CC BY
175
Обзорная статья / Article УДК 621.791:625.143.48
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-6-48-74
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ РЕЛЬСОВ С ПОЗИЦИИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ СКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ. ЧАСТЬ 1
© М.Г. Штайгер1, А.Е. Балановский2
1ПАО «Мечел»,
125167, Российская Федерация, г. Москва, ул. Красноармейская, 1. 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Проанализировать работы в области сварки высокопрочных рельсовых сталей для бесстыкового пути с позиции структурообразования в сварном рельсовом стыке, выполненные в России и за рубежом. МЕТОДЫ. Авторами выполнен сравнительный аналитический обзор различных технологий сварки рельса. Проведен анализ структурного фактора в сварном рельсовом стыке на основе металлографических исследований. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Рассмотрены основные направления исследований и полученные разными авторами результаты в области сварки рельсов. Проанализированы особенности, предъявляемые к бесстыковому пути, в области сварки для различных технологических способов (алюминотермитная сварка, стыковая контактная сварка оплавлением, газопрессовая сварка, сварка трением, ручная дуговая сварка). Выполнен анализ работ с учетом получаемых структур в сварочном шве и зоне термического влияния для основных способов сварки рельса: алю-минотермитного, газопрессового, стыкового с оплавлением, линейного способа трением, электродугового, электрошлакового. Выполнен сравнительный анализ макроструктуры и твердости сварного рельсового стыка для анализируемых способов сварки. Проведен анализ технологий сварки рельса, внедренных на дорогах РФ и мира. ВЫВОДЫ. Показано, что алюминотермитную сварку рельсов с позиции структурного фактора, низких значений ударной вязкости и трещиностойкости при отрицательных температурах, высокого уровня дефектообразования в рельсовом стыке нельзя рекомендовать при строительстве и реконструкции скоростных бесстыковых путей, поскольку этот способ не обеспечивает высокое качество рельсового стыка и снижает безопасность движения. Другие способы сварки рельса по физико-механическим свойствам в сварном шве обеспечивают высокое качество рельсового стыка и являются более перспективными. Однако необходимо провести дополнительные исследования процессов структурообразования в сварочном шве и зоне термического влияния в условиях отрицательных температур и высоких удельных нагрузок на рельсовый стык.
Ключевые слова: алюминотермитная сварка, стыковая контактная сварка с оплавлением, сварка трением, электрошлаковая сварка, структура, перлит, феррит, аустенит, дефекты рельса, контроль качества, твердость рельса, отказы, неисправности, бесстыковой путь, рельсовые стали.
Информация о статье. Дата поступления 13 апреля 2018 г.; дата принятия к печати 15 мая 2018 г.; дата онлайн-размещения 29 июня 2018 г.
Формат цитирования. Штайгер М.Г., Балановский А.Е. Анализ технологий для сварки высокопрочных рельсов с позиции структурообразования при строительстве и реконструкции скоростных железнодорожных магистралей. Часть 1 // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 6. С. 48-74. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-48-74
0
1Штайгер Максим Григорьевич, директор Департамента развития железнодорожной продукции ООО «УК Мечел-Сталь»
Maxim G. Shtaiger, Director of the Railway Products Development Department of Mechel-Steel Management Company OOO
2Балановский Андрей Евгеньевич, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, e-mail: [email protected]
Andrey E. Balanovsky, Associate Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, e-mail: [email protected]
ANALYSIS OF WELDING TECHNOLOGIES OF HIGH-STRENGTH RAILS IN TERMS OF STRUCTURE FORMATION UNDER CONSTRUCTION AND RECONSTRUCTION OF HIGH SPEED RAILROADS (REVIEW). PART 1
M.G. Shtaiger, A.E. Balanovsky
Mechel PJSC,
1, Krasnoarmeiskaya St., Moscow, 125167, Russian Federation Irkutsk National Research State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of the study is to analyze the welding of high-strength rail steels for continuous welded rail in terms of structure formation in the welded rail joint performed in Russia and abroad. METHODS. Various technologies of rail welding are compared and analyzed. The structural factor in the welded rail joint is analyzed on the basis of metallographic studies. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. Consideration is given to the main research directions and the results obtained by different authors in the field of rail welding. Analysis is given to the requirements for the continuous rail track in the field of welding for various technological methods (aluminothermic welding, flash butt resistance welding, gas pressure welding, friction welding, manual arc welding). The works are analyzed taking into account the received structures in the welding joint and the zone of thermal influence for the main methods of rail welding including aluminothermic, gas pressure, resistance flash welding, linear friction method, electric arc, and electroslag methods. The macrostructures and hardness of the welded rail joint are compared for the welding methods under investigation. In addition, the rail welding technologies introduced on the Russian and foreign rail roads are analyzed. CONCLUSIONS. It is shown that in terms of the structural factor, low values of impact resilience and crack resistance at negative temperatures, high level of defect formation in the rail joint, the aluminothermic welding of rails can not be recommended for the construction and reconstruction of high-speed continuous welded rail roads. This method does not provide high quality of the rail joint and reduces traffic safety. Other methods of rail welding provide high quality of the rail joint and are more promising according to the physical and mechanical properties in the welded joint. However, it is required to conduct additional studies of the processes of structure formation in the welded joint and the zone of thermal influence under conditions of negative temperatures and high specific loads on the rail joint.
Keywords: aluminothermic welding, resistance flash welding, friction welding, electroslag welding, structure, perlite, ferrite, austenite, rail defects, quality control, rail hardness, failures, faults, continuous welded rail, rail steels
Information about the article. Received April 13, 2018; accepted for publication May 15, 2018; available online June 29, 2018.
For citation. Steiger M.G., Balanovsky A.E. Analysis of welding technologies of high-strength rails in terms of structure formation under construction and reconstruction of high speed railroads (Review). Part 1. Vestnik Irkutskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2018, vol. 22, no. 6, pp. 48-74. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-48-74 (In Russian).
Введение
На современном этапе развития путевого хозяйства широко используются прогрессивные ресурсосберегающие технологии ремонта и технического обслуживания железнодорожного пути, внедряются высокопроизводительные путевые машины и эффективные конструкции пути, к которым относится и бесстыковой путь [1-10]. Активно развиваются как стационарные, так и путевые комплексы современных рельсосвароч-ных предприятий. Сварка рельсов, укладываемых в главных путях, преимущественно выполняется контактной сваркой оплавлением при изготовлении длинномерных рельсовых плетей (200-800 м) в стационарных условиях, а также в полевых условиях при
их укладке и ремонте бесстыковых путей. На дорогах Российской Федерации широко используется алюминотермитная сварка для решения задач ремонта рельсового пути в полевых условиях [3]. Известно большое количество других технических решений для сварки рельсов в пути, которые можно классифицировать по способам сварки (приведем некоторые с указанием номера патента): термитный (№ 2119854, РФ), электродуговой штучными электродами (№ 367845, Швеция), стыковой электроконтактный (№ 2277461, РФ), электрошлаковый (№ 24249, Япония), электродуговой под слоем флюса (№ 393820, Франция), электродуговой в среде защитных газов (№ 2185266,
Ш
РФ) и другие, в том числе комбинированные. По каждому способу имеются технические решения, связанные с особенностями устройств и приспособлений, применяемыми материалами, системами автоматизации и программами управления процессом. Каждый из способов имеет некоторые преимущества и недостатки в сравнении друг с другом. Мы не выступаем лоббистами или противниками конкретного способа сварки, а делаем попытку на основе анализа научной литературы показать важность процессов структурообразования при сварке рельсов, их приоритетную значимость в сравнении с экономической целесообразностью, так как именно структура металла шва в первую очередь гарантирует безопасность движения, а не количество финансовых средств, затраченных на сварку. В многочисленных случаях разрушения железнодорожного полотна, особенно с человеческими жертвами, происходящих до сих пор на железнодорожном транспорте, абсолютно не важно, сколько было потрачено средств на тот или иной способ сварки рельса, его производительность, простоту или сложность процесса и т.д. Абсолютное значение приобретают критерии обеспечения безопасности движения с позиции наивысшей ценности - жизни человека.
В XXI веке по мере использования на железных дорогах высокопрочных рельсов КФ (комбинат «Азовсталь», Украина), Э76Ф, К76Т (ОАО «Нижнетагильский (НТМК) и Новокузнецкий металлургический (НКМК) комбинаты», РФ), U75V (компания «PIETC»,
КНР), BS113A («CoшsBritishSteel», Великобритания), ВС-350ЯЛДТ «NipponSteel» (Япония), R350HT(Австрия) возникла необходимость существенного совершенствования технологии сварки и оборудования для ее осуществления. Прочностные показатели металла возросли в 1,3-1,5 раза (рис. 1, 2), а требования к пластичным свойствам в соответствии с нормативными показателями сохранились на прежнем уровне. Известно, что характерной особенностью заэв-тектоидной рельсовой стали ВС-350ЯЛДТ «NipponSteel» (Япония) является наличие вдоль границ первичных аустенитных зерен выделений карбида железа [2, 4].
Необходимо отметить, что рельсы R350HT (Австрия) отличаются крупным первичным аустенитным зерном, оценочно балл зерна - 3-4. Несколько ниже размер аустенитных зерен рельсов К76Ф. Структура стали для рельсов ВС-350Я и 76Ф более мелкозернистая, балл их аустенитного зерна составил 5-6 [2, 4]. Важно понимать, что измельчение перлитной структуры, а именно измельчение зерна в аустенитной структуре, которую еще предстоит превратить в перлит, или измельчение блоков перлита является эффективным с точки зрения улучшения ударной вязкости перлитной стали. Чтобы обеспечить измельчение зерна в аустенитной структуре при горячей прокатке рельса, снижают температуру прокатки и повышают степень обжатия, а также применяют термическую обработку в виде низкотемпературного повторного нагрева после горячей прокатки рельсов [10].
