Gießschweißen von Gleisen


Erfahrungsbericht über ein historisches Schweißverfahren von 1905

Das Gießschweißen von Schienenstößen ist ein historisches Schweißverfahren, das insbesondere zur Verbindung von Schienen von Straßenbahnen eingesetzt wurde. Fred G. Simmons, der Superintendent für den Bau und die Instandhaltung der Gleisanlagen bei der Milwaukee Electric Railway & Light Co, berichtete am 27. September 1905 in der Daily Street Railway Review über seine Erfahrungen mit dem Verfahren wie folgt: [1][2]


Das Gießschweißen von Schienenverbindungen

Fred G. Simmons

Superintendent für den Bau und die Instandhaltung der Gleisanlagen
Milwaukee Electric Railway & Light Co.


Zu den ersten im Rahmen eines Auftrags gießgeschweißten Schienenverbindungen wurden in den Monaten Oktober und November 1894 auf der Strecke der Southwestern Railway in der Chippewa Street, St. Louis,  erstellt. Die ersten 744 Fügestellen, die zu dieser Zeit verbunden wurden, waren sehr zufriedenstellend, da nur weniger als ½ Prozent brachen.

 

Im folgenden Jahr wurde mit den Arbeiten an den Gussschweißverbindungen auf den Straßenbahnlinien von Milwaukee begonnen. Ein Teil des damals geschweißten Gleises, das aus einer 5 Zoll hohen und 58 Pfund pro Yard schweren Straßenbahnschiene bestand (d.h. es hatte eine Höhe von 125 mm und ein Gewicht von 28 kg pro Meter), ist nach 10 Jahren ununterbrochenem Betrieb immer noch an Ort und Stelle und in erstklassigem Zustand.

 

Es ist nicht die Absicht des Verfassers, eine Überlegenheit in Bezug auf den Wirkungsgrad der Gießschweißverbindungen im Vergleich zu mehreren anderen Methoden zur Erzielung desselben Ergebnisses zu beanspruchen. 

   

Bild 1: Der für den Transport der Apparatur und des Materials verwendete motorisierte Arbeitswagen und dahinter der Kupol-Ofen mit dem fließenden geschmolzenen Eisen. Der dünne Strom von weißem, heißem Eisen ist bei genauer Betrachtung des (durch Anklicken vergrößerbaren) Bildes zu erkennen.

   

Wir glauben, dass viele Ingenieure und Manager die Anwendung des Gießschweißverfahrens aufgrund der zahlreichen falschen Argumente, die dagegen vorgebracht wurden, vermieden haben, und es ist der Zweck dieses Artikels, der Öffentlichkeit eine einfache Beschreibung der Ergebnisse zu geben, die beim Gussschweißen von Schienenstößen durch die Milwaukee Electric Railway & Light Co. im Rahmen der persönlichen Erfahrung des Verfassers und unter seiner Aufsicht erzielt wurden.
 
Diese Beschreibung und die erzielten Ergebnisse zeigen unseres Erachtens schlüssig die Möglichkeit auf, die Schienenstöße im Gießschweißverfahren auf eine sowohl hinsichtlich der Effizienz als auch der Wirtschaftlichkeit absolut zufriedenstellende Weise zu verschweißen.
  
Es wird behauptet, dass die geschmolzene Eisenmasse, die um den Schienenkopf gegossen wird, entweder eine chemische oder eine molekulare Veränderung im Metall der Schiene bewirkt, die diesen Schienenabschnitt weicher macht als den Rest, woraus zu schließen ist, dass der Kohlenstoff ausgebrannt ist. Bei über 150 Meilen (über 240 km) gießgeschweißter Gleise, von denen einige seit 10 Jahren in Betrieb sind, und bei vielen Meilen, die aufgrund des vollständigen Verschleißes der Schiene ersetzt wurden, ist kein Fall einer minderwertig gießgeschweißten Verbindung aufgetreten. Bei ordnungsgemäßer und gründlicher Durchführung der Arbeiten haben wir sogar festgestellt, dass bei der Abnutzung einer unserer alten Trägerschienen die gießgeschweißte Verbindung zum höchsten Punkt der Schiene wurde, wobei das dünne Metall auf jeder Seite der Schiene in Vertiefungen herunterbügelte und das starr gelagerte Metall der Verbindung hoch blieb. Abb. 11 ist von einer Fotografie einer solchen Verbindung reproduziert und zeigt deutlich die angegebenen Bedingungen.
  
Der gesamte Prozess des Erstellens einer Gießschweißverbindung ist in den beigefügten Bildern illustriert, die anhand von Fotos, die während des tatsächlichen Arbeitsfortschritts gemacht wurden, zusammengestellt wurden.
   

Bild 2: Vergrößerte Ansicht des Kupol-Ofen-Wagens, die den Apparat im Detail zeigt.

