Способ охлаждения зоны сварки рельса, устройство для охлаждения зоны сварки рельса и сварное соединение рельса

Способ охлаждения зоны сварки рельса, устройство для охлаждения зоны сварки рельса и сварное соединение рельса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сварному соединению рельса и способу и устройству для охлаждения зоны сварки рельса, которые обеспечивают повышение усталостной прочности сварного соединения по сравнению с существующим уровнем техники. В частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству для охлаждения участка рельсового соединения сразу после сварки.

Приоритет испрашивается по японской патентной заявке № 2009-081587, поданной 30 марта 2009 г., и в японской патентной заявке № 2009-175646, поданной 28 июля 2009 г., содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки. Предпосылки к созданию изобретения

Поскольку участок рельсового соединения (зона сварки рельса) наиболее легко повреждается в рельсе, участок рельсового соединения требует затрат на техническое обслуживание. Кроме того, участок рельсового соединения является основным источником возникновения шума и вибрации, которые возникают при прохождении поезда. Поскольку в различных странах возрастают скорость и вес поездов, широкое применение находит техника, при которой формируют длинный рельс путем непрерывного соединения участков рельсового соединения, имеющих упомянутые выше проблемы, связанные со сваркой.

Рельс в целом будет описан со ссылкой на фиг.1А и 1В. На фиг.1А показан вид сбоку длинного рельса. Длинный рельс изготовлен путем сварки по меньшей мере двух рельсов. По этой причине длинный рельс имеет зону 7 сварки. В зоне сварки существует сварной шов 8.

На фиг.1В показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии А-А, показанной на фиг.1А. Как показано на фиг.1В, рельс включает в себя головную часть 1 (верхнюю часть рельса), которая контактирует с колесом, подошвенную часть 3 (нижнюю часть рельса), которая помещается на шпалы, и шейку 2 рельса, сформированную между головной частью 1 и подошвенной частью 3. Кроме того, головная часть 1 включает в себя верхнюю часть 4 головки, а подошвенная часть включает поверхностную часть 5 подошвы и нижнюю часть 6 подошвы.

Стыковая сварка оплавлением (например, в Патентном документе 1), газопрессовая сварка (например, в Патентном документе 2), сварка закрытой дугой (например, в Патентном документе 3) и термитная сварка (например, в Патентном документе 4) являются основными способами сварки рельса.

На фиг.2А-2С показаны изображения, иллюстрирующие стыковую сварку оплавлением. Как показано на фиг.2А-2С, стыковая сварка оплавлением предусматривает образование дуги между торцовыми поверхностями путем приложения напряжения к материалам 10, подвергаемым сварке и расположенным а с обращенным друг к другу торцами, посредством электродов 9, для плавления торцевых поверхностей свариваемых материалов. Далее, когда свариваемые материалы достаточно нагреты, их прижимают друг к другу в аксиальном направлении, так что свариваемые материалы соединяются между собой.

На фиг.3А и 3В показаны изображения, иллюстрирующие термитную сварку. На фиг.3В показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии В-В, показанной на фиг.3А. При термитной сварке, как показано на фиг.3А и 3В, свариваемые материалы 10 размещаются с обращенными друг к другу торцами и с зазором в 20-30 мм между ними, причем упомянутый зазор окружают формой 14. Затем расплавленная сталь 16, которая образуется в тигле 17 при реакции между алюминием и оксидом железа, заливается в форму, так что торцовые рельсовые поверхности плавятся и свариваются между собой.

На фиг.4А-4С показаны изображения, иллюстрирующие газопрессовую сварку. При газопрессовой сварке, как показано на фиг.4А, при сжатии соединяемых поверхностей участки свариваемых материалов возле соединяемых поверхностей нагреваются от боковых поверхностей горелками 17, и соединяемые поверхности входят в контакт между собой под давлением при высокой температуре. Как показано на фиг.4В, участки рядом с зоной сварки деформируются так, что расширяются при сжат. Далее, как показано на фиг.4С, расширившиеся участки удаляют обрезным станком 18.