Рис. 1. Прочностные характеристики рельсов [4] Fig.1. Strength characteristics of rails [4]
Рис. 2. Зависимость нагрузки при испытании на статический изгиб от прогиба рельса (минимально допустимое значение стрелы прогиба - 30 мм) [4]: 1 - НКМК Э78ХС(РФ,2006-2012); 2 - НКМК, НТМК Э76Ф, К76Ф (РФ, 2006-2012); 3 - НКМК, НТМК Э76Ф, К76Ф ( РФ,2003); 4 - Азовсталь КФ2011-2012 (Украина); 5 - U75V (КНР, 2003-2012); 6 - Азовсталь М76 (Украина, 1985) Fig. 2. Dependence of load in the slow-bend test on rail depression (the minimum admissible value of deflection is 30 mm) [4]: 1 - NKMK E78HS (RF, 2006-2012); 2 - NKMK, NTMK E76F, K76F (RF, 2006-2012); 3 - NKMK, NTMK E76F, K76F (RF, 2003); 4 - Azovstal KF2011-2012 (Ukraine); 5 - U75V (PRC, 2003-2012); 6 - Azovstal M76 (Ukraine, 1985)
Однако при изготовлении рельсов, с точки зрения обеспечения формуемости во время горячей прокатки, существуют ограничения, накладываемые на снижение температуры прокатки и повышение степени обжатия, из-за чего нельзя достичь достаточного измельчения зерен аустенита [10]. Кроме того, существуют проблемы превращения в перлит внутри зерен аустенита за счет использования зародышей, заключающиеся в том, что количеством зародышей трудно управлять, и превращение в перлит внутри зерен является нестабильным, из-за чего нельзя достичь достаточного измельчения перлитной структуры [10]. В связи с этим для улучшения ударной вязкости рельсов с перлитной структурой после горячей прокатки рельса выполняют низкотемпературный повторный нагрев, а затем превращение в перлит выполняют путем ускоренного охлаждения, чтобы измельчить перлитную структуру [10].
В настоящее время наметилась общемировая тенденция, когда производители изготавливают рельсы с высоким содержанием углерода (0,9—1, 1 %С) для улуч-
шения износостойкости. При производстве таких рельсов внутри зерен аустенита остаются крупные карбиды при описанной выше обработке (т.е. путем низкотемпературного повторного нагрева), что снижает пластичность и ударную вязкость перлитной структуры после ускоренного охлаждения.
К этому необходимо добавить, что количество остро дефектных сварных стыков рельсов, обнаруживаемых при эксплуатации средствами дефектоскопии, с каждым годом увеличивается [1, 5]. Также ежегодно увеличивается количество изломов рельсов в области сварных стыков по дефектам сварки. Ярко выраженный рост количества изломов по дефектам сварки наблюдается в последние годы при использовании для бесстыкового пути рельсов из электростали [4]. Новые рельсовые стали отличаются большей чистотой по неметаллическим включениям и содержанием ряда примесей легирующих элементов по верхнему пределу, регламентированному ГОСТ Р 51685-20133 В связи с этим, например при сварке рельсов электропечного производства имеется склонность к образованию неметаллических
3ГОСТ Р 51685-2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия; утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14.10.2013 г. № 1155-ст / GOST R 516852013. Railway tracks. General specifications; approved and put into operation by the Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of 14 October 2013. No. 1155-ст.
Ш
включений в шве, преимущественно кальций-алюминиевых, и к закалке металла в зоне сварного шва после сварки. Это приводит к тому, что при контактной сварке таких рельсов требуются более концентрированный нагрев металла и высокая начальная скорость осадки [4] (минимально около 3540 мм/с [2]). Исследование комплекса прочностных и эксплуатационных свойств сварных стыков рельсов из новых марок сталей показало, что применяемая в настоящее время технология сварки непрерывным
оплавлением рельсов в большинстве случаев не обеспечивает необходимого уровня конструкционной прочности и приводит к образованию в металле сварного стыка дефектов сварочного характера [3]. Это ведет к уменьшению срока службы сварного рельса и соответствующим затратам на ремонт. Только в 2012 г. ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») затратило около 1 млрд руб. на замену дефектных сварных стыков рельсов в путевых условиях [1].
Статистика отказов элементов железнодорожного пути
В самом начале нашего анализа необходимо выявить из общего объема цифр статистики ОАО «РЖД» информацию, непосредственно относящуюся к цели нашей работы с позиции актуальности и практической значимости поднимаемого вопроса. Для этого напомним некоторую терминологию. Отказом принято считать событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта4. Каждый случай отказа в работе технического средства подлежит служебному расследованию линейными подразделениями ОАО «РЖД», которые несут ответственность за его техническое содержание, с привлечением (при необходимости) работников других подразделений. Для того чтобы иметь возможность управлять отказами с целью повышения безопасности движения поездов, повышения надежности технических средств, оценки эксплуатационных затрат на устранение отказов и перерывов в движении, необходимо анализировать причины нару-
шения нормальной работоспособности технических средств. В этой связи анализ причин и механизма основных отказов объектов инфраструктуры составляет основу управления надежностью5. Среди всех объектов инфраструктуры важное место занимает железнодорожный путь, отказы элементов которого существенно влияют на безопасность и бесперебойность перевозочного процесса [5]. Сведения о количестве допущенных отказов в путевом хозяйстве и их доле в общем числе отказов в годовых отчетах ОАО «РЖД» за 2013-2015 гг. не приводятся.
В то же время в научных журналах имеется информация по отказам на различных дорогах. Так, например, в работе [6] на примере Западно-Сибирской железной дороги выполнен анализ отказов элементов железнодорожного пути. Представлена динамика изменения количества зафиксированных отказов в 2008-2016 гг. по трем категориям. На рис. 3-7 показана структура
4ГОСТ 27.002-896. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения; утв. постановлением Госстандарта СССР от 15.11.1989 г. № 3375; введ. 01.07.1990 г. Госстандарт СССР. М.: Издательство стандартов, 1990. 37 с. / GOST 27.002-896. Reliability in engineering. General concepts. Terms and Definitions; approved by the Decree of the State Committee for Standardization of the USSR of 15 November 1989 No. 3375; introduced 1 July 1990. State Standard of the USSR. M.: Sandards Publ., 1990. 37 p.
5Положение об учете, расследовании и анализе отказов в работе технических средств на инфраструктуре ОАО «РЖД» с использованием автоматизированной системы КАС АНТ; утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 11.07.2016 г. № 1375 р. / Regulations on account, study and analysis of failures in the operation of technical equipment in the infrastructure of Russian Railways JSC using the automated system KAS ANT; approved by the order of Russian Railways JSC from 11 July 2016. No. 1375 р.
Ш
распределения неисправностей в элементах железнодорожного пути. В долевом отношении на рельсы приходится 38% неисправностей, на рельсовые стыки - 22%, на геометрию рельсовой колеи - 17%, и на стрелочные переводы - 12%. Из рис. 3 видно, что большая доля неисправностей железнодорожного пути приходится на рельсы - 1 776 (38%), неисправности в зоне стыков - 1 047 (22%), неисправности геометрии рельсовой колеи - 783 (17%) и стрелочных переводов - 553 (12%). Основные неисправности рельсов приходятся на зону головки (рис. 4). Из них подавляющее большинство составляют дефекты второй и третьей групп. Дефекты второй группы составляют поперечные трещины в головке (33%), которые возникают из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла (дефекты под кодами 21.1-2 и 22.1-2, рис. 5 а), нарушения технологии сварки рельсов (дефекты под кодами 26.3-4 и 27.3-4) и внутренних пороков (дефект под кодом 0 20.1-2, рис. 5 Ь). Коды дефектов приведены по нормативному документу6. Третью группу дефектов составляют продольные трещины головки рельсов. Дефекты, вызванные горизонтальным расслоением головки рельса
из-за наличия скоплений неметаллических включений (дефект 30.1-2, рис. 6 а), составляют 17%. Дефекты, образовавшиеся в результате вертикального расслоения головки из-за остатков усадочной раковины (дефект 31.1-2, рис. 6 Ь), составляют 19%. Остальная доля дефектов приходится на выкрашивание слоя наплавленного на поверхности катания головки, боковой износ и смятие головки рельса в сварном стыке. В конечном итоге все это вызывает задержку поездов (рис. 7).
Приведенная выше статистка не является исключением из правил, а характерна для большинства дорог Российской Федерации. Важно обратить внимание на такие дефекты рельсовых стыков, которые пока не выявляются средствами дефектоскопии в связи с их небольшими размерами, глубиной залегания, ориентацией (угол наклона), состоянием поверхности катания рельса [7] (в скобках приведена кодификация дефектов по инструкции «Дефекты рельсов...»6):
- трещина в шейке рельса, имеющая плоскостной характер, зеркально отраженную поверхность и определенный угол наклона (56.3);
Рис. 3. Структура неисправностей и отказов железнодорожного пути на Западно-Сибирской железной дороге в 2015 г.: 1 - рельсы; 2 - скрепления; 3 - рельсовые стыки; 4 - рельсовая колея; 5 - рельсовая цепь; 6 - стрелочные переводы; 7 - шпалы; 8 - балласт; 9 - земляное полотно; 10 - прочие Fig. 3. Structure of faults and failures of the railway track on the West Siberian Railway in 2015:1 - rails; 2 - jointing; 3 - rail joints; 4 - gauge track; 5 - track circuit; 6 - turnouts; 7 - ties; 8 - ballast; 9 - road bed;
10 - other
6Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов: инструкция; утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 23.10.2014 г. № 2499р / Rail defects. Classification, catalog and parameters of flawed and defective rails: instruction; approved by the Order of Russian Railways JSC of 23 October 2014. No. 2499 р.
Рис. 4. Структура дефектов рельсов по поперечному сечению
1 - в головке рельса 74%; 2 - в шейке рельса 7%; 3 - другие дефекты вне стыка 16%; 4 - в подошве рельса 3% Fig. 4. Structure of rail defects along the cross-section 1 - in the top of the rail 74%; 2 - in the web of the rail 7%; 3 - other defects outside the joint 16%; 4 - in the flange of the rail 3%
a b
Рис. 5. Поперечные трещины в головке рельса: а - дефекты 21.1-2 и 22.1-2, образовавшиеся вследствие недостаточной контактно-усталостной прочности металла; b - дефект 20.1-2, вызванный внутренними пороками изготовления рельсов Fig. 5. Transverse cracks in the rail top: a - defects 21.1-2 and 22.1-2 formed as a result of insufficient contact fatigue
strength of metal; b - defect 20.1-2 caused by internal defects of rail production
a b
Рис. 6. Продольные трещины в головке рельса: а - дефект 30.1-2, вызванный нарушением технологии изготовления рельсов; b - дефект 31.1-2, вызванный недостаточной прочностью металла
Fig. 6. Longitudinal cracks in the rail top: a - defect 30.1-2 caused by the violation of the rail production technology; b - defect 31.1-2 caused by the material insufficient strength
Рис. 7. Структура отказов по элементам железнодорожного пути и времени задержки поездов на Западно-Сибирской железной дороге в 2015 г.: 1 - рельсы; 2 - скрепления; 3 - рельсовые стыки; 4 - рельсовая колея; 5 - рельсовая цепь; 6 - стрелочные переводы; 7 - шпалы; 8 - балласт;
9 - земляное полотно; 10 - прочие Fig. 7. Structure of failures by railway track elements and delay time of trains on the West Siberian Railway in 2015: 1 - rails; 2 - jointing; 3 - rail joints; 4 - gauge track; 5 - track circuit; 6 - turnouts; 7 - ties; 8 - ballast; 9 - road bed; 10 - other
1
2
3
4
5
6
7
8 9
10
D 1,7 E.V" ■ 3
1 1 IV M 2 7
1 1 8,5 ШЯШ M
1 40
□ 3.5 №
0 , 0
D o,6
1 1 47.6
10 20 30 40 50 60 70 80 90 количество отказов/пumber of failures
Время задержки поездов, ч Отказы 1 и 2 категории
Time of train delay, h ■ Failures 1 and 2 categories
- трещина в первом болтовом отверстии, расположенном вниз к торцу (53.1);
- смятие головки рельса в сварных стыках (46);
- трещины в перьях подошвы рельса также не поддаются выявлению.
