Способ термической обработки сварных соединений рельсов

Изобретение относится к области термической обработки сварных соединений, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей. Для повышения прочности и твердости в головке рельса в месте сварного соединения, уменьшения склонности к хрупким изломам со сложной формой разрушения при одновременном снижении энергоемкости технологического процесса нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения до температуры начала фазовых превращений в металле осуществляют по форме распределения температурного поля, близкой к трапецеидальной, где верхним основанием трапеции является зона нагрева головки рельса, равная по ширине зоне термического влияния сварки, а нижним основанием трапеции - зона нагрева подошвы рельса, по ширине превышающая верхнее основание, по меньшей мере, в 2-3 раза, что позволяет исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения. Между завершением процесса нагрева и началом закалки головки рельса осуществляют выдержку для выравнивания температуры по сечению и формирования однородной структуры во всем нагреваемом объеме. Головку рельса принудительно охлаждают сжатым воздухом до температуры завершения структурных превращений. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области термической обработки сварных соединений, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использовано для устранения зональной структурной неоднородности после сварки на железнодорожном, городском и промышленном транспорте в условиях рельсосварочного поезда или путевых условиях с целью повышения пластичности, вязкости металла, уменьшения склонности к хрупким изломам со сложной формой разрушения в месте сварного соединения.

Современные требования к подвижному составу обуславливают рост нагрузки на ось и увеличение скорости движения, что усиливает динамические удары при прохождении стыков рельсов. Прогрессивным направлением усиления верхнего строения пути является замена болтовых стыков сварными. Применение сварки наряду с увеличением мощности рельсов и термическим их упрочнением, повышением чистоты стали и качества металла улучшает работу пути и снижает затраты на его содержание. Однако с увеличением выпуска сварных плетей из новых и старогодных рельсов, внедрением рельсов из электростали и кислородно-конвертерного производства более остро встал вопрос качества сварки.

Сварное соединение состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита и ферритной сетки вокруг зерен и, следовательно, имеет более низкие механические свойства, чем основной металл. Такие сварные рельсы по сравнению с прокатными рельсами обладают меньшей пластичностью, меньшей вязкостью металла и большей склонностью к хрупким разрушениям. Эффективным путем устранения зональной структурной неоднородности металла (дефектов) в области сварного соединения при сварке рельсов обычной, повышенной и высокой прочности является дифференцированная термическая обработка, заключающаяся в упрочнении головки стыка с повторного перекристаллизационного индукционного нагрева всего его сечения с последующей нормализацией подошвы и шейки рельса. В результате такой операции повышается твердость металла головки до необходимого уровня. Вследствие получения мелкозернистой перлитной структуры металла в шейке и подошве сварного соединения при нормализации индукционным нагревом возрастает усталостная и хрупкая прочность.

Известен способ закалки железнодорожных рельсов (см. описание к патенту РФ 2008363, публ. 28.02.1994 г.), в котором производят нагрев головки рельса до закалочных температур высокочастотным электромагнитным полем индуктирующего проводника, и при этом уменьшают зону нагрева головки рельса за счет улучшения локальности указанного высокочастотного электромагнитного поля, для чего его возбуждают за счет индуктирования токов высокой частоты в линейном проводнике, соединенном с помощью пластин с индуктирующим проводником, причем линейный проводник имеет больший диаметр, чем индуктирующий проводник. Недостатком данного способа является локальный поверхностный нагрев головки рельса, не обеспечивающий необходимое распределение температур между головкой и подошвой рельса, требуемое для обеспечения достаточной прочности стыка.

