WO2004035254A1 - Verfahren und vorrichtung zum verschweissen kopfgehärteter schienen mit getrennten legierungszusätzen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verschweissen kopfgehärteter schienen mit getrennten legierungszusätzen Download PDF

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    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01B11/44—Non-dismountable rail joints; Welded joints
    • E01B11/52—Joints made by alumino-thermal welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K23/00—Alumino-thermic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/26—Railway- or like rails

Definitions

  • the invention first relates to a method for welding head-hardened rails, in which the halves of a casting mold made of refractory material having at least one side riser are assembled around the two rail ends to be connected while building up a casting chamber, the assembled mold is preheated, the casting chamber by a closure piece covering the rail head is closed from refractory material and then metallothermally produced steel flows into the casting space after it hits the closure piece and fills it up, whereby alloy additives arranged in a solid compact form above the rail head are brought into contact with a part of the steel which forms the weld in the rail head area ,
  • DE 196 37 283 A1 discloses a process for the aluminothermic intermediate casting of rails, the aluminothermally produced steel being poured into a refractory casting mold which has an overflow and surrounding the ends of the rails to be joined, and alloy additives in a solid, compact form with part of a reaction crucible leaking steel in contact, which forms the weld in the rail head area.
  • the alloy additives are arranged on a bolt, an attached shaped piece (closure piece) covering the rail head in the upper region of the casting mold.
  • This object is achieved in that, before preheating, an alloy insert with a geometry that enables the preheating of the rail ends is inserted into the mold, and the steel produced in a metallothermic, in particular aluminothermic, manner after impacting the closure piece via the halves provided and essentially in each case Area of the rail head flows into the casting chamber pouring channels into the casting room.
  • the alloy additives By separating the alloy additives from the bolt or locking piece, they can be integrated into the mold during or immediately after assembly. It is also advantageous that they do not hinder preheating after integration.
  • the sprue channels and their assignment to the head area ensure targeted filling of the web and foot area of the casting mold on the one hand and the casting space section assigned to the head area to be alloyed on the other hand.
  • the invention also relates to a device for welding head-hardened rails, in particular according to the method of claim 1, with a casting mold Consisting of two mold halves made of a refractory material with at least one side riser, which, when assembled around a casting space around the two rail ends to be connected, with a closure piece covering the rail head and closing the casting space and with alloy additives arranged above the rail head in a solid, compact form.
  • the device provides that a support is provided in the two mold halves in the area of the casting space above the rail head, on which an alloy insert with a geometry that enables the preheating of the rail ends to be connected can be placed and that at least one sprue is provided in each mold half that opens into the casting area in the area of the rail head.
  • Subclaims 3 - 10 are directed to advantageous configurations of the device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a vertical section through a shape with a support groove above the
  • FIG. 2 shows a vertical section through a shape comparable to FIG. 1 with a thinner alloy insert in the support groove and with a bypass between the sprue channels and the side steps,
  • FIG. 3 shows a vertical section through a mold with a support step above the rail head with a casting space which does not taper in the upper region and has a bypass between the sprue channels and the foot flanks
  • 4 shows a horizontal section through FIGS. 1-3 along the line IV-IV through a shape in which the casting space has a rectangular cross section at least in the region of the support and above it
  • FIG. 5 shows a horizontal section through FIG. 1-3 along the line IV-IV through a shape in which the casting space has a circular cross section at least in the region of the support and above it
  • two mold halves 1 and 2 are mounted around the rail S with head K, web S and foot F, which delimit a casting space G surrounding the rail ends.
  • the casting chamber G has a section G1 tapering from the rail head K with a rectangular cross section (see Fig. 4), in which a circumferential support groove 3 is formed.
  • a parallelepiped-shaped alloy insert 4 with a central opening 4a is inserted into the support groove 3 and adapted to the dimensions of the groove.
  • pouring channels 5 are provided in the mold halves, which open towards the lower end of the section G1 essentially in the region of the rail head K, and preferably in a way towards the transition from the head to the web S of the rails.
  • the upper ends of the pouring channels open towards a distribution space 6, to which section G1 also opens.
  • the opening of the section G1 can be closed towards the distribution space 6 by a bar-like closure piece 7 with the engagement section 7a when the rail ends have been preheated through the opening by means of a burner.
