Технология и способы сварки железнодорожных рельсов

Отдельные элементы ВСП необходимо надежно соединять между собой. И сегодня мы рассмотрим классическое решение по созданию единой магистрали – в фокусе внимания сварка железнодорожных рельсов: она выигрывает у сборной технологии, так как не дает стыков, снижающих скорость перемещения транспорта. Поэтому подробно разберемся, какими методами ее можно осуществлять и что за особенности есть у каждого из них. На основе этого вы сможете определить, чем воспользоваться в случае с вашей ЖД-линией.

1. Общие сведения
2. Свойства свариваемости
3. Особенности сварки рельсовых стыков
4. Виды рельсов
5. Технологии и способы сварки рельсов
6. Контроль качества
7. Меры безопасности
8. Итоги

Общие сведения

Этот вид обеспечения целостности полотна известен и применяется уже очень давно, пользуется стабильной популярностью и считается классическим решением, но до сих пор ведутся работы по его совершенствованию. Периодически внедряются инновационные решения, призванные убыстрить сварку, а также удешевить ее без ухудшения конечного результата.

Почему до сих пор нет какой-то единой технологии, которая была бы оптимальной? Потому что есть ограничения, возникающие при производстве рельсов: их специально делают из высокопрочных металлов, чтобы они дольше служили. И чем надежнее элемент ВСП, тем хуже он поддается контролируемому нагреву и пластическому деформированию.

Если же повысить твердость прокатного изделия сверх меры, его будет сложнее соединить с такими же конструкциями, укладываемыми в колею. Поэтому и производители двутавровых балок не экспериментируют, и ответственные подрядчики, привыкшие делать магистрали на совесть, придерживаются четко установленных стандартов, в частности, ГОСТа 103-76.

Свойства свариваемости

Решить описанную выше проблему, то есть обеспечить высокое качество стыка при сравнительно малых затратах времени и сил, позволяет правильный выбор электродов. Хорошие варианты (из тех, что постоянно есть в продаже и стоят сравнительно недорого) – это УОНИ из серий 13/45 и 13/55, которые подходят даже для ответственных объектов или усиленных конструкций.

Хотя еще важнее правильно выбрать метод и в процессе его реализации придерживаться норм и требований, прописанных в межгосударственном стандарте 103-76. Это позволит упростить работы, которые и так проводятся с не самыми благоприятными исходными данными.

Особенности сварки рельсовых стыков

Мы уже выяснили, что профили для укладки в колею выполняют из особо прочного металла, а именно из высокоуглеродистой стали. Это материал, у которого есть своя специфика термообработки: превышение температуры воздействия обернется внутренними напряжениями, появлением трещин и других мелких дефектов, способных стать причиной аварии.

Чтобы обеспечить достаточное качество шва и одновременно минимизировать вероятность возникновения микроповреждений, при соединении двух элементов ВСП необходимо соблюдать следующие правила:

•  Пользоваться именно профессиональным оборудованием – как наиболее точным, производительным и безопасным в своем классе.

•  Ответственно подойти к покупке расходников (мы уже упоминали о важности тех же электродов). 

•  В обязательном порядке применять флюсы (там, где они необходимы) и другие вспомогательные средства припоя. 

•  Придерживаться оптимального режима работы, выбранного ранее (особенности каждого мы еще рассмотрим). 

•  Уделить внимание постобработке шва, а дальше проверить его соответствующими приборами на предмет целостности. 

В процессе эксплуатации колеи сварные плети необходимо периодически осматривать на предмет микроповреждений, чтобы своевременно предупредить более значительные разрушения.

Виды рельсов

Химический сплав металлоконструкции, укладываемой на шпалы, играет важную роль. Согласно ГОСТам, он должен быть строго определенным для каждого профиля, и следующая таблица поможет понять, что же используется.

Технологии и способы сварки рельсов

Методов придумано достаточно много, но наибольшее распространение получили те, что обладают следующими особенностями:

•  предполагают сравнительно малые трудозатраты; 

•  учитывают пластичность, текучесть, совместимость разных марок металлоконструкций. 

Рассмотрим актуальные варианты.

Осуществляется с использованием электродов, и это могут быть:

•  российские УОНИ 13/45 или 13/55; 

•  японские LB 52U.

но каждый из них следует сначала прокалить, а потом подержать при 180-230 0С на протяжении 120 минут.