На фиг.5А-5В показаны изображения, иллюстрирующие сварку закрытой дугой. При сварке закрытой дугой, как показано на фиг.5А и 5В, материалы, предназначенные для сварки, располагаются с обращенными друг к другу торцами и с зазором в 10-20 мм между ними, а металл 19 для заливки и наружный металл 20 располагают вокруг зазора. Кроме того, металл сварного шва формируется в зазоре сварочным электродом 21. Этот способ является так называемым способом сварки закрытой дугой вручную.

В частности, существует опасность того, что усталостные трещины образуются от нейтральной оси зоны сварки рельса, возникая на железнодорожных путях, по которым проходят тяжелые грузовые составы, железных дорогах, эксплуатируемых в условиях холодного климата или тому подобном. Соответственно рельсы требуется часто заменять для того, чтобы предотвратить хрупкое разрушение рельса, которое вызывается усталостными трещинами. Пример хрупкого разрушения показан на фиг.6А и 6В.

На фиг.6А показано изображение, демонстрирующее усталостную трещину 22, которая образуется на шейке рельса в горизонтальном направлении, и хрупкую трещину 23, вызванную образованием усталостной трещины. Далее, на фиг.6В показано изображение, демонстрирующее поверхность хрупкой трещины 23 и усталостной трещины 22, показанных на фиг.6А. Усталостная трещина 22 образуется из дефекта сварки как источника, который формируется рядом со сварным швом 8 и нейтральной осью в горизонтальном направлении. После того, как хрупкая трещина 23, вызванная усталостной трещиной 22, проникает в шейку рельса в направлении по толщине, один ее конец растет в направлении верхней части головки рельса, а другой конец растет в направлении подошвенной части. Возникновение усталостной трещины 22 не ограничивается дефектом сварки, и различные причины рассматриваются как источник возникновения усталостной трещины.

Считается, что возникновение усталостной трещины вызывается не только внешней нагрузкой, но и остаточными напряжениями в материале. На фиг.7А показан график, демонстрирующий распределение остаточных напряжений по периферии в зоне сварки рельса в периферическом направлении). На фиг.7А показано, что остаточное напряжение растяжения существует в то время, когда остаточное напряжение превышает 0, а остаточное напряжение сжатия существует в то время, когда остаточное напряжение меньше 0.

Согласно фиг.7А понятно, что большое остаточное напряжение по периферии рельса (т.е. в вертикальном направлении) возникает вокруг шейки в зоне сварки рельса при сварке. Соответственно считается, что усталостная трещина, возникающая из дефекта сварки как начала, возникает потому, что нагрузка повторно прилагается вокруг шейки в зоне сварки рельса, имеющей большое остаточное напряжение при прохождении состава. Для того, чтобы предотвратить возникновение усталостной трещины, желательно предотвратить возникновение дефекта сварки как источника трещины и сделать дефект сварки неактивным даже при его наличии.

На фиг.7В показана зависимость между расстоянием от центра сварки (в продольном направлении рельса) и остаточным напряжением, которое существует на шейке рельса в вертикальном направлении. Из фиг.7В понятно, что большие остаточные напряжения растяжения существуют в диапазоне между центром сварки и позицией, удаленной от центра сварки на расстояние около 25 мм.

Железнодорожный путь включает в себя рельсы и шпалы для поддержки рельсов. В то время, когда поезд проходит по рельсам, распределенные нагрузки прикладываются к рельсам от множества колес поезда.

Причина, которая вызывает образование упомянутых выше усталостных трещин, связывается с состоянием нагрузки, приложенной к зоне сварки рельса колесом. Нагрузка, которая приложена к рельсу во время прохождения поезда, варьируется на участке рельса, находящемся непосредственно над шпалой 24, и участке рельса, сформированном между двумя шпалами 24. Вертикальная нагрузка от поезда непосредственно прикладывается к рельсу на участке рельса, находящемся непосредственно над шпалой 24. В то время, когда длинный рельс, сваренный на заводе, укладывают на шпалы в полевых условиях, положение зоны сварки может случайно соответствовать положению шпалы. Принято, что несколько точек, где положения зон сварки соответствуют положению шпал, существуют на длинном рельсе, имеющем длину в несколько сотен метров.

