DE102005007520B4

DE102005007520B4 - Verfahren zur Herstellung eines Gleisoberbauteils sowie Gleisoberbauteil

Info

Publication number: DE102005007520B4
Application number: DE102005007520A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Benenowski; Gerhard Ratz
Original assignee: Voestalpine BWG GmbH; Butzbacher Weichenbau GmbH
Current assignee: Butzbacher Weichenbau GmbH; Voestalpine Turnout Technology Germany GmbH
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: NL1031169C2; DE102005007520A1; NL1031169A1; DE202005021638U1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gleisoberteils umfassend einen ersten und einen zweiten jeweils einen Schienenkopf und Schienenfuß aufweisenden Schienenabschnitt, wobei die Schienenabschnitte mit ihren Schienenköpfen und -füßen zueinander ausgerichtet in vertikaler oder nahezu vertikaler Position angeordnet und sodann sowohl in ihren Kopf- als auch ihren Fußbereichen miteinander verschweißt werden und wobei außenseitig entlang der Kopf- und Fußbereiche Schweißbadsicherungen verschiebbar angeordnet werden und in jeweiligen zwischen Schweißbadsicherung und den Kopf- bzw. Fußbereichen gebildeten Schweißraum ein eine Elektrode bildender Schweißdraht zugeführt wird, der an einen Pol einer Spannungsquelle und deren anderer Pol an die Schienenabschnitte angelegt werden, wobei sich beim Schweißen in dem jeweiligen Schweißraum ein Schweißbad ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass als Schienenabschnitt ein solcher aus niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,60 Gew.-% bis 0,90 Gew.-% verwendet wird und dass die Schienenabschnitte in ihren Kopf- und Fußbereichen mittels Metall-Schutzgasschweißens verbunden werden, bei dem sowohl der sich ausbildende Lichtbogen zwischen dem...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gleisoberteils umfassend einen ersten und einen zweiten jeweils einen Schienenkopf und Schienenfuß aufweisenden Schienenabschnitt, wobei die Schienenabschnitte mit ihren Schienenköpfen und -füßen zueinander ausgerichtet in vertikaler oder nahezu vertikaler Position angeordnet und sodann sowohl in ihren Kopf- als auch ihren Fußbereichen miteinander verschweißt werden und wobei außenseitig entlang der Kopf- und Fußbereiche Schweißbadsicherungen verschiebbar angeordnet werden und in jeweiligen zwischen Schweißbadsicherung und den Kopf- bzw. Fußbereichen gebildeten Schweißraum ein eine Elektrode bildender Schweißdraht zugeführt wird, der an einen Pol einer Spannungsquelle und deren anderer Pol an die Schienenabschnitte angelegt werden, wobei sich beim Schweißen in dem jeweiligen Schweißraum ein Schweißbad ausbildet. Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf ein Gleisoberbauteil in Form einer Herzstückspitze mit einer Kompaktspitze sowie mit dieser verbundene Anschweißschienen, die über Längsschweißnähte in ihren Kopf- und Fußbereichen verbunden sind.
Schienen können zum Beispiel durch Elektronenstrahlschweißen oder Thermitschmelzschweißen, durch Abbrennstumpfschweißen oder Thermitpressschweißen miteinander verbunden werden. Entsprechende Schweißverfahren sind häufig sehr aufwendig und damit kostenträchtig. Auch können unerwünschte Gefügeänderungen auftreten, durch die die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Insbesondere in Hochgeschwindigkeitsstrecken des Gleisoberbaus ist jedoch darauf zu achten, dass die Gefüge im bereich von Schweißnähten Materialeigenschaften im vorgegebenen Toleranzbereich aufweisen.
Beim Schweißen selbst können die zu verbindenden Gleisteile von einer mehrteiligen Formbacke aufgenommen werden, die gegebenenfalls Einlagen aus keramischem Material aufweisen ( DE-B-1 145 654 , DE-A-38 32 156 , DE-U-77 06 807 , DE-U-93 05 182 ).
