэтому для формирования обратной стороны корня шва применяют формирующую подкладку. Сварной шов получается, в основном, за счет расплавления электродного материала, расплавленная масса которого заполняет зазор между торцами подошвы рельсов и формирующей подкладкой.

Наиболее существенным недостатком этого способа является наличие большого зазора между торцами рельсов. Расплавленный электродный металл является естественной перемычкой между свариваемыми рельсами, по которой дуга перемещается от кромки одного рельса к кромке другого. Сварное соединение, полученное таким способом, имеет крупнозернистое строение из-за перегрева электродного металла и, как следствие, более низкие механические свойства, чем у основного металла. В зоне сплавления кромки рельса с расплавленной массой электродного металла возникает большая вероятность возникновения дефектов типа непровара, шлаковые включения, поры.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение механических свойств сварного шва путем уменьшения зазора между торцами рельсов до размера, позволяющего сварить металл подошвы рельсов и получить сварной шов с механическими свойствами, которые равнозначны свойствам основного металла.

Способ согласно изобретению, заключается в том, что предварительно осуществляют механическую обработку кромок рельсов или кромки одного из рельсов, при этом производят поперечный разрез по вертикальной плоскости от головки до начала подошвы рельса, а затем горизонтальный разрез по торцевой поверхности рельса перпендикулярно по отношению к ранее произведенному разрезу, и на торце подошвы снимают фаску с притуплением у основания подошвы рельса, устанавливают рельсы с зазором, вводят внутрь зазора электрод и осуществляют сварку с применением форм у места сварки при силе тока, обеспечивающей образование жидкой ванны во всем объеме зазора, причем жидкую ванну в корне шва получают за счет расплавления кромок основного металла.

Отличия предложенного способа сварки рельсовых стыков состоят в том, что предварительно осуществляют механическую обработку кромок рельсов или кромки одного из рельсов, при этом производят поперечный разрез по вертикальной плоскости от головки до начала подошвы рельса, а затем горизонтальный разрез по торцевой поверхности рельса перпендикулярно по отношению к ранее произведенному разрезу, и на торце подошвы снимают фаску с притуплением у основания подошвы рельса, а жидкую ванну в корне шва получают за счет расплавления кромок основного металла.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен чертеж при механической обработке кромки одного из рельсов, на фиг.2 - кромок рельсов.

На фиг.1 обозначены: 1 - рельс (без обработки кромки), 2 - рельс с подготовленной кромкой, 3 - притупление, 4 - зазор между кромками, α - угол между кромками.

На фиг.2 обозначены: 2 - рельс с подготовленной кромкой, 3 - притупление, 4 - зазор между кромками, α - угол между кромками.

Угол α между кромками лежит в пределах 30-60°.

Сваривают железнодорожные рельсы типа Р65. В механических мастерских дистанции отмеряют кусок рельса длиной 3 м или более в соответствии с ТУ 32 ЦП-670-88 и подготавливают кромки рельса с двух концов для установки на место дефектного рельса. При этом производят поперечный разрез по вертикальной плоскости от головки до начала подошвы рельса. Затем осуществляют горизонтальный разрез по торцевой поверхности рельса перпендикулярно по отношению к ранее произведенному разрезу и на торце подошвы снимают фаску под углом 45° с притуплением 2 мм у основания подошвы рельса. На рельсе, из которого удаляется дефектный участок, делают разметку. Отрезают дефектный кусок рельса, равный по размеру подготовленному, и устанавливают на это место кусок рельса с подготовленными под сварку кромками. Зазор между рельсами составлял 2 мм (см. фиг 1). Концы рельсов перед сваркой зачищают до металлического блеска.

Под подошву свариваемых рельсов устанавливают формирующую обратную сторону шва медную подкладку и закрепляют ее струбциной. Корень шва сваривают электродом марки УОНИ - 13/65, диаметром 3 мм, ток 140-160 А, с последующим заполнением зазора между торцами подошвы рельсов электродом марки УОНИ - 13/65, диаметром 5мм, ток 250-280 А.

