EP0545336B1 - Head to head welding joint of two aligned rail segments - Google Patents
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- EP0545336B1 EP0545336B1 EP92120396A EP92120396A EP0545336B1 EP 0545336 B1 EP0545336 B1 EP 0545336B1 EP 92120396 A EP92120396 A EP 92120396A EP 92120396 A EP92120396 A EP 92120396A EP 0545336 B1 EP0545336 B1 EP 0545336B1
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
- E01B11/00—Rail joints
- E01B11/44—Non-dismountable rail joints; Welded joints
- E01B11/50—Joints made by electric welding
Definitions
- a welding method is known from US Pat. No. 4,841,116, in which the rail gap is in turn enclosed on all sides, and a welding powder is poured in via an opening at the top, which is melted by an arc produced by means of a welding wire, ie plasticized or is liquefied to fill the cavity between the two rails.
- the disadvantage of this welding process is that it is not possible to visually check the quality of the welding process when the weld is being made, and cavities, for example, which occur in the transition area between the melted or plasticized welding powder and the opposite end faces of the two rail pieces are not recognized can.
- the melting electrode 9 has a diameter between 0.8 and 4.0 mm for producing the intended welding zones, the voltage supply device 20 being designed to supply a current to the melting electrode 9 in the range from 100 to 1100 amperes.
- the protective gases 12 to 14, or the protective gas mixture produced therefrom, consist of 40% to 70% argon, 25% to 60% helium, 3% to 10% carbon dioxide and 0.1% to 1% oxygen.
- a cooling device 39 is arranged on one of the two sides of the rail web 31 and the welding gap 41 between the end faces 6 and 7 by arrangement several horizontal weld beads 27 closed.
- the cooling device being able to be moved from one side wall of the rail web 31 to the other during operation, so that the rail web 31 can be completely welded through.
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt eine Schweißverbindung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schweißverbindung.The invention describes a welded joint as described in the preamble of claim 1 and a method for producing such a welded joint.
Aus der US-A-4 672 173 ist ein Schweißverfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen zwei in Längsrichtung eines Schienenstranges hintereinander angeordneten Schienenstücken bekannt. Bei diesem bekannten Schweißverfahren wird das Schutzgas in den Formhohlraum eingeführt, der durch die Schienenprofile und die den Bereich des Schlitzes zwischen den beiden Schienenspalten übergreifende Kühlvorrichtung gebildet wird, und der durch die Schweißung geschlossen werden soll. Die Kühlvorrichtung umschließt den Schienenspalt vollständig und nur über eine Öffnung an der Oberseite der Kühlvorrichtung kann die Schweißvorrichtung in den Schienenspalt eindringen. Nachteilig ist hierbei, daß keine optische Kontrolle der Schweißverbindung erfolgen kann, wodurch bei einer fehlerhaften Schweißnaht die gesamte Schweißnaht neu hergestellt werden muß.From US-A-4 672 173 a welding method for producing a welded connection between two rail pieces arranged one behind the other in the longitudinal direction of a rail track is known. In this known welding process, the protective gas is introduced into the mold cavity, which is formed by the rail profiles and the cooling device which extends over the region of the slot between the two rail gaps, and which is to be closed by the welding. The cooling device completely surrounds the rail gap and the welding device can only penetrate into the rail gap via an opening on the top of the cooling device. The disadvantage here is that the weld connection cannot be checked optically, which means that the entire weld seam must be re-established if the weld seam is faulty.
Weiters ist aus der US-A-4 841 116 ein Schweißverfahren bekannt, bei dem der Schienenspalt wiederum allseits umschlossen wird, und über eine Öffnung an der Oberseite ein Schweißpulver eingefüllt wird, welches durch einen über einen Schweißdraht hergestellten Lichtbogen aufgeschmolzen, d.h. plastifiziert bzw. verflüssigt wird, um den Hohlraum zwischen den beiden Schienen auszufüllen. Nachteilig ist bei diesem Schweißverfahren, daß bei der Herstellung der Schweißverbindung eine optische Kontrolle der Qualität des Schweißvorganges nicht möglich ist, und beispielsweise Lunker, die im Übergangsbereich zwischen dem aufgeschmolzenen bzw. plastifierten Schweißpulver und den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der beiden Schienenstücke auftreten, nicht erkannt werden können. Damit ist auch der unmittelbare Einbrand bzw. das Aufschmelzen des Grundmaterials der Schienenstücke nicht in allen Fällen gewährleistet, und daher die Qualität der derart hergestellten Schweißverbindung in vielen Fällen nicht ausreichend bzw. muß bei einer Störung des Verfahrens die gesamte Schweißnaht neu hergestellt werden, da ein Fehler im Schweißvorgang z.B. überhaupt erst nach Fertigstellung der gesamten Schweißverbindung durch eine Röntgenuntersuchung oder dgl. feststellbar ist.Furthermore, a welding method is known from US Pat. No. 4,841,116, in which the rail gap is in turn enclosed on all sides, and a welding powder is poured in via an opening at the top, which is melted by an arc produced by means of a welding wire, ie plasticized or is liquefied to fill the cavity between the two rails. The disadvantage of this welding process is that it is not possible to visually check the quality of the welding process when the weld is being made, and cavities, for example, which occur in the transition area between the melted or plasticized welding powder and the opposite end faces of the two rail pieces are not recognized can. This means that the direct penetration or melting of the base material of the rail sections is not guaranteed in all cases, and therefore the quality of those produced in this way In many cases, the weld connection is not sufficient, or the entire weld seam has to be re-established in the event of a malfunction of the method, since an error in the welding process can only be determined, for example, only after completion of the entire weld connection by means of an X-ray examination or the like.
