способ контактной стыковой сварки оплавлением стальных рельсов

Формула изобретения

Способ контактной стыковой сварки оплавлением стальных рельсов, включающий оплавление рельсов и осадку на заданный припуск, в процессе которой определяют усилие сдавливания, отличающийся тем, что в процессе осадки определяют удельное усилие сдавливания как частное от деления усилия сдавливания на площадь поперечного сечения рельса, по которому судят о тепловложении в свариваемые рельсы при оплавлении, сравнивают вычисленное значение удельного усилия сдавливания с пороговым значением удельного усилия сдавливания, при равенстве вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания цикл сварки завершают, а при превышении вычисленным значением удельного усилия сдавливания порогового значения определяют разность между вычисленным и пороговым значениями, которую используют в качестве количественного показателя электрической энергии, требуемой для дополнительного ввода в сварное соединение, определяют произведение разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, лежащую в пределах от 0,7 до 0,85 кВт×ч×мм²/кг в зависимости от марки стали рельсов, подают на сварное соединение напряжение и контролируют количество дополнительно вложенной электрической энергии, причем при достижении дополнительно вложенной электрической энергией значения, определяемого произведением разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, напряжение отключают, а цикл сварки завершают.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области контактной стыковой сварки оплавлением и может быть использовано при сварке главным образом железнодорожных рельсов.

При контактной стыковой сварке оплавлением для получения качественных сварных соединений большое значение имеет стабильность разогрева свариваемых торцов при массовом производстве сварочных работ. Это значит, что для достижения повторяемости показателей качества сварки требуется от сварки к сварке получать оптимальную по ширине и по градиенту температурного поля зону нагрева для каждого конкретного вида деталей и их материала. Отклонения как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения ширины зоны разогрева неизбежно влекут за собой снижение показателей качества сварки (С.И.Кучук-Яценко, «Контактная стыковая сварка оплавлением», «Наукова думка», Киев, 1992, стр.155-158).

Известен способ регулирования процесса контактной стыковой сварки по SU №241567, при котором командный импульс на включение механизма осадки подают в зависимости от нагрева свариваемых деталей до заданной температуры. В качестве заданной температуры разогрева принимают точку Кюри, а командный импульс подают с помощью электромагнитного устройства, измеряющего величину зоны разогрева свариваемых торцов. Теоретически этот способ позволяет стабилизировать температурное поле при сварке. Однако, практическая его реализация связана с определенными трудностями. Вследствие взрывообразного характера оплавления деталей, при котором из зоны сварки постоянно летят искры, достоверность измерения степени разогрева торцов деталей будет весьма низкой.

Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением по SU №1660896, при котором во время оплавления деталей изменяют направление скорости перемещения деталей путем их сближения и разведения в зависимости от разности измеренной и заданной величин суммарного сопротивления элементарных контактов, при котором во время оплавления определяют число циклов сближение-разведение в каждом из равных друг другу отрезков времени и после снижения числа циклов до значения, при котором на оплавляемых торцах образуется сплошная жидкая пленка металла, осуществляют осадку.

В этом случае по изменению числа циклов сближение-разведение судят о характере разогрева торцов деталей, что положительно сказывается на стабилизации качества получаемых сварных соединений. Однако, применение этого способа позволяет лишь косвенно судить о характере разогрева деталей по нагреву слоев металла, которые непосредственно примыкают к оплавляемым торцам.

Известен способ регулирования процесса контактной стыковой сварки оплавлением по SU №1454606, включающий выделение из сварочного тока высокочастотных пульсаций и формирование по ним управляющего сигнала, при котором на этапе оплавления непрерывно измеряют частоту высокочастотных пульсаций сварочного тока, а управляющий сигнал на осадку подают после достижения высокочастотными пульсациями заранее заданного значения, которое соответствует наступлению квазистационарного теплового состояния оплавляемых торцов.

В данном случае, как и в предыдущем, по достижении высокочастотными пульсациями заранее заданной частоты судят о достижении определенного теплового состояния оплавляемых торцов, что ведет к стабилизации разогрева. Однако, например при колебаниях напряжения питающей сети от сварки к сварке, достижение квазистационарного теплового состояния не является гарантией получения одинакового температурного поля в свариваемых деталях. Это связано с тем, что каждому значению сварочного напряжения соответствует определенное квазистационарное тепловое состояние, а именно, при повышении напряжения зона разогрева по достижении квазистационарного состояния становится уже, а при снижении напряжения - соответственно шире, т.е. не в полной мере достигается поставленная цель.

