СПОСОБ АЛЮМИНОТЕРМИТНОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
METHOD OF ALUMINOTHERMIC WELDING OF RAILS AT NEGATIVE TEMPERATURES

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано при проведении ремонтно-восстановительных работ или укладке новых рельсовых плетей бесстыкового пути с применением алюминотермитной сварки при отрицательных температурах окружающей среды.
Известны способы алюминотермитной сварки рельсов, проводимой при положительной температуре, например патент РФ №2119854 C1, где описан способ выполнения алюминотермитной сварки рельсов с предварительным высокотемпературным подогревом, необходимым для расплавления торцов рельсов после заливки в зазор между рельсами перегретого термитного металла.
Далее известен другой способ алюминотермитной сварки рельсов, проводимой при положительной температуре, патент РФ №2349433 C2, где описан способ выполнения алюминотермитной сварки рельсов с предварительным высокотемпературным подогревом, необходимым для расплавления торцов рельсов после заливки в зазор между рельсами перегретого термитного металла, а при охлаждении металла сварного шва ниже 800°C головку рельсов в стыке дополнительно охлаждают воздушно-водяной смесью с целью проведения поверхностной закалки, несколько повышающей твердость металла на поверхности катания.
2
Также известен способ термитной сварки рельсовых плетей бесстыкового пути, проводимой при положительной температуре, патент РФ №291240 С, заключающийся в том, что перед сваркой на концах рельсовых плетей монтируют стяжной прибор, с помощью которого эти концы плетей перемещают навстречу друг к другу для получения зазора необходимой величины и потом производят термитную сварку.
Недостатком аналогов является невозможность проведения сварочных работ при отрицательных температурах окружающей среды, так как понижение температуры воздуха увеличивает теплоотвод с поверхности рельсов и повышает скорости охлаждения нагретого металла, что приводит к образованию хрупких закалочных структур, которые способствуют возникновению трещин в металле сварного шва и околошовной зоне, кроме того, повышение температуры воздуха в месте проведения сварочных работ создает возможность выполнения технологических операций, обеспечивающих необходимое качество стыка.
Также известен способ, патент РФ №RU 2089363 C1, который относится к электродуговым методам сварки корпусных конструкций из листов бронированных сталей типа АК-25, АК-27, АК-33 и других. При этом выполняют многопроходную сварку с наложением отжигающего валика и сразу же после сварки производят операцию отпуска, не допуская охлаждения сварного соединения ниже 50°C. В нашем случае в зазор между рельсами выпускается сильно перегретый металл (температура 2700-2800°C) и идет быстрый отвод тепла в холодные части рельсов и в окружающую среду, а операция отпуска не производится.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в патенте РФ №2119854 C1. Он и взят за прототип.
В известном способе алюминотермитной сварки рельсов (патент РФ  2119854 C1) предусмотрен один подогрев, обеспечивающий возможность сварки рельсов лишь при положительных температурах окружающей среды. Это связано с тем, что рельсовая сталь относится к группе плохо свариваемых материалов, которые не предназначены для получения сварных соединений, но современные условия эксплуатации требуют разработки новых способов и специальных усложненных технологий, позволяющих изготавливать из них сварные соединения. В предлагаемом способе введен дополнительный подогрев участков рельсов, прилегающих к зоне термического влияния, и окружающей среды. Замедление отвода тепла осуществляется за счет подогретых участков рельсов, расположенных в палатке и положительной температуры внутри нее.
Подогрев окружающей среды для данной технологии также необходим в связи с тем, что зазоры между литейной формой и рельсами промазываются формовочной смесью вручную, без рукавиц. Выполнение этой операции на морозе будет приводить к обмораживанию пальцев рук у сварщиков, что по охране труда недопустимо. При других способах сварки сварщики работают обязательно в рукавицах, которые могут быть утеплены и обмораживание можно избежать.
Для выполнения предварительного подогрева торцов рельсов перед термитной сваркой используется специально разработанная мощная горелка, которая разогревает стык до температуры 1200-1250°C за 7-9 минут. При таком интенсивном нагреве торцов рельсов тепло не успевает распространиться на значительное расстояние, поэтому участки рельсов, расположенные на небольшом расстоянии от стыка остаются «холодными» - с температурой, близкой к окружающей среде. Торцы рельсов нагреваются до таких температур для того, чтобы произошло их подплавление после заливки термитного металла в форму и образовалось бездефектное монолитное сварное соединение.