Рассмотрим, как осуществляется контроль на сети железных дорог ОАО «РЖД». По данным, приведенным в работе [8], на сети железных дорог ОАО «РЖД» расширяется полигон применения бесстыкового пути, где сварка играет первостепенное значение. В 2012 г. он составил около 80,3 тыс. км (64,7% развернутой длины главных путей) с ежегодным увеличением примерно на 2,7 тыс. км. В связи с этим остро встает вопрос качества стыков, изготовленных электроконтактным (ЭК) и алюминотер-митным (АЛТ) способом. Приемочный контроль сварных стыков, базирующийся на визуально-измерительном и ультразвуковом методах неразрушающего контроля, находится в ведении ОАО «РЖД». Данный вид контроля осуществляют дефектоскописты Дорожных центров диагностики и мониторинга инфраструктуры (в условиях рель-сосварочного поезда (РСП)) и операторы участков дефектоскопии дистанций пути.
Они же выполняют ручной эксплуатационный контроль по всему сечению сварного стыка (за исключением подошвы рельса снизу) в соответствии с периодичностью, установленной в инструкции «Дефекты рельсов»6. Для ЭК-стыков она составляет один раз в год в первые два года после укладки, затем раз в два года (на малодеятельных участках - один раз в три года), для АЛТ-стыков - один раз в течение года после укладки, затем - один раз в два года. Общий объем эксплуатационного контроля в 2012 г. составил около 4,7 млн стыков (более 90% общего объема - ЭК-стыки) с ежегодным ростом около 3%. Для выполнения ультразвукового контроля (УЗК) задействуется бригада из четырех человек (оператор, выполняющий УЗК, монтер пути, очищающий сварной стык и наносящий минеральное масло на зону контроля, а также два сигналиста). В соответствии с расчетами, выполненными в 2009 г. ФГУП «НИИ мостов и дефектоскопии», примерная стоимость эксплуатационных затрат на работу одной подобной бригады составляет около 170 тыс. руб. в месяц. Таким образом, при норме проверки 40 ЭК-стыков или 12 АЛТ-стыков в смену и среднем восьмимесячном периоде,
при котором возможен ручной контроль, общие ежегодные затраты ОАО «РЖД» на систему эксплуатационного контроля сварных стыков составляют около 1,05 млрд руб. [8]. Итого, уже с учетом вышесказанного, мы имеем 1 млрд руб. на замену сварных стыков и 1,05 млрд руб. на их обнаружение. Далее надо отметить, что казуистика железнодорожной статистики заключается в следующем. Примерная доля изломов рельсов в зоне ЭК-стыков на протяжении многих лет составляет 20-30% от общего количества изломов рельсов [8]. При этом около 25% изломов в стыках происходит после их сварки в пути машинами ПРСМ. Именно эта статистика проходит по официальным документам, так как напрямую связана с неисправностями (см. рис. 3) и с отказами (см. рис. 7). Изломы рельсов алюмотермитных стыков практически не фиксируются в официальной статистике ОАО «РЖД» (во многих зарубежных странах, наоборот, именно они являются основной причиной изломов) из-за наличия на них предохранительных накладок, которые при изломе сварного стыка не дают прерваться рельсовой цепи, а следовательно, нет факта отказа для статистики. Получается, что АЛТ-стыки надежнее ЭК-стыков. На основании такой статистики в управленческом штате ОАО «РЖД» создается иллюзия преимущества данного вида сварки перед всеми остальными. Но это не соответствует действительности, и ниже мы об этом будем рассуждать, так как данные дефекты должны были быть обнаружены уже при приемочном ручном контроле, непосредственно после сварки. По мнению авторов настоящей статьи, абсолютное большинство дефектов в АЛТ-стыках возникает непосредственно при сварке, а не в условиях их эксплуатации [9]. Необходимо отметить, что общие причины изломов сварных стыков подробно описаны в трудах сотрудников ОАО «ВНИИЖТ», например [10]. Большинство изломов сварных стыков происходит при отрицательной температуре окружающей среды, в основном при пропущенном тоннаже до 150 млн т груза брутто, т.е. в гарантийный период. Общая статистика по количеству и типам выявляемых
дефектов при приемочном контроле, к сожалению, отсутствует, что не позволяет оценивать уровень соблюдения технологических процессов сварки. В работе [9] представлены результаты исследований АЛТ-сты-ков. Авторы пришли к следующим выводам:
1. Основное количество дефектов в забракованных стыках АЛТС сосредоточено в головке рельса (64,1%), в шейке рельса (10,2%) и в подошве (7%). Оставшиеся 18,7% стыков были забракованы из-за превышения допусков на прямолинейность рельсов в зоне сварных стыков или нарушения технологии изготовления болтовых отверстий.
2. Не проработали в течение гарантийного срока 89% стыков АЛТС (710 шт.), изъятых из пути по всей сети железных дорог. На Октябрьской, Московской, Горьков-ской, Юго-Восточной, Свердловской, ЮжноУральской, Дальневосточной дорогах этот показатель достигает 97-100%. За указанный период зафиксировано два излома стыков АЛТС.
3. Основная часть дефектов, расположенных в головке рельса, была выявлена при сплошном контроле рельсов съемными и мобильными средствами дефектоскопии.
4. В абсолютном большинстве рассмотренных случаев излома или принудительного долома сварных стыков, забракованных по результатам сплошного контроля, были обнаружены дефекты, связанные с нарушениями технологии сварки - не-провары, поры и т.д.
5. Отмечены многочисленные случаи, когда остатки песка или литейного компонента присутствуют в околошовной зоне сварного стыка. Из-за этого во время ультразвукового контроля (УЗК) нарушается акустический контакт между пьезоэлектрическим преобразователем и рельсом, что может привести к пропуску дефекта.
6. Приемочный УЗК выполняют в основном без бригады, ведущей сварочные работы. Поэтому при обнаружении дефекта в сварном стыке дефектное сечение вырезают путейцы дистанции, а не предприятия изготовителя сварного стыка.
Ш
7. Действующая периодичность контроля стыков АЛТС (не позднее 6 месяцев с момента сварки, затем не реже одного раза в год), большинство из которых эксплуатируется с предохранительными накладками, выше периодичности контроля стыков, сваренных электроконтактным способом, эксплуатируемых без накладок (не реже одного раза в год в первые два года после укладки, затем не реже одного раза в два года).
Таким образом, анализ существующих технологий и оборудования сварки высокопрочных рельсов является не просто рядовым событием, связанным с теоретическим поиском проблем и задач для ученого с целью написания очередной научной статьи или доклада для повышения своего социального статуса, а прямым вызовом со стороны практики и эксплуатации рельсового пути. Например, имеются работы, ав-
торы которых пытаются доказать преимущества представляемого ими способа сварки рельса перед другими: контактный способ [4], алюмотермитный [11], электродуговая сварка ванным способом [12]. Мы полагаем, что такой подход неконструктивен, необходимо найти баланс не с позиции способа сварки рельса (способ - это только инструмент), а с позиции формирующейся структуры в сварном шве после сварки, поскольку именно этот фактор обеспечивает качество металла сварного стыка и, как следствие, безопасность движения поездов по рельсовому пути.
Целью настоящей работы является изучение эффективности технологий и оборудования для соединения высокопрочных рельсов на основе анализа образующихся структур при использовании различных технологических процессов сварки.
О свариваемости рельсовой стали
Согласно проведенному анализу [13], к началу XX в. в ходе многолетней эксплуатации конфигурация и материал, из которого изготавливались железнодорожные рельсы, в основном были определены. До введения в 1932 г. в действие ОСТ 41181932 технические условия принимались в 1908, 1914 и 1924 гг. [13]. В ОСТ 4118-1932 были установлены нормы содержания основных элементов химического состава рельсовой стали. В дальнейшем в период 1948-2013 гг. в нормативных документах (1948, 1980, 2000, 2013 гг.) требования по содержанию углерода в рельсовой стали повышались (рис. 8). С точки зрения структуры рельсовой стали повышение в ней содержания углерода кардинально поменяло свариваемость этих сталей. Если в период 18601932 гг. рельсовые стали относились к хорошо свариваемым сталям и по структуре состояли из феррита (70%) и перлита (30%), то уже в период 1948-2013 гг. их относили к плохо свариваемым сталям, где основной структурой стал перлит (99%) (см. рис. 8).
В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных
степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная (или трудно свариваемый материал) и плохая (или не свариваемый материал) [14, 15]. Известно, что одной из важных проблем сварки становится обеспечение свариваемости материалов и стойкости против образования сварочных дефектов (трещин, пор, несплавления шва с основным металлом), механических и специальных свойств металла сварных соединений, соответствующих эксплуатационным требованиям [14]. Хорошая свариваемость означает, что сварные соединения, полученные в заданных технологических и конструктивных условиях сварки, имеют требуемые механические свойства и качество (отсутствие недопустимых дефектов). Удовлетворительная свариваемость соответствует случаю, когда хорошую свариваемость можно обеспечить выбором рационального режима сварки; ограниченная - когда для этой цели необходимо применять специальные технологические мероприятия (подогрев, отпуск и др.) или изменять способ сварки; плохая - когда никакими мерами невозможно достичь хорошей свариваемости.
Ш
Изменения структуры рельсовой стали в период 1860-2013 / Variation of the rail steel structure in the period from 1860 to 2013
Щ-Щ mmï шщ« ШШ&" ' ШШЩ ■ф^. k : ,V > ЙРк
• ц • > Щс"'
...