Es sind bereits die verschiedensten Verfahren zum Verbinden der Stirnenden von unmittelbar aufeinanderfolgenden Schienenteilen für Schienen von Gleisen für Bahnfahrzeuge, beispielsweise Eisenbahnschienen oder Straßenbahnschienen, bekannt. Vielfach wird für derartige Verbindungsschweißungen, so diese im Bereich von verlegten Gleisen erfolgen, das sogenannte Aluminium-Thermit-Schweißen verwendet. Bei diesem Aluminium-Thermit-Schweißen wird Metallpulver aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand in eine die Schienenenden umgebende Form eingegossen, sodaß in Art eines Gußverfahrens der Spalt zwischen den einander zugewandten, gegenüberliegenden Enden der Stirnenden der Schienen ausgegossen und dadurch mit einanderverbunden wird.A wide variety of methods for connecting the ends of immediately successive rail parts for rails of tracks for rail vehicles, for example railroad tracks or tramway rails, are already known. The so-called aluminum-thermite welding is often used for such connection welding, if this is done in the area of laid tracks. In this aluminum thermite welding, metal powder is melted and poured in the liquid state into a mold surrounding the rail ends, so that the gap between the mutually facing, opposite ends of the front ends of the rails is poured out in a type of casting process and is thereby connected to one another.
Für den Einsatz zum Schweißen von Schienen in verlegten Gleisen, aber vor allem auch zur Herstellung von Verbindungsschweißungen in Schienenlagern, wird auch das Abbrenn-Stumpfschweißen verwendet. Bei diesem werden die unbearbeiteten Stoßflächen während des Stromdurchganges in so leichter Berührung gehalten, daß der Werkstoff an den kleinen örtlichen Berührungsstellen wegen der großen Stromdichte stetig abbrennt. Das flüssige Metall wird aus der Stoßstelle herausgeschleudert. Nach genügender Tiefe der Abbrandzone erfolgt die Verschweißung durch schlagartiges Stauchen unter gleichzeitiger Stromabschaltung. An der Schweißstelle entsteht, durch das aus der Stoßfuge herausgequetschte flüssige Material ein Grat. Dieser Grat wird durch Abscheren und nachfolgendes Überschleifen entfernt.Flash butt welding is also used for the welding of rails in laid tracks, but above all for the production of connection welds in rail bearings. In this case, the unprocessed abutting surfaces are kept in such light contact during the passage of the current that the material burns continuously at the small local contact points because of the large current density. The liquid metal is thrown out of the joint. After sufficient depth of the burn-up zone, the welding is carried out by sudden upsetting with simultaneous power cut-off. A burr is created at the weld due to the liquid material squeezed out of the butt joint. This burr is removed by shearing and subsequent grinding.
Des weiteren ist es im Bereich von Gleisanlagen bei hoher Schienenbelastung und Abnutzung insbesondere in Bogenstrecken üblich, das Schienenkopfprofil durch Auftragsschweißung wiederherzustellen. Dazu werden vielfach unter Verwendung von offenen bzw. verdeckten Lichtbogenschweißungen oder Schutzgasschweißungen Zusatzwerkstoffe auf die Schienen, insbesondere im Bereich der Schienenkopfflanken, aufgebracht.Furthermore, in the area of track systems with high rail loads and wear, particularly in curved sections, it is customary to restore the rail head profile by cladding. For this purpose, additional materials are often applied to the rails, in particular in the area of the rail head flanks, using open or concealed arc welding or inert gas welding.
Durch Schleifen wird dann die gewünschte Schienenkopfform durch Materialabtrag des überstehenden Materials hergestellt.The desired rail head shape is then produced by grinding by removing the excess material.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Schweißverbindung zwischen zwei in Längsrichtung eines Schienenstranges hintereinander angeordneten Schienenstücken zu schaffen, die aus mehreren Einzelnähten zusammengesetzt ist und sowohl durch Hand, als auch durch automatische Schweißverfahren in kurzer Zeit ohne aufwendigen Maschinenpark hergestellt werden kann.The present invention is based on the object of creating a welded connection between two rail pieces arranged one behind the other in the longitudinal direction of a rail track, which is composed of several individual seams and can be produced both by hand and by automatic welding processes in a short time without complex machinery.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 beschriebene Schweißverbindung gelöst. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß durch die Anordnung von mehreren Schweißzonen, in welchen die Materialstärken in etwa gleichbleibend sind, die Grundmaterialien ausreichend aufgeschmolzen und eine innige Verbindung zwischen dem Grundmaterial und den Zusatzmaterialien hergestellt werden kann. Vor allem ist es dadurch möglich, die vom Querschnitt her dickeren Bereiche durch mehrere neben und übereinander angeordnete Schweißnähte zu verbinden und auszufüllen. Dadurch kann die Gesamttemperaturbelastung des Schienenstranges, vor allem im Bereich der Schweißstelle gering gehalten werden, und es werden Versprödungen im Anschweißbereich vermieden. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß nunmehr unter Schutzgasatmosphäre verschweißt werden kann, wodurch der Sauerstoffzutritt zu den erhitzten bzw. plastifizierten Bereichen der Schiene unterbunden werden kann.This object of the invention is achieved by the welded joint described in the characterizing part of patent claim 1. The advantage of this solution is that by arranging several welding zones in which the material thicknesses are approximately the same, the base materials can be melted sufficiently and an intimate connection between the base material and the additional materials can be produced. Above all, this makes it possible to connect and fill the thicker areas by means of a plurality of weld seams arranged next to and above one another. As a result, the total temperature load on the rail track, especially in the area of the weld, can be kept low and embrittlement in the weld area is avoided. Another advantage of this solution is that welding can now be carried out under a protective gas atmosphere, as a result of which oxygen access to the heated or plasticized areas of the rail can be prevented.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Schweißverbindung beschreibt Patentanspruch 2. Dadurch ist es nunmehr möglich, in den dem Verschleiß am stärksten ausgesetzten Bereichen widerstandsfähigere und härtere Materialien zu verwenden, wobei die aufgetragene Schichtstärke und der Bereich in dem diese Materialien verwendet werden, nunmehr freizügig gewählt werden kann und trotzdem die Schweißverbindung in einem einzigen Arbeitsvorgang hergestellt werden kann.A further advantageous embodiment of the welded joint is described in
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 3, da dadurch den unterschiedlichen Beanspruchungen in den verschiedenen Bereichen der Schiene auch bei Herstellung der Schweißverbindung Rechnung getragen werden kann.An embodiment according to claim 3 is also advantageous, since it means the different stresses in the different areas the rail can also be taken into account when making the welded connection.
