Odakle dolazi zaostalo naprezanje u šinskom zavaru
Zavarivanje spaja šinu topljenjem i ponovnim{0}učvršćivanjem čelika, a proces ostaje zaključan-u stresu. Centar zavarivanja dostiže preko 1500 stepeni Celzijusa dok osnovni metal ostaje na temperaturi okoline; kada se rastopljeni metal stvrdne i skupi, kruti osnovni metal sprječava slobodnu kontrakciju, tako da se vlačna napetost zamrzava u spoju. Budući da ovo naprezanje doprinosi naprezanju u radu od saobraćaja, zavar sa visokom zaostalom napetosti je zavar sa smanjenim vijekom trajanja i preferirano mjesto za pucanje. Kontrola zaostalog naprezanja je stoga ključni dio inženjeringa izdržljivosti zavara, a ne finoća završne obrade.
Raspodjela naprezanja po zoni zavara
Preostalo naprezanje u zavaru šine je izrazito nehomogeno. U uzdužnom smjeru, vršno vlačno naprezanje u centru zavara dostiže 80-90 posto čvrstoće tečenja materijala i opada prema osnovnom metalu, vraćajući se u suštini na nulu nakon oko 50 mm od šava. U poprečnom smjeru, vrh iznosi 60-70 posto popuštanja i koncentriše 10-20 mm sa svake strane vara u zoni utjecaja topline{10}}. Postoji i razlika od glave do noge: glava šine se brže hladi i nosi veći vrh naprezanja, zbog čega se defekti zavara skupljaju u glavi i zašto je pregled od strane glave važan.
Kontrola procesa zavarivanja za ograničavanje preostalog naprezanja
Kontrola procesa radi tako što izravnava temperaturni gradijent tokom zavarivanja. Standardna sekvenca je predgrijavanje plus više-slojno više-prolazno zavarivanje plus segmentno zavarivanje.
Predgrijavanje: podizanje spoja na 200-250 stepeni Celzijusa prije zavarivanja smanjuje temperaturnu razliku između zavarenog i osnovnog metala, smanjujući ograničavajući napon tokom hlađenja. Prenisko predgrijavanje nema efekta; previsoko zagrevanje ogrubljuje zrno.
Više-slojni višeslojni-prolaz: šav se gradi u 3-5 slojeva, a svaki sloj se hladi na 150-200 stepeni Celzijusa prije nego što se nanese sljedeći. Ovo izbjegava koncentraciju topline u jednom debelom prolazu i omogućava da se naprezanje uzastopnih slojeva nadoknadi jedan drugog.
Segmentirano zavarivanje: zavarivanje se odvija simetrično od centra vara prema van, tako da se toplota ravnomerno raspoređuje i jednostrana koncentracija toplote ne dovodi do debalansa polja naprezanja.
Ako se pravilno primjenjuju, ove mjere smanjuju vrh zaostalog naprezanja za 30-40 posto, što direktno dovodi do dužeg vijeka zavarivanja pod prometom.
Toplinska obrada nakon-vara i poboljšanje površine
Toplinska obrada nakon zavarivanja uklanja većinu blokiranog-naprezanja. Žarenje za ublažavanje naprezanja zagrijava cijeli spoj na 550-600 stepeni Celzijusa, drži ga 2-3 sata, a zatim ga polako hladi u peći na ne većoj od 50 stepeni Celzijusa na sat. Oporavak i rekristalizacija do kojih dolazi oslobađaju zaostalo naprezanje, dovodeći uzdužni vrh ispod 30 posto prinosa. Lokalno kaljenje zatim cilja na zonu pogođenu toplotom glave šine: zagrevanje glave na 400-450 stepeni Celzijusa u trajanju od jednog sata dodatno snižava vrhunac naprezanja glave i poboljšava otpornost na zamor. Za brze šinske zavare, dodaje se ultrazvučna udarna obrada: mehanički udar plastično deformira površinu zavara, poništavajući dio zateznog naprezanja i ostavljajući koristan tlačni sloj.
