DE2208692A1

DE2208692A1 - Aluminothermische schienenverbindungsschweissung

Info

Publication number: DE2208692A1
Application number: DE2208692A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Dr Guntermann
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Goldschmidt ETB GmbH
Priority date: 1972-02-24
Filing date: 1972-02-24
Publication date: 1973-09-13
Also published as: HK22978A; CH549435A; ZA723797B; NL7302534A; BR7301213D0; DK140747B; IT977293B; AU5252673A; AT316613B; GB1402964A; CA981066A; NL158237B; AR199189A1; HU165910B; YU22973A; DE2208692C3; DK140747C; FI55780C; ES412282A1; AU474981B2

Description

E LE K TRO-THER M IT GmbH, Essen Aluminothermische Schienenverbindungsschv/eißung

Die Erfindung betrifft eine aluminotherraische Schienenverbindungsschv/eißung, zu deren Herstellung die zu verschweißenden, mit einer Lücke angeordneten Schienenenden mit einer feuerfesten, vorgefertigten Gießform umgeben und vor Einguß des aluminothermisch erzeugten Stahles in die Gießform durch ein von einem oberhalb der Gießform angeordneten Brenner ausgehendes und von oben in die Gießform schlagendes Flammenband vorgewärmt v/erden.

Bei der aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung v/ird die Eignung und Güte des zur Anwendung gelangenden Verfahrens grundlegend von seinem Zeitbedarf und der zu erzielenden Schweißsicherheit bestimmt. Bei der Verfahrensentwicklung geht daher das Bestreben dahin, bei einfacher Verfahrensdurchführung den Zeitbedarf zu vermindern und möglichst gleichzeitig die Schweißsicherheit zu erhöhen.

Für die Verminderung des Zeitbedarfs war gemäß der deutschen Patentschrift 1.046.449 die Einführung andernorts vorgefertigter Gießformen für das Einformen der zu verschweißenden Schienenenden und deren Vorwärmung durch einen

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oberhalb der Gießform angeordneten, ein Flammenband liefernden Brenner von Bedeutung, v/obei die Gießformen im Innern im Bereich der Schweißstelle über das Schienenprofil hinausgehende große wulstförmige Aussparungen aufweisen, die in Verbindung mit der in ihrer Weite annähernd der Schienenstegdicke entsprechenden Lücke zwischen den zu verschweißenden Schienenenden den Gießforrahohlraum bilden. Diese Aussparungen ermöglichen/ daß ein von einem oberhalb der Gießform angeordneten Vorwärmebrenner ausgehendes, in seiner Breite der 4- bis 5-fachen Schienenstegdicke bzw. der Schienenkopfbreite in etwa entsprechendes, die Stirnflächen des Schienenkopfes in seiner ganzen Breite bestreichendes Flammenband sich nach unten verbreiternd ungehindert bis zum Schienenfuß hin fortsetzen kann, wodurch eine schnelle einwandfreie Vorwärmung der zu verschweißenden Schienenenden erzielt wird.

Die diese bekannten Gießformen kennzeichnenden Aussparungen, die einerseits eine schnelle und gute Vorwärmung ermöglichen, bedingen jedoch andererseits eine Reihe von Nachteilen, die sich sowohl auf die Schweißsicherheit als auch allgemein ungünstig auswirken. So werden insbesondere die im Verhältnis zum Schienenkopf schwachen Schienenstegzonen durch den heißflüssigen aluminothermisch erzeugten Stahl, der über einen seitlich der Gießform angeordneten Gießtopf den Eingußkanälen zugeführt wird, infolge der für die Massenverteilung ungünstigen Gestaltung der wulstförmigen Aussparungen im

