DE3248082A1 - Verfahren und einrichtung zum elektroschlackenschweissen insbesondere von eisenbahnschienen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Schweißen von Eisenbahnschienen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Erfordernis zur Verschweißung der Enden von Eisenbahnschienen ist bereits bekannt. Da das Schweißen beim Verlegen der Schienen durchgeführt wird, muß das Verfahren relativ einfach sein, um den Grad erforderlicher Geschicklichkeit möglichst gering zu halten. Auch müssen die verwendeten Einrichtungen leicht tragbar und das mit ihnen durchzuführende Verfahren schnell durchführbar sein, um Verkehrsunterbrechungen minimal zu halten, ohne daß dabei jedoch die Qualität der Schweißung beeinträchtigt wird. Auch muß das Verfahren unter unterschiedlichsten atmosphärischen Bedingungen durchführbar sein, also beispielsweise in kaltem oder warmem Wetter.

Es gibt zwar Schweißverfahren und -systeme, mit denen qualitativ gute Schweißungen bei Schienen beispielsweise in einer Fabrik durchgeführt werden können. Solche Verfahren und Systeme sind jedoch nicht geeignet, auch unter Verlegebedingungen qualitativ gute Schweißungen zu verwirklichen. Gegenwärtig gibt es nur ein im Freien anwendbares Verfahren, das weitläufig als das Thermitverfahren bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird ein Füllmetall verwendet, daß so angesetzt ist, daß es der MikroStruktur und den Eigenschaften der zu verschweißenden Schienen angepaßt ist.

Das Thermitverfahren hat sich bei der Anwendung aber als ungeeignet erwiesen, Schweißungen hoher Qualität und Fehlerfreiheit zu erzeugen, die reproduzierbar sind. Eine qualitativ gute und fehlerfreie Schweißung ist eine solche, deren Eigenschaften denen der Schienen selbst äquivalent oder noch besser sind, ohne daß nichtmetallische Einschlüsse

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und Gasentwicklungen in der Schweißung, insbesondere in den Flußzonen an den Schienenenden, vorhanden sind. Schweißungen, die nach dem Thermitverfahren hergestellt wurden, sind für Ausfälle bei der Benutzung häufiger anfällig als jeder andere Teil der Schiene., Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß es nicht auf veränderliche Metalleigenschaften während der Schienenverlegung eingestellt werden kann, beispielsweise auf Schienen mit gehärteten Köpfen.

In den spaten 60ziger Jahren erschienen zwei russische Aufsätze in der Literatur. Es handelt sich dabei um "Elektroschlackenschweißen von Kranschienen" von L.N. Kopetmann u.a., Svar, Proiz, Nummer 4, 1967, Seiten 32 bis 34, und "Das halbautomatische Elektroschlackenschweißen von Schienen", Avt. Svarka, Nummer 3, 1966, Seite 53. Diese Aufsätze geben jedoch keine umfassende Information über die praktische Durchführung dieser Verfahren. Es besteht deshalb ein Bedarf für ein neues und verbessertes Verfahren einer Einrichtung zum Schweißen von Schienen: beim Verlegen unter Herstellung einer qualitativ guten und fehlerfreien Schweißnaht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren anzugeben, das sich insbesondere zur Durchführung beim Verlegen eignet und einen nur kleinen Zeitbedarf hat, so daß Verkehrsunterbrechungen minimal gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung führt zu einem abgewandelten Elektroschlackenschweißen unter Verwendung neuartiger Formelemente und er-

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möglicht die Herstellung qualitativ guter und fehlerfreier Schweißungen beim Schienenverlegen. Unter diesen Bedingungen können die Schienen nicht in umgekehrter Lage angeordnet sein, und deshalb muß jegliches Schweißen am Schienenfuß beginnen, der bekanntlich im Querschnitt länglich und relativ dünn ist. Vom Schienenfuß geht der Schienensteg aus, der den Schienenkopf trägt. Das neue Verfahren arbeitet mit einem neuartigen Grundteil mit Spezialeinsätzen, so daß es möglich ist, den Grundteil nach dem Schweißvorgang leicht zu entfernen, ohne ihn abzuschleifen oder abzustemmen bzw. in praktisch beim Schienenverlegen nicht durchführbarer Weise zu entfernen.

Wie noch beschrieben wird, ist der Grundteil so ausgebildet, daß die Lichtbogenbildung und das Einlaufen erleichtert und damit die vollständige Verschmelzung der Schweißung mit den Schienenfüßen begünstigt wird. Ferner werden nichtmetallische Einschlüsse und jegliche gasförmigen Einschlüsse am Fuß der Schweißung vermieden, wodurch ein Schweißanfang hoher Qualität gewährleistet ist. Im Hinblick auf den vorgegebenen Querschnitt der Schienen wird ein Führungsrohr neuartiger Form verwendet, um geeignete Mengen von Füllmetall abhängig vom Schienenquerschnitt zuzuführen und eine gute Wärmeverteilung zu gewährleisten. Spezielle Verfahrensschritte werden am Ende des Schweißvorganges durchgeführt, um Schlackeneinschlüsse und jegliche Porosität am oberen Abschnitt der Schweißung unter den Schienenköpfen zu vermeiden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben, die verschiedene mögliche Ausführungsbeispiele darstellen. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung von Schienen und

Formteilen,

Figur 2 eine Draufsicht auf eine Schweißform und deren Hohlraum,

Figur 3 eine perspektivische Darstellung zweier mitein^· ander verschweißter Schienenenden,

Figur 4 eine einfachere Darstellung eines Grundteils im Querschnitt,

Figur 4a einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Grundteils,

Figur 5 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeipiels eines Führungsrohrs,

Figur 5a einen Querschnitt der Schweißform während des Schweißverfahrens,

Figur 6 und 7 Querschnitte von Schweißungen verschiedener Form,

Figur 8 die Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Führungsrohrs und

Figur 8a den Schnitt 8a-8a gemäß Figur 8.