Um mit konstruktiv einfachen Maßnahmen ein wirtschaftliches Verschweißen von Schienenabschnitten, insbesondere Herzstückbaugruppen bzw. -teilen bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung zu ermöglichen, sieht die WO-A-98/42473 vor, dass Schienenabschnitte in ihren Schienenkopf- und -fußbereichen durch Elektroschlacke-Schweißen miteinander verbunden werden. Hierzu werden die Schienenabschnitte in Bezug auf ihre Längsachse vertikal oder im Wesentlichen vertikal und Schienenfüße und Schienenköpfe beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen den Schienenköpfen und -füßen vorhandene Stegkammerraum mit Füllstoff ausgefüllt wird und außenseitig entlang der Schienenköpfe und der Schienenfüße Kühlplatten verschiebbar angeordnet werden. Zwischen Füllmaterial und den Kühlplatten werden jeweils zumindest eine Elektrode wie Draht- oder Bandelektrode eingebracht, die aufgeschmolzen werden.
Das Elektroschlacke-Schweißen findet jedoch dort seine Grenzen, wo niedrig legierte Schienenstähle mit hohem Kohlenstoffgehalt verschweißt werden sollen. Aufgrund der hohen Wärmeeinbringung beim Elektroschlacke-Schweißen würde der entsprechende Werkstoff beschädigt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein materialunabhängiges wirtschaftliches Verschweißen von Schienenabschnitten zu ermöglichen, ohne dass eine negative Beeinflussung der gewünschten Materialeigenschaften erfolgt.
Verfahrensmäßig sieht die Erfindung zur Lösung des Problems im Wesentlichen vor, dass als Schienenabschnitt ein solcher aus niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 Gew.-% bis 0,9 Gew.-% verwendet wird und dass die Schienenabschnitte in ihren Kopf- und Fußbereichen mittels Metall-Schutzgasschweißens verbunden werden, bei dem sowohl der sich ausbildende Lichtbogen zwischen dem Schweißdraht und Schweißbereich des Schienenabschnitts als auch das Schweißbad durch ein Schutzgas gegenüber der Atmosphäre geschützt werden.
Erfindungsgemäß werden niedrig legierte Stähle mit einem hohen Kohlenstoffgehalt mittels Metall-Schutzgasschweißens verbunden, so dass ein Schweißen bei geringerer Wärmeeinbringung als beim Elektroschlackeschweißen erfolgt. Somit können problemlos die geforderten mechanischen Eigenschaften im Schweißnahtbereich erreicht werden, ohne dass eine Gefügebeeinflussung der Schienenabschnitte und eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften erfolgt. Aufgrund des geringeren Wärmeeintrags ist die Gefahr eines Verzuges nicht gegeben.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können die mechanisch technologischen Eigenschaften des herzustellenden Gleisoberbauteils eingehalten und eine Überhitzung der Randschichten der Schienenabschnitte im Nahtbereich vermieden werden, so dass eine Schädigung des Werkstoffes unterbleibt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Schutzgas in den Schweißraum oberhalb des Schweißbades und des Lichtbogens über zumindest eine in der Schweißbadsicherung verlaufende Öffnung zugeführt wird.
Werden Schienenabschnitte in Form von Stegschienen miteinander verschweißt, so ist vorgesehen, dass in zwischen den Stegen der Schienenabschnitte vorhandenen Raum eine diesen zumindest in den Kopf- und Fußbereichen ausfüllende weitere Schweißbadsicherung eingebracht wird.
Der Schweißdraht selbst wird über eine Lanze dem Schweißraum zugeführt, wobei die Lanze einerseits zur Stromkontaktierung der Elektrode, also des Schweißdrahts und ande rerseits mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Dabei wird die Drahtelektrode positiv gepolt.
Erwähntermaßen strömt Schutzgas in den von der Schweißbadsicherung begrenzten Schweißraum aus zumindest einer, vorzugsweise mehrerer Bohrungen im oberen Teil der als Gleitschuh ausgebildeten Schweißbadsicherung.
