Spawanie szyn

Spawanie szyn jest to sprawa dość skomplikowana i wymaga osobnego artykułu na ten temat.

Ogólny podział spawania szyn wygląda następująco:

1. Spawanie termitowe:

Metoda SoWoS
Metoda SoW-L75
Metoda SkV
Spawanie termitowe szyn obrabianych cieplnie
Spoina dwuskładnikowa

2. Spawanie elektryczne:

Spawanie łukowe szyn elektrodami z rdzeniem proszkowym metodą MF
Spawanie złączy szynowych metodą T.I.M.E.
Metoda Railweld

3. Zgrzewanie szyn z rozjazdami

Spawanie termitowe szyn:

Spawanie termitowe oparte jest o reakcję samoczynnego spalania egzotermicznego mieszanki tlenków metali i reduktorów.

W odróżnieniu od tradycyjnego spalania, może ono zachodzić w zamkniętych naczyniach, ponieważ reakcje termitowe przebiegają z udziałem tlenu zawartego w tlenkach.

Przy spawaniu termitowym źródłem ciepła jest reakcja chemiczna, która do złącza dostarcza nie tylko ciepło, ale i spoiwo. Stosowane metody opierają się o pewien schemat, który składa się z następujących operacji :

ustawienie końców szyn,
założenie form i ich uszczelnienie,
wstępne podgrzewanie,
reakcja termitowa i spust,
obróbka wstępna i ostateczna.

Termit (mieszaninę tlenku żelaza Fe₃O₄ i aluminium Al, w stosunku wagowym 78:22) wsypuje się do tygla wyłożonego materiałem ogniotrwałym i zapala. W ciągu kilku sekund następuje egzotermiczna reakcja, w której aluminium łączy się z tlenem z tlenku żelaza. W efekcie otrzymuje się ciekłe żelazo nagrzane do temperatury ok. 2500 °C pokryte warstwą tlenków aluminium AL₂O₃. Aby materiał spoiny był jak najbardziej zbliżony do materiału rodzimego w skład mieszanki termitowej wprowadzane są dodatki stopowe. Łączone końce elementów muszą być odpowiednio ujęte w formę odlewniczą. Między płaszczyznami czołowymi pozostawiać się szczelinę, aby ciekłe żelazo mogło ja wypełnić. Strumień przegrzanego żelaza spływający z tygla do formy nadtapia ścianki łączonych części szyn, co daje dobre połączenie z metalem rodzimym.

Podstawową zaletą spawania termitowego jest jego szybkość, autonomiczność energetyczna, prostota wykonania i duża wydajność. Obecny rozwój spawania termitowego postępuje w kierunku zwiększenia odporności na obciążenia dynamiczne, a co za tym idzie zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej.

Metoda SoWoS:

Obecnie podstawową metodą spawania szyn termitem w sieci polskich koleji jest metoda spawania szyn bez nadlewu z użyciem form suchych prefabrykowanych z górnym wstępnym podgrzewaniem SoWoS. Do spawania używa się form suchych prefabrykowanych trzyczęściowych składających się z mostka i dwóch połówek. Dobór form spawalniczych jest uzależniony od typu szyny. Wstępne podgrzewanie jest realizowane za pomocą palnika zasilanego mieszanką tlenowo-propanową i trwa w zależności od typu szyny. Następnie, za pomocą zapału błyskawicznego zainicjowana zostaje reakcja termitowa w tyglu. Po zakończeniu reakcji i segregacji jej produktów następuje spust poprzez przepalenie tulejki samospustowej. Ostatnimi operacjami procesu technologicznego jest obróbka złącza.

Wstępną obróbkę prowadzi się na gorąco i obejmuje ona tylko materiał spoiny, zaś obróbka końcowa jest prowadzona po wystygnięciu spoiny. Obróbkę spoiny wykonuje się za pomocą szlifierki szynowej, szlifierki rozjazdowej i szlifierki kątowej. Odchyłki szlifowania końcowego są zależne od kategorii linii i prędkości z jaką po niej mają poruszać się pociągi.

Metoda SoW-L75:

Metoda ta jest modyfikacją podstawowej metody SoWoS w części dotyczącej wielkości luzu spawalniczego.