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Schienenstegbereich so überhitzt, daß durch eine zeitlich und örtlich unterschiedliche Abkühlung der Schweißung in dieser Zone vertikale Schrumpfkräfte entstehen, die zu Querrissen in der Schweißung führen können, was die durch eine gute Vorwärmung erzielbare Schweißsicherheit wiederum vermindert. Weiterhin haben diese Schweißwülste den Nachteil, daß sie bei der Aufarbeitung altbrauchbarer Schienen den Durchgang durch Rollenrichtmaschinen behindern und die Schweißungen daher herausgeschnitten werden müssen. Außerdem erschweren sie beim Auswechseln abgenutzter, zusammenhängend geschweißter Weichen den mittig durch die Schweißung zu legenden Brennschnitt und behindern durch die verbleibende Restwulst das Ansetzen der Gießformen bei der nachfolgenden Einschweißung des neuen Weichenteils, so daß vor Durchführung einer neuen Schweißung die Restwülste abgearbeitet werden mussen.

Zur Vermeidung der die Schweißsicherheit beeinträchtigenden Rißgefahr wurde gemäß der deutschen Patentschrift 1.110.502 eine Gießform vorgeschlagen, die das Schweißgut entsprechend dem angestrebten Endzustand durch Lenkung des Erstarrungsvorganges abkühlungstechnisch günstig beeinflussen sollte. Diese Gießform ist dadurch gekennzeichnet, daß die die Stegwülste der Schweißung bildenden Formteile ganz oder teilweise aus die Wärme gut ableitendem Siliciumcarbid bestehen. Während die Rißgefahr damit vermindert werden konnte, verblieben jedoch die anderen geschilderten Nachteile der sich

seitlich weit aus dem Stegbereich erstreckenden Schweißwülste. Außerdem sind diese Formen aufwendig und schwierig herzustellen sowie in ihren anderen Gebrauchseigenschaften, wie z.B. in ihrer Lagerfähigkeit, beschränkt.

In Weiterentwicklung der durch die Verwendung vorgefertigter Formen und Vorwärmung der zu verschweißenden Schienenenden von oben her gekennzeichneten aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung wurde zur Vermeidung der geschilderten Nachteile eine Gießform vorgeschlagen, die gemäß der deutschen Patentschrift 1.195.580 durch Formkörper gekennzeichnet ist, die im Bereich der Schienenlücke mit Ausnahme oberhalb des Schienenkopfes den Querschnitt der Schienen eng begrenzen und unterhalb des Schienenkopfes aus einem gegenüber dem Formstoff der übrigen Abschnitte feuerfesteren Formstoff bestehen.

Bei Verwendung dieser Gießformen, die insbesondere im Steg- und Fußbereich eng an der Schiene anliegen, hat sich jedoch herausgestellt, daß bei genügender Vorwärmung der Schienenköpfe die Schienenstege und -fuße in der Vorwärmung zurückbleiben, da das Flammenband nicht mehr in der gesamten Breite, sondern nur durch den engen Raum zwischen den beiden Schienenstegen zur Schienenfußzone hin durchschlagen kann. Die große Wärmebeanspruchung der die Schienenlücke unterhalb des Schienenkopfes abdeckenden Formteile durch das Flammenband macht dabei erforderlich, daß diese Formteile feuerfester als die restlichen Formteile sein müssen. Um den durch die ver-

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minderte Wärmezufuhr in den Steg- und Fußzonen verursachten Wärmemangel auszugleichen, erfordert diese Form außerdem die Verwendung einer größeren Schweißportion, wobei der erzeugte aluminotherinische Stahl zur Verringerung .der Wärrueverluste nicht mehr über einen seitlich der Form angebrachten Gießtopf, sondern zur Verkürzung des Gießweges nach Einlegen eines feuerfesten Verschlußstückes in den oberen Teil der Gießform mittig eingegossen wird.

