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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum manuellen Stumpfschweißen eines
Schienenabschnitts und eines massiven Metallblocks unter Metallzusatz, die
zwischen ihren einander gegenüberstehenden Seiten
eine mit dem Zusatzmetall zu füllende
tiefe Kammer begrenzen, die sich nach außen über einen oberen, sich quer
zu den beiden Seiten erstreckenden Zugangsdurchgang öffnet und
von diesem Durchgang aus eine Tiefe von mehr als dem Vierfachen
des Abstands zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten der beiden
zu verschweißenden Elemente
aufweist.
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Im
Bereich des Baus von Eisenbahngleisen sowie in anderen Bereichen
des Kesselbaus ist es erforderlich, ein Profilteil, wie ein Schienenelement,
mit einem Ende eines massiven Metallblocks von gleicher oder größerer Höhe stumpf
zu verschweißen.
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Eisenbahnschienen
besitzen im Allgemeinen einen vertikalen Steg, der auf einem horizontalen Fuß aufliegt.
Am oberen Ende des Stegs ist ein Pilz vorgesehen, der die Lauffläche für die Räder eines Eisenbahnfahrzeugs
bildet.
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Auf
diese Weise besitzt die Schiene eine vom Fuß zum Pilz gemessene Höhe, die
viel größer als
ihre Breite in ihrem durchgehenden Bereich, d.h. im Bereich des
Stegs, ist.
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Beim
stumpfen Verschweißen
einer Schiene besitzt die Kammer, die mit einem Metallzusatz gefüllt werden
soll, eine Höhe
bzw. Tiefe, die viel größer als
der Abstand zwischen den beiden zu verschweißenden Elementen und als die
Breite der Schiene in ihrem durchgehenden Teil ist.
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Da
die Schienen außerdem
auf ihrem Fuß flach
aufliegen, ist es nicht wünschenswert,
die Schienen von ihrer Seitenfläche
aus zu verschweißen,
da dabei vertikale aufsteigende Verschweißungen durchgeführt werden
müssten,
die kompliziert in ihrer Ausführung
sind.
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Deshalb
werden Schienen vorzugsweise von oben geschweißt.
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Bei
einem herkömmlichen
Lichtbogenschweißverfahren
ist der Zugang zu der Kammer zur Aufnahme des Zusatzmetalls infolge
ihrer relativ zu ihrer Tiefe geringen Breite schwierig.
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Zur
Durchführung
solcher Verschweißungen ist
es üblich,
ein Verfahren zur Lichtbogenschweißung mit Hilfe von umhüllten Stäben, ein
halbautomatisches Verfahren mit Hilfe eines gefüllten Drahts oder ein so genanntes
aluminothermisches Schweißverfahren
zu verwenden.
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Die
Stäbe sowie
die gefüllten
Drähte
setzen jedoch bei ihrer Verwendung einen Rauch frei, der das Schmelzbad
vor Oxidation schützt.
Dieser reichlich entwickelte Rauch verdeckt den Schweißbereich und
erzeugt eine starke Störung
für den
Schweißer, der
nun nicht mehr über
eine ausreichende Sicht auf den in Schweißung begriffenen Bereich verfügt.
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Bei
Kesselbauarbeiten mit Stahl mittlerer Dicke, d.h. von etwa 5 bis
25 mm, werden Metallelemente auch manchmal mit Hilfe von halbautomatischen
Lichtbogenschweißverfahren
mit vollen Drähten
geschweißt,
denen ein gasförmiger
Schutz zugeordnet ist. Derartige Schweißverfahren werden jedoch ausschließlich in
gedeckten Werkstätten
verwendet und werden nicht im Bereich der stationären Eisenbahnanlagen
eingesetzt. Die verwendeten Schweißbrenner haben eine Gesamtlänge von
etwa 75 mm und einen Durchmesser von etwa 25 mm.
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US 5 773 779 beschreibt
ein Verfahren zum Verschweißen
von zwei Schienen.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum stumpfen
Verschweißen
eines Schienenabschnitts und eines massiven Metallblocks zu liefern,
die die oben erwähnten
Nachteile nicht aufweisen und mit denen eine Qualitätsschweißung erhalten
werden kann, indem die Arbeit des Schweißers erleichtert wird, ohne
dass es erforderlich ist, die zu verschweißenden Werkstücke zu wenden.
