ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO SPAWANIE ORAZ WYTWARZANIE SZYN ROZPOCZĘCIE PRACY I ZACHOWANIE SPAWU Jose Maria Duart 1. ALUMINOTERMICZNE SPAWANIE SZYN PoniŜszy referat będzie dotyczył tak zwanych punktów nieciągłości na Szynach Długich Spawanych w spawaniu aluminotermicznym. Podczas budowy nowego torowiska zwyczajowym zachowaniem jest wytworzenie w fabryce 288 metrowej szyny poprzez połaczenie spawem kilku odcinków szyn. Odcinki te są spawane jedna z drugą na szlaku technologią spawania aluminotermicznego. Prace naprawcze oraz te związane z utrzymaniem szyn wykonywane na eksploatowanym torze rownieŝ są realizowane technologią spawania aluminotermiocznego. Tradycyjnie, ten typ spawu uwaŝa się za jeden z krytycznych punktów torowiska, ze względu na posiadane cechy mechaniczne niŝsze od reszty SDS- długich szyn spawanych, pomimo faktu, Ŝe wksaźnik incydentów/zakłóceń jest minimalny. KLK, firma z ponad czterdziestoletnią tradycją, dostarcza sprzęt oraz materiały konieczne do spawania aluminotermiczne od 1989 roku. 2. POCZĄTKI SPAWANIA UŜywanie aluminotermii stali stosowanej w spawaniu jest powszechnie znaną metodą. Wystarczy wspomnieć uŝycie reakcji egzotermicznej między tlenkami Ŝelaza i aluminium. Schemat chemiczny jest następujący: Tlenek Ŝelaza + Aluminium + Stopy Ŝelaza (Faza stała) = Stal + śuzel (Tlenek aluminium) + Ciepło (Faza płynna) Página 1 de 5
Reakcja jest wywoływana w ceramicznym tyglu. Ciepło, które uzyskuje się w trakcie reakcji nie wymaga Ŝadnych zewnętrznych źródeł energii, pozwala ono, zaledwie w kilka sekund, uzyskać stal i zuŝel w formie płynnej, które oddzielają się od siebie poprzez dekantację. Stal, bardziej gęsta, pozostaje na dnie tygla, ŜuŜel unosi się na powierzchni. Na dnie tygla znajduje się tulejka spustowa, która reguluje czas pozostawania w tyglu płynnej stali w momencie zdejmowania pokrywy oraz zabezpiecza średnicę strumienia podczas całego procesu odlewania. Temperatury przewyŝszają 2200ºC. Końce szyny w formie, wcześniej podgrzane, zostają stopione/spojone przez odlew aluminotermiczny. Rezultatem, po schłodzeniu, jest miejsce na spaw o charakterystykach podobnych do spawów szynowych. 3. AKTUALNY STAN TECHNIKI KLK nieustannie pracując nad polepszeniem jakości swoich produktów opracowało proces umoŝliwiający uzyskanie duŝo lepszych rezultatów od tych wspomnianych powyŝej. MoŜna ten proceś podsumowac w kilku punktach: Łatwość zastosowania: Doświadczenie oraz umiejętności spawacza mają minimalny wpływ na wynik spawania. Stabilność metalurgiczna: Tygiel jest jendorazowego uŝytku co zapewnia identyczne warunki dla kaŝdej reakcji aluminotermicznej przy zachowaniu idealnej wysokości i środkowania spoiwa. Optymalne podgrzewanie wstępne: Dzięki systemowi Propano-Aire Forzado (propan-powietrze spręŝone) dla 200 mbar, podnosi się temperaturę końców szyny w stosunku do systemu stosowanego do tej pory, przy jednoczesnym uniemoŝliwieniu powstaniu stref o zbyt wysokiej temperaturze. Przy pomocy tego systemu otrzymuje się w sposób stabilny duŝe sterfy łączenia. Optymalne schłodzenie: Przy dobrym i równomiernym podgrzewaniu uzyskuje się stałe oraz powolne stygnięcie. Página 2 de 5
