Jäännösjännityksen hallinta kiskon hitsausliitoksissa

Mistä jäännösjännitys tulee kiskohitsauksessa

Hitsaus liittää kiskon yhteen sulattamalla ja{0}}kiinteyttämällä terästä, ja prosessi jää kiinni-jännitykseen. Hitsauskeskuksen lämpötila saavuttaa yli 1500 celsiusastetta perusmetallin pysyessä ympäristön lämpötilassa; Kun sula metalli jähmettyy ja kutistuu, jäykkä perusmetalli estää vapaan supistumisen, jolloin vetojännitys jäätyy liitokseen. Koska tämä jännitys lisää liikenteestä aiheutuvaa käyttöjännitystä, suuren jäännösjännityksen omaava hitsi on hitsi, jonka väsymiskesto on lyhentynyt ja halkeilupaikka suositeltavampi. Jäännösjännityksen hallinta on siksi keskeinen osa hitsin kestävyyssuunnittelua, ei viimeistelyä.

Stressin jakautuminen hitsausalueen poikki

Kiskon hitsin jäännösjännitys on voimakkaasti epähomogeeninen. Pitkittäissuunnassa huippuvetolujuus hitsin keskipisteessä saavuttaa 80-90 prosenttia materiaalin myötörajasta ja heikkenee kohti perusmetallia palaten olennaisesti nollaan noin 50 mm:n päähän hitsistä. Poikittaissuunnassa huippu on 60-70 prosenttia saannosta ja keskittyy 10-20 mm hitsin kummallekin puolelle lämpö{10}}vaikutusalueelle. Ero on myös päästä jalkaan: kiskon pää jäähtyy nopeammin ja kantaa korkeamman jännityshuipun, minkä vuoksi hitsausvirheet kasaantuvat päähän ja miksi pään puoleisella tarkastuksella on merkitystä.

Hitsausprosessin ohjaus jäännösjännityksen rajoittamiseksi

Prosessin ohjaus toimii tasoittamalla lämpötilagradienttia hitsauksen aikana. Vakiojärjestys on esilämmitys ja monikerroksinen moni-hitsaus sekä segmentoitu hitsaus.

Esilämmitys: liitoksen nostaminen 200-250 celsiusasteeseen ennen hitsausta katkaisee hitsin ja epäjalometallin välistä lämpötilaeroa, mikä vähentää jäähdytysjännitystä. Liian matalalla esilämmityksellä ei ole vaikutusta; liian korkea esilämmitys karkeuttaa viljaa.

Monikerroksinen moni-pass: hitsi rakennetaan 3–5 kerrokseksi, ja jokainen kerros jäähtyy 150–200 celsiusasteeseen ennen seuraavan kerrostamista. Tämä välttää yhden paksun läpimenon lämmön keskittymisen ja antaa peräkkäisten kerrosten jännityksen tasapainottaa toisiaan.

Segmentoitu hitsaus: hitsaus etenee symmetrisesti hitsin keskipisteestä ulospäin, joten lämpö jakautuu tasaisesti ja yksipuolinen lämmön keskittyminen ei horjuta jännityskenttää.

Oikein käytettynä nämä toimenpiteet vähentävät jäännösjännityksen huippua 30-40 prosenttia, mikä tarkoittaa suoraan pidempään hitsin käyttöikää liikenteessä.

Jälki-hitsauksen lämpökäsittely ja pinnan parantaminen

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely poistaa suurimman osan-jännitystä. Jännitystä vähentävä hehkutus lämmittää koko liitoksen 550-600 celsiusasteeseen, pitää sen 2-3 tuntia ja jäähdyttää sen sitten hitaasti uunissa enintään 50 celsiusasteessa tunnissa. Tapahtuva palautuminen ja uudelleenkiteytyminen vapauttavat jäännösjännityksen, jolloin pitkittäinen piikin saanto on alle 30 prosenttia. Paikallinen karkaisu kohdistuu sitten kiskon pään lämpövaikutusvyöhykkeelle: pään kuumentaminen 400-450 celsiusasteeseen tunnin ajan alentaa entisestään pään jännityshuippua ja parantaa väsymiskestävyyttä. Suurnopeuskiskojen hitseihin lisätään ultraääniiskukäsittely: mekaaninen isku muuttaa hitsin pintaa plastisesti, kompensoi osan vetojännitystä ja jättää edullisen puristuskerroksen.