Vor einer Erläuterung der einzelnen Erfindungsmerkmale wird zunächst ein typisches Elektroschlackenschweißverfahren beschrieben. Grundsätzlich wird bei einem solchen Verfahren die Verschmelzung durch Widerstandsheizung eines elektrisch leitfähigen Schlackenbades erreicht, in das kontinuierlich eine verbrauchsfähige Starkstromelektrode eingeführt wird. Zur Einleitung des Verfahrens wird das Flußmittel am Boden der Form durch Lichtbogenbildung zwischen der Elektrode, die in den Fluß eintaucht, und dem Formboden in ein Schlackenbad umgesetzt. Das Schlackenbad wird auf einer solchen Temperatur und Tiefe gehalten, daß die Elektrode und die Elektrodenführung, die zur Führung der Elektrode in das Schlackenbad dient, schmelzen kann, und daß auch ein Teil des Schienenfußmetalls schmilzt, so daß eine Verschmelzung stattfindet. Die geschmolzene Elektrode und deren Führung bilden ein Bad unterhalb des Schlackenbades,

Das Metall am Boden des Schmelzebades härtet bei Abkühlung und bildet die Schweißung. Somit wird bei einem solchen Verfahren die Schweißung durch Metall gebildet, das am Boden des Schmelzebades härtet und über dem sich das Schlackenbad befindet.

Obwohl dieses Elektroschlackenschweißen zum vertikalen Einmalschweißen schwerer Querschnitte benutzt wurde, beispielsweise für Stahlplatten mit mehr als 19 mm Dicke, kann es in der herkömmlichen Form nicht zur Herstellung von Schienenschweißungen hoher Qualität und Fehlerfreiheit beim Verlegen eingesetzt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei dem konventionellen Verfahren das geschmolzene Metall härtet und mit dem Formboden verschmilzt. Somit muß nach dem Schweißen der Formboden abgeschert werden. Dies kann beim Schienenverlegen jedoch nicht durchgeführt werden, da die Schienen nicht umgedreht werden können. Ferner ergeben sich im Hinblick auf die stark veränderlichen Schienenquerschnitte unzureichende Verschmelzungen und/oder unzureichende MetallZuführungen bei Anwendung des konventionellen Elektroschlackenschweiflens. Außerdem treten beim Einsatz dieses Verfahrens ziemlich oft gasförmige Einschlüsse und andere Verunreinigungen sowie auch Porositäten am unteren Teil der Schweißung auf, wodurch die angestrebte Schweißqualität nicht erreicht wird.

Die Erfindung vermeidet dies durch das neuartige Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung und wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben.Figur 1 zeigt die perspektivische Darstellung zweier Schienen 12 und 13, die miteinander zu verschweißen sind. Um verschiedene Eigenschaften und Teile der Schweißform hervorzuheben, ist die Schiene 13 strichpunktiert dargestellt. Gemäß der Erfindung haben die Formteile einen einheitlichen Boden 15,

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der im einzelnen erläutert wird. Die Enden der Schienen 12 und 13, die miteinander zu verschweißen sind, ruhen auf dem Boden 15. Ferner trägt er zwei Kupferschuhe, von denen nur der Kupferschuh 18 dargestellt ist. Der andere ist identisch ausgebildet. Der Schuh 18 verläuft vom Fuß 12a der Schiene 12 längs dem Schienensteg 12b zur Oberseite des Schienenkopfes 12c. Dieser Schuh 18 und auch der andere, nicht dargestellte Schuh haben eine solche Kontur, daß sie an den Schienen beidseitig anliegen und dabei einen Hohlraum bilden, der breiter als die Schienenbreite und mit 20 bezeichnet ist. Dieser Hohlraum 20 ist bei der Durchführung des Verfahrens gefüllt. Diese Eigenschaft de£ Erfindung ist am besten aus Figur 2 zu erkennen, die eine , Draufsicht auf den Schuh 18 und den anderen Schuh 18a beiderseits der Schienen 12 und 13 zeigt. Wie aus Figur 2 hervorgeht, haben die beiden einander gegenüberliegenden Schuhe 18 und 18a eine solche Form, daß sie an den Seiten der Schienen anliegen, und zwar von den Schienenfüßen 12a und 13a bis zu den Schienenköpfen 12c und 13c. In dem Raum zwischen den beiden Schienen, der mit t bezeichnet ist, sind die Schuhe so geformt, daß sie einen Hohlraum 20 bilden, dessen Volumen größer als das zwischen den beiden Schienen ist. In diesem Hohlraum 20 findet die Schweißung statt, so daß sie nach dem Schweißen etwas über die Seitenflächen der Schienen hinausragt, wie es in Figur 3 gezeigt ist, die eine bildliche Wiedergabe der Schweißstelle darstellt. ' _:

