Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов

Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу повторного нагрева сварной зоны рельсов, который повышает усталостную прочность сварной зоны по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Уровень техники

Места соединения рельсов являются зонами, наиболее подверженными повреждению и требующими наибольших расходов на обслуживание. Кроме того, места соединений являются основным источником шума и вибраций, возникающих при проходе поезда. Так как во многих странах поощряется ускорение железнодорожных пассажирских перевозок и увеличение веса груза, перевозимого по железной дороге, задачу можно обобщенно выразить следующим образом: рельсовые стыки, которые вызывают вышеуказанные проблемы, должны свариваться так, чтобы рельсы превращались в один непрерывный длинный рельс.

На фиг.1A-1D приведены обозначения для сварной зоны длинного рельса и сечения рельса. Фиг.1A является видом сбоку сварной зоны в продольном направлении. Длинный рельс получен сваркой по меньшей мере двух рельсов. Соответственно, длинный рельс включает сварную зону 7. В сварной зоне 7 имеется валик направленного металла 8.

Фиг.1B является разрезом вдоль линии A-A, перпендикулярной продольному направлению рельса, в центре сварного шва Q. Рельс имеет головку 1, представляющую собой верхнюю часть рельса, которая контактирует с колесами, подошву 3, являющуюся нижней частью рельса, находящейся в контакте со шпалами, и шейку 2, являющуюся вертикальной частью между головкой 1 и подошвой 3. Далее, точку 4, являющуюся самой верхней точкой головки, можно назвать верхушкой головки, верхнюю поверхность 5 подошвы можно назвать верхом подошвы, а тыльную поверхность 6 подошвы можно назвать пятой или основанием.

Фиг.1C показывает разрез по линии B-B, параллельной и вертикальной к продольному направлению рельса, включающий центр сварного шва Q. Это область, которая при сварке нагревается до температуры, больше или равной точке превращения A1; таким образом, по обеим сторонам центра сварного шва Q имеются граничные линии X зоны термического влияния (далее обозначаемой как HAZ (от heat-affected zone).

Фиг.1D является поперечным разрезом по линии B-B в случае сварки под флюсом, как термитная сварка и закрытая электродуговая сварка. По обеим сторонам от центра сварного шва Q имеются границы проплавления Z, внутри них находится металл сварного шва.

Далее описывается способ сварки рельсов. Можно назвать четыре примера основных способов сварки рельсов: стыковая сварка оплавлением (например, патентный документ 1), газопрессовая сварка (например, патентный документ 2), закрытая электродуговая сварка (например, патентный документ 3) и термитная сварка (например, патентный документ 4).

Как показано на фиг.2A-2C, стыковая сварка оплавлением является способом сварки, включающим приложение напряжения через электроды 9 к свариваемым материалам 10, помещенным напротив друг друга, вызывающее образование дугового разряда между торцевыми поверхностями свариваемых материалов, чтобы расплавить эти торцевые поверхности, и в момент времени, когда свариваемые материалы станут достаточно нагретыми, соединяют свариваемые материалы, прикладывая давление в осевом направлении материалов.

Термитная сварка представляет собой способ, включающий размещение свариваемых материалов 10 напротив друг друга с зазором 20-30 мм между ними, окружение участка зазора литейной формой, дающей расплавленную сталь, образующуюся в реакции алюминия с оксидом железа, причем реакция идет внутри тигля, установленного в верхней части формы, и инжекцию расплавленной стали в форму, чтобы расплавить торцевые поверхности рельсов и сварить эти поверхности друг с другом.

Газопрессовая сварка является способом, включающий нагрев, в условиях, когда к соединяемым поверхностям приложено давление, свариваемых материалов вблизи соединяемых поверхностей от боковых поверхностей, используя горелку, и сварку давлением соединяемых поверхностей при высокой температуре. Окрестность зоны сварки расширяется и деформируется из-за создания давления. Расширенную часть удаляют гратоснимателем.

Закрытая электродуговая сварка представляет собой способ ручной дуговой сварки, включающий размещение свариваемых материалов напротив друг друга с зазором 10-20 мм между ними, окружение зазора подкладочной лентой и боковой лентой и нагрев металла сварного шва у зазора сварочным электродом.