Metoda SkV:

W metodzie SkV czas ogrzewania końców szyn jest bardzo ograniczony i wynosi 1 – 2 [min]. Krótkie podgrzewanie ma na celu przede wszystkim pozbycie się wilgoci z formy i masy uszczelniającej.

Końce szyn nagrzewają się do temperatury ok. 600 [°C]. Aby uzyskać odpowiednią ilość ciepła potrzebną do stopienia końców szyn stosuje się większą porcję termitu.

Spawanie termitowe szyn obrabianych cieplnie:

Spawanie szyn obrabianych cieplnie można wykonywać według procesu technologicznego takiego jak dla szyn surowych, np. metodą SoWoS Po wykonanej w tradycyjny sposób obróbce ostatecznej, wykonuje się obróbkę cieplną spoiny. Powierzchnię toczną szyny w rejonie spoiny i strefy wpływu ciepła podgrzewa się z góry specjalnie skonstruowanym palnikiem zasilanym mieszanką tlenowo – propanową. Czas trwania grzania wynosi 100 sekund, zaś po tym czasie na spoinę nakłada się specjalną pokrywę izolacyjną na czas 2 minut. Ponieważ nagrzewanie jest ograniczone tylko do powierzchni tocznej nie ma potrzeby stosowania środków chłodzących.

Po procesie podgrzewania ciepło jest gwałtownie odprowadzane przez obszary nieobjęte podgrzewaniem. W wyniku tak prowadzonej obróbki cieplnej uzyskuje się strefę zahartowaną o grubości 7-10 [mm] od powierzchni tocznej, która rozprzestrzenia się poprzez spoinę, strefę wpływu ciepła i przechodzi do materiału rodzimego szyny.

Wówczas pod powierzchnią toczną powstaje jednorodna struktura perlityczna. Czas trwania procesu, to ok. 5 [min].

Spoina dwuskładnikowa:

Spoina dwuskładnikowa posiada zalety porównywalne z szyną o hartowanej główce, gdzie plastyczna jest stopa i szyjka, główka natomiast ma podwyższoną wytrzymałość.

Przy spoinie dwuskładnikowej w przeciwieństwie do tradycyjnej mieszanki termitowej, stosuje się porcje o niskiej zawartości składników stopowych. Otrzymana w wyniku reakcji stal termitowa cechuje się wysoką ciągliwością i niską odpornością na ścieranie na powierzchni tocznej. Aby poprawić ścieralność główki stosuje się mostek ceramiczny zamykający formę, w którego dolnej części umieszczono dodatki stopowe. W efekcie uzyskuje się spoinę, gdzie stopa i szyjka są ciągliwe, a główka wykazuje podwyższoną odporność na ścieranie.

Spawanie elektryczne szyn:

Spawanie łukowe szyn elektrodami z rdzeniem proszkowym metodą MF:

Podobnie jak przy spawaniu termitowym, pierwszą czynnością jest ustawienie końców szyn. W metodzie tej wznios w płaszczyźnie pionowej wynosi 2,5 – 4,0 [mm]. Aby uzyskać odpowiedni kształt spoiny przed spawaniem zakłada są miedzianą płytkę stopową. Spawanie stopki prowadzi się w trzech warstwach ruchem ciągłym. Warstwę wierzchnią nakłada się na stopkę dopiero po zespawaniu główki. Dzięki temu możliwe jest założenie bocznych miedzianych szczęk.
Spawanie szyjki i główki powinno być wykonane w jednym nieprzerwanym cyklu roboczym. Aby uniknąć wad na końcach szyn, łuk elektryczny powinien dotykać i nadtapiać boki obydwu końców szyn.

Spawanie złączy szynowych metodą T.I.M.E.:

Metoda T.I.M.E. jest odmianą spawania elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego znaną pod nazwą MAG. W przypadku metody T.I.M.E. osłonę stanowi czteroskładnikowa mieszanka gazowa zawierająca 65 [%] Ar, 26,5 [%] He, 8 [%] C0₂, 0,5 [%] 0₂.

Z uwagi na występowanie aktywnego CO₂ i O₂, reakcje metalurgiczne prowadzą do niekorzystnego utleniania żelaza, co wymaga stosowania niskostopowych drutów.

