Как сваривать рельсы ручной дуговой сваркой. Сварка рельсов

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.

Монтаж железнодорожных магистралей проводится двумя методами: сборным и сварным. Второй предпочтительнее, потому что сборные стыки снижают скорость движения подвижного состава. Сварка рельсов производится несколькими методами. При выборе способа монтажа бесстыковых линий учитывают свариваемость материала и стоимость работ. Наиболее распространенные: контактная и алюмотермитная сварка, есть и другие виды. О каждом стоит сказать отдельно. Стыки варят с использованием специального оборудования.

Железнодорожный профиль производят из высокоуглеродистых сталей, характеризующихся плохой свариваемостью. При термической обработке на металле образуются трещины, возникают внутренние напряжения. При сварке рельсовых плетей такое недопустимо, дефекты полотна могут стать причиной аварии.

Для работы необходимо:

• профессиональное оборудование;
• качественные расходные материалы;
• контрольные приборы, проверяющие целостность шва.

Для образования прочного соединения толстостенные балки необходимо проваривать на всю глубину. После сварки стыка необходимо выровнять поверхность, чтобы шов не разрушался.

Виды рельсов

Для выбора способа сварки учитывают химический состав сплава. Для каждого вида профилей ГОСТом определены марки стали.

Способы сварки рельсовых стыков

При выборе технологии учитывают свариваемость сталей, их текучесть, пластичность. Немаловажный фактор – трудозатраты, стоимость оборудования. С учетом всех составляющих решают, как сваривать рельсы.

Для заделки стыков используют следующие технологии:

• электродуговую;
• электроконтактную;
• алюмотермитную;
• газопрессовую.

На предприятиях чаще используют термитную сварку рельсов, реже контактную. У каждой технологии есть преимущества.

Электродуговой

Сварка рельсов с использованием электродов используется для стыков и плетей. Ванным способом удается получить прочное соединение. Концы укладывают на небольшом возвышении над полотном с зазором 14–16 мм в специальную ванночку, удерживающую расплав. В стык вертикально помещается электрод диаметром 5 или 6 мм. При подаче высокочастотного переменного или постоянного тока прямой полярности мощностью 300–350 ампер в зависмости от толщины профиля, расплав постепенно заполняет весь стык. Диффузионный слой создается по всему сечению. Для сварки рельсов используют электроды с основным видом покрытия:

• отечественные УОНИ 13/45 и УОНИ 13/55,
• японские LB 52U.

Их предварительно прокаливают: в течение 2 часов выдерживают при температуре 180 – 230°С.

Достоинства электродуговой сварки:

• не нужно использовать флюс, обмазка создает слой шлака над ванной, он препятствует окислению;
• не требуется предварительной разделки торцов;
• для образования плотного соединения не нужно дополнительно прикладывать усилий;
• доступность, в качестве генератора тока используют трансформаторы, выпрямители и профессиональные инверторы.

После охлаждения ванны стык зачищают, снимают окалину, выравнивают поверхность головки рельса.

Термитный

Метод основан на способности алюминия восстанавливать окись железа с большим выделением тепла. освоили больше века назад. При поджоге термита в рабочей зоне создается температура от 1200 до 2000°С в зависимости от химического состава сплава. Восстановленное железо затекает в форму, по профилю совпадающую с рельсом.

В термит помимо оксида железа и алюминия входят легирующие добавки, небольшие кусочки металла (они затормаживают химический процесс). Шлак, образующийся при расплаве, всплывает, его удаляют после охлаждения металла.

Самое главное преимущество метода – высокая скорость термитной сварки рельсов. Он применяется для закаленных и холоднокатаных балок. Его используют при монтаже магистральных железнодорожных линий и плетей.

Газопрессовый

Сварку рельсовых стыков этим методом проводят на пластичных сталях. Температура в зоне стыка концов повышается за счет энергии сдвига. Она выделяется при высоком давлении. Образуется качественное соединение за счет однородности диффузного слоя. Для плотной стыковки рельсов торец прорезают рельсорезом. Металл консервируют 4-хлористым углеродом или дихлорэтаном, под составом металл не окисляется. Стык нагревают до температуры вязкости, под 10–15-тонным давлением гидропресса слои сдвигаются, торцы плавятся, образуется диффузный слой.

Главные достоинства газопрессового метода:

• однородность химического состава;
• отсутствие окалины, процесс протекает внутри профиля;
• возможность соединяться профиль любой конфигурации и толщины.

Электроконтактный

Автоматная технология основана на нагреве стыка за счет пронизывающей электродуги, возникающей под воздействием высоких токов небольшого напряжения. Электроконтактная сварка проводится самоходными комплексами МСГР-500, МС-5002, К-190 непосредственно в месте укладки или с небольшим смещением ветки. Для разного вида рельсового профиля используют сменные контактные головки. Работу проводят методом непрерывного оплавления или импульсным прогревом рельсов.

