Алюминотермитная сварка рельсов

История внедрения: от трамвайных путей до магистралей

Применение алюминотермитной сварки в России началось давно. Первые работы по соединению рельсового полотна — 1915 год, для трамвайных рельсов. 1925 год — уже для железнодорожных. Технология позволила выполнить сварной шов одновременно по всему поперечному сечению рельса и получить достаточно высокое для того времени качество.

Но вот загвоздка: внедрение на железнодорожном транспорте стыковой контактной сварки, хорошо зарекомендовавшей себя при получении длинных рельсовых плетей в стационарных условиях и на перегонах, сильно сузило круг её применения в Советском Союзе.

Времена изменяются. И «забытое старое» вновь становится «новым». В странах Западной Европы и Америке этот способ завоевал очень большую популярность. Им сваривают стыки не только в районе стрелочных переводов, но и на перегонах основного пути.

Почему? Потому что эффективность — в простоте и мобильности. А это именно то, что нужно для ремонта пути.

Проблемы стыкового пути: почему бесстыковой — лучше

Рельсовый стык — это место, в котором происходит «разрыв» рельсовой нити. Что, несмотря на стыковые накладки, уменьшает жёсткость и увеличивает просадки.

Что это значит на практике? При движении подвижного состава через стык происходит удар колеса о головку принимающего конца рельса. Толчки и удары в стыках приводят к интенсивному износу как ходовых частей подвижного состава, так и самих рельсов.

Результат ударов колеса о набегающий рельс:

• ✖️ Смятие и сколы головки рельсов в зоне стыка (на расстоянии 60–80 мм от стыкового зазора)
• ✖️ Изломы рельсов по болтовым отверстиям
• ✖️ Изломы накладок и стыковых болтов

Бесстыковой путь лишён указанных недостатков. И кроме того, имеет ряд преимуществ:

• ✓ На 30–40% уменьшаются затраты на текущее содержание пути
• ✓ На 8–10% снижается основное удельное сопротивление движению поездов → экономия топлива и электроэнергии на тягу
• ✓ Увеличиваются сроки службы верхнего строения пути, а также подвижного состава за счёт снижения количества ударов колёс вагонов и локомотивов
• ✓ Улучшаются условия комфортабельности проезда пассажиров
• ✓ Повышается надёжность работы электрических рельсовых цепей автоблокировки

Благодаря этим и другим преимуществам бесстыковой вариант верхнего строения пути стал основным на главных линиях во всём мире.

Сварные швы как слабое место транспортных конструкций

Сварные швы в вагонах, локомотивах, рельсах и машинах различного назначения, применяемых на транспорте, являются наиболее повреждаемыми местами в процессе эксплуатации.

Почему? Это связано с характерными особенностями сварных соединений. В сварном шве и околошовной зоне после сварки:

1. → Изменяются механические свойства
2. → Образуются остаточные растягивающие напряжения (близкие к пределу текучести материала)
3. → Сам сварной шов является концентратором напряжений

Просто? Нет. Но именно эти факторы определяют долговечность конструкции.

Свариваемость материалов: почему рельсовая сталь — сложный случай

В ряде случаев при выборе того или иного способа сварки руководствуются лишь его производительностью и стоимостью выполняемых работ. Что приводит к появлению в ответственных конструкциях сварных соединений низкого качества.

На получение качественного сварного соединения большое влияние оказывает свариваемость материала, из которого изготовлены соединяемые детали. Свариваемость — комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Три группы свариваемости: от «хорошо» до «плохо»

Если для деталей из хорошо сваривающихся материалов качественное сварное соединение получается при любом способе сварки, то для деталей из удовлетворительно сваривающихся материалов требуется усложнение технологии или применение специального способа (как правило, более сложного и дорогого).

Ещё большие проблемы возникают при сварке деталей из плохо сваривающихся материалов. Для получения качественного сварного соединения из таких материалов необходимо существенно усложнить технологию сварки и строго её соблюдать.

К сожалению, не все об этом знают. И, принимая решение о внедрении сварной конструкции в производство, часто не уделяют достаточного внимания технологии её изготовления и ремонта.