В сварной зоне рельсов случается образование усталостных трещин, исходящих от нейтральной оси шейки рельса в сварной зоне, особенно в случае железнодорожных грузовых перевозок с высокой нагрузкой и в холодных регионах; усталостные трещины приводят к хрупкому разрушению, повышая тем самым частоту замены рельсов. Фиг.3A и фиг.3B показывают форму повреждений.

Так, фиг.3A показывает состояние образования горизонтальной трещины в шейке рельса при рассмотрении с боковой стороны рельса. Усталостная трещина 22 образуется в горизонтальном направлении, начиная от точки дефекта сварного шва около усиления шва вблизи нейтральной оси шейки, затем хрупкая трещина 23 проникает в толщину шейки, после чего один конец трещины распространяется в сторону верхушки головки, а другой конец трещины распространяется в сторону основания. Хотя здесь показан случай, когда причиной образования трещины является дефект сварного шва, трещина может также образовываться от поверхности сварной зоны, и когда дефектов нет.

Фиг.3B показывает состояние, где место, в котором образовалась горизонтальная трещина в шейке, отрезано, и поверхность трещины открыта и видна со стороны верхушки головки рельса. Можно видеть следующее: усталостная трещина 22 образуется от окрестности центра шейки в сварной зоне рельсов, и затем хрупкая трещина 23 проникает в толщь шейки.

Как описано в непатентном документе 2, считается, что на образование усталостных трещин влияют не только условия внешней нагрузки, но также остаточное напряжение в материале. Фиг.4 показывает результаты проведенных авторами настоящей заявки измерений распределения остаточных напряжений в сечении в направлении вдоль по периметру рельса, причем сечение образует прямой угол с продольным направлением рельса в центре сварного шва Q сварной зоны рельсов. Образуется усталостная трещина 22, которая растет, так как из-за сварки вблизи шейки 2 в сварной зоне создается большое остаточное растягивающее напряжение в периферийном направлении рельса, то есть в вертикальном направлении, и при каждом проходе поезда многократно прикладывается нагрузка. Чтобы предотвратить такое повреждение, желательно не допускать дефектов сварного шва, являющихся источником повреждения, а также сделать дефект безвредным, даже если таковой имеется. С этой точки зрения желательно, чтобы остаточное напряжение в вертикальном направлении, приложенное к шейке рельса, было малым. Согласно испытанию на усталость, проведенному авторами настоящего изобретения, для снижения частоты образования усталостных трещин желательно, чтобы остаточное напряжение в вертикальном направлении было меньше или равно 350 МПа.

Железнодорожный путь образован из щебеночного балласта, шпал, устройств, скрепляющих рельс и шпалу, и рельсов. При прохождении поездов по рельсу к железнодорожному пути прикладывается нагрузка, распределенная от совокупности колес поезда.

При анализе причин образования повреждений необходимо учитывать состояние нагрузки от колес на сварную зону рельсов. Наиболее типичными состояниями взаимосвязи между рельсом и шпалами, на которые опирается рельс, являются: состояние, в котором вертикальная нагрузка прикладывается напрямую к рельсу колесом, проходящим непосредственно над шпалой, и состояние, в котором колесо проходит в промежутке между шпалами. Когда длинный рельс, полученный сваркой, осуществленной в заводских условиях, устанавливают на его рабочее место, положение сварной зоны и положение шпалы могут совпасть лишь случайно. Считается, что в одном длинном рельсе, имеющем длину несколько сотен метров, имеется несколько участков, в которых положение шпалы и положение сварной зоны совпадают друг с другом.

Фиг.5 показывает случай, когда колесо 25 проходит непосредственно над шпалой 24. В этом случае самое большое напряжение создается у шейки 2, которая имеет малую площадь сечения. Хотя напряжение в этом случае является сжимающим напряжением, напряжение у шейки 2 в сварной зоне 7 является исключительно большим остаточным растягивающим напряжением, поэтому напряжение по существу соответствует состоянию повторяющихся напряжений в области растяжения.