На фиг.9А проиллюстрирован момент времени, когда колесо 25 проходит прямо над шпалой 24 (в зоне сварки) в точке, где положение шпалы 24 соответствует положению зоны сварки. В этом случае наибольшее напряжение возникает на шейке 2 рельса, имеющей небольшую площадь поперечного сечения. Напряжение в этом случае является напряжением сжатия, но и большое остаточное напряжение растяжения существует на шейке 2 рельса, как описано выше. Соответственно в то время, когда шейка 2 рельса воспринимает фактическое напряжение растяжения, напряжение повторно воздействует на шейку рельса.

В то же время фиг.9В иллюстрирует момент прохождения колеса 25 между двумя шпалами 24 (в зоне сварки) в точке, где положение шпал 24 и 24 не соответствует положению зоны сварки. В этом случае нагрузка, которая прижимает и изгибает рельс, прикладывается к рельсу колесом 25 сверху. По этой причине возникает напряжение сжатия в продольном направлении на головной части 1 рельса и напряжение растяжения в продольном направлении возникает на подошвенной части 3 рельса. Изгибающее напряжение, приложенное к шейке 2 рельса, является нейтральным. Поскольку напряжение растяжения подошвенной части 3 рельса возникает при любом прохождении колеса 25, необходимо учитывать возникновение усталостной трещины на подошвенной части 3 рельса.

На фиг.8 показано остаточное напряжение, которое возникает в периферийной части зоны сварки в продольном направлении. Как показано на фиг.8, большое напряжение сжатия в продольном направлении остается на подошве рельса. По этой причине даже при приложении напряжения растяжения к подошве рельса при прохождении поезда напряжение растяжения и напряжение сжатия компенсируют друг-друга в состоянии эффективного напряжения. Соответственно существует возможность сдерживать образование усталостных трещин. По этой причине фактический пример усталостного разрушения начиная от подошвенной части рельса является необычным. Однако в случае, если остаточное напряжение сжатия мало, повреждение от усталостной трещины 26, которая образуется на подошве рельса, может возникнуть так, как показано на фиг.10А и 10В.

Патентный документ 5 и Патентный документ 6 предлагают способ изготовления всей зоны сварки рельса или головной части и зоны сварки рельса на шейке при высокой температуре посредством тепла сварки или тепла, переданного извне, с последующим выполнением ускоренного охлаждения для того, чтобы предотвратить повреждение шейки рельса. Согласно этому техническому решению, поскольку контролируется остаточное напряжение в зоне сварки рельса, можно уменьшить остаточное напряжение растяжения, которое возникает в зоне сварки рельса на шейке в вертикальном направлении или преобразовать остаточное напряжение растяжения в остаточное напряжение сжатия. По этой причине можно улучшить усталостную прочность зоны сварки рельса. С помощью этого технического решения можно ограничивать развитие усталостных трещин от шейки рельса.

В качестве другого технического решения, которое улучшает усталостную прочность зоны сварки рельса, известен способ с использованием дробеструйной обработки, описанный, например, в Патентом документе 7, способы с использованием молотковой проковки, шлифовальной обработки и отделки газовольфрамовой сваркой и тому подобного.

Далее, в Патентном документе 8 описано устройство для охлаждения зоны сварки рельса.

Для того, чтобы повысить долговечность длинного рельса, необходимо предотвращать развитие усталостных трещин от шейки и подошвенной части зоны сварки при одновременном придании усталостной прочности длинному рельсу.

При выполнении ускоренного охлаждения головной части и зоны сварки рельса на шейке способом охлаждения, описанным в Патентом документе 5 и Патентном документе 6, улучшается остаточное напряжение растяжения в шейке рельса в вертикальном направлении, так что ограничивается развитие усталостных трещин на шейке. Однако на чертежах непатентного документа 1 показано, что остаточное напряжение подошвенной части в продольном направлении рельса преобразуется в остаточное напряжение растяжения, если применяется упомянутый выше способ. В последнее время в связи с тенденцией к увеличению веса поездов увеличивается, возрастает нагрузка, вызванная изгибающим грузом и приложенная к подошвенной части. Поскольку подошвенная часть растягивается в продольном направлении рельса под воздействием нагрузки, вызванной изгибающим грузом, важное значение имеет усталостная прочность подошвенной части рельса. Как описано выше, остаточное напряжение в рельсе в продольном направлении значительно влияет на усталостную прочность подошвенной части рельса. Однако, поскольку остаточное напряжение подошвенной части рельса в продольном направлении рельса уменьшается (должно превращаться в остаточное напряжение растяжения) при охлаждении согласно Патентному документу 5 и Патентному документу 6, как описано выше, существует опасность понижения усталостной прочности. По этой причине существует опасность развития повреждения, показанного на фиг.10А и 10В.

