Công nghệ kiểm soát ứng suất dư và cải thiện độ bền mối hàn của mối hàn đường ray
Đặc điểm phân bố ứng suất dư trong mối hàn đường ray là gì?
Đặc điểm phân bố ứng suất dư trong mối hàn ray làtính không đồng nhất rõ ràng, với các đỉnh ứng suất kéo hai chiều ở vùng hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Trong quá trình hàn, kim loại trong vùng hàn trải qua quá trình nóng chảy và đông đặc nhanh chóng với gradient nhiệt độ cực lớn: nhiệt độ tại tâm mối hàn có thể lên tới trên 1500 độ, trong khi nhiệt độ của kim loại nền chỉ bằng nhiệt độ phòng. Sự chênh lệch nhiệt độ này làm cho kim loại trong vùng hàn bị hạn chế bởi kim loại cơ bản khi nó co lại trong quá trình làm mát, tạo ra ứng suất kéo. Theo hướng dọc (hướng chiều dài) của đường ray, ứng suất kéo dư theo chiều dọc cực đại tại tâm mối hàn có thể đạt tới 80%-90% cường độ chảy của vật liệu, giảm dần ở cả hai mặt của kim loại cơ bản và về cơ bản trở về trạng thái ứng suất 0 ngoài 50mm. Theo hướng ngang (hướng chiều rộng), ứng suất kéo ngang cực đại ở vùng ảnh hưởng nhiệt{13}}bằng khoảng 60%-70% cường độ chảy, chủ yếu tập trung ở vùng 10-20 mm ở cả hai mặt của mối hàn. Ngoài ra, còn có sự khác biệt về sự phân bổ ứng suất dư giữa đầu ray và đáy ray: đầu ray có đỉnh ứng suất dư cao hơn do tốc độ làm nguội nhanh hơn, đây là khu vực có nguy cơ xảy ra nứt khớp cao.
Các biện pháp tối ưu hóa quy trình hàn lõi để kiểm soát ứng suất dư của mối hàn đường ray là gì?
Các biện pháp tối ưu hóa quy trình hàn cốt lõi để kiểm soát ứng suất dư của các mối hàn đường ray đang áp dụng quy trìnhlàm nóng sơ bộ + hàn nhiều-nhiều lớp-hàn + hàn phân đoạnđể giảm gradient nhiệt độ trong quá trình hàn. Làm nóng trước là bước quan trọng: làm nóng trước mối nối ray ở nhiệt độ 200-250 độ trước khi hàn để giảm chênh lệch nhiệt độ giữa mối hàn và kim loại cơ bản, đồng thời giảm ứng suất hạn chế trong quá trình co ngót khi làm mát. Nhiệt độ làm nóng sơ bộ quá thấp không có tác dụng rõ ràng, trong khi nhiệt độ quá cao sẽ dẫn đến hạt thô. Quá trình hàn nhiều-lớp nhiều{9}}chia mối hàn thành 3-5 lớp để hàn. Sau khi hàn mỗi lớp, cần làm nguội đến 150-200 độ trước khi hàn lớp tiếp theo, tránh tập trung nhiệt quá mức khi hàn một lớp, làm giảm độ dốc nhiệt độ. Đồng thời, ứng suất của mối hàn nhiều lớp có thể bù đắp cho nhau, làm giảm đỉnh ứng suất dư. Quá trình hàn phân đoạn áp dụng phương pháp phân đoạn đối xứng, chẳng hạn như hàn phân đoạn từ tâm mối hàn sang cả hai bên, để phân bổ nhiệt đều và tránh mất cân bằng ứng suất do tập trung nhiệt đơn phương. Quá trình hàn được tối ưu hóa có thể giảm đỉnh ứng suất dư từ 30% -40%, cải thiện đáng kể độ ổn định của mối nối.
Đâu là những-điểm quan trọng trong quy trình xử lý nhiệt mối hàn để kiểm soát ứng suất dư của mối hàn đường ray?
Các điểm quan trọng sau{0}}của quy trình xử lý nhiệt mối hàn để kiểm soát ứng suất dư của các mối hàn đường ray đang áp dụng quy trình xử lý tổng hợp củaỦ giảm căng thẳng + ủ cục bộđể loại bỏ hoặc giảm ứng suất dư. Ủ giảm căng thẳng là bước cốt lõi: làm nóng toàn bộ mối hàn đến nhiệt độ 550-600 độ, giữ ấm trong 2-3 giờ, sau đó làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng bằng lò nung và kiểm soát tốc độ làm nguội trong vòng 50 độ/h. Quá trình này có thể làm cho cấu trúc vi mô bên trong khớp trải qua quá trình phục hồi và kết tinh lại, giải phóng ứng suất dư và giảm ứng suất kéo dư dọc cực đại xuống dưới 30% cường độ năng suất. Quá trình ủ cục bộ nhằm vào vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của đầu ray: làm nóng đầu ray đến 400-450 độ, giữ ấm trong 1 giờ, tiếp tục giảm đỉnh ứng suất của đầu ray và cải thiện khả năng chống mỏi. Trong quá trình xử lý nhiệt, tốc độ gia nhiệt và tốc độ làm mát phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh căng thẳng mới do thay đổi nhiệt độ quá mức. Đối với các mối nối ray dùng trong đường sắt tốc độ cao cũng cần phải xử lý va đập bằng siêu âm: tác động cơ học được sử dụng để tạo ra biến dạng dẻo trên bề mặt mối hàn, bù đắp một phần ứng suất kéo và tạo thành lớp ứng suất nén có lợi.
