Электродуговая сварка стыков рельсов. Способы сварки рельсов (Электроконтактная, электродуговая, газопрессовая и алюмотермитная сварка) Какими электродами лучше варить

При осуществлении монтажа, а также ремонтных работах на железнодорожном полотне, крановых установках, и других условиях, где применяются рельсы, используется особая технология сваривания. Так как в описываемых условиях необходима особая прочность, а также стойкость к различного рода нагрузкам, то сварка железнодорожных рельсов относится к отдельной категории сварки.

Электродуговая сварка

Стоит отметить, что одним из самых распространенных методов, который применяется при сварке рельсовых плетей и стыков рельс, является электродуговая сварка. В данном случае рельсы укладываются в необходимом положении, а пространство между их стыками послойно постепенно заполняется необходимым сварочным материалом. Последний расплавляется от температуры дугового разряда. Для сварки торцов железнодорожных рельсов данным способом может применяться переменный ток, поступающий от трансформатора или же постоянный ток, получаемый от мобильного сварочного агрегата.

Самым оптимальным вариантом является ванный метод. При этом концы рельсов, предварительно обрезанные перпендикулярно их продольной оси, монтируются без перелома. При этом в профиле должно быть возвышение от 3 до 5 миллиметров. В такой позиции рельсы должны быть закреплены с зазором от 14 до 16 мм.

Между торцов железнодорожных рельсов вводится электрод, через который пропускается ток 300-350 ампер. В итоге, расплавленный метал электрода заполняет зазор между торцами, равномерно по всему сечению.

Для исключения растекания металла используются различные методы закрывания зазора между рельсами. После сваривания место работы шлифуется по всему периметру.

Термитная сварка

Технология данного типа сварки заключается в реакции, которая возникает при контакте окиси железа и алюминия. Сталь, которая возникает в описываемых условиях при температурах более 2000 градусов, должна заливаться в огнеустойчивую форму, которая полностью идентична геометрии самого рельса.

Термитная технология была открыта еще в 1896 году известным профессором Гансом Гольдшмидтом. По сути термитная технология представляет собой восстановление железа из окиси с использованием алюминия. При этом термитная реакция характеризуется выделением большого количества тепла.

Термитная технология еще именуется алюминотермитная сварка рельсов, так как в ней применяется алюминий. Интересно, что термитная реакция происходит на протяжении всего нескольких секунд после поджигания термитной порции. Кроме окиси железа и алюминия,в состав данной смеси включаются частицы стали,демпфирующие реакцию,а также легирующие добавки. Последние служат для того, чтобы была получена сталь необходимого качества и параметров. Интересно, что в конце реакции осуществляется послойное разделение на жидкую сталь и легкий шлак, который оказывается сверху.

Термитная технология позволяет соединять между собой поверхностно-закаленные, объемно-закаленные, а также термически не упрочненные рельсы в любых комбинациях. Термитная сварка позволяет соответствовать высоким требованиям, которые сегодня выдвигаются к высокоскоростным магистралям и бесстыковым путям.

Газопрессовая сварка

Данная технологи основывается на соединении металлов при температуре, которая находится в пределах, ниже точки плавления, но при высоком давлении. Главные «плюсы» данной технологии:

• Однородная структура металла в области стыка железнодорожных рельсов;
• Высокое качество получаемого соединения.

Ввиду вышеописанных преимуществ, данный тип сварки очень эффективен при сварке тяжелых железнодорожных рельсов. Перед осуществлением собственно сварки, концы железнодорожных рельсов плотно приставляются друг к другу. При этом при помощи дисковой пилы рельсорезного станка или механической ножовкой осуществляется одновременное прорезывание торцов обеих рельсов. В итоге обеспечивается максимальная чистота металла, а также высокая плотность прилегания. Перед самим процессов сваривания торцы промываются четыреххлористым углеродом. Также дл я этих целей может применяться дихлорэтан. Подготовительный же этап перед непосредственно сваркой заключается в нагревании концов рельс, для которого применяются многопламенные горелки.