Die Ausführungsvariante nach Patentanspruch 4 ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung der Schweißverbindung durch eine Vielzahl von in ihrem Aufbau gleichartiger Schichten, wodurch über die gesamte Schweißverbindung ein einheitlicher Gefügeaufbau erreicht und eine hohe Festigkeit der Schweißverbindung erzielt werden kann. Dazu kommt, daß durch die Anpassung bzw. die Einschaltung von verschiedenen Lagen aus unterschiedlichen Zusatzmaterialien im Inneren der einzelnen Schweißzonen, beispielsweise Verstärkungsbereiche und Verstärkungsrippen oder die Dehnung begünstigende Schichten mit hohen elastischen Formveränderungseigenschaften verwendet werden können.The embodiment variant according to claim 4 advantageously enables the welded connection to be produced by a multiplicity of layers of the same structure, as a result of which a uniform structure is achieved over the entire welded connection and a high strength of the welded connection can be achieved. In addition, by adapting or switching on different layers of different additional materials in the interior of the individual welding zones, for example reinforcement areas and reinforcement ribs or layers which promote stretching, high elastic shape change properties can be used.
Durch die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 können interne Spannungszonen beim Übergang zwischen Materialien mit unterschiedlichen Elastizitäts- bzw. Dehnungs- oder Biegeeigenschaften vermieden werden, da sprunghafte Veränderungen in den einzelnen Festigkeitswerten verhindert sind.The further development according to
Die Erfindung umfaßt weiters auch ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 6 beschrieben ist.The invention also includes a method for producing a welded connection, as described in the preamble of
Dieses Verfahren ist durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Patentanspruches 6 gekennzeichnet. Vorteilhaft ist bei der Herstellung der Schweißverbindung nach diesem Verfahren, daß durch die Verwendung des speziellen Schweißgases bei der Schaffung des Plasmas, die Gasatome in Ionen und freie Elektronen bzw. Schutzgas dissoziiert werden, wobei die geladenen Gasteilchen auf sehr hohe Temperaturen von z.B. 6.600 bis 22.200 Grad erhitzt werden. Durch die Übertragung der derart hoch erhitzten Gasteilchen über den Lichtbogen hinweg, geben die geladenen Plasmateilchen ihre Wärme ab, die gleichzeitig die Schmelzelektrode abschmilzt und den Grundstoff auf- bzw. vorwärmt. Somit wird eine ausgezeichnete, kurzzeitige Plastifizierung des Grundwerkstoffes erzielt, die ein zu starkes und übermäßig andauerndes Erhitzen der Randbereiche im Übergang zwischen Grundmaterial und Zusatzmaterial verhindert, die bei den bekannten Verfahren zu einer Versprödung des Grundmaterials führt.This method is characterized by the features in the characterizing part of
Vorteilhaft sind auch die Maßnahmen nach Patentanspruch 7, da dadurch gezielt eine örtliche Überhitzung des Grundmaterials verhindert werden kann.The measures according to
Die weiteren Maßnahmen nach Patentanspruch 8 ermöglichen einen versprödungsfreien Aufbau der Schweißzonen durch die Vermeidung von Dehnungsrissen zwischen den einzelnen Schweißraupen.The further measures according to
Bei der Vorgangsweise nach Patentanspruch 9 ist von Vorteil, daß die zusätzlich benötigte Wärmeenergie gering gehalten werden kann, da die Schweißzonen in einem Arbeitsgang ohne Verlust der Wärme in den Schienenstücken aufgrund der Herstellung der Schweißraupen in der vorhergegangenen Schweißzone hergestellt werden können.In the procedure according to claim 9, it is advantageous that the additional heat energy required can be kept low, since the welding zones can be produced in one operation without loss of heat in the rail pieces due to the manufacture of the weld beads in the previous welding zone.
Wird nach Patentanspruch 10 vorgegangen, so können Spannungsrisse bzw. Gefügeveränderungen in Endbereichen der Schweißraupen einzelner Schweißzonen verhindert werden, daß die übereinander bzw. nebeneinander liegenden Schweißraupen als durchgängiger, einstückiger Teil hergestellt werden.If one proceeds according to claim 10, stress cracks or structural changes in the end regions of the welding beads of individual welding zones can be prevented that the welding beads lying one above the other or next to one another are produced as a continuous, one-piece part.
Schließlich ist bei dem Verfahrensablauf nach Patenanspruch 11 von Vorteil, daß ein lageweise versetzter Verbund zwischen den einzelnen Schweißraupen in der Schweißzone hergestellt wird, der eine günstigere Kräfteweiterleitung zwischen den einzelnen Schienenstücken ermöglicht.Finally, it is advantageous in the course of the method according to
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawings:
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schienenstoß in Seitenansicht während der Herstellung einer Schweißverbindung mit der dazugehörigen Schweißanlage in vereinfachter, schematischer Darstellung;
- Fig. 2
- eine Schweißverbindung zwischen zwei Stirnenden von zueinander fluchtend angeordneten Schienen in Stirnansicht und im Schnitt, gemäß den Linien II-II in Fig.3;
- Fig. 3
- die Schweißverbindung nach Fig.2 im Schnitt, gemäß den Linien III-III in Fig.2;
- Fig. 4
- die Schweißverbindung in Stirnansicht mit der im Schienenfußbereich angeordneten Schweißzone und der dieser Schweißzone zugeordneten Kühlvorrichtung, geschnitten, gemäß den Linien IV-IV in Fig.5;
- Fig. 5
- die Schweißverbindung nach Fig.4 in Seitenansicht;
- Fig. 6
- die Schweißverbindung in Stirnansicht mit den bereits fertiggestellten Schweißzonen im Bereich des Schienenfußes und des Schienensteges mit der dem Schienensteg zugeordneten Kühlvorrichtung, geschnitten, gemäß den Linien VI-VI in Fig.7;
- Fig. 7
- die Schweißverbindung nach Fig.6 in Seitenansicht;
- Fig. 8
- die Schweißverbindung in Stirnansicht mit allen fertig gestellten Schweißzonen und den dem Schienenkopf und dem Schienensteg zugeordneten Kühlvorrichtungen im Schnitt, gemäß den Linien VIII-VIII in Fig.9;
- Fig. 9
- die Schweißverbindung nach Fig.8 in Seitenansicht.