Рельсовая сталь: сложный материал для сварки

Рельсовая сталь содержит большое количество углерода (0,69–0,82%) и относится к группе плохо сваривающихся материалов, которые при сварке склонны к образованию трещин.

Трещины в таких конструктивных элементах, как рельсы, недопустимы. Потому что, являясь концентраторами напряжений, могут в любой момент привести к разрушению стыка и крушению.

Вывод простой: технология должна быть не просто «рабочей». Она должна быть безупречной.

Два метода сварки рельсов: контактный vs алюминотермитный

В настоящее время стыковая сварка рельсов осуществляется двумя видами:

1. Стыковая контактная сварка
2. Сварка алюминотермитным способом

При изготовлении в стационарных условиях на рельсосварочных предприятиях рельсовых плетей длиной 650–800 м контактная сварка позволяет получать хорошее качество сварных стыков при высокой производительности и достаточно низкой себестоимости.

Но ремонт пути — это не стационарные условия. Это поле. И здесь правила игры меняются.

Недостатки контактной сварки при ремонте пути

Несмотря на широкое распространение, стыковая контактная сварка имеет ряд недостатков и ограничений при проведении ремонтных работ рельсового пути:

• ✖️ Необходимы дорогостоящие путевые рельсосварочные машины
• ✖️ Продолжительные окна для их доставки на место сварки и последующей эвакуации
• ✖️ Требуется достаточно большая бригада рабочих
• ✖️ Дефицит рабочего времени в ряде случаев заставляет нарушать технологический процесс → сварной стык невысокого качества
• ✖️ Невозможность сварки стыков в районе стрелочных переводов

Пять пунктов. Пять проблем. И каждая из них — это риск для безопасности и бюджета.

Преимущества алюминотермитной сварки: скорость и мобильность

Алюминотермитная сварка рельсов имеет ряд преимуществ перед стыковой контактной сваркой при использовании путевых рельсосварочных машин:

• ★ Не требует сложного дорогостоящего оборудования
• ★ Не требует большого количества рабочих
• ★ Не требует продолжительных перерывов в движении поездов

Цифры говорят сами за себя:

Причём на одном стрелочном переводе одновременно может выполняться сварка нескольких стыков, что сокращает общее время выполняемых работ.

Заварку стыка рельсов выполняет бригада из трёх человек, обучение которых осуществляется в короткие сроки. Общий вес используемого оборудования не превышает 350–400 кг.

При выполнении сварки и сопутствующих технологических операций используются автономные источники энергии. Для проведения алюминотермитной сварки рельсов был разработан специальный комплект малогабаритного переносного оборудования, способного работать автономно в полевых условиях.

Подобраны состав и зернистость термитной смеси, что обеспечивает протекание термитной реакции без взрывов и затухания — с наиболее благоприятной скоростью и требуемой температурой продуктов реакции.

Технологический процесс: подогрев, сварка, контроль

Термитная сварка основана на процессе выделения большого количества теплоты, проходящем при сгорании термита — особой смеси, состоящей из:

• → Порошкообразного металлического алюминия
• → Окислов железа
• → Специальных добавок, улучшающих термитный металл

Получаемая теплота (при сгорании термита развивается температура до 3000 °С) используется для получения термитного металла и расплавления им кромок свариваемых частей изделия.

Два этапа сварки: подогрев и соединение

Процесс алюминотермитной сварки включает две основные технологические операции:

1. Предварительный высокотемпературный подогрев
2. Непосредственно сварка рельсов

Подогрев производится специальной многопламенной горелкой на протяжении 7–9 минут. Момент завершения этапа предварительного подогрева контролируется визуально и поэтому зависит от квалификации сварщика, выполняющего подогрев.

Проведение предварительного высокотемпературного подогрева является важной технологической особенностью алюминотермитной сварки рельсов. Потому что это:

• ✓ Исключает несплавления
• ✓ Предотвращает образование закалочных структур
• ✓ Уменьшает величину остаточных напряжений в сварном шве и околошовной зоне
• ✓ Предотвращает образование трещин

После этапа подогрева следует этап сварки, на котором производится воспламенение термитной смеси, протекает реакция горения термита и происходит автоматический выпуск расплавленного термитного металла в межстыковой зазор рельсов.