Als Schutzgas wird vorrangig ein Gasgemisch aus Argon und CO₂ benutzt, wobei der Anteil des Edelgases in etwa 60% beträgt. Die Gasdurchflussmenge sollte 20 bis 30 l/min, insbesondere im Bereich von 25 l/min liegen, um optimale Schweißbedingungen zu erreichen.
Der zum Schweißen erforderliche Lichtbogen wird am Nahtanfang durch Kurzschluss gezündet und erwärmt die Schweißstelle, so dass abgeschmolzener von der Drahtelektrode stammender Zusatzwerkstoff und aufgeschmolzener Grundwerkstoff ein Metallbad, also ein Schweiß- oder Schmelzbad bilden. Entsprechend der Steiggeschwindigkeit des Metallbades, die gleichbedeutend mit der Schweißgeschwindigkeit ist, bewegen sich die auch als Schweißrüssel zu bezeichnende Lanze und die insbesondere in Form eines Kupfergleitschuhs ausgebildete Schweißbadsicherung vom Boden zur Spitze hin. Um Bindefehler zu Beginn des Schweißprozesses zu vermeiden, wird der Prozess auf einem Anlaufstück gestartet. Aufgrund der am Nahtende entstehenden Lunker ist ein Auflaufstück am Nahtende vorgesehen.
Das Schweißen selbst wird insbesondere bei einer Schweißspannung U mit 28 V ≤ U ≤ 37 V und/oder bei einer Stromstärke I mit 400 A ≤ I ≤ 650 A durchgeführt, wobei die Kopfbereiche bei einer höheren Schweißspannung als die Fußbereiche verschweißt werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kopfbereiche bei einer Schweißspannung U_K mit 32 V ≤ U_K ≤ 38 V und/oder dass die Fußbereiche bei einer Schweißspannung U_F mit 28 V ≤ U_F ≤ 33 V verschweißt werden. Bevorzugte Werte belaufen sich auf 35 V ≤ U_K ≤ 37 V bzw. 30 V ≤ U_F ≤ 31 V.
Die Kopfbereiche werden bevorzugterweise bei einer Stromstärke I_K mit 450 A ≤ I_K ≤ 650 A und/oder die Fußbereiche bei einer Stromstärke I_F mit 420 A ≤ I_F ≤ 500 A verschweißt. Insbesondere sollte gelten 500 A ≤ I_K ≤ 600 A bzw. 450 A ≤ I_F ≤ 480 A.
Unabhängig hiervon sollten die Kopfbereiche und/oder die Fußbereiche mit einer Schweißgeschwindigkeit v_s mit 4,5 m/h ≤ v_s ≤ 11,0 m/h, insbesondere 4,5 m/h ≤ v_s ≤ 9,0 m/h, vorzugsweise 6 m/h ≤ v_s ≤ 7 m/h verschweißt werden.
Der Schweißdraht kann mit einer Geschwindigkeit v_d mit 5 m/min ≤ v_d ≤ 10 m/min dem Schweißbereich zugeführt werden, wobei der Schweißdraht den zu verschweißenden Kopfbereichen mit einer Geschwindigkeit v_d mit 7 m/min ≤ v_d ≤ 10 m/min bzw. den zu verschweißenden Fußbereichen mit einer Geschwindigkeit v_d mit 5 m/min ≤ v_d ≤ 7 m/min zugeführt werden sollte.
Bei dem Schweißdraht handelt es sich vorzugsweise um einen Kompaktschweißdraht oder einen Fülldraht mit einem Durchmesser d mit 1,5 mm ≤ d ≤ 5 mm, insbesondere 1,8 mm ≤ d ≤ 4 mm, vorzugsweise 3,0 mm ≤ d ≤ 3,4 mm.
Die Drahtelektrode sollte insbesondere eine basische Fülldrahtelektrode sein.
Bevorzugterweise wird ein Schweißdraht mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,07, ein Mangangehalt von etwa 1,5%, ein Siliziumgehalt von etwa 0,3%, ein Phosphorgehalt < 0,025%, ein Molybdängehalt von etwa 0,4% und ein Schwefelgehalt < 0,020% verwendet. Entsprechende Schweißdrähte sind unter der Bezeichnung TOPCORE erhältlich.