Россия I Russia (2018)
США / The USA (2018)
Япония / Japan (2018)
Рис. 8. Изменение структуры рельсовой стали и содержания в ней углерода
в период 1860-2018 гг. Fig. 8. Variation of rail steel structure and carbon content in the period from 1860 to 2018
Степень свариваемости материала устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии и конструктивного оформления сварного соединения. В настоящее время широкое применение получил прикладной аспект понятия технологической свариваемости материалов, учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций [14, 15]. Исходя из анализа работ, посвященных свариваемости, оно должно включать четыре взаимозависимых фактора: вид материала, тип конструкции, требуемые свойства и степень надежности [14-16]. Большую работу по систематизации понятия свариваемость и методов его оценки внес К.А. Ющенко. Так, им предложено новое понимание этого термина на основании анализа существующих подходов к оценке свариваемости и стандартов, действующих в различных странах и организациях [16]. Им было показано, что в абсолютном большинстве случаев свариваемость оценивается качественно и субъективно. Этот термин, по мнению автора, рассматривается, скорее, как философское понятие, а его определение через способность материала образовывать сварное соединение не указывает, как и чем его
можно измерить [16]. Известно, что пригодность стали к сварке определяется испытаниями на свариваемость, которая в большинстве случаев подменяется испытаниями на склонность к образованию трещин различного типа [14, 15].
Например, для сварных соединений углеродистых и легированных сталей используют такие показатели, как сопротивляемость образованию горячих трещин, холодных трещин, ламелярных трещин, трещин отпуска и др. Зачастую свариваемость различных сталей оценивают по испытаниям различных сварочных проб. Большинство из этих проб основано на определении внешней нагрузки, прикладываемой к сварному соединению, которое приводит к разрушению или просто к появлению трещин. Холодные трещины наиболее часто возникают по причине закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ) водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки (замедленное разрушение) и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.
Ш
Для достижения целей нашей работы мы будем оперировать определением понятия свариваемости, данным в ГОСТ 26001-847: «Свариваемость - свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия». В новом стандарте -ГОСТ 29273-928, дано определение свариваемости для всех металлических материалов с учетом всех процессов, различных типов конструкций и каких бы то ни было свойств, которым они должны удовлетворять: «Определение свариваемости. Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют».
Представленный выше краткий анализ показал, что на современном этапе раз-
вития оборудования и технологий сварочного производства по основному показателю свариваемости стали, стойкости сварных соединений против образования холодных трещин высокоуглеродистая рельсовая сталь достаточно близка к высокопрочным среднелегированным сталям, содержание углерода в которых составляет 0,30-0,45% [14-16]. Значение показателей углеродного эквивалента рассчитанный по формуле [17] для этих сталей приблизительно одинаково (Сэкв = 0,80-1,0%). Поэтому для предупреждения образования холодных трещин в сварных соединениях рельсовой стали могут быть применены аналогичные технологические решения, как и при сварке средне-легированных сталей. В то же время мы должны понимать, что рельсовые стали по качественному критерию свариваемости относятся к удовлетворительным, т.е. когда без специальных технологических мер и рациональных режимов сварки невозможно обеспечить металлическую целостность соединения. Традиционные способы сварки, широко используемые сегодня на железнодорожном транспорте, представлены на рис. 9. Рассмотрим каждый из способов с позиции структурообразования.
Алюминотермитная сварка рельсов
Сразу внесем ясность в терминологию. Алюминотермитная сварка, алюмотер-митная сварка и термитная сварка - это один и тот же технологический процесс. Появление термина алюминотермитная сварка связана с тем, что когда в 2003 г. была организована коммерческая компания в виде ОАО «РЖД» с целью получения прибыли, то в управление компании на все уровни пришли юристы и экономисты, не имеющие представления о машинострое-
нии. Основная цель компании ОАО «РЖД» - снижение издержек и получение прибыли за счет внедрения новых технологий и оборудования, снижения численности персонала, освобождение от непрофильных активов и деятельности [13]. Для того чтобы обосновать и получить финансирование на внедрение уже хорошо известного и архаичного процесса термитной сварки [3], который широко использовался ранее на железнодорожном транспорте, надо было пока-
7ГОСТ 26001-84. Сварка металлов. Термины и определения основных понятий; утв. и введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 29.02.1984 г. № 718 /GOST 26001 -84. Welding of metals. Terms and definitions of the basic concepts; approved and put into operation by the Decree of the USSR State Committee on Standards of 29 February 1984. No. 718 .
8ГОСТ 29273-92 (ИСО 581-80). Свариваемость. Определение; утв. и введен в действие постановлением Комитета стандартизации и метрологии СССР от 14.01.1992 г. № 13 / GOST 29273-92 (ISO 581-80). Weldability. Definition; approved and put into operation by the Decree of the Committee for Standardization and Metrology of the USSR of 14 January 1992. No. 13.
Ш
зать руководству компании с гуманитарным образованием инновационность данной технологии. В качестве примера успешного использования был приведен опыт Германии. В зарубежной литературе в некоторых работах по термитной сварке рельсов (Thermite Rail Welding) использовались термины: aluminothermic reactions, aluminothermics process, а!итто^егтю Welds. Тогда, чтобы имитировать внедрение инновации (хоты бы на бумаге) сначала во ВНИИЖТе (Технические условия 0921-127-01124323-20059), а затем и в ОАО «РЖД» во всех нормативных документах стали использовать термин алюминотермитная сварка. Сам же технологический процесс как был термитным, так им и остался. Он хорошо был известен на железнодорожном транспорте. Однако железнодорожники так сильно поверили в новое словосочетание - «алюминотермитная сварка», и, как следствие, в инновацион-ность этого якобы вновь внедренного процесса, что это название прочно укрепилось в их сознании. И сегодня простой вопрос, чем алюминотермитный процесс сварки
рельса отличается от термитного, вводит их в интеллектуальный ступор. Поэтому, чтобы не создавать затруднений работникам железнодорожной отрасли при прочтении данной статьи, мы тоже используем этот термин.
Для анализа технологии алюмино-термитной сварки рельсов используем работы [18-26], в также ТУ0921 -127-011243232005. Известно, что H.H. Бекетовым в 1865г. был впервые выдвинут принцип получения металлов из их окислов [3]. Он установил, что алюминий обладает весьма высокой активностью, соединяясь с кислородом, и что при определенных условиях он легко восстанавливает из окислов другие металлы, заложив тем самым основу алюминотермии. В то время процесс алюминотермии был трудно управляемым, смесь вспыхивала мгновенно или совсем не загоралась. Г. Гольдшмидт преодолел эту трудность, применив для холодной шихты запал из пе-роксида бария (патент 1897 г.). Первый патент, относящийся преимущественно к соединению рельсов термитной сваркой,
Рис. 9. Традиционные способы сварки рельсов: 1 - контактно стыковая сварка с оплавлением; 2 - алюмотермитная сварка; 3 - электродуговая сварка;
4 - газопрессовая сварка Fig. 9. Traditional methods of rail welding: 1 - resistance flash welding; 2 - aluminothermic welding; 3 - electric arc welding; 4 - gas- pressure welding
9ТУ 0921-127-01124323-2005. Сварка рельсов алюминотермитная методом промежуточного литья; утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 18.08.2011 г. N 1821p / TU 0921-127-01124323-2005. Non-pressure aluminothermic welding of rails; approved by the Order of Russian Railways JSC of 18 August 2011 no. 1821 p.
Ш
Г. Гольдшмидт получил в 1901 г. Вскоре была организована фирма «Гольдшмидт термит компани», и термитный процесс начали применять для заварки дефектов отливок, ремонта треснувших рам двигателей, маховиков, штанг и т.п. В 1908 г. Г. Гольдшмидт усовершенствовал технологию сварки рельсов (рис. 10). Благодаря своей относительной простоте, низкой трудоемкости, высокой производительности алюмо-термитная сварка в период 1910-1940 гг. стала широко использоваться на железнодорожном и трамвайном транспорте9 [3, 1826]. В 1930 г. в СССР нашел применение комбинированный способ термитной сварки стыков рельсов трамвайных и железнодорожных путей. При этом жидкое железо сплавляли с подошвой стыкуемых рельсов и нижней частью шейки, а шлаком нагревали головки рельсов и вставленную между ними стальную пластину до «сварочного жара», затем специальным прессом стягивали свариваемые рельсы, в результате чего происходила сварка [3, 20-22]. В это время применение газовой и термитной сварки в сравнении с другими способами сварки достигло своего максимума, а затем сообщения о термитной сварке появлялись все реже и реже. По всей вероятности, исполнители
сварки не обратили внимания на изменения, произведенные в нормативных документах того времени, и рельсовая сталь из категории хорошо свариваемой перешла в категорию трудно свариваемой. Как следствие этого стало возникать большое количество дефектов, образующихся при алюмотермит-ной сварке. Этот способ уступил место другим способам сварки.
Началом возрождения термитной сварки можно считать ее применение 1963 г. в Германии для ремонта крупных изделий. На российские железные дороги алюминотермитная сварка начала возвращаться в 1996 г. [18-26]. После проведения лабораторных и полигонных испытаний на «Экспериментальном кольце ВНИИЖТ» было принято решение о возможности ее применения для сварки стрелочных переводов с рельсами основного пути9. Немецкая фирма Elektro-ThermitGmbH&Co. KG в 2015 г. предложила новое виденье этого способа сварки (рис. 11). Разработана революционная методология горячей ковки и алюминотерми-ческой сварки, что позволяет уменьшить ширину зоны термического влияния и минимизировать потери механических свойств в зоне сварки.
Особенности алюминотермитной сварки
Перечислять стадии алюминотермитной сварки рельсов и приводить схему процесса нет необходимости, так как есть много литературы по этому вопросу [3, 1823]. Подробно вопросы алюмотермитной
сварки рельсов рассмотрены в диссертационных работах Ворониной О.Н., Королева Р.А., Галай М.С. Важно подчеркнуть тот факт, что алюминотермитная сварка как способ получения неразывного соединения
Рис. 10. Процесс термитной сварки рельсов (архивное фото DieElektro-ThermitGmbH&Co. KG)
Fig. 10. Thermit welding of rails (Archive photo of DieElektro-ThermitGmbH & Co. KG)
Рис. 11. Новый комбинированный процесс термитной сварки стыков рельса (Elektro-Thermit GmbH & Co. KG) Fig. 11. A new combined process of thermit welding of rail joints (Elektro-Thermit GmbH & Co. KG)
металлов не совсем корректный термин, поскольку по физической сущности это больше металлургический процесс разливки металла в форму, чем сварка [3], и, следовательно, он имеет все достоинства и недостатки присущие металлургическим процессам плавки и разливки металлов.