После этого концы рельсов должны быть зажаты при помощи гидравлического пресса с последующим нагревом до 1200 градусов при помощи все тех же многопламенных горелок. Последние осуществляют колебательные движения вдоль образованного стыка. Частота этих колебаний составляет 50 колебаний в минуту. Вместе с этим рельсы сжимаются с силой от 10 до 13 тонн, которая устанавливается специальными расчетами. В результате получается осадка около 20 мм. Для осуществления описываемых действий используются универсальные газопрессовые станки.

После завершения обрабатывается. После этого производится также его нормализация.

Итоги

Итак, существует три ключевые технологии сваривания рельсов. Каждая из них обладает собственными «плюсами» и «минусами». Однако стоит отметить, что алюмотермитная сварка максимально соответствует всем современным жесточайшим требованиям к бесстыковым железнодорожным путям. Потому ее применение полностью обоснованно при построении и ремонте современных магистралей.

При работах с крановыми установками и выполнении монтажа железнодорожного полотна возникает необходимость соединения и сварки рельсов. В данном случае используется специальная технология, которая обеспечивает особую прочность соединения и устойчивость к повышенным нагрузкам. Необходимо сказать, что такие работы относятся к отдельной категории сварочных работ, об особенности которых мы и расскажем в этой статье.

Сварка может выполняться следующими технологиями :

• Термитная.
• Электродуговая.
• Газопрессовая сварка.

Каждая из этих технологий имеет свои определенные недостатки и преимущества. Поговорим поподробнее о таких способах сварки.

Электродуговая сварка стыков рельсов

На сегодняшний день данная технология получила наибольшее распространение, что объясняется простотой оборудования, легкостью самой работой и качеством выполненного соединения. При выполнении сварочных работ рельсы укладываются в нужном положении, после чего имеющееся между стыками послойно пространство заполняется сварочным материалом. Расплавление сварочного материала обеспечивается за счет высоких температур дугового разряда. При необходимости сварки торцов рельсов используется переменный ток от трансформатора. Также возможно использование мобильных сварочных аппаратов, работающих от постоянного тока.

При использовании электродуговой технологии возможно выполнение сварка рельсовых стыков ванным методом, при котором рельсы, обрезанные перпендикулярно своей оси, монтируются внутри ванны. В ванне проводится их качественное сваривание друг с другом. При данном методе сварки рельсы закрепляются с зазором не более 16 миллиметров. Возвышение профиля может колебаться в диапазоне 3-5 миллиметров.

При использовании ванного метода между торцов располагают электрод, по которому подается электрический ток мощностью порядка 350 Ампер. Электрод быстро заполняет зазор между соединяемыми рельсами, равномерно распределяя расплавленный материал по всему сечению. Данный метод исключает растекание металла, при этом обеспечивается максимально качественное закрытие зазора между соединенными металлическими элементами. После завершения сварки необходимо будет зашлифовать соединительный шов по периметру.

Алюминотермитная сварка рельсов

Метод термитной сварки основывается на свойстве окиси алюминия и железа вступать друг с другом в реакцию при высоких температурах. Такую термитную сварку также называют алюминотермитной технологией. Для выполнения такой сварки используется устойчивая к высоким температурам форма, которая по своему внешнему виду идентична геометрии рельсов. Такая форма должна выдерживать температуру больше 2000 градусов, при которой возникает контакт алюминия и железа.

Открыта данная технология сварки еще в конце 19 века. Однако по причине ее технологической сложности распространение она получила лишь относительно недавно. Основные трудности при выполнении такой термитной сварки заключаются в том, что реакция окиси алюминия и железа возникает лишь при температурах в несколько тысяч градусов. Соответственно требовалось нагреть до таких экстремальных температур, как сами рельсы, так и использовать соответствующую форму, способную не расплавляться и сохранять свою геометрию.

Для соединения металлов необходимо поджечь термитную смесь, которая быстро выгорает с образованием высокой температуры. Такая термитная порция содержит не только окиси алюминия и железа, но и разнообразные легирующие добавки. Такие добавки необходимы для получения максимально прочного соединения с нужными параметрами устойчивости к механическим воздействиям. Во время такой температурной реакции происходит послойное разделение легкого шлака и жидкой стали. Шлак при этом оказывается сверху и в последующем с легкостью удаляется из соединения.