Um die Schweißergebnisse zu optimieren, sollte eine Temperatursteuerung während des Schweißens erfolgen, um Härte, Festigkeit und Überdehnung des Schienenwerkstoffs beim später zu befahrenden Bereich nicht negativ zu beeinflussen. Daher sieht die Erfindung insbesondere vor, dass die zu verschweißenden Schienen auf eine Temperatur zwischen 300°C und 400°C vorgewärmt werden, um sodann bei einer Temperatur im später zu befahrenen Bereich auf maximal 450°C beim Schweißen zu halten. Nach dem Schweißen sollte ein gesteuertes Abkühlen zum Erhalt des Ausgangsgefüges im zu befahrenen Bereich erfolgen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können Schweißnahtdicken zwischen 10 mm und 40 mm in einer Lage geschweißt werden. Bei weitergehender Optimierung kann die Nahtdicke sogar erhöht werden. Losgelöst hiervon ist vorgesehen, dass die Schweißnaht-dicke, d. h. die Erstreckung senkrecht zu der vom Fuß bzw. vom Kopf aufgespannten Ebene im Kopfbereich größer als im Fußbereich sein kann. Im Kopfbereich sollten z. B. Dicken d_K von 30 mm und im Fußbereich Dicken d_F von etwa 20 mm erzeugt werden.
Um eine ausreichende Nahttiefe (Dicke) zu erzielen, sollte die Lanze pendelnd angeordnet werden, wobei die Pendelrichtung der Drahtelektrode in Nahttiefenrichtung erfolgt.
Die Schweißbadsicherung und die Schweißlanze gehen von einem Schweißportal aus, das gesteuert entlang der zu verschweißenden Schienen verfahren wird. Dabei ist für den Kopfbereich und für den Fußbereich ein gesondertes Schweißportal vorgesehen, die jedoch miteinander verbunden sein können. Das Verstellen, also das Verfahren des Schweißportals wird in Abhängigkeit von dem Lichtbogen durchgeführt. Hierzu wird ein Sensor auf den hellsten Punkt des Lichtbogens ausgerichtet.
Um eine einwandfreie Nahtausbildung zu erzielen, sollte eine Nahtvorbereitung erfolgen. Hierzu werden die Bereiche, in denen die Schweißnähte ausgebildet werden sollen, derart bearbeitet, dass sich plane Flächen ergeben, die den Schweißraum begrenzen. Dabei sollte aufgrund der Nahtvorbereitung der mit der Schweißnaht auszufüllende Bereich im Schnitt eine V-Geometrie aufweisen, wobei im Fußbereich ein Öffnungswinkel α im Bereich von 60° und im Kopfbereich ein Öffnungswinkel β im Bereich von 45° als bevorzugte Werte anzugeben sind.
Hierdurch bedingt ergeben sich nach dem Verschweißen V-Nähte mit entsprechenden Winkeln. Insbesondere sollten d_K in etwa 30 mm bzw. d_F in etwa 20 mm betragen.
Unabhängig hiervon sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Nahtvorbereitung derart erfolgt, dass bei aneinander liegenden Schienen maximaler Abstand im Kopfbereich und im Fußbereich gleich sind, wobei vorzugsweise ein Abstand L_K, L_F mit 15 mm ≤ L_K, L_F ≤ 25 mm, vorzugsweise L_K, L_F in etwa 20 mm zu nennen sind.
Unabhängig hiervon sollten die Kopf- und/oder Fußbereiche beim Schweißen zumindest linienförmig in Kontakt stehen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Herzstück,
2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1 und
3 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum Verschweißen von Schienenabschnitten.
In 1 ist rein prinzipiell eine Draufsicht auf ein Herzstück 10 dargestellt, das aus einer starren Herzstückspitze 12 und Anschweißschienen 14, 16 besteht, die in Längsrichtung durch Metallschutzgasschweißen, auch als Metall-Lichtbogenschweißen bezeichnet, verschweißt sind. Metall-Schutzgasschweißen bringt zum Ausdruck, dass der zwischen der Elektrode und dem Schweißpunkt verlaufende Lichtbogen und das Schmelzbad gegenüber der Atmosphäre durch einen Mantel aus Schutzgas geschützt werden, das von einer äußeren Quelle zugeführt wird.
