ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА ДЛЯ АЛЮМИНОТЕРМИТНОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ

Литейная форма предназначена для алюминотермитной сварки и может быть использована при алюминотермитной сварке различных рельсов при их укладке в бесстыковой путь, в том числе и при переустройстве рельсового пути из стыкового в бесстыковой. Предлагаемая литейная форма позволяет значительно повысить качество выполняемого сварного шва, а, следовательно, его прочность.
Известна литейная форма для алюминотермитной сварки, включающая две полуформы с литьевым мостиком в верхней части, образующие сварочную полость для размещения концов свариваемых рельсов, заполняемую расплавленным металлом, выполненные, по крайней мере, в одной из полуформ, по крайней мере, один боковой канал, сообщающий пространство над литьевым мостиком с нижней частью сварочной полости, по крайней мере, один дополнительный средний канал, сообщающий боковой канал со средней частью сварочной полости в области головок рельсов, и, по крайней мере, один дополнительный верхний канал, сообщающий боковой канал с верхней частью сварочной полости над головками рельсов (см. RU 2116875, B23K 23/00, 1998).
Недостатком данной литейной формы является высокая вероятность образование раковин на поверхности сварного шва ввиду того, что в процессе заливки в литейную форму при достижении расплавленным металлом верхней части сварочной полости дополнительный верхний канал литейной формы перекрывается заливаемым расплавленным металлом, так как он расположен значительно ниже литьевого мостика. Это выравнивает давление жидкого металла в сварочной полости и боковом канале, что ведет к прекращению заполнения верхней части сварочной полости. Кроме того, механическое перекрытие дополнительного верхнего канала расплавленным металлом препятствует выходу газов из верхней части сварочной полости, а это делает возможным образование раковин на поверхности сварного шва.
Известна литейная форма для алюминотермитной сварки рельсов, включающая две полуформы с литьевым мостиком в верхней части, образующие сварочную полость для размещения концов свариваемых рельсов, заполняемую расплавленным металлом, при этом, по крайней мере, в одной из полуформ выполнены, по крайней мере, один боковой канал, сообщающий пространство над литьевым мостиком с нижней частью сварочной полости, по крайней мере, один средний канал, сообщающий боковой канал со средней частью сварочной полости в области головок рельсов, и, по крайней мере, один верхний канал, сообщающий боковой канал с верхней частью сварочной полости над головками рельсов, по крайней мере, одна из полуформ выполнена расширенной с образованием внутренней сварочной полости в средней и верхней ее частях шириной не менее протяженности примыкающей к сварному шву дефектной зоны поверхности катания головки рельса, с возможностью наплавки упомянутой зоны термитным металлом одновременно со сваркой концов рельсов. Литьевой мостик в сечениях, перпендикулярных или параллельных оси рельсов, выполнен в виде трапеции, сужающейся книзу, а в месте установки литьевого мостика полуформы внутри имеют фаски с наклоном к головке рельса под углом, равным углу наклона боковых сторон трапеции. Литьевой мостик выполнен с возможностью вытеснения расплавленным металлом в пространство над местом его установки после заполнения сварочной полости расплавленным металлом (см. RU 2559388, B23K 23/00, B23K 101/26, E01B 11/52, 2012).
В данной литейной форме литьевой мостик, выполненный с возможностью вытеснения расплавленным металлом в пространство над местом его установки после заполнения сварочной полости расплавленным металлом должен устранить вышеозначенную проблему, однако, высокие температуры, при которых происходит алюминотермитная сварка, приводят к значительному температурному расширению материалов применяемых для изготовления литейного мостика. Это приводит к заклиниванию последнего в литейной форме, то есть, он не выполняет возложенной на него функции. Таким образом, недостатком данной литейной формы также является высокая вероятность образование раковин на поверхности сварного шва, как и в приведенном ранее патенте.
Наиболее близкой к заявляемой является литейная форма для алюминотермитной сварки рельсов, включающая две полуформы с литьевым мостиком в верхней части, образующие сварочную полость для размещения свариваемых рельсов, выполненные по крайней мере в одной из полуформ по крайней мере один боковой канал, сообщающий пространство над литьевым мостиком с нижней частью сварочной полости, и по крайней мере один дополнительный средний канал, сообщающий боковой канал со средней частью сварочной полости в области головок рельсов (патент ФРГ N 1239915, B23K 23/00, 1967).
