Алюмінотермітне зварювання рейкових стиків

Зварювання рейкових стиків — дуже відповідальне та непросте завдання. Матеріал полотна містить велику кількість вуглецю, що відносить його до розряду металів, що важко зварюються. Це проявляється у освіті тріщин на шві, які сприяють руйнації сполуки. Додатково концентрація напруги на матеріалі специфічної форми ускладнює процес створення міцного стику. Замість електродугового ручного методу було розроблено альтернативу — алюмінотермітне зварювання рейок. У чому її суть та як це працює?

Основне призначення методу

Рейки - це складна конструкція, що забезпечує рух багатотонних поїздів на великій швидкості. Для безперебійного проходження важких потягів потрібна цілісність дорожнього полотна. Тому всі рейки слід з'єднувати між собою. Шпали забезпечують певну амортизацію та стійкість лінії без просадок. Але погано зварені стики можуть завдати серйозної шкоди всієї конструкції і поїздам, що проходять.

Сам процес накладання шва на рейкове полотно досить проблематичний. Дугове зварювання не здатне проплавити таку товщину без великого скосу кромок. Якщо робити глибоку обробку на торцях, зварювання сторін займе багато часу. Газове зварювання взагалі не розраховане на таку товщину металу. Ще одна складність полягає в тому, що якщо матеріал шва виявиться недостатньо твердим, то відбудеться зміщення центрації та просідання однієї зі сторін стику. Колесо рухомого складу, щоразу проходячи по цьому місцю, битиметься про борт. Постійні удари в торець рейки призводять до швидкого руйнування полотна, зупинки руху та частих ремонтних робіт.

Для самих поїздів погані стики загрожують шкодою для рухомої частини. При регулярних ударахколісної пари про виступи починають утворюватися сколи на поверхні головок та їх подальше зминання. Підвищується вібрація під час руху, а втрата балансу призводить до подальшого руйнування рейок та ходової частини.

Якщо матеріал шва буде занадто жорстким, то регулярні навантаження при багатотонних поїздах і внутрішня напруга допоможуть мимовільному розпаду металу з'єднання. Щоб розв'язати задачу зварювання рейок, було проведено безліч дослідів. Бекет Н.М. виявив процес, названий алюмінотермія. Він дозволяє якісно з'єднувати рейкові шляхи, з належною міцністю та необхідною в'язкістю шва, забезпечуючи рух важких складів без просадок і тріщин.

Опис алюмінотермітного зварювання

Щоб з'єднання рейок між собою було якісним, використовується алюмінієве зварювання. Суть методу полягає в плавленні спеціального порошку, який засипається між сторонами полотна, що зварюються. Він міцно пов'язує основний матеріал і робить структуру шва підвищеної в'язкості та опору на розрив. Такі стики рейок не просідають згодом і виконуються за короткий термін.

До складу порошку входить два компоненти: 23% алюмінієвої крихти (звідки взято назву методу), і 77% оксиду заліза. Порошок має дрібнодисперсну структуру і максимальна величина гранул становить 0,5 мм. Метод заснований на здатності металу до відновлення в окислах алюмінію. Але це можливо за дуже високої температури. Тому використовується запал, який підпалює суміш. Гранули спалахують і температура доходить до 3000 градусів. Завдяки цьому оксид заліза здатний перетворитися на чистий метал.

На місці застосовується заливальна форма, що забезпечує попадання сплаву до зони стику. Важливо створити герметичну конструкцію, тому булирозроблено форми під різні конфігурації рейок. Залишкові щілини закладаються термостійкою обмазкою. Рідкий склад затікає до місця з'єднання, повністю заповнюючи вільний простір. У процесі утворюється шлак, який, будучи найлегшим, спливає на поверхні.

Рейковий стик, будучи ще гарячому стані, потребує ущільнення, для усадки матеріалу. Тому на місці робіт використовуються преси. Після створення з'єднання забираються всі пристрої і відбивається шлак молотком. Шов має грубі напливи, тому потребує обробки шліфувальною машиною та болгаркою у важкодоступних місцях.

