АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ ПРИ СОЗДАНИИ РАЗНОРОДНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОЛОТНА

WELDING TECHNOLOGY ANALYSIS FOR DISSIMILAR RAIL JOINTS

Petrochenko Daria Igorevna

graduate student, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russian Federation

Khamatdinov Artur Akhnafovich

graduate student, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russian Federation

Аннотация. Для создания железнодорожного полотна изготавливаются крестовины, которые состоят из разнородного соединения стали Гадфильда и рельсовой железнодорожной стали. В статье рассматриваются аспекты, на которые стоит обратить внимание при создании разнородного соединения сталей, используемых в производстве железнодорожных крестовин.

Abstract. Railway frogs are produced for the construction of railway track. They comprise a dissimilar joint of Hadfield steel and rail steel. The paper highlights the key aspects to consider when forming a dissimilar joint of steels used in railway frog manufacturing.

Ключевые слова: высокомарганцовистая сталь; сталь Гадфильда; рельсовые стали; разнородные стали; сварка стали.

Keywords: high-manganese steel; Hadfield steel; steels for rails; dissimilar steels; steel welding.

Железнодорожное полотно имеет бесчисленное количество ответвлений, каждое из которых следует обеспечивать долговечными и надёжными конструкциями. Изменять направление движения за счёт перемещения между рельсовыми путями позволяют такие сборные изделия, как железнодорожные крестовины. Крестовина состоит из литого сердечника и приваренных к нему рельсовых окончаний. Сердечники крестовин изготавливаются из высокомарганцовистой стали при помощи литья, а рельсовые окончания – из сваренного между собой рельсового проката с предварительной механической обработкой. Данное сочетание выбора материала и технологий позволяет конструкции выдерживать прилагаемые нагрузки.

При производстве сборного изделия существует проблема соединения сердечника из стали Гадфильда и рельсового полотна. Поскольку данные стали являются разнородными, что затрудняет их свариваемость напрямую, в качестве требований при производстве крестовин по ГОСТ 7370‒2025 «Крестовины железнодорожные. Технические условия» [1] для соединения сердечника и рельсовых окончаний используется стыковая сварка с оплавлением через хромоникелевую вставку.

Разнородное соединение – соединение, в котором используются материалы с разными физико-механическими свойствами. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. Так, например, предварительный подогрев и последующая термическая обработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низколегированных сталей [12 ‒ 4].

Возможность создания надёжного разнородного соединения определяется физико-химическими свойствами металлов и выбранной технологией соединения. Основные факторы, влияющие на надёжность соединения:

• металлургическая совместимость;

На это влияет взаимная растворимость соединяемых материалов, которая характеризуется подобием кристаллических решёток [2 ‒ 6].

• образование горячих и холодных трещин;

Горячие трещины – это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации, а также в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации [2, 3, 4]. Холодными считают такие трещины, которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 °С или в течение нескольких последующих суток [2, 5, 4].

• образование закалочных структур или интерметаллидных фаз;

Поскольку структура мартенсита и бейнита имеет игольчатую составляющую, это создаёт концентраторы напряжений и может вызывать микротрещины при циклических динамических нагрузках [1, 6, 4]. Образование интерметаллидных фаз при сварке ведёт к охрупчиванию сварного шва и ухудшению механических свойств [5].

• воздействие сварочных напряжений.

Предварительный подогрев и последующая термическая обработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений [2].

На данный момент для создания надёжного соединения литого сердечника и рельсовых окончаний используется контактная сварка через хромоникелевую вставку [7, 8]. Хромоникелевая вставка имеет хорошую совместимость как с высокомарганцовистой, так и с рельсовой сталями, и выступает в сварном соединении в качестве вязкой прослойки со стабильной аустенитной структурой. В качестве минимизации зоны термического влияния для рельсовой стали возможно применении технологии наплавки хромоникелевой проволоки.

При рассмотрении возможных вариантов изменения технологии получения разнородного соединения были изучены термитная, диффузионная, механическая и импульсно‒дуговая сварки.

Основная суть термитной сварки заключается в формировании сварного шва за счет кристаллизации жидкого металла и последующей механической обработкой по параметрам профиля. Алюминотермитная сварка рельсов (АСТР) активно применяется на путях, поскольку не зависит от электроэнергии. Главным недостатком такого метода сварки является неконтролируемая зона термического влияния [9].

Диффузионная сварка позволяет получать монолитное соединение благодаря возникновению межатомных связей под воздействием температур и сжимающего давления, что может применяться также для разнородных соединений, но при таком способе сварки возможно образование обезуглероженного слоя, карбидов или интерметаллидных соединений, что может сказаться на прочности конструкции. Также диффузионная сварка имеет требования к исполнению, например, наличие вакуума во избежание непроваровº[6].

Механическая сварка подразумевает чаще всего сварку взрывом. Такая технология используется для трудносвариваемых материалов за счет взаимодействия атомов разных кристаллических решёток. Применение данного метода для сварки железнодорожных крестовин не является возможным, так как высокомарганцовистая сталь обладает высокой ударной вязкостью и упрочняется от удара, как следствие, в таком соединении возникают высокие внутренние напряжения в зоне сплавления [10].

Импульсно-дуговая сварка отличается наличием стабильной подачи тока, что влияет на ширину проплавления основного металла. В качестве основного вида сварки для указанного разнородного соединения не применимо, но данный метод можно использовать в качестве метода наплавки хромоникелевой сталиº[11].

При изучении данного вопроса можно сделать вывод о том, что соединение разнородных сталей сваркой для изготовления железнодорожной крестовины затруднено, так как данный тип соединения обусловлен склонностью к хрупкому разрушению и созданию горячих и холодных трещин. При выполнении данного соединения в настоящее время используется промежуточный слой из хромоникелевой стали, что позволяет создать более надёжное соединение. Наименее исследованным способом сварки высокомарганцовистой и рельсовой сталей является диффузионная, поскольку высокомарганцовистая содержит большое количество углерода и марганца, что может усложнить подбор параметров для проведения процесса сварки.