  • the alloy insert 4 is therefore introduced into the mold independently of the closure piece 7 and preheated with the mold. The steel striking the closure piece 6 when the rails are welded is distributed in the distribution space and flows into the sprue channels from above.
  • a side riser 8 which essentially attaches to the casting space G at the ends of the flanks of the foot F and whose outlet opening lies above the inlet opening of the sprue 5.
  • a thinner alloy insert 4 ' is inserted into the groove 3. This should show that an adjustment is possible depending on the desired head hardening.
  • bypass 9 to the associated side riser 8 is provided at the lower end of the sprue 5.
  • the bypass is shown with a horizontal course. It can also run diagonally or more vertically. This also applies to bypasses that can be provided in addition to the one.
  • a step 10 is provided as a support in section G1 '.
  • the section G1 'does not have a constant cross section, so that the alloy insert 4 can also be inserted around the rails after the two mold halves have been installed.
  • bypass 11 to the casting space G is provided in the region of the flanks of the rail foot F at the lower end of the sprue 5.
  • the bypass is shown with a vertical course. It can also have a diagonal orientation. This also applies to bypasses that can be provided in addition to the one. 2 and 3, the design of the support can be replaced. A combination of the bypasses 9 and 11 is also conceivable under certain circumstances.
  • FIG. 5 a circular cross section of the casting space above the rail head in the area of the support in the form of the groove 3 or the step 9 is assumed.
  • a circular ring is then used as the alloy insert 12 or circular ring parts are used which do not necessarily form a full circular ring together (cf. parts 12 'in FIG. 5).
  • the invention therefore asks for the possibility of adapting to a wide variety of head hardening tasks with one or more part alloy inlays or with more one part alloy inlays, the alloy inlays or parts also being able to have a different composition.

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verschweißen kopfgehärteter Schienen (S), bei dem die mindestens einen Seitensteiger (5) aufweisenden Hälften (1, 2) einer Gießform aus Feuerfestmaterial unter Aufbau eines Gießraums (G) um die beiden zu verbindenden Schienenenden montiert werden, die montierte Form vorgewärmt wird, der Gießraum durch ein den Schienenkopf (K) überdeckendes Verschlußstück (7) aus Feuerfestmaterial geschlossen wird und danach metallothermisch erzeugter Stahl nach Auftreffen auf das Verschlußstück (7) in den Gießraum (G) einströmt und diesen auffüllt, wobei oberhalb dies Schienenkopfs (K) im Gießraum (G) angeordnete Legierungszusätze im fester kompakter Form (4; 12) mit einem Teil des Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet. Ist zur Trennung der Legierungszusätze (4, 12) von dem Verschlußstück (7) und zur Verbesserung der Anströmung des Legierungsbereichs vorgesehen, dass vor dem Vorwärmen eine Legierungseinlage (4; 12) mit einer das Vorwärmen der Schienenenden ermöglichenden Geometrie in die Form eingelegt wird und der Stahl nach dem Auftreffen auf das Verschlußstück (7) über jeweils in den Formhälften vorgesehene und im wesentlichen im Bereich des Schienenkopfs (K) in den Gießraum (G)mündende Eingußkanäle (5) in den Gießraum (G) einströmt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERSCHWEISSEN KOPFGEHARTETER SCHIENEN MIT GETRENNTEN LEGIERUNGSZUSÄTZEN
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verschweißen kopfgehärterter Schienen, bei dem die mindestens einen Seitensteiger aufweisenden Hälften einer Gießform aus Feuerfestmaterial unter Aufbau eines Gießraums um die beiden zu verbindenden Schienenenden montiert werden, die montierte Form vorgewärmt wird, der Gießraum durch ein den Schienenkopf überdeckendes Verschlußstück aus Feuerfestmaterial geschlossen wird und danach metallothermisch erzeugter Stahl nach Auftreffen auf das Verschlußstück in den Gießraum einströmt und diesen auffüllt, wobei oberhalb des Schienenkopfs im Gießraum angeordnete Legierungszusätze in fester kompakter Form mit einem Teil des Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet.