Далее, считается, что состояние, в котором колесо проходит через промежуток между шпалами, является другим типичным нагруженным состоянием, и здесь, как показано на фиг.6, добавляется нагрузка, которая гнет рельс, надавливая от верхней части. В этом нагруженном состоянии головка рельса сжимается в продольном направлении, подошва толкается в продольном направлении, а шейка является нейтральной. Однако зимой во многих случаях возникает усадочное напряжение в продольном направлении рельса, и растягивающее напряжение может многократно прикладываться в месте, где высота шейки мала. Когда в дополнение к усадочному напряжению и растягивающему напряжению прикладывается остаточное напряжение в продольном направлении, имеется опасность, что зимой у шейки рельса может образоваться усталостная трещина в направлении, образующем прямой угол с продольным направлением рельса, то есть в вертикальном направлении, и эта усталостная трещина приписывается напряжению в продольном направлении рельса.

Отметим, что растягивающее напряжение прикладывается к подошве рельса каждый раз при прохождении колеса. Однако, как показано в непатентном документе 2, остаточное напряжение сварного соединения, полученного при стыковой сварке оплавлением, в продольном направлении соответствует большому сжимающему напряжению в основании рельса. Фиг.7 показывает результаты измерений, проведенных авторами настоящей заявки. Соответственно, растягивающее напряжение, прикладываемое к подошве рельса при прохождении поездов, и остаточное напряжение компенсируют друг друга, образуя тем самым область сжатия, которая выгодна тем, что затрудняет образование усталостных трещин.

Чтобы повысить срок службы длинного рельса, необходимо подавить образование усталостных трещин от шейки в сварной зоне и добиться высокого сопротивления усталости в этих частях рельса.

В целях предотвращения повреждения шейки рельса патентные документы 5 и 6 описывают изобретения, относящиеся к способу улучшения усталостной прочности сварной зоны рельсов путем контроля остаточного напряжения, применяя быстрое охлаждение головки и шейки рельса в сварной зоне рельсов или быстрое охлаждение всей сварной зоне, которая находится при высокой температуре вследствие нагрева при сварке или тепла, переданного снаружи, и снижая остаточное растягивающее напряжение в вертикальном направлении, образованное у шейки в сварной зоне рельсов, или превращая остаточное растягивающее напряжение в сжимающее напряжение. Согласно этим изобретениям, стало возможным намного уменьшить частоту образования усталостных трещин от шейки рельса.

Когда осуществляется способ быстрого охлаждения головки и шейки рельса после сварки, как описано в патентных документах 5 и 6, то, как показано в непатентном документе 1, остаточное напряжение, которое образовано у шейки рельса в вертикальном направлении [o1], снижается и, таким образом, можно подавить образование усталостных трещин в области шейки. Однако показано, что при этом способе остаточное напряжение в основании рельса в продольном направлении превращается в растягивающее напряжение. В последние годы наблюдалась тенденция повышения веса товарных вагонов при грузовых железнодорожных перевозках, и как результат повысилась изгибающая нагрузка, прикладываемая к основанию рельса. Основание вытянется в продольном направлении рельса из-за изгибающей нагрузки, и на усталостную прочность при изгибе этой части сильно влияет остаточное напряжение в продольном направлении. Если остаточное напряжение основания рельса в продольном направлении превратить в растягивающее напряжение способом охлаждения согласно патентным документам 5 и 6, возникает риск снижения усталостной прочности при изгибе.

В качестве других методов, улучшающих усталостную прочность в сварной зоне рельса, можно указать способ, использующий дробеструйную нагартовку, описанный, например, в патентном документе 7, и способы, использующие проковку, обработку на шлифовальном станке и правку шва, полученного аргонно-дуговой сваркой.

Кроме того, патентный документ 8 описывает способ снижения остаточного напряжения путем повторного нагрева сварной зоны газовой горелкой. Показана возможность снижения остаточного напряжения этим способом, но патентный документ 8 не описывает подходящую область повторного нагрева, которая, как предполагается, будет отличаться для каждого способа сварки, и этот способ не является непременно достаточным для предотвращения усталостного повреждения.

