Термитная сварка рельсовых соединений: почему шлифовка — это половина работы.

Термитная сварка выполняется примерно за 60 секунд бурного химического воздействия и несколько минут затвердевания — и на этом этапе соединение выполнено лишь наполовину. В результате остается выступающий бортик, зона термического воздействия с твердостью, отличающейся от твердости рельса, и рабочая поверхность, к которой ни одно колесо не должно прикасаться, пока оно не будет вырезано и отшлифовано до исходного профиля.

Такова взаимосвязь между двумя технологиями, которые обычно рассматриваются как конкуренты: термитная сварка рельсовых соединений и шлифовка рельсов являются взаимодополняющими. Одна соединяет сталь, другая делает соединение пригодным для движения транспорта. В этой статье объясняется, что именно термитная сварка делает со сталью, что остается для шлифовки, как китайская политика 2025 года в отношении строительства новых линий меняет места применения этого процесса, и почему потребность в шлифовке не исчезает при изменении метода сварки.

Мы поставляем шлифовальные круги, используемые для финишной обработки сварных швов, как на ручных станках, так и на шлифовальных установках, поэтому описание составлено со стороны расходного материала шва.

Что на самом деле делает термитная сварка с рельсом.

Термитная (алюмотермическая) сварка — это процесс литья, замаскированный под сварку. Алюминиевый порошок восстанавливает оксид железа, и реакция — приблизительно 3FeO + 2Al → Al2O3 + 3Fe , плюс около 880 кДж — нагревает продукты выше 2500 °C в течение минуты. Расплавленная сталь заполняет форму, зажатую вокруг зазора рельса, и сплавляется с предварительно нагретыми концами рельсов; шлак всплывает и задерживается в тигле.

Параметры процесса, определяющие, выдержит ли соединение эксплуатацию, очень строги и в целом одинаковы у разных поставщиков и в соответствии с различными стандартами:

В коммерческом плане важны два стандарта. EN 14730 — это эталонная спецификация для процедур алюмотермической сварки в Европе и на рынках, сертифицированных в соответствии с европейской практикой; в Китае готовый шов и шлифовка, обеспечивающая его получение, регулируются стандартом Q/CR 1-2014 (условия заказа шлифовки рельсов и колес поездов) и правилами технического обслуживания путей оператора.

Что остается после сварки рельсового шва термитной смесью

После снятия формы и обрезки воротника остаются пять элементов, которые можно устранить только шлифовкой (и контролем качества):

1. Выступ или углубление сварного шва. Если воротник не удален полностью, шов выступает; если готовый сварной шов проседает в процессе эксплуатации, он опускается. Оба дефекта являются геометрическими недостатками и затрагивают каждое проезжающее колесо. Углубление является более опасным из двух – оно создает динамический удар, интенсивность которого зависит от скорости.
2. Зона термического воздействия имеет другую микроструктуру. Сварочная сталь отлита, основной рельс прокатан — и на закаленных в головке марках основной рельс может иметь твердость 350-400 HB. Градиент по всей длине соединения — это то место, где обычно начинается усталостное разрушение.
3. Литейная корка. Первые доли миллиметра на рабочей поверхности могут содержать дефекты литья, пористость и шлаковые включения. Шлифовка удаляет этот слой и обнажает неповрежденный металл для осмотра.
4. Шероховатость поверхности, недопустимая ни в одной спецификации. Операторы устанавливают Ra ≤10 мкм после шлифовки (TB 10413-2018 и аналогичные правила); сварной шов после среза имеет гораздо более грубую шероховатость.
5. Разрыв профиля. Соединение должно иметь ту же геометрию контакта, что и основной рельс. Если профиль в сварном шве отличается, контактная полоса разрывается в месте соединения — именно этого предостерегает китайский стандарт на соединения стрелок, требующий совпадения сечения и профиля рельса по всей длине соединения.

Именно поэтому китайская железнодорожная администрация классифицирует шлифовку, выпрямление и сварку как три признанных способа восстановления стрелочных рельсов (〔2004〕354号, пункт 7.1.3). Шлифовка — это не косметическая работа на стыке; это один из трех признанных методов ремонта.

Изменения в политике в отношении термитной сварки рельсов в 2025 году

В 2025 году ситуация с новым строительством изменилась. После разрушения сварного шва изогнутой части стрелки 228 на станции Гаси Лейк на линии Голмуд-Корла, электротехническое и сигнальное управление Китайской железной дороги выпустило уведомление (工电线路电〔2025〕5号), практическое действие которого теперь стало профессиональным управленческим требованием: на вновь построенных и реконструированных железных дорогах вместо термитной сварки следует использовать контактную сварку и сварку под давлением в газе.

