Способ восстановления рельсов с дефектами на поверхности катания автоматической электродуговой наплавкой
METHOD FOR RESTORING RAILS WITH DEFECTS ON THE ROLLING SURFACE OF AUTOMATIC ELECTRIC ARC WELDING

Изобретение относится к способам восстановления, ремонта изношенных рельсов или имеющих на поверхности катания дефекты в виде: сколов, выкрашивания, вмятин, местных износов и т.п.
Для звеньевого устройства пути, преимущественно, характерны дефекты на концах рельсов в стыках, взятых в накладки: смятие, износ, сколы, выкрашивание. Для бесстыкового пути, преимущественно, характерны дефекты в зоне сварных стыков, выполненных различными способами сварки (электроконтактным, алюминотермитным), в виде: местного износа, смятия, выкрашивания, сколов. Для любого вида устройства пути характерны дефекты в виде пробуксовин - местного износа рельсов.
Все указанные дефекты приводят к ухудшению состояния пути, ограничению скорости движения поездов, ухудшению экономических показателей перевозок, вероятности излома рельса с последующими негативными последствиями.
Когда указанные дефекты классифицируются как остродефектные, они незамедлительно должны быть вырезаны и поставлена вставка из бездефектного рельса длиной не менее 8 метров, хотя дефект может составлять протяженность всего 50-100 мм, а его глубина 2-5 мм.
Эта операция весьма затратна, поэтому разрабатываются различные способы (газопорошковый, электродуговой, плазменный, лазерный и т.п.) для восстановления дефектных рельсов на стадии, когда рельс еще не стал остродефектным.
Восстановление (наплавка) дефектных рельсов - достаточно сложная задача. Трудность заключается в том, что рельсовая сталь содержит порядка 0,7% углерода, поэтому ее относят к трудносвариваемым.
Сварка, наплавка деталей из подобных 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 нивелированы специальными приемами, технологиями, способами.
Предлагаемый Способ восстановления рельсов с дефектами на поверхности катания автоматической электродуговой наплавкой позволяет выполнить ремонтную восстановительную наплавку дефектного рельса без образования хрупких закалочных структур и высоких остаточных напряжений в зоне наплавки путем применения:
- предварительного индукционного контролируемого нагрева головки рельса до температуры 400±50°C на длину наплавки + 100 мм в каждую сторону от дефекта на поверхности катания;
- самозащитной порошковой сварочной проволоки специального состава;
- 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;
- нормализации рельса в зоне наплавки индукционным контролируемым нагревом до температуры 600±50°C с выдержкой 60±5 секунд.
Электродуговая автоматическая наплавка и индукционный контролируемый нагрев выполняется универсальным сварочным индукционно-нагревательным аппаратом СИНАПС.
Перемещение сварочной головки с заданными траекторией, скоростью и при необходимости остановками осуществляет программируемый манипулятор.
Известны изобретения на способы восстановления дефектных рельсов:
1562376 RU «Способ создания напряжений в рельсовой плети при восстановлении ее целостности сваркой»;
1164356 SU "Устройство для термообработки рельсовых путей».
6,570,118 US «Arc welding system and a process there for»;
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является патент 1348442 RU «Способ восстановления рельсов газопорошковой наплавкой».
Суть изобретения заключается в следующем.
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.
Порошок подают небольшими порциями, приближая на расстояние 30-40 мм или удаляя на расстояние 50-80 мм мундштук горелки для регулирования степени нагрева и расплавления порошка и процессов раскисления в нем. Таким образом наносят последующие слои порошка.
Место дефекта длиной 150 мм и глубиной 5 мм шлифовали до удаления трещин. Затем газовой горелкой марки ГП-3 производили наплавку рельса от края повреждения. Расстояние до ядра пламени до поверхности составляло 2-3 мм.
После нагрева участка диаметром 20-30 мм до температуры о около 1000°C, при которой начинали оплавляться микронеровности и наступало «запотевание» поверхности, подавали небольшое количество порошка.
Используют газовую ацетиленокислородную горелку ГН-3 с односопловым цилиндрическим мундштуком и регулируют пламя до нормального или слегка науглероживаюшего. Подводят ядро пламени к краю дефекта на расстояние 2-3 мм от поверхности и начинают нагрев ее до 950-1000 С. После нагрева до этой температуры, определяемой визуально по оплавлению шероховатостей поверхности или ее запотеванию, подают на поверхность небольшую порцию порошка и тут же оплавляют ее. Перемещают горелку поперек рельса на расстояние, примерно равное радиусу наплавленного участка, и снова производят нагрев металла и наплавку. После завершения поперечного прохода горелки перемещают ее вдоль рельса на длину дефекта.