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Zu
diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein Schweißverfahren
nach Anspruch 1.
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Entsprechend
besonderen Ausführungsformen
besitzt das Verfahren eines oder mehrere der Merkmale der Unteransprüche.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung folgt eine ausschließlich als Beispiel dienende
Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen
wird. In dieser zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht, die in einem Kreuzungskern die Bereiche
zeigt, die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt werden
sollen,
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2 eine
perspektivische Ansicht, die die Anordnung eines Schienenabschnitts
und eines Kreuzungskerns vor der Verschweißung zeigt,
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3 eine
perspektivische Ansicht der Anordnung von 1 in einer
Erhitzungsvorphase, von unten gesehen,
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4 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Schweißbrenners,
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5 eine
Seitenansicht der Spitze des Schweißbrenners von 4 mit
einer örtlichen
Wegbrechung, und
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6 eine 4 entsprechende
perspektivische Ansicht, die die Verschweißung mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens
veranschaulicht.
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Der
in 1 dargestellte Kreuzungskern 1 umfasst
einen im Wesentlichen parallelepipedförmigen massiven zentralen Block 3.
An den Enden des Blocks 3 sind vier paarweise koaxiale
Schienenabschnitte 5 stumpf angeschweisst, wobei die auf
diese Weise definierten gemeinsamen Achsen sich schneiden. Die Verschweißungen 7 werden
mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens,
wie es im Nachstehenden beschrieben wird, hergestellt.
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Man
geht davon aus, dass der massive Block und die Schienenabschnitte
aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,5% bestehen. Das
Verfahren ist nämlich
besonders für
diesen Stahltyp interessant, bei dem die Verschweißungen sorgfältig ausgeführt werden
müssen.
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In 2 ist
ein Beispiel von zwei Elementen detailliert dargestellt, die mit
Hilfe eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens
miteinander verbunden werden können.
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Diese
Figur zeigt eine Nutschiene 10 für ein Straßenbahngleis und einen zentralen
Block 12 des Kreuzungskerns.
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Die
Nutschiene bzw. deren Schienenabschnitt 10 besitzt einen
Fuß 14,
der dazu bestimmt ist, horizontal auf Stützen aufzuliegen, einen Steg 16 und
einen Pilz 18. Dieser Pilz besitzt einen Körper 20 und
eine Schürze 22,
die miteinander eine Spurrille 24 zur Aufnahme des Spurkranzes
des Rads des Eisenbahnfahrzeugs begrenzen.
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Die
Höhe H
der Schiene beträgt
beispielsweise 150 mm. Die Dicke p des Stegs 16 beträgt je nach
Schienentyp 10 bis 20 mm.
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An
einem Ende wird die Schiene 10 längs einer Verbindungsseite 26 an
dem zentralen Block 12 des Kreuzungskerns angeschweißt. Dieser
besitzt im Wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds.
Auf seiner Oberseite 28 sind zwei sich schneidende Spurrillen 30, 32 ausgespart.
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An
den Enden der Spurrillen sind die Seitenflächen des Blocks 12 so
abgeschrägt,
dass sie sich in zur Achse der Spurrillen 30 und 32 senkrechten Ebenen
erstrecken. Der Schienenabschnitt 10 wird insbesondere
an einer seiner abgeschrägten
Seitenflächen
angeschweißt,
und zwar an der Seitenfläche 34.
Die Nutschiene 10 ist so angeordnet, dass die Spurrillen 24 und 30 koaxial
sind.
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Vor
der Verschweißung
sind die einander gegenüberstehenden
Seiten 26 und 34 der Schiene 10 und des
zentralen Blocks 12 des Kreuzungskerns durch eine Kammer
getrennt, die dazu bestimmt ist, bei der Schweißung den Metallzusatz für eine metallurgische
und mechanische Verbindung aufzunehmen. Die einander gegenüberstehenden
Seiten sind in einem Abstand e von einander angeordnet, die, in der
Achse der Spurrillen 24, 30 gemessen, im Wesentlichen
gleich 20 mm ist.
