Kiểm soát ứng suất dư trong mối hàn đường ray

Ứng suất dư xuất phát từ mối hàn đường ray

Hàn nối đường ray bằng cách nấu chảy và -hóa rắn lại thép, và quá trình này khiến cho-bị căng thẳng. Tâm mối hàn đạt nhiệt độ trên 1500 độ C trong khi kim loại cơ bản vẫn ở nhiệt độ môi trường xung quanh; khi kim loại nóng chảy đông đặc lại và co lại, kim loại cơ bản cứng sẽ ngăn cản sự co lại tự do, do đó ứng suất kéo bị đóng băng vào mối nối. Bởi vì ứng suất này làm tăng thêm ứng suất sử dụng do giao thông, mối hàn có lực căng dư cao là mối hàn có tuổi thọ mỏi giảm và là vị trí dễ bị nứt. Do đó, việc kiểm soát ứng suất dư là một phần cốt lõi của kỹ thuật độ bền mối hàn chứ không phải là tính hoàn thiện.

Phân bố ứng suất trên vùng hàn

Ứng suất dư trong mối hàn đường ray rất không đồng nhất. Theo hướng dọc, ứng suất kéo cực đại tại tâm mối hàn đạt 80-90% cường độ chảy của vật liệu và giảm dần về phía kim loại cơ bản, về cơ bản trở về 0 khi cách mối hàn khoảng 50 mm. Theo hướng ngang, đỉnh cao là 60-70 phần trăm hiệu suất và tập trung 10-20 mm mỗi bên của mối hàn trong vùng{10}}bị ảnh hưởng nhiệt. Ngoài ra còn có sự khác biệt từ đầu đến chân: đầu ray nguội nhanh hơn và có đỉnh ứng suất cao hơn, đó là lý do tại sao các khuyết tật hàn tập trung ở đầu và tại sao việc kiểm tra từ đầu lại quan trọng.

Kiểm soát quá trình hàn để hạn chế ứng suất dư

Kiểm soát quá trình hoạt động bằng cách làm phẳng gradient nhiệt độ trong quá trình hàn. Trình tự tiêu chuẩn là làm nóng sơ bộ cộng với hàn nhiều-nhiều lớp{2}}kết hợp với hàn phân đoạn.

Làm nóng trước: nâng mối nối lên 200-250 độ C trước khi hàn giúp giảm chênh lệch nhiệt độ giữa mối hàn và kim loại cơ bản, giảm ứng suất ràng buộc trong quá trình làm mát. Làm nóng trước quá thấp không có tác dụng; làm nóng trước quá cao sẽ làm hạt thô hơn.

Đường hàn nhiều-nhiều lớp{1}}: mối hàn được tạo thành 3-5 lớp và mỗi lớp nguội xuống 150-200 độ C trước khi lớp tiếp theo được lắng đọng. Điều này tránh được sự tập trung nhiệt của một lớp dày duy nhất và cho phép ứng suất của các lớp kế tiếp bù đắp cho nhau.

Hàn phân đoạn: quá trình hàn tiến hành đối xứng từ tâm mối hàn ra ngoài nên nhiệt được phân bố đều và nồng độ nhiệt một bên không làm mất cân bằng trường ứng suất.

Áp dụng đúng cách, các biện pháp này sẽ giảm mức ứng suất dư cực đại xuống 30-40%, giúp kéo dài tuổi thọ mối hàn khi vận chuyển.

Hậu-Xử lý nhiệt mối hàn và cải thiện bề mặt

Xử lý nhiệt sau khi hàn sẽ loại bỏ hầu hết ứng suất-bị khóa. Ủ giảm căng thẳng làm nóng toàn bộ mối nối đến nhiệt độ 550-600 độ C, giữ trong 2-3 giờ, sau đó làm nguội từ từ bằng lò nung ở nhiệt độ không quá 50 độ C mỗi giờ. Quá trình phục hồi và kết tinh lại xảy ra sẽ giải phóng ứng suất dư, đưa đỉnh dọc xuống dưới 30% hiệu suất. Sau đó, ủ cục bộ nhắm vào vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của đầu đường ray: làm nóng đầu đường ray đến 400-450 độ C trong một giờ tiếp tục làm giảm đỉnh ứng suất của đầu đường ray và cải thiện khả năng chống mỏi. Đối với các mối hàn đường ray tốc độ cao, xử lý tác động siêu âm được bổ sung: tác động cơ học làm biến dạng dẻo bề mặt mối hàn, bù đắp một phần ứng suất kéo và để lại một lớp nén có lợi.

