blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-4-232-239blackmet-2293Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИсследование закономерностей процессов в искровом промежутке при контактной стыковой сварке железнодорожных рельсовInvestigation of processes in spark gap during contact butt welding of railway railsШевченкоР. А.ShevchenkoR. A.

Роман Алексеевич Шевченко, ассистент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

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

Roman A. Shevchenko, Assistant of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

shefn1200@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4403-9006ЮрьевА. Б.Yur’evA. B.

Алексей Борисович Юрьев, д.т.н., ректор

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

Aleksei B. Yur’ev, Dr. Sci. (Eng.), Rector

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

 

rector@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7391-6816КозыревН. А.KozyrevN. A.

Николай Анатольевич Козырев, д.т.н., профессор, проректор по научной и инновационной деятельности

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

Nikolai A. Kozyrev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Vice-Rector for Research and Innovation, 

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

kozyrev_na@mtsp.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7305-6692МихноА. Р.MikhnoA. R.

Алексей Романович Михно, аспирант кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

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

Aleksei R. Mikhno, MA Student of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

mikno-mm131@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202205052022654232239Copyright © Шевченко Р.А., Юрьев А.Б., Козырев Н.А., Михно А.Р., 20222022Шевченко Р.А., Юрьев А.Б., Козырев Н.А., Михно А.Р.Shevchenko R.A., Yur’ev A.B., Kozyrev N.A., Mikhno A.R.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/2293

Современное оборудование для контактной стыковой сварки железнодорожных рельсов имеет огромное количество технологических параметров (входных факторов), влияющих на качество получаемого сварного соединения. Такое количество параметров не позволяет в полной мере подобрать оптимальные режимы сварки. Изучение процессов, протекающих в искровом промежутке (образование микроконтактов, увеличение или уменьшение их площади поперечного сечения, взрыв образовавшихся микроконтактов), позволит определить количество и равномерность вложенного тепла при сварке рельсов. Полученные знания сократят количество влияющих факторов на качество сварного стыка. С использованием большого количества статистических данных исследованы процессы, протекающие в искровом промежутке при контактной стыковой сварке железнодорожных рельсов типа Р65 категории ДТ350 на рельсосварочной машине К1000. При изучении влияния характера перемещения подвижной плиты сварочной машины во время оплавления на силу сварочного тока, определено, что зависимости между данными величинами нет. Предположительно, распределение силы сварочного тока имеет случайный характер, изменяющегося в результате процессов образования, существования и взрыва большого количества мельчайших электрических контактов. Исходя из анализа распределения частот определено, что распределение сопротивления искрового промежутка не соответствует нормальному закону распределения. При увеличении выборки отклонение от него усиливается, визуально гистограмма описывает гамма-распределение. С помощью закона гамма-распределения смоделирована сила сварочного тока при контактной стыковой сварке оплавлением. Результаты исследований планируется применять для моделирования тепловых процессов и формирования структуры металла шва и зон термического влияния сварного соединения железнодорожных рельсов.

Modern equipment for contact butt welding of railway rails has a huge number of technological parameters (input factors) that affect the quality of the resulting welded joint. These parameters do not allow the optimal welding modes to be fully selected. The study of the processes occurring in the spark gap (formation of microcontacts, increase or decrease in their cross-sectional area, explosion of the resulting microcontacts) will make it possible to determine the amount and uniformity of the invested heat during rail welding. The acquired knowledge will reduce the number of influencing factors on quality of the welded joint. Using a large amount of statistical data, the authors have investigated the processes occurring in the spark gap during contact butt welding of railway rails of R65 type of DT350 category on K1000 rail welding machine. When studying the influence of movable plate movement of the welding machine during reflow on the strength of welding current, it was determined that there is no dependence between these values. The random nature of distribution of the welding current values is assumed, changing as a result of the processes of formation, existence and explosion of a large number of tiny electrical contacts. Based on the analysis of frequency distribution, it is certain that distribution of the spark gap resistance does not correspond to the normal distribution law. As the sample increases, the deviation from it increases; visually the histogram describes the gamma distribution. With the help of the gamma distribution law, the welding current forces during contact butt welding were modeled by reflow. The research results are planned to be used to simulate thermal processes and formation of the structure of weld metal and the zones of thermal influence of railway rails welded joint. 