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Zunächst wird
der Fuß 14 an
den Block 12 in einem herkömmlichen Verfahren angeschweißt, da hier
kein Problem der Zugänglichkeit
auftritt.
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Vor
der Durchführung
der eigentlichen Verschweißung
des Stegs und des Pilzes wird der Block 12 im Bereich der
schrägen
Seite 34 erhitzt, um eine Temperatur zwischen 300°C und 500°C zu erreichen. Diese
Erhitzung wird, wie in 3 dargestellt ist, mit Hilfe
von einem oder mehreren Brennerrohren 40 vorgenommen, die
an die Unterseite des Blocks 12 angelegt werden. Diese
Brennerrohre 40 liefern eine Wärmeleistung von etwa 50 kW.
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Die
Erhitzung des Blocks 12 wird bis zu einer sehr hohen Temperatur
durchgeführt,
um dem Block eine ausreichende Energie zuzuführen, damit er diese dann allmählich während des
gesamten Schweißvorgangs
abgibt, wodurch Zwischenerhitzungen vermieden werden, die Unterbrechungen
des Schmelzbads verursachen.
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Wie
in 2 dargestellt ist, werden vor der Metallzusatzphase
am Ende der Schiene 10 zu beiden Seiten der Kammer 36,
die mit Schweißmaterial gefüllt werden
soll, Formen 42, 44 angeordnet. Diese Formen 42, 44 haben
allgemein ein Profil, das dem seitlichen Profil der Schiene entspricht.
Sie besitzen auf diese Weise eine Verdickung 46, 48,
die dazu ausgelegt ist, zwischen dem Fuß 14 und dem Pilz 18 aufgenommen
zu werden, indem sie an der Seitenfläche des Stegs 16 anliegt.
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Außerdem besitzt
jede Form eine ebene Fläche 50, 52 zur
Auflage auf der schrägen
Fläche 34 des
Blocks.
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Im
Bereich der Verbindung der Verdickungen 46, 48 mit
den Anlageflächen 50, 52 besitzen
die Formen 42, 44 vertikale Absätze 54, 56,
die sich über
die ganze Höhe
der Verdickungen erstrecken. Diese Absätze besitzen einen auf ihrer
ganzen Höhe
konstanten polygonalen Querschnitt. So werden diese von zwei Flächen 54A, 54B und 56A, 56B gebildet,
die sich paarweise senkrecht erstrecken. Die Breite der Absätze, in
der Längsachse
der Schiene 10 gemessen, ist gleich dem Abstand e zwischen
den Flächen 26 und 34 der
beiden zu verschweißenden
Elemente.
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Die
Tiefe der Absätze 54 und 56,
an der Seite 34 gemessen, beträgt 1 bis 2 cm.
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Erfindungsgemäß wird die
Schweißung durch
Lichtbogenschweißung
mit einem vollen Draht unter Gasschutz des Schmelzbades vorgenommen. Zur
Durchführung
dieser Schweißung
wird ein Schweißbrenner 60 verwendet,
der in den 4 und 5 dargestellt
ist. Dieser besitzt einen Griff 62, der durch eine Schweißspitze 64 verlängert ist,
die am Griff über
ein Verbindungsstück 65 befestigt
ist. Die Schweißspitze
besitzt einen geradlinigen Abschnitt mit einer Länge L von mehr als 150 mm.
Sie ist beispielsweise gleich 165 mm. Der Außendurchmesser D dieses Abschnitts
ist im Wesentlichen gleich 15 mm.
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Die
geradlinige Spitze 64 hat eine Länge, die größer als die Gesamthöhe H der
zu verschweißenden
Schiene ist, das heißt
als die Tiefe der Kammer 36. Die Spitze 64 hat
auf diese Weise eine Länge
von mehr als dem Sechsfachen ihres Außendurchmessers und vorteilhafterweise
von mehr als dem Zehnfachen dieses Durchmessers.
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Der
Durchmesser D beträgt
zwischen 50 und 90% des Abstands zwischen den einander gegenüberstehenden
Seiten der beiden zu verschweißenden
Elemente. Vorteilhafterweise beträgt er im Wesentlichen 80% dieses
Abstands.