W dalszej części chcemy przedstawić ostatni proces spawania KLK zaakceptowany przez ADIF (Administrator Hiszpańskiej Infrastruktury Kolejowej) zgodnie z kryteriami EN 14730-1. 4. FOTOGRAFICZNY OPIS PROCESU ORAZ ZDJĘCIA Z LINII AVE-Alta Velocidad Española- HISZPAŃSKA KOLEJ DUśYCH PRĘDKOŚCI NaleŜy wziąć pod uwagę: Jednorazowy tygiel ceramiczny z pokrywą DDA. Formy wykonane z dwóch typów piasku. Praktyczny oraz intuicyjny system środkowania. System podgrzewania spręŝonym powietrzem. Formy: o Piasek baza: ogniotrwały i elastyczny. o Piasek kontaktowy : powłoka ściegowa silnie ogniotrwała. Spaw gładki łatwy w kontroli. 5. CECHY SPAWU PC25/K1W Od kaŝdego spawu oczekuje się, Ŝe będzie zachowywał się w eksploatacji podobnie jak szyna, i Ŝe jego trwałość będzie taka sama. Podstawowe cechy spawu: Twardość na powierzchni toczenia Jest identyczna lub delikatnie wyŝsza od twardości szyny. W szynie R260 (900) o twardości toczenia około 280 HBW wykorzystuje się spawanie 300 ± 20 HBW. Profil twardości Metal aluminotermiczny uzyskany z części KLK ma płaski profil. By twardość profilu była odporna na szybkość chłodzenia, które pojawia się w trakcie procesu krzępnięcia aluminotermicznego stali, został zaprojektowany przy współpracy z ETSIMO. Página 3 de 5
Teoretycznie, twardość powinna być wyŝsza w strefie bliŝej szyny (strefa, która zastyga jako pierwsza) i niŝsza w centrum (ostatnia strefa, która zastyga). Wszystko co zostało wymienione powyŝej mozna zaobserwować na profilu o twardości HV 30 uzyskanym na a -5 mm powierzchni toczącej. Profil twardości w skali rzędnych: Rozszerzona: umoŝliwia dostrzeŝenie ewentualnych stref o nieodpowiedniej strukturze. MoŜe to posłuŝyć jako przewodnik po analizie mikrograficznej, o której jest mowa poniŝej. Zredukowana: przedstawia linię odpowiadającą teoretycznemu zuŝyciu szynaspaw. 6. MAKROGRAFIA Zanając poczatkową perforację, zwęŝęnie i wymiary makrogaficzne moŝna zaobserwować strefy łączenia. EN 14730-1 wymaga minimalnie 3 + 3 mm. Im wyŝsza ta cyfra tym bardziej wiarygondy jest cały proces. 7. MIKROGRAFIA EN 14730-1 oraz inne poprzednie wymagają by struktura stali aluminotermicznej, niezaleŝnie od jej twardości, była perlityczna przy jednoczesnym braku struktur niezrównowaŝonych. WYTRZYMAŁOŚĆ MECHANICZNA Sposobem zmierzenia jej jest badanie ugięcia statycznego w 3 punkatch, z ładunkiem wyśrodkowanym na spawie i ze wsparciem 1 m na świetle stopki. Wymaga wytrzymałość to 800 MPa (123 T f dla profilu 60E1). 8. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ZMĘCZENIE/UGIĘCIE Otrzymuje się poprzez metodę Staircase. Norma EN 14730-1 doradza poznanie wartości granicznej zmęczenia dla 5x10 6 cykli. Wartość otrzymana przy procesie KLK PC25/K1W jest wartości 230 MPa. To znakomita wartość biorąc pod uwagę, Ŝe wartości graniczne zmęczenia spawów elektrycznych wykonanych metodą zgrzewania oporowego są następująych rzędów: Página 4 de 5
270 MPa w spawach z maszynami stałymi. 340 MPa w spawach z maszynami mobilnymi. 9. GEOMETRIA SPAWANIA Komentarz rys. ADIF 10. WNIOSKI Ze względu na gwarantowaną twardość toczącą, uzyskanie duŝych strefy łączenia oraz na znakomite zachowanie względem zmęczenia, nowy proces spawania KLK: PC25/K1W jest produktem wysokiej trwałości oraz niezawodności, posiada takŝe następujące cechy znane juŝ dla tego typu spawania: Lekki sprzęt. Tanie materiały spawalnicze, zuŝywające się. Małe zapotrzebowanie na energię zewnętrzną (z nocnym oświetleniem: 4 KVA). Nie angaŝuje szyny (dodaje 25 mm) i sprawia, Ŝe jej montaŝ jest bardzo łatwy. Technologia spawania aluminotermicznego jest rozwiązaniem, który naleŝy brać pod uwagę myśląc o montaŝu torów w najbliŝszej przysłości. Página 5 de 5