Zusätzlich zu den beschriebenen Formteilen sind zwei Formdeckel 24 und 25 vorgesehen. Nur der Formdeckel 24 ist in Figur 1 dargestellt. Es ruht auf der Schiene 12 und den Schuhen 18 und 18a, während der Formdeckel 25 auf der Schiene 13 und den Schuhen 18 und 18a ruht. Jeder dieser Formdeckel ist mit einer konkaven Fläche versehen, und diese

beiden Flächen sind mit 24a und 25a bezeichnet, so daß trotz des Aneinanderliegens der beiden Formdeckel beim Betrieb ein Hohlraum über dem Hohlraum 20 ausgebildet ist, dessen Lage über den Schienenköpfen 12c und 13c von Wichtigkeit ist. Wie noch erläutert wird, besteht die Funktion der beiden Formdeckel 24 und 25 und des durch sie gebildeten Hohlraums darin, einen Abfluß am Ende des Schweißvorgangs zu ermöglichen. Die beiden Formdeckel 24 und 25 und der mit ihnen gebildete Hohlraum schaffen also Plats für ein Schlackebad und etwas geschmolzenes Metall zum Ansteigen über die Schienenköpfe hinaus. Wenn diese Höhe erreicht ist, wird der Schweißvorgang beendet, und die Formdeckel werden abgenommen, so daß die Schlacke abfließen kann, ohne daß sie Einschlüsse in dem geschmolzenen Metall bildet, welches dann aushärten kann und unter den Schienenköpfen einen Teil der Schweißung bildet.

Wenn die Schlacke abfließen kann, befindet sich das geschmolzene Metall, welches unterhalb des Schlackenbades lag, ausreichend hoch über den Schienen, so daß keine Schlacke, die in das geschmolzene Metall eindringen könnte, das aushärtende Metall unter den SchienenköpCen erreichen kann. Somit ist die Schweißung zumindest bis zu den Schienenköpfen frei von Verunreinigungen. Jegliches Metall, das über den Schienen aushärtet, wird beispielsweise durch Schleifen entfernt, wodurch eine Schweißung mit einer flachen Oberseite entsteht, die in Figur 3 gezeigt ist.

Wie bereits ausgeführt, kann ein konventionelles Elektroschlackenschweißverfahren beim Schienenverlegen nicht mit qualitativ guten Schweißungen durchgeführt werden. Einer der Gründe besteht darin, daß bei einem solchen Verfahren ausgehärtetes Metall am unteren Abschnitt der Schweißung zum Verschmelzen mit dem Formboden neigt, der aus Kupfer besteht.

Nach dem Schweißen wird er von der Schweißung getrennt. Durch das Verschmelzen ist einiges Kupfer vorhanden, welches den unteren Abschnitt der Schweißung verschmutzt. Somit wird eine nicht perfekte Schweißung das Ergebnis sein. Es ist ferner manchmal schwierig, die Böden unter den Schienen zu entfernen, ohne diese umzudrehen, was gleichfalls beim Schienenverlegen nicht annehmbar ist.

Ein weiterer sehr wichtiger Grund für die Nichteignung des konventionellen Verfahrens zur Herstellung von Schweißungen ohne Einschlüsse und Porosität, die im folgenden gleichfalls als Verunreinigung bezeichnet wird, besteht in der Tätsache, daß bei dem konventionellen Verfahren der Startlichtbogen zwischen der geführten Elektrode, die allgemein eine Hochspannung (+V) führt, und dem Formboden ausgebildet wird, der eine niedrige Spannung, beispielsweise Erdpotential, führt. Der Boden, der typisch aus demselben Material wie die miteinander zu verschweißenden Teile, also beispielsweise aus Stahl bei Eisenbahnschienen, besteht, hat eine große Masse. Somit ist er nicht nur ein elektrischer, sondern auch ein guter Wärmeleiter. Deshalb wird die gesamte durch den Lichtbogen erzeugte Wärme in den Formboden mit seiner großen Masse abgeleitet, und deshalb ist die Gesamtwarme nicht geeignet, die Temperatur des Formbodens wesentlich zu erhöhen. Dadurch können vorhandene Verunreinigungen am Formboden ihre Verdampfungstemperatur nicht erreichen, weshalb sie am unteren Abschnitt der Schweißung eingeschlossen bleiben. Entsprechend wird dann die fertige Schweißung Verunreinigungen enthalten, die eine fehlerhafte Schweißung bedingen. Sie befinden sich oft an Verschmelzungsbereichen zwischen der Schweißung und den Schienenenden. Ferner neigt Elektrodenmetall infolge der starken Wärmeableitung in den kupfernen oder stählernen Formboden dazu, nur im Lichtbogenbereich zu schmelzen und nicht über die gesamte Breite der Schweißung. Wenn also ein konventionelles Elektro-

schlackenschweißvertahren mit einem konventionellen kupfernen Formboden durchgeführt wird, ergibt sich eine fehlerhafte, d.tu im unteren Bereich ungleichmäßige Schweißung. Eine solche Schweißung ist unannehmbar, wenn die Forderung besteht, Schweißungen hoher Qualität und hoher Fehlerfreiheit herzustellen.