- Fig. 1
- a rail joint in side view during the production of a welded connection with the associated welding system in a simplified, schematic representation;
- Fig. 2
- a welded connection between two ends of rails arranged in alignment with one another in front view and in section, according to lines II-II in Figure 3;
- Fig. 3
- the welded joint according to Figure 2 in section, according to lines III-III in Figure 2;
- Fig. 4
- the welded connection in front view with the welding zone arranged in the rail foot region and the cooling device assigned to this welding zone, cut, according to lines IV-IV in FIG. 5;
- Fig. 5
- the welded joint of Figure 4 in side view;
- Fig. 6
- the welded connection in front view with the already completed welding zones in the area of the rail foot and the rail web with the cooling device assigned to the rail web, cut according to the lines VI-VI in FIG. 7;
- Fig. 7
- the welded joint of Figure 6 in side view;
- Fig. 8
- the welded connection in front view with all completed welding zones and the cooling devices assigned to the rail head and the rail web in section, according to lines VIII-VIII in FIG. 9;
- Fig. 9
- the welded joint of Figure 8 in side view.
In Fig.1 sind zwei Schienenstücke 1,2 gezeigt, die in Längsrichtung - Pfeil 3 - hintereinander fluchtend angeordnet sind und miteinander einen Schienenstrang 4 für Schienenfahrzeuge, wie z.B. Züge, Straßenbahnen, Standseilbahnen, Kräne, usw., bilden. Die Schienenstücke 1,2 werden über eine Schweißverbindung 5 miteinander kraft- und formschlüssig verbunden. Dazu wird zwischen einander zugewandten Stirnseiten 6,7 der beiden Schienenstücke 1,2 ein Zusatzmaterial 8 durch Abschmelzen einer Schmelzelektrode 9 eingebracht. Das Abschmelzen des Zusatzmaterials 8 erfolgt über einen zwischen der Schmelzelektrode 9 und dem Schienenstück 1,2 aufgebauten Lichtbogen 10, wobei der Zutritt von Sauerstoff und Stickstoff zur Schweißstelle durch einen Gasmantel 11, bestehend aus verschiedenen Schutzgasen 12,13,14, verhindert wird.In Fig.1 two
Die Schmelzelektrode 9, die beispielsweise durch einen Schweißdraht mit entsprechendem Durchmesser gebildet ist, wird von einer Vorratsrolle 15 abgezogen und über eine Schweißpistole 16 zugeführt, über die auch die Stromzufuhr über eine Leitung 17 und die Zufuhr der Schutzgase 12 bis 14 bzw. des Schutzgasgemisches über eine Leitung 18 erfolgt. Die Schweißpistole 16 ist entsprechend den bekannten Ausführungen ausgestattet und mit den notwendigen Schaltern zum Einleiten und Unterbrechen des Drahtvorschubes der Schmelzelektrode 9 bzw. der Stromzufuhr oder der Zufuhr der Schutzgase 12 bis 14 bzw. Schutzgasgemisches ausgebildet und steht dazu mit einer Steuervorrichtung 19 und mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 20 sowie mit einem Behälter für die Schutzgase 12 bis 14 bzw. das Schutzgasgemisch, beispielsweise Gasflaschen 21, in Verbindung.The fusible electrode 9, which is formed, for example, by a welding wire with a corresponding diameter, is drawn off from a
Die Schmelzelektrode 9 weist zur Herstellung der vorgesehenen Schweißzonen einen Durchmesser zwischen 0,8 und 4,0 mm auf, wobei die Spannungsversorgungseinrichtung 20 zur Zufuhr eines Stroms zur Schmelzelektrode 9 im Bereich von 100 bis 1100 Amper ausgebildet ist. Die Schutzgase 12 bis 14, bzw. das daraus hergestellte Schutzgasgemisch, besteht aus 40% bis 70% Argon, 25 % bis 60 % Helium, 3 % bis 10 % Kohlendioxyd und 0,1 % bis 1 % Sauerstoff.The melting electrode 9 has a diameter between 0.8 and 4.0 mm for producing the intended welding zones, the
Die jeweilige Abschmelzleistung bzw. die Stromzufuhr von der Spannungsversorgungseinrichtung 20 wird über die Steuervorrichtung 19 so verändert und gesteuert, daß zwischen 400 bis 1200 Kügelchen pro Sekunde von der Schmelzelektrode 9 abgeschmolzen werden, die bevorzugt einen Durchmesser aufweisen, welcher zumindest der Größe des Durchmessers der Schmelzelektrode 9 entspricht.The respective melting power or the current supply from the
Durch diese vorangegebenen Kriterien ist es nunmehr möglich, die Vorteile des Sprühlichtbogenübertragungsverfahrens in Verbindung mit Tropfengrößen, die normaler Weise dem globularen Übertragungsverfahren zugeordnet werden, zu nutzen. Dadurch kann in Verbindung mit dem neuen Schweißgasgemisch über das damit erzielte Plasmafeld das Festhalten des vergrößerten Metallstromflußvolumens in der Schweißverbindung erzielt und eine verbesserte Qualität der Schweißverbindung sowie eine bessere Durchdringung durch weitgehend weitergeführtes Vorwärmen des Grundwerkstoffes erreicht werden.With these previously specified criteria, it is now possible to use the advantages of the spray arc transmission method in conjunction with drop sizes that are normally assigned to the globular transmission method. As a result, in connection with the new welding gas mixture, the increased metal current flow volume can be retained in the welded joint via the plasma field thus achieved, and an improved quality of the welded joint and better penetration can be achieved through largely continued preheating of the base material.