Недостатком данной литейной формы является высокая вероятность образование раковин на поверхности сварного шва ввиду того, что в процессе заливки в литейную форму при достижении расплавленным металлом верхней части сварочной полости дополнительный средний канал литейной формы перекрывается заливаемым расплавленным металлом, так как он расположен значительно ниже литьевого мостика. Это выравнивает давление жидкого металла в сварочной полости и боковом канале, что ведет к снижению скорости заполнения верхней части сварочной полости, так как создается встречный подпор газов и шлаков из верхней части сварочной полости, а это делает возможным образование раковин на поверхности сварного шва.
Кроме того, всем вышеуказанные литейные формы обладают одним недостатком, а именно, прочностные характеристики качественного сварного шва, получаемые при алюминотермитной сварке несколько ниже, чем у металла самого свариваемого рельса. Это определятся применяемой в каждом конкретном случае алюминотермитной смесью, которая уже готова к применению от завода изготовителя. Поэтому разрушение плетей бесстыкового пути выполненного данным способом сварки происходит, как правило, по сварным стыкам.
Технической задачей данного технического решения является увеличение прочностных характеристик получаемого сварного соединения при одновременном устранении дефектов внутри сварного шва и на его поверхности.
Поставленная задача достигается тем, что литейная форма для алюминотермитной сварки рельсов, включающая две полуформы с литьевым мостиком в верхней части, образующие сварочную полость для размещения свариваемых рельсов, выполненные по крайней мере в одной из полуформ, по крайней мере один боковой канал, сообщающий пространство над литьевым мостиком с нижней частью сварочной полости, и по крайней мере один дополнительный средний канал, сообщающий боковой канал со средней частью сварочной полости в области головок рельсов, при этом литьевой мостик выполнен с возможностью его вытеснения в пространство над местом его установки после заполнения сварочной полости расплавленным металлом при этом со стороны сварочной полости каждая литейная полуформа в средней части выполнена с приливами, для обеспечения ее без зазорного контакта с поверхностью рельса по его нижней грани головки и верхней грани наклонной поверхности подошвы с перекрытием соответствующих радиусов скругления пазухи рельса, и, одним отливом в средней части пазухи рельса, а литьевой мостик дополнительно снабжен опорным ригелем, при этом его размещение в сварочной полости выполнено с технологическим зазором, компенсирующим его температурное расширение, при том, что отлив со стороны сварочной полости на каждой литейной полуформе выполнен повторяющим форму поверхности стандартной рельсовой накладки со стороны рельса.
На фиг. 1 изображена литейная форма, продольный разрез.
Литейная форма для алюминотермитной сварки рельсов состоит из двух полуформ 1 и 2 с литьевым мостиком 3 в верхней части. Полуформы 1 и 2 и литьевой мостик 3 образуют между собой сварочную полость 4, в которой размещаются свариваемые рельсы. По крайней мере в одной или в каждой полуформе 1 и 2 выполнен по крайней мере один боковой канал 5 сообщающий пространство 6 над литьевым мостиком 3 с нижней частью 7 сварочной полости 4. В средней части 8 литейной формы по крайней мере в одной или в каждой полуформе 1 и 2 выполнен по крайней мере один дополнительный средний канал 9, который сообщает боковой канал 5 со средней частью сварочной полости 4 в области головок 10 рельсов. На одной из полуформ 1 или 2 установлен ковш для приема шлаков и литейный желоб, который сообщающий пространство 6 над литьевым мостиком 3 с ковшом для приема шлаков (на схеме не показаны). В обеих полуформах 1 и 2 в средней части 8 выполнены приливы 11, обеспечивающие без зазорный контакт внутренней поверхности полуформ с поверхностью рельса по его нижней грани головки 10 и верхней грани наклонной поверхности подошвы 12 с перекрытием соответствующих радиусов скругления пазух рельса в его средней части 13, и, отливы 14 в средней части 13 пазухи рельса увеличивающие поперечное сечение сварочного шва в шейке рельса. Форма отливов 14 выполнены повторяющими форму поверхности стандартной рельсовой накладки со стороны рельса. Литьевой мостик 3 в его верхней части дополнительно снабжен опорным ригелем 15, который препятствует смещению литьевого мостика 3 в сварочную полость 4 в процессе заливки расплавленного металла внутрь литейной формы, так как его основное тело выполнено с технологическим зазором 16 по отношению к литейной форме, то есть меньших размеров, чем перекрываемое им отверстие в верхней части сварочной полости 4. Технологический зазор 16 или разница в геометрических размерах литьевого мостика 3 и отверстия в верхней части сварочной полости 4 определяется из параметров температурного расширения применяемых материалов.
