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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Schienenprofils oder zum Verbindungsschweißen von Schienen gemäß Patentanspruch 1.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen werden beim Befahren mit Schienenfahrzeugen in der Regel stark beansprucht und unterliegen daher einem relativ hohen Verschleiß. Typische Verschleißerscheinungen sind z. B. Ausfahrungen auf der Lauffläche oder an Seitenflächen der Schiene. Im Folgenden werden verschiedene Verschleißerscheinungen und die nachfolgende Rekonstruktion des Schienenprofils, wie sie im Stand der Technik durchgeführt wird, anhand der 1 bis 4 am Beispiel einer Straßenbahnschiene kurz erläutert.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer typischen Straßenbahnschiene 1 für einen eingedeckten Bereich, die dazu vorgesehen ist, in eine Fahrbahn oder einen Fußgängerbereich flächenbündig zur Oberfläche eingesetzt zu werden. Die Schiene 1 umfasst einen Fahrkopf 3 mit einer Lauffläche 7, auf der die Räder eines Schienenfahrzeugs abrollen. An den Fahrkopf 3 angrenzend ist außerdem eine Rille 6 vorgesehen, in der der Spurkranz der Räder des Schienenfahrzeugs geführt wird. Außen angrenzend befindet sich dann der sogenannte Radlenker 5. Der Übergangsbereich zwischen der Lauffläche 7 und der Rille 6 wird als Fahrkante 4 bezeichnet.
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An der Unterseite des Fahrkopfes 3 ist ein schmaler, stegartiger Übergangsbereich 9 gebildet, der in einen Schienenfuß 2 mündet. Wie eingangs erwähnt wurde, unterliegen derartige Schienen 1 einem erheblichen Verschleiß. Typische Verschleißerscheinungen sind beispielhaft in 2 dargestellt.
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Wie in 2 zu erkennen ist, zeigt die Schiene 1 eine Ausfahrung 10 in der Lauffläche 7, die durch das Abrollen der Räder von Schienenfahrzeugen entstanden ist. Außerdem zeigt die Schiene 1 seitliche Verschleißerscheinungen 11, 12 an der Fahrkante 4 sowie am Radlenker 5, wie sie insbesondere an Kurvenstrecken auftreten. Darüber hinaus kann auch der Rillenboden der Rille 6 abgenutzt sein, wie schematisch dargestellt ist.
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Um das ursprüngliche Schienenprofil zu rekonstruieren, werden im Stand der Technik mittels eines Schweißverfahrens (so genanntes Auftragsschweißen) mehrere Lagen von metallischem Material auf den verschlissenen Bereich 10 - 12 aufgebracht.
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3 zeigt einen Zustand, in dem bereits mehrere übereinander liegende Lagen 8a - 8x metallischen Materials 14 auf die verschlissenen Bereiche 10 - 12 der Schiene 1 aufgebracht wurden. Jede der Lagen 8a - 8x kann beispielsweise 1 mm bis 5 mm dick sein. Die oberste Lage ist dabei eine sogenannte Decklage 20, die sich dadurch auszeichnet, dass sie über ein gewünschtes Soll-Profil 13 der Schiene, welches rekonstruiert werden soll (in der Regel entspricht dieses etwa dem ursprünglichen Profil im Neuzustand), nach außen übersteht und deren Materialhärte den Vorgaben angepasst werden kann. Nach dem Auftragen der Decklage 20 wird die Oberfläche der Schiene 1 dann so weit abgeschliffen, bis das gewünschte Soll-Profil 13 erreicht ist.