Контроль качества рельсовых стыков

От прочности соединений зависит безопасность движения, поэтому вне зависимости от способа сварки проводится проверка стыков рельсов любым из методов неразрушающего контроля. Особенно внимательно проверяются швы, сделанные ручным сварочным оборудованием. Помимо структуры проверяется ровность головки рельса, на которую опирается колесо во время движения.

Сварка рельсов вторым способом - оплавлением с предварительным прерывистым подогревом состоит из стадии прерывистого подогрева, стадии непрерывного оплавления; стадии осадки и сварки, стадии остывания сварных стыков. В этом способе в отличие от первого разогрев металла рельсов производится путем многократного циклического смыкания и размыкания рельсовых концов. Электроконтактная сварка обеспечивает наиболее высокое качество сварных стыков. Качество сварных стыков определяется степенью пластических деформаций и нагрева металла рельсов. В связи с этим первостепенной является обязательность строгого обеспечения режимов сварки, утверждаемых Главным управлением пути МПС.

7.3. Электродуговая сварка

При электродуговой сварке рельсы соединяют металлом электрода, который расплавляется от тепла дугового разряда.

Электродуговая сварка стыков не требует приложения осадочного давления. Для этой сварки используют переменный ток от трансформатора или постоянный ток от передвижного сварочного агрегата.

Лучшим способом электродуговой сварки является ванный способ, при котором концы рельсов, обрезанные перпендикулярно продольной оси, устанавливают без перелома в плане, а в профиле с возвышением 3-5 мм, и в таком положении закрепляют с зазором 14-16 мм.

Между торцами вводят электрод, через который пропускают ток в 300-350 ампер. Расплавленный металл электрода заполняет зазор между торцами по всему сечению рельса.

Чтобы расплавленный металл электрода не растекался, применяют инвентарные медные формы, которыми закрывается зазор снизу и с боков. Сваренные стыки шлифуют по всему периметру рельса. Качество сваренного стыка зависит от электродов и их обмазки, постоянства жидкого состояния металла до окончания процесса сварки, тщательности обработки шва.

Электродуговую сварку применяют только для рельсов, укладываемых на станционных путях, кроме главных и приемо-отправочных.

7.4. Газопрессовая сварка

Газопрессовая сварка обеспечивает соединение металла при температуре

ниже точки плавления с приложением давления.

Основным достоинством газопрессовой сварки рельсов является высокое качество соединения и получение однородной структуры металла в зоне стыка, поэтому данный вид сварки особенно выгоден в применении к более тяжелым типам рельсов.

Перед сваркой торцы двух рельсов приставляют плотно один к другому и вместе стыка одновременно прорезают торцы обоих рельсов дисковой пилой на рельсорезном станке или при помощи механической ножовки, что обеспечивает плотность прилегания торцов и чистоту металла. Непосредственно перед сваркой торцы рельсов должны быть тщательно промыты четыреххлористым углеродом или дихлорэтаном. Подготовка перед сваркой заключается в предварительном нагреве концов рельс.

Для нагрева рельса применяются многопламенные горелки типа МГ – 50Р,

МГ – 65Р, МГ – 75Р. Многопламенная горелка типа МГ – Р65 представлена на рисунке 1.3.

Рис.7.3: Многопламенная горелка МГ-Р65 (а) и ее ствол (б):

1 – верхняя часть горелки; 2 – колодки с отверстиями для газа; 3 – нижняя часть горелки; 4 – газопровод; 5 и 9 – трубопроводы для проточной воды; 6 – газовая скоба соединяющая 1 и 3; 7 – газовая распределительная камера; 8 – шнур с ниппелем; 10 – надставка, соединяющая ствол со смесительной камерой; 11 – смесительная камера; 12 – ствол горелки; 13 и 14 – штуцера для подачи газа к стволу.

Концы рельсов зажимают гидравлическим прессом и нагревают до температуры 1200 0 С системой многопламенных горелок, совершающих колебательные движения вдоль стыка (50 колебаний в минуту). Одновременно рельсы сжимаются с установленной расчетом силой (10 – 13 тонн) до получения осадки заданной величины (около 20 мм).

Для сварки применяются универсальные газопрессовые станки СГП – 8У или МГП – 9.

После сваривания производится обработка стыка, а затем его нормализация.

7.5. Алюмотермитная сварка

Создание высокоскоростных магистралей и бесстыкового пути устанавливает высокие стандарты качества к рельсам, особенно в местах их соединения. В полной мере этим стандартам отвечает алюмотермитная сварка рельсов.

Алюмотермитная сварка рельсов предназначена для соединения между собой в любом сочетании объемно-закаленных, поверхностно-закаленных и термически не упрочненных рельсов.