Экспериментально установлено, а теоретически подтверждено, что при алюминотермитной сварке понижение температуры рельса и окружающей среды ниже нулевых значений приводит к снижению прочности и пластичности сварного соединения рельсов, особенно в концевых участках подошвы. Это связано с тем, что в этих местах объем металла небольшой, а поверхность значительная, поэтому идет интенсивный отвод тепла, увеличивается скорость охлаждения и возникает возможность образования закалочных структур. Для уменьшения скорости охлаждения необходимо сохранить тепло в сварном шве и зоне термического влияния. Поэтому участки рельсов, прилегающих к зоне термического влияния, и окружающая среда должны иметь положительную температуру, что препятствует интенсивному отводу тепла и образованию более твердых структур. Кроме того, помимо основного подогрева торцов рельсов, необходимо провести дополнительный подогрев участков рельсов, расположенных в палатке, и воздух, находящийся в ней. Дополнительный подогрев рельсов может проводиться той же горелкой, что и основной подогрев, но, чтобы не расплавить торцы рельсов, мощность пламени необходимо уменьшить. После проведения дополнительного подогрева мощность пламени горелки увеличивается для выполнения основного подогрева, предусмотренного технологическим процессом. Это приведет к значительному увеличению времени на сварку и, соответственно, потребует большей задержки движения поездов. Для сокращения окна в движении поездов предлагается использовать дополнительный источник (источники) нагрева воздуха в палатке и участков рельсов, расположенных в ней. Конструкция таких источников может быть разнообразной: они могут быть многопламенные и однопламенные, но в достаточном количестве, чтобы прогреть все участки рельсов, находящихся в палатке, а также использующие другие источники тепла, например электроэнергию.
Техническим результатом заявленного изобретения является получение качественного сварного рельсового стыка при отрицательной температуре окружающей среды, что не может быть достигнуто существующими способами алюминотермитной сваркой рельсов.
Технический результат достигается тем, что в способе алюминотермитной сварки рельсов при отрицательных температурах окружающей среды всю процедуру сварочных работ осуществляют в палатке из негорючего материала, при этом вначале производят подогрев воздуха в палатке и концов рельсов, находящихся в ней до положительной температуры, подогрев производят при помощи специальной горелки, используемой в технологическом процессе сварки для выполнения предварительного подогрева торцов рельсов перед сваркой, далее производят стандартную процедуру алюминотермитной сварки (установка зазора в стыке между рельсами, закрепление комбинированной стойки на рельсе, установка полуформ на стык, обмазка зазоров между формой и рельсами, предварительный подогрев свариваемых концов рельсов, плавление термитной смеси и выпуск ее в форму для заполнения термитным металлом стыка между рельсами, разрушение формы после кристаллизации металла, удаление излишков металла с поверхности рельсов - аналогично сварке рельсов при положительной температуре), для уменьшения скорости охлаждения металла сварного шва и околошовной зоны, с целью предотвращения образования в них закалочных структур, в палатке может поддерживаться положительная температура за счет автономных источников тепла, работающих одновременно или раздельно.
Новизна заявленного способа состоит в том, что сварочные работы производят в палатке из негорючего материала с дополнительным подогревом ее внутреннего пространства и концов рельсов, находящихся в палатке, до положительных температур.
Для реализации заявленного способа термитной сварки рельсовых плетей бесстыкового пути участки рельсов, прилегающие к свариваемому стыку, а также пространство, окружающее эти участки, нагреваются до положительных температур. Такой нагрев осуществляется горелкой для предварительного подогрева рельсов, но с уменьшенной мощностью по сравнению со сварочным подогревом утвержденного (используемого) процесса. Для сохранения тепла и повышения температуры воздуха около рельсов над местом сварки устанавливается палатка из негорючего материала. В процессе предварительного подогрева рельсов сварочной горелкой, на которой установлена пониженная мощность пламени, одновременно поднимается и температура внутри палатки. При нагреве внутреннего пространства палатки и участков рельсов, находящихся в ней, дальнейшие работы выполняют по известной технологии.
Используемая палатка должна иметь достаточное пространство для свободного размещения сварочного оборудования и оснастки алюминотермитной сварки, газовых баллонов, сварочных материалов и инструментов. Три «сварщика термитной сварки» должны перемещаться в палатке с различным оборудованием, не мешая друг другу. Палатка должна быть выполнена из негорючего материала, т.к. на нее возможно попадание искр и расплавленного металла. Кроме того, палатку необходимо оборудовать вытяжной вентиляцией для отвода продуктов горения термитной смеси. В качестве вентиляции предполагается использовать трубу, у которой нижний конец надевается на выходное отверстие крышки тигля, а верхний выходит наружу палатки через отверстие в ее крыше. Место выхода трубы из палатки необходимо дополнительно изолировать негорючим материалом. При установке трубы необходимо соблюдать соосность трубы, отверстия в крыше палатки и крышке тигля. Крышка тигля должна быть модернизирована, чтобы ее можно было использовать в качестве зонда при подогреве рельсов перед сваркой. Для транспортировки палатка должна иметь небольшой вес (до 60-70 кг) и компактно складываться, чтобы ее могли переносить два человека, а также быстро раскладываться в рабочее состояние на места сварки рельсов. В дальнейшем эта палатка может использоваться при сварке рельсов в дождливую погоду, в настоящее время сварка рельсов под дождем не производится.
Совместное использование горелки для предварительного подогрева торцов рельсов и автономных источников тепла, направленных на участки рельсов, расположенных в палатке, позволяет не только поднять температуру в палатке до необходимого значения, но и одновременно нагреть рельсы до более высокой температуры, чем температура окружающей среда внутри палатки. Это приведет к значительному уменьшению времени на проведение всего процесса сварки и соответственно сократит продолжительность окна необходимого для выполнения данных работ.