Kako se upoređuju metode zavarivanja i kako se prihvaća napon
Metoda zavarivanja postavlja osnovni nivo naprezanja jer gustina energije izvora toplote pokreće temperaturni gradijent.
| Metoda zavarivanja | Uzdužni vršni napon | Tipična upotreba |
|---|---|---|
| Čeono zavarivanje | Oko 85 posto prinosa | Za-zavarivanje na licu mjesta, obične-brzine i teški{2}}vodovi |
| Termitsko zavarivanje | Oko 60 posto prinosa | Hitna popravka, mali{0}}krivi radijusa |
| Zavarivanje pod pritiskom | 40-50 posto prinosa | Zavarivanje{0}}brzih željezničkih tračnica |
| Lasersko zavarivanje | Ujednačena, uska zona{0}}zahvaćena toplinom | Fabričko zavarivanje šina |
Prihvatanje se ocjenjuje mjerenjem. Metoda slijepih rupa je standardna-tehnika na gradilištu: buši se rupa od 1-2 mm, bilježi se promjena deformacije, a naprezanje se izračunava iz odnosa naprezanja-deformacija sa tačnošću od oko plus ili minus 10 MPa. X{7}}difrakcija X zraka daje laboratorijsku-tačnost mjerenjem pomaka kristalne rešetke, a ultrazvučne metode skeniraju velike površine bez kontakta. Prema TB/T 1632-2014, uzdužno zaostalo zatezno naprezanje na šavu ne smije biti veće od 150 MPa za velike{15}}brze željeznice, 200 MPa za željeznice za teške relacije i 250 MPa za željeznice obične brzine i bez očigledne ravnomjerne koncentracije naprezanja. Uzorkovanje je tri spojnice na 100; ako jedan ne uspije, slijedi dvostruko uzorkovanje, a drugi kvar obustavlja zavarivanje dok se ne pregledaju parametri procesa.
Često postavljana pitanja
Zašto središte zavara nosi najveći zatezni napon?
Zato što je to najtoplija tačka i zbog toga se najviše skuplja tokom hlađenja, dok hladni osnovni metal sa obe strane blokira kontrakciju. Što je temperaturni gradijent brži, to je veći -zaključani vrh.
Može li se rezidualni stres potpuno eliminirati?
Ne. Žarenje za ublažavanje naprezanja smanjuje longitudinalni vrh ispod 30 posto prinosa, ali određeni napon uvijek ostaje. Inženjerski cilj je dovesti ga ispod prihvatljivog plafona tako da zavar zadrži svoju marginu zamora pod radnim opterećenjima.
Koja metoda zavarivanja odgovara brzim šinama-?
Zavarivanje pod pritiskom na plin daje najniži uzdužni vrh, 40-50 posto prinosa, sa stabilnim kvalitetom, zbog čega se preferira za velike-vodove. Sučeono zavarivanje ostaje radni konj za teške i obične linije.
Koliko optimizacija procesa može smanjiti zaostalo naprezanje?
Predgrijavanje plus više-slojno višeslojno-prolazno segmentirano zavarivanje obično smanjuje vrh za 30-40 posto, a u kombinaciji s toplinskom obradom nakon zavarivanja, zaostalo uzdužno naprezanje pada ispod 30 posto prinosa.
Koje su granice prihvatljivosti za preostali stres?
Uzdužni vlačni vrh ne iznad 150 MPa za velike-brzine, 200 MPa za teške-puteve i 250 MPa za obične -brze željeznice, sa ujednačenom raspodjelom i bez koncentracije naprezanja, provjereno pravilima uzorkovanja TB/T 1632-2014.
Kako se mjeri preostali napon na gradilištu?
Metoda slijepih rupa je standardna tehnika na gradilištu, sa tačnošću od oko plus ili minus 10 MPa. Difrakcija rendgenskih zraka i ultrazvučne metode se koriste tamo gdje je potrebna veća preciznost ili skeniranje velikih-oblasti.