Aus der DE 196 37 283 A1 ist ein Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußverschweißen von Schienen bekannt, wobei der aluminothermisch erzeugte Stahl in eine die zu verbindenden Schienenenden umgebende feuerfeste, einen Überlauf aufweisende Gießform eingegossen und Legierungszusätze in fester, kompakter Form mit einem Teil des aus einem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet. Dabei sind die Legierungszusätze an einem Riegel, ein im oberen Bereich der Gießform den Schienenkopfs überdeckende angebrachte Formstück (Verschlußstück), angeordnet. Nach Abschluß der alumninothermischen Reaktion und Trennung des Stahls von der Schlacke nach Maßgabe eines fallenden oder eines steigenden Gusses jeweils bei fallendem Guß mit dem zuletzt bzw. bei steigendem Guß mit dem zuerst aus dem Reaktionstiegel ausfließenden Stahl in der Gießform zulegiert werden, wobei der Überlauf geschlossen ist. Mit anderen Worten: Ein Überlauf (Bypass) ist nicht vorhanden und die Legierungszusätze sind an dem Riegel angeordnet und werden erst nach dem Vorwärmen in die Form eingebracht. Die bei dem bekannten Verfahren verwendeten Formen weisen zwar Seitensteiger, aber keine von dem Gießraum getrennte Einlasskanäle. Beim fallenden Guß strömt der Stahl frei über die Kanten des Riegels in den oberen Teil des Gießraums ein; beim steigenden Guß strömt der vom Riegel ablaufende Stahl zunächst in die Steiger und steigt dann von unten im Gießraum auf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, bei dem die Auflegierung im Kopfbereich ohne Anordnung der Legierungszusätze am Verschlußstück bzw. Riegel erfolgen kann und eine gezielte Anstromung des Legierungsgbereichs des Gießraums.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vor dem Vorwärmen eine Legierunsgeinlage mit einer das Vorwärmen der Schienenenden ermöglichenden Geometrie in die Form eingelegt wird und der metallothermisch, insbesondere aluminothermisch, erzeugte Stahl nach dem Auftreffen auf das Verschlußstück über jeweils in den Formhälften vorgesehene und im wesentlichen im Bereich des Schienenkopfs in den Gießraum mündende Eingußkanäle in den Gießraum einströmt.
Durch die Trennung der Legierungszusätze von dem Riegel bzw. Verschlußstück können sie während bzw. direkt nach der Montage in die Form integriert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass sie nach der Integration die Vorwärmung nicht behindern. Die Eingußkanäle und ihre Zuordnung zum Kopfbereich sorgen für eine gezielte Auffüllung des Steg - und Fußbereichs der Gießform einerseits und des dem aufzu legierenden Kopfbereich zugeordneten Gießraumabschnitts andererseits.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verschweißen von kopfgehärteten Schienen, insbesondere nach dem Verfahren nach Anspruch 1 ,mit einer Gießform bestehend aus zwei mindestens einen Seitensteiger aufweisenden Formhälften aus einem Feuerfestmaterial, die bei Montage um die beiden zu verbindenden Schienenenden einen Gießraum begrenzen, mit einem den Schienenkopfs überdeckenden und den Gießraum abschließenden Verschlußstück und mit oberhalb des Schienenkopfs angeordneten Legierungszusätzen in fester, kompakter Form.
Erfindungsgemäß ist bei der Vorrichtung vorgesehen, dass in den beiden Formhälften im Bereich des Gußraums oberhalb des Schienenkopfs ein Auflager vorgesehen ist, auf das eine Legierungseinlage mit einer das Vorwärmen der zu verbindenden Schienenden ermöglichenden Geometrie auflegbar ist und dass in jeder Formhälfte mindestens ein Eingusskanal vorgesehen ist, der sich im Bereich des Schienenkopfs in den Gießraum öffnet.