Do zalet metody T.I.M.E. można zaliczyć :

przechodzenie ciekłego metalu następuje w słupie łuku,
głębokie i równomierne wtopienie w krawędzie łączonych elementów,
mniejsze odkształcenia i naprężenia złącza ze względu na mniejszą ilość ściegów i warstw,
brak rozprysków,
duża czystość metalurgiczna spoin oraz niskie zawartości gazów (O₂ i H₂) w spoinach, co zapewnia wysoką udarność.

Wadą jest wysoki poziom promieniowania ultrafioletowego oraz konieczność stosowania drogiej mieszanki gazowej oraz wysoki koszt urządzeń.

Metoda Railweld:

Metoda Railweid została opracowana specjalnie do łączenia szyn z wykorzystaniem metody T.I.M.E. Może być stosowana do spawania szyn kolejowych i tramwajowych zarówno przy układaniu nowych torów jak i naprawie bieżącej. W metodzie Railweid wykorzystywana jest technika spawania wielowarstwowego krótkimi ściegami, która umożliwia utrzymanie punktów strefy wpływu ciepła w zakresie temperatur pomiędzy temperaturą początku przemiany martenzytycznej a temperaturą końca przemiany austenitycznej. Sposób ten ogranicza do minimum przegrzanie strefy przyspoinowej materiału rodzimego, która osiąga grubość nie większą niż 5 [mm].

W miejscu tym występuje wzrost twardości rzędu 350 HV mający związek z występowaniem struktury bainityczno – martenzytycznej.

Zalety tej metody to:

możliwość spawania szyn w torze,
eliminacja obróbki cieplnej przed i po spawaniu,
duża wydajność procesu łączenia,
możliwość spawania szyn hartowanych na wskroś i szyn z hartowanymi główkami,
wysoce zautomatyzowany przebieg procesu spawania wyklucza błędy personelu obsługującego, którego rola sprowadza się do nadzoru i korekcji przebiegu spawania w zakresie ustalonych parametrów,
możliwość łączenia szyn kolejowych, tramwajowych w całym zakresie stosowanych stali szynowych.

Zgrzewanie szyn z rozjazdami:

Zgrzewanie szyn z rozjazdami kolejowymi realizuje się najczęściej stosując zgrzewanie oporowe iskrowe. W procesie zgrzewania oporowego iskrowego trwałe połączenie uzyskuje się przez nagrzanie oporowe obszaru styku zgrzewanych przedmiotów, przez wyiskrzenie ciekłego metalu z obszaru styku w wyniku przepływu prądu elektrycznego i następnie wywarcie docisku spęczania.

Zgrzewane przedmioty zamocowane w elektrodach zgrzewarki dociśnięte są do siebie czołowymi powierzchniami stykowymi z nieznaczną siłą, jedynie w celu zapewnienia styku prądowego w jednym lub w kilku miejscach.

Przepływ prądu przez obszary stykowe, o małej powierzchni i dużej oporności stykowej, sprawia, że gęstość prądu jest bardzo duża, co powoduje prawie natychmiastowe stopienie metalu obszarów stykowych, utworzenie ciekłych mostków prądowych, a następnie gwałtowne ich rozerwanie w wyniku działania sił elektromagnetycznych i ciśnienia par metali.

Elementy zgrzewane oporowo iskrowo nie wymagają bardzo starannego przygotowania powierzchni stykowych, gdyż w procesie wyiskrzania następuje wyrzucanie poza złącze wszelkich zanieczyszczeń wraz z iskrami ciekłego metalu.

Zgrzewane części o chropowatych powierzchniach mocuje się w szczękach zgrzewarki, włącza się prąd i powoli zbliża obie łączone części do siebie. Powierzchnie czołowe zetkną się w jednym lub kilku punktach nierówności powierzchni. Poprzez powstałe w ten sposób styki zaczyna płynąć prąd, którego gęstość jest tak duża, że metal w tych miejscach stapia się, tworząc mostki płynnego silnie parującego metalu.

Ciśnienie par metalu oraz pole magnetyczne usuwają ze styku roztopione cząstki materiału, co uwidacznia się w postaci silnego iskrzenia.

Ciągłe zbliżanie do siebie powierzchni czołowych powoduje nadtopienie metalu na całej powierzchni styku. Iskrzenie składające się z licznych eksplozji wytwarza nadciśnienie gazów i par metalu, które utrudniają utlenianie roztopionych powierzchni. Wywiera to korzystny wpływ na własności mechaniczne połączenia.