Diese Nachteile werden durch die Verwendung eines neuartigen Formbodens und durch besondere Startschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden. Diese Aspekte werden im folgenden anhand der Figur 1 und 4 beschrieben, in denen der Formboden 15 dargestellt ist. Figur 4 zeigt im wesentlichen eine vereinfachte Seitenansicht des Schweißbereichs der beiden Schienen mit einem vereinfachten Führungsrohr 28 und einer Elektrode 29 und ohne Schuhe 18 und 18a und Formdeckel 24 und 25. Der Formboden 15 ist im Querschnitt dargestellt. Er enthält einen Bodenblock 30 beispielsweise aus Kupfer. Im Gegensatz zur bisherigen Technik hat der Bodenblock 30 jedoch eine solche Form, daß er eine längliche Vertiefung 30a bildet. Dieser angepaßt ist ein trogförmiger Einsatz 35, dor von dom Bodenblock 30 durch ein warmeisol iorendos Material, I 'i-ispielswoine eine Keramikschicht 36, getrennt ist. Dur 1 r.ogf örrpi go Einsatz 35 ist etwas länger als dies Kußabschnitte dor Schienen 12 und 13, und so ine Breite ist otwas größo:r als der Raum zwischen den Schienen 12 und' 13, die aiii dorn Einsatz 35 aufliegen. Die Schienen ruhen also auf dem Einsatz 35 und nicht auf d^m größeren Bodenblock 30.

Der Einsatz 35 besteht typisch aus Stahl und bildet den Boden des Raums, der von der Schweißung eingenommen wird. Wie bei der bisherigen Technik liegen die Schienen und die Form auf dem einen Potential, bei .spielsweise Erdpotential, und die kontinuierlich v.ugeführte Elektrode und ihre Führung liegen auf einem hohen Potential, daß in Figur 4

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mit +V bezeichnet ist. Der Einsatz 35 führt gleichfalls Erdpontential. Wenn die Schweißung beginnt, d.h. wenn das Potential +V an die Elektrode 29 angelegt wird, erfolgt Lichtbogenbildung, da die Elektrode 29 den Einsatz 35 berührt. Der Lichtbogen heizt den Einsatz 35 auf, der nicht nur ein elektrischer, sondern auch ein guter Wärmeleiter ist. Da seine Gesamtmasse klein und er gegenüber dem Bodenblock 30 durch die Keramikschicht 36 wärmeisoliert ist, steigt seine. Temperatur sehr beachtlich an. Dadurch verdampfen jegliche verdampfungsfähigen Verunreinigungen im unteren Abschnitt der Schweißung und treten aus der Schweißform bzw. Schmelze aus. Dies ist besonders wichtig, da dadurch jegliche Verunreinigungen in der fertigen Schweißung vermieden werden. Durch die hohe Temperatur des Einsatzes verteilt sich ferner das geschmolzene Metall der kontinuierlich zugeführten Elektrode gleichmäßig über den ge* samten Trog des Einsatzes, wodurch ein gleichmäßiger Boden für die Schweißung bei der Aushärtung des Metalls gebildet wird. Wenn ferner schlackenbildendes Material 40 eingeführt wird, so schmilzt es schnell und bildet das Schlackenbad. Wenn dieses Bad gebildet ist, schmelzen die kontinuierlich zugeführte Elektrode 29 und ihre Führung-in dem Schlackenbad und bilden das geschmolzene Metall für die Schweißung.

Es sei darciuf hingewiesen, daß dor Einsatz vollständig schmilzt und ein Teil des Schweißmetalls wird, wobei der untere Teil der Schweißung ausgebildet wird. Da der Trog jedoch unter den Schienenfüßen liegt, breitet sich das Schweißmetall bis unter die Schienenfüße aus. Somit beeinträchtigt das Vorhandensein des Einsatzes in keiner Weise die Verschmelzung der Schienenfüße mit dem Schweißmetall, wodurch sich eine qualitativ gute Schweißung im unteren Abschnitt ergibt, die frei von Verunreinigungen ist.

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Nach Abschluß der Schweißung werden die Keramikschicht und der Bodenblock 30 leicht von dem Einsatz getrennt, da kein ausgehärtetes Metall mit ihnen in Kontakt kommt. Dies ist sehr wichtig, da die Entfernung der Keramikschicht und des Bodenblocks 30 möglich ist,ohne daß ein Schleifen oder ein ähnlicher Arbeitsgang durchgeführt werden muß. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Schienenverlegen durchgeführt werden, wobei sich die Schienen in ihrer normalen aufrechten Lage befinden.