In Fig.2 und 3 ist eine Schweißverbindung zwischen zwei Schienenstücken 1 und 2 gezeigt, die aus mehreren Schweißzonen 22,23,24 und 25 besteht. Die Schweißzonen 24 und 25 können auch durch eine gemeinsame einzige Schweißzone gebildet werden.2 and 3 show a welded connection between two
Wie aus den Darstellungen der Schweißzonen 22 bis 25 zu ersehen ist, ist jede dieser Schweißzonen durch eine Mehrzahl von Schweißraupen 26,27, 28 und 29 gebildet. Diese Schweißraupen 26 bis 29 sind, wie insbesondere die Darstellung in Fig.3 zeigt, zwischen den beiden einander zugewandten Stirnseiten 6,7 der Schienenstücke 1,2 übereinander und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Jeweils 6 bis 8, maximal 10 im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, übereinander angeordnete Schweißraupen 26 bilden die Schweißzone 22 im Bereich eines Schienenkopfes 30, während die Schweißraupen 27 die Schweißzone 23 im Bereich eines Schienensteges 31 und die Schweißraupen 28 bzw. 29 die Schweißzonen 24 bzw. 25 im Bereich eines Schienenfußes 32 bilden.As can be seen from the illustrations of the
Wie im Bereich des Schienenfußes 32 schematisch gezeigt, kommt es beim Auftragen der übereinander liegenden Schweißraupen 28 bzw. 29 zu einem Aufschmelzen der obersten mit strichlierten Linien angedeuteten Schicht der darunterliegenden Schweißraupe 28 bzw. 29. Damit kommt es zu einer innigen Materialverbindung zwischen den übereinander angeordneten Schweißraupen 26 bis 29.As shown schematically in the area of the
Gleichfalls ist ersichtlich, daß die Schweißzonen 22 bis 25 in den einander zugewandten Berührungsbereichen 33,34,35 und 36 in sich verschmolzen sind und damit auch in den unterschiedlichen Raumrichtungen der Schienenstücke 1,2 eine gleichförmige Gefügestruktur besteht.It can also be seen that the
Dabei bildet sich zwischen den Schweißraupen 27 und 29 der Berührungsbereich 34, zwischen den Schweißraupen 27 und 28 der Berührungsbereich 35 sowie zwischen den Schweißraupen 28 und 29 im Bereich des Schienenfußes 32 der Berührungsbereich 36 aus. Diese Berührungsbereiche 34 bis 36 sind schematisch durch strichpunktierte Linien und verschiedenartige Schraffuren dargestellt. Es ist aber auch ebenso möglich, die Schweißzonen 24 und 25 im Bereich des Schienenfußes 32 als eine einzige Schweißzone auszuführen, wie dies in einer später folgenden Figur näher dargestellt ist.The
Der Vorteil dieser gleichförmigen Gefügestruktur liegt darin, daß einheitliche Festigkeitswerte in der Schweißverbindung erzielt werden und somit die Biegefestigkeit bzw. die Zugfestigkeit erheblich erhöht werden kann.The advantage of this uniform structure is that uniform strength values can be achieved in the welded joint and the bending strength or tensile strength can thus be increased considerably.
Gleichzeitig wird aber auch die Schlagzähigkeit dadurch erhöht, sodaß vor allem im Bereich von Schienenstößen auch dann, wenn sich im Bereich einer Fahrfläche 37 des Schienenkopfes 30 kleine Einkerbungen bilden, die durch die Schlagbeanspruchung aufgrund des Darüberrollens der Räder entstehenden Schwingungen die Lebensdauer einer derartigen Schweißverbindung 5 nicht nachteilig verändert.At the same time, however, the impact strength is also increased, so that, especially in the area of rail joints, even if small notches form in the area of a running
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schweißverbindung 5 ist es aber trotz der erhöhten Wärmezufuhr aufgrund des größeren Materialabtrages und der verbesserten Aufschmelzung des Grundmaterials der Schienenstücke 1,2 möglich, die Versprödungen des Grundmaterials der Schienenstücke 1 und 2 dadurch hintanzuhalten, indem im Bereich der Schweißverbindung bei Herstellung der einzelnen Schweißzonen 22 bis 25 Kühlvorrichtungen angeordnet werden.With the design of the welded joint 5 according to the invention, it is possible, despite the increased heat supply due to the greater material removal and the improved melting of the base material of the
In den Fig.4 bis 9 sind nun für die Herstellung der verschiedenen Schweißzonen 22 bis 25 die dazu benötigten Kühlvorrichtungen 38,39 und 40 in der dafür benötigten Anordnung dargestellt. Gleichzeitig ergibt sich durch die Aufeinanderfolge der Darstellungen in den Fig.4 bis 9 der Verfahrensablauf zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung 5.4 to 9, the
Wie aus den Fig.4 und 5 zu ersehen ist, wird vor der Herstellung der Schweißverbindung 5 zwischen den Stirnseiten 6 und 7 der Schienenstükke 1 und 2 ein Schweißspalt 41 zwischen den Stirnseiten 6,7 hergestellt, in dem ein Distanzstück 42 im Bereich des Schienenkopfes 30 auf die Fahrfläche 37 aufgesetzt wird und mit einem einer Dicke 43 des Schweißspaltes 41 entsprechenden Vorsprung 44 in den Schweißspalt 41 vorragt.As can be seen from FIGS. 4 and 5, a weld gap 41 is produced between the end faces 6, 7 in which a
Die Kühlvorrichtung 38 liegt an einer Aufstandsfläche 45 der Schienenstükke 1,2 an und weist eine Vertiefung 46 auf, deren Breite 47 zumindest der Dicke 43 des Schweißspaltes 41 entspricht oder, wie insbesondere in Fig.5 gezeigt, etwas größer ausgebildet ist. Dadurch soll erreicht werden, daß ein gewisser Überstand des Zusatzmaterials erreicht wird, der über die Aufstandsfläche 45 vorragt.The
Im Bereich des Schienenfußes 32 ist hier nur eine einzige durchgehende Schweißzone 24 dargestellt. Somit bildet sich zwischen der Schweißzone 23 im Bereich des Schienensteges 31 mit ihren Schweißraupen 27 und der Schweißzone 24 mit den Schweißraupen 28 der Berührungsbereich 34 aus.In the area of the
