Способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали

Классификация по МПК: E01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2361030
Дата публикации: 
Пятница, Июль 10, 2009
Начало действия патента: 
Вторник, Ноябрь 13, 2007

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано на железнодорожном транспорте для соединения крестовин стрелочных переводов из марганцовистой стали с рельсами из углеродистых сталей. Способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали, по которому промежуточную вставку из аустенитной хромоникелевой стали, обрезанную после сварки с рельсом из углеродистой стали до длины менее 25 мм, но в то же время обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания соединяемых элементов вставку аустенитной хромоникелевой стали исходного состава, соединяют посредством стыковой сварки плавлением с крестовиной из марганцовистой стали. Перед присоединением вставки из хромоникелевой аустенитной стали к рельсу из углеродистой стали посредством стыковой сварки плавлением присоединяют одной стороной дополнительную вставку из углеродистой стали, содержащей углерода меньше, чем рельсовая сталь, обрезают ее до длины менее 30 мм, но в то же время обеспечивающей в конечном сварном соединении вставку углеродистой стали исходного состава, проводят охлаждение в естественных условиях. Затем ко второй стороне вставки из углеродистой стали присоединяют вставку из хромоникелевой аустенитной стали. Предложенный способ обеспечивает снижение длительности и энергоемкости процесса сварки крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали. 1 ил.


Предлагаемое изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано на железнодорожном транспорте для соединения крестовин стрелочных переводов из марганцовистой стали с рельсами из углеродистых сталей.

Известен способ (И.З. Генкин. Сварные рельсы и стрелочные переводы. - Путь. - 2000. - N 12. - С.14-20) сварки крестовин из высокомарганцовистой стали 110Г13Л с рельсами из углеродистой рельсовой стали М76, в соответствии с которым соединение этих элементов стрелочного перевода осуществляется контактной сваркой методом пульсирующего оплавления. Для того чтобы избежать образования закалочных структур и трещин между крестовиной стрелочного перевода и рельсом, вваривается промежуточная вставка из аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Во время длительного нагрева высокомарганцовистой стали 110Г13Л начинается распад аустенитной структуры, сопровождающийся выделением карбидов. В результате этого сталь охрупчивается. Для того чтобы избежать перегрева и охрупчивания стали 110Г13Л, сварной стык между крестовиной и промежуточной вставкой из стали 12Х18Н10Т подвергают ускоренному охлаждению воздушно-водяной смесью.

Однако указанный способ имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. Во время выполнения сварки между рельсом и промежуточной вставкой в результате диффузии углерода из рельсовой стали М76 в аустенитную сталь 12Х18Н10Т и диффузии легирующих элементов (никеля и хрома) из стали 12Х18Н10Т в сталь М76 в сварном шве образуется высоколегированная высокоуглеродистая прослойка. Даже при медленном охлаждении сварного шва на месте этой прослойки возникает хрупкий мартенсит. В результате сварной шов получается охрупченным. При динамическом нагружении, обусловленном воздействием колес железнодорожных вагонов, вдоль мартенситной прослойки возможно образование трещин, что является недопустимым в эксплуатации железнодорожных стрелочных переводов.

Кроме того, известен способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали (патент Австрии N 350881), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в следующем. Рельс из углеродистой стали посредством стыковой сварки плавлением соединяют с одной стороны промежуточной вставки из аустенитной хромоникелевой стали (например, X10CrNiTi 18 9). Затем вставку обрезают до длины менее 25 мм. Учитывая, что в последующем происходит нагрев и осаживание (сжатие) вставки со второй стороны, минимальная длина вставки не должна позволить ее полное выдавливание, т.е., чтобы между соединяемыми деталями отсутствовала вставка аустенитной хромоникелевой стали исходного состава. После обрезки вставки полученное сварное соединение подвергают термической обработке для устранения в сварном шве мартенсита. Термическая обработка заключается в отжиге объекта при температуре 350-1000°С в течение 2-5 часов. После выполнения термической обработки посредством стыковой сварки плавлением соединяют крестовину из высокомарганцовистой стали с другой стороны промежуточной вставки.