Obwohl in Figur 1 und 4 der Einsatz 35 so dargestellt ist, daß er von dem Bodenblock 30 durch die Keramikschicht vollständig getrennt ist, kann die Erfindung auch anders verwirklicht werden. Falls erwünscht,kann die Keramikschicht 36 den Einsatz 35 von dem Bodenblock 30 nur im Trogbereich trennen, während der übrige Einsatz mit dem Bodenblock 30 in Kontakt steht, wie es in Figur 4a im Querschnitt gezeigt ist. Dies beeinträchtigt in keiner Weise die vorstehend beschriebenen Vorteile, die immer dann erreicht werden, wenn der Trogabschnitt des Einsatzes 35 durch die Schicht 36 wärmeisoliert ist. Die Schicht wurde als Keramikschicht bezeichnet, für sie kann jedoch auch ein anderes wärmeisolierendes Material verwendet werden. Bei einer Ausführungsform, die auch in der Praxis verwirklicht wurde, bestand diese Schicht aus kleinen Keramikstückchen, die im Handel beispieslweise von der Firma Kuder, Philadelphia, Pennsylvania, erhältlich sind. Die Schicht 36 kann unabhängig davon, ob sie aus Keramik oder einem anderen wärmeisolierenden Material besteht, mit einem Trog aus einem einzigen Materialstück versehen sein.

Obwohl die primäre Funktion dos Bodenblocks 30 darin besteht, den Kin.sntz Vt dorL zu l.raqen, wo die Schwe.i. ßunq beginnt, kann or auch eine woitoro wichtige Funktion erfüllen,

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insbesondere wenn der Einsatz 35 mit ihm in Kontakt steht. Bei der Anwendung in der Praxis kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise unter sehr stark veränderlichen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen sein, nämlich in sehr kalten und auch sehr heißen Gegenden. Es hat sich gezeigt, daß die Startbedingungen des Verfahrens leichter standardisiert werden können, wenn der gesamte Teil der Anordnung, der die Schienenfüße, den Einsatz 35 und den Bodenblock 30 umfaßt, auf eine Temperatur im Bereich von beispielsweise 200 bis 315° C gebracht wird.

Es wird nun Figur 5 betrachtet, die die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer verbrauchsfähigen Elektodenführung und Füllmetallstruktur 45 darstellt. Diese Anordnung wird im folgenden einfacher als Führungsanordnung bezeichnet, die sich besonders zur Herstellung qualitativ guter Schweißungen eignet. In Figur 5 ist die Führungsanordnung 45 in ihrer Lage in der Schweißform dargestellt, während eines der Schienenenden gestrichelt gezeigt ist. Durch den stark sich ändernden Querschnitt einer jeden Schiene zwischen einem langen, dünnen Schienenfuß über einen schmaleren Schienensteg bis zu einem wesentlich dickeren Schienenkopf kann ein konventionelles Führungsrohr für das Elektroschlackenschweißen nicht verwendet werden, da ein solches Führungsrohr nicht die sich entsprechend ändernden, jedoch richtigen Füllmetallmengen für die Ausbildung der Schweißung bereitstellen kann. Dies ist aber mit der Führungsanordnung 45 möglich.

Die Führungsanordnung 45 besteht im wesentlichen aus einer oder mehreren Metallplatten 45a, auf deren beiden Seiten zwei Führungsrohre 28 und 28a vorgesehen sind. Durch diese Rohre hindurch werden die Elektroden kontinuierlich zugeführt, die das Potential +V führen. Wie Figur 5 zeigt, verbreitert sich die Platte mit den Führungen zum unteren Bereich der Anordnung hin, wodurch sich der Abstand zwischen

den Elektroden 29 und 29a vergrößert. Um ausreichendes Füllmetall am unteren Abschnitt der Schweißung bereitzustellen und eine gute Schweißung an den relativ langen Schienenfüßen zu gewährleisten, enthält die Führungsanordnung 45 verbrauchsfähige Metallstücke 45b, die nach Art von Flügeln beiderseits der Führungsrohre 28 und 28a vorgesehen sind.

Beim Betrieb der Anordnung 45 wird sie dauerhaft so gehalten, daß die Spitzen der Elektroden 29 und 29a sich kurz über den Einsatz 35 befinden. Wenn dann das Verfahren durch Anlegen des Potentials +V an die Elektroden eingeleitet wird, erfolgt Lichtbogenbildung in beschriebener Weise. Wenn das Schlackenbad aus schlackenbildendem Material vorhanden ist, liefert der untere Teil der Führungsanordnung 45 in dor Schmelze laufend Füllmetall, wobei die Elektroden kontinuierlich zugeführt werden und die wesentliche Aufheizung des Schlackenbados zum weiteren Schmelzen der Anordnung 45 bewirken. Somit werden die erforderlichen Mengen an Füllmetall für die Schweißung bereitgestellt. Die verschiedenen Teile der Führungsanordnung 45 schmelzen und liefern Füllmetall. Durch richtige Ausbildung der Form und der Dicke der Führungsanordnung 45 wird die Geschwindigkeit der Bereitstellung des Füllmetalls und durch die Abstände zwischen den Elektroden die Wärmeverteilung gesteuert.

Ziemlich oft enthalten Schienen aus Stahl verschiedene Legierungen, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Schienen mit gehärteten Köpfen verwendet werden. Gemäß der Erfindung können solche Schienen sehr erfolgreich verschweißt werden, indem an den geeigneten Stellen der Führungsanordnung 45 Stücke aus Legierungen eingesetzt werden, die gewisse ausgewählte Eigenschaften der Schienen,, beispielsweise Härte, Makrostruktur u.a. erfüllen.