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Der finale Zustand ist in 4 dargestellt. Wie zu erkennen ist, hat der Fahrkopf 3 in 4 wieder sein ursprüngliches Profil. Die ausgefahrenen bzw. verschlissenen Bereiche 10 - 12 sind mit dem metallischem Material 14 aufgefüllt.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Rekonstruieren des Profils einer Schiene 1 hat den Nachteil, dass nach dem Auftragsschweißen, wenn die Schiene 1 abkühlt, im aufgetragenen Material 14 ein relativ hoher Anteil an Martensit entsteht. Martensit ist im Vergleich zu Schienenstahl sehr hart und spröde, wodurch es zu einer Rissbildung an den geschweißten Bereichen kommen kann. Außerdem verschlechtert sich die Materialgüte und die Schiene wird schneller abgenutzt. Um die Ausbildung von Martensit zu verringern, ist es bekannt, die Schiene im Schweißbereich vorzuwärmen. Dadurch wird ein Wärmestau erzeugt, der dazu führt, dass das aufgetragene Material langsamer abkühlt und sich somit die Martensitbildung verringert. Dies geschieht im offenen Oberbau bei Vorwärmtemperaturen von üblicherweise 300°C bis 400°C. Eine Rillenschiene im eingedeckten Bereich kann aber nur bis maximal 160°C vorgewärmt werden, da es bei höheren Temperaturen zu Beschädigungen von Bauteilen und Konstruktionselementen im umliegenden Bereich kommen kann. Wegen der niedrigen Vorwärmtemperaturen kommt es daher insbesondere im eingedeckten Bereich weiterhin zu einer Martensitbildung im aufgetragenen Material. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen zu schaffen, mit dem die Materialgüte der rekonstruierten Schiene mit vergleichsweise geringem Aufwand deutlich verbessert werden kann, bei einer deutlich niedrigeren Vorwärmtemperatur.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen, insbesondere Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen, vorgeschlagen, das wenigstens die folgenden Schritte umfasst: das Auftragen mehrerer übereinander liegender Lagen metallischen Materials auf einen verschlissenen Bereich der Schiene, bis hin zum Auftragen einer Decklage mit definierter Soll-Härte, die über ein gewünschtes Sollprofil der Schiene, welches rekonstruiert werden soll, nach außen übersteht; das Auftragen wenigstens einer weiteren Lage, welche im Folgenden auch als Opferlage bezeichnet wird, aus einem metallischen Material auf die Decklage, und das vollständige Abtragen der Opferlage und eines Teils der Decklage bis zum Erreichen des Sollprofils.
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Durch das Auftragen der so genannten Opferlage auf die Decklage wird erreicht, dass die Opferlage die darunter liegenden Lagen erwärmt, wodurch es zu einem Anlassprozess kommt, der den Martensitanteil in den darunter liegenden Lagen verringert. Dadurch kann die Materialgüte der rekonstruierten Schiene mit einem relativ geringen Aufwand deutlich verbessert werden. In einer erfindungsgemäß rekonstruierten Schiene kommt es dadurch zu weniger Rissbildungen und die Schiene hat längere Standzeiten. Das gleiche Verfahren kann auch beim Verbinden zweier Schienenstücke eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zu rekonstruierende Abschnitt der Schiene vor dem Auftragen der einzelnen Lagen auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur aufgewärmt. Das Vorwärmen kann beispielsweise mit einem Gasbrenner oder einem elektrischen Heizgerät durchgeführt werden. Die Vorwärmtemperatur beträgt vorzugsweise weniger als 100°C und insbesondere weniger als 80°C. Sie kann beispielsweise bei etwa 50°C liegen. Die Vorwärmtemperatur ist dabei eine Temperatur, die direkt auf der Schweißung oder in unmittelbarer Nähe davon gemessen wird. Durch die niedrige Vorwärmtemperatur wird die während des Schweißprozesses herrschende Maximaltemperatur um bis zu 50°C abgesenkt. Eine Schädigung von umliegenden Konstruktionselementen kann dadurch weitestgehend verhindert werden.
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Die auf die Decklage aufgetragene Opferlage hat vorzugsweise eine Dicke von wenigstens 1 mm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Opferlage zwischen 1 und 5 mm.
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Die Decklage kann prinzipiell aus demselben metallischen Material wie die darunter liegenden Lagen, oder alternativ auch aus einem anderen Material bestehen. Das Material der darunterliegenden Lagen ist vorzugsweise ein schweißbarer Stahl. Die Regelhärte liegt beispielsweise im Bereich 200 HV - 300 HV (Vickershärte). Das Material der Decklage ist vorzugsweise ebenfalls ein schweißbarer Stahl, die Härte kann je nach Legierungsbestandteilen im Bereich 200 HV - 500 HV gewählt werden.