Известен способ термической обработки сварных изделий (см. описание к авторскому свидетельству СССР №373318 кл. С21D 9/04, 1973), например рельсов, по которому производят нагрев всего сечения в зоне сварного шва до температуры 850-900°С с последующим ускоренным охлаждением подошвы и шейки рельса естественным или принудительным путем. Этот способ позволяет улучшить структуру сварного соединения по всему сечению рельсов, в том числе в подошве, однако существенным недостатком является трудность восстановления повышенной твердости металла в головке в связи с узкой зоной нагрева. Поэтому при термической обработке сварных соединений с зоной нагрева, соизмеримой с зоной влияния сварки, не обеспечиваются необходимые высокие показатели пластичности сварных соединений рельсов, что делает малоэффективным такую термическую обработку при сварке рельсов современного и перспективного производства, особенно с комплексными раскислителями стали, склонными к подкалке металла, в первую очередь объемно закаленных.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки сварных рельсов (SU 1735392), выбранный нами за прототип, в котором с целью повышения прочности и пластичности и улучшения прямолинейности головку рельса нагревают на ширину зоны термического влияния сварки до 850-900°С, одновременно нагревают до данной температуры подошву и шейку рельса на одинаковую ширину, превышающую зону термического влияния сварки не менее чем на 1.5-2 раза, при этом охлаждение головки ведут со скоростью 10-40°С/с до температуры не ниже 300°С. Недостатками данного способа являются самоотпуск головки после ее охлаждения за счет значительного увеличения зоны нагрева шейки по сравнению с зоной нагрева головки и связанная с этим недостаточная твердость металла в головке рельса, невозможность обеспечения высокой степени прямолинейности без вогнутостей (седловин) в месте сварного соединения, поскольку рельс представляет собой достаточно тяжелую конструкцию.

Внедрение описанного способа термической обработки сварных рельсов на сети железных дорог сыграло положительную роль в упрочнении, оптимизации структуры металла после термообработки, повышении долговечности сварных соединений. Однако меняющиеся в последнее время эксплуатационные условия, такие как повышенные осевые нагрузки и скорости движения; а также ужесточение норм содержания бесстыкового пути и требований безопасности движения; достаточно большое число изъятий рельсов по дефектам сварных соединений в сочетании с требованиями ресурсосбережения заставляют пересматривать внедренные ранее технические решения с учетом новых требований эксплуатации и технических возможностей.

Задачей изобретения является создание способа термической обработки сварных соединений рельсов, который позволяет:

- повысить прочность и твердость в головке рельса в месте сварного соединения;

- уменьшить склонность к хрупким изломам со сложной формой разрушения за счет повышения пластичности, вязкости и живучести металла;

- исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения;

- обеспечить поверхность катания с равномерным и стабильным распределением твердости в зоне сварного соединения;

- снизить энергоемкость технологического процесса.

Поставленная задача решается тем, что, в отличие от известного способа термической обработки сварных рельсов, нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения до температуры начала фазовых превращений в металле осуществляется по форме распределения температурного поля, близкой к трапецеидальной, где верхним основанием трапеции является зона нагрева головки рельса, равная по ширине зоне термического влияния сварки, а нижним основанием трапеции - зона нагрева подошвы рельса, по ширине превышающая верхнее основание, по меньшей мере, в 2-3 раза. Трапецеидальная форма распределения температурного поля позволяет исключить самоотпуск головки рельса после ее охлаждения, а это, в свою очередь, дает возможность уменьшить площадь закалочного устройства и расход воздуха. При этом для выравнивания температуры по сечению и формирования однородной структуры во всем нагреваемом объеме обеспечивается выдержка во времени между завершением процесса нагрева и началом закалки головки рельса. Длительность этой выдержки, полученная из экспериментальных данных, составляет 10-20 с. Для получения наилучших показателей закалка головки рельса выполняется путем принудительного охлаждения головки сжатым воздухом до температуры завершения структурных превращений. При закалке сжатым воздухом твердость поверхности катания в зоне сварного соединения характеризуется более равномерным и стабильным распределением, чем при закалке воздушно-водяной смесью, что обусловлено более стабильной работой воздушного закалочного устройства.

Изменение технологии закалочного охлаждения после индукционного нагрева направлено как на повышение надежности, долговечности и оптимизацию характеристик прочности и пластичности сварного соединения, стабилизацию твердости поверхности катания, так и на снижение стоимости и затрат ресурсов в процессе термообработки.

Изобретение реализуется следующим образом.

Для апробации способа были сварены контактным стыковым методом непрерывного оплавления и методом пульсирующего оплавления стыки из новых и старогодных рельсов типа Р65 (масса порядка 65 кг, площадь поперечного сечения 83 см²), а также рельсы из электростали и кислородно-конвертерного производства.

