DE102021005877A1

DE102021005877A1 - Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur zur Verbindung von Schienen

Info

Publication number: DE102021005877A1
Application number: DE102021005877.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-28
Filing date: 2021-11-28
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur zur Verbindung von Schienen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und vollständige Verschweißung von Bahnschienen mittels an sich bekannter Verbindungsschweißverfahren und Schweißgeräten so zu ermöglichen, dass durch eine automatisierte Führung lagenweise und ohne Unterbrechungen ein Verbindungsstoß zwischen Schienen übergangslos geschlossen werden kann.Dies wird dadurch erreicht, dass ein Schweißgerät (2) über einen Schweißdraht (9) sowie ein Schlauchpaket (3) mit einem Rahmen (5) verbunden ist, wobei der Rahmen (5)- eine Schlauchpakethalterung (7) aufweist, in der der Schweißdraht (9) und das Schlauchpaket (3) geführt sind,- eine Schweißbrennerhalterung (6) aufweist, in der ein Schweißbrenner geführt ist,- eine senkrechte Führung für einen Antrieb auf der X-Achse (10) aufweist,- einen Antrieb auf der Z-Achse (11) aufweist,- eine Steuereinheit (13) aufweist,- eine Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung (8) aufweist sowie- eine Schienen-Klemmvorrichtung (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur zur Verbindungsschweißung von Schienen.
In der Bahninfrastruktur werden Schienen aktuell mit aufwändigen Schweißverfahren miteinander dauerhaft verbunden. In der Schienenschweißtechnik wird insbesondere auf das bewährte aluthermische „Thermit-Schweißverfahren“ zurückgegriffen.
Hierbei wird mittels einer chemischen stark exothermen Redoxreaktion in einem Schmelztiegel aus Aluminium- und Eisenoxidpulver flüssiges Eisen erzeugt, welche in eine Sandgussform läuft und die Lücke dann ausfüllt. Nach dem Gießprozess folgen dann aufwändige Abscher- und Schleifprozesse, um die Schweißung der Schienenkontur anzupassen.
Für die Ausführung dieser Arbeiten ist geschultes und qualifiziertes Personal notwendig sowie ein hohes Maß an Arbeitssicherheit. Für den kompletten Vorgang ist durch den Schweißprozess auch ein längeres Anwärmen und Nachwärmen der Schienen notwendig.
Desweiteren werden für das aktuelle Verfahren einige Personen benötigt, da das notwendige Equipment ein hohes Gewicht hat. Neben Gasflaschen, Schmelztiegeln, Sandgussformen, Gussvorrrichtung, Brennern, Abschergeräten, Schleifmaschinen und spezieller Schutzausrüstung für Mitarbeiter wird meist ein ganzer Trupp benötigt, um alle Vor- und Nachbereitungen durchzuführen.
Für die Schweißung sind zudem meist lange Sperrpausen notwendig, die den normalen Zugbetrieb behindern können. Zusammen mit den notwendigen Aufheiz- und Abkühlphasen kann der Prozess mehrere Stunden benötigen sowie eine lange Vorplanung.
Für die Verbrauchsmaterialien z.B. Schmelztiegel und Sandgussformen werden Zwischenlager benötigt und große Transportautos. Gehen Verbrauchsmaterialien vor Ort zur Neige, müssen teils weite Strecken zurückgelegt werden.
Es ist bekannt, dass es zu Qualitätsmängeln in der Schweißung kommen kann. Dies kann durch Witterungsbedingungen, falsches Vorwärmen, Fehler in der Prozessabfolge, Fehler des Personals, defektes Equipment oder durch Einschlüsse von Sand durch die Sandgussformen hervorgerufen werden. Dadurch können sehr gefährliche Schienenbrüche auftreten.
Alternative Schweißverfahren zur Verbindung von Bahnschienen z.B. Abbrennstumpfschweißverfahren können nur mittels großer Anlagen durchgeführt werden. Hierbei wird durch magnetische Felder die zu verschweißenden Schienenenden stark erhitzt und zusammengedrückt.
Verbindungsschweißungen mit herkömmlichen Schweißmethoden wie Elektroden-Schweißen, MIG/MAG schweißen oder WIG werden für das komplette Verschweißen von Bahnschienen aktuell baulich nicht oder nur in sehr seltenen Fällen per E-Handschweißung eingesetzt. Hintergrund ist hier, dass die Handschweißung viel Übung und Erfahrung bedarf und einige Zeit dauert.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einfache und vollständige Verschweißung von Bahnschienen mittels bereits bekannter Verbindungsschweißverfahren und Schweißgeräten so zu ermöglichen, dass durch eine automatisierte Führung lagenweise und ohne Unterbrechungen ein Verbindungsstoß zwischen Schienen übergangslos geschlossen werden kann.
Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ein Schweißgerät (2) über einen Schweißdraht (9) sowie ein Schlauchpaket (3) mit einem Rahmen (5) verbunden ist, wobei der Rahmen (5)