Документы предшествующего уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1: JP S56-136292A

Патентный документ 2: JP H11-270810A

Патентный документ 3: JP S63-160799A

Патентный документ 4: JP S48-95337A

Патентный документ 5: JP S59-93837A

Патентный документ 6: JP S59-93838A

Патентный документ 7: JP H3-249127A

Патентный документ 8: JP H8-337819A

Непатентные документы

Непатентный документ 1: Proceedings of the Second International Conference on residual stresses, ICR2, Nancy, France, 23-25, Nov., 1988, P912-918

Непатентный документ 2: Proceedings Railroad Rail Welding, AAR, Memphis, USA, 29-30, Nov, 1983, P153-160

Сущность изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

В одном аспекте настоящего изобретения достигается решение вышеупомянутых проблем предшествующего уровня, и объектом изобретения является разработка способа эффективного получения длинного рельса, усталостная прочность которого в сварной зоне улучшена по сравнению с предшествующим уровнем.

Средства для решения проблемы

Одной целью настоящего изобретения является снижение остаточного напряжения в сварной зоне рельсов для улучшения усталостной прочности. Таким образом, настоящее изобретение заключается в следующем.

(1) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов, осуществляемый после того, как рельсы были сварены, в котором каждый рельс имеет область повторного нагрева P в шейке, и область повторного нагрева P находится на расстоянии C от центра сварного шва Q, причем расстояние C больше или равно 0,2 и меньше или равно трем длинам Lh зоны термического воздействия (HAZ) в сварной зоне рельса, т.е.

0,2Lh≤C≤3Lh.

(2) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно (1), причем область повторного нагрева P имеет длину B в продольном направлении рельса, больше или равную 0,5 и меньше или равную пяти длинам Lh зоны HAZ в сварной зоне рельсов, т.е.

0,5Lh≤B≤5Lh.

(3) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно (1) или (2), причем область повторного нагрева P имеет высоту A больше или равную 0,2 высотам Hw шейки рельса, т.е.

0,2Hw≤A.

(4) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно любому из (1)-(3), причем температура, достигаемая в процессе повторного нагрева в центре области повторного нагрева P, больше или равна 400°C и меньше или равна 750°C.

(5) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно (4), причем температура Th(°C), достигаемая в процессе повторного нагрева в центре области повторного нагрева P, находится в следующем соотношении с начальной температурой Tw(°C) сварной зоны рельсов в процессе повторного нагрева

0,375Tw+350≤Th≤0,5Tw+600

(6) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно любому из (1)-(5), причем расстояние Ch между областью Ph повторного нагрева верхушки головки и центром Q сварного шва больше или равно 0,2 и меньше или равно трем длинам Lh зоны HAZ в сварной зоне рельсов.

(7) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов согласно любому из (1)-(6), причем область Ph повторного нагрева верхушки головки имеет длину Bh, больше или равную 0,5 и меньше или равную пяти длинам Lh зоны HAZ в сварной зоне рельсов.

(8) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(7), причем область Ph повторного нагрева верхушки головки имеет ширину Ah, больше или равную 0,3 от ширины Gh головки.

(9) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(8), причем температура, достигаемая в центре области Ph повторного нагрева верхушки головки, больше или равна 400°C и меньше или равна 750°C.

(10) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(9), причем расстояние Cb между областью повторного нагрева Pb основания рельса и центром Q сварного шва больше или равно 0,2 и меньше или равно трем длинам Lh зоны HAZ в сварной зоне рельсов.

(11) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(10), причем длина Bb области Pb повторного нагрева основания рельса больше или равна 0,5 и меньше или равна пяти длинам Lh зоны HAZ в сварной зоне рельсов.

(12) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(11), причем ширина Ab области повторного нагрева основания рельса больше или равна 0,3 от ширины Gb подошвы рельса.

(13) Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов по любому из (1)-(12), причем температура, достигаемая в центре области Pb повторного нагрева основания рельса, больше или равна 400°C и меньше или равна 750°C.

Эффекты от изобретения

Согласно настоящему изобретению, остаточное напряжение в шейке рельса в сварной зоне можно уменьшить и, тем самым, затруднить образование усталостных трещин в сварной зоне.

Краткое описание чертежей

Фиг.1A является схемой, поясняющей обозначения в сварной зоне и сечении рельса, и представляет собой вид сбоку на длинный рельс в горизонтальном направлении.

Фиг.1B является разрезом по линии A-A с фиг.1A.

Фиг.1C является разрезом по линии B-B с фиг.1A в случае стыковой сварки оплавлением и газопрессовой сварки.