Однако указанный способ обладает существенными недостатками. Во-первых, процесс является длительным. Большая длительность процесса связана с необходимостью выполнения операции отжига первого сварного шва. Отжиг выполняется в течение 2-5 часов. Во-вторых, процесс отжига является энергоемким, что обусловлено большой массой изделий и необходимостью поддержания высокой температуры (350-1000°С).

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали, обеспечивающего снижение длительности и энергоемкости процесса сварки.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали, по которому промежуточную вставку из аустенитной хромоникелевой стали, обрезанную после сварки с рельсом из углеродистой стали до длины менее 25 мм, но в то же время обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания соединяемых элементов вставку аустенитной хромоникелевой стали исходного состава, соединяют посредством стыковой сварки плавлением с крестовиной из марганцовистой стали, перед присоединением вставки из хромоникелевой аустенитной стали к рельсу из углеродистой стали посредством стыковой сварки плавлением присоединяют одной стороной дополнительную вставку из углеродистой стали, содержащей углерода меньше, чем сталь рельса, обрезают ее до длины менее 30 мм, но в то же время обеспечивающей в конечном сварном соединении вставку углеродистой стали исходного состава, проводят охлаждение в естественных условиях, а затем ко второй стороне вставки из углеродистой стали присоединяют вставку из хромоникелевой аустенитной стали.

На чертеже показана схема сварного соединения, поясняющая выполнение предлагаемого способа. Между рельсом 1 из углеродистой рельсовой стали и крестовиной 4 из марганцовистой стали последовательно располагаются дополнительная вставка 2 (со стороны рельса 1) из углеродистой стали, содержащей углерода меньше, чем рельсовая сталь, и промежуточная вставка 3 (со стороны крестовины 4) из хромоникелевой аустенитной стали. Длина вставки после обрезки должна составлять менее 30 мм из следующих соображений. В связи с тем, что вставка выполнена из углеродистой стали, содержащей углерода меньше, чем рельсовая сталь, вставка является менее прочной, чем рельс. Поэтому возможно, что в зоне вставки на поверхности катания под воздействием катящихся железнодорожных колес будет образовываться вмятина. Следовательно, чем меньше толщина вставки, тем меньше будет проявляться отрицательный эффект, обусловленный ее присутствием. При реализации стыковой сварки плавлением происходит нагрев кромок соединяемых элементов и их осадка, т.е. сжатие друг с другом. На современных сварочных машинах величина осадки составляет примерно 10…20 мм. Следовательно, конечная толщина вставки из углеродистой стали будет равна примерно 10…20 мм. Примерно такую же толщину будет иметь вставка из хромоникелевой аустенитной стали. Максимальная толщина двух вставок, расположенных между рельсом и крестовиной, составляет примерно 40 мм. Практически установлено, что при таких параметрах промежуточных вставок их отрицательное влияние не существенно. Минимальная длина вставки из углеродистой стали должна обеспечивать после выполнения сварки со вставкой из хромоникелевой аустенитной стали, т.е. после нагрева и обжатия, приводящего к выдавливанию прогретого металла, присутствие материала вставки неизменного химического состава.

Способ осуществляется следующим образом. На первом этапе дополнительную вставку 2 длиной, достаточной для закрепления в сварочной машине, посредством стыковой сварки плавлением присоединяют к рельсу 1 из углеродистой стали. Далее вставку обрезают до длины менее 30 мм, но в то же время обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания элементов вставку углеродистой стали исходного состава. После сварки производят охлаждение стыка в естественных условиях. Затем со второй стороны вставки 2 посредством стыковой сварки плавлением присоединяют промежуточную вставку 3 из хромоникелевой аустенитной стали. Перед сваркой длина вставки 3 должна быть достаточной для закрепления в сварочной машине. После сварки производят охлаждение стыка в естественных условиях. Затем обрезают вставку до длины менее 25 мм. Минимальная длина вставки должна быть такой, чтобы в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания элементов осталась вставка аустенитной хромоникелевой стали исходного состава. Таким образом, после выполнения второй сварки между рельсом 1 и вставкой 3 из хромоникелевой аустенитной стали оказывается вваренной дополнительная вставка 2. Последней выполняют сварку крестовины 4 с полученным соединением. Данный сварной шов закаляют воздушно-водяной смесью.