- eine Schlauchpakethalterung (7) aufweist, in der der Schweißdraht (9) und das Schlauchpaket (3) geführt sind,
- eine Schweißbrennerhalterung (6) aufweist, in der ein Schweißbrenner geführt ist,
- eine senkrechte Führung für einen Antrieb auf der X-Achse (10) aufweist,
- einen Antrieb auf der Z-Achse (11) aufweist,
- eine Steuereinheit (13) aufweist,
- eine Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung (8) aufweist sowie eine Schienen-Klemmvorrichtung (4) aufweist.

Die Schweißung besteht wie in 2, 3a und 3b dargestellt, aus mehreren aufeinander aufbauenden Schichten, die durch einen programmgesteuerten Schweißprozess wie im Programmablaufplan in 5 dargestellt, mittels der Steuereinheit (13) durchgeführt wird. Hierbei werden die Motoren der X-Achse (10) und Z-Achse (11) sowie das Schweißgerät (2) so geschaltet, dass homogene Schweißnähte Schicht für Schicht in Schienen-Kontur ausgeführt werden.
Für die Schweißung werden zwei Bahnschienen mit einer Lücke von wenigen Millimetern zueinander ausgerichtet. Erst wird die Klemm- und Haltevorrichtung (4) an der Schiene mittels Schraube (4a) befestigt. Dabei muss auf eine korrekte Ausrichtung der Halterung an der zu verschweißenden Lücke geachtet werden.
Dann wird die erfindungsgemäße Apparatur (1) auf die Schienen-Klemmvorrichtung (4) gesetzt. Das Schlauchpaket (3) wird mit dem Schweißgerät (2) verbunden, der Schweißbrenner in die Schweißbrennerhalterung (6) geführt und der Düsenstock (8b) des Schlauchpakets (3) in die Schweißbrenneraufnahme (8a) eingeschraubt. Die Schlauchpakethalterung (7) dient der Zugentlastung beim Schweißprozess.
Die Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung (8) gemäß in 4 dargestellt, bestehend aus Schweißbrenner-aufnahme (8a), Düsenstock (8b), Schweißdrahtverlängerung (8c), Schutzgasverlängerung (8d), Verbindungsstück mit Stromdüsenaufnahme (8e) und Stromdüse (8f) wird auf den Anfangspunkt ausgerichtet.
Nach Verbindung der Apparatur mit einer Stromquelle über den Stromanschluss (13c), dem Einschalten des Schweißgeräts und Einstellung der notwendigen Stromstärken sowie Drahtförderungsgeschwindigkeit gemäß bekanntem Schweißverfahren wird schließlich der Schweißdraht (9) durch den Schweißkopf bis zum Anfang der Lichtbogen-Zündplatte (12) gefördert.
Nach der korrekten Einstellung der Schienenform über den Programmwahlschalter (13a) und der Prüfung des Massekabels (20), welches an der zu schweißenden Schiene oder Lichtbogen-Zündplatte (12) befestigt sein muss, wird der Schweißprozess gestartet.
Wie in 3a und 3b gezeigt, kann sich der Schweißprozess selbst je Schienenprofil oder Anwendungsbereich u.a. auf einer freien Strecke oder Weiche stark unterscheiden.
Nachdem der Schweißprozess beendet ist, wird der Schweißdraht abgeschnitten und die Apparatur inkl. Halterung entfernt. Danach erfolgt ein Überschleifen des Schienenkopfes gemäß der bekannten Verfahren, um die Wulst der Schweißnaht wie in 2 dargestellt auf die Schienenoberkante abzuschleifen.
6 zeigt eine räumliche Ansicht der erfindungsgemäßen Schweiß-Apparatur mit einer Vorwärmeeinrichtung (18) und Temperatur-Sensorik (13e). Mit der Temperatur-Sensorik ist es möglich, den Start des Schweißprozesses erst nach Erreichen einer bestimmten Schienentemperatur zu ermöglichen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die gewünschte Schienengüte erreicht wird.
Mit einer von der Steuereinheit überwachten Vorwärmeeinrichtung (18) in Verbindung der Temperatur-Sensorik (13e) kann die Vorwärmung komplett von der Steuereinheit übernommen werden. Dies hat den Vorteil, dass keine Mitarbeiter-Fehler mehr passieren.
Durch Erweiterung der Apparatur mit einer weiteren Achse (Y) ist eine dreidimensionale Schweißnaht möglich, um auch Schienenfehler durch eine gezielte Schweißung zu beheben. Hierfür müsste im Vorhinein die schadhafte Stelle an der Schiene abgeschliffen werden.
Vorteile der Apparatur