В то же время, при дробеструйной обработке, которая относится к улучшению усталостного напряжения (то есть для приложения остаточного напряжения сжатия) посредством последующей механической обработки, стальные сферы, каждая из которых имеет диаметр в несколько миллиметров, ударяются о материал для пластической деформации поверхностного слоя материала, так что поверхностный слой подвергается механическому упрочнению. В результате можно улучшить усталостную прочность путем увеличения остаточного напряжения. Однако такая обработка требует крупных мощностей, которые выбрасывают стальные сферы, собирают стальные сферы, предупреждают выделение пыли и тому подобное. По этой причине применение дробеструйной обработки к большой зоне сварки ограничено. Кроме того, поскольку материалы, которые должны выбрасываться, должны возобновляться из-за абразивного износа и их повреждения, способ неудобен с точки зрения издержек.

Далее, при молотковой проковке, которая пластически деформирует зону сварки путем удара по материалу концами инструмента, материалу придается напряжение сжатия и концентрация напряжения ограничивается пластической деформацией, так что улучшается усталостная прочность материала. Однако при ударе велика вибрация, велика нагрузка на рабочего и трудно обеспечить точный контроль и однородную обработку. В не являющемся патентным документе 2 указано, что эффект улучшения усталостной прочности невелик из-за наличия морщинистых бороздчатых участков, которые образуются при работе согласно условиям обработки.

Далее, поскольку шлифовальная обработка ограничивает концентрацию напряжений путем сглаживания наружных поверхностей сварного шва, можно ожидать достижения надежного эффекта. Однако в случае избыточного шлифования наружных поверхностей сварного шва толщина зоны сварки оказывается недостаточной, что ведет к уменьшению прочности. По этой причине существует недостаток, выражающийся в том, что шлифовальная обработка требует высокой квалификации и длительного времени.

Далее, наружные поверхности сварного шва расплавляются повторно дугой, образуемой вольфрамовым электродом и затвердевают снова, имея гладкую форму при отделке газовольфрамовой сваркой, так что ограничивается концентрация напряжений. В результате можно улучшить усталостную прочность. Однако в случае, если высокоуглеродистый материал, такой как рельс, сваривают вручную, возможно образование твердой и хрупкой мартенситной структуры. Для того, чтобы предотвратить образование мартенситной структуры, требуется строгая организация труда.

Далее, можно повысить твердость зоны сварки путем выполнения подходящего охлаждения из высокотемпературного состояния после сварки посредством устройства для охлаждения зоны сварки рельса, описанного в Патентном документе 8. В то же время, согласно исследованиям авторов изобретения, для того, чтобы контролировать состояние остаточного напряжения в зоне сварки, необходимо выполнить охлаждение в нужном диапазоне при нужной интенсивности. Считается, что остаточное напряжение изменяется также с помощью устройства из Патентного документа 8, однако условия охлаждения для должного распределения остаточных напряжений не описаны.

Поскольку участок соединения рельса (зона сварки рельса) является наиболее уязвимым в рельсе, как описано выше, участок соединения рельса требует затрат на обслуживание. Кроме того, участок соединения рельса является главным источником возникновения шума и вибрации, которые возникают при прохождении поезда. Поскольку скорость и вес поезда возрастают в различных странах, общее применение находит техника формирования длинного рельса путем непрерывного соединения участков рельса.

Стыковая сварка оплавлением (например, в Патентном документе 1), газопрессовая сварка (например, в Патентном документе 2), сварка закрытой дугой (например, в Патентном документе 3) и термитная сварка (например, в Патентном документе 4) являются основными способами сварки рельса.

