Tory i infrastruktura torowa > Spawanie szyn

Szyny z hut stali dostarczane są w odcinkach. W celu utworzenia toków szynowych kolejne odcinki szyn łączy się ze sobą w technologii spawania lub zgrzewania. Dzięki tym technologiom uzyskuje się tor bezsytkowy, czyli taki w którym nie występuje przerwa między szynami, co ma miejsce przy tradycyjnym i archaicznym już połączeniu łubkowym ze śrubami. Taki typ łączenia można spotkać na starego typu odcinkach torów. Przerwa pomiędzy szynami jest źródłem hałasu w postaci stukotu od kół przejeżdżającego taboru.

 
Szyny łączone łubkami i śrubami

Więcej informacji o łączeniach łubkowych można znaleźć tutaj.

Poniższa fotografia przedstawia połączenie łubkowe w torze tramwajowym, w którym, w celu wyciszenia jazdy przerwę międzyszynową zaspawano z wykorzystaniem klasycznej technologii spawania (np. spawanie elektrodowe).

Połączenie łubkowe ze spawem

W technologii zgrzewania wykorzystuje się zgrzewanie iskrowe oporowe, które polega na nagrzaniu końcówek (styku) sąsiednich szyn poprzez wyiskrzenie ciekłego metalu na obszarze styku. Nagrzanie to następuje w wyniku przepływu prądu o dużej wartości. Po rozgrzaniu generuje się docisk szyny do szyny (tzw. spęczanie). W celu przepływu prądu szyny łączone ze sobą są zetknięte na styk. Przy spawaniu pomiędzy końcami sąsiednich szyn pozostawia się odpowiednią przerwę. W nawierzchniach torowych tramwajowych zgrzewanie stosowane jest rzadko, a jeżeli już to przy łączeniu szyn typu kolejowego. Dla łączenia szyn typu tramwajowego (rowkowych) zgrzewanie to wręcz nowatorska metoda.

Technologia spawania termitowego szyn
W nawierchniach torowych kolejowych i tramwajowych stosuje się spawanie bezstykowe, termitowe metodą SoWoS. Metoda ta polega na nałożeniu na miejsce łączenia formy spawalniczej odpowiadającej przekrojowi szyny danego typu. Następnie łączone szyny podgrzewa się palnikiem i w formę spawalniczą wlewa się spoiwo spawalnicze, którego nadlew po zastygnięciu się obcina.
Kolejnym krokiem jest szlifowanie miejsca łączenia i przytwierdzanie szyny do podkładów / płyt betonowych.

Termit to sproszkowana mieszanina tlenków żelaza i glinu wchodząca w skład spoiwa spawalniczego. Pojemnik ze spoiwem zwany tyglem podpala się od środka, co powoduje reakcję redukcji tlenku żelaza z glinem, w wyniku której powstaje tlenek glinu w postaci żużlu oraz żelazo. Podczas reakcji termitowej wydziela się bardzo dużo ciepła, które wykorzystywane jest do spawania wraz z wydzielonym w reakcji żelazem służącym jako łącznik spawanych elementów.

Tygiel jest to pojemnik odporny na działanie wysokiej temperatury.


Poniższe fotografie przedstawiają poszczególne etapy spawania termitowego szyn.

   
Przygotowanie końców odcinków szyn

   
Ustalanie prawidłowego poziomu szyn - poziomowanie

   
Przerwa między szynami na spaw bezstykowy

   
Wspornik utrzymujący prawidłowe położenie końca szyny


Gdy końce łączonych odcinków szyn są już prawidłowo ustawione i ustabilizowane na miejsce łączenia zakłada się odpowiednią formę spawalniczą (opis form w dalszej części).
Formę mocuje się do szyn w miejscu łączenia za pośrednictwem żeliwnego kołnierza.

   
Połówka formy w żeliwnym kołnierzu

    
Zakładanie formy na miejsce łączenia

   
Uszczelnienie formy piaskiem


Po obydwóch stronach formy zakłada się specjalne żeliwne pojemniki (miseczki), do których wypłynie nadmiar spoiwa wlewanego do formy w celu zespawania szyn oraz tlenek glinu w postaci żużlu (szlaki), który jest efektem reakcji redukcji tlenku żelaza z glinem. Dna tych pojemników wypełnia się piaskiem.

   
Założone pojemników na wypływający nadmiar spoiwa i żużel


Tak przygotowane końcówki szyn są gotowe do podgrzania palnikiem.

 
Zakładanie palnika


   
Podgrzewanie końców szyn i formy palnikiem


Po odpowiednim podgrzaniu końcówek szyn palnik się zdejmuje, a środkowy otwór formy zatyka specjalną zatyczką. Kolejnym krokiem jest już wlanie spoiwa do formy.
W tym celu pojemnik (tygiel) ze spowiem kładzie się dnem na górnej części formy. Pojemnik ten jest tak ukształtowany, że wypust spoiwa jest na środku dna pojemnika.