Возможна другая последовательность вваривания вставки 2. Т.е. сначала к вставке 3 из хромоникелевой аустенитной стали приваривают вставку 2 из углеродистой стали. Затем вставку 2 обрезают и приваривают к рельсу 1. Охлаждение производят в естественных условиях. После соединения рельса 1, вставки 2 и вставки 3 посредством стыковой сварки плавлением соединяют вставку 3 с крестовиной 4. Данный сварной шов закаляют воздушно-водяной смесью. Это соединение выполняется последним, для того чтобы в дальнейшем исключить дополнительный нагрев шва между крестовиной 4 из марганцовистой стали и вставкой 3 из хромоникелевой аустенитной стали. В том случае, если происходит нагрев этого шва, возможно выделение карбидов, которые охрупчивают материал.

Если между рельсом 1 и вставкой 3 не вварить дополнительную вставку 2, то из-за активной диффузии углерода из рельса и легирующих элементов из вставки 3 в месте стыка образуется обогащенная углеродом и легирующими элементами (никелем и хромом) прослойка. При охлаждении изделия после окончания сварки на месте прослойки образуется мартенсит, в результате чего сварной шов является охрупченным. Чем больше углерода находится в мартенсите, тем более хрупким является сварное соединение.

Таким образом, во избежание охрупчивания сварного шва необходимо ограничить доступ углерода в прослойку, образующуюся в месте стыка рельса 1 и вставки 3. В предлагаемом изобретении это достигается за счет дополнительной вставки 2, содержащей углерода меньше, чем рельсовая сталь. Следовательно, со вставкой 3 контактирует не высокоуглеродистая рельсовая сталь, а вставка 2 с ограниченным содержанием углерода. Из этой вставки в прослойку поступает меньшее количество углерода, чем из рельса 1. В этом случае образующийся на месте прослойки мартенсит содержит меньше углерода, а следовательно, является в меньшей степени охрупченным по сравнению с соединением, формируемым при непосредственном соединении рельса 1 со вставкой 3.

Чем меньше углерода содержится во вставке 2, тем более пластичным получается сварной шов. Однако при этом снижается твердость поверхности катания железнодорожного колеса. Поэтому содержание углерода во вставке 2 необходимо выбирать, учитывая требования, предъявляемые к твердости поверхности катания. Содержание углерода в промежуточной вставке 2 можно подобрать минимальным и практически полностью устранить возможность образования мартенсита.

При выполнении сварки по патенту Австрии N 350881, являющемуся прототипом, хрупкий мартенсит между рельсом 1 и вставкой 3 образуется. Избежать его образования при выполнении стыковой сварки плавлением рельса и вставки их хромоникелевой аустенитной вставки не удается. Для того чтобы понизить степень охрупчивания сварного шва выполняется длительная (до 5 часов) и энергоемкая операция отжига. В предлагаемом изобретении эффект повышения пластичности шва и снижения опасности охрупчивания достигается за счет вваривания дополнительной промежуточной вставки 2. Эта операция является менее энергоемкой и выполняется за несколько минут.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа необходимо приварить дополнительную вставку. Эта операция длится всего лишь несколько минут. При этом будет получено качественное надежное соединение рельса с крестовиной. При реализации прототипа качественное соединение достигается путем дополнительного нагрева массивного изделия до 350-1000°С в течение 2-5 часов. На прогрев изделия требуется гораздо больше времени и энергии, чем на вваривание дополнительной промежуточной вставки. Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет существенно снизить длительность и энергоемкость процесса сварки крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали.

Кроме того, путем снижения содержания углерода в дополнительной вставке 2 можно управлять степенью охрупчивания мартенситной прослойки, а при использовании дополнительной вставки из технического железа можно полностью предотвратить образование мартенсита.