Переваги і недоліки

Алюмінотермітне зварювання рейок має кілька основних переваг:

Створення шва на рейковому полотні займає близько 30 хвилин (з усіма попередніми роботами). Причому бригада за 50 хвилин може накласти близько 12 швів. Це досягається за рахунок конвеєризації процесу: один робітник виставляє рейки та переходить на наступне місце, другий встановлює форму та створює стик, третій обробляє поверхню.
Основні комплектуючі для алюмінієвого зварювання можна купити в магазинах. Суміш продається у спеціальних бочках.
Процес зварювання відносно не складний, і достатньо кількох тренувань практично, щоб робітник навчився самостійно виконувати зварювання.
Економія електроенергії, яка потрібна лише для запитки шліфувального обладнання.
Висока якість шва, здатна витримувати великі навантаження.
Можливість проводити зварювальні роботи далеко від населених пунктів у польових умовах.

Але в алюмінотермітного зварювання існують і недоліки. Порошок відноситься до розряду легкозаймистих засобів і вимагає обережного поводження.Якщо в нього випадково потрапив вогонь, то згасити склад вже неможливо і розплавлений метал протікає в невідповідному місці, що призведе до непотрібної витрати матеріалу, і можливо, до пожежі. Якщо в ємність, що горить, потрапить вода, то це спровокує вибух і розбризкування розплавленого матеріалу. Для якісного з'єднання потрібно попереднє підігрів сторін рейок полум'ям пальника. Тому, незважаючи на простоту самого зварювання, підготовка та подальша обробка стику вимагають наявності балонів та електрики.

Устаткування для зварювання

Щоб реалізувати на місці зварювання алюмінотермітним методом потрібно таке обладнання та матеріали:

бочка з порошком та спеціальною заглушкою;
виливна форма, що відповідає конструкції рейки;
у разі використання не бочки, а розважного порошку - тигель для засипки складу та підставка під нього;
обмазувальна паста для герметизації стику;
прес для подальшого ущільнення;
шліфувальна машинка;
молоток та зубило;
металева лопатка для забору шлаку, що горить, з кишень пристосування;
пальник для попереднього підігріву (операцію можна провести і без неї, але з найгіршим результатом якості).

Поетапне виконання

Технологія створення зварного шва на рейковому полотні реалізується у певній послідовності. Спершу знімаються найближчі кріплення на шпалах і послаблюються дальні затискачі. Це дозволить вільно встановити сторони та прибрати можливу напругу в металі. Виставляються торці рейок так, щоб вони знаходилися на однаковому рівні щодо один одного з усіх боків. Перепади призведуть до перевантаження на цій ділянці та швидкого руйнування. Між сторонами залишається зазор 25 мм для повноцінногозатікання розплавленого матеріалу. Щоб зберегти розмір зазору при регулювальних рухах торців закладаються пластини відповідної товщини.

Відбувається фіксація полотна захватами або струбцинами, щоб зберегти рівень і рівність лінії. Накладається форма, що точно відповідає вигинам по бічному рельєфу рейок. Щілі, що залишилися, замазуються вогнетривкою пастою. На стик встановлюється підставка з лійкою, зверху якої міститься ємність із порошком. Якщо він у развесном вигляді, то необхідний тигель.

Алюмінотермітна суміш підпалюється спеціальним запалом, після чого розплавляється нижня заглушка, і склад витікає у форму. Заповнюється з'єднання, після чого розбирається форма та відбивається шлак. Стик обробляється пресом для усадки та починається шліфувальний процес. Його обов'язково провести на поверхні рейкового полотна, що стикається з ходовою частиною поїзда.

Зварювання із застосуванням алюмінотермітного порошку дозволяє міцно з'єднувати рейки. Це зберігає цілісність колій і коліс рухомого складу. Вона використовується і на інших видах сталі, навіть на з'єднанні дротів. Простота застосування та доступність матеріалів роблять його зручним зварювальним методом.