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Obwohl die Stabilität eines Schienenfußes sowie des Schienensteges wichtig ist, muß auch jegliche Möglichkeit der Beschädigung des Schienenkopfes vermieden werden. Somit wird bei dem Verfahren nach der Erfindung der obere Teil, d.h. ein Drittel der Schuhe 18 und 18a (Figur 1) beispielsweise mit Wasser gekühlt, um die Temperaturen des Schlackenbades und des geschmolzenen Metalls zu steuern, wenn diese Anteile die Schienenköpfe passieren. Dabei wird einerseits eine richtige Verschmelzung gewährleistet, andererseits jegliche Überhitzung des Schienenkopfes oder der Schuhe unddamit eine bleibende Beschädigung vermieden. Falls erwünscht, kann die Kühlung durch Schuhe größerer Masse nahe den Schienenköpfen erreicht werden, so daß sie mehr Wärme absorbieren. Dadurch kann eine Wasserkühlung überflüssig sein.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Metall der Führungsanordnung 45 sowie das Führungsrohr schmilzt, wenn diese Teile in Kontakt mit dem Schlackenbad kommen, da dieses eine hohe Temperatur im Bereich von 2100° C führt. Die Elektroden ragen in das Schlackenbad und schmelzen darin. Die relativ breite Führungsanordnung 45 verteilt die Leistung über die Breite der Schweißung.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß bei fortschreitendem Schweißverfahren das Schlackenbad zuerst ansteigt, so daß dadurch die kälteren Flächen der Schuhe 18 und 18a beschichtet werden, die, wie bereits beschrieben, aus Kupfer bestehen. Somit hat die fertige Schweißung eine Außenschicht aus Schlacke, wodurch die Entfernung der Schuhe erleichert und die Schweißung in gewissem Grade gegen Oxydation geschützt wird. Ein schematischer Querschnitt der Form während der Durchführung des Verfahrens ist in Figur 5a gezeigt.

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Figur 6 zeigt einen Querschnitt der Schweißung, wobei der Umfang des Endes einer der verschweißten Schienen, der
Schiene 12, gestrichelt dargestellt, ist. Der Einsät/. IS
bildet den Boden der Schweißunq unter dem Schienenfuß I2a. Das ausgehärtete Metall füllt den Trog des Einsätze.'·, und breitet sich über das qesamte Ende der Schiene aus. Die
Schweißung verläuft normalerweise bis über den Schienenkopf 12c. Durch die Form des Hohlraums 20 in den Schuhen 18 und 18a, die anhand der Figur 2 beschrieben wurde und in Figur 3 gezeigt ist, ändert sich die Breite der
Schweißung von unten nach oben und folgt allgemein der
Kontur der Schiene mit dem Unterschied, daß sie breiter
ist, wodurch eine richtige Verschmelzung längs des gesamten Umfangs der Schienenkanten erreicht wird.

Nach Ende der Schweißung wird das Schweißmetall über dem Schienenkopf und längs der Schienenseiten, mit denen die Räder in Berührung kommen, abgeschliffen. Die typisch zu entfernenden Schweißungsteile sind in Figur 6 mit 50 bezeichnet und schraffiert dargestellt.

Bei einem in der Praxis erprobten Ausführurigsbeispiel wurde die Schweißunq mit variabler Breite zwischen 17 cm an den Schienenfüßer, bis zu 8,5 cm kurz unter den Schicnenköpfen hergestellt. Danach wurde die Breite längs der
Höhe der Schienenköpfe mit 8,5 cm beibehalten.

Die Stromversorgung und die Antriebseinheit für die F.lek-.troden sind handelsüblich. Bei einem Ausführungsbeispiel wurden hierzu Einheiten von Hobart Brothers Gompany, Troy, Ohio, verwendet. Die von der Stromquelle gelieferte Spannung betrug 32 Volt. Nach Stabilisierung des Lichtbogens und Bildung des Schlackenbades sowie Anwesenheit von etwas Metall am Boden der Schweißung auf dem Einsatz 35 stabilisierte sich der Strom bei ca. 1100 Ampere bei einer Zuführ-

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geschwindigkeit der Elektroden von etwa 190 cm pro Minu te. Wenn der Schweißvorgang die Schweißstelle verringer ter Breite erreichte, wurden etwa 1100 Ampere Schweißstrom gehalten, während automatisch die Zuführgeschwindigkeit auf etwa 280 cm pro Minute anstieg. Wenn das Schlackenbad über die Schienenköpfe stieg, so nahm die Zuführgeschwindigkeit automatisch auf etwa 457 cm pro Minute zu.

Bei dieser Ausführungsform wurden die Hobart-Stromquellen des Modells RC-750 parallel geschaltet, so daß sie einen stetigen Maximalstrom von 1500 Ampere abgeben konnten. Mit einer solchen Einrichtung ist ein gewisser Bedienungsaufwand zur Einstellung der Zuführgeschwindigkeit erforderlich, um die Stromabgabe von 1800 Ampere also oberhalb des Nennstroms der kombinierten Stromquellen, auf den stabilen Zustand von 1100 Ampere zu verringern. Es ist jedoch anzunehmen, daß mit einer Stromquelle höherer Leistung von beispielsweise 200 bis 2500 Ampere die Elektrodenzuführgeschwindigkeit ohne Bedienungsaufwand automatisch so eingestellt würde, daß der Strom auf dem vorgegebenen Wert von z.B. 1100 Ampere gehalten würde.