Фиг.1D является разрезом по линии B-B для случая сварки плавлением, как термитная сварка и закрытая электродуговая сварка.

Фиг.2A является схематическим видом стыковой сварки оплавлением, показывающим процесс оплавления.

Фиг.2B является схематическим видом стыковой сварки оплавлением, показывающим процесс обжима.

Фиг.2C является схематическим видом стыковой сварки оплавлением, показывающим процесс зачистки грата.

Фиг.3A является схематическим видом примера усталостного повреждения, образованного от шейки рельса в сварной зоне, причем поврежденная часть показана в горизонтальном направлении.

Фиг.3B является схематическим видом примера усталостного повреждения, образованного от шейки рельса в сварной зоне, причем трещина в поврежденной части открыта и показана сверху.

Фиг.4 показывает распределение остаточного напряжения в сечении по линии A-A в направлении по периметру в центре сварного шва Q сварного соединения, полученного стыковой сваркой оплавлением.

Фиг.5 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, когда колесо проходит по сварной зоне непосредственно над шпалой.

Фиг.6 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, когда колесо проходит по сварной зоне между шпалами, показана ситуация с усадочным напряжением в зимнее время.

Фиг.7 показывает распределение остаточного напряжения в сечении по линии A-A в продольном направлении в центре Q сварного соединения, полученного стыковой сваркой оплавлением.

Фиг.8A схематически поясняет механизм образования остаточного напряжения и показывает распределение температуры вдоль центральной линии D-D шейки рельса сразу после сварки.

Фиг.8B схематически поясняет механизм образования остаточного напряжения и показывает ситуацию образования напряжения в процессе естественного охлаждения после сварки.

Фиг.8C схематически поясняет механизм образования остаточного напряжения и показывает распределение остаточного напряжения вдоль центральной линии шейки D-D.

Фиг.9 является схематическим видом, показывающим способ повторного нагрева шейки 2 в сварной зоне, согласно настоящему изобретению.

Фиг.10 является схематическим видом, показывающий способ повторного нагрева шейки 2, верхушки 4 головки и основания 6 в сварной зоне, согласно настоящему изобретению.

Фиг.11 является схематическим видом распределения температуры при осуществлении повторного нагрева согласно настоящему изобретению.

Фиг.12A является схематическим видом, показывающим образование деформации и напряжения при повторном нагреве согласно настоящему изобретению, показана ситуация во время повторного нагрева.

Фиг.12B является схематическим видом, показывающим образование деформации и напряжения при осуществлении повторного нагрева согласно настоящему изобретению, показана ситуация в процессе охлаждения.

Фиг.13 является схематической диаграммой, показывающей изменение деформаций в сварной зоне и участке повторного нагрева TL, TR при осуществлении повторного нагрева согласно настоящему изобретению.

Фиг.14 является графиком, схематически показывающим соотношение между расстоянием Cw между областью Pw повторного нагрева и центром сварного шва и остаточным напряжением.

Фиг.15 является графиком, схематически показывающим соотношение между длиной Bw области Pw повторного нагрева и остаточным напряжением.

Фиг.16 является графиком, схематически показывающим соотношение между высотой Aw области Pw повторного нагрева шейки 2 и остаточным напряжением.

Фиг.17 является графиком, схематически показывающим соотношение между температурой повторного нагрева Th в области P повторного нагрева шейки 2 и остаточным напряжением.

Фиг.18 является схематическим видом, показывающим распределение температуры при осуществлении повторного нагрева из горячего состояния после сварки.

Фиг.19 является схематическим видом, показывающим распределение температуры в процессе охлаждения после проведения повторного нагрева из горячего состояния после сварки.

Фиг.20 является графиком, схематически показывающим соотношение между временем начала повторного нагрева после сварки и остаточным напряжением.

Фиг.21 является графиком, схематически показывающим влияние температуры повторного нагрева шейки на остаточное напряжение шейки в сварной зоне в вертикальном направлении.

Фиг.22 является схематическим видом, показывающим влияние температуры повторного нагрева шейки рельса на остаточное напряжение шейки на участке повторного нагрева в вертикальном направлении.

Фиг.23 является графиком, схематически показывающим соотношение между начальной температурой сварной зоны и оптимальной температурой повторного нагрева шейки рельса.