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Wie
in 5 dargestellt ist, ist die Spitze 64 außen durch
einen zylindrischen Mantel 66 mit kreisförmigem Querschnitt
begrenzt. Ein voller Zusatzmetalldraht 68 verläuft im Inneren
der Spitze 64 in der Achse des Mantels 66. Der
Draht wird im Inneren eines elektrisch leitenden Kontaktrohrs 70 geführt, dessen
Innendurchmesser ein wenig größer als
der Außendurchmesser
des Drahts 68 ist.
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Auf
dem wesentlichen Teil seiner Länge
ist das Kontaktrohr 70 außen mit einem elektrisch isolierenden
Material 72 bedeckt, wie z.B. einer warmschrumpfenden Hülle.
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Zwischen
der Schicht aus isolierendem Material 72 und dem Mantel 66 wird
ein ringförmiger Durchgang 74 zum
Durchströmen
eines Schutzgases gebildet. Der Durchgangsquerschnitt 74 ist
so groß gewählt, dass
der Durchgang des für
die Schweißung
erforderlichen Gasdurchsatzes gestattet wird.
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Das
Kontaktrohr 70 ist mit einer Schweißstromquelle verbunden, während die
zu verschweißenden
Werkstücke
mit der Masse verbunden sind.
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Die
Schicht 72 aus isolierendem Material verhindert die Bildung
eines Lichtbogens zwischen dem Draht 48 oder dem Kontaktrohr 70 und
dem Mantel 66.
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Das
Kontaktrohr 70 erstreckt sich im Wesentlichen über die
ganze Länge
des Mantels 66. Sein Ende 70A befindet sich jedoch
im Inneren des von dem Mantel 66 begrenzten Raums etwas
hinter seinem freien Ende.
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Wie
in 6 dargestellt ist, führt der Schweißer zur
Durchführung
der Schweißung
die Spitze 64 von dem oberen Durchgang aus, der zwischen
dem Pilz der Schiene und der Oberseite des Blocks 12 gebildet
wird, die Spitze 64 in das Innere der für die Schweiße vorgesehenen
Kammer 36 ein. Die Länge der
Spitze 64 gestattet es, die Verschweißung der beiden Elemente vom
Boden der Kammer aus vorzunehmen und allmählich im Maße der Füllung aufzusteigen, wodurch
eine metallurgische Kontinuität
der einander gegenüberstehenden
Flächen
geschaffen wird.
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Durch
Verwendung eines vollen Drahts und eines Schutzgases wird die Bildung
von Rauch vermieden, der die Arbeitszone bedeckt.
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Infolge
des Fehlens von Schlacke können die
Formen an die zu verschweißenden
Werkstücke angelegt
werden, ohne dass es erforderlich ist, Durchgänge zur Abfuhr der Schlacke
zu belassen. Auf diese Weise erhält
man nach der Entformung ein besseres Aussehen der Verschweißung. Insbesondere
werden Anrisse reduziert und jede Einschlussgefahr wird vermieden.
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Selbst
wenn also die Spitze 64 eine große radiale Abmessung besitzt,
die an sich mit dem Abstand zwischen den beiden Werkstücken unvereinbar
ist, erleichtert die Verwendung eines solchen Schweißbrenners
die Arbeit des Schweißers.
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Das
Vorhandensein der Absätze 54 und 56 erhöht außerdem seitlich
den Raum für
die Bewegung der Schweißspitze,
was die Arbeit des Schweißers
auch noch erleichtert.
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Diese
Absätze
gestatten insbesondere die Neigung des Schweißbrenners in einem Einfallwinkel von
einigen Grad bei der Bildung des Lichtbogens, was ausreicht, um
ein gutes Eindringen der Schweiße
zu gewährleisten.
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Auf
diese Weise werden die Gefahren der Bildung von Fußpunkten
zu Beginn der Schweißung reduziert.
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Das
vorliegende Schweißverfahren
gestattet die Durchführung
der Verbindung einer Schiene mit einer glatten Fläche eines
Metallblocks, ohne dass es erforderlich ist, diese Fläche so zu
bearbeiten, dass sie im Querschnitt dasselbe Profil wie die Schiene besitzt,
wie dies häufig
vorgenommen wird. Der Wegfall dieses Bearbeitungsschritts reduziert
die Kosten der Verbindung.