Bei dieser Ausführungsform bestand die Führungsanordnung 45 aus einer Stahlplatte mit geringem Kohlenstoffanteil, z.B. aus AISI-SAE 1010, oder aus einer Kombination dieser Stahlart mit ausgewählten Legierungen, z.B. Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil vom Typ AISI-SAE 1080. Die Führungsrohre waren aus Flußstahl oder Weichstahl handelsüblicher Art. Die Elektroden bestanden aus Weichstahldrähten z.B. des Typs AWS-E7 0 5-3.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Elektroden, deren Führungen und die Platte auch aus anderen Metallen bestehen können. Dir» Auswahl der Materialien der Führungsanordnung 4

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hängt von verschiedenen Faktoren und dem Grad ihrer Wichtigkeit ab, beispielsweise von der gewünschten Anpassung der Schweißhärte an diejenige der Schienen, der gewünschten Anpassung des Schweißmaterials an das der Schienen, beispielsweise in Form einander entsprechender Legierungen, sowie von der gewünschten Makrostruktur der Schweißung. Die Elektroden können beispielsweise aus Chrom-!-Molybdän bestehen.

Falls erwünscht, kann die Schweißuny mit konstanter Broitn hergestellt werden, die gleich der Breite an den Schienenfüßen ist. Eine solche Schweißuny ist in Figur 7 mit 60 bezeichnet. Hierbei wird natürlich mehr Schwoißmetal1 verbraucht. Ferner ist die Menge ausgehärteten Metalls 62, das nach der Schweißung für ausreichenden Freirauni eines Rades entfernt worden muß, größer als bei einer Schwcißung, die der Schienenkontur folgt, wie sie in Figur 6 gezeigt ist. Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei im Schweißen nicht so geübtem Personal, kann ein Schweißen gemäß Figur mit größerer Wahrscheinlichkeit die hohe angestrebte Schweißqualität gewährleisten.

Bei Herstellung einer Schweißung gleichmäßiger Breite kann die Führungsanordnung eine gegenüber Figur 5 gleichmäßigere Breite haben. Eine Konstruktion mit gleichmäßig beabstandeten Elektroden über die gesamte Schweißtiefe kann verwendet werden. Ferner können mehr als zwei Elektroden vorgesehen sein, um eine gleichmäßige Wärnieverteilung und Füllmetal1vortci1ung über diο Schweißbreitc zu erreichen.

Figur 8 zeigt: einen Querschnitt des Einsatzes V) und 'vine Seitenansicht des unteren Teils der Führungsanordnung 4'j mit mehr Einzelheiten als in Figur 5. in dor Praxis ist der untere Teil der Führungsanordnung 45 nicht flach.

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Die Führungen 28 und 28a sind hingegen zurückgesetzt und enden an Stellen oberhalb der Platte 45a und der Flügel 45b. Zusätzlich ist eine tiefe Aussparung 45c in der. Platte 45a vorgesehen, und pyramidenförmige Teile 45d ragen nach unten zum Einsatz 35. Ihre Seitenansicht zeigt Figur 8a. Diese Metallteile sind absichtlich mit scharfen Kanten 45e versehen.

Beim Betrieb dieser Anordnung ragen die Elektroden 29 und 29a nach unten und stehen praktisch in Kontakt mit dem Einsatz 35. Wird der Strom eingeschaltet, so tritt ein starker Lichtbogen 70 zwischen den Elektroden und dem Einsatz auf, da die Elektroden das Potential +V und der Einsatz Erdpotential· führen. Dadurch schmilzt ein Teil des Elektrodenmetal1s. Etwas geschmolzenes Metall wird zurück zu der Führungsanordnung 4 5 und dann wieder zum Einsatz 3 5 gesprüht. Der Grund dafür, daß die Führungen 28 und 28a am unteren Teil der Anordnung zurückgesetzt sind, besteht darin, das zurückgesprühte geschmolzene Metall von den Führungsrohren fern zu halten, damit es mit diesen nicht verschmilzt. Ein splches Verschmelzen würde eine weitere Elektrodenzuführung verhindern. Ferner ist das Zurücksetzen der Führungsrohre erforderlich, um die richtige elektrische Herausführung der Elektroden zu gewährleisten.

Durch den starken Lichtbogen ;in den Hlektrodenspitzen zum Einsatz kann auch eine Ausbreitung des Lichtbogens aufwärts zu der Führungsanordnung 4 5 auf treten. Solche Lichtbögen suchen scharfe Kcinten. Aus diesem" Grund sind die scharfen K.mten 4 5ο vorgesehen. Durch die Lichtbogenbildung an diesen K.mten neigt etwas Metall an den Kanten 45e der Teile Ί'κΐ zum Schmelzen, wodurch die Kanten allmählich abgerundet worden. Das geschmolzene Metall tropft zum Einsatz 45 ab. Wichtig ist hierbei die Tatsache, daß zunächst

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geschmolzenes Metall nicht nur durch die schmelzenden Elektroden an zwei best", i -nun ton. Punkten dos Einsatzes 3'¹S geliefert wird, sondern auch über die gesamte Fläche des Einsatzes 35, wodurch sich eine relativ gleichmäßige Verteilung des geschmolzenen Metalls über den Einsatz bei Beginn des Schweißverf ahrens; ei-gibt. Dadurch schmilzt das schlackenbildende Material gleichmäßig und bildet ein Schlackenbad gleichmäßiger Temperatur. Dies trägt wesentlich zur Endqualität der Schweißung bei» Die Teile 45d, die als separate Metallteile beschrieben wurden, können auch so verwirklicht werden, daß die Platte 45a und die Flügel 45b mit pyramidenartigen scharfen Kanten anstelle separater Teile 45d versehen werden.

