СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ РЕЛЬСОВ
METHOD FOR CONTACT WELDING OF RAILS

Область техники
Изобретение относится к области сварки, в частности к способам контактной сварки углеродистых и легированных сталей и может найти применение при соединении железнодорожных, трамвайных и других рельсов.
Предшествующий уровень техники
Известен способ контактной стыковой сварки методом оплавления, когда в первой стадии процесса в контакт вступает твердые поверхности деталей, при этом наиболее нагретые объемы металла оказываются в серединной части контакта (Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для контактной сварки. - М: Машиностроение, 1969. - 440 с. 24.)
Недостатком способа является то, что в первой стадии нагрева первоначальное соприкосновение поверхностей осуществляется на микроуровне в точках связанных с шероховатостью, которые хаотически расположены по поверхностям контакта, при этом количество и размеры одновременно существующих контактов могут колебаться в процессе оплавления в очень широких пределах. Это приводит к неравномерности нагрева поверхностей и нестабильности процесса из-за того, что объем и форма перемычки не остаются постоянными.
Известен способ контактной сварки рельсов (патента RU 2308362), включающий механическую обработку их торцов, нагрев и сварку давлением, при этом механическую обработку проводят с обеспечением перпендикулярности торцов осям рельсов, а затем наносят противоокислительную и противообезуглероживающую пленку толщиной от 0,1 до 0,5 мм, которая является дополнительным телом в контакте между рельсами. Недостатком способа является то, что на поверхности контакта - находиться 100% неметаллических включений, которые приводят к снижению качества сварного соединения.
Известен способ (И.З. Генкин. Сварные рельсы и стрелочные переводы. - Путь. - 2000. - N 12. - С. 14-20) сварки крестовин из высокомарганцовистой стали 110Г13Л с рельсами из углеродистой рельсовой стали М76, в соответствии с которым соединение этих элементов стрелочного перевода осуществляется контактной сваркой методом пульсирующего оплавления. Для того чтобы избежать образования закалочных структур и трещин между крестовиной стрелочного перевода и рельсом, вваривается промежуточная вставка из аустенитной хромоникелевой стали. Данный способ принят в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком способа является:
- хаотическое расположение пятен по поверхностям контакта в первой стадии нагрева, связанное с шероховатостью поверхностей;
- материал вставки полностью не расплавляется и остается между свариваемыми деталями, что оказывает существенное влияние на механические свойства сварного соединения;
- резко возрастают требования и затраты по технологической подготовке стыков перед сваркой, так как при использовании вставки вместо одной выполняется две операции сварки.
Раскрытие изобретения
Технический результат состоит в следующем:
1. Повышение стабильности процесса на этапе разогрева и качества сварного соединения за счет обеспечения управляемого, а не хаотического расположения пятен первичного контакта и равномерного разогрева поверхностей контакта в первой стадии нагрева.
2. Уменьшение размеров ЗТВ, увеличение мощности тепловыделения и снижение времени разогрева поверхностей за счет повышения плотности тока на локальных участках контакта.
Технический результат достигается тем, что в способе контактной сварки рельсов методом оплавления из углеродистых и легированных сталей, включающим механическую обработку свариваемых торцов рельсов с обеспечением их перпендикулярности осям рельсов, нагрев и сварку оплавлением, после механической обработки торцов рельсов в зазор между ними размещают дополнительное тело/вставку в виде металлической сетки, выполняют сварку, с нагревом и последующим расплавлением сетки и поверхности рельсов и удалением расплава из зоны контакта на стадии осадки (фиг. 1).
В частном случае ячейки сетки могут иметь различную геометрическую форму в виде прямоугольника, квадрата или ромба, при этом шаг вставки Δ выбирают из условия обеспечения количества узлов контакта равного не менее трех в минимальном сечении шейки рельсов b, из следующего соотношения Δ<b/3, геометрия вставки должна превышать максимальные габариты сечения рельса не менее чем на 2Δ, а по высоте дополнительно учитываются размеры держателя (фиг. 1).
x
y
x
y
Шаг сетки  (Вид - I на фиг. 1). Ячейки сетки могут быть в виде прямоугольника  квадрата (A=A) или ромба (равностороннего A=A или неравностороннего
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема расположения вставки в виде металлической сетки перед контактной сваркой оплавлением.
На фиг. 2 изображен вид рельса Р65 по ГОСТР 51685 со схемой расположения шага перфорации Δ (Вид - II).
Осуществление изобретения
Перед сваркой рельсов соединяемые торцы механически обрабатывают, например, шлифуют, обеспечивая их перпендикулярность осям рельсов. Затем в зазор между торцами вводят вставку в виде металлической сетки (фиг. 1). Отличительными особенностями применения металлической сетки является:
1) переход с хаотического расположение пятен по поверхностям контакта в первой стадии нагрева к управляемому - равномерному и стабильному разогреву зоны сварки за счет равномерного расположения пятен первичного контакта по сложному контуру рельсов на локальном уровне.
2) на этапе оплавления расплавляется сетка и поверхности торцов рельсов, после чего жидкая фаза на этапе осадки удаляется с гратом из зоны контакта, поэтому ячейки сетки могут иметь простую форму (например, квадратную).
3) уменьшение площади контакта и увеличение плотности тока приводит к увеличению мощности тепловыделения и снижению времени разогрева свариваемых торцов рельсов.
Возможность использования предлагаемого технического решения проверяли с использованием рельсосварочной машины К1100, реализующей контактную сварку оплавлением. Сваривали рельсы типа Р65 из стали Э76ХФ, имеющие сложную геометрию (фиг. 2) в соответствии с ГОСТ Р 51685 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
Для рельса типа Р65 минимальное сечение шейки рельса b=18 мм, ширина подошвы -L=150, высота рельса - 180 мм. В качестве вставки выбрана металлическая сетка с квадратной ячейкой, шаг которой Δ=5 мм (Δ=5<18/3=6 мм) и диаметром проволоки ∅=1,2 мм. Вне зависимости от расположения сетки относительно оси контура рельса шаг Δ=5 мм гарантированно обеспечивает попадание 3-х узлов сетки по толщине шейки. Общий размер сетки (фиг. 1):
- ширина - S=170>(L+2⋅А)=150+2*5=160 мм;
- высота сетки -h=240 мм (выбрана исходя из высоты рельса - 180 мм, зазора между креплениями сетки и высоты этого крепления).
Дополнительная операция состоят в размещении сетки посередине зазора и закреплении ее в держателе для обеспечения надежного контакта.
После чего осуществляли процесс контактной сварки оплавлением на установленных режимах в двух вариантах без сетки и с установкой сетки.
Были проведены измерения твердости по головке рельса и испытания на трехточечный изгиб образцов сварных соединений длиной 1200 мм. В результате установлено: 1) на этапе нагрева образцов с сеткой повысилась стабильность процесса (т.е. уменьшилась осцилляция тока); 2) уменьшение зоны термического влияния по замерам твердости на 20-30% и повышение механических свойств (разрушающая нагрузка повысилась на 5-10%, стрела прогиба - на 3-8%).