Die Unteransprüche 3 - 10 richten sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Form mit einer Auflagernut oberhalb des
Schienenkopfs mit einem sich im oberen Bereich verjüngenden Gießraum ohne Bypass,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Form vergleichbar Fig. 1 mit einer dünneren Legierungseinlage in der Auflagernut und mit einem Bypass zwischen den Eingusskanälen und den Seitensteigem,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Form mit einer Auflagerstufe oberhalb des Schienenkopfs mit einem sich im oberen Bereich nicht verjüngenden Gießraum mit einem Bypass zwischen den Eingusskanälen und den Fußflanken, Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch die Fig.1-3 längs der Linie IV-IV durch eine Form, bei der der Gießraum zumindest im Bereich des Auflagers und darüber einen rechteckigen Querschnitt aufweist . und Fig.5 einen Horizontalschnitt durch die Fig.1-3 längs der Linie IV-IV durch eine Form, bei der der Gießraum zumindest im Bereich des Auflagers und darüber einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und
Bei der in der Fig.1 gezeigten Vorrichtung sind um die Schiene S mit Kopf K, Steg S und Fuß F zwei Formhälften 1 und 2 montiert, die einen die Schienenenden umgebenden Gießraum G begrenzen. Der Gießraum G weist einen sich vom Schienenkopf K ausgehend verjüngenden Abschnitt G1 mit rechteckigem Querschnitt (Vgl.Fig.4) auf, in dem eine umlaufende Auflagemut 3 ausgebildet ist. Während der Montage der beiden Formhälften wird in die Auflagernut 3 eine an die Abmessungen der Nut angepaßte quaderförmige Legierungseinlage 4 mit einer mittigen Öffnung 4a eingelegt.
Seitlich neben dem Abschnitt G1 sind in den Formhälften Eingusskanäle 5 vorgesehen, die sich zum unteren Ende des Abschnitts G1 im wesentlichen im Bereich des Schienenkopfs K öffnen, und zwar in bevorzugter Weise zum Übergang des Kopfs zum Steg S der Schienen hin.
Die oberen Enden der Eingusskanäle öffnen sich zu einem Verteilerraum 6 hin, zu dem sich auch der Abschnitt G1 hin öffnet. Die Öffnung des Abschnitts G1 kann zum Verteilerraum 6 hin durch ein riegelartiges Verschlußstück 7 mit Eingriffsabschnitt 7a verschlos en werden, wenn die Schienenenden mittels eines Brenners durch die Öffnung hindurch vorgewärmt worden sind. Die Legierungseinlage 4 wird also unabhängig von dem Verschlußstück 7 in die Form eingebracht und mit der Form vorgewärmt. Der beim Verschweißen der Schienen auf das Verschlußstück 6 auftreffende Stahl wird im Verteilerraum verteilt und strömt von oben in die Eingusskanäle ein.
In den Formhälften ist jeweils ein im wesentlichen an den Enden der Flanken des Fuß F an den Gießraum G ansetzender Seitensteiger 8 vorgesehen, dessen Austrittsöffnung oberhalb der Einlaßöffnung des Eingusskanals 5 liegt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 ist in die Nut 3 eine dünnere Legierungseinlage 4' eingelegt. Dies soll zeigen, dass in Abhängigkeit von der gewünschten Kopfhärtung eine Anpassung möglich ist.
Weiterhin ist am unteren Ende des Eingusskanals 5 ein Bypass 9 zu dem zugeordneten Seitensteiger 8 vorgesehen. Der Bypass ist mit einem horizontalen Verlauf dargestellt. Er kann auch diagonal oder mehr vertikal verlaufen. Dies gilt auch für Bypässe die zusätzlich zu dem einen vorgesehen sein können.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist im Abschnitt G1 ' als Auflager eine Stufe 10 vorgesehen. Oberhalb der Stufe 10 weist der Abschnitt G1 ' einen konstanten Querschnitt auf nicht, so dass die Legierungseinlage 4 auch nach der Montage der beiden Formhälften um die Schienen eingelegt werden kann.
Weiterhin ist am unteren Ende des Eingusskanals 5 ein Bypass 11 zu dem Gießraum G im Bereich der Flanken des Schienenfußes F vorgesehen. Der Bypass ist mit einem vertikalen Verlauf dargestellt. Er kann auch zusätzlich eine diagonale Ausrichtung erhalten. Dies gilt auch für Bypässe die zusätzlich zu dem einen vorgesehen sein können. Bei den Fig.2 und 3 kann die Bauart der Auflager ausgetauscht werden kann. Es ist unter Umständen auch eine Kombination der Bypässe 9 und 11 denkbar.
In der Fig. 4 ist durch die punktierte Linien dargestellt worden, dass an Stelle der einstückigen quaderförmigen Platte 4 mit mittiger Öffnung 4a auch einzelne Stäbe 4' als Legierunseinlage verwendet werden können, die so in die Nut eingelegt werden, daß sie ein Vorwärmen nicht behindern.