контактная стыковая сваркарельсовая стальискровой промежутоксила токаэлектрическое сопротивлениегамма-распределениеcontact butt weldingrail steelspark gapcurrent strengthelectrical resistancegamma distributionИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области – Кузбасса в рамках научного проекта № 20-48-420003 «Развитие физико-химических и технологических основ создания принципиально нового способа сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов».The research was supported by the RFBR and the Kemerovo region – Kuzbass within the framework of the scientific project no. 20-48-420003 “Development of physico-chemical and technological foundations for creating a fundamentally new method of welding differentially heat-strengthened railway rails”.ReferencesКлименко Л.B. Бесстыковой путь прогрессивная конструкция железнодорожного пути // Приложение к журналу «Мир транспорта» МКЖТ МПС РФ. 2004. № 1. С. 88–93.Klimenko L.V. Continuous welded rail: Progressive design of a railway track. Prilozhenie k zhurnalu “Mir transporta” MKZhT MPS RF. 2004, no. 1, pp. 88–93. (In Russ.).Кучук-Яценко С.И., Богорский М.В., Горонков Н.Д. Контактная стыковая сварка рельсов повышенной прочности // Автоматическая сварка. 1994. № 3 (492). С. 34–40.Kuchuk-Yatsenko S.I., Bogorskii M.V., Goronkov N.D. Contact butt welding of high-strength rails. Avtomaticheskaya svarka. 1994, no.  3 (492), pp. 34–40. (In Russ.).Шур Е.А. Перспективные требования Российских железных дорог к рельсам // Железнодорожный транспорт. 2008. № 2. С. 41–45.Shur E.A. Perspective requirements of Russian railways to rails. Zheleznodorozhnyi transport. 2008, no. 2, pp. 41–45. (In Russ.).Шур Е.А. Влияние структуры на эксплуатационную стойкость рельсов. В кн.: Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. Екатеринбург: УИМ, 2006. С. 37–63.Shur E.A. Influence of the structure on rails operational stability. In: Influence of Metal Matrix Properties on Rails Operational Stability. Yekaterinburg: UIM, 2006, pp. 37–63. (In Russ.).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 // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 2. С. 93–101. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-2-93-101Kozyrev 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.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-2-93-101Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н., Бащенко Л.П. Разработка и моделирование технологического процесса сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов. Промышленное опробование // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 5. С. 305–312. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-305-312Kozyrev N.A., Shevchenko R.A., Usol’tsev A.A., Prudnikov A.N., Bashchenko L.P. Welding of differentially heat-strengthened rails. Industrial testing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol. 63, no.  5, pp. 305–312. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-305-312Солодовников С.А. и др. Оборудование для контактной сварки рельсов и его эксплуатация. Киев: Изд-во «Наукова думка», 1974. 184 с.Solodovnikov S.A., etc. Equipment for Contact Welding of Rails and its Operation. Kiev: Naukova dumka, 1974, 184 p. (In Russ.).Schmid-Fetzer R., Andersson D., Chevalier P.Y., etc. Assessment techniques, database design and software facilities for thermodynamics and diffusion // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2007. Vol. 31. No. 1. P. 38–52. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2006.02.007Schmid-Fetzer R., Andersson D., Chevalier P.Y., etc. Assessment techniques, database design and software facilities for thermodynamics and diffusion. Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2007, vol. 31, no. 1, pp. 38–52. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2006.02.007Dahl 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.Kavunichenko A.V., Shvets V.I., Antipin E.V. Peculiarities of flash-butt welding of rail frogs with rail ends // The Paton Welding Journal. 2018. No. 4. P. 14–18. https://doi.org/10.15407/tpwj2018.04.03Kavunichenko A.V., Shvets V.I., Antipin E.V. Peculiarities of flash-butt welding of rail frogs with rail ends. The Paton Welding Journal. 