Способ устранения дефекта смятия и износа головки рельсов в зоне сварного стыка электродуговой наплавкой
METHOD FOR ELIMINATION OF RAIL HEAD CRUSHING AND WEAR DEFECT IN WELD JOINT BY ELECTRIC ARC SURFACING

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к технологии восстановления электродуговой наплавкой изношенных поверхностей железнодорожного рельсового пути в зоне электроконтактного сварного стыка как с его снятием с полотна, так и без снятия с полотна.
Известен способ восстановления рельсов газопорошковой наплавкой (SU 1348442 А1, МПК Е01В 31/18, опуб. 30.10.1987 г.).
Изобретение относится к способам восстановления рельсов с местными повреждениями головки, образовавшимися при боксовании локомотивов или выкрашивании закаленного слоя, преимущественно к способам ремонта закаленных рельсов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Цель изобретения - повышение эффективности путем сохранения структуры и механических свойств рельсовой стали, а также обеспечение движения поездов по ремонтируемому участку. Для восстановления рельса поврежденный участок нагревают до температуры плавления
самофлюсующегося сплава, который подают на поверхность рельса проходами горелки поперек головки рельса. Для получения в наплавленном слое сжимающих напряжений используют самофлюсующийся сплав с коэффициентом теплового расширения меньшим, чем у рельсовой стали.
Недостатки: по существу способ является ручным, полностью зависящим от квалификации и опыта сварщика. Подавать порошок небольшими порциями, перемещать горелку с точностью до 1 мм и определять визуально температуру, даже небольшие отступления от заданных параметров процесса оказывают негативное влияние на качество наплавки и механические свойства. Отсутствие в зоне наплавки электроконтактного сварного стыка рельсов по всему сечению.
Известен также способ восстановления изношенных поверхностей (RU 2382695 С1, МПК В23Р 6/00, B23K 9/04, Е01В 31/18, опуб. 27.02.2010 г.).
Изобретение может быть использовано для восстановления или упрочнения механизированной электродуговой наплавкой изношенных поверхностей железнодорожного рельсового пути без его снятия с полотна. После зачистки изношенной поверхности до чистого металла осуществляют нагрев зачищенного участка изношенной поверхности рельса до температуры 400-450°С в течение 5-6 мин по всей его длине и в обе стороны участка на величину технологических припусков, составляющую около 100 мм. Производят наплавку электродуговым методом при рабочей температуре не ниже 350°С послойно на полную глубину изношенной поверхности с превышением номинального размера поверхности катания рельса на величину припуска на механическую обработку. При снижении рабочей температуры осуществляют дополнительный нагрев наплавляемого участка изношенной поверхности рельса. Затем производят естественное охлаждение и механическую обработку восстановленной поверхности катания рельса. Способ обеспечивает повышение качества восстановления изношенной поверхности рельса за счет повышения усталостной прочности, исключения выкрашивания наплавленного металла с поверхности катания рельса при длительной эксплуатации.
Недостатки: отсутствие среднего отпуска, позволяющего релаксировать остаточные напряжения и получать благоприятную микроструктуру, наплавленного металла, зоны термического. Отсутствие в зоне наплавки электроконтактного сварного стыка рельсов по всему сечению.
Известен также способ восстановления изношенных поверхностей катания железнодорожного рельсового пути без его снятия с полотна (RU 2421309 С1, МПК B23K 5/18, В23Р 6/00, С23С 24/08, Е01В 31/18, опуб. 20.06.2011 г.).
Суть изобретения заключается в следующем: способ включает зачистку поверхности металла, нагрев поврежденного участка газовой горелкой до температуры ниже температуры плавления материала рельса и нанесение на рабочую поверхность покрытия из порошкового самофлюсующегося сплава с коэффициентом теплового расширения меньшим, чем у стали, с последующим оплавлением нанесенного покрытия. Нанесение порошкового сплава осуществляют по меньшей мере в два слоя до восстановления номинальных размеров изношенного участка. При этом нанесение первого слоя проводят при последовательном поперечно-продольном перемещении горелки в горизонтальной плоскости при неизменном расстоянии между срезом мундштука газовой горелки и поверхностью рельса. Второй и последующие слои наносят при колебаниях горелки на всю ширину головки рельса с полным перекрытием ранее нанесенных участков предыдущего слоя. Затем осуществляют естественное охлаждение и механическую обработку восстановленной поверхности.