Термическая обработка сварных соединений была произведена на индукционной установке типа УИН-001-100/Р-Т с максимальной мощностью 100 кВт (рабочая мощность установки составляет порядка 70 кВт) и частотой 10 кГц. Рельс типа Р65 в области сварного соединения подвергался нагреву до температуры 870°С в течение 240 с с помощью индуктора с активными проводниками в головке - шириной 90 мм, а в подошве - длиной 200 мм. Головка сварных соединений рельсов охлаждалась сжатым воздухом в течение 180 с под давлением 0.6 МПа до температуры 400°С. Установлено, что самоотпуск головки отсутствует. Подошва и шейка сварных соединений рельсов охлаждались естественным путем на воздухе.

Испытания сварных соединений рельсов типа Р65 производились на статический поперечный изгиб с доведением до разрушения, а также на твердость головки металла. Расстояние между опорами составляло 1 м. Нагрузка прикладывалась в центре сварного соединения.

Сварные рельсы после термической обработки сварных соединений по предлагаемому способу с указанными параметрами способа при изгибе с растяжением как в подошве, так и в головке имели высокие показатели пластичности (стрелы прогибов 50-60 мм), то есть полностью удовлетворяли современным требованиям (ТУ 0921-057-01124328-98) к сварным соединениям рельсов. Такие сварные рельсы имеют также высокую прочность при изгибе с растяжением как в подошве, так и головке (разрушающие нагрузки 230-260 тс и 190-200 тс при приемочных браковочных нормах 180 и 150 тс).

По сравнению с известным способом сварные рельсы отечественного производства и импортных поставок (Австрия, Канада, Франция, Япония и др.) из углеродистых и легированных сталей, сваренных разными способами с дифференцированной термической обработкой сварных соединений по предлагаемому способу, имеют высокий срок службы бесстыковых плетей в пути при работе в различных эксплуатационных и климатических условиях, на линиях с высокой грузонапряженностью, скоростных и высокоскоростных магистралях, в районах с низкими температурами.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки сварных соединений рельсов позволяет:

- повысить прочность и пластичность сварных соединений за счет предлагаемого распределения температурного поля и охлаждения головки рельса сжатым воздухом.

- в головке рельсов в месте сварки обеспечить равномерное распределение твердости поверхности катания на уровне основного металла;

- значительно уменьшить склонность к хрупким изломам со сложной формой разрушения в подошве и нижней части шейки рельсов за счет повышения пластичности, вязкости и живучести металла;

- уменьшить площадь закалочного устройства и расход воздуха за счет исключения самоотпуска головки рельса после ее охлаждения;

- снизить энергоемкость технологического процесса.

Решение данных вопросов позволяет использовать патентуемый способ не только в стационарных технологических условиях, но и в путевых. В целом предлагаемый способ полностью удовлетворяет как техническим условиям, так и современным требованиям ресурсосберегающей политики ОАО "РЖД".

1. Способ термической обработки сварных соединений рельсов, включающий нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения и закалку головки путем принудительного охлаждения с одновременным охлаждением шейки и подошвы на воздухе, отличающийся тем, что нагрев всего сечения рельса в зоне сварного соединения до температуры начала фазовых превращений в металле осуществляют с распределением температурного поля по форме, близкой к трапецеидальной, верхним основанием которой является зона нагрева головки рельса, равная по ширине зоне термического влияния сварки, а нижним основанием - зона нагрева подошвы рельса, превышающая по ширине верхнее основание, по меньшей мере, в 2-3 раза.

2. Способ термической обработки сварных соединений рельсов по п.1, отличающийся тем, что между завершением процесса нагрева и началом закалки головки рельса осуществляют выдержку во времени, обеспечивающую выравнивание температуры по сечению и формирование однородной структуры во всем нагреваемом объеме.

3. Способ термической обработки сварных соединений рельсов по п.1 или 2, отличающийся тем, что закалку головки выполняют путем принудительного охлаждения сжатым воздухом до температуры завершения структурных превращений.