Фиг.24A является схематическим видом, показывающим распределение температуры на участке TL, TR повторного нагрева в вертикальном направлении в случае, когда повторно нагревают только шейку 2.

Фиг.24B является схематическим видом, показывающим распределение остаточного напряжения в сечении Q центра сварного шва и на участке TL, TR повторного нагрева в продольном направлении в случае, когда повторно нагревают только шейку 2.

Фиг.25A является схематическим видом, показывающим распределение температуры на участке повторного нагрева в вертикальном направлении в случае, когда в дополнении к шейке 2 повторно нагревают также головку.

Фиг.25B является схематическим видом, показывающим распределение остаточного напряжения в продольном направлении в случае, когда в дополнении к шейке 2 повторно нагревают также головку.

Фиг.26 является схематическим видом, показывающим распределение остаточного напряжения на участке TL, TR повторного нагрева и в центре Q сварного шва в продольном направлении в случае, когда в дополнении к шейке 2 повторно нагревают также верхушку 4 головки, а также основание 6.

Фиг.27 является графиком, схематически показывающим соотношение между шириной Ah области Ph повторного нагрева головки 1 и остаточным напряжением шейки в продольном направлении.

Фиг.28 является графиком, схематически показывающим соотношение между шириной Ab области Pb повторного нагрева основания 6 рельса и остаточным напряжением шейки в продольном направлении.

Фиг.29 поясняет способ испытания на усталость, относящийся к остаточному напряжению в шейке 2 в вертикальном направлении.

Фиг.30 поясняет способ испытания на усталость, относящийся к остаточному напряжению в шейке 2 в продольном направлении.

Фиг.31 поясняет способ испытания на усталость, относящийся к остаточному напряжению, приложенному к участку повторного нагрева шейки 2, в вертикальном направлении.

Варианты осуществления изобретения

Далее с обращением к приложенным чертежам будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что в этом описании и на приложенных чертежах конструктивные элементы, имеющие по существу одинаковую функцию и структуру, обозначены одинаковыми числовыми позициями, и их пояснение не повторяется.

Описание способа сварки

Сначала посредством фигур 2A-2C будет описан способ сварки, используя в качестве примера стыковую сварку оплавлением. Первой операцией стыковой сварки оплавлением является процесс создания непрерывного дугового разряда между торцевыми сторонами, который показан на фиг.2A и который называется процессом оплавления.

В процессе оплавления все торцевые поверхности свариваемого материала расплавляются. Кроме того, часть материала вблизи торцевых поверхностей размягчается из-за повышения температуры. В момент, когда достигается это состояние, прикладывается давление в осевом направлении, как показано на фиг.2B. Расплавленный металл, который имеется между торцевыми поверхностями, выталкивается в результате сдавливания, что называется обжимом, и вокруг места сварки образуется наплавленный валик.

Наплавленный валик срезают методом горячей резки и удаляют гратоснимателем, как показано на фиг.2C, при высокой температуре сразу после сварки. Этот процесс называется снятием грата.

Материал рельса

Как определено в японских стандартах JIS E1101 и JIS E1120, в качестве рельсовой стали обычно применяется эвтектоидная или доэвтектоидная углеродистая сталь, содержащая от 0,5 до 0,8 масс.% углерода. Кроме того, в других странах на железных дорогах с горнодобывающих месторождений в последние годы распространение получила рельсовая сталь, имеющая заэвтектоидный состав, с содержанием углерода более 0,8 масс.%, которая дополнительно улучшает износостойкость линий грузовых перевозок высокой нагрузки.

Далее, в случае, когда рельс используется на железной дороге, размер поперечного сечения рельса выбирается в зависимости от веса товарных вагонов на маршруте. То есть на отрезках, где проходят тяжелые товарные вагоны, выбираются рельсы с большой жесткостью и большим размером сечения.

Механизм образования остаточных напряжений после сварки

Далее описывается идея авторов изобретения о механизме образования чрезмерно большого остаточного напряжения в шейке рельса в вертикальном направлении [o2] при сварке рельсов.