Несколько слов надо сказать о термите и выделить особенности сварки. Подробно о термите, его составе, подготовке и т.д. сказано в работе [3]. Термит, употребляемый для сварки рельсов, изготавливается из железной окалины - отходов сталепрокатного производства и металлического алюминия. Их размельчают до получения зерен диаметром от 0,1 до 2,5 мм. Первичный алюминий должен содержать не менее 98-99% чистого алюминия. Перед размолом окалина должна быть хорошо обожжена с целью удаления из нее влаги и масла. Окалина по своему химическому составу различна. Термитная смесь по весу содержит 23,7% алюминия и 76,3% окалины. При сгорании 1,0 кг термитной смеси выделяет 762 ккал тепла, что позволяет получить температуру разогретого металла порядка
2700-3000°С9 [18-23]. Окалина и алюминий могут содержать различные примеси. Поэтому процент содержания алюминия и окалины в термитной смеси рассчитывается с учетом чистоты алюминия и содержания кислорода в окалине. Практика термитной сварки показала, что окалины в термитной смеси должно быть на 7-8% больше расчетного содержания [3]. Содержание в окалине кислорода не должно быть ниже 25%. Железо с кислородом может образовать три окисда: РеО - вюстит (закись железа); Fe2Oз - магнетит (окись железа) и FeзO4 - гематит (закись-окись железа). Термитные смеси не вступают во взаимодействие при стандартных условиях. При нагреве термитной смеси до 1100-1200°С между ее компонентами начинается неуправляемая химическая реакция, в результате которой металлический алюминий соединяется с кислородом окалины и превращается в окись алюминия, а окалина, отдавая кислород алюминию, превращается в железо. Помимо алюминия, окалины, металлической стружки в состав термита для легирования вводят ферросплавы: ферромарганец, ферросилицием и др.
Первая особенность. Основная химическая реакция для различных окислов железа [3, 24, 25]:
3РезО4+ 8А1 = 4А120з+ + 9Fe (3088°С, 719.3ккал|);
ЗРеО + 2А1 ^ А12О3+ + 3Fe (2500°С, 187.1 ккал|);
Ре20з+ 2А1 ^ А12О3+ + 2Fe (2960°С, 181.5 ккал|).
Эта реакция идет с большим выделением тепла, поэтому, если она уже началась, то далее продолжается произвольно нарастающими темпами, и прекратить ее невозможно - она неуправляемая и неконтролируемая.
Вторая особенность. Жидкий металл одновременно выполняет роль источника тепла и присадочного материала в процессе сварки рельсов.
Третья особенность. Температура (расчетная) полного сгорания термитной смеси любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду (адиабатическая температура горения) всегда основана на определенных законах термодинамики [24-26]. Следовательно, теоретически результаты вычислений, проведенных разными авторами, должны совпадать или, по крайней мере, быть близкими. Однако в разных источниках приводятся различные значения температуры реакции горения железо-алюминиевого термита (от 2400 до 3361 К), состоящего из смеси порошков алюминия как металла-восстановителя и оксидов железа. Так, например, если РезО4 представляет собой смесь Fe20з и FeO, то трудно объяснить, почему, согласно [3, 24-26], температура горения смеси с РезО4 выше, чем с Fe20з и FeO. Также трудно объяснить, почему адиабатическая температура реакции, согласно [3, 24-26], превышает температуру кипения продукта реакции (3134° К для железа), если реакция
проходит при атмосферном давлении. Температура заливаемого в шов металла, по данным [21], может варьироваться за счет изменения массы алюмотермитной смеси путем добавления в исходную шихту металла, например, в виде гвоздевой обсечки, а также другими способами [3]. Следует заметить, что добавление в исходную шихту около 3 кг металла снижает адиабатическую температуру горения шихты приблизительно на 500°С [21, 24, 25]. Таким образом, на сегодняшний день вопрос о температуре термитной реакции остается актуальным не только с позиции химии, но и с позиции тепловых процессов.
Четвертая особенность Значительное влияние на структуру и, соответственно, физико-механические характеристики и эксплуатационные показатели сварного шва и околошовной зоны оказывают термические условия (температура, скорость охлаждения), которые реализуются в процессе плавления, кристаллизации и остывания системы «шов - рельс». Из-за указанных выше особенностей осуществить тепловые расчеты сварочных процессов, согласно теории Н.Н. Рыкалина, не представляется возможным, так как жидкий металл как источник тепла - не поверхностный и не объемный, не сосредоточенный и не рассредоточенный и т.д. Надо признать, что система «шов - рельс - литьевая форма» является достаточно сложной при решении задачи теплообмена в трехмерной постановке с учетом плавления и кристаллизации металла, и на сегодняшний день она пока не имеет решения.
Пятая особенность. Среди публикаций по алюминотермитной сварке (например, [3, 18-23]) нет ни одной по содержанию водорода в сварном стыке рельса. В открытых источниках информации не найдено ни одной работы по оценке дефектообразова-ния в сварочных стыках с позиции водородного фактора. Отрицательное влияние водорода на качество стали установлено до-
10Бигеев А.М. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. Челябинск: Металлургия, 1988. 479 с. / Bigeev A.M. Steel metallurgy. Theory and technology of steel smelting: a textbook for high schools. 2nd edition, revised and enlarged. Chelyabinsk: Metallurgy, 1988. 479 p.
статочно давно. Источники поступления водорода в наплавленный металл и ЗТВ при сварке хорошо известны [27]. Основными источниками насыщения металла шва водородом является гигроскопическая и кристаллизационная влага, содержащаяся в электродных покрытиях и флюсах, а также влага ржавчины на кромках свариваемых поверхностей. Источниками поступления водорода в металлургических процессах являются, в первую очередь, шихтовые материалы, атмосфера агрегата и ферросплавы. В связи с тем что алюмо-термитная сварка по физической сущности есть плавка металла с последующей разливкой в форму, то приведем уже известные значения водорода в металле при металлургической плавке. Содержание водорода в стали в конце плавки мало зависит от типа процесса и обычно составляет 3-9 см3/100 г металла10. Данные, представленные в работе [28], показывают, что содержание водорода в металле на выпуске из сталеплавильного агрегата в среднем одинаково - 6,1-7,0 см3/100 г, как при выплавке полупродукта, так и в готовой стали. В дальнейшем при доводке и разливке стали содержание водорода значительно уменьшается и достигает в среднем 4,4-4,8 см3/100 г. Разброс значений содержания водорода на всех стадиях производства примерно одинаков [28]. Это очень высокие показатели содержания водорода в металле. Применительно к алюминотермит-ной сварке рельса источниками водорода являются: компоненты термитной смеси (железная окалина, ферросплавы, алюминий), влажность воздуха и др. Известно, что для удаления кристаллизационной и гироскопической влаги из железной окалины ее необходимо прокаливать при температуре 700-750°С11 [29, 30]. Таким образом, при алюминотермитной сварке водород теоретически (и практически) должен присутствовать в структуре металла шва и в зоне термического влияния10 [27-30] и, следовательно, оказывать свое отрицательное воздействия при эксплуатации, особенно при
отрицательных температурах [31].
Шестая особенность. Приведенные выше особенности алюминотермитной сварки рельсов обуславливают большое разнообразие дефектов сварного стыка рельса, что несвойственно классическим способам сварки, например, сварке под слоем флюса, ручной и полуавтоматической сварке и др. [31]. Практически все алюмо-термитные стыки рельсов имеют 100%-й брак, который был зафиксирован на стадии гарантированного срока службы металла шва стыка рельса (непровары, поры, шлаковые включения трещины и т.д.) [9]. В работе [11] дана краткая информация о стоимости стыка, сваренного алюмотермитным и другими способами. Декларируемая сегодня сторонниками алюминотермитного способа сварки низкая стоимость стыка не учитывает скрытую составляющую, заключающуюся в большой эксплуатационной стоимости стыка (2 млрд руб. в год) в силу интенсивного дефектообразования, на исправление которых затрачивается средств в 2-3 раза больше, чем первоначальные вложения. В итоге железные дороги несут колоссальные расходы по содержанию алюмино-термитных стыков. На рис. 12, а дана характерная классификация дефектов по данным работ российских авторов. На рис. 12, Ь добавлены дефекты из работ зарубежных авторов (поз. 10, 11) , отмечаются дефекты (поз. 2, 3), которые встречаются на российских железных дорогах). Как видно из рис. 12, дефекты в алюмотермитных стыках разнообразны и пока не поддаются четкой классификации, поскольку взяты из различных работ в области алюмотермитной сварки рельса.
Седьмая особенность. Нагрев в процессе сварки, термообработки оказывает большое влияние на процессы структу-рообразования в сталях и сплавах. Согласно ТУ 0921-127-01124323-2005, концы рельсов перед заливкой металла должны быть нагреты до температуры 800-900°С. Авторы работ [18, 22] рекомендуют нагре-
11Справочник по сварке / под ред. Е.В. Соколова. М.: Машгиз, 1960 / Handbook on welding / under edition of E.V. Sokolov. M.: Mashgiz, 1960
Ш
вать концы рельсов перед заливкой металла до 1200-1300°С. Контроль температуры нагрева перед заливкой металла в рельсовый стык предлагается в реальности фиксировать визуально по цветам каления и побежалости при нагреве и охлаждении стали на основе физиологического цвето-восприятия с учетом индивидуальности человека (в соответствии с ГОСТ Р 57181201612). Известно, что по степени цветовос-приятия офтальмологи различают: трихро-мантов (норма), протоанопов (люди с нарушениями цветовосприятия в красном спектре) и дейтеранопов (людей с нарушением
цветовосприятия зеленого цвета). Вероятность того, что каждая бригада сварщиков, осуществляющая сварку в пути, оснащена контрольно-измерительными приборами (контактный термометр, пирометр или тепловизор) согласно ТУ 0921-127-011243232005 и ГОСТ Р 57181-2016, в условиях низкой культуры производства и неквалифицированного персонала, осуществляющего процесс, равна нулю. Можно утверждать с высокой степенью вероятности, что контроль температурного режима всего процесса осуществляется некачественно и, что самое опасное, не осуществляется вообще.
b
Рис. 12. Виды дефектов алюминотермитной сварки рельса на сети дорог ОАО «РЖД» (а) и дорогах мира (b): 1 - несплавление с рельсом; 2 - интенсивное порообразование по сечению стыка; 3 - шлаковое включение в металле шва по сечению рельсового стыка; 4, 5, 6 - несплавление с рельсом в шейки рельса и подошве; 7, 8, 9 - порообразование по центру сварного стыка; 10 - оксидные включения; 11 - горячие трещины после сварки Fig. 12. Types of defects of rail aluminothermic welding on Russian Railways (a) railroad network abroad (b): 1 -
lack of fusion with the rail; 2 - intensive void formation along the joint cross-section; 3 - slag inclusion in the weld metal along the rail joint section; 4, 5, 6 - lack of fusion with the rail in the rail web and flange; 7, 8, 9 - void formation along the center of the welded joint; 10 - oxide inclusions; 11 - hot crack after welding
1
2
3
4
5
6
7
8
9
а
12ГОСТ Р 57181-2016. Сварка рельсов термитная. Технологический процесс; утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21.10.2016 г. № 1478-ст / GOST R 571812016. Thermit welding of rails.Technological process; approved and put into operation by the order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of 21 October 2016. No. 1478- ст.
