Применение ее в России для первых сварочных работ по соединению рельсового полотна в 1915 году — для трамвайных рельсов, в 1925 году — для железнодорожных, позволило выполнить сварной шов одновременно по всему поперечному сечению рельса и получить достаточно высокое для того времени качество. Однако внедрение на железнодорожном транспорте стыковой контактной сварки, хорошо зарекомендовавшей себя при получении длинных рельсовых плетей в стационарных условиях и на перегонах, сильно сузила круг ее применения в Советском Союзе. Но времена изменяются и «забытое старое» вновь становится «новым». В странах западной Европы и Америке этот способ завоевал очень большую популярность — им сваривают стыки не только в районе стрелочных переводов, но и на перегонах основного пути.

Рельсовый стык представляет собой место, в котором происходит "разрыв" рельсовой нити, что, несмотря на стыковые накладки, уменьшает жесткость и увеличивает просадки. Это приводит к тому, что при движении подвижного состава через стык происходит удар колеса о головку принимающего конца рельса. Толчки и удары в стыках приводят к интенсивному износу как ходовых частей подвижного состава, так и самих рельсов. В результате ударов колеса о набегающий рельс происходят смятие и сколы головки рельсов в зоне стыка на расстоянии 60 — 80 мм от стыкового зазора, изломы рельсов по болтовым отверстиям, изломы накладок и стыковых болтов. Бесстыковой путь лишен указанных недостатков и, кроме того, имеет ряд преимуществ:

• на 30 — 40% уменьшаются затраты на текущее содержание пути,
• на 8 — 10% снижается основное удельное сопротивление движению поездов и в связи с этим экономится топливо и электроэнергия на тягу,
• увеличиваются сроки службы верхнего строения пути, а также подвижного состава за счет снижения количества ударов колес вагонов и локомотивов в месте стыка рельсовых плетей,
• улучшаются условия комфортабельности проезда пассажиров,
• повышается надежность работы электрических рельсовых цепей автоблокировки и т.п.

Благодаря этим и другим преимуществам бесстыковой вариант верхнего строения пути стал основным на главных линиях во всем мире.

Сварные швы в вагонах, локомотивах, рельсах и машинах различного назначения, применяемых на транспорте, являются наиболее повреждаемыми местами в процессе эксплуатации. Это связано с характерными особенностями сварных соединений. В сварном шве и околошовной зоне после сварки изменяются механические свойства, образуются остаточные растягивающие напряжения, близкие к пределу текучести материала, а сам сварной шов, кроме того, является концентратором напряжений.

В ряде случаев при выборе того или иного способа сварки руководствуются лишь его производительностью и стоимостью выполняемых работ, что приводит к появлению в ответственных конструкциях сварных соединений низкого качества. На получение качественного сварного соединения большое влияние оказывает свариваемость материала, из которого изготовлены соединяемые детали. Свариваемость — комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико­химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Если для деталей из хорошо сваривающихся материалов качественное сварное соединение получается при любом способе сварки, то для деталей из удовлетворительно сваривающихся материалов требуется усложнение технологии или применение специального способа, как правило, более сложного и дорогого. Еще большие проблемы возникают при сварке деталей из плохо сваривающихся материалов. Для получения качественного сварного соединения из таких материалов необходимо существенно усложнить технологию сварки и строго ее соблюдать. К сожалению не все об этом знают и, принимая решение о внедрении сварной конструкции в производство, часто не уделяют достаточного внимания технологии ее изготовления и ремонта.

Рельсовая сталь содержит большое количество углерода (0,69­0,82%) и относится к группе плохо сваривающихся материалов, которые при сварке склонны к образованию трещин. Трещины в таких конструктивных элементах как рельсы недопустимы, т.к., являясь концентраторами напряжений, могут в любой момент привести к разрушению стыка и крушению.

В настоящее время стыковая сварка рельсов осуществляется двумя видами: стыковая контактная сварка и сварка алюминотермитным способом.

При изготовлении в стационарных условиях на рельсосварочных предприятиях рельсовых плетей длиной 650­800  м контактная сварка позволяет получать хорошее качество сварных стыков при высокой производительности и достаточно низкой себестоимости.

Несмотря на широкое распространение, стыковая контактная сварка имеет ряд недостатков и ограничений при проведении ремонтных работ рельсового пути:

• необходимы дорогостоящие путевые рельсосварочные машины,
• продолжительные окна для их доставки на место сварки и последующей эвакуации,
• требуется достаточно большая бригада рабочих,
• дефицит рабочего времени в ряде случаев заставляет нарушать технологический процесс, что приводит к получению сварного стыка невысокого качества,
• невозможность сварки стыков в районе стрелочных переводов.