Alle vorstehend beschriebenen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Zusammenfassung*erfindungswesent]ich sein.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ί1.yElektroschlackenschweißverfahren, bei dem zueinander beabstandete Metallteile, insbesondere die Enden von Eisenbahnschienen, durch eine Metallschweißung in einerSchweißform miteinander verbunden werden, in die laufend ein Füllmetall eingeführt wird und In der ein elektrisch erhitztes Schlackenbad vorgesehen ist, wobei der elektrische Strom zwischen dem mit dem Schlackenbad in Kontakt stehenden Füllmetall und der Schweißform fließt und das Schlackenbad auf einer hohen Temperatur gehalten wird, so daß das Füllmetall schmilzt und abwärts in den Forrahohlraura fließt und danach durch Abkühlung die Schweißung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Führungsanordnung, die ein in vorbestimmter Weise ausgebildetes Unterteil aufweist, mindestens eine Metallelektrode laufend in den Formhohlraum eingeführt wird und daß ein Lichtbogen zwischen einem trogförmigen metallischen Einsatz, welcher von dem Formboden wärmeisoliert ist, und der Elektrode erzeugt wird, so daß die Elektrodenspitze, der Einsatz und Teile des Unterteils der Führungsanordnung schmelzen und eine Schicht aus geschmolzenem Metall mit weitgehend gleichmäßiger Temperaturverteilung bilden.

   2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei oder nach Einleiten des Schweißvorganges ein Schlackenbildungsmittel In den Pormhohlraum eingeführt wird, welches in dessen unteren Teil fileBt und bei Kontakt mit dem geschmolzenen Metall ein Schlackenbad mit gleichmäßiger Temperaturverteilung bildet.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode bei kontinuierlich fließendem Schweißstrom so lange in das Schlackenbad eingeführt wird, bis das geschmolzene Metall eine Höhe mindestens gleich der Oberkante der zu verschweißenden Metallteile erreicht.

   4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Führungsanordnung (4 5) mit zumindest zwei zueinander beabstandeten und in den Formhohlraum (20) einsetzbaren Führungsrohren (28, 28a) für jeweils eine Elektrode (29, 29a), wobei die Führungsrohre (28, 28a) und die Elektroden (29, 29a) aus vorbestimmten Metallen bestehen, die das Füllmetall bilden.

   5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsanordnung (45) ferner Metall mit vorbestimmten Eigenschaften zumindest zwischen den zueinander beabstandeten Führungsrohren (28, 28a) aufweist.

   6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall mindestens zwei Metallplatten (45a, 45b) mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen sind.

   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei in Richtung zum Formhohlraum (20) divergierenden Führungsrohren (28, 28a) an der Stelle größten Abstandes flügelartige Metallplatten (45b) an den Führungsrohren (28, 28a) vorgesehen sind.

   8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flügelartigen Metallplatten (45b) abwärts

   bis unter die Enden der Führungsrohre (28, 28a) verlaufen,

   9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen den divergierenden Führungsrohren (28, 28a) Metall mit vorbestimmten Eigenschaften vorgesehen ist.

   10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (45a) zwischen den Führungsrohren (28„ 28a) eine vom unteren Ende ausgehende Aussparung (45c) aufweist.

   11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,. dadurch gekennzeichnet, daß am Unterteil der Führungsanordnung (45) unter den Enden der Führungsrohre (28, 28a) an der Stelle ihres größten Abstandes scharfe Kanten (45e) ausgebildet sind.

   12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11-_f dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißform zwei einander gegenüberstehende Schuhe (18, 18a) aufweist, deren Kontur so ausgebildet ist, daß sie an den Seiten der miteinander zu verschweißenden Metallteile (12, 13) fest anliegend befestigbar sind und die Seiten des Formhohlraums (20) bilden, der den Abstand (t) zwischen den Enden der Metallteile (12, 13) einschließt, daß für den Boden (15) der Schweißform ein Metallblock (30) vorgesehen ist, der an seiner Oberseite eine längliche Vertiefung (30a) aufweist, in der ein wärmeisolierendes Material (36) angeordnet ist, und daß ein trogförmiger Einsatz (35) in der Vertiefung (30a) angeordnet ist, der den Boden des Formhohlraums (20) bildet.

   13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuhe (18, 18a) auf dem Einsatz (35) aufliegen

   und über dessen trogförmige Vertiefung hinausragen»

   14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der trogförmigen Vertiefung größer als die Breite der Unterteile (12a, 13a) der miteinander zu verschweißenden Metallteile (12, 13) ist und daß die Breite der trogförmigen Vertiefung größer als der Abstand zwischen den Metallteilen (12, 13) ist.

   15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (35) aus einem durch Lichtbogenbildung schmelzbaren Metall besteht, welches bei Abkühlung die unterste Schicht der Schweißung bildet.

   16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (35) von dem Metallblock (30) nur im Bereich der trogförmigen Vertiefung wärmeisoliert ist.