Общие сведения по контактной стыковой сварке рельсов

Самым распространенным способом сварки рельсов является контактно-стыковой способ. Сварка рельсов ведется как в стационарных условиях, так и в пути передвижными рельсосварочными машинами (ПРСМ), которые используются как для сварки главных путей, так и для сварки путей стационарных и приемоотправочных. Для сварки рельсов существует две разновидности контактной стыковой сварки: непрерывным и пульсирующим оплавлением [10, 11, 3].

Стыковая сварка оплавлением отличается от классической контактной точечной сварки, стыковой сопротивлением и дуговой сварки плавлением тем, что для локального нагрева свариваемых торцов одновременно используют два мощных источника нагрева - дуговой разряд (электрическая дуга) и джоулеву теплоту [19].

При стыковой сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают. При соприкосновении деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счёт непрерывного образования и разрушения жидких контактов - перемычек, т.е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения н усилие осадки деталей, торцы смыкаются и большая часть жидкого металла вместе с поверхностными плёнками и частью твердого металла‚ находящегося в вязкотекучем состоянии, выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение – трат. Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей [19, 20, 21].

При стыковой сварке оплавлением на первом этапе формирования соединения (рисунок 9) происходит оплавление деталей в течение времени tопл (оплавления), за которое детали укорачиваются на длину ∆опл, на втором этапе происходит осадка, характеризуемая общей деформацией деталей, ∆ос, часть которой происходит под током ∆ос.т за время tос.т (время осадки под током). На протяжении второго этапа происходит формирование металлических связей, обусловленное в основном сдвиговыми деформациями в приконтактной области и частично за счет локальных участков, на которых остался расплавленный металл [21].

Рисунок 9 - Типовые циклограммы процесса стыковой сварки оплавлением [21]

Процесс осадки характеризуется двумя основными параметрами: ее величиной ∆_ос и скоростью n_ос. С ними связан третий зависимый параметр – давление осадки р_ос, Минимальная величина осадки при наличии на торцах слоя жидкого металла равна [20]:

(3)

где зазор между оплавляемыми торцами;

– толщина слоя жидкого металла;

– глубина кратера;

к₀ – коэффициент (к₀=2 – 4).

Величина , обычно не превышает 1 – 1 ‚5 мм. Определяющим является третий член . Коэффициент к₀ учитывает, что выравнивание выступов невозможно без общей деформации сдавливаемых тел. Чем уже зона интенсивного нагрева, тем труднее деформировать прилегающий к торцам металл; выращивание выступов при этом будет сопровождаться меньшей общей деформацией и коэффициент к₀ снизится, а удельное давление, необходимое для ее осуществления, возрастет. Поэтому при сварке с подогревом или при непрерывном оплавлении по мягкому режиму с широкой зоной разогрева, как правило, необходимая величина осадки возрастает. При увеличении улучшаются условия удаления расплавленного металла и оксидов из стыка. Однако чрезмерная осадка может снизить пластичность соединения в результате резкого искривления волокон. Скорость осадки оказывает значительное влияние на формирование соединения. При малой скорости увеличивается время закрытия зазора между деталями, в течении которого расплавленный металл охлаждается и удаление оксидных пленок затрудняется. Давление осадки определяется величиной и скоростью осадки. Давление осадки увеличивают при увеличении градиента температур и при сварке жаропрочных материалов. для лучшего формирования соединения и снятия наклона часть осадки проводят при включенном токе. При этом уменьшается скорость кристаллизации металла на поверхности наиболее глубоких кратеров, и облегчается деформация неровностей [20, 21].

При стыковой сварке непрерывным оплавлением детали постепенно сближают при включенном источнике тока. Касание торцов происходит по отдельным выступам. Поскольку площадь образующихся контактов-перемычек очень мала, то из-за высокой плотности протекающего через них тока они быстро нагреваются и расплавляются. Часть металла взрывается и в виде искр вылетает из стыка. В выбрасываемом расплаве присутствуют и загрязнения с поверхностей заготовок. Дальнейшее сближение деталей приводит к образованию и оплавлению новых контактов-перемычек. В результате этого непрерывного процесса на торцах образуется слой жидкого металла. После того, как торцы оплавятся по всей поверхности, производится осадка. Торцы быстро сближаются с большим усилием. При этом жидкий металл с оксидными пленками выдавливается из стыка наружу и при затвердевании образует грат, который обычно удаляют в горячем виде [19, 20, 21].

Стоит отметить, что при непрерывном оплавлении происходит длительный процесс нагрева, что ведет к увеличению линейной величины ЗТВ и оказывает негативное влияние на конструкционную прочность сварного стыка. Для соединения заготовок с большой площадью сечения с целью уменьшения мощности оборудования применяют стыковую сварку прерывистым оплавлением или так называемого пульсирующего оплавления. Данный метод позволяет регулировать сварочный процесс и вести оплавление на максимальной полезной мощности [21, 22].

Сущность метода заключается в том, что детали при включенном токе поочередно сжимают с небольшим усилием и вновь разводят. При сжатии стыкуемые поверхности разогреваются протекающим током. При размыкании между торцами образуется электрический разряд, оплавляющий их поверхности. После нескольких повторных действий поверхности заготовок покрываются слоем жидкого металла, и выполняется осадка. Жидкий металл выдавливается из стыка, а торцы соединяются с получением сварного соединения. Для уменьшения расхода металла предварительный подогрев производят при сближении деталей с пропусканием нескольких импульсов тока. После этого заготовки разводятся, и осуществляются оплавление и осадка [19, 21, 22].