2018, no. 4, pp. 14–18. https://doi.org/10.15407/tpwj2018.04.03Duvel J., Mutton P. Rail requirements for 40 tonne axle loads. In: Int. Heavy Haul Association Conf. 2005. P. 719–729.Duvel J., Mutton P. Rail requirements for 40 tonne axle loads. In: Int. Heavy Haul Association Conf. 2005, pp. 719–729.Saita K., Ueda M., Miyazaki T. Developing technologies to improve the reliability of flash-butt welds. In: Int. Heavy Haul Association Conf. Grabe P.J., Frohling R.D. eds. Cape Town, South Africa, 2017. P. 208–215.Saita K., Ueda M., Miyazaki T. Developing technologies to improve the reliability of flash-butt welds. In: Int. Heavy Haul Association Conf. Grabe P.J., Frohling R.D. eds. Cape Town, South Africa, 2017, pp. 208–215.Farhangi H., Mousavizadeh S.M. Horizontal split-web fractures of flash butt welded rails. In: Proceedings of the 8th Int. Fracture Conf. 2007. P. 509–517.Farhangi H., Mousavizadeh S.M. Horizontal split-web fractures of flash butt welded rails. In: Proceedings of the 8th Int. Fracture Conf. 2007, pp. 509–517.Porcaro R.R., Araújo F.C., Godefroid L.B., Faria G.L., Silva L.L. Simulation of flash-butt welding process of a railway steel. Part 2: Dilatometric and numerical analysis // Soldagem & Inspeção. 2020. No. 25. Article 2533. https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI25.33Porcaro R.R., Araújo F.C., Godefroid L.B., Faria G.L., Silva L.L. Simulation of flash-butt welding process of a railway steel. Part 2: Dilatometric and numerical analysis. Soldagem & Inspeção. 2020, no.  25, article 2533. (In Port.). https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI25.33Pernach M. Application of the mixed-mode model for numerical simulation of pearlitic transformation // Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. No. 28. P. 3136–3148. https://doi.org/10.1007/s11665-019-04069-0Pernach M. Application of the mixed-mode model for numerical simulation of pearlitic transformation. Journal of Materials Engineering and Performance. 2019, no. 28, pp. 3136–3148. https://doi.org/10.1007/s11665-019-04069-0Milenin A., Pernach M., Rauch R., Kuziak R., Zygmunt T., Pietrzyk M. Modelling and optimization of the manufacturing chain for rails // Procedia Engineering. 2017. No. 207. P. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.1112Milenin A., Pernach M., Rauch R., Kuziak R., Zygmunt T., Pietr­zyk  M. Modelling and optimization of the manufacturing chain for rails. Procedia Engineering. 2017, no. 207, pp. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.1112Faria G.L., Godefroid L.B., Cândido L.C., Porcaro R.R. Microstructural characterization and kinetic study about phase transformations in standard and premium rail steels. In: Congresso Anual da ABM, Rio de Janeiro-RJ. Anais. Rio de Janeiro: ABM, 2016. https://doi.org/10.5151/1516-392X-27668Faria G.L., Godefroid L.B., Cândido L.C., Porcaro R.R. Microstructural characterization and kinetic study about phase transformations in standard and premium rail steels. In: Congresso Anual da ABM, Rio de Janeiro-RJ. Anais. Rio de Janeiro: ABM, 2016. (In Port.). https://doi.org/10.5151/1516-392X-27668Tawfik D., Mutton P.J., Chiu W.K. Experimental and numerical investigations: Alleviating tensile residual stresses in flash-butt welds by localized rapid post-weld heat treatment // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 196. No. 1-3. P. 279–291. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.05.055Tawfik D., Mutton P.J., Chiu W.K. Experimental and numerical investigations: Alleviating tensile residual stresses in flash-butt welds by localized rapid post-weld heat treatment. Journal of Materials Processing Technology. 2008, vol. 196, no. 1-3, pp. 279–291. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.05.055Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке. М.: ИЦ «Академия», 2006. 432 с.Gladkov E.A. Control of Processes and Equipment in Welding. Moscow: Akademiya, 2006, 432 p. (In Russ.).Джонсон Н.Л., Коц С., Балакришнан Н. Одномерные непрерывные распределения. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2010. 703 с.Johnson N.L., Kotz S., Balakrishnan N. Continuous Univariate Distributions. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994. (Russ. ed.: Johnson  N.L., Kotz S., Balakrishnan N. Odnomernye nepreryvnye raspredeleniya. Moscow: BINOM, Laboratoriya znanii, 2010, 703 p.).

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