Eine entsprechende Kühlung mit der Kühlvorrichtung 38 wird erreicht, indem über eine schematisch dargestellte Leitung 48, Kühlmittel in einem schematisch dargestellten Kühlkreislauf 49 mit einer Pumpe 50 und einem Wärmetauscher 51 zum Abkühlen des Kühlmediums hindurchgeführt wird. Dadurch kann ein entsprechender Temperaturverlauf im Grundmaterial der Schienenstücke 1,2 und in den der Grundschweißraupe benachbarten Schweißraupen 28,29 erreicht werden.Corresponding cooling with the
Durch das im Bereich des Schienenkopfes 30 eingesetzte Distanzstück 42 wird verhindert, daß sich aufgrund der Temperaturbelastung der Schienenstücke 1,2 im Bereich des Schienenfußes 32 der Schweißspalt 41 im Bereich des Schienenkopfes 30 verringert. Gleichzeitig wird dadurch eine fluchtende Lage der Fahrflächen 37 der miteinander verschweißten Schienenstücke 1 und 2 sichergestellt.The
Da die Schweißzone 24 bzw. 25 mit einer relativ geringen Anzahl von maximal 10 Schweißraupen 28,29 hergestellt werden kann, ist eine innige Verbindung zwischen den einzelnen Schweißraupen 28 und 29 einerseits und dem Grundmaterial der Schienenstücke 1,2 andererseits möglich. Vor allem werden dadurch in Art eines Zugbandes ausgebildete Verbindungsstege zwischen den Schienenstücken 1,2 geschaffen, für die gegenüber der Verwendung von Elektroden zur Herstellung einer derartigen Schweißverbindung mit einer erheblich geringeren Anzahl von Schweißraupen 26 bis 29 das Auslangen gefunden werden kann.Since the
Nachdem die beiden Schienenfüße 32 der Schienenstücke 1,2 miteinander verschweißt sind, wird, wie aus den Fig.6 und 7 ersichtlich, eine Kühlvorrichtung 39 auf einer der beiden Seiten des Schienensteges 31 angeordnet und der Schweißspalt 41 zwischen den Stirnseiten 6 und 7 durch Anordnung mehrerer waagrechter Schweißraupen 27 verschlossen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Schweißspalt 41 mit senkrechten Schweißraupen 27 zu verschweißen, wobei während des Arbeitens die Kühlvorrichtung von einer Seitenwand des Schienensteges 31 auf die andere umgesetzt werden kann, sodaß ein völliges Durchschweißen des Schienensteges 31 erzielbar ist.After the two
Nach diesem Arbeitsvorgang, währenddem das Distanzstück 42 noch zwischen den Stirnseiten 6,7 der Schienenstücke 1,2 angeordnet war, wird dieses Distanzstück 42 entfernt und zusätzlich zu der Kühlvorrichtung 39 auf der der Kühlvorrichtung 39 gegenüberliegenden Seite des Schienenkopfes 30 eine weitere Kühlvorrichtung 40 angeordnet. Danach wird der Schweißspalt 41 im Bereich des Schienenkopfes 30 mit 10 bis 12, aber maximal 15 Schweißraupen 26 ausgefüllt. Die Kühlvorrichtungen 39 und 40 weisen ebenso wie die Kühlvorrichtung 38 im Bereich des Schweißspaltes 41 entsprechende Vertiefungen 46 auf, sodaß ein Überstand der jeweiligen Schweißraupen 26 bis 29 über die Oberflächen der Schienenstücke 1,2 ermöglicht werden kann. In jenen Bereichen, wo diese Überstände über die benachbarten Flächen der Schienenstücke 1,2 störend sind, können diese mittels Abscher- oder Schleifmaschinen nachträglich entfernt werden.After this operation, while the
Die Beaufschlagung der Kühlvorrichtungen 39 und 40 kann mit demselben Kühlkreislauf 49 erfolgen, wie bei der Kühlvorrichtung 38, es ist aber auch möglich, jeder Kühlvorrichtung 38 bzw. 39 oder 40 einen eigenen Kühlkreislauf 49 zuzuordnen.The
Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung liegt aber vor allem darin, daß durch die Anordnung einer Vielzahl von Schweißraupen 26 bis 29 durch geeignete Wahl der Zusatzmaterialien und vor allem unterschiedlicher Zusatzmaterialien den Belastungen in den einzelnen Querschnittsbereichen der Schienenstücke 1,2 einfacher Rechnung getragen werden kann. So ist es dadurch möglich, beispielsweise die oberste oder mehrere der Fahrfläche/n 37 bzw. den Schienenkopfflanken nächstliegenden Schweißraupen 26 im Bereich des Schienenkopfes 30 mit gegenüber den übrigen Schweißraupen unterschiedlichen, z.B. härteren Zusatzmaterialien herzustellen, sodaß ein erhöhter Widerstand gegen Abnutzung im Bereich des Schienenkopfes 30, insbesondere der Fahrfläche 37 bzw. der Schienenkopfflanken, erzielt werden kann.Another advantage of this solution according to the invention is, however, that by arranging a large number of
Ein besonderer Vorteil der nunmehr beschriebenen Vorgangsweise bei Herstellung der Schweißverbindung 5 in Verbindung mit dem einleitend genannten Schweißgas liegt darin, daß bei der Schaffung des Plasmas die Gasatome in Ionen und freie Elektronen bzw. Schutzgasen dissoziiert werden, wobei die geladenen Gasteilchen auf sehr hohe Temperaturen von z.B. 6.600 bis 22.200 Grad erhitzt werden. Werden nun solche derart hoch erhitzten Gasteilchen über den Lichtbogen hinweg übertragen, geben die geladenen Plasmateilchen ihre Wärme ab, um die Schmelzelektrode 9 abzuschmelzen und den Grundwerkstoff auf- bzw. vorzuwärmen. Die danach abgekühlten Gasteilchen verbinden sich wieder um das Molikulargefüge des oder der ursprünglichen Gase/s zu bilden.A particular advantage of the procedure now described for producing the welded joint 5 in connection with the welding gas mentioned at the outset is that when the plasma is created, the gas atoms are dissociated into ions and free electrons or protective gases, the charged gas particles reaching very high temperatures of e.g. 6,600 to 22,200 degrees can be heated. If such highly heated gas particles are now transferred across the arc, the charged plasma particles give off their heat in order to melt away the melting electrode 9 and to heat or preheat the base material. The subsequently cooled gas particles combine again to form the molecular structure of the original gas or gases.