• Höhere Qualität der Schweißnaht u.a. weniger Wärmeeintrag
• Mehr Flexibilität in der Planung und Ausführung
• Geringere Kosten (nur noch Schweißdraht und Strom)
• Weniger Vorplanung
• Besseres Handling
• Weniger Equipment
• Weniger Gefahr für Mitarbeiter
• Weniger CO2 Belastung

Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren dargestellt.
Dabei zeigen:

1 - einen Schnitt der erfindungsgemäßen Schweiß-Apparatur
2 - eine räumliche Ansicht der verschweißten Schienenteile
3a/3b - Schweißkonturen der erfindungsgemäßen Schweiß-Apparatur
4 - isolierte Lückenstromdüse
5 - einen Programmablaufplan
6 - eine räumliche Ansicht der erfindungsgemäßen Schweiß-Apparatur mit einer Vorwärmeeinrichtung und Temperatur-Steuerung

Die automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur (1) weist ein Schweißgerät (2) mit Massekabel (20) auf und ist über das Schlauchpaket (3) mit dem Rahmen (5) verbunden, der in seinem oberen Bereich die Schlauchpakethalterung (7) und die Schweißbrennerhalterung (6) aufweist. Zwischen der Schweißbrennerhalterung (6) und der im unteren Bereich des Rahmens (5) angeordneten Schienen-Klemmvorrichtung (4) befindet sich der Fahrweg der Schweiß-Apparatur, bestehend aus
Lückenstromdüse (8) mit der Schweißbrenneraufnahme (8a) und dem Düsenstock (8b). Im Bereich der Schienen-Klemmvorrichtung (4) ist das Verbindungsstück mit Stromdüsenaufnahme (8e) angeordnet. Zwischen beiden Bereichen ist die Schweißdrahtverlängerung (8c) und die Schutzgasverlängerung (8d) sowie die Stromdüse (8f) angeordnet.
Der Antrieb für die X-Achse (10) ist auf einem Verbindungsstück des Rahmens (5) geführt. Oberhalb der Schienen-Klemmvorrichtung (4) ist der Antrieb (11) für die Z-Achse am Rahmen (5) angeordnet.
Die Schienen-Klemmvorrichtung (4) weist die Befestigungsschraube (4a), die Aussparung (4b), die Zündplatten-Auflage (4c) und die Lichtbogen-Zündplatte (12) auf.
Die automatisierte Lücken-Schweiß-Vorrichtung besitzt eine Steuereinheit (13), die vorzugsweise am Rahmen (5) angeordnet ist. Dabei weist die Steuereinheit (13) einen Programm-Wählschalter (13) einen Signalgeber (13b) für das Schweißgerät, einen Stromanschluss (13c), einen Unterbrechungsschalter (13d) und eine Temperatur-Sensorik (13e) auf.
Weiterhin kann an der automatisierten Lücken-Schweiß-Vorrichtung eine Vorwärmeeinheit (18) angeschlossen sein.
Bezugszeichenliste