Восьмая особенность. С позиции микро- и макроструктуры сварного стыка необходимо понимать, как происходят кристаллизационные процессы. Так как алюмо-термитная сварка является в этом отношении чисто металлургическим процессом плавки с заливкой в форму, то важным этапом в получении качественных литых заготовок является процесс перехода стали из жидкого состояния в твердое. Из имеющихся в открытой печати работ отечественных исследователей, в частности специалистов, работающих в железнодорожной отрасли [18-23], можно констатировать, что исследований по этому вопросу нет.
Кристаллизационные процессы. Известно, что затвердевание алюмотермит-ного стыка происходит в течение 3-7 минут и сопровождается сложными физико-химическими процессами, включающими явление массопереноса, изменения химического состава стали, уменьшения ее объема9 [1823]. Теплопередача от движущихся потоков жидкой перегретой стали к границе затвердевания может происходить или под действием внешних сил, или благодаря разности плотностей жидкого металла, вызванной местным охлаждением в поле действия сил тяжести.
В первом случае происходит теплообмен в условиях вынужденной конвекции, а во втором имеет место свободная конвекция. В процессе конвекции объемы среды стремятся переместиться к поверхности теплообмена и отдают ей тепло тем интенсивнее, чем больше скорость движения среды. Поэтому конвекция неразрывно связана с турбулентностью, а ее интенсивность определяется, прежде всего, интенсивностью потока теплоносителя. Режим отвода тепла, особенно в период затвердевания отливки рельсового стыка, имеет очень большое значение, он влияет на формирование структуры кристаллизующегося металла, на его плотность и однородность. Затвердевание залитого в стык между рельсами металла происходит обыкновенно не сразу по всему ее сечению, оно начинается в поверхностном слое, затем переходит в глубинные слои. С учетом информации, имеющейся в
многочисленной литературе по металлургическим процессам стали, можно предположить, что в алюминотермитном стыке рельсовой стали затвердевание происходит в переходной двухфазной области, которая постепенно перемещается от периферии отливки к центру. При прочих равных условиях ширина переходной области тем больше, чем больше разница между температурами ликвидуса и солидуса заливаемого сплава. Вместе с тем ширина этой области зависит также от перепада температур по сечению отливки. Чем выше температурный градиент, т.е. чем круче кривая, характеризующая температурное поле отливки, тем ближе друг к другу находятся изотермы ликвидуса и солидуса, и тем уже переходная область, в которой сосуществуют твердая и жидкая фазы. Чем шире двухфазная зона, тем меньше образуется столбчатых (ориентированных) кристаллов. Существенное слияние оказывает ширина двухфазной зоны и на степень дендритной и зональной ликвации, являющейся следствием избирательного затвердевания составляющих сплава как внутри отдельных дендритов, так и стенок отливки. Ширина двухфазной зоны влияет также на микропористость структуры. В случае алюмотерми-ного стыка температурный градиент между жидким металлом и кромками подогретых до температуры 800-900°С рельсов низкий, а двухфазная зона - широкая. При широкой двухфазной зоне образуются изолированные островки расплава, при усадке алюмо-термитного стыка образуются микропоры, где в центральной зоне имеется осевая пористость (рис. 13, показаны снимки контроля рентгеном и оптическая микроскопия). На рис. 13 видно, что при ширине зазора между стыками до заливки металла 25 мм образующая литая зона после заливки больше. На ширину двухфазной зоны оказывают влияние:
- интервал затвердевания сплава (чем больше интервал затвердевания, тем шире двухфазная зона);
- температурный перепад по поперечному сечению алюмотермитного стыка, который зависит: от теплоаккумулирующей
Ш
способности формы, теплопроводности заливаемого сплава (чем меньше теплопроводность, тем круче температурный перепад), температуры заливки (чем выше температура металла при заливке, тем меньше температурный перепад вследствие прогрева формы) и от температуры затвердевания сплава.
Скорость отвода тепла от металла стыка в период затвердевания обусловливает, при постоянстве других условий, скорость перемещения по ее сечению фронта кристаллизации или переходной области и наряду с этим определяет температурное поле, от которого зависит ширина переходной области .
Эти факторы оказывают непосредственное влияние на формирование структуры кристаллизующегося сплава алюмино-термитного стыка. Для того чтобы управлять процессом затвердевания алюминотермит-ного стыка и обеспечить развитие в металле оптимальной структуры, нужно, во-первых, знать и использовать законы кристаллизации, во-вторых, научиться регулировать теплообмен между металлом и формой. Процесс кристаллизации обусловлен тем,
что при охлаждении жидкости до температур, лежащих ниже номинальной температуры ее затвердевания, состояние этой жидкости делается неустойчивым, и она стремится перейти в твердое состояние; переход сопровождается уменьшением свободной энергии системы.
Микроструктура алюмотермитных стыков во многом зависит от скорости охлаждения рельсового сварного соединения. Известно, что в случае застывания чистого металла его конечная структура определяется в основном условием зарождения и роста кристаллов. При этом с увеличением интенсивности отвода тепла (скорость охлаждения) в целом способствует формированию конечной мелкозернистой структуры, а малые скорости охлаждения приводят к крупнозернистой первичной структуре. На скорость охлаждения могут повлиять многие факторы, например, такие как количество и продолжительность предварительного нагрева, расстояние между концами рельса, оставляемого для сварки, размер рельса и погодные условия. Анализ имеющихся в литературе фото макроструктуры металла алюминотермитного стыка рельса показал, что на поверхности образцов четко
Рис. 13. Общий вид макроструктуры алюминотермитного стыка, перемещение изосолидуса и изоликвидуса в процессе затвердевания: 1 - рельс (1 - головка рельса, 2 - шейка, 3 - подошва); 2 -расплав; 3 - начало зоны затвердевания - изоликвидус; 4 - конец зоны затвердевания - изосолидус; 5 - твердая фаза; 6 - микропоры; а - начало затвердевания; б - продолжение затвердевания; в - стыковка зон затвердевания; г - конец затвердевания Fig. 13. General view of the aluminothermic joint macrostructure, displacement of isosolidus and isoliquidus under solidification: 1 - rail (1 - rail head, 2 - rail web, 3 - rail flange); 2 - melt; 3 - beginning of the solidification zone - isoliquidus; 4 - end of the solidification zone - isosolidus; 5 - solid phase; 6 - microvoids; a - beginning of solidification; b - continuation of solidification; c - jointing of hardening zones; g - end of solidification
Ш
выявлены основные структурные зоны алюмотермитного стыка, образовавшиеся при кристаллизации и затвердевании: при-корковая зона мелких равноосных кристаллов, зона столбчатых кристаллов, зона разнонаправленных крупных кристаллов. Известно, что при оценке свойств металла шва на этапе отработки технологии сварки путем варьирования режимов рекомендуется, согласно ГОСТ Р 57180-201613, проводить сравнительный анализ макроструктуры рассматриваемого образца с типизацией первичных макроструктур сварных швов, приведенной в приложении этого документа. Первичную макроструктуру металла шва, полученного при алюминотермитной сварке, можно отнести к типу II по ГОСТ Р 571802016 (рис. 14, 15). Макроструктура II типа образуется столбчатыми кристаллитами, направление осей которых представляет ортогональные траектории к семейству фронтов кристаллизации.
В центре шва (в области шейки рельса) кристаллиты плавно смыкаются под углом, равным нулю (см. рис.15). Такой тип макроструктуры образуется при низкой скорости сварки и отличается низким сопротивлением зарождению и распространению
трещин. По сечению сварочного шва рельса мы видим, что макроструктура кристаллитов в сечении шейки и головки отличается углами смыкания друг с другом. На рис. 15 область шейки рельса обозначена поз. 1, область головки рельса - поз. 2. Белыми стрелками показаны углы смыкания кристаллитов. Глобулярная форма кристаллитов показана на нижних электронных фото. Размеры глобулей большие. В целом структуру металла шва алюмотермитных стыковых соединений можно охарактеризовать как столбчатую дендритную структуру (рис. 14, поз. 6). При этом структура околошовной зоны вблизи линии сплавления представляет собой «видманштеттенову структуру» с увеличенным размером зерна по сравнению с исходным материалом. Видман-штетт в стыке рельсовой стали формируется в результате фазовой перекристаллизации в ходе превращения аустенита и объясняется на основе распределения прослоек эвтектики (эвтектоида) параллельно граням растущего кристалла. В доэвтекто-идной стали растущим кристаллом является феррит, в заэвтектоидной - цементит; перлит - это эвтектическая прослойка. Кристаллы новой фазы (феррит или цементит)
Рис. 14. Макростуктура алюминотермитного стыка: 1 - алюмотермитный стык; 2 - высокая скорость охлаждения; 3 - низкая скорость охлаждения; 4 - структура в зоне термического влияния; 5 - неметаллические включения; 6 - дендридная структура Fig. 14. Macrostructure of the aluminothermic joint: 1 - aluminothermic joint; 2 - high cooling rate; 3 - low cooling rate; 4 - structure zone of thermal influence; 5 - nonmetallic inclusions; 6 - dendride structure
Ш
возникают и растут в определенной ориен-тационной связи с решеткой исходной фазы (аустенита), в результате образуются кристаллы пластинчатой и игольчатой формы (рис. 14, поз. 2). Далее, согласно ГОСТ Р 57180-2016, необходимо отметить IV тип -стык двух фронтов кристаллизации образует четкую поверхность смыкания ведущих граней дендритов в головке рельса (см. рис. 15). Такая макроструктура возникает при больших скоростях сварки (нагрев и охлаждение) и характеризуется низким сопротивлением разрушению. Микроструктура может изменяться по всему сечению сварочного стыка. Так, например, структура в центре состоит из перлита и феррита (рис. 14, поз. 3, 4), тогда как вдали от центра существует смешанная структура зерен перлита в областях, где доминирует структура видманштеттеного феррита.