При сварке соединения рельса существует опасность того, что усталостные трещины образуются вокруг нейтральной оси зоны сварки рельса на железнодорожном пути, по которому проходят тяжелые грузовые поезда, на железных дорогах, эксплуатируемых в условиях холодного климата и тому подобном. Соответственно рельсы требуется часто заменять для того, чтобы предотвратить хрупкое разрушение рельса, которое вызывается усталостными трещинами. Пример хрупкого разрушения показан на фиг.41А и 41В. На фиг.41А показано положение, при котором усталостная трещина 151, которая развивается в горизонтальном направлении, образуется возле нейтральной оси зоны 150 сварки рельса. Хрупкая трещина 152 развивается в направлении головки рельса и в направлении основания рельса. На фиг.41В показана поверхность излома усталостной трещины 151 и хрупкой трещины 152. По фиг.41В можно понять, что усталостная трещина 151 развивается из области вблизи нейтральной оси сварной зоны рельса 150 как источника трещины, и хрупкая трещина 152 затем развивается в шейке в направлении по толщине. В то же время в этом описании верхняя часть 160 рельса, входящая в контакт с колесом, упоминается как «головная часть», нижняя часть 162 рельса, входящая в контакт со шпалой, упоминается как «подошвенная часть» и часть 161, сформированная между головной частью и подошвенной частью, упоминается как «шейка» (см. фиг.27А и 27В).

Считается, что на развитие усталостной трещины влияют не только условия внешней нагрузки, но и остаточное напряжение в материале. На фиг.42 показан график, демонстрирующий распределение остаточного напряжения, которое вызвано стыковой сваркой оплавлением, в периферийной части зоны сварки рельса в периферическом направлении. На графике по фиг.42 положительное направление вертикальной оси представляет остаточное напряжение растяжения, а отрицательное направление вертикальной оси представляет остаточное напряжение сжатия. Из фиг.42 можно понять, что остаточное напряжение растяжения шейки велико. В случае, если зона сварки рельса помещается на шпале, напряжение сжатия в вертикальном направлении воздействует на шейку во время прохождения поезда. Однако в шейке остается большим напряжением растяжения в вертикальном направлении (в периферическом направлении поперечного разреза рельса). Соответственно, в то время, когда шейка воспринимает фактическое напряжение растяжения, напряжение периодически воздействует на шейку. По этой причине на шейке может развиваться усталостная трещина.

В Патентном документе 5 и Патентном документе 6 описан способ получения всей зоны сварки рельса или головной части и шейки зоны сварки рельса в высокотемпературном состоянии за счет тепла сварки или тепла, переданного извне, и последующего выполнения ускоренного охлаждения для того, чтобы предотвратить повреждение шейки рельса. Согласно этому техническому решению, поскольку остаточное напряжение в зоне сварки рельса контролируется, можно уменьшить остаточное напряжение растяжения, которое возникает в шейке зоны сварки рельса в вертикальном направлении или превратить остаточное напряжение растяжения в остаточное напряжение сжатия. По этой причине существует возможность улучшить усталостную прочность зоны сварки рельса.

Далее в качестве технического решения, которое улучшает усталостную прочность зоны сварки рельса предлагается способ использования дробеструйной обработки, описанный, например, в Патентном документе 7. При дробеструйной обработке стальные сферы, которые имеют диаметр в несколько миллиметров, ударяются о материал для пластической деформации поверхностного слоя материала, так что поверхностный слой подвергается механическому упрочнению. В результате можно улучшить усталостную прочность путем превращения остаточного напряжения в напряжение сжатия.

Далее, в Патентном документе 8 описано устройство для охлаждения зоны сварки рельса. Устройство включает в себя воздушную камеру, которая охлаждает верхнюю поверхность головки зоны сварки рельсов, воздушную камеру, которая охлаждает боковые поверхности головки зоны сварки рельса, и воздушные камеры, которые охлаждают шейку и нижнюю часть (подошвенную часть) зоны сварки рельса. Каждая из воздушных камер содержит множество сопел, которые выбрасывают сжатый воздух, и сопло для определения температуры помещается в середине группы сопел воздушной камеры, которая охлаждает верхнюю поверхность головной части.