Фиг.8B показывает распределение температуры R1 и R2 и направления, в которых во время охлаждения возникает усадочная деформация. В центре Q сварного шва снижение температуры со временем большое, и усадочная деформация Eq велика. С другой стороны, температура в периферийной части зоны сварки, такой как ML или MR, изначально низкая, следовательно, величина падения температуры также мала, и усадочная деформация Em мала. Разница этих усадочных деформаций вызвана следующим: если взять за точку отсчета центр Q сварного шва, то центр Q сварного шва находится в состоянии, где усадка ограничена по периферии, так что возникает растягивающее напряжение; а если взять за точку отсчета периферийную часть ML, MR, которая находится на расстоянии от центра Q сварного шва, периферийная часть ML, MR находится в состоянии, когда от усадочной деформации Eq в зоне сварки прикладывается сжимающее напряжение. В результате, как показано на фиг.8C, в центре Q сварного шва создается большое растягивающее напряжение в вертикальном направлении, а на периферии создается сжимающее напряжение. На фигуре положительные значения относятся к состоянию растяжения, а отрицательные значения - к состоянию сжатия. На положение точек VL, VR, где состояние меняется от растяжения к сжатию, влияет длина зоны сварки, нагретой до высокой температуры в продольном направлении рельса. Длина зоны сварки, нагретой до высокой температуры, может быть представлена длиной HAZ в сварной зоне. Таким образом, при увеличении длины зоны HAZ возрастает длина области зоны сварки, нагретой до высокой температуры.

Согласно описанному выше, при увеличении длины Lh зоны HAZ распределение температуры в продольном направлении рельса становится более крутым, и остаточное напряжение в центре Q сварного шва в вертикальном направлении увеличивается. По этой причине в периферийной части ML, MR, которая отдалена от центра Q сварного шва, остаточное сжимающее напряжение увеличивается.

В способе сварки под давлением, как стыковая сварка оплавлением или газопрессовая сварка, длина Lh зоны HAZ определяется расстоянием между граничными линиями HAZ, X, показанными на фиг.1C. Аналогично, при сварке с плавлением, как термитная сварка, длина Lh зоны HAZ определяется как расстояние между граничными линиями X зоны HAZ, показанными на фиг.1D, но сварка с плавлением отличается от способа сварки под давлением тем, что фаза наплавленного металла находится в пределах длины HAZ. При таком определении длины Lh зоны HAZ положение VL, VR соответствует положению, находящемуся на расстоянии примерно Lh от центра Q сварного шва.

При стыковой сварке оплавлением вызывают оплавление между торцевыми поверхностями рельсов, установленных напротив друг друга, и температуру торцевых поверхностей увеличивают выше, чем температура плавления 1300-1400°C. С другой стороны, электрод 9 (см. фиг.2A-2C) для подачи энергии охлаждают водой, чтобы подавить износ, вызываемый эрозией и подобным. Соответственно, материал рельса охлаждается водоохлаждаемым электродом 9, и температура материала рельса вблизи электрода 9 составляет порядка 300°C даже в конце сварки. Место установки электрода 9 на рельс обычно отстоит примерно на 100 мм от свариваемой торцевой поверхности. По завершении сварки в пределах расстояния примерно 100 мм между электродом 9 и торцевой поверхностью имеется разница температур около 1000°C. Фиг.8A является схематическим видом, показывающим распределение температуры у шейки рельса в сварной зоне, причем кривая Rwo показывает распределение температуры сразу после сварки, и материал рельса имеет самый резкий градиент температуры из всех способов сварки рельсов.

С другой стороны, способ термитной сварки является способом, включающим инжекцию высокотемпературной расплавленной стали, чтобы тем самым расплавить торцевые поверхности рельса, при этом способе быстро устанавливается второе, за способом стыковой сварки оплавлением, из наиболее крутых распределений температуры в продольном направлении рельса.

При газопрессовой сварке окрестность торцевых поверхностей нагревается до примерно 1000°C из-за теплоты вблизи торцевых поверхностей рельса, которые должны свариваться под давлением, и газопрессовая сварка имеет следующее по очереди, после способа термитной сварки в продольном направлении рельса, самое резкое распределение температуры.