Подходит как для плетей, так и для стыковых соединений и даже для поврежденных участков, реализуется по следующей схеме:

1.  Края соседних элементов ВСП зачищают и шлифуют – для улучшения конечного качества шва; 

2.  подготовленные двутавровые балки укладывают на свои места (на шпалы), но со специально предусмотренным небольшим зазором; 

3.  в промежуток между концами прокатных изделий помещают электрод, на который воздействуют разрядом, в результате чего он расплавляется, заполняет собой свободное пространство и таким образом прочно соединяет две металлоконструкции. 

Электродуговая сварка рельсов бесконтактная, что достаточно удобно, не требует прилагать избыточное осадочное давление, ток для ее реализации может быть как постоянным, так и переменным и поступать от мобильной станции. Получается, что воспользоваться данным методом можно даже тогда, когда прокладываемая линия лежит на некотором удалении от магистрали и/или централизованной системы энергоснабжения.

Подытожим ключевые преимущества:

•  качественный результат достигается без применения дополнительных (и значительных) усилий; 

•  торцы не приходится предварительно разделывать – достаточно их подготовить; 

•  доступность к реализации – для получения дуги можно подключиться к любому инвертору, выпрямителю или трансформатору. 

Эти достоинства и объясняют, почему он столь распространен.

«Ванный» способ сварки рельсов

Частный случай электродугового, назван так потому, что при его воплощении в жизнь концы соседних элементов ВСП укладывают в специальный резервуар, который и удерживает расплав.

У данного процесса есть и другие особенности:

•  все монтажные операции проводятся на некотором возвышении;

•  зазор между металлоконструкциями составляет 14-16 мм;

•  диаметр электрода – 5-6 мм, – и его следует вставлять вертикально; 

•  подается переменный или постоянный ток мощностью 300-350 А, но строго прямой полярности. 

В результате этого место стыка равномерно заполняется расплавом, и по всей площади сечения образуется диффузионный слой.

При таком подходе сварка рельс ванным способом обладает следующими преимуществами:

•  отпадает необходимость в использовании флюса, а обмазка и так предотвращает окисление; 

•  торцы не нужно предварительно разделывать, что экономит время; 

•  плотность соединения достигается без приложения дополнительных сил; 

•  подключаться можно к любым источникам тока – это всегда доступный к реализации вариант. 

Для предотвращения вытекания металла за границы резервуара монтируются специальные ограждения. По завершении операций останется убедиться в качестве шва и отшлифовать его – это поможет предотвратить микротрещины, а значит и максимизировать срок службы полотна.

Еще один частный случай: по схеме своей реализации аналогичен предыдущим, даже ванночку применять можно, просто все виды работ выполняют люди, а не автоматы. Естественно, человек проигрывает машине в производительности: он медленнее зачищает торцы и не так точно их укладывает.

Так почему же способ до сих пор популярен? Потому что он удобен тогда, когда не требуется прокладывать многокилометровый путь, зато нужно уложить буквально пару двутавровых балок или заделать повреждения прямо на месте. Он отлично подходит для ситуаций, в которых актуальна локальная замена или ремонт, когда привозить оборудование и подключать его попросту нерационально.

Основывается на реакции восстановления: для ее запуска нужно смешать алюминиевый порошок, оксид металла (обычно железа) и другие компоненты, поджечь и быстро нагреть до 1200-2000 0С. После чего останется только залить этот расплав в ванну с заранее очищенными и уложенными под нужным углом торцами плетей. Внимание, сделать это нужно буквально за несколько секунд. Окисел заполнит форму и при затвердевании образует прочный шов и вытолкнет наружу шлак, который счищается без всяких проблем.

Рабочий состав также содержит легирующие и демпфирующие (тормозящие) добавки – для прочности и стойкости к механическим повреждениям – и запальные частицы. Последние очень важны, так как воспламеняются уже при 800 0С (тогда как все остальные – при 1200 0С) и помогают поддерживать равномерность плавления в течение всей реакции, протекающей буквально за несколько секунд.

Из-за того, что в смеси больше всего порошка, данный метод часто называют алюминотермитным, и с его помощью также можно соединять следующие путевые изделия:

•  объемно- и поверхностно-закаленные; 

•  различные металлоконструкции, которые не прошли термообработку, но уже вводятся в эксплуатацию. 