Термитный способ сварки рельсов позволяет соединять объемно-закаленные и поверхностно-закаленные материалы. Необходимо сказать, что при помощи подобной технологии обеспечивается прочное и долговечное соединение, поэтому термитный способ сварки нашел применение при изготовлении безстыковых высокоскоростных железнодорожных магистралей.

Газопрессовая технология

Эта оригинальная технология соединения рельсов подразумевает использование температуры ниже точки плавления, однако за счет воздействия высокого давления обеспечивается качественное соединение рельсов. Из преимуществ данной технологии сварки можно отметить следующее:

• Отличные показатели качества выполненного соединения.
• Однородная структура стыка железнодорожного покрытия.
• Высокая производительность.
• Минимальный расход наплавляемых материалов.

Такая газопрессовая сварка широко применяется при соединении тяжелых железнодорожных рельсов. При выполнении используется специальное оборудование, которое позволяет обеспечить максимально высокое давление соединяемых рельсов. Металлические изделия плотно прижимаются друг к другу, после чего при помощи специальной струбцины концы нагреваются, а за счет высокого давления рельсы соединяются друг с другом. В процессе такой работы необходимо обеспечить промывку свариваемых элементов треххлористым углеродом. Это позволяет обеспечить соединение металлических элементов на молекулярном уровне.

Показатели рабочей температуры при газопрессовой технологии составляют порядка 1200 градусов. Для такой работы используются многопламенные горелки и мощные гидравлические прессы. Для качественного разогрева места соединения используют многопламенные горелки, осуществляющие в области сварного стыка многочисленные колебания, что и позволяет качественно разогреть металл. Гидравлический пресс, используемый для соединения рельсов, обеспечивает давление в 13 тонн и более. Усадка рельсов при их соединении данной технологией составляет около 20 миллиметров.

Заключение

Существующие в настоящее время технологии позволяют получить долговечное, надежное и устойчивое к механическим нагрузкам соединение. Выбор той или иной технологии выполняется в зависимости от доступного оборудования и конкретных разновидностей соединяемых рельсов. Необходимо сказать, что качественный выбор такого используемого оборудования и следование всей технологии работ позволит вам гарантировать качественно выполненную сварку рельсов.

Реконструкция скоростного трамвая в Киеве продолжается уже не первый год. За годы независимости Украины перебои с финансированием стали доброй традицией, и этот объект не стал исключением: сроки уже не раз переносились.
По сути полностью завершены только участки от Гната Юры до Кольцевой дороги и ул. Старовокзальная с кусочком ул. Жилянской. Всё остальное всё также находится в стадии реконструкции.

В качестве примера - текущее состояние развязки на перекрестке ул. Гната Юры и просп. 50-летия Октября:

Подробный отчет с остальных участков приводить не буду, т.к. это тема отдельного поста, а расскажу лишь о сварке рельсов на перегоне между Политехом и Воздухофлотским просп., на которую мы с dfaw попали по наводке 81412 .

Дело клонилось к вечеру, и при подходе к точке выполнения работ сварщики завершали варить очередной стык:

Стык сварен, можно раскрывать форму:

Сварка выполняется электродуговым способом с закладным электродом (разработка института электросварки имени Патона (?)). Суть в том, что в стык вставляется электрод, на его конце зажигается электрическая дуга и начинается процесс сварки. Сварка выполняется специальной порошковой проволокой, при этом не требуется защитный газ или флюс.
Сварочный аппарат (над сваренным стыком хорошо видно электрод, а еще выше - катушку с проволокой):

Сваренный стык. Его еще предстоит отшлифовать:

Рельсы свариваются в достаточно длинные плети, и для того, чтобы они не изогнулись при нагреве в жаркий летний день, необходимо как-то компенсировать их удлинение. Существует ряд способов решения проблемы. Например, через определенное расстояние могут ставиться "выравнивающие" стыки - несколько обычных стыков между сварными участками. На железной дороге их легко можно услышать на слух - через определенные промежутки времени будет слышен перестук колес, а затем снова тихий ход. Еще один вариант решения проблемы расширения рельс - специальные тепловые стыки, такие как вот этот:

Теперь давайте поразглядываем процесс сварки стыков с самого начала. Перед началом работ торцы рельс зачищаются:

Затем начинают собирать форму, в которой будет вариться стык (чтобы сплав не растекался дальше стыка):

Над стыком устанавливается сварочный аппарат:

Собирается верхняя часть формы:

Выполняется регулировка положения сварочного аппарата, электрода:

И начинается процесс сварки:

Амперметр на сварочном аппарате показывает силу тока 263 А, и это не предел. Для сравнения: утюг или электрочайник мощностью 1 кВт порождает ток менее 5 А. Хотя чтобы полностью честным, следует отметить, что рабочее напряжение при сварке всего пару десятков вольт.