Сварка стыков рельсовых плетей и стыков (кроме изолирующих) стрелочных переводов, уложенных на деревянных или железобетонных шпалах и брусьях, может производиться на главных, приемо-отправочных, станционных и горочных путях железных дорог Российской Федерации, на подъездных путях промышленных предприятий, а также в метрополитене.

В основе этого процесса лежит термитная реакция, открытая в 1896 году профессором Гансом Гольдшмидтом, и представляющая собой химическую реакцию восстановления чистого железа из его окиси при помощи алюминия с выделением большого количества тепла:

Fe 2 O 3 + 2Al => 2Fe + Al 2 O 3 + 849 кДж

Термитная реакция происходит в тигле в течение нескольких секунд после поджига термитной порции, состоящей из смеси порошкового алюминия, оксида железа, частиц стали, демпфирующих реакцию, и легирующих добавок, необходимых для получения стали нужного качества. Реакция проходит при температуре свыше 2000 o С с конечным послойным разделением продуктов реакции: жидкой стали (снизу) и легкого шлака (сверху).

В России ВНИИЖТ совместно с иностранными фирмами Снага (Словакия), Электро-Термит (Германия), Рельтех (Чехия и Франция) выполняют работы, связанные с термитной сваркой рельсовых элементов в зоне соединительных путей. При укладке бесстыкового пути термитный способ сварки рельсов (рис.1.4.) играет ведущую роль. В настоящее время в зоне стрелочных переводов он является основным методом соединения рельсов. Это экономически выгодная технология, отличающаяся большой гибкостью применения. В большинстве случаев сварку можно проводить без закрытия перегона. Технология фирмы «Электро-Термит», получив наибольшее распространение по сравнению с другими фирмами, представляет на рынке России два основных метода электро-термитной сварки, а именно так называемый, метод СоВоС (SoWoS) и метод СкФау (SkV) (рис.1.5).

Теперь вот побывал в депо Печатники, где находится целый рельсосварочный завод.
Обожаю снимать всякий такой индастриал, давайте посмотрим как это делается.

01. В метро и на скоростных участках железных дорог обычно применяют безстыковый путь. Он позволяет снизить шум и вибрацию, и увеличить скорость движения поездов. Отрезки рельс свариваются, и шлифуются во время их укладки. Как это происходит на перегонах я недавно показывал в двух подробных репортажах. Но времени для проведения таких работ обычно очень мало, целесообразней привозить сваренные плети, максимально возможной для перевозки длины, которая может составлять до 138 метров.

02. Поэтому рельсы сваривают на специальном заводе. В Московском метро такой завод есть в электродепо Печатники. В 2013 году он прошёл реконструкцию и его производительность поднялась со 150 до 220 километров рельса в год. Метро в Москве активно строят, рельсов нужно много и как можно скорей.

05. Короткие куски рельс, те что вы видите на заглавной картинке, помещают на специальный конвейер, которых на заводе два.

07. Будущая плеть медленно продвигается по конвейеру, проходя несколько ключевых этапов.

08. В нужных местах будущей плети просверливаются отверстия для стыков: путь не может быть безстыковым по всей длине, обычно его участки имеют длину от 250 метров, до нескольких километров, и их соединяют обычными креплениями.

09. Один из самых важных этапов — сварка фрагментов рельса. На заводе она производится с помощью электросварки, а не термита, как на перегоне. Ток напряжением всего 6 вольт, но огромной силы разогревает металл до 2000 градусов Цельсия. Этот же станок срезает с места стыка лишний металл. После чего место стыка проверяется специалистом.

10. На следующем этапе место сварки начисто шлифуют в специальной камере. Вручную. Тяжелая и шумная работа в условиях закрытого пространства.

11. Плеть движется дальше и вот место стыка оказывается в станке лазерной термообработки. Металл снова нагревается до 850 градусов, и быстро охлаждается воздухом. Это делается, что бы устранить возможные микротрещины в металле и повторно закалить место стыка.

12. Процесс управляется компьютером.

13. После лазерной термообработки место стыка охлаждается водой до 40 градусов.

14. Последний этап заводской сварки рельса — ультрозвуковая дефектоскопия. На этом этапе проверяется качество получившейся плети, и отсутствия в ней микротрещин, которые могли бы повлиять на прочность рельса при эксплуатации. Эту процедуру, в последствии, повторяют на перегонах регулярно с помощью передвижных дефектоскопических комплексов. Но это уже тема отдельного репортажа.

16. Готовые плети, их длина, как я выше писал достигает 138 метров, вывозят на строящиеся или ремонтируемые перегоны с помощью мотовозов и специальных прицепных тележек

20. Машина для крепления рельс к шпалам.

21. Мотовозы в депо рядом с заводом ждут ночи, чтобы перевезти готовые рельсовые плети на перегоны.

Теперь и вы знаете как это делается)).

Мои другие репортажи по теме

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.