Образование остаточного напряжения в шейке в вертикальном направлении наиболее значительно при стыковой сварке оплавлением, где градиент температуры является самым резким, и остаточное напряжение снижается при уменьшении неравномерности температуры в следующем порядке: термитная сварка и газопрессовая сварка. Настоящее изобретение эффективно для любого из этих способов сварки.

При закрытой электродуговой сварке металл сварного шва наплавляют путем сварки вручную последовательно от нижней части рельса, затрачивая час или более рабочего времени. В начале сварки температура подошвы 3 рельса высокая, и с продвижением сварки сварная зона доходит до шейки 2, а затем до головки 1 рельса. Соответственно, по мере продвижения сварки вокруг сварной зоны 7 возникают сложные температурные деформации и напряжения. Можно полагать, что способ снижения остаточного напряжения согласно настоящему изобретению может быть также эффективным для закрытой электродуговой сварки.

Место повторного нагрева сварной зоны

Настоящее изобретение дает способ эффективного снижения остаточного напряжения путем повторного нагрева сварного соединения. Сначала будет описано положение повторного нагрева сварной зоны.

Способ повторного нагрева сварной зоны рельсов раскрыт в патентном документе 3 и является известной технологией. В случае повторного нагрева основного материала рельса повторный нагрев, реализуемый в большей области, чем часть, в которой остаточное растягивающее напряжение образовано с самого начала, может снизить остаточное напряжение, но это снижение недостаточно. Причина недостаточности снижения в том, что когда повторно нагревают сварную зону, снова возникает распределение температуры, похожее на распределение, имеющееся во время сварки, показанное на фиг.8B, и после повторного нагрева снова возникают деформация и напряжение.

Настоящее изобретение отличается тем, что в целях снижения остаточного напряжения областью повторного нагрева является не сама сварная зона, а основной материал рельса вокруг сварной зоны.

Ниже в описании варианта осуществления настоящего изобретения сначала будет рассмотрена область повторного нагрева согласно настоящему изобретению. На фиг.9 Pw обозначает область повторного нагрева шейки 2, Aw обозначает высоту области повторного нагрева, Bw обозначает ширину области повторного нагрева, и Cw обозначает расстояние между областью повторного нагрева и центром Q сварного шва.

Фиг.10 показывает случай повторного нагрева, наряду с шейкой 2, верхушки 4 головки или основания 6 рельса. Ph обозначает область повторного нагрева верхушки 4 головки, Ah и Ab обозначают ширины (длины в направлении ширины, перпендикулярном продольному направлению) областей повторного нагрева верхушки 4 головки и основания 6 рельса, соответственно, Bh и Bb обозначают длины (длины в продольном направлении) областей повторного нагрева верхушки 4 головки и основания 6 рельса, соответственно, и Ch и Cb обозначают расстояние между областью повторного нагрева верхушки 4 головки и центром Q сварного шва и расстояние между областью повторного нагрева основания 6 рельса и центром Q сварного шва, соответственно.

Отметим, что область Ph повторного нагрева верхушки 4 головки или область Pb повторного нагрева основания 6 рельса может непрерывно соединяться с областью Pw повторного нагрева шейки 2.

Описание механизма снижения остаточного напряжения, вызванного повторным нагревом, согласно одному варианту настоящего изобретения

Далее описывается изменение температуры в шейке 2 рельса, вызванное повторным нагревом шейки 2 на периферии сварной зоны. На фиг.11 R1 схематически показывает распределение температуры сразу после повторного нагрева вдоль центральной по высоте линии D-D шейки 2, а R2 схематически показывает распределение температуры по линии D-D по прошествии некоторого периода времени после повторного нагрева.

Фиг.12A показывает ситуацию образования деформации вокруг сварной зоны в это время.

Как показано на фиг.8C, остаточное растягивающее напряжение присутствует в центре Q сварного шва, а сжимающее остаточное напряжение присутствует вблизи участка повторного нагрева. При начале повторного нагрева участок TL, TR повторного нагрева создает деформационное расширение Et из-за повышения температуры. Эта деформация создает растягивающее напряжение Sq в центре Q сварного шва в вертикальном направлении. При дальнейшем повышении температуры снижается предел текучести из-за повышения температуры, и это замедляет увеличение напряжения и постепенно вызывает переход от увеличения к уменьшению.

Далее, фиг.12B показывает ситуацию с деформ