Известен способ пульсирующего оплавления, в основу программирования параметров которого положено то, что весь процесс оплавления разбивается на три этапа (С.И.Кучук-Яценко «Контактная стыковая сварка оплавлением», «Наукова думка», Киев - 1992, стр.124). Этот способ выбран в качестве прототипа к предлагаемому техническому решению. На первом этапе устанавливают заданные значения сварочного напряжения и скорости подачи. В процессе возбуждения оплавления средняя скорость корректируется регулятором скорости, а сварочное напряжение остается постоянным. После возбуждения оплавления по всему сечению сварочное напряжение снижают и переходят ко второму этапу. Чтобы обеспечить требуемую стабильность нагрева, кроме длительности второго этапа задают расход энергии. Скорость и сварочное напряжение повышают перед осадкой и переходят к третьему этапу оплавления.

Программирование процесса оплавления по расходу энергии на втором этапе в целом положительно сказывается на стабильности нагрева деталей. Однако, как известно, не вся расходуемая во время оплавления энергия идет на нагрев деталей. Часть энергии расходуется на перегрев металла контактных перемычек и их взрывообразное разрушение, а следовательно, теряется. Другая ее часть идет на прогрев глубинных слоев металла, особенно при продолжительных коротких замыканиях деталей в процессе оплавления. Т.е. данному способу контактной стыковой сварки, в меньшей мере, но все же присущи недостатки, которые имеют место при колебаниях напряжения питающей сети, описанные выше в отношении предыдущего способа-аналога.

Целью предлагаемого технического решения является повышение качества сварного соединения за счет стабилизации нагрева свариваемых деталей при массовом производстве сварочных работ (например, при сварке железнодорожных рельсов).

Поставленная цель достигается тем, что предлагается способ контактной стыковой сварки оплавлением стальных рельсов, включающий оплавление рельсов и осадку на заданный припуск, в процессе которой определяют усилие сдавливания, отличающийся тем, что в процессе осадки определяют удельное усилие сдавливания как частное от деления усилия сдавливания на площадь поперечного сечения рельса, по которому судят о тепловложении в свариваемые рельсы при оплавлении, сравнивают вычисленное значение удельного усилия сдавливания с пороговым значением удельного усилия сдавливания, определенным опытным путем, при равенстве вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания цикл сварки завершают, а при превышении вычисленным значением удельного усилия сдавливания порогового значения определяют разность между вычисленным и пороговым значением, которую используют в качестве количественного показателя электрической энергии, требуемой для дополнительного ввода в сварное соединение, определяют произведение разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, лежащую в пределах от 0,7 до 0,85 кВт×час×мм²/кг в зависимости от марки стали рельсов, подают на сварное соединение напряжение и контролируют количество дополнительно вложенной электрической энергии, причем, при достижении дополнительно вложенной электрической энергией значения, определяемого произведением разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, напряжение отключают, а цикл сварки завершают.

Значение константы С из представленного выше диапазона подбирают опытным путем для каждой марки рельсовой стали, чем выше твердость стали, тем большим следует выбирать значение константы С.

Рассмотрим более подробно процесс сварки рельсов при реализации предлагаемого технического решения. Собственно процесс оплавления рельсов выполняют одним из используемых в настоящее время на рельсосварочных предприятиях методом (например, методом пульсирующего оплавления с программным изменением напряжения, с программированием по перемещению подвижной колонны сварочной машины).

На этапе осадки измеряют усилие сдавливания рельсов (например, при помощи датчика давления, устанавливаемого в одной из полостей гидроцилиндра осадки), и, соотнося его к площади поперечного сечения рельса, вычисляют удельное усилие сдавливания.

По величине вычисленного удельного усилия сдавливания при осадке судят о нагреве деталей, выполненном на этапе оплавления. Чем ниже вычисленное значение удельного усилия сдавливания, тем больше были нагреты детали и наоборот - чем меньше вычисленное значение удельного усилия сдавливания, тем меньше их разогрев.