Die kopfseitige Längsschweißnaht ist in 1 mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Typische Längen entsprechender Längsschweißnähte belaufen sich zwischen 300 mm und 1500 mm.
Die Herzstückspitze 12 ist mit den Stirnflächen der durch eine Längsnaht verschweißten Anschweißschienen 14 und 16 durch Abbrennstumpfschweißung verbunden.
Bei den Anschweißschienen 14, 16 handelt es sich um solche aus einem Schienenstahl insbesondere des Werkstoffs 350 HT einer Analyse mit C = 0,72 bis 0,80 Gew.-%, P_max = 0,020 Gew.-%, Al_max = 0,004 Gew.-%, Si = 0,15 bis 0,58 Gew.-%, S = 0,008 bis 0,025 Gew.-%, V_max = 0,030 Gew.-%, Cr ≤ 0,15 Gew.-%, N_max = 0,009 Gew.-% und Mn = 0,7 bis 1,2 Gew.-%. Insbesondere sollte jedoch der Kohlenstoffgehalt im oberen Bereich liegen.
Jede Anschweißschiene 14, 16 besteht aus einem Schienenkopf 18, 20 und einem Schienenfuß 22, 24, die über Stege 26, 28 miteinander verbunden sind.
Um die Anschweißschienen 14, 16 über ihre Köpfe 18, 20 und ihre Füße 22, 24 zu verschweißen, werden die schweißnahtseitigen Flanken der Schienenköpfe 18, 20 vorbereitet. Hierzu werden die entsprechenden Flanken plan ausgebildet (Flächen 30, 32). Entsprechend werden die Schienenfüße 22, 24 bearbeitet, um gleichfalls schweißnahtseitig plane Flächen 34, 36 zu erzielen.
Die Vorbereitung erfolgt dabei dergestalt, dass die einander zugewandten Flächen 30, 32 bzw. 34, 36 einen im Schnitt V-förmigen Raum begrenzen, wobei die Flächen 30, 32 einen Winkel α und die Flächen 34, 36 einen Winkel β einschließen. Insbesondere ist 40° ≤ α ≤ 50°, vorzugsweise α in etwa 45°, und/oder 55° ≤ β ≤ 60°, vorzugsweise β in etwa 60°.
Zum Schweißen werden die Anschweißschienen 14, 16 vertikal ausgerichtet und im Kopf- und Fußbereich miteinander in Berührung gebracht. Dabei ist die Schweißnahtvorbereitung derart zu wählen, dass der maximale Abstand L_K im Kopfbereich bzw. L_F im Fußbereich beläuft sich auf 15 mm ≤ L_K ≤ 25 mm, vorzugsweise L_K in etwa 20 mm, und/oder 15 mm ≤ L_F ≤ 25 mm, vorzugsweise L_F in etwa 20 mm. Die Tiefe d des von den Flächen 30, 32 bzw. 34, 36 begrenzten V-förmigen und nach dem Schweißen die Schweißnaht begrenzenden Raums beläuft sich in Bezug auf den Kopfbereich in etwa 25 mm ≤ d_K ≤ 30 mm, vorzugsweise d_K in etwa 30 mm, und/oder 15 mm ≤ d_F ≤ 25 mm, vorzugsweise d_F in etwa 20 mm.
Entsprechend vorbereitete Anschlussschienen werden erwähntermaßen anschließend vertikal zueinander ausgerichtet und in Berührung gebracht. Entlang der Schienenköpfe 18, 20 und entlang der Außenflächen der Schienenfüße 22, 24 werden sodann Schweißbadsicherungen in Form von vorzugsweise Kupferplatten 38, 40 angeordnet, die verschiebbar entlang der Anschweißschienen 14, 16 angeordnet sind, wobei die Bewegungsrichtung durch die Pfeile 42, 44 gekennzeichnet ist.