Устанавливают на шейку и головку рельсов боковые медные формы и закрепляют их струбциной. Сваривают шейку и головку рельса электродами марки УОНИ - 13/65, диаметром 5 мм, ток 250-280 А.

Предложенный способ позволяет получить сварной шов с механическими свойствами, которые равнозначны свойствам основного металла, при этом полученные механические свойства сварного шва увеличивают срок службы рельсов до срока службы установленных в путь рельсов без сварки.

Способ сварки рельсовых стыков, включающий установку рельсов с зазором между свариваемыми кромками, введение внутрь зазора плавящегося электрода и сварку с применением форм, установленных у места сварки, при силе тока, обеспечивающей образование жидкой ванны во всем объеме зазора, отличающийся тем, что предварительно осуществляют механическую обработку кромок рельсов или кромки одного из рельсов, включающую выполнение поперечного разреза по вертикальной плоскости от головки до начала подошвы рельса, выполнение горизонтального разреза по торцевой поверхности рельса перпендикулярно ранее произведенному разрезу и снятие на торцевой поверхности подошвы фаски с притуплением у основания подошвы рельса, а образование жидкой ванны в корне шва осуществляют расплавлением кромок основного металла рельсов.

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для непрерывного изготовления полых труб из плоских металлических лент, и в особенности, к устройствам, позволяющим получать сварные швы без дефектов при остановке и последующем пуске устройства.

Люди, которые ведут масштабное строительство или просто привыкли все делать мощно, то они, наверняка, сталкиваются с проблемой сваривания рельс. Сваривание рельс является проблемой, потому что они имеют большой диаметр и, как следствие, создают препятствия для комфортного сваривания. Поэтому для сваривания рельс Вам нужно использовать качественные электроды , которые позволяют Вам быть полностью уверенными в качестве сваренного изделия.

Одними из тех электродов, которые можно использовать для сваривания рельс, являются УОНИ 13/45 или УОНИ 13/55 . Да, действительно, сварочные электроды УОНИ являются прекрасным выбором для сваривания таких толстотелых конструкций как рельсы.

Электроды УОНИ используются для сваривания ответственных конструкций из металла, когда к металлическому шву предъявляются высокие требования по ударной вязкости . Многие профессиональные сварщики рекомендуют электроды УОНИ для сваривания конструкций, работающих под нагрузками, давлением и другими воздействиями факторов окружающей среды.

Сваривание электродами УОНИ позволяет обеспечить получение металла высокого качества, который имеет высокую устойчивость к образованию трещин и содержанием водорода. Сваривание электродами УОНИ можно производить во всех пространственных положениях . Для сваривания нужно использовать постоянный ток обратной полярности.

Материалом для изготовления сварочных электродов УОНИ является сварочная проволока Св-08А , которая полностью соответствует государственным стандартам , принятым в нашей стране. На поверхности покрытия сварочных электродов УОНИ допускаются небольшие трещины, которые могут быть на покрытии сварочного электрода. Однако если покрытие сварочного электрода сильно повреждено, то Вам нужно проверить, в каком месте Вы их храните, потому что из-за попадания влаги Вы можете испортить сварочный электрод .

В покрытия сварочных электродов УОНИ есть некоторые особенности, которые требуют обязательной прокалки перед использованием. Прокаливание электродов УОНИ производится при температуре от 350 до 400 градусов по Цельсию.

Прокалка электродов перед свариванием облегчает работу с ними и позволяет сделать сварочный шов, нанесенный ними, более прочным. Также прокалка или просушка электродов при указанной температуре позволяет сделать их менее восприимчивыми к влаге.

Как видите, использование сварочных электродов УОНИ позволяет производить сваривание высокого качества. Благодаря их высокому качеству и особенностям сваривания, Вы можете в краткие сроки начинать производить сваривание рельс.