При сварке рельсов удельное усилие сдавливания, которое обеспечивает получение качественных сварных соединений, лежит в пределах от 4 до 6 кг/мм² , причем деформация распространяется в основном на приконтактный слой, температура которого выше 1000°С (С.И.Кучук-Яценко, В.К.Лебедев, «Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением», «Наукова думка», Киев, 1976, стр.139). Исходя из этого, а также на основании данных, полученных опытным путем для каждой конкретной марки рельсовой стали, выбирают пороговое значение удельного усилия сдавливания, обеспечивающее качество сварки (например, 4 кг/мм² для рельсовой стали марки Э76Ф).

Рассмотрим возможные случаи, которые могут иметь место при определении удельного усилия сдавливания во время осадки рельсов.

Вычисленное удельное усилие сдавливания равно пороговому значению удельного усилия сдавливания. В этом случае зона термического влияния, полученная на этапе оплавления, соответствует требуемой для получения качественного сварного соединения. Поэтому, после сравнения вычисленного удельного усилия сдавливания с пороговым значением удельного усилия сдавливания цикл сварки завершают.

Вычисленное удельное усилие сдавливания превышает пороговое значение удельного усилия сдавливания. В этом случае зона термического влияния, полученная на этапе оплавления, уже оптимальной, которая требуется для получения качественного сварного соединения. Причиной возникновения подобной ситуации как правило является повышение напряжения питающей сети, приводящее к ужесточению процесса оплавления. В результате механические свойства сварного соединения ухудшаются вследствие образования в металле шва при его слишком быстром остывании после окончания цикла сварки закалочных структур и микротрещин. Однако, в данном случае качество сварного соединения можно повысить путем дополнительного вложения тепла в сварное соединение непосредственно после завершения этапа осадки, что приведет к снижению скорости остывания сварного соединения и как результат к уменьшению остаточных напряжений, а также предотвратит образование закалочных структур и микротрещин.

Поэтому определяют разность между вычисленным и пороговым значениями удельного усилия сдавливания, которую используют в качестве количественного показателя электрической энергии, требуемой для дополнительного ввода в сварное соединение, определяют произведение разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, лежащую в пределах от 0,7 до 0,85 кВт×час×мм ²/кг в зависимости от марки стали рельсов, подают на сварное соединение напряжение и контролируют количество дополнительно вложенной электрической энергии, причем, при достижении дополнительно вложенной электрической энергией значения, определяемого произведением разности вычисленного и порогового значений удельного усилия сдавливания на константу С, напряжение отключают, а цикл сварки завершают.

В результате формируется зона термического влияния, необходимая для получения качественного сварного соединения при его остывании.

Применение предлагаемого технического решения позволяет более точно контролировать изменение физического состояния металла свариваемых рельсов при возможных отклонениях в ходе процесса. Так, например, при колебаниях напряжения питающей сети или при коротких замыканиях свариваемых деталей в автоматическом режиме происходит компенсация указанных колебаний. При этом энерговложение в свариваемые рельсы остается постоянным. В результате повышается качество получаемых сварных соединений за счет стабилизации нагрева.

Из сравнительного анализа предлагаемого способа контактной стыковой сварки оплавлением рельсов с прототипом и аналогами видно, что предлагаемое техническое решение отличается новизной и существенными отличиями, а также позволяет достичь поставленной цели.

Целесообразность использования предлагаемого технического решения была проверена на контактной стыкосварочной машине К-355 при сварке рельсов Р65 из электростали трех различных марок. Химический состав этих рельсовых сталей по ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные» приведен в таблице 1. Управление процессом сварки осуществляли при помощи промышленного контроллера фирмы FASTWELL.

Таблица 1.
Марка стали	Массовая доля элементов, %
	С	Mn	Si	V	Ti	Cr	Al
Э76Ф	0,71-0,82	0,75-1,05	0,25-0,45	0,03-0,15	-	-	0,020
Э76Т	0,71-0,82	0,75-1,05	0,25-0,45	-	0,007-0,025	-	0,020
Э78ХСФ	0,74-0,82	0,75-1,05	0,40-0,80	0,05-0,15	-	0,40-0,60	0,005

Сваривали шесть партий образцов рельсов, по 10 стыков в каждой партии. После сварки были проведены сравнительные испытания образцов рельсов на статический трехточечный изгиб с приложением нагрузки на головку рельса, с регистрацией разрушающей нагрузки и стрелы прогиба. Испытания проводились в соответствии с требованиями ТУ 0921-057-01124328-98 «Рельсы железнодорожные сварные».