Mit anderen Worten, es wird vom unteren Bereich der vertikal zueinander ausgerichteten Anschweißschienen 14, 16 bis im Kopfbereich gearbeitet. Dabei ist vorgesehen, dass im Bodenbereich ein Anlaufstück und im Kopfbereich ein Auslaufstück ausgebildet werden, die vor dem Verbinden mit der Herzstückspitze bzw. mit den Anschlussschienen abgeschnitten werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass Bindefehler und Lunker im fertigen Herzstück nicht vorliegen.
Der zwischen den Kupferplatten 38 und 40 und den Begrenzungen 30, 32 bzw. 34, 36 der Schienenköpfe 18, 20 bzw. Schienenfüße 22, 24 begrenzte Raum wird als Schweißraum, in den über Lanzen bzw. Schweißrüssel 46, 48 Drahtelektroden bildende Schweißdrähte 50, 52 eingeführt werden. Dabei dienen die Lanzen 46, 48 zur Stromkontaktierung der Schweißdrähte 50 und 52, wobei die Lanzen 46, 48 mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden sind. Die Schienenabschnitte 16, 18 bilden demgegenüber den Minuspol bzw. die Masse.
Ferner weisen die erwähntermaßen als Kupferplatten ausgebildeten Schweißbadsicherungen 38, 40 im oberen Bereich Öffnungen auf, über die ein Schutzgas in den Schweißraum eingeführt wird. Als Schutzgas wird insbesondere ein Gemisch aus in etwa 60% Argon und 40% CO₂ verwendet. Hierbei handelt es sich um eine beim Elektrogas-Schweißen bewährte Schutzgaszusammensetzung.
Die Kupferplatten selbst werden gekühlt. Hierzu können von Kühlwasser durchströmte Kanäle vorgesehen sein.
Vor der Durchführung des Schweißprozesses werden die Schienen 14, 16 vorgewärmt, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300°C und 400°C. Während des Schweißens werden die Schienen 14, 16 in einem Temperaturbereich zwischen 420°C und 480°C, bevorzugter Weise bei 450°C gehalten.
In dem von den Schweißbadsicherungen 38, 40 begrenzten Schweißraum bildet sich ein Metallbad aus, und zwar nach Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Schweißdraht 50, 52 und dem Kopf- bzw. Schienenfußbereich. Hierdurch erwärmt sich die Schweißstelle, so dass abgeschmolzene Zusatzwerkstoffe in Form des Schweißdrahtmaterials und aufgeschmolzener Grundwerkstoff der Schienen das Metall- oder Schweißbad bilden. Der Bereich oberhalb des Lichtbogens und des sich ausbildenden Metall- oder Schweißbads wird sodann gegenüber der Atmosphäre durch das Schutzgas geschützt. Das entsprechende Schutzgas wird über Öffnungen in den Schweißbadsicherungen zugeführt.
Entsprechend der Steiggeschwindigkeit des Metallbades, die gleichbedeutend mit der Schweißgeschwindigkeit ist, bewegen sich die Lanzen 46, 48 und Schweißbadsicherungen 38, 40, also vorzugsweise Kupfergleitschuhe an den Schienenköpfen 18, 20 und den Schienenfüßen 22, 24 nach oben.
Um sicherzustellen, dass das Schweißbad nicht in den Bereich zwischen den Schienenköpfen 18, 20 und Schienenfüßen 22, 24, also den Stegzwischenraum fließt, ist in den von den Stegen 26, 28 und Innenseiten der Schienenköpfe 18, 20 und Schienenfüße 22, 24 begrenzten Raum, der in 2 mit dem Bezugszeichen 54 gekennzeichnet ist, eine weitere Schweißbadsicherung angeordnet.