Недостатки: незначительная длинна до 150 мм. и глубина до 5 мм. устраняемых дефектов. Отсутствие в зоне наплавки электроконтактного сварного стыка рельсов по всему сечению. Отсутствие среднего отпуска, позволяющего релаксировать остаточные напряжения и получать благоприятную микроструктуру, наплавленного металла, зоны термического влияния.
За прототип взят способ восстановления рельсов с дефектами на поверхности катания автоматической электродуговой наплавкой (RU 2654253 С2, МПК Е01В 31/18, опуб. 17.05.2018 г.).
Изобретение относится к способам восстановления и ремонта изношенных рельсов или рельсов, имеющих на поверхности катания дефекты. Способ восстановления рельсов с дефектами на поверхности катания автоматической электродуговой наплавкой включает в себя предварительный подогрев зоны наплавки до температуры 400±50°С на длину наплавки, автоматическую наплавку порошковой самозащитной проволокой с особой последовательностью наложения наплавочных швов, заключающейся в наложении первого валика по периметру места наплавки и последующих - поперек оси рельса на ширину головки с перекрытием до 1/3 ширины предыдущего валика, при необходимости в несколько слоев, с после наплавочной нормализацией рельса в зоне наплавки с нагревом до температуры 600±50°С с выдержкой 60±5 секунд. При этом наплавка и индукционный контролируемый нагрев осуществляется универсальным сварочным индукционно нагревательным аппаратом по заданной программе.
Недостатки: отсутствие в зоне восстановления рельсов с дефектами на поверхности катания электроконтактного сварного стыка рельсов по всему сечению. Отсутствие среднего отпуска, позволяющего релаксировать остаточные напряжения и получать благоприятную микроструктуру, наплавленного металла, зоны термического влияния.
Задачей предлагаемого способа является повышение экономической эффективности и снижение денежных и трудовых затрат на устранение данных видов дефектов рельсов, а так же придания им более высоких эксплуатационных свойств.
Предлагаемый способ устранения дефекта смятие и износа головки рельсов в зоне сварного стыка электродуговой наплавкой автоматической электродуговой наплавкой позволяет выполнить ремонтную восстановительную наплавку дефектного рельса без образования хрупких закалочных структур и высоких остаточных напряжений в зоне наплавки в отличие от известного технического решения путем применения:
- предварительного подогрева головки рельса до температуры 400-450°С на длину наплавки плюс 100 - 200 мм в каждую сторону от дефекта на поверхности катания;
- самозащитной порошковой сварочной проволоки диаметром 1.6 мм соответствующей маркам стали рельсов типа Р65;
- особой последовательностью наложения наплавочных швов, заключающейся в наложении валика поперек оси рельса на всю ширину головки, начиная со стороны нерабочей грани;
- перекрывать ранее наплавленный валик на 1/3, так чтобы не было подрезов и неровностей;
- среднего отпуска при температурах 450-500°С.
В настоящее время проблема повышения работоспособности рельсов, несмотря на достигнутые положительные результаты в обеспечении качества рельсовой стали, стоит как никогда остро не только в России, но и за рубежом. В современных условиях эксплуатации железных дорог при движении тяжелого транспорта нагрузки от оси могут достигать 25 т, а скорости передвижения скоростных поездов до 250 км/ч. В последние время одной из актуальных проблем содержания бесстыкового пути является значительное появление дефектов по причине износа и смятия головки рельсов в зоне электроконтактного сварного стыка.
Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов во многом определяется состоянием структуры и механических свойств рельсовой стали. В процессе эксплуатации в поверхностных слоях головки рельса возникают значительные деформации и температуры, влекущие за собой изменения структуры и свойств металла, снижающие контактную прочность и износостойкость рельсов. Это приводит к увеличению расхода на содержание бесстыкового пути и негативному влиянию на безопасность движение поездов. В связи с этим ведущая роль отводится исследованиям новых, более совершенных и прогрессивных сталей и способов восстановления изношенных рельсов, а также придания им более высоких эксплуатационных свойств.