Приведенные причины заслуживают внимательного прочтения, поскольку они описывают виды отказов, а не сам процесс:

• Прочность сварного шва, полученного термитной сваркой, ниже, чем у основного рельса , что является конструктивным недостатком, унаследованным от процесса литья;
• В местах соединения поверхностные углубления (низкие точки) склонны к образованию впадин , что увеличивает динамическую нагрузку;
• Термитная сварка требует гораздо более частого неразрушающего контроля, чем контактная сварка или сварка под давлением газа, что увеличивает объем работ по контролю и эксплуатационные расходы на протяжении всего срока службы оборудования.

Тот же свод правил сохраняет границы: для фиксации сварных швов внутри стрелочного перевода и между концами стрелочного перевода и ходовым тросом по-прежнему может использоваться термитная сварка (TB 10082—2017, пункт 8.0.6), а полевая сварка в целом предписывается использовать контактную сварку там, где это практически осуществимо.

Для любого, кто владеет оборудованием для шлифовки, инженерные последствия очевидны и их легко упустить из виду: изменение метода сварки меняет объем шлифовки, а не необходимость в ней. При контактной сварке на конвейер поступает обрезанный, кованый, пластичный шов и требует относительно легкой финишной обработки. При термитной сварке поступает отливка, которую необходимо резко обработать в горячем состоянии, а затем отшлифовать. В сети, где сварка новых конструкций переходит на контактную сварку, но при этом сохраняется использование термитной сварки для фиксации швов, общая нагрузка от шлифовки смещается, но не уменьшается — и соединения, которые остаются сваренными термитной сваркой, скорее всего, имеют наименее щадящую геометрию.

Где термитная сварка рельсов по-прежнему выигрывает

Рекомендации на 2025 год касаются политики в отношении новых направлений, а не являются окончательным решением по процессу. Термитная сварка сохраняет преимущества, недоступные другим методам сварки на объекте:

• Не требует внешнего источника питания и занимает мало места. Комплекты портативны и автономны, поэтому этот процесс является доминирующим в отдаленных местах, туннелях и ограниченных городских пространствах.
• Скорость выполнения одного стыка в условиях ограниченного пространства. В метро и легкорельсовом транспорте выполнение одного стыка обычно занимает 45-90 минут, что укладывается в короткие ночные перебои в движении.
• Универсальность. Термитные комплекты позволяют соединять различные секции рельсов, рельсы с разной глубиной износа, а также могут быть установлены в изолированные стыки — в тех случаях, когда использование ударных машин нецелесообразно.
• Запорные и соединительные сварные швы. Как подтверждают китайские инструкции, соединительные сварные швы на стрелочных переводах и заключительных стыках троса по-прежнему выполняются с использованием термитной смеси.

Для высокоскоростных и тяжелых грузов этот процесс используется с применением легированных материалов, строго контролируемым предварительным нагревом и обязательной шлифовкой после сварки с жесткими геометрическими допусками. В случае тяжелых грузов с осевой нагрузкой 25-40 тонн, финишная обработка является наиболее ответственной задачей, поскольку именно в сварном шве наиболее высока вероятность образования усталостной трещины.

В чём заключается влияние шлифовки на качество термитной сварки?

Шлифовка сварного шва выполняет три функции, и только первая из них касается внешнего вида:

1. Геометрия. Удалите остаточный гофрированный слой и восстановите поперечный профиль и продольную прямолинейность сварного шва. Рабочий допуск в этом классе работ составляет доли миллиметра на метровой линейке — в наших собственных рекомендациях по рабочему процессу используется допуск 0,3 мм на 1 м с помощью щупа.
2. Состояние поверхности. Обрежьте литейный слой до чистого металла, доведите шероховатость до допустимого предела Ra ≤10 мкм и не оставляйте сплошной синей полосы. Пригорание в сварном шве обходится вдвойне дорого: оно повреждает только что выполненное соединение и будет зафиксировано при контроле качества.
3. Непрерывность контакта. Убедитесь, что контактная (легкая) полоса проходит непрерывно по стыку, имеет правильную ширину и положение — 25-30 мм на высокоскоростных путях и 35-40 мм на обычных и тяжеловесных путях. Правильный профиль с неправильно расположенной полосой все равно приведет к ударной нагрузке.