Головная часть рельса подвержена износу, связанному с контактом с колесом. В частности, износ облегчается на криволинейном пути за счет относительного скольжения между колесом и рельсом. По этой причине на криволинейном участке часто применяется подвергнутый термической обработке рельс, у которого головная часть рельса закалена. При сварке подвергнутого термической обработке рельса желательно, чтобы такая же твердость, как и твердость предназначенного для сварки основного материала, была получена путем ускоренного охлаждения головной части рельса после сварки в температурном диапазоне до завершения перлитного превращения из области температуры аустенита. При выполнении ускоренного охлаждения головной части рельса после сварки выполняется ускоренное охлаждение головной части и шейки зоны сварки рельса, так что уменьшается остаточное напряжение шейки рельса в вертикальном направлении (то есть возрастает остаточное напряжение сжатия). Соответственно ограничивается развитие усталостной трещины. Этот способ описан в непатентном документе 1. Однако при экспериментах по настоящему изобретению обнаружено, что остаточное напряжение в шейке уменьшается незначительно даже при выполнении ускоренного охлаждения головной части и шейки зоны сварки рельса.

Далее, дробеструйная обработка требует крупных мощностей, которые выбрасывают стальные сферы, собирают стальные сферы, предупреждают выделение пыли и тому подобное. По этой причине применение дробеструйной обработки к большой зоне сварки ограничено. Кроме того, поскольку стальные сферы подвергаются абразивному износу и повреждениям, стальные сферы требуется восстанавливать через регулярные интервалы. Соответственно существует проблема, связанная с эксплуатационными затратами.

Кроме того, исходя из опытов, выполненных авторами изобретения, найдено, что остаточное напряжение шейки рельса не уменьшается и усталостная долговечность не слишком увеличивается при выполнении ускоренного охлаждения сварной зоны рельса посредством охлаждающего устройства, описанного в Патентном документе 8. То есть, очевидно, что остаточное напряжение в сварной зоне рельса не может быть уменьшено (не может быть увеличено остаточное напряжение сжатия), если только охлаждение не выполняется в подходящем диапазоне сварной зоны рельса при нужной скорости охлаждения.

Список документов

Патентные документы

[Патентный документ 1] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № S56-136292

[Патентный документ 2] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н11-270810

[Патентный документ 3] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н6-292968

[Патентный документ 4] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № S48-95337

[Патентный документ 5] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № S59-93837

[Патентный документ 6] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № S59-93838

[Патентный документ 7] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н3-249127

[Патентный документ 1] Японская не рассмотренная патентная заявка, первая публикация № S60-33313

Непатентные документы [Непатентный документ 1] Труды Второй Международной конференции по остаточным напряжениям, ICR2, Нанси, Франция, 23-25 ноября, 1988 г., стр.912-918

[Непатентный документ 2] Мицуки, Анами, Тани, Сугимато, «Улучшение усталостной прочности путем модификации внешних поверхностей сварного шва», Сборник трудов Института сварки, т.17, № 1, стр.111-119 (1999 г).

Раскрытие изобретения

Проблемы, которые должны быть решены с помощью изобретения

Как описано выше, в прошлом не было технических решений, эффективно повышающих усталостную прочность части шейки рельса, усталостную прочность подошвенной части рельса и твердость головной части рельса. Соответственно первой целью изобретения является предложение способа эффективного изготовления рельса, в котором усталостная прочность зоны сварки улучшена по сравнению с существующим уровнем техники.

Далее, второй целью изобретения является предложение способа охлаждения зоны сварки рельса и охлаждающего устройства, применяемого при способе, который позволяет сохранить достаточную твердость головной части рельса и улучшить усталостную прочность зоны сварки рельса по сравнению с существующей техникой путем дальнейшего уменьшения остаточного напряжения шейки (то есть путем увеличения остаточного напряжения сжатия).

Изобретение предусматривает использование следующих средств для того, чтобы достичь упомянутых целей.

