Повышение прочности сварного стыка
Фирма 3W Rail Technology (США) разработала технологию регулируемой термитной сварки Scaw-1, позволяющую получать сварные стыки повышенной прочности. По этой технологии жидкая сталь, нагретая алюмотермитным способом в горне до температуры 2500 °С, заливается в сварочную форму. В зоне головки и подошвы сталь растекается с меньшей скоростью, чем у шейки рельса, в результате металлоемкие части рельса получают больше тепла. Следовательно, металл головки и подошва рельса плавятся в большей степени, чем шейки рельса.
Чтобы гарантировать надлежащее расплавление концов рельсов, внутри сварочной формы создают ванну для жидкой стали. В интервале (0 — t1) заливают сталь до высоты Hf и выдерживают в течение интервала (t1—t2), как это видно на диаграмме.
Тепло передается от жидкой стали к концам рельсов и плавит их по всей площадке контакта. Например, края подошвы рельса расплавляются на глубину не менее 8 мм, тем самым граница нагрева отодвигается на достаточное расстояние от края сварного шва. Степень прогрева краев подошвы достаточна даже в тех случаях, когда вертикальная ось формы смещена от исходного положения, например при сварке кривых. Выделяющиеся в сварочной форме газы полностью удаляются.
Благодаря непосредственному контролю плавления концов рельсов технология Scaw-1 обеспечивает равномерную сварку, при которой глубина расплавления концов рельсов прямо пропорциональна площади их поперечного сечения. Подошва рельса расплавляется в большей степени, чем головка, тогда как шейка рельса плавится с постоянной интенсивностью.
Основная особенность нового способа сварки — отсутствие тех видов дефектов, которые могут появиться при обычных технологиях алюмотермитной сварки: некачественные швы у края подошвы рельса, в переходной зоне от подошвы к шейке, усадка в переходной зоне от шейки к головке, неполный отвод газов из зоны сварки под головкой рельса. При стандартных технологиях сварки эти дефекты могут вызывать изломы 40% термитных швов в рельсах типа NP46 (против 20% стыков, полученных электросваркой). В рельсах типа МСЖД 54 перечисленные дефекты могут вызывать изломы 65% стыков, сваренных обычным алюмотермитным способом, против 15% стыков, сваренных электросваркой.
В лабораторных испытаниях нагрузку прикладывали непосредственно к середине сварного стыка без металлической накладки. У рельса типа МСЖД 49 (снятого с пути) прочность на срез составила 80 — 85 т при расстоянии между опорами 1 м, что соответствует нагрузке 83—88 кг/мм2. Усталостные испытания проводили при нагрузке 24 т, что эквивалентно 20 кг/мм2, при расстоянии между опорами 0,8 м. Срезающее усилие около середины сварного стыка составило 12 т. В отличие от стандартной процедуры испытаний, предусматривающей 2,1 млн. циклов нагружений, в данных испытаниях прикладывали 2,6 —3,1 млн. циклов.
При испытании нового рельса массой 65 кг/м срезающее усилие составляло 140 — 160 т при расстоянии между опорами 1 м (что соответствует растягивающему напряжению 90—100 кг/мм2). Ни в одном из испытанных стыков не произошло излома по шву.
Эксплуатационные испытания нескольких тысяч рельсов с такими стыками показали, что коэффициент дефектности, выраженный как отношение числа дефектных стыков к общему числу сваренных стыков, составил менее 0,5/1000. Как правило, сваренные рельсы снимают с пути по причине вертикального износа. Сваренные рельсы служили при температурах от -30 до +60 °С.
Усовершенствованный вариант технологии, Scaw-2, позволяет получать сварные швы без наплывов металла. Новые методы алюмотермитной сварки не требуют предварительного нагрева свариваемых рельсов. В лабораторных условиях при сухих концах рельсов сваривали их без использования горелок, что не снизило качество шва. В эксплуатационных условиях требуется просушивание рельсов в течение 1—2 мин. Новые технологии применимы к любым типам рельсов, в первую очередь для сварки тяжелых рельсов МСЖД 60, МСЖД 64, британских рельсов массой 77 кг/м, а также немецких рельсов типа D 180, D 180" с шириной подошвы 180 мм (масса 105 и 124 кг/м соответственно).
(По материалам зарубежной периодики)