Ảnh hưởng của các phương pháp hàn khác nhau đến ứng suất dư của mối nối đường ray là gì?
Ảnh hưởng của các phương pháp hàn khác nhau đến ứng suất dư của mối nối đường ray là khác nhau đáng kể, chủ yếu phụ thuộc vàomật độ năng lượng và tốc độ gia nhiệt của nguồn nhiệt hàn. Hàn đối đầu chớp nhoáng là phương pháp thường được sử dụng để-hàn đường ray tại công trường. Nguồn nhiệt của nó có mật độ năng lượng cao và tốc độ gia nhiệt nhanh, dẫn đến độ dốc nhiệt độ lớn trong vùng hàn và đỉnh ứng suất dư cao: ứng suất kéo dọc cực đại có thể đạt khoảng 85% cường độ năng suất. Tuy nhiên, nó có hiệu suất hàn cao và phù hợp để hàn tại chỗ-đường sắt cao tốc-thông thường và đường sắt vận tải-hạng nặng. Hàn thermite có mật độ năng lượng nguồn nhiệt thấp và tốc độ gia nhiệt chậm, với độ dốc nhiệt độ tương đối nhỏ và đỉnh ứng suất dư thấp: ứng suất kéo dọc cực đại là khoảng 60% cường độ năng suất. Tuy nhiên, độ bền mối hàn thấp, phù hợp cho việc sửa chữa khẩn cấp và các phần có bán kính đường cong nhỏ. Hàn áp suất khí sử dụng ngọn lửa khí làm nguồn nhiệt, với độ gia nhiệt đồng đều và độ dốc nhiệt độ nhỏ, dẫn đến đỉnh ứng suất dư thấp nhất: ứng suất kéo dọc cực đại chỉ bằng 40%{15}}50% cường độ chảy và chất lượng mối hàn ổn định, phù hợp để hàn đường ray của đường sắt tốc độ cao. Hàn laser có mật độ năng lượng cực cao, phạm vi gia nhiệt nhỏ và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt hẹp, phân bố ứng suất dư đồng đều hơn. Tuy nhiên, giá thành thiết bị cao và hiện nay nó chủ yếu được sử dụng để hàn đường ray trong nhà máy.
Các phương pháp phát hiện và tiêu chuẩn chấp nhận ứng suất dư của mối hàn đường ray là gì?
Các phương pháp phát hiện ứng suất dư của mối hàn đường ray chủ yếu bao gồmphương pháp lỗ mù, phương pháp nhiễu xạ tia X- và phương pháp siêu âm. Phương pháp lỗ mù là phương pháp phát hiện-tại địa điểm thường được sử dụng và các tiêu chuẩn nghiệm thu phải tuân thủ các tiêu chuẩn hàn đường ray TB/T 1632-2014. Các bước phát hiện của phương pháp lỗ mù là: khoan một lỗ mù có đường kính 1-2mm trên bề mặt khớp, đo sự thay đổi biến dạng trước và sau khi khoan, tính toán giá trị ứng suất dư thông qua công thức ứng suất-biến dạng, với độ chính xác phát hiện là ±10MPa, phù hợp để phát hiện nhanh{10}}tại chỗ. Phương pháp nhiễu xạ tia X{12}}là một phương pháp phát hiện không phá hủy, tính toán ứng suất dư bằng cách đo độ dịch chuyển của các đỉnh nhiễu xạ tinh thể. Nó có độ chính xác phát hiện cao và phù hợp để phát hiện chính xác trong phòng thí nghiệm, nhưng bị hạn chế bởi thiết bị phát hiện và khó sử dụng{15}}tại chỗ. Phương pháp siêu âm phát hiện ứng suất dư bằng cách sử dụng sự thay đổi vận tốc sóng của sóng siêu âm dưới ứng suất, có thể phát hiện không{17}}tiếp xúc và phù hợp để quét nhanh trên diện rộng. Tiêu chuẩn chấp nhận quy định rằng ứng suất kéo dư dọc cao nhất của các mối hàn đường ray đối với-đường sắt tốc độ cao Nhỏ hơn hoặc bằng 150MPa, đối với đường sắt hạng nặng Nhỏ hơn hoặc bằng 200MPa và đối với đường sắt tốc độ thông thường Nhỏ hơn hoặc bằng 250MPa; sự phân bố ứng suất dư phải đồng đều mà không có sự tập trung ứng suất rõ ràng. Tỷ lệ lấy mẫu là 3 khớp trên 100 khớp. nếu không đủ tiêu chuẩn thì tiến hành lấy mẫu kép; nếu vẫn không đủ tiêu chuẩn thì phải tạm dừng hoạt động hàn và kiểm tra các thông số của quá trình.