В результате многочисленных экспериментальных исследований было установлено: основными технологическими параметрами, оказывающими влияние на качество получаемого сварного соединения, являются:

1. Длительность предварительного подогрева
2. Тепловая мощность газового пламени

Два параметра. Два ключа к качеству. И оба — в руках сварщика.

Соблюдение технологии: почему отклонения недопустимы

Как и при любом виде сварки, технология алюминотермитной сварки должна строго соблюдаться.

Почему? Потому что локальный неравномерный разогрев металла до высоких температур приводит к образованию в месте нагрева значительных остаточных напряжений. А они являются одной из основных причин зарождения и развития трещин.

Для повышения трещиностойкости в технологическом процессе сварки рельсов предусмотрены специальные операции, позволяющие:

• ★ Понизить уровень остаточных напряжений
• ★ Повысить прочность сварного стыка
• ★ Повысить его работоспособность

Просто? Нет. Но необходимо.

Требования к рельсам для сварки

Для получения бесстыкового пути алюминотермитным способом могут быть использованы:

• → Как новые, так и старогодные рельсы
• → Термически упрочнённые и не упрочнённые
• → Мартеновского и бессемеровского производства

Предназначены для укладки на станционных, подъездных и прочих железнодорожных путях, в том числе стрелочных переводах.

Но есть важное условие: рельсы, подлежащие сварке между собой, должны быть одного типа и одинаковой группы годности.

Контроль качества: почему аттестация сварщиков критична

С 1996 г. по технологии ЗАО «СНАГА» было сварено свыше 150 тыс. стыков на магистральных путях в главном ходу и на скоростных участках в разных климатических зонах на железных дорогах ОАО «РЖД».

При этом подтверждены высокие прочностные характеристики сваренных стыков.

Но из этого большого количества сваренных стыков были выявлены те, которые не соответствовали необходимому качеству. Проведённая экспертиза показала: выявленные дефекты в стыках, сваренных алюминотермитным способом, возникли из-за нарушения или несоблюдения технологии сварки.

Основная причина дефектов: неквалифицированный персонал

Основной причиной нарушения технологии является то, что к данным работам допускаются работники:

1. Не прошедшие аттестацию в соответствии с требованиями к данной специальности
2. Или аттестованные некомпетентными в данной области лицами

Учитывая, что создание бесстыкового пути связано с безопасностью движения поездов, обучение, повышение квалификации и аттестация сварщиков термитной сварки должны проводиться организациями, имеющими лицензию на данный вид деятельности.

Заметьте: это не бюрократия. Это безопасность. Каждого пассажира. Каждого состава.

Выводы: квалификация + технология = безопасность

В заключение необходимо отметить: пока не будет уделяться должного внимания вопросам подготовки квалифицированных сварщиков (в том числе ИТР) и строгому соблюдению технологии сварки — избежать брака будет невозможно.

Следовательно, зарождение и развитие трещин в конструкциях при эксплуатации будет происходить раньше предусмотренного срока.

Что в сухом остатке? Алюминотермитная сварка рельсов — это не просто «альтернатива» контактной сварке. Это технология, которая:

• ✓ Быстрее (45 минут против нескольких часов)
• ✓ Дешевле (3 человека против большой бригады, 400 кг оборудования против тяжёлых машин)
• ✓ Универсальнее (работает на стрелочных переводах, где контактная сварка бессильна)
• ✓ Автономнее (не требует длительных окон, работает от автономных источников энергии)

Но есть условие: технология должна соблюдаться строго. А сварщики — проходить аттестацию в лицензированных организациях.

А в железнодорожной отрасли, где каждый стык — это безопасность сотен пассажиров, именно такой подход даёт результат. Не удача. А система.

Н. Н. Воронин, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой

«Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин», МИИТ

Н. Н. Прохоров,

д. т. н., профессор кафедры «Металлургия сварочного производства», МГВМИ

О. Н. Трынкова, ассистент кафедры «Инновационные технологии», МИИТ