Bei der Fig.5 wird von einem kreisförmigen Querschnitt des Gießraums oberhalb des Schienenkopfs im Bereich des Auflagers in Form der Nut 3 oder der Stufe 9 ausgegangen. Als Legierungseinlage 12 wird dann ein Kreisring öder es werden Kreisringteile eingesetzt, die nicht unbedingt zusammen einen vollen Kreisring bilden (Vgl. Teile 12' in Fig. 5). Zur Anpassung an die Kopfhärtung ist es auch durchaus denkbar, bei der Ausführung des Auflagers als Stufe nach Montage der Formhälften mehrere Kreisringe übereinanderzulegen.
Die Erfindung bittet also die Möglichkeit mit ein oder mehrteiligen Legierungseinlagen bzw. mit mehren einteiligen Legierungseinlagen eine Anpassung an verschiedenste Kopfhärtungsaufgaben zu erreichen, wobei die Legierungseinlagen oder - teile auch eine verschieden Zusammensetzung aufweisen können.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Verschweißen kopfgehärteter Schienen, bei dem die mindestens einen Seitensteiger aufweisenden Hälften einer Gießform aus Feuerfestmaterial unter Aufbau eines Gießraums um die beiden zu verbindenden Schienenenden montiert werden, die montierte Form vorgewärmt wird, der Gießraum durch ein den Schienenkopf überdeckendes Verschlußstück aus Feuerfestmaterial geschlossen wird und danach metallothermisch erzeugter Stahl nach Auftreffen auf das Verschlußstück in den Gießraum einströmt und diesen auffüllt, wobei oberhalb dies Schienenkopfs im Gießraum angeordnete Legierungszusätze im fester kompakter Form mit einem Teil des Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet. d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor dem Vorwärmen eine Legierunsgeinlage mit einer das Vorwärmen der Schienenenden ermöglichenden Geometrie in die Form eingelegt wird und der Stahl nach dem Auftreffen auf das Verschlußstück über jeweils in den Formhälften vorgesehene und im wesentlichen im Bereich des Schienenkopfs in den Gießraum mündende Eingußkanäle in den Gießraum einströmt.
2. Vorrichtung zum Verschweißen von kopfgehärteten Schienen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einer Gießform bestehend aus zwei mindestens einen Seitensteiger aufweisenden Formhälften aus einem Feuerfestmaterial, die bei Montage um die beiden zu verbindenden Schienenenden einen Gießraum begrenzen, mit einem den Schienenkopf überdeckenden und den Gießraum abschließenden Verschlußstück und mit oberhalb des Schienenkopfs angeordneten Legierungszusätzen in fester , kompakter Form, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Formhälften (1,2) im Bereich (G1;G1') des Gießraums (G) oberhalb des Schienenkopfs (K) eine Auflager (3; 10) vorgesehen ist, auf das eine Legierungseinlage 4;4';12;12") mit einer das Vorwärmen der zu verbindenden Schienenden ermöglichenden Geometrie auflegbar ist und dass in jeder Formhälfte (1 ,2) mindestens ein Eingußkanal (5) vorgesehen ist, der sich im Bereich des Schienenkopfs (K) in den Gießraum öffnet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das Auflager von einer umlaufenden Nut (3) gebildet ist derart, dass die Legierunsgeinlage (4; 12) während der Formmontage einlegbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager von einer umlaufenden Stufe (10) gebildet ist derart, dass die Legierungseinlage (4; 12) nach der Formmontage einlegbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gußraum zumindest im Bereich des Auflagers einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Legierungseinlage aus mindestens einem Stab besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungseinlage aus mindestens einem Quader (4) mit mittiger Öffnung (4a) besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gußraum zumindest im Bereich des Auflagers einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Legierungseinlage aus mindestens einem Teilring besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungseinlage aus einem Kreisring (12) besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Formhälfte mindesten einen Bypass (9) vom Eingusskanal (5) zum Seitensteiger (8) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Formhälfte mindesten einen Bypass (11)vom Eingusskanal (5) zum Gießraum im Bereich der Fußflanken der Schienen aufweist.
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