blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-7-504-511blackmet-1940Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРазработка и моделирование технологического процесса сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов. Лабораторные исследованияWelding of differentially heat-strengthened rails. Laboratory studiesКозыревН. А.KozyrevN. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

kozyrev_na@mtsp.sibsiu.ruШевченкоР. А.ShevchenkoR. A.

ассистент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Assistant of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

shefn1200@mail.ruУсольцевА. А.Usol’tsevA. A.

к.т.н., доцент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

a.us_@rambler.ruПрудниковА. Н.PrudnikovA. N.

д.т.н., профессор кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл. - Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region - Kuzbass

a.prudnikov@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202004102020637504511Copyright © Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н., 20202020Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н.Kozyrev N.A., Shevchenko R.A., Usol’tsev A.A., Prudnikov A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1940

В лабораторных условиях на образцах рельсовой стали изучено влияние режимов сварки с последующей изотермической выдержкой на качественные показатели сварного стыка. Сварку образцов осуществляли путем пропускания импульсов переменного электрического тока после сварки. Сварку проводили на машине для контактной стыковой сварки МС-2008М с внесением ряда изменений в управляющие воздействия. Для измерения температуры металла в зоне термического влияния (ЗТВ) использовали хромель-алюмелевые термопары. Сбор и обработку данных от термопар осуществляли с помощью измерительного комплекса «Tempol». Температуру металла сварного шва (где нет возможности установить термопару) измеряли с помощью тепловизора HotFind-D. Представлены результаты эксперимента и физико-механические свойства образцов: твердость HB, протяженность ЗТВ, предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение, наличие неметаллических включений в металле шва. Проведен расчет отклонений твердости (понижение-повышение, суммарное отклонение) на поверхности сварного соединения образцов относительно требований, установленных ГОСТ Р 51685 – 2013. Предложен способ контактной стыковой сварки, который позволяет получать сварное соединение изделий из рельсовой стали с равномерным распределением твердости и малой зоной термического влияния. Определена зависимость микротвердости от объемной доли структурных составляющих. Построены модели влияния параметров импульсного контактного послесварочного подогрева на понижение твердости металла сварного соединения относительно твердости основного металла и на протяженность зоны термического влияния. Предлагаемый способ позволяет регулировать структуру металла сварного соединения рельсов, не прибегая к дополнительной локальной термической обработке.

In laboratory conditions, influence of modes of welding with subsequent isothermal holding on quality parameters of welded joint was studied on rail steel samples. Samples were welded with pulses of alternating electric current after welding. Welding was carried out on MS-2008M resistance butt welding machine with a number of alterations of control actions. To measure temperature of the metal in heat affected zone (HAZ), chromel-alumel thermocouples were used. Collection and processing of data from thermocouples was carried out using TEMPOL measuring complex. Temperature of the weld (where it is not possible to install a thermocouple) was measured using HotFind-D thermal imager. Experimental results and physicomechanical properties of the samples are presented: HB hardness, HAZ length, yield strength, tensile strength, ultimate elongation, contraction ratio, and presence of non-metallic inclusions in weld metal. Deviations of hardness were calculated in comparison with the requirements established by GOST R 51685 – 2013 state standard on the surface of samples’ welded joints: decrease-increase and total deviation of hardness. Method of resistant butt welding is proposed, which makes it possible to obtain welded joint of items produced of rail steel with a uniform distribution of hardness and small zone of thermal influence. Dependence of microhardness on volume fraction of structural components was determined. Models of impact of pulsed contact post-welding heating parameters on lowering hardness of weld metal compared to the base metal and on the extent of heat-affected zone were constructed. The proposed method allows us to adjust structure of metal welded joints of rails without additional local heat treatment.