Данный способ имеет ряд существенных недостатков.
По существу способ является ручным, полностью зависящим от квалификации и опыта сварщика-наплавщика.
Порошок надо подавать «небольшими порциями, приближая на 30-40 мм или удаляя на 50-80 мм горелку относительно поверхности наплавки. Ядро пламени горелки необходимо подводить на 2-3 мм к поверхности и нагревать до температуры 950-1000°C, определяемой визуально».
Подавать порошок небольшими порциями, перемещать горелку с точностью до 1 мм и определять визуально температуру - слишком много параметров, выдерживание которых отдано сварщику. Даже небольшие отступления от заданных параметров процесса оказывают негативное влияние на качество наплавки и механические свойства восстановленного рельса. В комплект оборудования для газопорошковой наплавки входят баллоны с ацетиленом и кислородом (вес каждого баллона порядка 40 кг + шланги), которые необходимо переносить по железнодорожным путям к месту работы. Совместная перевозка этих баллонов запрещена Правилами эксплуатации баллонов с легковоспламеняющимися газами.
В предлагаемом способе отсутствуют недостатки, присущие газопорошковому способу наплавки.
Нагрев (предварительный и нормализационный) осуществляется индуктором от аппарата СИНАПС (вес 28 кг), который является также источником питания сварочной дуги. Температура нагрева измеряется встроенной термопарой и отражается на дисплее. При достижении заданной температуры нагрева и заданного времени выдержки, индуктор отключается автоматически.
Перемещение сварочной головки по наплавляемому участку рельса осуществляется программируемым манипулятором. Программой задается: скорость, направление и расстояние перемещений сварочной головки с точностью до ±1 мм.
Таким образом, в предлагаемом способе влияние оператора-сварщика на процесс наплавки практически сводится к нулю.
Предлагаемым способом проведена наплавка контрольного образа рельса Р65 длиной 120 см с дефектом в средней части на головке рельса протяженностью 180 мм и глубиной 8 мм.
Предварительный нагрев головки рельса осуществлялся индуктором и составлял 400°C. Температура подогрева контролировалась цифровым пирометром по всей длине дефекта (180 мм) на головке рельса +100 мм в обе стороны. Автоматическая наплавка производилась программируемым манипулятором самозащитной порошковой проволокой диаметром 1,6 мм, сначала по периметру ремонтируемого повреждения, начиная со стороны нерабочей грани рельса, а затем в поперечном направлении на ширину головки рельса с перекрытием предыдущего валика на 1/3 его ширины.
Наплавляли несколько слоев до превышения наплавки на 0,5-1,5 мм над поверхностью катания ремонтируемого рельса. Нормализацию головки рельса с заплавленным дефектом проводили индукционным нагревом до 600°C, с выдержкой 60 секунд.
Электропитание сварочной дуги и индуктора выполнялся универсальным аппаратом СИНАПС.
Аналогичный образец рельса с таким же дефектом наплавляли по действующей, утвержденной ОАО «РЖД» в 2009 году ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНСТРУКЦИИ ОАО «РЖД»: «Восстановление пробуксовок и выкрашиваний закаленного слоя на рельсах механизированной и автоматической наплавкой порошковой проволокой», ТИ-СПЛАВ 01-09.
Оба наплавленных образца подвергли испытаниям:
- визуальному осмотру;
- измерению твердости наплавленного металла;
- испытаниям на статический изгиб на прессе ПМС-300 (нагрузка на подошву рельса, головка рельса с наплавкой - в зоне растяжения).
При визуальном осмотре каких-либо дефектов на обоих образцах не обнаружено.
Твердость наплавленного металла в обоих образцах измеренной по длине и ширине наплавки составляла 260-290 НВ, что соответствует установленным нормам.
Результаты испытаний образцов на статический изгиб приведены в таблице
Восстановленный сварной рельс соответствует требованиям прочности и пластичности ЦПТ-80/350, ОАО «РЖД»: разрушающая нагрузка 1430 кН, стрела прогиба 30 мм.
Полученные результаты свидетельствуют о высоких механических свойствах рельсов, восстановленных предлагаемым способом, которые удовлетворяют всем требованиям ОАО «РЖД».
Ориентировочно, применение предлагаемого способа позволит повысить производительность процесса на 30%, снизить себестоимость восстановительной наплавки на 15% и трудоемкость на 60%.