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Die auf die Decklage aufgebrachte Opferlage kann ebenfalls aus demselben oder einem anderen Material bestehen wie die darunterliegenden Lagen. Das Material der Opferlage ist vorzugsweise ein schweißbarer Stahl, im einfachsten Fall mit normaler Regelhärte von 200 HV - 300 HV.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Profil einer beispielhaften Straßenbahnschiene im Neuzustand;
- 2 die Schiene von 1 in einem abgenutzten Zustand;
- 3 die Schiene von 1 in einem gemäß dem Stand der Technik teilweise rekonstruierten Zustand;
- 4 die Schiene von 3 im gemäß dem Stand der Technik vollständig rekonstruierten Zustand;
- 5 die Schiene von 1 in einem gemäß der Erfindung teilweise rekonstruierten Zustand, in dem eine zusätzliche Opferlage auf die Decklage aufgetragen worden ist; und
- 6 die Schiene von 5 im vollständig rekonstruierten Zustand.
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Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Die in 2 dargestellte Schiene 1 zeigt mehrere verschlissene Bereiche 10, 11, 12, die im Laufe der Zeit durch Abnutzung entstanden sind. Um das ursprüngliche Profil 13 der Schiene 1 zu rekonstruieren, kann beispielsweise folgendes Verfahren durchgeführt werden:
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In einem ersten Schritt werden vorzugsweise altes Schweißgut und andere Rückstände wie Rost, Schmiermaterial und Dreck durch Abschleifen der Schiene 1 entfernt. Zudem wird dadurch ein gleichmäßig geformter Schweißbereich hergestellt.
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Danach wird der zu rekonstruierende Bereich der Schiene 1 vorzugsweise auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur gebracht. Dies kann beispielsweise mittels eines Gasbrenners oder eines elektrischen Heizgeräts durchgeführt werden. Die Vorwärmtemperatur im Schweißbereich liegt dabei vorzugsweise unter 100°C und insbesondere unter 80°C. Sie kann beispielsweise etwa 50°C betragen.
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Danach wird Schweißgut in mehreren übereinanderliegenden Lagen 8a - 8x jeweils auf die verschlissenen Bereiche 10, 11, 12 der Schiene 1 aufgetragen. Typischerweise können beispielsweise ein bis zwölf Lagen aus einem metallischen Material 14 aufgeschweißt werden, die jeweils eine Stärke von 1-10 mm aufweisen können.
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Wie in 3 zu sehen ist, wird als vorläufiger Abschluss eine sogenannte Decklage 20 auf die darunter liegenden Lagen 8a - 8x aufgetragen, die über das gewünschte Soll-Profil 13 nach außen übersteht. Die Decklage 20 kann ebenfalls eine Stärke von 1-10 mm aufweisen. Sie kann auch aus demselben oder aus einem unterschiedlichen Material bestehen, wie die darunter liegenden Lagen 8a - 8x.
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Gemäß der Erfindung wird die Decklage 20 aber nicht abgeschliffen, wie in 4 (Stand der Technik) gezeigt ist, sondern es wird eine weitere Lage 40 - die sogenannte Opferlage - aus einem metallischen Material 14 auf die Decklage 20 aufgetragen. Dadurch wird die darunter liegende Decklage 20 erwärmt und es kommt zu einem Anlassprozess, der dazu führt, dass sich der Martensitanteil in der Decklage 20 und den darunter liegenden Lagen 8a - 8x verringert und sich die Materialgüte der Schiene entsprechend verbessert. 5 zeigt einen Zustand, in dem an verschiedenen rekonstruierten Bereichen jeweils eine Opferlage 40 aufgebracht ist.
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In einem abschließenden Schritt wird dann, nach Entfernen von Schlacke, das ursprüngliche Profil bzw. Soll-Profil 13 der Schiene 1 durch einen Schleif- oder Fräsprozess wieder hergestellt. 6 zeigt schließlich die fertig rekonstruierte Schiene 1.
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Für das Aufbringen der einzelnen Lagen 8a - 8x, 20, 40 können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren eingesetzt werden, wie zum Beispiel Lichtbogenschweißen, Metallschutzgasschweißen, Unterpulverschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen.