So sánh các phương pháp hàn và cách chấp nhận ứng suất

Phương pháp hàn thiết lập mức ứng suất cơ bản vì mật độ năng lượng của nguồn nhiệt điều khiển độ dốc nhiệt độ.

Sự chấp nhận được đánh giá bằng phép đo. Phương pháp lỗ mù là kỹ thuật-tiêu chuẩn tại chỗ: một lỗ 1-2 mm được khoan, sự thay đổi độ biến dạng được ghi lại và ứng suất được tính từ mối quan hệ ứng suất-biến dạng với độ chính xác khoảng cộng hoặc trừ 10 MPa. Nhiễu xạ tia X-mang lại độ chính xác cấp phòng thí nghiệm{11}}bằng cách đo độ dịch chuyển của mạng tinh thể và phương pháp siêu âm quét các khu vực rộng lớn mà không cần tiếp xúc. Theo TB/T 1632-2014, ứng suất kéo dư dọc tại mối hàn không được vượt quá 150 MPa đối với-đường sắt tốc độ cao, 200 MPa đối với đường sắt hạng nặng và 250 MPa đối với đường sắt tốc độ thông thường, với sự phân bố đồng đều và không có sự tập trung ứng suất rõ ràng. Lấy mẫu là ba khớp trên 100; nếu một lần không thành công thì sẽ lấy mẫu kép và lần thứ hai không thành công thì việc hàn sẽ tạm dừng cho đến khi các thông số quy trình được xem xét.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tâm mối hàn chịu ứng suất kéo cao nhất?

Bởi vì nó là điểm nóng nhất và do đó co lại nhiều nhất trong quá trình làm mát, trong khi kim loại nền lạnh ở cả hai bên sẽ ngăn chặn sự co lại. Độ dốc nhiệt độ càng nhanh thì mức khóa-ở đỉnh càng cao.

Căng thẳng dư có thể được loại bỏ hoàn toàn?

Không. Quá trình ủ giảm ứng suất làm giảm đỉnh theo chiều dọc xuống dưới 30% năng suất, nhưng vẫn luôn tồn tại một số ứng suất. Mục tiêu kỹ thuật là đưa nó xuống dưới mức trần nghiệm thu để mối hàn giữ được giới hạn mỏi dưới tải trọng làm việc.

Phương pháp hàn nào phù hợp với-đường ray tốc độ cao?

Hàn áp suất khí tạo ra đỉnh dọc thấp nhất, hiệu suất 40-50%, với chất lượng ổn định. Đó là lý do tại sao phương pháp này được ưu tiên sử dụng cho các đường dây-tốc độ cao. Hàn đối đầu chớp nhoáng vẫn là công việc chính cho các dây chuyền tải nặng và thông thường.

Tối ưu hóa quy trình có thể giảm ứng suất dư đến mức nào?

Việc làm nóng sơ bộ cộng với hàn phân đoạn nhiều-lớp nhiều{1}}thường cắt giảm đỉnh đi 30-40 phần trăm và kết hợp với xử lý nhiệt sau hàn, ứng suất dọc còn lại giảm xuống dưới 30 phần trăm năng suất.

Giới hạn chấp nhận cho ứng suất dư là gì?

Đỉnh kéo dọc không vượt quá 150 MPa đối với đường sắt{1}}tốc độ cao, 200 MPa đối với đường sắt-hạng nặng và 250 MPa đối với đường sắt tốc độ-thông thường, với sự phân bố đồng đều và không tập trung ứng suất, được xác minh bằng quy tắc lấy mẫu của TB/T 1632-2014.

Làm thế nào để đo ứng suất dư tại chỗ?

Phương pháp lỗ mù là kỹ thuật hiện trường tiêu chuẩn, có độ chính xác khoảng cộng hoặc trừ 10 MPa. Phương pháp nhiễu xạ tia X và siêu âm được sử dụng khi cần quét diện tích lớn hoặc độ chính xác cao hơn-.