RU2797491C1 - Method for welding the crosspiece made of manganese steel with a rail made of carbon steel - Google Patents

Abstract

FIELD: railway transport.

SUBSTANCE: superstructure of a railway track, in particular, methods for welding a crosspiece and a rail. The austenitic chromium nickel steel spacer is bonded to the carbon steel rail by resistance fusion welding and cut to the minimum length. A protrusion is made in the area of the web of the insert from the side of the rail. A recess is made at the end of the rail. The recess surfaces are parallel to the surfaces of the protrusion of the spacer. In the final connection, a spacer of chromium-nickel steel of the original composition is provided. Cooled in natural conditions and connected to the manganese steel crosspiece by fusion welding.

EFFECT: increasing of crack resistance of the joint.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано на железнодорожном транспорте для соединения рельсовых заготовок из аустенитной и углеродистой сталей, например, для соединения крестовин стрелочных переводов из марганцовистой стали с рельсами из углеродистых сталей.The present invention relates to welding production and can be used in railway transport for connecting rail blanks made of austenitic and carbon steels, for example, for connecting crosspieces of turnouts made of manganese steel with rails made of carbon steels.

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 стыковой 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 происходит 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. A known method (I.Z. Genkin. Welded rails and turnouts. - Path. - 2000. - N 12. - S. 14-20) welding crosses made of high manganese steel 110G13L with rails made of carbon steel rail M76, according to which the connection of these elements of the turnout is carried out by butt resistance welding by the method of pulsating flashing. In order to avoid the formation of hardening structures and cracks, an intermediate insert made of austenitic chromium-nickel steel 12X18H10T is welded between the turnout cross and the rail. During prolonged heating of high-manganese steel 110G13L, the austenitic structure decomposes, accompanied by the release of carbides. As a result, the steel becomes brittle. In order to avoid overheating and embrittlement of steel 110G13L, the welded joint between the cross and the intermediate insert made of steel 12Kh18N10T is subjected to accelerated cooling with an air-water mixture.

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 при эксплуатации железнодорожных стрелочных переводов.However, this method has a significant drawback, which is as follows. During welding between the rail and the intermediate insert, as a result of carbon diffusion from M76 rail steel into 12X18H10T austenitic steel and diffusion of alloying elements (nickel and chromium) from 12X18H10T steel into M76 steel, a highly alloyed high-carbon interlayer is formed in the weld. Even with slow cooling of the weld, brittle martensite appears in place of this interlayer. As a result, the weld is brittle. Under dynamic loading, due to the impact of the wheels of railway cars, cracks may form along the martensite layer, which is unacceptable during the operation of railway turnouts.

Известен также способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали (патент Австрии № 350881). Для обеспечения требуемого качества сварного соединения способ предполагает введение в зону между крестовиной из стали 110Г13Л и заготовкой из высокоуглеродистой рельсовой стали промежуточной вставки из хромоникелевой аустенитной стали. Рельс из углеродистой стали посредством стыковой контактной сварки плавлением соединяют с промежуточной вставкой из аустенитной хромоникелевой стали (например, Х18Н10Т). 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. нельзя допустить чтобы между соединяемыми деталями отсутствовала вставка из 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 контактной сварки плавлением соединяют крестовину из высокомарганцовистой стали с другой стороны промежуточной вставки.There is also known a method of welding a manganese steel cross with a carbon steel rail (Austrian patent No. 350881). To ensure the required quality of the welded joint, the method involves introducing an intermediate insert made of chromium-nickel austenitic steel into the zone between the crosspiece made of 110G13L steel and the workpiece made of high-carbon rail steel. The carbon steel rail is connected by butt fusion welding to an intermediate insert made of austenitic chromium-nickel steel (for example, Kh18N10T). The insert is then cut to a length of less than 25 mm. Considering that the insert is subsequently heated and precipitated (compressed) from the second side, the minimum length of the insert should not allow its complete extrusion, i.e. it must not be allowed that between the parts to be joined there was no insert made of austenitic chromium-nickel steel of the original composition. After trimming the insert, the resulting welded joint is subjected to heat treatment to eliminate martensite in the weld. Heat treatment consists in annealing the object at a temperature of 350-1000°C for 2-5 hours. After the heat treatment is performed, the high manganese steel cross is connected to the other side of the intermediate insert by means of butt fusion welding.

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). В-третьих, избавиться от присутствия охрупчивающего мартенсита не удается даже после длительной термической обработки, поскольку эта структура в высоколегированном сплаве с повышенным содержанием углерода может возникать даже в условиях медленного охлаждения материала. However, this method has significant disadvantages. First, the process is lengthy. The long duration of the process is associated with the need to perform the annealing operation of the first weld. Annealing is performed within 2-5 hours. Secondly, the annealing process is energy intensive, which is due to the large mass of products and the need to maintain a high temperature (350-1000°C). Thirdly, it is not possible to get rid of the presence of embrittling martensite even after prolonged heat treatment, since this structure in a highly alloyed alloy with a high carbon content can appear even under conditions of slow cooling of the material.