Es erweist sich weiters bei der Herstellung der verschiedenen Schweißzonen 22 bis 25 als vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Eigenschaften der Zusatzmaterialien 8 in einander unmittelbar benachbarten Schweißraupen 26,27,28,29 einer Schweißzone 22;23,24,25 bzw. Berührungsbereiches 33,34,35,36 nicht zu stark unterschiedlich sind. Ist ein derart starker Unterschied beispielsweise der Härte des Elastizitätsmoduls, der elastischen Dehnung, der Biegefestigkeit oder sonstiger maßgeblicher Materialeigenschaften gewünscht, ist es vorteilhaft, diese Werte linear oder exponentiell über mehrere Lagen hinweg kontinuierlich ansteigen zu lassen, um dann zum Endwert zu gelangen. Dadurch werden innere Spannungen in der Schweißnaht vermieden, und es können auch bei den nachfolgenden Betriebsbelastungen Spannungsrisse verhindert werden.It also proves to be advantageous in the manufacture of the
Weiters ist auch bei der Herstellung der einzelnen Schweißraupen 26 bis 29 zu berücksichtigen, daß ein einheitliches Gefüge vor allem bei hohen Festigkeiten erzielt werden kann, wenn die einzelnen Schweißraupen 26 bis 29 in den verschiedenen einander benachbarten Schweißzonen 22 bis 25 unmittelbar aufeinanderfolgend aufgetragen werden. Dadurch wird ein mehrfaches Erkalten und Erhitzen des Verbindungsbereiches mit den schädlichen Nachteilen hinsichtlich Versprödung und internen Spannungen ausgeschaltet. Dies trifft natürlich nicht nur auf die Herstellung der benachbarten Schweißraupen 26 bis 29 in jeweils jeder Schweißzone 22 bis 25, sondern auch für das unmittelbar aufeinanderfolgende Herstellen in den einander benachbarten Schweißzonen 22 bis 25 in ihren Berührungsbereichen 33 bis 36 zu, da dadurch interne Spannungen zwischen den Schweißzonen 22 bis 25 verhindert und zusätzliche Gefügeveränderungen in den Berührungsbereichen 33 bis 36 zwischen den einzelnen Schweißzonen 22 bis 25 vermieden werden können.Furthermore, when manufacturing the
Als vorteilhaft hat es sich dabei auch erwiesen, wenn die einander unmittelbar benachbarten, aufeinanderfolgend hergestellten Schweißraupen 26 bis 29 in einer Schweißzone 22;23,24,25 bzw. in den einander benachbarten Schweißzonen 22 bis 25 in jeweils entgegengesetzten Schweißrichtungen aufgetragen werden. Dies hat den Vorteil, daß Gefügeveränderungen am Beginn jedes Schweißvorganges vermieden werden können, da diese Schweißraupe 26 bis 29 als endlose, theoretisch zick-zack-förmig hin- und herlaufende Schweißraupe 26 bis 29 hergestellt wird und somit Übergangsverluste, bedingt durch den erneuten Schweißbeginn im Randbereich der Schweißzone 22 bis 25, zwischen den einzelnen Schweißraupen 26 bis 29 verhindert werden können.It has also proven to be advantageous if the immediately adjacent, successively produced
Dabei kann es sich auch als vorteilhaft erweisen, wenn die nacheinander hergestellten Schweißraupen 26 bis 29 einer Schweißzone 22 bis 25 bzw. der Schweißraupen 26 bis 29 in einander benachbarten Schweißverbindungen 5 in Schienenlängsrichtung gegeneinander versetzt, jedoch in senkrecht zur Schienenlängsrichtung verlaufenden Randbereichen überlappend angeordnet sind. Diese lageweise Versetzung der Schweißraupen 26 bis 29, beispielsweise um die halbe Teilung, um eine Art Verbundkonstruktion wie bei einem Mauerwerk aus Ziegeln herzustellen, bietet eine innigere Verzahnung der einzelnen Schweißraupen 26 bis 29 bzw. der einzelnen Lagen des Zusatzmaterials 8, wodurch insgesamt die Eigenschaften dieser Schweißverbindung 5 erheblich verbessert werden können.It can also prove to be advantageous if the
Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, über die gezeigten Ausführungsbeispiele hinaus die Anordnung der Einzelelemente beliebig zu verändern bzw. auch unterschiedlich zu kombinieren.It is of course possible within the scope of the invention to change the arrangement of the individual elements as desired or to combine them differently in addition to the exemplary embodiments shown.
Auch Einzelmerkmale aus den gezeigten Ausführungsbeispielen können eigenständige, erfindungsgemäße Lösungen darstellen.Individual features from the exemplary embodiments shown can also represent independent solutions according to the invention.
Abschließend sei noch festgehalten, daß in den Zeichnungen des Ausführungsbeispiels zum besseren Verständnis der Erfindung einzelne Teile unproportional vergrößert bzw. schematisch vereinfacht dargestellt sind.Finally, it should be noted that individual parts are disproportionately enlarged or shown schematically simplified in the drawings of the exemplary embodiment for a better understanding of the invention.