Сварка и наплавка, впервые примененные при ремонте машин и других металлических деталей и конструкций, в настоящее время получили всеобщее признание. Железными дорогами наплавка широко применяется как средство продления срока службы рельсов и других металлических элементов верхнего строения пути, а также деталей подвижного состава и путевой техники. В настоящее время различные способы наплавки находятся в стадии прогрессивного развития и выгодность наплавки доказана.
Наплавка деталей трудносвариваемых сталей сопровождается изменением структуры металла в зонах, прилегающих к сварному шву, с образованием хрупких закалочных структур, повышением внутренних остаточных напряжений, что в конечном итоге приводит к значительному снижению прочностных и пластических характеристик сварной или наплавленной детали. Эти негативные изменения могут быть частично или полностью исключены способом устранения дефекта смятие и износа головки рельсов в зоне сварного стыка электродуговой наплавкой.
Электродуговая автоматическая наплавка выполняется автоматизированным наплавочным комплексом позволяющим программировать область, подлежащую наплавке (прямоугольник, треугольник, трапеция).
Ремонту электродуговой наплавкой подлежат рельсы типа Р65, уложенные в бесстыковой путь, с высотой рельсов не менее 175 мм и протяженностью дефектов смятия и износа в зоне сварного стыка (46.3, 47.3) не более 350 мм и глубиной не более 5 мм. Электродуговая наплавка дефектов выполняется после вышлифовки на головке рельса не превышающей 390 мм по длине и 7 мм по глубине.
Нагрев (предварительный) осуществляется в зоне наплавки плюс 100-200 мм на головке рельса до температуры 400-450°С газопламенным способом с применением пропанокислородной или газо-воздушной пропановой горелок. Температура подогрева измеряется по всему профилю головки рельса на длину зоны нагрева цифровым малогабаритным термометром или пирометром.
Автомат устанавливается на головку рельса при помощи быстросъемных зажимов. Управление наплавочным автоматом производиться с блока управления, в котором установлена программа по наплавке рельсов, На графическом дисплее пошагово оператор вводит данные (километр, пикет, звено, нить, скорость наплавки, шаг наплавки, границы наплавки). Перемещение сварочной горелки по наплавляемому участку рельса осуществляется программируемым манипулятором, таким образом, в предлагаемом способе влияние оператора-сварщика на процесс наплавки практически сводится к нулю. Оператор с блока управления задает программу наплавки первого слоя и отводит сварочную горелку в точку «О».
После команды оператора (сварщика) сварочная горелка возвращается в начальную точку наплавки и по команде начинается наплавка первого слоя. Наложение валиков производить поперек оси рельса на всю ширину головки, начиная со стороны нерабочей грани. Перекрывать ранее наплавленный валик на 1/3, так чтобы не было подрезов и неровностей. Кратер выводить на наплавленный металл и заплавлять. Последний слой производить со скосом 45 градусов, начало наплавки проводится с нерабочей грани рельса. После наплавки последнего слоя по поверхности катания возвышение металла сварного шва над рельсом должно быть не менее 1,0 мм. После завершения наплавки поверхности рельса необходимо произвести средний отпуск при температурах 450-500°С, в следующей последовательности:
а) произвести нагрев до температуры 450-500°С;
б) укрыть профиль рельса не менее 1 м огнеупорным материалом, обеспечивающим замедленное остывание поверхности.
В случае приближения поезда оператор останавливает наплавку кнопкой аварийного отключения.
Таким образом, способ устранения дефекта смятие и износа головки рельсов в зоне сварного стыка электродуговой наплавкой позволяет выполнить ремонтную восстановительную наплавку дефектного рельса без образования хрупких закалочных структур и высоких остаточных напряжений в зоне наплавки, повышая эффективность путем сохранения геометрических параметров, структуры и механических свойств рельсовой стали в зоне электроконтактного сварного стыка, а также обеспечение движения поездов по ремонтируемому участку и повышение безопасности движения.