Длина шлифовки — это самостоятельный параметр, который необходимо задать для прохождения шлифовального полотна вдоль направляющей с каждой стороны сварного шва, и именно его параметры в большинстве полевых работ недостаточно точно определены. Мы уже писали отдельно о том, почему длина шлифовки является скрытым критическим параметром при финишной обработке сварных швов .

Как метод сварки влияет на процесс шлифовки

Если вы указываете расходные материалы, то эта таблица имеет значение — для одного и того же соединения требуется разная степень шлифовки в зависимости от способа его изготовления:

Последствия, связанные с расходом материалов, столь же практичны. При высокой нагрузке шлифовального круга от него требуется резать литую сталь, удалять остатки сварного шва и обрабатывать поверхность с градиентом твердости — и все это без засорения, глазурования или пригорания основного металла. Это более сложная задача, чем шлифовка гладких профилей, и именно поэтому универсальный круг из каталога редко выдерживает полный цикл шлифовки. Круг должен сочетать прочное зерно со связующим веществом, которое освобождает его перед полировкой поверхности; причины отказа, которых следует избегать, описаны в нашей статье о предотвращении пригорания рельсов и выборе круга .

Выбор шлифовальных кругов для шлифовки сварных швов и соединений

Отделка сварных швов в основном выполняется вручную на станках, и, соответственно, форматы шлифовальных кругов меньше, чем у кругов, используемых в шлифовальных станках:

Технические параметры, определяющие работоспособность соединения:

• Абразивный материал и связующее вещество. Для обработки рельсов используется цирконий-глинозем на смоляной связке с обмоткой из стекловолокна, зернистость 16: прочность на сжатие 308,0 МПа и степень шлифовки 41,0 в рамках программы испытаний проекта Shenhua, по сравнению с 124,0 МПа / 22,4 для прокаленного бурого глинозема и 103,2 МПа / 11,9 для белого глинозема.
• Номинальная скорость и балансировка. Номинальная скорость 50 м/с , класс балансировки G1 ≤30 г или G3 ≤34 г, а также монтажные отверстия с правильной резьбой и степенью зацепления (для шлифовальных кругов с резьбой M10 требуется эффективное зацепление ≥17 мм).
• Допуски на размеры. Наружный диаметр ±2,0 мм , толщина ±1,5 мм , параллельность ≤0,4 мм, соосность ≤0,5 мм — достаточно жесткие, чтобы колесо вращалось ровно при 3000-6000 об/мин без образования собственных дефектов.

Приемка и проверка сварного соединения

Готовый сварной шов считается приемлемым по четырем параметрам плюс одному показателю контроля качества:

Наши собственные данные, полученные в ходе испытаний наших колес: образцы прошли испытания на безопасность при вращении со скоростью 6354 об/мин без разрушения ; в ходе приемочных испытаний на кривых малого радиуса в метро Чэнду камни Molaton M20×2.5 получили оценку 90/100 по стандарту TB 10413-2018, а восстановленные головки прошли проверку на шероховатость и наличие светлых полос; а в ходе испытаний на станке Loram в Цзянмэне шероховатость всех шлифованных рельсов составила 1,05-9,0 мкм, в основном 2-4 мкм, без синих полос . Долговечность на уровне расходных материалов, измеренная в ходе сравнения полувагона GMC-96X (48 наших колес против 48 импортных колес, тот же станок), примерно в 1,5 раза выше, чем у импортных эталонных колес при сопоставимом качестве — и сварочные работы — это именно тот вид работ, где эта разница проявляется в меньшем количестве замен колес за один цикл эксплуатации.

Применение роликов Молатона в сварочных и соединительных работах

Шлифовальные круги Молатона для рельсов производятся компанией RailwayCare (Wuhan Huatie Ruijie Rail Transit Technology Co., Ltd.) в количестве 500 000 кругов в год и выпускаются в ручном, стрелочном и шлифовальном исполнении для обработки сварных швов и соединений.

• Варианты исполнения. Колеса для ручной обработки диаметром 125-260 мм с креплениями M20, 5/8" и M8, а также все существующие варианты шлифовальных станков.
• Циркониевый алюминиевый абразив, зернистость 16, смоляная связка, обернут стекловолокном , рассчитан на скорость 50 м/с.
• Сертификация для закупок. ISO 9001:2015 и ISO 45001:2018, CRCC, техническая экспертиза Китайской академии железнодорожных наук (TKTJ-19-0007-ST), отчет Национального центра контроля качества абразивных материалов Чжэнчжоу, JB/T 11431-2020, EN 12413 и EAC/GOST 33174-2014 для рынков с шириной колеи 1520 мм.
• Проверено на практике. Пробег ≥100 км в соответствии с условиями теста G1, плюс результаты полевых испытаний, указанные выше.

