СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF WELDED JOINTS OF RAILS

Изобретение относится к термической обработке сварных соединений, например сварных стыков рельсов, и может быть использовано на железнодорожном транспорте в составе путевых рельсосварочных машин при производстве сварочных работ в пути.
Известен газопламенный способ термической обработки сварных изделий, например рельсов, в составе путевых рельсосварочных машин, при котором производят нагрев шейки и подошвы сварного стыка рельсов до температуры 850-900°С без нагрева головки.
Недостатком данного способа является несоответствие твердости металла головки рельса в зоне термического влияния сварки твердости металла самого рельса, что приводит к износу поверхности головки сварного стыка рельсов в эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ термической обработки сварных изделий, например рельсов, заключающийся в том, что головку, шейку и подошву сварного стыка рельсов нагревают до температуры 850-900°С с последующим охлаждением металла головки воздушноводяной смесью в течение 70 с со скоростью 10-40°С/с. При этом для нагрева стыков рельсов используется индукционное оборудование типа ИТТ-100/2,4. Ток средней частоты
2,4 кГц. Мощность установки 100 кВт. Расход воды 1,5-2 л/мин. Давление воздуха 0,5-0,6 МПа (см., например, описание изобретения к а.с. СССР №373318 кл. С21 9/04, 1973).
Недостатком данного способа является то, что для охлаждения головки сварного стыка рельсов используется воздушно-водяная смесь, применение которой в ряде случаев приводит к образованию хрупких закалочных структур (мартенсит) в металле головки с твердостью, превышающей твердость основного металла рельсов. В эксплуатации сварного соединения происходит выкрашивание областей металла с закалочными структурами с последующим изломом.
Образование мартенсита в поверхностном слое металла головки сварного стыка рельсов происходит вследствие превышения скорости охлаждения металла (выше 40°С/с) при закалке в струях воды не распыленных воздухом под давлением из-за засорения форсунок закалочного устройства.
Другим существенным недостатком данного способа является необходимость транспортировки к месту проведения работ в пути большого количества воды для закалки сварных рельсов, что является малоэффективным, так как для этого требуется выделение дополнительных путевых машин или грузовых платформ. Кроме того, пополнение запаса воды для закалки стыков при производстве работ в пути является в ряде случаев затруднительно.
Цель изобретения - повышение качества и надежности сварных изделий за счет повышения пластичности и применения закалочных сред, исключающих образование хрупких структур в металле рельсов.
3
Указанная цель достигается тем, что в известном способе термической обработки сварных стыков рельсов, включающем нагрев всего сечения рельса в зоне сварного шва до 850-900°С с принудительным охлаждением головки и естественным охлаждением шейки и подошвы на воздухе, охлаждение головки осуществляют в потоке воздуха под давлением не ниже 0,5-0,8 МПа и расходом не ниже 0,08-0,1 м/с.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Для апробации способа были сварены контактным стыковым способом пульсирующим оплавлением объемно закаленные рельсы типа Р65 из углеродистой стали марки Э76Ф. Сварку выполняли на контактной машине типа К-922 в составе путевой рельсосварочной машины ПРСМ-4. Параметры сварки: время 125 с, путь оплавления 18 мм, величина осадки 12 мм, усилие осадки 80 т.
3
2
3
Термическую обработку сварных стыков объемно закаленных рельсов выполняли на индукционной установке типа УИН-001-100/РТ-П в составе путевой рельсосварочной машины ПРСМ-4. Номинальная мощность установки 75 кВт, частота тока 8-16 кГц. Рельс типа Р65 в месте сварки нагревали до температуры 850°С с помощью двух одинаковых электрически соединенных индукторов, образующих резонансный контур с блоком согласования, и установленных на кронштейнах в виде двух симметричных створок. Время нагрева составляло 240 с. Охлаждение металла головки сварного стыка производили в потоке воздуха, подаваемого с помощью закалочного устройства, смонтированного на индукционной установке. Технологические параметры процесса закалки были выбраны опытным путем, исходя из условий эффективного упрочнения сварных рельсов сжатым воздухом, а именно реализации скорости потока воздуха в интервале 60-200 м/с. При этом должно использоваться закалочное устройство с воздухосборником объемом 0,002-0,003 м и подачей воздуха на поверхность рельса через ряд отверстий диаметром 2 мм каждое в плоской панели нижней части закалочного устройства с суммарной площадью выходных отверстий равной 0,0008-0,0011 м. Время охлаждения составляло не менее 180 с. Давление воздуха 0,5-0,8 МПа. Расход воздуха 0,08-0,15 м/с. Расстояние между панелью с отверстиями для подачи потока воздуха закалочного устройства и поверхностью катания головки сварного стыка рельсов составляло не более 10 мм. Подошву и шейки сварных стыков рельсов охлаждали естественным путем на воздухе.
Сварные стыки рельсов подвергали испытаниям на статический поперечный изгиб с приложением нагрузки к головке и подошве в месте расположения сварного шва. Расстояние между опорами составляло 1 м. Так же проводили измерения твердости поверхности металла головки сварного стыка методом Бринелля и металлографическое исследование структур металла головки в области закалки в потоке воздуха.
Сварные рельсы после термической обработки по предлагаемому методу и указанным выше параметрам при изгибе с растяжением, как в подошве, так и в головке имели высокие показатели прочности и пластичности (стрелы прогибов
35-45 мм, разрушающие нагрузки 1800-2000 кН), т.е. полностью удовлетворяли установленным требованиям к сварным рельсам.
Измерение твердости поверхности катания (методом Бринелля) в области сварки таких рельсов после термообработки по предлагаемому методу показало, что твердость металла головки по ширине зоны термического влияния термообработки в месте закалки составляет 310-325 НВ, что полностью удовлетворяет установленным требованиям к сварным рельсам.
Исследование микроструктуры металла головки сварного стыка рельсов после термообработки по предлагаемому методу не выявило наличия хрупких закалочных структур (мартенсит). В пределах упрочненного слоя структура металла представляет собой мелкодисперсный сорбит с небольшими участками разрозненного феррита, расположенных равномерно в пределах закаленного слоя в виде отдельных конгломератов.
По сравнению с известными предлагаемый способ термической обработки сварных стыков рельсов позволяет повысить качество и надежность сварных соединений изделий, изготовленных в составе путевых рельсосварочных машин за счет повышения прочности и пластичности, улучшения условий закалочного охлаждения при применении потока воздуха под давлением и снижения вероятности образования неблагоприятных закалочных структур в поверхностном слое металла головки стыка. При этом обеспечивается необходимый уровень твердости металла головки сварного стыка рельсов, повышается живучесть сварных стыков рельсов и уменьшается склонность к хрупким разрушениям стыков в процессе эксплуатации.
Таким образом, повышается качество и надежность сварных изделий за счет повышения пластичности и применения закалочных сред, исключающих образование хрупких структур в металле рельсов.
Приведенное выше раскрытие изобретения не ограничивает объем притязаний, а является лишь описанием одного из вариантов термической обработки сварных стыков рельсов. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что данный способ может осуществляться с помощью различных средств.