Структура по всему сечению алюминотермитного стыка в зоне термического влияния характеризуется величиной зерна № 1, свойственного перегретой стали. Формирование дефектных структур с большой
величиной зерна способствует потере пластичности стали, что подтверждается экспериментальными данными [32, 33]. Неметаллические включения типа сульфидов марганца фиксируются в металле шва при алюминотермитной сварке (рис. 14, поз. 5). Присутствие в рельсовой стали неметаллических включений может существенно влиять на формирование дефектов в зоне алюминотермитной сварки [32, 33]. Тип и структура дефектов в значительной степени определяются составом неметаллических включений [10]. Так, например, оксидные включения, сосредоточенные в полосах проката, выносятся в зону шва и в условиях деформации, образуя скопления, выстраиваются в наиболее неблагоприятном направлении относительно нагрузок, которые испытывает рельс. В связи с наибольшей загрязненностью центральной зоны алюминотермитного стыка, по мнению авторов [32, 33], наблюдаются самые низкие показатели пластичности. Силикаты недефор-мирующиеся и силикаты хрупкие значительно снижают пластические свойства,
Рис. 15. Макроструктура алюмотермитного стыка Fig. 15. Macrostructure of the aluminothermic joint
13ГОСТ Р 57180-2016. Соединения сварные. Методы определения механических свойств, макроструктуры и микроструктуры; утв. и введен в действие приказом Федерального агентств по техническому регулированию и метрологии от 21.10.2016 г. № 147-ст. / GOST R 57180-2016. Welding joints. Methods for determination of mechanical properties, macrostructure and microstructure; approved and put into operation by the Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of 21 October 2016 No. 147- ст.
@
увеличивая скорость роста усталостных трещин [10, 32]. В работах [23, 32, 33] в результате металлографического анализа установлено, что металл в области алюми-нотермитного сварного соединения имеет несколько различных структур (рис. 16). В зоне сварного шва микроструктура металла формируется в процессе затвердевания залитого металла. Поэтому металл в данной зоне имеет литую структуру игольчатого малоуглеродистого сорбита с ферритом по междендритным прослойкам (рис. 16 а) [23]. В зоне сплавления металла сварного шва с металлом рельса (рис. 16 Ь) видна ярко выраженная неровная граница сплавления. Металл рельса имеет крупнозернистую структуру, что свидетельствует о том, что этот участок, прилегающий к зоне сварки, был перегрет, и крупные зерна аустенита привели к образованию пластинчатого перлита с ферритной сеткой (рис. 16 с).
Очевидно, что с позиции структурного фактора для крупнозернистой структуры алюмотеримтного стыка характерны пониженная пластичность и ударная вязкость. Этот тривиальный вывод подтверждается экспериментальными работами
а
[31, 32]. Хорошо известно, что низкие значения ударной вязкости отрицательно влияют на устойчивость металла к хрупким разрушениям [14, 27, 31, 32].
Авторами работы [32] проведены комплексные исследования на прочность, пластичность, трещиностойкость, ударную вязкость алюминотермитных стыков рельсовых сталей и71Мп и U75V в диапазоне температур от -60 до +20°С. Показатели ударной вязкости и трещиностойкости алю-минотермитных стыков резко снижается при температуре +1-+5°С, а в области отрицательных температур имеют практически нулевые значения. Авторы публикаций [32, 33] не рекомендуют использовать данный вид сварки рельсов для работы рельсового пути при отрицательных температурах. Повышение механических и эксплуатационных характеристик алюминотермитных сварных соединений рельсов может быть достигнуто за счет применения термической обработки (нормализации) [23, 34] и модифицированием литейного компонента, так как в результате проведения нормализации стали получается мелкозернистая структура.
b
Рис. 16. Микроструктура металла головки рельса в области алюминотермитного сварного соединения ув. 300: а - зона сварного шва; b - зона границы сплавления; с - зона термического влияния (6-8 мм от границы сплавления); d - зона термического влияния (14-18 мм от границы
сплавления) [27]
Fig. 16. Microstructure of the rail top metal in the region of the aluminothermic weld joint, 300-fold multiplication: a - weld zone; b - zone of fusion boundary; c - zone of thermal influence (6-8 mm from the fusion boundary); d - zone of thermal influence (14-18 mm from the fusion boundary) [27]
Ш
Заключение
Таким образом, проведенный анализ технологических особенностей алюмотер-митной сварки рельсов показывает отсутствие фундаментальных теоретических и практических исследований микро- и макро-структурного состояния металла в зоне сварного стыка и термического влияния. Особенно важно отметить, что невозможность контроля алюминотермитного процесса на всех его стадиях ставит под сомнение его эффективность с точки зрения получения оптимальной структуры в сварочном стыке рельсовой стали. Как следствие этого факта, физико-механические характеристики и эксплуатационные показатели сварного шва и околошовной зоны не поддаются теоретическому прогнозированию, т.е. научному знанию. Упование железнодорожников-путейцев на случай практически сводит на нет все требования безопасности, предъявляемые к условиям эксплуатации железнодорожного пути. В то же время у сторонников этого способа существует свое видение будущего. Так, например, автор работы [34] отмечает, что сегодня при строитель-
1. Ермаков В.М. Штайгер М.Г., Янович О.А. Электронный паспорт рельса // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 4. С. 13-17.
2. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением. Киев: Наукова думка, 1976. 213 с.
3. Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка рельсов. М.: Министерство коммунального хозяйства РСФСР, 1963. 102 с.
4. Кучук-Яценко С.И., Кривенко В.Г., Дидковский А.В., Швец Ю.В., Харченко А.К., Левчук А.Н. Технология и новое поколение оборудования для контактной стыковой сварки высокопрочных рельсов современного производства при строительстве и реконструкции скоростных железнодорожных магистралей // Автоматическая сварка. 2012. № 6 (710). С. 32-40.
5.Штайгер М.Г. Проблемы качества компонентов путевого комплекса // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 12. С. 6-9.
6. Косенко С.А., Акимов С.С. Причины отказов элементов железнодорожного пути на полигоне Западно-Сибирской железной дороги // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. № 3 (42). С. 26-35.
стве и реконструкции высокоскоростных железнодорожных магистралей использование алюминотермитного способа сварки имеет экономическую перспективность при условии решения выделенных им вопросов и осуществления мероприятий по улучшению этого способа. Однако проведенный выше анализ, представленный в данной статье, не позволяет согласиться с такой перспективой, так как применение этого способа сварки в XXI в., ввиду своей глубочайшей архаичности, вызывает недоумение и сожаление о низкой компетенции руководителей железнодорожной отрасли. А такой неоспоримый факт, как неконтролируемость процесса сварки на всех стадиях его осуществления и отсутствие достоверных теоретических и экспериментальных фактов о процессах структурообразования в металле шва рельсовой стали, ставит перед нами вопросы экономической целесообразности данного способа с учетом уже имеющейся в службе пути ОАО «РЖД» угрожающей статистики по отказам и обеспечения безопасности перевозочного процесса.
кий список
7. Яновский А.С. На сетевой школе в Ростове-на-Дону // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 8. С. 2-7.
8. Меркулова Т.В., Рождественский С.А., Рукавчук Ю.П., Шелухин А.А., Этинген И.З. Анализ системы не-разрушающего контроля сварных стыков рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2013. № 11. С. 6-9.
9. Рукавчук Ю.П., Рождественский С.А., Этинген И.З. Дефектность стыков алюминотермитной сварки рельсов // Путь и путевое хозяйство, 2011. № 4. С. 26-27.
10. Шур Е.А. Повреждения рельсов. М.: Интекст, 2012. 192 с.
11. Козырев Н.А., Усольцев А.А., Шевченко Р.А., Крюков Р.Е., Шишкин П.Е. Современные методы сварки рельсов нового поколения // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. № 60 (10). С. 785-791. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-785-791.
12. Кузьменко Г.В., Кузьменко В.Г., Галинич В.И., Та-гановский В.М. Новая технология электродуговой сварки ванным способом рельсов в условиях трамвайных и подкрановых путей // Автоматическая сварка. 2012. № 5 (709). С. 40-44.
13. Балановский А.Е. Система колесо - рельс: монография. Ч. 1. Конец системы колесо - рельс и вновь начало. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 1009 с.
14. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.
15. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Машиностроение, 1984. 216 с.
16. Ющенко К.А., Дерломенко В.В. Анализ современных представлений о свариваемости // Автоматическая сварка. 2005. № 1. С. 9-13.
17. Костин В.А. Математические описание углеродного эквивалента как критерия оценки свариваемости сталей // Автоматическая сварка. 2012. № 8. С. 12-17.
18. Каргин В.А., Тихомирова Л.Б., Галай М.С., Кузнецова Е.С. Повышение эксплуатационных параметров соединений, полученных алюминотермитной сваркой // Сварочное производство 2014. № 2. С. 29-32.
19. Воронин Н.Н., Прохоров Н.Н., Трынкова О.Н. Резервы алюминотермитной сварки рельсов // Мир транспорта. 2012. № 2 (40). С. 76-83.
20. Воронин Н.И. Трынкова О.Н., Фомичева О.В. Алю-минотермитная сварка рельсов зимой // Мир транспорта. 2012. № 4. С. 56-59.
21. Гудков А.В. Лыков А.М., Кярамян К.А. Расчет процесса алюминотермитной сварки рельсов // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 2. С. 50-54.
22. Давыдкин А.В., Николаев С.В. Контроль алюминотермитной сварки рельсов зеркальными методами // Путь и путевое хозяйство. 2013. № 12. С. 6-10.
23. Тихомирова Л.Б., Ильиных А.С., Галай М.С., Сидоров Э.С. Исследоване структуры механических свойств алюмотермтных сварных соединений рельсов // Вестник ЮУрГУ. Серия: Металлургия. 2016. Т. 16. № 3. С. 90-95.
24. Яценко В.В., Амосов А.П., Самборук А.Р. Термодинамические исследования горения железо-алюминиевого термита // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2011. N 2. С. 123-128.
25. Беляев А.Ф., Комкова Л.Д. Зависимость скорости горения термитов от давления // Журнал физической
химии. 1950. Т. 24. С. 1302-1311.
