СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ
METHOD OF AUTOMATIC ELECTRIC ARC WELDING OF RAILS

Изобретение относится к способам сварки рельсов: железнодорожных, промышленного и городского транспорта (метро, трамвай), а также подкрановых. Изобретение может быть использовано на любом виде рельсового транспорта.
Известно большое количество технических решений для сварки рельсов в пути. Эти технические решения можно классифицировать по способам сварки: термитный (RU № 2119854), электродуговой штучными электродами (№ 367845, Швеция), стыковой-электроконтактный (RU № 2277461), электрошлаковый (№ 24249, Япония), электродуговой под слоем флюса (№ 393820, Франция), электродуговой в среде защитных газов (RU № 2185266) и другие, в том числе комбинированные. По каждому способу имеются технические решения, связанные с особенностями устройств и приспособлений, применяемыми материалами, системами автоматизации и программами управления процессом. Каждый из способов имеет некоторые преимущества и недостатки в сравнении друг с другом. Так, термитный способ дает относительно низкие прочностные характеристики сварного стыка, но оборудование и технология высокомобильные, что предопределило применение этого способа на неответственных участках железнодорожного пути. Электродуговой способ штучными электродами также достаточно мобильный и в принципе дает хорошие прочностные характеристики сварного стыка, но качество стыка напрямую зависит от профессионализма сварщика. Стыковой электроконтактный способ сварки дает высокие (стабильно повторяющиеся, особенно на машинах с программным управлением) прочностные свойства сварных стыков, однако оборудование очень громоздкое, представляет собой путевую машину массой до 80 т, применение которой требует обязательного занятия пути - «окна» в движении поездов порядка 3,5 часов для выполнения двух сварных стыков, что делает их производительность очень низкой. Электродуговые способы под слоем флюса и в среде защитного газа также предполагают применение оборудования технически значительно более сложного и тяжелого, чем при термитной сварке.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является техническое решение по патенту RU № 2185266, заявленному американской компанией «Линкольн Глобал». Способ сварки - электродуговой в среде защитного газа. В формуле изобретения 48 пунктов из 76 определяют отличия «буферной стальной барьерной плиты» которая, судя по приведенным эскизам, представляет собой пластину толщиной около 3 мм, шириной порядка 25 мм с кромками определенной конфигурации и длиной превышающей ширину подошвы рельса. Основное назначение этой пластины - обеспечение гарантированного зажигания дуги и стабильного ее горения в зазоре между рельсами. «Буферная плита» расклинивает зазор между рельсами, что предполагает очень точную величину зазора. Под «буферной плитой» располагают керамическую подкладку с желобом, которую размещают на медной водоохлаждаемой подставке. Водоохлаждаемыми являются и боковые медные «башмаки», перекрывающие зазор между рельсами в зоне шейки и головки рельсов.