Процесс близится к завершению:

Еще один стык сварен. На весь процесс ушло около 30 мин.

Этот способ сварки из-за относительйо невысокой прочностной характеристики в трамвайных хозяйствах и на станционных путях железных дорог применяется редко. Преимуществом электродуго — вого способа сварки является то, что им можно сваривать рельсы в пути.

Стыки, свариваемое электродуговым способом, можно разде лить на две группы: 1) стыки с приваркой накладок и подкладок; 2) стыки, провариваемые по всему сечению рельсов (ванный спо­соб). Стыки первой группы из-за чрезвычайно низких прочностных показателей на железнодорожном транспорте не применяются, а в трамвайных путях используются редко.

Ванный способ ‘

Ванный способ сварки стыков рельсов разработан Московским опытным сварочным заводом.

Сварка производится на постоянном или переменном токе элек­тродами диаметром 5 мм. Питание осуществляется от стандартно — 76

0 электросварочного оборудования типа СТЭ-34; ПС-500; ПАС-400

Применяемая сила тока 300-350 а. Для сварки используют ілектродьі марки УОНИ-ІЗ/55А с временным сопротивлением на — їлавленного металла 55 кгімм2.

В настоящее время в связи с появлением новых марок рельсо —)ой стали, обладающих повышенными прочностными данными, ре — сомендуется применять электроды УОНИ-13/85у с временным со-* іротивлением наплавленного металла.85 кг/мм2-

Сборку стыков под сварку, как правило, производят на шпа — іах. Концы рельсов обрезают по угольнику механическими сред­ствами или газом. После обрезки газом торцы рельсов необходи — ю очистить от окалины.

Стык должен быть выверен в вертикальной и горизонтальной плоскостях, после чего он возвышается на 1,0-1,5 мм на 1 пог. м.

Регулировку величины подъема стыка производят деревянными клиньями, а проверку-специальной стальной метровой линейкой с регулируемыми по длине штифтами на концах.

Зазор между свариваемыми рельсами должен быть 12-15 мм или 1,5 диаметра электрода с учетом толщины слоя обмазкь. .

Технологически сварку рельсового стыка можно разделить на две главные операции: сварку подошвы, сварку шейки и головки.

* Сварку подошвы производят на остающейся (стальной) или съемной медной пластинке. Длина этой пластинки на 20 мм больше ширины подошвы рельса, а ширина пластинки 40 мм.

Используется несколько вариантов таких пластинок:

1) стальная (Ст. 3) толщиной 5-6 мм; пластинку укладывают под стык и плотно поджимают;

2) комбинированная, под стык укладывают стальную пластин­ку толщиной 2 мм, а под нее медную подкладку;

3) медную пластинку с канавкой, заполняемой несколькими огарками электродов УОНИ-13/55 А, поджимают непосредственно под стык.

Лучшие результаты дает применение медной и комбинирован­ной пластинок. *

Подошва рельса-наиболее чувствительное место сварного стыка, где особенно ярко проявляются низкое качество наплавлен­ного металла и другие погрешности сварки.

При ванном способе сварки рчень важно удержать в межсты­ковом зазоре жидкий наплавленный металл и шлак. Для этого применяют специальные медные формы многократного пользова­ния: нижние - для сварки подошвы и боковые - для сварки шей­ки и головки.

Снаружи формы имеют прямоугольную кбйфигурацию. Внут­ренний контур их соответствует форме того участка рельса, с ко­торым они сопрягаются. По оси формы имеется выемка, которая при сварке заполняется жидким наплавленным металлом с обра­зованием усиления стыка.

При установке форм их ось совмещают с зазором стыка, а бо­ковые формы, кроме того, еще и фиксируют струбциной.