Сделанные швы в итоге соответствуют всем требованиям ГОСТов, предъявляемым даже к ответственным и высокоскоростным полотнам.

Здесь стыки соседних элементов ВСП соединяются при температуре существенно меньше границы плавления, но зато под высоким давлением.

Способ требует предварительной подготовки, а именно совмещения двух металлоконструкций и вертикального прорезания торцов при помощи дисковой пилы. Благодаря этому контактные поверхности впоследствии можно будет чисто отшлифовать, одновременно обеспечивая максимально плотное прилегание. Затем следует обработать их, законсервировать (защитить от окисления), для чего подойдет четыреххлористый углерод или дихлорэтан. После чего можно переходить к основным операциям, то есть:

•  прижать двутавровые балки друг к другу мощным гидравлическим прессом (с силой до 10-13 тонн); 

•  многопламенными горелками прогревать место вдоль линии соприкосновения до тех пор, пока температура на этом участке не достигнет 1200 0С; 

•  убедиться, что усадка не превышает 20 мм; 

•  нормализовать шов, то есть провести его очистку и шлифовку; 

•  после остывания выполнить проверку на качество. 

Данная технология обладает тремя важными плюсами:

•  химический состав в рабочей зоне однородный; 

•  можно соединять элементы ВСП различной толщины и даже конфигурации; 

•  окалины нет, так как все процессы протекают исключительно в толще прокатных изделий. 

В ее основе лежит принцип сильного нагрева стыков и дальнейшего их расплава дугой, генерируемой током при низком напряжении.

• металлические профили укладываются или на саму колею, или с незначительным внутренним/наружным смещением (не превышающим 260 см от центра, то есть от оси); 

• оборудование – мобильная станция – перемещается по направлению полотна и осуществляет разогрев мест контакта с запрограммированной периодичностью или же непрерывное оплавление. 

При этом система выбирает наиболее подходящие для конкретного случая типы сменных контактных головок.

Преимущества метода понятны: отсутствуют ошибки, которые могли бы быть вызваны человеческим фактором, точность совмещения элементов ВСП максимальна, сила воздействия в аналогичных случаях одинакова. Плюс, лучше общая безопасность труда, и техника функционирует с заданной скоростью, без перерывов на обед или на перекур, ее производительность однозначно выше.

С другой стороны, применение таких комплексов требует значительных финансовых затрат. Поэтому в тех случаях, когда требуется всего лишь добавить пару новых двутавровых балок или заделать трещинки на требующих ремонта, более рациональной является старая добрая технология сварки рельсовых стыков ручным дуговым способом. Автоматизированные самоходки стоит пригонять туда, где нужно укладывать целые километры металлоконструкций, при решении масштабных вопросов они многократно себя окупают, чего не скажешь о локальных задачах.

Контроль качества

От того, насколько прочным в итоге оказывается выполненное соединение, напрямую зависит безопасность движения поездов, локомотивов, вагонов. Поэтому любой шов, сделанный как машиной, так и человеком, необходимо проверять – каким угодно неразрушающим методом, естественно, уже после остывания металла. Обязательно нужно дать оценку чистоте, гладкости, ровности его поверхности. Также следует убедиться в том, что головка элементов ВСП соответствует всем ГОСТам, что колесо транспорта сможет правильно на нее опираться, без вероятности схода с колеи.

Меры безопасности

Сваривать рельсы электродами необходимо с применением средств индивидуальной защиты, пользуясь исключительно исправными инструментами и приспособлениями и только при надежном заземлении. Если же поручить эту задачу машинам, необходимо удостовериться, что автоматизированный комплекс исправен и будет функционировать по заданной программе. Важно проверять даже расходники: если какой-то из них бракован или не отвечает должному уровню качества, он подлежит обязательной замене.

Итоги

Как видите, актуальных технологий сразу несколько, и у каждой из них свои плюсы, минусы, особенности и условия использования. Ту или иную из них стоит применять в зависимости от специфики укладочных и ремонтных мероприятий. Но оборудование под все виды сварки Ж/Д рельсов и металлоконструкции для создания надежного полотна вы сможете купить у нас, в компании «ПромПутьСнабжение» – обращайтесь, мы подскажем, чем вам лучше всего укомплектоваться и предоставим это по выгодным ценам.