Кроме того, известен способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали (патент РФ № 2361030), выбранный за прототип. Как и описанный ранее аналог, этот способ предполагает введение в зону между крестовиной из высокомарганцовистой стали Гадфильда 110Г13Л и заготовкой из высокоуглеродистой рельсовой стали промежуточной вставки из хромоникелевой аустенитной стали. При этом с целью повышения трещиностойкости сварного соединения между заготовками из рельсовой стали и хромоникелевой стали вваривают дополнительную вставку из углеродистой стали, содержание углерода в которой меньше, чем в рельсовой стали. Образующиеся при вваривании этой вставки сварные швы являются менее хрупкими по сравнению со сварными швами между рельсовой сталью и хромоникелевой аустенитной сталью. Преимуществом такого способа формирования сварных соединений является отсутствие необходимости длительной термической обработки полученных конструкций. В то же время этот способ обладает недостатком, который заключается в необходимости формирования дополнительного сварного шва, что сопровождается увеличением трудоемкости технологического процесса.In addition, there is a method for welding a manganese steel cross with a carbon steel rail (RF patent No. 2361030), selected as a prototype. Like the analogue described earlier, this method involves the introduction of an intermediate insert made of chromium-nickel austenitic steel into the zone between the crosspiece made of high-manganese steel Hadfield 110G13L and the workpiece made of high-carbon rail steel. At the same time, in order to increase the crack resistance of the welded joint between the billets of rail steel and chromium-nickel steel, an additional carbon steel insert is welded in, the carbon content of which is lower than in rail steel. The welds formed by welding this insert are less brittle compared to the welds between rail steel and chromium-nickel austenitic steel. The advantage of this method of formation of welded joints is the absence of the need for long-term heat treatment of the resulting structures. At the same time, this method has a disadvantage, which is the need to form an additional weld, which is accompanied by an increase in the complexity of the process.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали. The objective of the present invention is to provide a method for welding a manganese steel cross with a carbon steel rail.

Технический результат заключается в снижении трудоемкости процесса сварки, увеличении длины сварного шва и повышении трещиностойкости сварного соединения в процессе его эксплуатации.The technical result consists in reducing the complexity of the welding process, increasing the length of the weld and increasing the crack resistance of the welded joint during its operation.

Поставленный технический результат достигается тем, что в известном способе сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали, заключающемся в том, что промежуточную вставку из аустенитной хромоникелевой стали, соединяют посредством стыковой контактной сварки плавлением с рельсом из углеродистой стали, обрезают до минимальной длины, обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания соединяемых элементов вставку аустенитной хромоникелевой стали исходного состава, проводят охлаждение в естественных условиях, соединяют посредством стыковой контактной сварки плавлением с крестовиной из марганцовистой стали, при этом в зоне шейки промежуточной вставки со стороны, ориентированной к рельсу, формируют выступ, а на торце рельса формируют выемку, поверхности которой параллельны поверхностям выступа промежуточной вставки.The stated technical result is achieved by the fact that in the known method of welding a manganese steel cross with a carbon steel rail, which consists in the fact that the intermediate insert of austenitic chromium-nickel steel is connected by means of butt flash welding with a carbon steel rail, cut to a minimum length , providing in the final welded joint after heating and upsetting the elements to be joined, the insert of austenitic chromium-nickel steel of the original composition is cooled in natural conditions, connected by butt flash welding with a manganese steel cross, while in the zone of the neck of the intermediate insert from the side oriented to the rail , a protrusion is formed, and a recess is formed at the end of the rail, the surfaces of which are parallel to the surfaces of the protrusion of the intermediate insert.

На чертеже показана схема расположения элементов (вид сбоку), подготовленных к процессу стыковой контактной сварки, и поперечное сечение рельса, где 1 - рельс, 2 - промежуточная вставка, 3 - крестовина.The drawing shows the layout of the elements (side view) prepared for the butt welding process, and the cross section of the rail, where 1 - rail, 2 - intermediate insert, 3 - cross.