Алюминотермитная сварка рельсов имеет ряд преимуществ перед стыковой контактной сваркой при использовании путевых рельсосварочных машин: она не требует сложного дорогостоящего оборудования, большого количества рабочих, продолжительных перерывов в движении поездов. Непосредственно процесс сварки термитом рельсового стыка занимает 28–30 секунд, а вместе с подготовкой и этапом окончательной обработки сварного шва — не более 45 минут. Причем на одном стрелочном переводе одновременно может выполняться сварка нескольких стыков, что сокращает общее время выполняемых работ. Заварку стыка рельсов выполняет бригада из трех человек, обучение которых осуществляется в короткие сроки. Общий вес используемого оборудования не превышает 350–400 кг. При выполнении сварки и сопутствующих технологических операций используются автономные источники энергии. Для проведения алюминотермитной сварки рельсов был разработан специальный комплект малогабаритного переносного оборудования, способного работать автономно в полевых условиях. Подобраны состав и зернистость термитной смеси, что обеспечивает протекание термитной реакции без взрывов и затухания с наиболее благоприятной скоростью и требуемой температурой продуктов реакции.

Термитная сварка основана на процессе выделения большого количества теплоты, проходящем при сгорании термита — особой смеси, состоящей из порошкообразного металлического алюминия, окислов железа и специальных добавок, улучшающих термитный металл. Получаемая теплота (при сгорании термита развивается температура до 3000°С) используется для получения термитного металла и расплавления им кромок свариваемых частей изделия.

Процесс алюминотермитной сварки включает две основные технологические операции: предварительный высокотемпературный подогрев и непосредственно сварку рельсов. Подогрев производится специальной многопламенной горелкой на протяжении 7–9 минут. Момент завершения этапа предварительного подогрева контролируется визуально и поэтому зависит от квалификации сварщика, выполняющего подогрев. Проведение предварительного высокотемпературного подогрева является важной технологической особенностью алюминотермитной сварки рельсов, т.к. исключает несплавления, образование закалочных структур, уменьшает величину остаточных напряжений в сварном шве и околошовной зоне и предотвращает образование трещин.

После этапа подогрева следует этап сварки, на котором производится воспламенение термитной смеси, протекает реакция горения термита и происходит автоматический выпуск расплавленного термитного металла в межстыковой зазор рельсов. В результате многочисленных экспериментальных исследований было установлено, что основными технологическими параметрами, оказывающими влияние на качество получаемого сварного соединения, являются: длительность предварительного подогрева и тепловая мощность газового пламени.

Как и при любом виде сварки, технология алюминотермитной сварки должна строго соблюдаться. Это связано с тем, что локальный неравномерный разогрев металла до высоких температур приводит к образованию в месте нагрева значительных остаточных напряжений, являющихся одной из основных причин зарождения и развития трещин. Для повышения трещиностойкости в технологическом процессе сварки рельсов предусмотрены специальные операции, позволяющие понизить уровень остаточных напряжений, повысить прочность сварного стыка и его работоспособность.

Для получения бесстыкового пути алюминотермитным способом могут быть использованы как новые, так и старогодные рельсы, термически упрочненные и не упрочненные, мартеновского и бессемеровского производства, предназначенные для укладки на станционных, подъезд­ных и прочих железнодорожных путях, в том числе стрелочных переводах. Однако рельсы, подлежащие сварке между собой, должны быть одного типа и одинаковой группы годности.

С 1996 г. по технологии ЗАО «СНАГА» было сварено свыше 150 тыс. стыков на магистральных путях в главном ходу и на скоростных участках в разных климатических зонах на железных дорогах ОАО  «РЖД». При этом подтверждены высокие прочностные характеристики сваренных стыков. Однако из этого большого количества сваренных стыков были выявлены те, которые не соответствовали необходимому качеству. Проведенная экспертиза показала, что выявленные дефекты в стыках, сваренных алюминотермитным способом, возникли из­за нарушения или несоблюдения технологии сварки. Основной причиной нарушения технологии является то, что к данным работам допускаются работники, не прошедшие аттестацию в соответствии с требованиями к данной специальности или аттестованные некомпетентными в данной области лицами. Учитывая, что создание бесстыкового пути связанно с безопасностью движения поездов, обучение, повышение квалификации и аттестация сварщиков термитной сварки должны проводиться организациями, имеющими лицензию на данный вид деятельности.

В заключение необходимо отметить, что пока не будет уделяться должного внимания вопросам подготовки квалифицированных сварщиков, в том числе ИТР, и строгому соблюдению технологии сварки, — избежать брака будет невозможно, следовательно, зарождение и развитие трещин в конструкциях при эксплуатации будет происходить раньше предусмотренного срока.

 Н.Н. Воронин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой
«Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин», МИИТ
Н.Н. Прохоров,
д.т.н., профессор кафедры «Металлургия сварочного производства», МГВМИ

 О.Н. Трынкова, ассистент кафедры «Инновационные технологии», МИИТ