Die Schweißbadsicherung 38, 40 sowie die Lanzen 46, 48 mit den Drahtwickeln, von denen die Schweißdrähte 40, 52 abgezogen werden, sind auf einem Schweißportal 56, 58 angeordnet, das entlang der Schienen 14, 16 in Richtung des Doppelpfeils 60, 62 verstellbar ist, wobei erwähntermaßen vom Bodenbereich der Schienenabschnitte 14, 16 beginnend vertikal nach oben verschweißt wird. Dabei erfolgt ein selbstregelndes Verstellen der Schweißportale 56, 58 dadurch, dass ein Sensor auf den Lichtbogen, und zwar dem hellsten Punkt dieses ausgerichtet wird, so dass hierdurch ein Nachstellen erfolgt. Mit anderen Worten wird die Helligkeit des Lichtbogens mittels eines optischen Sensors wie Fotozelle erfasst, die mit einer Hubsteuerung verbunden ist. Über die Hubsteuerung wird der Schweißvorschub der Schweißanlage in Abhängigkeit von der sich ändernden Helligkeit des Lichtbogens verändert.
Die Schweißgeschwindigkeit vom Kopf- als auch vom Fußbereich ist gleich, wobei bevorzugte Werte zwischen 6 m/h und 8 m/h anzugeben sind. Im Kopfbereich beläuft sich die Zuführgeschwindigkeit des Schweißdrahtes 50 im Bereich zwischen 8 m/min und 9 m/min und im Fußbereich zwischen 6 m/min und 6,5 m/min. Die Stromstärke im Kopfbereich sollte zwischen 500 und 600 A und im Fußbereich 450 und 500 A liegen. Die Spannung im Kopfbereich beläuft sich zwischen 34 V und 35 V, wohingegen im Fußbereich ein bevorzugter Wert zwischen 30 V und 31 V liegt.
Als Draht kommt insbesondere ein Kompaktschweißdraht oder ein Fülldraht mit einem Drahtdurchmesser im Bereich zwischen 1,8 mm und 4 mm in Frage.
Um die erforderliche Nahtdicke zu erzielen, ist vorgesehen, dass insbesondere im Kopfbereich, gegebenenfalls aber auch im Fußbereich die Lanze 46, 48 und damit der Schweiß draht 50, 42 pendelnd in Richtung der Nahttiefe bewegt wird, also gemäß der Darstellung in 2 in Richtung des Bodens 64, 66 des Schweißraumes, der durch die Kontaktbereiche zwischen den Schienenköpfen 18, 20 und den Schienenfüßen 22, 24 gebildet wird.
Spannung, Stromstärke, Schweißgeschwindigkeit und Drahtzuführung werden dabei derart aufeinander abgestimmt, dass Temperatur des Schienenkopfes 18, 20 bzw. des Schienenfußes 22, 24 nicht 500°C annimmt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften im Schweißnahtbereich erzielt werden, ohne dass eine Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften im Schienenkopf 18, 20 bzw. Schienenfuß 22, 24 auftritt. Gleichzeitig wird eine Durchschweißung des Schienenkopfes 18, 20 bzw. des Schienenfußes 22, 24 vermieden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gleisoberteils umfassend einen ersten und einen zweiten jeweils einen Schienenkopf und Schienenfuß aufweisenden Schienenabschnitt, wobei die Schienenabschnitte mit ihren Schienenköpfen und -füßen zueinander ausgerichtet in vertikaler oder nahezu vertikaler Position angeordnet und sodann sowohl in ihren Kopf- als auch ihren Fußbereichen miteinander verschweißt werden und wobei außenseitig entlang der Kopf- und Fußbereiche Schweißbadsicherungen verschiebbar angeordnet werden und in jeweiligen zwischen Schweißbadsicherung und den Kopf- bzw. Fußbereichen gebildeten Schweißraum ein eine Elektrode bildender Schweißdraht zugeführt wird, der an einen Pol einer Spannungsquelle und deren anderer Pol an die Schienenabschnitte angelegt werden, wobei sich beim Schweißen in dem jeweiligen Schweißraum ein Schweißbad ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass als Schienenabschnitt ein solcher aus niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,60 Gew.-% bis 0,90 Gew.