1: Lücken-Schweiß-Apparatur
2: Schweißgerät
3: Schlauchpaket
4: Schienen-Klemmvorrichtung
4a: Befestigungsschraube
4b: Aussparung
4c: Zündplatten-Auflage
5: Rahmen
6: Schweißbrennerhalterung
7: Schlauchpakethalterung
8: Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung
8a: Schweißbrenneraufnahme
8b: Düsenstock
8c: Schweißdrahtverlängerung
8d: Schutzgasverlängerung
8e: Verbindungsstück mit Stromdüsenaufnahme
8f: Stromdüse
8g: Isolierung
9: Schweißdraht
10: Antrieb X-Achse
11: Antrieb Z-Achse
12: Lichtbogen-Zündplatte
13: Steuereinheit
13a: Programmwahlschalter
13b: Signalgeber für Schweißgerät
13c: Stromanschluss
13d: Unterbrechungsschalter
13e: Temperatur-Sensorik
14: Schichten
15: Akkubasierte Stromversorgung
16: Schweißkontur 1
17: Schweißkontur 2
18: Vorwärmeeinrichtung
1: Schweißnaht
20: Massekabel

Claims

Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur (1) zur Verbindungsschweißung von Schienen, gekennzeichnet dadurch, dass ein Schweißgerät (2) über einen Schweißdraht (9) sowie ein Schlauchpaket (3) mit einem Rahmen (5) verbunden ist, wobei der Rahmen (5) - eine Schlauchpakethalterung (7) aufweist, in der der Schweißdraht (9) und das Schlauchpaket (3) geführt sind, - eine Schweißbrennerhalterung (6) aufweist, in der ein Schweißbrenner geführt ist, - eine senkrechte Führung für einen Antrieb auf der X-Achse (10) aufweist, - einen Antrieb auf der Z-Achse (11) aufweist, - eine Steuereinheit (13) aufweist, - eine Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung (8) aufweist sowie - eine Schienen-Klemmvorrichtung (4) aufweist.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuereinheit (13) einen Programmwahlschalter (13a), einen Signalgeber für das Schweißgerät (13b), einen Stromanschluss (13c) und einen Unterbrechungsschalter (13d) aufweist und mit Temperatur-Sensoren (13e) verbunden ist.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Lückenstromdüse mit Schutzgasvorrichtung (8) in ihrem oberen Bereich eine Schweißbrenneraufnahme (8a) und einen Düsenstock (8b) und in ihrem unteren Bereich ein Verbindungsstück mit Stromdüsenaufnahme (8e) aufweist, wobei zwischen beiden Bereichen die Schweißdrahtverlängerung (8c) und die Schutzgasverlängerung (8d) sowie der Schweißdraht (8c) geführt sind und auf der abgewandten Seite des Verbindungsstückes mit Stromdüsenaufnahme (8e) die Stromdüse (f) und der Schweißdraht (9) angeordnet sind.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Schienen-Klemmvorrichtung (4) eine Befestigungsschraube (4a), eine Aussparung (4b), eine Zündplatten-Auflage (4c) und eine Lichtbogen-Zündplatte (12) aufweist.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch Schweißgeräte ohne Schutzgas oder mit separater Schweißzusatz-Einrichtung einbindbar sind.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Apparatur senkrecht, waagrecht oder in beliebigen Winkeln auszurichten ist.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Achse ausgeführt ist.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Bedienung der Steuereinheit (13) durch ein Touchpanel oder per Funk erfolgt.
Automatisierte Lücken-Schweiß-Apparatur nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer Vorwärmeeinrichtung (18) bestehend aus mindestens einem Brenner zur Vorwärmung verbunden ist.