(1) Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ охлаждения зоны сварки рельса, которая включает область Ас1, нагретую до температуры не ниже начальной температуры Ас1 превращения из перлита в аустенит, и область Ас3, нагретую до температуры не ниже температуры полного превращения Ас3. Способ включает в себя первый процесс охлаждения шейки при охлаждении области охлаждения части шейки зоны сварки рельса в части диапазона температур до завершения превращения из аустенита в перлит, второй процесс охлаждения части шейки при охлаждении области охлаждения шейки после перлитного превращения во всей части шейки в зоне сварки рельса, процесс охлаждения подошвенной части при охлаждении подошвенной части в зоне сварки рельса, и процесс охлаждения головной части при охлаждении головной части зоны сварки рельса. В то время, когда длительность охлаждения первого и второго процессов охлаждения части шейки равна t минут, величина k, которую получают путем деления ширины L области охлаждения части шейки на ширину LАc1 области Ас1 удовлетворяет выражению, представленному как -0,1t+0,63≤k≤-0,1t+2,33.

(2) При способе по п.(1) область охлаждения части шейки может охлаждаться со скоростью охлаждения, которая превышает скорость естественного охлаждения и не превышает 5°С/сек в первом процессе охлаждения шейки. Область охлаждения части шейки может охлаждаться со скоростью охлаждения, которая превышает естественную скорость охлаждения и не ниже скорости охлаждения подошвенной части во втором процессе охлаждения части шейки.

(3) При способе по п.(1) область охлаждения части шейки может охлаждаться со скоростью охлаждения, которая превышает скорость естественного, будучи не ниже скорости охлаждения подошвенной части во втором процессе охлаждения части шейки.

(4) При способе по п.(1) область охлаждения части шейки может охлаждаться со скоростью охлаждения, которая превышает скорость естественного охлаждения и не превышает 5°С/сек в первом процессе охлаждения части шейки.

(5) При способе по п.(1) при первом процессе охлаждения части шейки процесс охлаждения области температуры аустенита может включать в себя первый предыдущий процесс охлаждения части шейки и первый последующий процесс охлаждения части шейки для продолжения охлаждения области охлаждения части шейки после первого предыдущего процесса охлаждения части шейки в диапазоне температур до завершения перлитного превращения; область охлаждения части шейки может охлаждаться со скоростью охлаждения, которая превышает скорость естественного охлаждения, будучи не ниже скорости охлаждения подошвенной части, в первом предыдущем процессе охлаждения части шейки; область охлаждения части шейки может охлаждаться при скорости естественного охлаждения или скорости охлаждения, не превышающей 2°С/сек в первом последующем процессе охлаждения части шейки; и область охлаждения части шейки может охлаждаться при скорости охлаждения, которая превышает скорость естественного охлаждения, будучи не ниже скорости охлаждения подошвенной части во втором процессе охлаждения части шейки.

(6) При способе по п.(1) скорость охлаждения подошвенной части может быть скоростью естественного охлаждения.

(7) При способе по п.(1), при процессе охлаждения головной части головную часть можно охлаждать со скоростью охлаждения, которая превышает скорость естественного охлаждения и не превышает 5°С/сек, по меньшей мере в части диапазона температур до завершения превращения в перлит из области температуры аустенита, превышающего А3, Ае или Acm.

(8) При способе по любому из п.п.(1)-(7), скорость охлаждения в нижней угловой части сужающейся части может быть ниже скорости охлаждения части шейки при охлаждении головной части и части шейки.

(9) При способе по п.(8), если высота боковой части головки, образующей боковую поверхность головной части, обозначается как Hs, вся головная часть, за исключением участка головной части, который помещается под нижней позицией, удаленной от верхнего конца боковой части головки на расстояние 2Hs/3, может быть подвергнута ускоренному охлаждению.

(10) При способе по п.(9), экранирующие пластины могут быть помещены в области головной части, которая помещается ниже нижней позиции, удаленной от верхнего конца боковой части головки на расстояние 2Hs/3, и на головную часть выбрасывается охлаждающая жидкость.

(11) Согласно второму аспекту изобретения предлагается сварное соединение рельса, которое охлаждается способом охлаждения сварной зоны рельса согласно (1). Сварное соединение рельса включает часть шейки, в которой остаточное напряжение в вертикальном направлении равно 350 МПа или меньше, подошвенная часть рельса, в которой остаточное напряжение в продольном направлении является напряжением сжатия, и зона сварки рельса, в которой 95% или больше от структуры металла является перлитной структурой.