Процесс алюминотермитной сварки с использованием патентуемой литейной формы осуществляется следующим образом.
После установки концов рельсов на одном уровне с образованием сварного зазора на них в зоне сварного зазора устанавливаются две полу формы 1 и 2. Сверху полу формы 1 и 2 перекрывают литьевым мостиком 3, тем самым образуя сварочную полость 4. На одной из полуформ, например, на полуформе 2, монтируется ковш для приема шлаков. Место контакта с концами рельсов уплотняют формовочным материалом. После этого осуществляют предварительный нагрев концов рельсов, литьевого мостика 3 и полуформ 1 и 2. Нагрев осуществляют до 800-1000°C. Для рельса Р-65 продолжительность нагрева составляет 7 мин. За одну минуту до конца нагрева рельсов и полуформ 1 и 2 нагревают литьевой мостик 3, после чего его устанавливают в полуформы 1 и 2 и выпускают на литьевой мостик 3 расплавленный сварной металл из специального тигля (на схеме не показан). Далее расплавленный металл стекает по боковому каналу 5 в нижнюю часть 7 сварочной полости 4 и поднимается по сварочной полости 4 и, следовательно, по зазору между концами рельсов, при этом образовавшиеся шлаки, попавшие вместе с расплавленным сварным металлом на литьевой мостик 3, отводятся через литейный желоб в ковш для приема шлаков. После заполнения расплавленным сварочным металлом нижней части 7 сварочной полости 4 до уровня средней части 8 литейной формы, расплавленный металл вытекает из сварочного зазора в полость, образованную отливом 14, производится отливка уширения поперечного сечения шейки рельса. После заполнения полости отлива 14 расплавленный металл продолжает подниматься по сварочному шву вверх, заполняя сварочную полость 4, до выхода в нее дополнительного среднего канала 9 более горячая порция расплавленного металла начинает заполнять сварочную полость 4, циркулируя из бокового канала 5 уже через дополнительный средний канал 9 и далее вверх. Таким образом происходит заполнение расплавленным сварочным металлом средней части сварочной полости 4 от уровня под головками 10 рельсов и до верхней части сварочной полости 4 над головками 10 рельсов. Так как последние порции расплавленного сварного металла являются самыми разогретыми (обладают наибольшей температурой), то после заливки их в пространство над головками 10 рельсов происходит дополнительный нагрев головок 10 и находящегося в сварочном зазоре расплавленного сварного металла, в процессе подогрева головок 10 рельсов одновременно участвует горячий металл, заполнивший отливы 14. Дальнейшее заполнение верхней (прибыльной) части сварочной полости 4 сопровождается активным кипением расплавленного металла с выделением большого количества газов. Это приводит к созданию подпора расплавленного металла и газов под литьевым мостиком 3, который будучи в состоянии свободного опирания, т. е. без заклинивания в отверстии литейной формы, это состояние обеспечивается технологическим зазором 15, приподнимается или всплывает, открывая верхнюю часть сварочной полости. При этом из прибыльной части сварочной полости 4 в пространство 6 над литьевым мостиком выходят газы и избыточный объем металла, который к тому же обладает более низкой плотностью по отношению к основному металлу сварного шва.
После затвердевания металла сварного шва его прибыльная часть удаляется с головки 10 сваренного рельса обрезным приспособлением (не показано), и затем поверхность сварного шва на головке рельса шлифуют до высоты приблизительно 1 мм над верхом головки рельса, а после полного остывания сварного шва (до температуры окружающей среды) отшлифовывают весь сварной шов на головке рельсы до размера головки рельсы с допуском 0,3 мм. После зачистки сварного шва головки рельса очищают остальную часть сварного шва от остатков материала формы.
Предложенное исполнение литьевого мостика позволяет обеспечить бездефектное формирования сварного шва, что подтверждают результаты дефектоскопии. А за счет увеличения поперечного сечения рельса в сварном шве в сравнении с прототипом на 12-15% возрастает величина воспринимаемой поперечной силы при испытании сварного шва на излом. Кроме того, форма отливов, выполненных повторяющими форму поверхности стандартной рельсовой накладки, со стороны рельса позволяет в особо тяжелых условиях эксплуатации рельсового пути, выполненного данным видом сварки, установить элемент усиления соединения в виде стандартной рельсовой накладки без дополнительной механической обработки поверхностей пазухи рельса и самой накладки.