- 1 Schienenstück1 rail section
- 2 Schienenstück2 rail piece
- 3 Pfeil3 arrow
- 4 Schienenstrang4 rail track
- 5 Schweißverbindung5 welded joint
- 6 Stirnseite6 end face
- 7 Stirnseite7 end face
- 8 Zusatzmaterial8 additional material
- 9 Schmelzelektrode9 melting electrode
- 10 Lichtbogen10 arcs
- 11 Gasmantel11 gas jacket
- 12 Schutzgas12 shielding gas
- 13 Schutzgas13 shielding gas
- 14 Schutzgas14 shielding gas
- 15 Vorratsrolle15 supply roll
- 16 Schweißpistole16 welding gun
- 17 Leitung17 line
- 18 Leitung18 management
- 19 Steuervorrichtung19 control device
- 20 Spannungsversorgungseinrichtung20 voltage supply device
- 21 Gasflasche21 gas bottle
- 22 Schweißzone22 welding zone
- 23 Schweißzone23 welding zone
- 24 Schweißzone24 welding zone
- 25 Schweißzone25 welding zone
- 26 Schweißraupe26 welding bead
- 27 Schweißraupe27 welding bead
- 28 Schweißraupe28 welding bead
- 29 Schweißraupe29 welding bead
- 30 Schienenkopf30 rail head
- 31 Schienensteg31 rail web
- 32 Schienenfuß32 rail base
- 33 Berührungsbereich33 Touch area
- 34 Berührungsbereich34 contact area
- 35 Berührungsbereich35 contact area
- 36 Berührungsbereich36 Touch area
- 37 Fahrfläche37 driving surface
- 38 Kühlvorrichtung38 cooling device
- 39 Kühlvorrichtung39 Cooling device
- 40 Kühlvorrichtung40 cooling device
- 41 Schweißspalte41 welding gaps
- 42 Distanzstück42 spacer
- 43 Dicke43 thickness
- 44 Vorsprung44 head start
- 45 Aufstandsfläche45 footprint
- 46 Vertiefung46 deepening
- 47 Breite47 width
- 48 Leitung48 line
- 49 Kühlkreislauf49 Cooling circuit
- 50 Pumpe50 pump
- 51 Wärmetauscher51 heat exchanger
Claims (11)
- Weld joint between two rails arranged one behind another along a rail track, wherein the frontal ends of the rails which face each other, are connected with several beads consisting of a filler material and arranged one above another and next to each other from the rail foot to the rail head, and which is characterized in that the weld joint (5) is composed of a separate welding zone (22, 23, 24, 25) each, which connects a rail foot (32), a rail stem (31) and a rail head (30), and in that the welding zones (22 to 25) are connected in a form-locking manner in contact areas (33 to 36) directly facing each other, and in that the welding zone (22) in the rail head (30) consists of less than 15 melted beads (26) which are arranged next to each other and preferably located one above another and approximately parallel to each other and in that the welding zone (24, 25) in the rail foot (32) consists of less than 10 melted beads (28, 29) located next to each other and approximately running parallel to each other.
- Weld joint according to claim 1, characterized in that the filler material (8) shows more resistance or respectively hardness in a surface area immediately facing at least one running surface (37) of the rail track (4) than in the other welding zones (23 to 25).
- Weld joint according to claim 1 or 2, characterized in that the welding zones (22 to 25) are produced with different filler materials (8).
- Weld joint according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the welding zones (22 to 25) are produced in several layers and preferably, at least in individual layers produced of different filler materials (8).
- Weld joint according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the hardness, the modulus of elasticity and the tensile strength of the filler materials in the welding zones or respectively the layers in direction of the running surface (37) or respectively in the direction of the rail foot (32) are linearly and/or exponentially changed.
- Method for the production of a weld joint between the frontal ends, which face each other, of the rails of a rail track, wherein the two said frontal ends of the rails are apart from each other by the thickness of a welding gap, and, in particular, according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that by using a shielding gas (12 to 14) of 40% to 70% argon, 25% to 60% helium, 3% to 10% carbon dioxide and 0,1% to 1% oxygen and a consumable electrode (9) having a diameter of 0,8 mm to 0,4 mm and an amperage in the range of 100 to 1 100 amperes, beads (27) are applied one above another in a welding zone (24 or respectively 25) in the region of the rail foot (32) , whereupon the beads are produced in a welding zone (23, 22) located in the area of the rail stem (31) and in a welding zone located in the area of the rail head (30), wherein the welding zones (22; 23; 24, 25) produced apart from each other are connected in a form-locking manner in contact areas (33 to 36) directly facing each other, and wherein the welding zone (24, 25) of the rail foot (32) is produced by not more than 10 beads (26) above one another and the welding zone (22) of the rail head (30) by not more than 15 beads (26) above one another.
- Method according to claim 6, characterized in that at first a cooling device is assigned to the welding gap on the supporting surface of the rails facing away from the rail head (30), and in that the welding zone (24, 25) is filled up with filler material (8), whereupon the cooling device (38) is removed and thereafter, a cooling device (39) is assigned to the welding zone (23) in the region of the stem of the rail (31).
- Method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that the individual beads (26 to 29) in the particular welding zones (23 to 25) are applied each time immediately following each other.
- Method according to one or more of claims 6 to 8, characterized in that the beads (26 to 29) in a further welding zone (22; 25; 23, 24) adjacent to a finished welding zone (23, 24) are produced prior to the cooling down of said beads (26 to 29) in the already finished welding zone (23, 24).
- Method according to one or more of claims 6 to 9, characterized in that the immediately neighbouring and successively produced beads (26 to 29) of a welding zone (22 to 25) are applied in each of the following welding directions in the opposite direction.
- Method according to one or more of claims 6 to 10, characterized in that the beads (26 to 29) in the corresponding welding zones (22 to 25) or respectively in the welding zones next to each other (22 to 25) are offset along the rail tracks and overlapping the bordering areas vertical of the lengthwise direction of the rails.
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