Способ сварки рельсов по патенту-аналогу обладает следующими недостатками. Сварка в среде защитных газах в полевых условиях недостаточно надежна. Наличие даже небольшого ветра сдувает газовую защиту с жидкой сварочной ванны и шов становится пористым, а значит, качество сварного шва снижается. Кроме того, необходим баллон с защитным газом, который весит не менее 40 кг. Для реализации способа необходимо очень точно выставлять зазор между свариваемыми рельсами, чтобы в нем можно было заклинить «буферную плиту». Выставить зазор с такой точностью в полевых условиях довольно сложно. Кроме этого на заполнение зазора шириной примерно 25 мм потребуется порядка 2,0 кг электродного металла (сварочной проволоки). Водоохлаждаемые нижняя подставка и боковые медные «башмаки» предусматривают наличие системы циркуляции жидкости (воды). Это значит, что должны быть емкость с жидкостью, нагнетающий насос и система трубопроводов, усложняющие оборудование и технологию сварки. Время сварки одного стыка с подготовкой по способу патента-аналога составляет порядка 45 минут, что достаточно много.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанные недостатки устраняются предлагаемым способом электродуговой автоматической сварки с применением сплошной или порошковой присадочной проволоки и плавящегося мундштука. Мундштук, трубчатый или плоский, прямоугольного сечения с каналом имеет неэлектропроводное покрытие, которое предотвращает замыкание присадочной проволоки в зазоре между торцами свариваемых рельсов, транспортирует присадочную проволоку к нижним кромкам подошвы свариваемых рельсов (в начале процесса сварки) и далее послойно заполняет зазор металлом присадочной проволоки и мундштука, выполняя возвратно-поступательные перемещения вдоль и колебательные поперек зазора между рельсами. Покрытие мундштука при плавлении образует газо-шлаковую фазу, которая защищает жидкую сварочную ванну от атмосферных газов. Мундштук не перемещают в вертикальной плоскости. По мере увеличения толщины сварного шва мундштук оплавляется, поэтому его длина должна соответствовать высоте рельса плюс 30-100 мм. Керамическая подкладка с жолобообразной выемкой, располагаемая под зазором между рельсами и служащая для формирования усиления коренного сварного шва на подошве рельсов, выполнена из электропроводящих материалов, что обеспечивает гарантированное зажигание дуги и стабильное ее горение. При этом в применении «буферной стальной барьерной плиты», применяемой в аналоге, нет необходимости. После завершения сварки стыка керамическая подкладка легко удаляется скалыванием. Зазор между свариваемыми рельсами устанавливают шириной 15-25 мм. При таком зазоре мундштук свободно в нем перемещается и совершает колебательные движения, что обеспечивает хорошую проплавляемость торцев рельсов, нормальное формирование сварного шва и соответственно высокие прочностные свойства сварного стыка. Нижний и боковые медные кристаллизаторы выполняются достаточно массивными, поэтому их охлаждение не требуется. Процесс сварки рельсов проводится автоматически. Всеми параметрами управляет процессор, в котором запрограммированы режимы: величина сварочного тока, напряжение дуги, скорость перемещения мундштука и подачи присадочной проволоки, время остановки и путь перемещения мундштука на каждый проход и остановку мундштука. В зависимости от диаметра применяемой присадочной проволоки и скорости ее подачи скорость перемещения мундштука выбирают из диапазона 5-50 см/мин. Скорость подачи присадочной проволоки зависит от ее диаметра и зоны сварки и выбирается из диапазона 5-20 м/мин. Время остановок мундштука при переходе от поступательного к возвратному перемещению зависит от скорости подачи присадочной проволоки и зоны сварки. Так, первые проходы в зоне кромок подошвы рельсов, а также в зоне головок рельсов выполняют с достаточно длительными остановками 1-10 секунд, необходимыми для наращивания толщины слоя последующего сварного шва. В зоне верхних (наклонных) кромок подошв рельсов остановки не выполняются, т.е. сразу включается реверс (возвратное перемещение). В зоне сварки шейки рельса остановку перемещения мундштука выполняют на время заполнения присадочным металлом всей шейки, вплоть до головки порядка 3-10 мин в зависимости от диаметра присадочной проволоки и скорости ее подачи.
Автоматическое управление процессом позволяет получать высокие и повторяемые результаты, не зависящие от оператора (сварщика).
Предлагаемый способ сварки был реализован при сварке реальных рельсов типа Р65. Сварено более 200 образцов. Результаты испытаний сварных стыков рельсов на статический изгиб удовлетворяют требованиям, предъявляемым нормативными документами. Также способ был реализован в полевых условиях. Чистое время сварки одного стыка составляло 12-14 мин, а вместе с подготовительными работами не превышало 25 мин. На каждый стык расходовалось 0,8-0,9 кг присадочной проволоки и один плавящийся мундштук. Таким образом, предлагаемым способом достигнуты высокие прочностные характеристики сварного стыка, при этом на выполнение стыка затрачивается значительно меньше времени и сварочных материалов в сравнении с аналогом и другими способами сварки.