(12) Согласно третьему аспекту изобретения предлагается сварное соединение рельса, которое охлаждается способом охлаждения сварной зоны рельса согласно (8). Сварное соединение рельса включает часть шейки, в которой остаточное напряжение в периферическом направлении в поперечном разрезе рельса равно 300 МПа или меньше, и головную часть, в которой твердость по Виккерсу равна 320 или больше.

(13) Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается устройство для охлаждения зоны сварки рельса. Устройство может включать в себя блок охлаждения головной части. Блок охлаждения головной части выполняет ускоренное охлаждение всей головной части за исключением той области головной части, которая помещается под нижней позицией, удаленной от верхнего конца боковой части головки на расстояние 2Hs/3, когда высота боковой части головки, образующей боковую поверхность головной части, обозначается как Hs.

(14) В устройстве по п.(13) блок охлаждения головной части может включать в себя эжекторную часть, которая выбрасывает на головную часть охлаждающую жидкость, и экранирующие пластины, которые покрывают область головной части, которая помещается под нижней позицией, удаленной от верхнего конца боковой части головки на расстояние 2Hs/3.

Эффекты изобретения

Согласно способам (1)-(7) можно улучшить остаточное напряжение в части шейки в зоне сварки рельса и предотвратить легкое возникновение усталостной трещины в зоне сварки путем контроля остаточного напряжения в части подошвы в диапазоне сжатия.

Согласно способам (8)-(10) можно уменьшить остаточное напряжение в части шейке при эффективном сохранении твердости головной части рельса за счет того, что скорости охлаждения сужающихся частей ниже скорости охлаждения шейки в то время, когда головная часть и часть шейки в зоне сварки рельса подвергаются ускоренному охлаждению. По этой причине можно улучшить износостойкость головной части рельса и усталостную прочность зоны сварки рельса.

Согласно сварному соединению рельса (11), существует возможность ограничить повреждение, вызванное усталостью металла, даже при прохождении по рельсам тяжелых поездов.

Согласно сварному соединению рельса (12), существует возможность ограничить износ головной части рельса и повреждение, вызванное усталостью металла, даже при прохождении по рельсам тяжелых поездов.

Согласно устройствам (13) и (14), блок охлаждения головной части выполняет ускоренное охлаждение всей головной части за исключением участка головной части, который помещается ниже нижнего положения, удаленного от верхнего конца боковой поверхности головной части на расстояние 2Hs/3. Соответственно скорость охлаждения сужающихся частей установлена низкой, так что существует возможность снизить скорость охлаждения сужающихся частей еще более низкой, чем скорость охлаждения части шейки. По этой причине существует возможность поддерживать твердость головной части рельса, которая входит в контакт с колесом, на высоком уровне, и дополнительно снизить остаточное напряжение в части шейке в вертикальном направлении.

Краткое описание чертежей

На фиг.1А показан вид рельса сбоку.

На фиг.1В показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии А-А на фиг.1А.

На фиг.2А показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс оплавления при стыковой сварке оплавлением.

На фиг.2В показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс высадки при стыковой сварке оплавлением.

На фиг.2С показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс обрезки при стыковой сварке оплавлением.

На фиг.3С показано схематическое изображение, иллюстрирующее термитную сварку.

На фиг.3В показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии В-В на фиг.3А.

На фиг.4А показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс нагревания при газопрессовой сварке.

На фиг.4В показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс сжатия при газопрессовой сварке.

На фиг.4С показано схематическое изображение, иллюстрирующее процесс обрезки при газопрессовой сварке.

На фиг.5А показано схематическое изображение, иллюстрирующее сварку закрытой дугой.

На фиг.5В показан вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий сварку закрытой дугой.

На фиг.6А показано схематическое изображение, демонстрирующее усталостное повреждение, которое возникает в части шейки зоны сварки рельса.

На фиг.6В показано схематическое изображение, демонстрирующее поверхность излома повреждения.

На фиг.7А показан график, демонстрирующий распределение ос