Kuinka hitsausmenetelmiä verrataan ja miten stressi hyväksytään

Hitsausmenetelmä asettaa perusjännitystason, koska lämmönlähteen energiatiheys ohjaa lämpötilagradienttia.

Hyväksyminen arvioidaan mittojen perusteella. Pohjareikämenetelmä on vakiona-työmaalla: porataan 1-2 mm:n reikä, jännityksen muutos kirjataan ja jännitys lasketaan jännitys-venymäsuhteesta noin plus-miinus 10 MPa:n tarkkuudella. Röntgendiffraktio antaa laboratorio-tarkkuuden mittaamalla kidehilan siirtymää, ja ultraäänimenetelmät skannaavat suuria alueita ilman kosketusta. Standardin TB/T 1632-2014 mukaan pitkittäinen jäännösvetolujuus hitsauksessa ei saa ylittää 150 MPa-nopeuksilla rautateillä, 200 MPa raskaan tavaraliikenteen rautateillä ja 250 MPa tavallisilla nopeuksilla rautateillä. Näytteenotto on kolme liitosta 100:aa kohti; jos yksi epäonnistuu, seuraa kaksinkertainen näytteenotto ja toinen vika keskeyttää hitsauksen, kunnes prosessiparametrit on tarkistettu.

Usein kysytyt kysymykset

Miksi hitsauskeskuksessa on suurin vetojännitys?

Koska se on kuumin piste ja siksi kutistuu eniten jäähtyessään, kun taas kylmä perusmetalli molemmilla puolilla estää supistumisen. Mitä nopeampi lämpötilagradientti, sitä korkeampi on lukittu-huippu.

Voidaanko jäännösstressiä poistaa kokonaan?

Ei. Stressinpoistohehkutus vähentää pitkittäispiikkiä alle 30 prosentin saannosta, mutta jonkin verran jännitystä jää aina. Suunnittelun tavoitteena on saada se vastaanottokaton alapuolelle, jotta hitsi säilyttää väsymismarginaalin käyttökuormituksen alaisena.

Mikä hitsausmenetelmä sopii{0}}nopeille kiskoille?

Kaasupainehitsaus tuottaa alhaisimman pitkittäishuipun, 40-50 prosenttia saannosta, vakaalla laadulla, minkä vuoksi sitä suositellaan nopeille-linjoille. Puskuhitsaus on edelleen raskaiden ja tavallisten linjojen työhevonen.

Kuinka paljon prosessin optimointi voi vähentää jäännösjännitystä?

Esikuumennus ja monikerroksinen monivaiheinen segmentoitu hitsaus leikkaavat tyypillisesti 30-40 prosenttia, ja yhdessä hitsauksen jälkeisen lämpökäsittelyn kanssa pituussuuntainen jäännösjännitys putoaa alle 30 prosentin saannosta.

Mitkä ovat jäännösjännityksen hyväksymisrajat?

Pitkittäinen vetohuippu korkeintaan 150 MPa suurilla-nopeuksilla, 200 MPa raskailla-matkoilla ja 250 MPa tavallisilla-nopeuksilla rautateillä, tasainen jakautuminen ja ilman jännityspitoisuutta, vahvistettu TB/T 1632-2014 näytteenottosäännöillä.

Miten jäännösjännitys mitataan paikan päällä?

Sokeareikämenetelmä on tavallinen työstötekniikka, noin plus tai miinus 10 MPa tarkkuudella. Röntgendiffraktio- ja ultraäänimenetelmiä käytetään silloin, kun tarvitaan suurempaa tarkkuutta tai laajaa-alueskannausta.