Между рельсом 1 из высокоуглеродистой рельсовой стали и крестовиной 3 из марганцовистой стали располагается промежуточная вставка 2 из хромоникелевой стали. Из чертежа следует, что в зоне шейки на промежуточной вставке 2 с одной стороны, ориентированной в направлении к рельсу 1, сформирован выступ. На торце рельса 1 подготовлена выемка, поверхности которой параллельны поверхностям выступа промежуточной вставки 2. В процессе стыковой контактной сварки поверхности клина и выемки оплавляются. После осадки металла и кристаллизации расплавленного металла формируется криволинейный сварной шов, площадь поверхности которого превышает площадь поверхности прямолинейного шва. Криволинейный сварной шов, характеризующийся увеличенной площадью, способен выдержать более высокую нагрузку по сравнению с прямым швом. Between the rail 1 of high-carbon steel rail and the cross 3 of manganese steel is an intermediate insert 2 of chromium-nickel steel. From the drawing it follows that in the area of the neck on the intermediate insert 2 on one side, oriented in the direction of the rail 1, a ledge is formed. At the end of the rail 1, a recess is prepared, the surfaces of which are parallel to the surfaces of the protrusion of the intermediate insert 2. In the process of butt flash welding, the surfaces of the wedge and the recess are melted. After metal precipitation and crystallization of the molten metal, a curvilinear weld is formed, the surface area of which exceeds the surface area of a straight weld. A curved weld, characterized by an increased area, is able to withstand a higher load than a straight weld.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

На первом этапе промежуточную вставку 2 из хромоникелевой аустенитной стали длиной, достаточной для закрепления в сварочной машине, посредством стыковой контактной сварки плавлением присоединяют к рельсу 1 из углеродистой стали. При этом расположенный на торце промежуточной вставки выступ входит в выемку рельса. Далее вставку обрезают до минимальной длины, обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания элементов присутствие прослойки из хромоникелевой аустенитной стали. После сварки производят охлаждение стыка в естественных условиях. Дополнительной термической обработки полученный сварной шов не требует. Последней выполняют сварку марганцовистой крестовины 3 с полученным соединением. Данный сварной шов закаляют воздушно-водяной смесью.In the first step, an intermediate insert 2 made of chromium-nickel austenitic steel with a length sufficient to be fixed in a welding machine is attached to the carbon steel rail 1 by means of butt fusion welding. In this case, the protrusion located at the end of the intermediate insert enters the recess of the rail. Next, the insert is cut to the minimum length, which ensures the presence of a layer of chromium-nickel austenitic steel in the final welded joint after heating and upsetting of the elements. After welding, the joint is cooled in natural conditions. The resulting weld does not require additional heat treatment. The last to perform welding manganese cross 3 with the resulting connection. This weld is hardened with an air-water mixture.

При выполнении сварки по патенту РФ № 2361030, являющемуся прототипом, снижение степени охрупчивания сварного соединения достигают путем введения дополнительного элемента – промежуточной вставки из углеродистой стали, содержание углерода в которой меньше по сравнению с рельсовой сталью. В предлагаемом изобретении снижение опасности хрупкого разрушения достигается за счет увеличения площади сварного шва путем изменения формы торцов рельсовой заготовки и хромоникелевой вставки. Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет отказаться от введения в зону сварки дополнительной промежуточной вставки, снизив при этом трудоемкость технологического процесса и обеспечив повышенный уровень трещиностойкости сварного соединения. When performing welding according to RF patent No. 2361030, which is a prototype, the reduction in the degree of embrittlement of the welded joint is achieved by introducing an additional element - an intermediate insert made of carbon steel, the carbon content of which is lower compared to rail steel. In the present invention, the risk of brittle fracture is reduced by increasing the area of the weld by changing the shape of the ends of the rail blank and the chromium-nickel insert. Thus, the application of the proposed method makes it possible to refuse the introduction of an additional intermediate insert into the welding zone, while reducing the labor intensity of the technological process and providing an increased level of crack resistance of the welded joint.

Claims (1)

Способ сварного соединения крестовины из марганцовистой стали с рельсом из углеродистой стали, заключающийся в том, что промежуточную вставку из аустенитной хромоникелевой стали соединяют посредством стыковой контактной сварки плавлением с рельсом из углеродистой стали, обрезают до минимальной длины, обеспечивающей в конечном сварном соединении после нагрева и осаживания соединяемых элементов вставку аустенитной хромоникелевой стали исходного состава, проводят охлаждение в естественных условиях, соединяют посредством стыковой сварки плавлением с крестовиной из марганцовистой стали, отличающийся тем, что промежуточная вставка со стороны, ориентированной к рельсу, имеет выступ в зоне шейки, а торец рельса имеет выемку, поверхности которой параллельны поверхностям выступа промежуточной вставки.A method for welding a manganese steel cross with a carbon steel rail, which consists in the fact that the intermediate insert of austenitic chromium-nickel steel is connected by fusion butt welding with a carbon steel rail, cut to a minimum length that ensures in the final welded joint after heating and upsetting of the elements to be joined, an insert of austenitic chromium-nickel steel of the original composition, cooled in natural conditions, connected by fusion butt welding with a manganese steel cross, characterized in that the intermediate insert on the side oriented to the rail has a protrusion in the neck zone, and the end of the rail has a recess , the surfaces of which are parallel to the surfaces of the protrusion of the intermediate insert.

Images