Зазор в местах сопряжения форм с поверхностью рельсов не должен превышать 1 мм. В противном случае края форм необхо­димо обмазать огнеупорной глиной. Сваривая подошву, шов начи­нают с края пластинки и, совершая колебательные движения по­перек зазора стыка, ведут его к другому концу, тщательно прова­ривая углы между торцами рельсов и пластинкой.

Второй шов следует накладывать в противоположном напраї лении, начиная его также от края пластинки.

При выполнении следующих проходов нужно внимательно на­блюдать за тем, чтобы жидкая ванна расплавленного металла рас­полагалась по всей длине подошвы.

В процессе сварки колебательные движения электродом нужно совершать быстро. Закончить сварку подошвы следует в центре стыка, благодаря чему шов получается с уклоном от центра к краям, что соответствует профилю рельсов-

В подошве стыка сварной шов должен иметь усиление в 2-3 мм, а края подошвы - перекрываться плавным швом.

Поверхность шва после заварки подошвы нужно очистить от шлака.

После установки боковых форм следует немедленно начинать последующую сварку, чтобы не допустить значительного охлажде­ния стыка.

Сварочная дуга возбуждается в месте окончания сварки по­дошвы, т. е. у основания шейки, и ведется, непрерывно заполняя наплавленным металлом весь зазор.

Заканчивая сварку стыка, на поверхности катания необходимо наплавить прибыльную часть толщиной 4-5 мм, которая компен­сирует усадку при кристаллизации стыка.

После -сварки, когда стык еще имеет красный цвет, поверх­ность его следует уплотнить проковкой.

Недостатками ванного способа сварки являются горячие тре­щины и непровар. Горячие трещины иногда появляются при сварке рельсов из бессемеровской стали, содержащей повышенное коли­чество вредных примесей-серы, фосфора, азота. Эти же дефекты могут быть при ускорении процессов сварки рельсов тяжелых ти­пов.

Непровар и шлаковые включения, наоборот, получаются при замедленных скоростях сварки-

Если обнаружены какие-либо дефекты, последующую подвар­ку можно производить при температуре стыка не менее 300°.

7. СПОСОБЫ СВАРКИ РЕЛЬСОВ

7.1. Общие положения

Опыт эксплуатации бесстыкового пути на отечественных и зарубежных железных дорогах выявил не только его высокую технико-экономическую эффективность, но и «слабое» место этой прогрессивной конструкции, каким является уравнительные пролеты. В их зоне из-за рельсовых стыков наблюдается более высокое по сравнению со средней частью плети динамическое воздействие подвижного состава на путь, быстрее возникают расстройства, интенсивнее накапливаются остаточные деформации. В итоге происходит повышенный выход из строя рельсов, скреплений, железобетонных шпал, образуются выплески. Специалистами различных научно- исследовательских институтов предпринималось много попыток усовершенствовать уравнительные пролеты. Наиболее кардинальной мерой, на данный момент, считается сокращение числа уравнительных пролетов за счет увеличения длины плетей. При увеличении средней длины плети до 1500 м возможно уменьшение количества уравнительных пролетов более чем на 60 %, а при увеличении до 5000 м – дополнительно еще на 20 – 25 %. Объяснением того, что в свое время на железных дорогах многих стран и в России в частности, приступили к удлинению сварных рельсовых плетей, может послужить стремление избавиться от стыков. При укладке плетей бесстыкового пути до длин блок-участка или перегона, не обойтись без использования современных сварных технологий, позволяющих создать непрерывную поверхность катания (особенно на скоростных линиях), а так же осуществлять вварку стрелочных переводов в рельсовые плети.

В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации нашли распространение следующие виды сварки:

Электроконтактная;

Газопрессовая;

Электродуговая;

Термитная.

Обычно при сварке плетей в длинные и сверх длинные плети наиболее часто применяют 2 из них: алюмотермитный и электроконтактный.

Разные способы сварки рельсов значительно отличаются по технико-экономическим данным. Важнейшими показателями являются: механические свойства и постоянство качества стыков, эксплуатационная стойкость и стоимость сварных рельсов, производительность и трудоемкость процесса, механизация и автоматизация работ.