   
Pojemnik (tygiel) położony na formie


Następnie pojemnik podpala się od środka w wyniku czego następuje opisana wcześniej reakcja termitowa i spoiwo wycieka do formy.

 
Podpalenie pojemnika

       
Z palącego się pojemnika wypływa do formy spoiwo


Nadmiar wypływającego spoiwa oraz tlenek glinu w postaci żużlu wycieka do wcześniej zamocowanych pojemników wypełnionych piaskiem.
Gdy spoiwo w pełni wypłynie palący się jeszcze pusty pojemnik tygla zdjemuje się z formy.

   
Wyciekanie nadmiaru spoiwa i żużlu

 
Zdjęty pusty pojemnik z formy


Gdy nadmiar spoiwa i żużel w pełni zcieknie do bocznych pojemników zdejmuje się je i nastepuje stygnięcie spawu.

   
Stygnięcie spoiwa


Gdy spoiwo zastygnie, formę się zdejmuje (rozbija), a nadlew spawu obcina. Następnie miejsce spawu szlifuje się.

   
Zastygnięte spoiwo

 
Rozbijanie formy

 
Rozbite formy

   
Spawy po odcięciu nadlewu


Spawy szlifuje się specjalną ręczną szlifierką szynową, która umożliwia szlifowanie główek szyn w różnych pozycjach, w celu wygładzenia miejsca łączenia zgodnie z kształtem profilu główek szyn.

     
Szlifowanie miejsca spawania (opis szlifierki na 1 powiększeniu)


 
Spawy zeszlifowane - łączenia gotowe do użytku

 
Spawy w trakcie eksploatacji

Niezachowanie odpowiednich parametrów jakościowych i technologicznych wykonania spoin termitowych może powodować, że w trakcie eksploatacji dochodzić będzie do odkształcania się miejsc połączeń. W najgorszej sytuacji może dojść nawet do wykruszenia, czy pęknięcia spawu.

 
Odkształcona plastycznie spoina

Odkształcenie spoin w tokach szynowych doprowadza do powstania drgań i w efekcie zwiększonej emisji hałasu od przejeżdżającego taboru. Jak było wspomniane, zastosowanie torów bezsytkowych, czyli spawanych, ma zapewniać cichy przejazd. Podczas jazdy po takim torze nie powinien być słyszalny tradycyjny stukot wynikający z uderzeń koła o przerwę międzyszynową łączenia łubkowego (tuk, tuk - tuk, tuk...). Uszkodzona spoina, jaką widać na zdjęciach powyżej, powoduje, że koło uderza o miejsce łączenia, przez co odczucie jazdy jest analogiczne jak przy torze tradycyjnym. Oczywiście intensywność stukotu jest zależna od stopnia deformacji spoiny termitowej.


Stukot na odkształconych spoinach w torze bezsytkowym

W celu zapewnienia jak najlepszej jakości spoin termitowych wykonawca robót powinien mieć opracowaną odpowiednią technologię w stosunku do rodzaju i materiału stosowanych szyn, system zarządzania jakością oraz oczywiście wykwalifikowaną kadrę technologów i spawaczy. Po wykonaniu spawów odbiera się je, wykonując odpowiednia badania nieniszczące. Pierwszym etapem kontroli jest oczywiście kontrola wzrokowa, czyli czy złącze jest prawidłowo oszlifowane, oczyszczone, a kształt nadlewu jest zgodny z zarysem formy. Sprawdza się również czy nie ma wad na przykład takich jak wtopienia, pęcherze, pęknięcia, wtrącenia itp.  Sprawdza się również prostolinijność złącza spawanego. Złącza badane są również z użyciem defektoskopii ultradźwiękowej. Ta metoda badawcza pozwala wykryć niejednorodność struktury materiału i ewentualne pęknięcia wewnętrzne. Badanie defektoskopowe jest najistotniejszym badaniem, gdyż jest w stanie zweryfikować "wnętrze" spawu bez jego niszczenia. W ramach procesu badawczego mogą być również wykonane badania niszczące z wykorzystaniem próbek wykonywanych do badań laboratoryjnych.

 
Pęknięcia spoin spawalniczych

Gdy propagacja pęknięcia obejmie cały przekrój spoiny, czyli tok szynowy utraci ciągłość (kontakt metaliczny) może dojść do sytuacji, że w szczelinie pęknięcia pojawi się łuk elektryczny wywołany prądem powrotnym biegnącymi szynami do podstacji trakcyjnej. Łuk ten widoczny jest jako iskrzenie się w miejscu pęknięcia.