Diese vorgeschlagene Gießform ermöglicht zwar praktisch wulstlose Schweißungen, wodurch einige der im Vorhergehenden beschriebenen, mit einer seitlich des Schienensteges sich erstreckenden Schweißwulst verbundenen Nachteile vermieden werden, sie bedingt jedoch auch eine Beeinträchtigung der Schweißsicherheit infolge der durch die Formgestaltung erschwerten Vorwärmung der Schienensteg- und -fußzonen und damit eine Beeinträchtigung einer sicheren Aufschmelzung dieser Zonen, die im wesentlichen die Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung bestimmt. Dabei hat sich herausgestellt, daß die mit der Verwendung dieser Formen verbundene Folge von Verfahrensschritten, nämlich Vorwärmen, Herausnehmen des Brenners, Einlegen des feuerfesten Verschlußstückes und Einrichten des Reaktionsgefäßes oberhalb der Form, Einleiten der Reaktion und Tiegelabstich, einen so großen Zeitbedarf erfordert, daß die mit diesem Gießsystem durch Verkürzung des Gießweges erhoffte Verminderung der Wärmeverluste infolge der nach dem Herausnehmen des Brenners sich abkühlenden Schienenenden nicht erzielt wird.

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Von dem vorgenannten Stand der Technik, der in der Veröffentlichung "ETR - Eisenbahntechnische Rundschau", Heft 8/1961, Seiten 323 - 336, zusammenfassend beschrieben ist, ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der beiden erläuterten Verfahren bei einem zu entwickelnden Verfahren beizubehalten, jedoch gleichzeitig die geschilderten Nachteile auszuschalten.

Die Aufgabe wurde überraschenderweise durch eine aluminothermische Schienenverbindungsschweißung gelöst, deren Herstellung unter ausgewählten Bedingungen und bei einer Kombination mehrerer wesentlicher Maßnahmen erfolgt.

Die aluminothermische Schienenverbindungsschweißung, bei der die zu verschweißenden, mit einer Lücke angeordneten Schienenenden mit einer vorgefertigten, feuerfesten Gießform umgeben und vor Einguß des aluminothermisch erzeugten Stahls in die Gießform durch ein von einem oberhalb der Gießform angeordneten Brenner ausgehendes und von oben in die Gießform schlagendes Flammenband vorgewärmt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung nach Einguß des aluminothermisch erzeugten Stahls in die Gießform insbesondere im Schienenstegbereich flache, bandförmige Schweißwülste (3) mit einer der 2- bis 4-fachen Stegdicke (A) entsprechenden, in Schienenlängsrichtung verlaufenden Wulstbreite (E) und einer der 0,15- bis 0,6-fachen Stegdicke (A) entsprechenden Wulstdicke (P) aufweist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung ist dabei gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

a) Anordnen einer Lücke (L) zwischen den zu verschweißenden Schienenenden (S), deren Weite der 1- bis 2-fachen Schienenstegdicke (A) entspricht.

b) Umgeben der Schienenenden (S) mit einer Gießform (4) . mit insbesondere im Bereich des Steges flachen, bandförmigen Ausnehmungen (5), deren Breite (C) das 2-bis 4-fache und deren Tiefe (D) das 0,15- bis 0,6-fache der Schienenstegdicke (A) betragen, und

c) Vorwärmen der Schienenenden innerhalb der Gießform (4) durch einen Brenner (6), der ein Flammenband (7) mit einer dem 1,5- bis 2,5-fachen der Schienenstegdicke· (A) entsprechenden Breite (B) liefert.

Anhand einer Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden, und es zeigt

Fig. 1 - eine bekannte aluminothermische Schienenverbindungsschweißung, die unter Verwendung einer Gießform hergestellt wurde, die im Bereich des Schienensteges große Aussparungen

aufwies, wodurch der im Bereich des Schienen-

steges seitlich sich erstreckende Wulst (1) bedingt ist.