рельсыконтактная сваркатермическая обработкатокимпульсрежим сваркитвердостьзона термического влиянияИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области в рамках научного проекта № 20-48-420003 р_а «Развитие физико-химических и технологических основ создания принципиально нового способа сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов».ReferencesПат. 2683668 РФ, МПК B23 11/04. Машина для контактной стыковой сварки / Протопопов Е.В., Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Кратько С.Н., Хомичева В.Е. // Заявл. 25.12.2017; опубл. 01.04.2019. Бюл. № 10.Protopopov E.V., Kozyrev N.A., Shevchenko R.A., Krat’ko S.N., Khomicheva V.E. Mashina dlya kontaktnoi stykovoi svarki [Unit for resistance butt welding]. Patent RF no. 2683668 RF, MPK B23 11/04. Byulleten’ izobretenii. 2019, no. 10. (In Russ.).Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1976. – 279 с.Adler Yu.P., Markova E.V., Granovskii Yu.V. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal’nykh uslovii [Planning an experiment to find optimal conditions]. Moscow: Nauka, 1976, 279 p. (In Russ.).Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. – М.: Высшая школа, 2003. – 479 с.Gmurman V.E. Teoriya veroyatnostei i matematicheskaya statistika [Theory of probability and mathematical statistics]. Moscow: Vysshaya shkola, 2003, 479 p. (In Russ.).Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. – М.: Высшая школа, 1979. – 400 с.Gmurman V.E. Rukovodstvo k resheniyu zadach po teorii veroyatnostei i matematicheskoi statistike [Manual to solving problems in probability theory and mathematical statistics]. Moscow: Vysshaya shkola, 1979, 400 p. (In Russ.).Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Высшая школа, 1999. – 576 с.Venttsel’ E.S. Teoriya veroyatnostei [Probability theory]. Moscow: Vysshaya shkola, 1999, 576 p. (In Russ.).Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464 с.Venttsel’ E.S., Ovcharov L.A. Teoriya veroyatnostei i ee inzhenernye prilozheniya [Probability theory and its engineering applications]. Moscow: Akademiya, 2003, 464 p. (In Russ.).Костин В.Н., Тишина Н.А. Статистические методы и модели: учеб. пособие. – Оренбург: изд. ОГУ, 2004. – 138 с.Kostin V.N., Tishina N.A. Statisticheskie metody i modeli: ucheb. posobie [Statistical methods and models: Manual]. Orenburg: izd. OGU, 2004, 138 p. (In Russ.).Myers J., Geiger G.H., Poirier D.R. Structure and properties of thermite welds in rails // Welding Journal. 1982. Vol. 61. No. 8. P. 258 – 268.Myers J., Geiger G.H., Poirier D.R. Structure and properties of thermite welds in rails. Welding Journal. 1982, vol. 61, no. 8, pp. 258–268.Теория сварочных процессов: учеб. для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства» / В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; под. ред. В.В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с.Volchenko V.N., Yampol’skii V.M., Vinokurov V.A. etc. Teoriya svarochnykh protsessov: ucheb. dlya vuzov po spets. “Oborudovanie i tekhnologiya svarochnogo proizvodstva” [Theory of welding processes: University textbook for students majoring in welding equipment and technology]. Frolov V.V. ed. Moscow: Vysshaya shkola, 1988, 559 p. (In Russ.).Теория сварочных процессов: учеб. изд. / В.М. Неровный, А.В. Коновалов, Б.Ф. Якушин и др.; под ред. В.М. Неровного. – М.: МГТУ им. Баумана, 2016. – 702 с.Nerovnyi V.M., Konovalov A.V., Yakushin B.F. etc. Teoriya svarochnykh protsessov: ucheb. izd. [Theory of welding processes: Textbook]. Nerovnyi V.M. ed. Moscow: MGTU im. Baumana, 2016, 702 p. (In Russ.).Weingrill L., Krutzler J., Enzinger N. Temperature field evolution during flash-butt welding of railway rails // Materials Science Forum. 2017. Vol. 879. P. 2088 – 2093.Weingrill L., Krutzler J., Enzinger N. Temperature field evolution during flash-butt welding of railway rails. Materials Science Forum. 2017, vol. 879, pp. 2088–2093.Yamamoto R., Komizu Y., Fukada Y. Experimental examination for understanding of transition behaviour of oxide inclusions on gas pressure weld interface: joining phenomena of gas pressure welding // Welding International. 2014. Vol. 28. No. 7. P. 510 – 520.Yamamoto R., Komizu Y., Fukada Y. Experimental examination for understanding of transition behaviour of oxide inclusions on gas pressure weld interface: joining phenomena of gas pressure welding. Welding International. 2014, vol. 28, no. 7, pp. 510–520.Mitsuru F., Hiroaki N., Kiyoshi N. Rail flash-butt welding technology // JFE Technical Report. 2015. No. 20. P. 159 – 163.Mitsuru F., Hiroaki N., Kiyoshi N. Rail flash-butt welding technology. JFE Technical Report. 2015, no. 20, pp. 159–163.Saita K., Karimine K., Ueda M., Iwano K., Yamamoto T., Hiroguchi K. Trends in rail welding technologies and our future approach // Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report. 2013. No. 105. P. 84 – 92.Saita K., Karimine K., Ueda M., Iwano K., Yamamoto T., Hiroguchi K. Trends in rail welding technologies and our future approach. pp. 84–92.Dahl B., Mogard B., Gretoft B., Ulander B. Repair of rails on-site by welding // Svetsaren. 1995. Vol. 50. No. 2. P. 10 – 14.Dahl B., Mogard B., Gretoft B., Ulander B. Repair of rails on-site by welding. Svetsaren. 1995, vol. 50, no. 2, pp. 10–14.Takimoto T. Latest welding technology for long rail and its reliability // Tetsu-to-Hagane. 1984. Vol. 70. No. 10. P. 40 – 45.Takimoto T. Latest welding technology for long rail and its reliability. Tetsu-to-Hagane. 1984, vol. 70, no. 10, pp. 40–45.Tachikawa H., Uneta T., Nishimoto H. Steel welding technologies for civil construction applications // Nippon Steel Technical Report. 2000. Vol. 82. No. 7. P. 35 – 41.Tachikawa H., Uneta T., Nishimoto H. Steel welding technologies for civil construction applications. Nippon Steel Technical Report. 2000, vol. 82, no. 7, pp. 35–41.Okumura M., Karimine K., Uchino K., Yurioka N. Development of field fusion welding technology for rail-roadrails // Nippon Steel Technical Report. 1995. Vol. 65. No. 4. P. 41 – 49.Okumura M., Karimine K., Uchino K., Yurioka N. Development of field fusion welding technology for rail-roadrails. Nippon Steel Technical Report. 1995, vol. 65, no. 4, pp. 41–49.Altemühl B. Welding tramway rails in Bucharest // Svetsaren. 2002. Vol. 52. No. 2. P. 32 – 35.Altemühl B. Welding tramway rails in Bucharest. Svetsaren. 2002, vol. 52, no. 2, pp. 32–35.Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н., Бащенко Л.П. Разработка и моделирование технологического процесса сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов. Моделирование процессов, протекающих при сварке и локальной термической обработке // Изв. вуз. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 2. С. 93 – 101.Kozyrev N.A., Shevchenko R.A., Usol’tsev A.A., Prudnikov A.N., Bashchenko L.P. Welding of differentially heat-strengthened rails. Modeling of processes during welding and local thermal processing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no. 2, pp. 93–101. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.