Механические характеристики сварных рельсов позволяют судить о качестве и прочности стыков при статическом, динамическом и циклическом нагружениях, которые определяются путем испытаний стандартных и натурных образцов. Прочность сварного стыка относительно целого рельса представлена в табл.7.1.

Таблица 7.1

Наименование соединения	Прочность относительно целого рельса, %	Примечание
Болтовое
Электроконтактная сварка		Основной вид сварки в России, Японии
Электродуговая		Используется на менее ответственных путях
Газопрессовая		Основной вид сварки в США. В России широкого применения не получил.
Алюмотермитная сварка		Основной вид сварки в странах Европы. В России рекомендован для вварки стрелочных переводов в рельсовые плети, для сварки менее ответственных путей.

7.2. Электроконтактная сварка

Элек­троконтактный способ сварки осно­ван на нагреве свариваемых торцов рельсов электрической дугой, соз­даваемой током большой силы и низкого напряжения. Сварка рельсов электроконтактным способом производится автоматизированными стыковыми электрическими контакт­но-сварочными машинами. В стаци­онарных условиях сварка осущест­вляется на сварочных машинах МСГР-500, МС-5002 и К-190 (рис.1.1), К-190М, К-190П, МСР-6301; в пути - машинами ПРСМ, оборудованными контактными головками К-155, К-255, К-355. Современная путевая рельсосварочная самоходная машина ПРСМ - 4 предназначена для сварки электроконтактным способом стыков железнодорожных рельсов (рис.1.2). Сварка рельсов может производиться как лежащих в пути, непосредственно по которому передвигается машина, так и рельсов, уложенных вдоль этого пути, внутри или снаружи колеи, на расстоянии 2600 мм от оси пути. Данная машина может использоваться с взаимозаменяемыми контактными головками различных типов (К-155, К-255 и другие). Техническая характеристика машины ПРСМ-4 представлена в табл.1.2.

Электроконтактный способ сварки рельсов осуществляется методом непрерывного оплавления рельсовых концов (машины К-190, К-355) или методом прерывистого их подогрева (машины МСГР-500).

Рис.7.1: Сварочная ма­шина К-190:

1-станина; 2 -подъемные ро­лики; 3- неподвижная колон­на;

4, 7-гидравлические прес­сы (в колоннах); 5 -крепление штоков; 6-штоки;

8-подвижная колонна.

Рис.7.2: Машина путевая рельсосварочная самоходная ПРСМ-4

Таблица 7.2

Наименование параметра	Показатель
Ширина колеи, мм
Производительность, стыков/ч.
Скорость передвижения, км/ч: cамоходом в составе поезда
Масса прицепной единицы, т
Мощность дизель-генератора, кВт
Напряжение тока, В
Частота тока, Гц
Машинное время сварки рельса сечением 8200 мм 2 , с
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота (в транспортном положении)	13300 3030 3715

Процесс сварки непрерывным оплавлением происходит следующим образом. После сближения зажимов сварочной машины с рельсовыми концами через точки контакта сва­риваемых торцов рельсов проходит сварочный ток. Поскольку из-за шероховатости металла площадь точечных соприкосновений весьма мала, то омическое сопротивление контакта и сила тока очень велики.

Следствием этого является превра­щение «твердых» контактов из-за их разогрева, плавления и испарения в «мостики» жидкого металла. Под­держание такого процесса осущест­вляется постоянным сближением за­жимов сварочной машины и при­водит к равномерному разогреву всей площади поверхности сварки. Скорость сближения зажимов сва­рочной машины должна соответ­ствовать скорости оплавления рель­совых концов. При достижении рель­совыми концами необходимого теп­лового сопряжения процесс их не­прерывного оплавления автоматиче­ски переходит в следующую стадию сварки - осадку. При осадке мгновен­но в несколько раз увеличивается скорость сближения рельсов, вклю­чается сварочный ток, с оплавленых поверхностей выжимается жидкий металл и происходит собственно сварка торцов рельсов, находящихся в пластическом состоянии. В месте сварки образуется сварной шов, подлежащий в дальнейшем механической и термической обработке.

Таким образом, процесс сварки непрерывным оплавлением включает: стадию нагрева, осуществляемую в процессе непрерывного оплавления; стадию осадки, в результате которой происходит сварка; стадию остывания сваренных рельсов на воздухе вне машины.