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Fig. 2 - zeigt eine bekannte aluminotheriaische Schxenenverbindungsschweißung, die unter Verwendung einer Form hergestellt wurde, die mit Ausnahme oberhalb des Schienenkopfes den Querschnitt der Schiene eng begrenzte, so daß keine oder nur unwesentlich über das Schienenprofil hinausgehende Schweißgutüberstände (2) entstanden sind.

Fig. 3 - erläutert das erfindungsgemäße Verfahren, dargestellt mit teilweise weggebrochenen Formteilen der Gießform (4),

Fig. 4 - stellt die erfindungsgemäße aluminothermische Schienenverbindungsschweißung mit den flachen, bandförmigen Schweißwülsten (3) dar.

Beträgt gemäß Fig. 3 beispielsweise die Schienenstegdicke (A) gängiger Schienen (S) 16 mm, so kann gemäß der Erfindung eine Lückenweite (L) von 16 bis 32 mm vorgesehen werden, wobei sich in diesem Fall eine Lückenweite von 24 mm empfiehlt. Die Gießform (4), die die Schweißlücke (L) abdeckt, weist hierbei eine flache, bandförmige Ausnehmung (5) auf, deren Breite (C) 32 bis 64 mm und deren Dicke (D) 2,4 bis 9,6 mm betragen kann. Die Vorwärmung der zu verschweißenden Schienenenden erfolgt mit einem Brenner (6) , der ein Flanimenband (7) liefert, das 24 bis 40 mm breit sein kann. Die so hergestellten Schweißungen ergeben gemäß Fig. 4 entsprechend der Aussparung (5,'

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der Gießform <4) der Fig. 3 flache bandförmige Schweißwülste (3) mit einer Breite (E) und einer Dicke (F).

Durch die erfindungsgemaßen Abmessungen der insbesondere im Schienenstegfoereich flachen, bandförmigen SchweiBwüiste wird also eine schädliche Massenanhäufung aluminothermisch erzeugten Stahls und damit eine Rißgefahr der Schweißung vermieden. Außerdem bleiben die Vorteile der im Vorhergehenden beschriebenen Schweißung ohne Wulst praktisch erhalten, da die erfindungsgemaßen flachen, bandförmigen Wülste einen evtl. später erfolgenden Richtvorgang bei der Aufarbeitung von Altschienen nicht oder nur unwesentlich stören. Weiterhin wird z.B. ein autogenes Trennen der Schweißwülste nicht behindert.

Die Herstellung dieser erfindungsgemaßen aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung wird dadurch ermöglicht, daß die Lücke, das vom Brenner ausgehende Flammenband sowie die Schweißwülste in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt sind, wobei die Schienenstegdicke die Grundlage für die Abstimmung bilden kann. Ebenso können natürlich andere Schienenmaße, die Bruchteile oder Vielfache der Schienenstegdicke betragen, wie z.B. auch die Schienenkopfbreite, der Bemessung zugrunde gelegt werden*

Während bei den früheren Verfahren eine bestimmte Lückenweite in engen Grenzen eingehalten werden mußte, ist es jetzt¹ möglich, diese Lücke in ihrer Weite weitgehend zu variieren/ wobei die flachen, bandförmigen Aussparungen in der Gießform

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bei Anv/endung der vorgeschlagenen Breiten des Flammenbandes eine einwandfreie Vorwärmung der zu verschweißenden Schienenenden gewährleisten. Während bei der Verwendung von Gießformen mit großen, seitlich sich erstreckenden Aussparungen die Schienenstegzonen die größte Erhitzung und damit die größte Aufschmelzung erfahren und bei Verwendung von Formen, die mit Ausnahme oberhalb des Schienenkopfes den Querschnitt der Schiene eng begrenzen, eine überhitzung des Schienenkopfes bei ungenügender Erwärmung der Steg- und Fußzonen stattfindet, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Erwärmung der zu verschweißenden Schienenenden, die dem für eine einwandfreie Aufschmelzung erforderlichen Wärmebedarf angepaßt ist. Es wird dabei eine Überhitzung sowohl der Schienenstegzonen als auch der Schienenköpfe vermieden, was sich nicht nur in Bezug auf das Festigkeitsverhalten, sondern auch auf das Verschleißverhalten der Schweißstelle durch Vermeidung einer zu großen Aufschmelzung im Schienenkopf günstig auswirkt. Bedingt durch die erfindungsgemäße Breite des Flaramenbandes entfällt ferner die Notwendigkeit, die Form aus verschiedenartigen feuerfesten Materialien herzustellen, da die Flammen in der Gießform durch die der späteren flachen Wulst entsprechendenAus- . sparungen genügend Platz finden, um eine einwandfreie Vorwärmung der Schienenfußzonen herbeizuführen.