-% verwendet wird und dass die Schienenabschnitte in ihren Kopf- und Fußbereichen mittels Metall-Schutzgasschweißens verbunden werden, bei dem sowohl der sich ausbildende Lichtbogen zwischen dem Schweißdraht und Schweißbereich des Schienenabschnitts als auch das Schweißbad durch ein Schutzgas gegenüber der Atmosphäre geschützt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas in den Schweißraum oberhalb des Schweißbades über zumindest eine in der Schweißbadsicherung verlaufende Öffnung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schienenabschnitten, bei denen der Schienenkopf mit dem Schienenfuß über einen Steg verbunden ist, in den zwischen den Stegen der Schienenabschnitte vorhandenen Raum eine diesen zumindest in den Kopf- und Fußbereichen ausfüllende weitere Schweißbadsicherung eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht über eine Lanze dem Schweißraum zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen bei einer Schweißspannung U mit 28 V ≤ U ≤ 37 V und/oder bei einer Stromstärke I mit 400 A ≤ I ≤ 650 A durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbereiche bei einer höheren Schweißspannung als die Fußbereiche verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbereiche bei einer Schweißspannung U_K mit 32 V ≤ U_K ≤ 37 V verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußbereiche bei einer Schweißspannung U_F mit 29 V ≤ U_F ≤ 32 V verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbereiche bei einer Stromstärke I_K mit 450 A ≤ I_K ≤ 650 A verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußbereiche bei einer Stromstärke I_F mit 430 A ≤ I_F ≤ 500 A verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbereiche und die Fußbereiche bei synchroner Bewegung des jeweiligen Schweißbades verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbereiche und/oder die Fußbereiche mit einer Schweißgeschwindigkeit v_s mit 4,5 m/h ≤ v_s ≤ 11,0 m/h, insbesondere 4,5 m/h ≤ v_s ≤ 9,0 m/h, vorzugsweise 6 m/h ≤ v_s ≤ 7 m/h verschweißt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht mit einer Geschwindigkeit v_d mit 5 m/min ≤ v_d ≤ 10 m/min dem Schweißbereich zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht den zu verschweißenden Kopfbereichen mit einer Geschwindigkeit v_d mit 7 m/min ≤ v_d ≤ 10 m/min zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht den in den Fußbereichen mit einer Geschwindigkeit v_d mit 5 m/min ≤ v_d ≤ 7 m/min zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißdraht ein Kompaktschweißdraht oder ein Fülldraht mit einem Durchmesser d mit 1,5 mm ≤ d ≤ 5 mm, insbesondere 1,8 mm ≤ d ≤ 4 mm, vorzugsweise 3,0 mm ≤ d ≤ 3,4 mm verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenabschnitte vor dem Verschweißen auf eine Temperatur T_v mit 300°C ≤ T_v ≤ 400°C erwärmt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schienenabschnitte während des Verschweißens auf eine Temperatur T_s mit 420°C ≤ T_s ≤ 480°C, insbesondere T_s in etwa 450°C gehalten werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht während des Schweißens pendelnd in Nahttiefenrichtung bewegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schienenabschnitte Anschweißschienen verwendet werden, die mit einer Kompaktspitze zur Bildung eines Herzstücks verbunden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu verschweißende Bereiche von Schienenkopf bzw. Schienenfuß derart vorbereitet werden, dass einander zugewandte Flächen einen im Schnitt V-förmigen Raum begrenzen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich die einander zugewandten die Schweißnaht begrenzenden Flächen einen Winkel α mit 40° ≤ α ≤ 50°, insbesondere α in etwa 45° einschließen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fußbereich die einander zugewandten die Schweißnaht begrenzenden Flächen einen Winkel β mit 50° ≤ β ≤ 70°, insbesondere β in etwa 60° einschließen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass maximaler Abstand der einander zugewandten Flächen im Kopfbereich sich beläuft auf 15 mm ≤ L_K ≤ 25 mm, insbesondere L_K in etwa 20 mm.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass maximaler Abstand der einander zugewandten Flächen im Fußbereich sich beläuft auf 15 mm ≤ L_F ≤ 25 mm, insbesondere L_F in etwa 20 mm.