В качестве дополнительной информации рекомендуем ознакомиться с нашими руководствами по сварке и шлифовке рельсов как единому рабочему процессу , шлифовке головок рельсов и образованию гофр, а также дефектам, связанным с стыками, которые охватывают весь остальной срок службы стыка.

Разрешена ли термитная сварка на железных дорогах?

Да, этот процесс по-прежнему широко используется, особенно при работах в метро и легкорельсовом транспорте, на ограниченных и удаленных участках, при ремонте, на различных участках рельсов и изолированных стыках. Изменения в Китае в 2025 году касаются предпочтения нового строительства: в руководстве по устранению трещин в сварном шве (〔2025〕5号) предписывается использовать контактную сварку и сварку под давлением газа вместо термитной сварки на вновь построенных и реконструированных железных дорогах, в то время как фиксирующие сварные швы на стрелках по-прежнему могут быть выполнены термитной сваркой (TB 10082—2017, пункт 8.0.6).

Зачем шлифовать термитный сварной шов после того, как вырезана деталь?

Поскольку резка удаляет большую часть избыточного металла, но оставляет геометрию и поверхность незавершенными: остаточный бугорок или углубление, литейная корка, которая может содержать пористость и включения, шероховатость, значительно превышающую допустимый предел Ra ≤10 мкм, и профиль, который может не соответствовать исходному рельсу, шлифовка восстанавливает профиль, прямолинейность, шероховатость и зону контакта по всей поверхности соединения.

Устраняет ли горячая резка необходимость в шлифовании?

Это значительно снижает нагрузку. Сообщается, что обрезка воротника, когда температура сварного шва еще находится в диапазоне примерно от 700 °C до 850 °C, с помощью гидравлического триммера, прилагающего усилие более 120 кН, сокращает время последующей шлифовки примерно на 60 процентов и позволяет избежать ненужного напряжения шлифовки в зоне термического воздействия. Финишная обработка все еще необходима, поскольку допуски по геометрии и шероховатости более жесткие, чем может выдержать любой триммер.

Для чего необходимо шлифовать сварной шов?

Четыре измеримых параметра: поперечный профиль и продольная прямолинейность, восстановленные с точностью до допусков оператора (доля миллиметра на метровой линейке), шероховатость поверхности в пределах Ra ≤10 мкм, отсутствие сплошной синей полосы и светлая полоса, проходящая непрерывно по стыку с правильной шириной — 25-30 мм на высокоскоростных, 35-40 мм на обычных и тяжеловесных рельсах. Затем внутренняя целостность проверяется ультразвуковым или магнитопорошковым методом.

Какой шлифовальный круг следует использовать для финишной обработки сварных швов?

Для ручной шлифовки используется шлифовальный круг диаметром 150 мм (например, 150×70×M20 или 150×65×M20) из диоксида циркония и алюминия, зернистость 16, смоляная связка с обмоткой из стекловолокна, скорость вращения 50 м/с, балансировка до G1 ≤30 г. Условия работы сложнее, чем при обычной шлифовке, поскольку круг должен резать литой сварочный металл и обеспечивать градиент твердости без образования глазури или пригорания основной направляющей, поэтому более важным фактором является прочное зерно с легкорежущей связкой, чем низкая цена круга.

Подберите шлифовальные круги для сварки, соответствующие типу соединения, которое вам необходимо выполнить.

Сообщите нам метод сварки, сечение и марку рельса, используемое вами оборудование для финишной обработки, а также необходимые допуски по геометрии и шероховатости — и мы предоставим вам спецификацию колеса, ожидаемое количество соединений на колесо с указанием критериев испытаний, а также коммерческую раму, которую вы сможете сравнить с продукцией любого другого поставщика.

• WhatsApp: +86 15072332788
• Электронная почта: simon.wang@railwaycare.com

Компания RailwayCare (Wuhan Huatie Ruijie Rail Transit Technology Co., Ltd.) – ваш профессиональный партнер в области шлифовки рельсов, предлагающий шлифовальные круги Molaton, проверенные на высокоскоростных, большегрузных и линиях метро с 2004 года.

RailwayCare (Wuhan Huatie Ruijie Rail Transit Technology Co., Ltd.) – ваш профессиональный партнер в области шлифовки рельсов, предлагающий шлифовальные круги Molaton, проверенные на высокоскоростных, большегрузных и линиях метро с 2004 года.