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Ein "weiterer -Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei Verwendung normal bemessener Schweißportionen der aluminothermisch erzeugte Stahl wiederum über einen seitlieh der Form angebrachten Gießtopf den Eingußkanälen zugeleitet werden kann, da bei der guten Vorwärmung der zu verschweißenden Schienenenden und bei der erfindungsgemäßen iiasseverteilung des aluminothermischen Stahls in der Form die durch den längeren Gießweg bedingten geringeren Wärmeverluste sich nicht nachteilig auf die Schweißsicherheit auswirken. Das schließt jedoch nicht aus, daß man in bekannter Weise ein in den oberen Teil der Gießform einzulegendes Verschlußstück verwendet, um den aluminothermisch erzeugten Stahl mittig eingießen zu können.

Das erfindungsgemäße Kombinationsverfahren erfüllt damit die Anforderungen der einfachen Durchführbarkeit bei geringem Zeitbedarf, einer hohen Schweißsicherheit und Wirtschaftlichkeit, wodurch eine allen Ansprüchen genügende Herstellung aluminothermischer Schienenverbindungsschweißungen ermöglicht wird. Dabei weisen die mit den erfindungsgemäßen Wülsten versehenen Schweißungen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, womit die erforderliche hohe Betriebssicherheit der Schweißstellen und damit der Gleise gewährleistet ist.

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Claims

-- 12 - Patentansprüche

1. Aluminothermische Schienenverbindungsschweißungen/ zu deren Herstellung die zu verschweißenden, mit einer Lücke angeordneten Schienenenden mit einer feuerfesten vorgefertigten Gießform umgeben und vor Einguß des aluminothermisch erzeugten Stahls in die Gießform durch ein von einem oberhalb der Gießform angeordneten Brenner ausgehendes und von oben in die Gießform schlagendes Flammenband vorgewärmt v/erden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung nach Einguß des aluminothermisch erzeugten Stahls in die Gießform insbesondere im Schienenstetjbereich flache, bandförmige Schweißwülste (3) mit einer der 2- bis 4-fachen Stegdicke (A) entsprechenden,in Schienenlängsrichtung verlaufenden Wulstbreite (E) und einer der 0,15- bis 0,6-fachen Stegdicke (A) entsprechenden Wulstdicke (F) aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung der aluminothermischen Schienenverbindungsschwaißung gemäß Anspruch 1., gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

a) Anordnen einer Lücke (L) zwischen den zu verschweißenden Schienenenden (S), deren Weite der 1- bis 2-fachen Schienenstegdicke (A) entspricht,

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b) umgeben, der Schienenenden (S) mit einer Gießform (4) mit insbesondere im Bereich des Steges flachen, bandförmigen Ausnehmungen (5), deren Breite (C) das 2-bis 4-fache und deren Tiefe (D) das 0,15- bis 0,6-fache der Schienenstegdicke (A) betragen, und

c) Vorwärmen der Schienenenden innerhalb der Gießform (4) durch einen Brenner (6), der ein Flammenband (7) mit einer dem 1,5-,bis 2,5-fachen-der Schienenstegdicke . (A) entsprechenden Breite (B) liefert.

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