Партии №1 (сталь марки Э76Ф), №2 (сталь марки Э76Т), №3 (сталь Э78ХСФ) образцов рельсов были сварены согласно способу по прототипу с использованием режима, применяемого в настоящее время на рельсосварочных предприятиях РФ для соединения рельсов Р65. Напряжение сварки на начальном и конечном этапах оплавления было 7,2 В, на втором этапе - 5,4 В. На втором этапе оплавления контролировали расход электрической энергии и после достижения величины 2,8 кВт×час переходили к конечному этапу оплавления и осадке. Припуск на осадку был 12 мм.

Партию №4 (сталь марки Э76Ф) образцов рельсов сваривали согласно способу по предлагаемому техническому решению. Оплавление рельсов выполняли с такими же значениями параметров режима, как и при сварке по прототипу к предлагаемому техническому решению. Припуск на осадку также был 12 мм. При осадке рельсов определяли усилие сдавливания, вычисляли удельное усилие сдавливания путем деления усилия сдавливания на площадь поперечного сечения (для рельса Р65 - 8300 мм²), сравнивали удельное усилие сдавливания с пороговым значением (4 кг/мм ²), при превышении вычисленным значением удельного усилия сдавливания порогового значения на сварное соединение подавали напряжение 5,4 В, измеряли вкладываемую в сварное соединение электрическую энергию, напряжение отключали, когда вложенная электрическая энергия достигала значения, определяемого произведением разности между измеренным и пороговым удельным усилием сдавливания на константу С, значение которой для рельсов из электростали опытным путем было выбрано равным 0,75 кВт×час×мм ²/кг (8 сварных соединений из 10 в партии), при равенстве вычисленного и порогового значения удельного усилия сдавливания цикл сварки завершали без подачи напряжения (2 сварных соединения из 10 в партии).

Партию №5 (сталь марки Э76Т) сваривали точно так же, как и партию №4, за исключением того, что в данном случае пороговое значение удельного усилия сдавливания было выбрано равным 4,2 кг/мм², а значение константы С - равным 0,78 кВт×час×мм²/кг. При сварке данной партии в 9 случаях из 10 вычисленное значение удельного усилия сдавливания превышало пороговое значение, в 1 случае из 10 они были равны.

Партию №6 (сталь марки Э78ХСФ) сваривали точно так же, как и партию №4, за исключением того, что в данном случае пороговое значение удельного усилия сдавливания было выбрано равным 4,8 кг/мм², а значение константы С - равным 0,83 кВт×час×мм ²/кг. При сварке данной партии в 8 случаях из 10 вычисленное значение удельного усилия сдавливания превышало пороговое значение, в 2 случаях из 10 они были равны.

Для иллюстрации приведем более подробное описание одного из циклов сварки образцов рельсов партии №4.

Усилие сдавливания при осадке: 45 тонн (45000 кг).

Вычисляем удельное усилие сдавливания: 45000 кг/8300 мм²=5,42 кг/мм².

Пороговое значение удельного усилия сдавливания: 4,00 кг/мм ².

Определяем разность между вычисленным и пороговым значением: 5,42-4,00=1,42 кг/мм². Значение константы С: 0,75 кВт×час×мм² /кг. Определяем количество электрической энергии, которое нужно вложить в сварное соединение: 1,42 кг/мм² × 0,75 кВт×час×мм²/кг = 1,06 кВт×час.

Подаем напряжение 5,4 В на сварное соединение и контролируем количество вложенной электрической энергии, при достижении 1,06 кВт×час отключаем напряжение (время подачи напряжения составило 14 секунд).

Результаты испытаний сваренных образцов рельсов приведены в таблице 2. Данные свидетельствуют о стабилизации результатов испытаний, повышении прочности сварных соединений рельсов, увеличении стрелы прогиба при использовании предлагаемого способа контактной стыковой сварки оплавлением рельсов в сравнении с прототипом.

Из приведенного выше примера видно, что использование предлагаемого технического решения позволяет повысить качество получаемых сварных соединений рельсов за счет стабилизации нагрева свариваемых деталей при массовом производстве сварочных работ (например, при сварке железнодорожных рельсов).

Таблица 2.
Номер партии образцов	Разрушающая нагрузка, Т	Стрела прогиба, мм
1
2
3
4
5
6