26. Рязанов С.А. Основы технологии производства алюмотермитных огнеупоров. Самара: Изд-во СамГТУ, 2007. 178 с.
27. Фролов В.В. Поведение водорода при сварке плавлением. М.: Машиностроение, 1966. 155 с.
28. Перворочаев Н.М. О содержании газов в литом и катанном металле // Инновационные технологии вне-печной обработки чугуна и стали: доклады науч.-практ. конф. Донецк: Изд-во Украинской ассоциации сталеплавильщиков, 2011. С. 33-38.
29. Балановский А.Е., Нестеренко Н.А. Проблема водорода при плазменном поверхностном упрочнении // Сварочное производство. 1992. № 11. С. 13-15.
30. Балановский А.Е., Гречнева М.В., Гюи В.В. Исследование структуры рельсовой стали после плазменного поверхностного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 11 (131). С. 23-32.
31. Клименков Д.А., Балановский А.Е. Определение диффузионного водорода при сварке покрытыми электродами стальных труб класса прочности К60 и К65 // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. с международ. участием (Иркутск, 25-27 апреля 2016 г.). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. С. 265-273.
32. Yuan-qing Wang, Hui Zhou, Yong-jiu Shi1, and Bao-rui Feng Mechanical properties and fracture toughness of rail steels and thermite welds at low temperature // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2012. Vol. 19. No. 5. P. 409. DOI: 10.1007/s12613-012-0572-8
33. Myers J., Geiger G.H., Poirier D.R. Structure and properties of thermite welds in rails // Welding Journal. 1982. Vol. 258. Р. 8-19.
34. Lonsdale C.P. Thermit rail welding: history, process developments, current practices and outlook for the 21st century (pdf). In: Proc. of AREMA 1999 Annual Conf. The American railway engineering and maintenance-of-way association, Sept. Р. 2. 1999.
References
1. Ermakov V.M. Shtaiger M.G., Yanovich O.A. Electronic passport of the rail. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2016, no. 4, pp. 13-17. (In Russian).
2. Kuchuk-Yacenko S.I. Kontaktnaya stykovaya svarka nepreryvnym oplavleniem [Contact straight flash welding]. Kiev: Naukova dumka Publ., 1976, 213 p.
3. Malkin B.V., Vorob''ev A.A. Termitnaya svarka rel'sov [Thermit welding of rails]. Moscow: Ministry of Communal Services of the Russian Federation, 1963, 102 p. (In Russian).
4. Kuchuk-Yacenko S.I., Krivenko V.G., Didkovskij A.V., Shvec Yu.V., Harchenko A.K., Levchuk A.N. Technology and new generation of equipment for contact flash welding of modern high-strength rails under construction and
reconstruction of high-speed railway lines. Avtomatich-eskaya svarka [Automatic welding]. 2012, no. 6 (710), pp. 32-40. (In Russian).
5. Shtaiger M.G. Problems of track complex components quality. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2011, no. 12, pp. 6-9. (In Russian).
6. Kosenko S.A., Akimov S.S. Failure causes of railway track elements at the west siberian railway polygon. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniya [Bulletin of Siberian Transport University]. 2017, no. 3 (42), pp. 26-35. (In Russian).
7. Yanovskii A.S. At Rostov-on-Don network school. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2017, no. 8, pp. 2-7. (In Russian).
8. Merkulova T.V., Rozhdestvenskii S.A., Rukavchuk Yu.P., Shelukhin A.A., Etingen I.Z. Analysis of the system of nondestructive testing of welded rail joints. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2013, no. 11, pp. 6-9. (In Russian).
9. Rukavchuk Yu.P., Rozhdestvenskii S.A., Etingen I.Z. Defectiveness of joints of aluminothermic welding of rails. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2011, no. 4, pp. 26-27. (In Russian).
10. Shur E.A. Povrezhdeniya rel'sov [Rail damage]. Moscow: Intext Publ., 2012, 192 p. (In Russian).
11. Kozyrev N.A., Usol'tsev A.A., Shevchenko R.A., Kryukov R.E., Shishkin P.E. Modern welding methods of the rails of new generation. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya [Izvestiya. Ferrous Metallurgy]. 2017, no. 60 (10), pp. 785-791. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-785-791. (In Russian).
12. Kuz'menko G.V., Kuz'menko V.G., Galinich V.I., Ta-ganovskii V.M. New technology of rail electric arc welding by the welding bath method in the conditions of tram and crane ways. Avtomaticheskaya svarka [Automatic welding]. 2012, no. 5 (709), pp. 40-44. (In Russian).
13. Balanovskii A.E. Sistema koleso - rel's [The wheel-rail system]. Part 1. Konets sistemy koleso - rel's i vnov' nachalo [End of the wheel-rail system and again start]. Irkutsk: Irkutsk state university Publ., 2011, 1009 p. (In Russian).
14. Makarov E.L., Yakushin B.F. Teoriya svarivaemosti stalei i splavov [Theory of steels and alloys weldability]. Moscow: MGTU named after N.E. Bauman Publ., 2014, 487 p. 14. (In Russian).
15. Grivnyak I. Svarivaemost' stalei [Weldability of steels]. Moscow: Machine-Building Publ., 1984, 216 p. (In Russian).
16. Yushchenko K.A., Derlomenko V.V. Analysis of modern ideas of weldability. Avtomaticheskaya svarka [Automatic welding]. 2005, no. 1, pp. 9-13. (In Russian).
17. Kostin V.A. Mathematical description of carbon equivalent as an evaluation criterion of steel weldability. Avtomaticheskaya svarka [Automatic welding]. 2012, no. 8, pp. 12-17. (In Russian).
18. Kargin V.A., Tihomirova L.B., Galaj M.S., Kuznecova E.S. Performance parameters enhancement of joints obtained by aluminothermic welding. Svarochnoe pro-izvodstvo [Welding industry]. 2014, no. 2, pp. 29-32. (In Russian).
19. Voronin N.N., Prohorov N.N., Trynkova O.N. Reserves of rail aluminothermic welding. Mir transporta [World of transport and transportation]. 2012, no. 2 (40), pp. 76-83. (In Russian).
20. Voronin N.I. Trynkova O.N., Fomicheva O.V. Aluminothermic welding of rails in winter. Mirtransporta [World of transport and transportation]. 2012, no. 4, pp. 56-59. (In Russian).
21. Gudkov A.V. Lykov A.M., Kyaramyan K.A. Calculation of aluminothermic rail welding process. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozh-nogo transporta [Vestnik of the Railway Research Institute]. 2013, no. 2, pp. 50-54. (In Russian).
22. Davydkin A.V., Nikolaev S.V. Control of aluminothermic welding of rails by mirror methods. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities]. 2013, no. 12, pp. 6-10. (In Russian).
23. Tikhomirova L.B., Il'inyh A.S., Galai M.S., Sidorov E.S. Investigation of structure and mechanical properties of aluminothermic welded joints of rails. Vestnik YuUrGU. Seriya: Metallurgiya [Bulletin of the South Ural state university. Series "Metallurgy"]. 2016, vol. 16, no. 3, pp. 90-95. (In Russian).
24. Yatsenko V.V., Amosov A.P., Samboruk A.R. Ther-modynamic research of aluminium-ferric thermit combustion. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Fiziko-matematich-eskie nauki [The Journal of Samara State Technical University. Series: Physical and mathematical sciences]. 2011, no. 2, pp. 123-128. (In Russian).
25. Belyaev A.F., Komkova L.D. Dependence of thermit burning rate on pressure. Zhurnal fizicheskoi khimii [Journal of Physical Chemistry]. 1950, vol. 24, pp. 13021311. (In Russian).
26. Ryazanov S.A. Osnovy tekhnologii proizvodstva al-yumotermitnykh ogneuporov [Fundamentals of the aluminothermic refractory production technology]. Samara: Samara state technical university Publ., 2007, 178 p. (In Russian).
27. Frolov V.V. Povedenie vodoroda pri svarke plavleniem [Hydrogen behavior under fusion welding]. Moscow: Machine-Building Publ., 1966, 155 p. (In Russian).
28. Pervorochaev N.M. O soderzhanii gazov v litom i katannom metalle [On the content of gases in cast and rolled metal]. Doklady nauchno-prakticheskoi konfer-entsii "Innovatsionnye tekhnologii vnepechnoi obrabotki chuguna i stali" [Reports of the scientific and practical conference "Innovative technologies of ladle processing of cast iron and steel"]. Donetsk: Ukrainian association of steel-makers Publ., 2011, pp. 33-38.
29. Balanovskii A.E., Nesterenko N.A. The problem of hydrogen in plasma surface hardening. Svarochnoe pro-izvodstvo [Welding]. 1992, no. 11, pp. 13-15. (In Russian).
30. Balanovskij A.E., Grechneva M.V., Gyui V.V. Investigation of the structure of the rail steel after plasma surface hardening. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening technologies and coatings]. 2015, no. 11 (131), pp. 23-32. (In Russian).
31. Klimenkov D.A., Balanovskij A.E. Opredelenie dif-fuzionnogo vodoroda pri svarke pokrytymi elektrodami stal'nykh trub klassa prochnosti K60 I K65 [Determination of diffusion hydrogen under welding of K60/K65 strength class steel pipes coered with electrodes]. Mate-rialy dokladov VI Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem "Zhiznennyi tsikl konstruktsionnykh materialov (ot polucheniya do uti-lizatsii)" [Reports of the VI All-Russia scientific and technical conference with international participation "Life cycle of structural materials (from production to recycling)"]. Irkutsk: IRNITU Publ., 2016, pp. 265-273. (In Russian).
32. Yuan-qing Wang, Hui Zhou, Yong-jiu Shi1, and Bao-rui Feng Mechanical properties and fracture toughness of rail steels and thermit welds at low temperature. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2012, vol. 19, no. 5, pp. 409. DOI: 10.1007/s12613-012-0572-8
33. Myers J., Geiger G.H., Poirier D.R. Structure and
properties of thermit welds in rails. Welding Journal. 1982, vol. 258, pp. 8-19.
34. Lonsdale C.P. Thermit rail welding: history, process developments, current practices and outlook for the 21st century (pdf). In: Proc. of AREMA 1999 Annual Conf. The American railway engineering and maintenance-of-way association, Sept. P. 2, 1999.
Критерии авторства
Штайгер М.Г., Балановский А.Е. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Shtaiger M.G., Balanovsky A.E. have equal authors' rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии интересов.
Conflict of interests
конфликта The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