   

Der Verfahrensablauf ist in den Abbildungen so vollständig skizziert, dass ich mir erlaube, nur wenige Erklärungen abzugeben. Die Erwärmung des Eisens im Kupol-Ofen unterscheidet sich in keiner Weise von der eines gewöhnlichen Kupol-Ofens, und die verwendete Mischung ist der einzige Punkt, der einer besonderen Erwähnung bedarf; sie besteht zu 75 Prozent aus gutem Roheisen und zu 25 Prozent aus weichem Schrott.


Das Sandstrahlgerät ist von einfacher Konstruktion und bedarf keiner besonderen Erwähnung. Die Bedeutung einer gründlichen Reinigung von sechs oder acht Zoll (150 bis 200 mm) jedes zu schweißenden Schienenendes kann jedoch nicht hoch genug eingeschätzt werden, da es notwendig ist, sämtlichen Zunder sowie Schmutz zu entfernen, und das Sandstrahlverfahren dafür natürlich das wirtschaftlichste und effizienteste ist.

  

Bild 3: Eine Gesamtansicht des Wagens mit dem Sandstrahlgerät, das zur Reinigung der Schienenenden verwendet wurde.
   

Bild 4: Verbindungsstelle nach der Reinigung

  

Die bereits erwähnte schwere Spannvorrichtung ist ebenfalls ein ganz wesentliches Merkmal, da sie nicht nur ein "Aufwölben" und "Abknicken" der Verbindungsstelle verhindert, sondern auch dazu beiträgt, eine Überhitzung der Schienenköpfe zu verhindern. Diese Spannvorrichtung wird so lange in Position gehalten, bis keine Anzeichen von Rotglut an der Verbindungsstelle sichtbar sind.

   

Bild 5: Die Gussformen, der Klemmbalken und die Klemmen, die zur Vorbereitung der Verbindung für das Gießen des Metalls verwendet wurden. Es wird auf die Festigkeit dieser Vorrichtung und insbesondere des Klemmbalkens aufmerksam gemacht. Der Zweck dieses Stange besteht darin, ein "Aufwölben" oder "Knicken" der Verbindung während des Abkühlens zu verhindern, und sie hat sich als völlig ausreichend erwiesen.
   

Bild 6: Zwei für den Gießschweißvorgang vorbereitete Fügestellen, wobei der Anguss auf der einen Seite und die Entlüftung (durch den Steiger) auf der anderen Seite deutlich zu erkennen sind.
  

Fig. 7: Das eigentliche Gießen der Verbindung. 
  

Bild 8: Ansicht einer fertiggestellten Fügestelle, die besonders die Leichtigkeit zeigt, mit der Pflasterungen aller Art daran anstoßen können.

   

Bild 9: Fertiggestellte Fügestelle

   

Bild 10: Ein Querschnitt durch eine Fügestelle, die deutlich die perfekte Verbindung der Metalle zeigt.

  

Eine absolute Verschmelzung eines Teils des Schienenkopfes und des Schienenstegs ist notwendig, um eine erfolgreiche stoffschlüssige Gießschweißverbindung zu erreichen (eine formschüssige Muffenverbindung wäre wertlos), und das zu erzielen, ist nicht schwierig. In den letzten drei Jahren haben wir unsere eigenen Verbindungen geschweißt, nachdem wir die oben gezeigte Apparatur von der für die Schweißarbeiten beauftragten Firma gekauft hatten, die zuvor die Arbeiten ausgeführt hatte. Wir haben während dieser Zeit zwar sechs- bis achttausend Verbindungen geschweißt, aber wir hatten nicht einen einzigen Zugspannungsriss oder Bruch.
 
Unsere elektrischen Tests zeigen, dass die Leitfähigkeit dieser Verbindungen zwischen 100 und 140 Prozent der Leitfähigkeit der angrenzenden Schiene beträgt, und in keinem Fall eines ordnungsgemäßen Schweißung fällt diese Leitfähigkeit unter 90 Prozent. Dies gilt mit gleicher Kraft für gerade geschweißtes Gleis und Gleis, das vor sechs bis zehn Jahren geschweißt wurde, und wird durch regelmäßige periodische Tests bestätigt.


Die neueste Schiene, die von der Milwaukee Electric Railway & Light Co. standardisiert wurde, ist das 7-Zoll-"Shanghai"-Profil einer T-Schiene mit einem Gewicht von 95 Pfund. pro Yard (d.h. mit einer Höhe von 178 mm und einem Gewicht von 47,5 kg pro Meter). Die gezeigten Arbeiten und die in Bild 8 und 9 dargestellten Verbindungen beziehen sich auf einen aus dieser Schiene gebauten Gleisabschnitt. Das Gewicht des in dieser Verbindung verwendeten Gusseisens beträgt 20,0 Pfund (10,0 kg). Die Gesamtkosten der Verbindung belaufen sich auf ca. $3,50 für die eigentliche Verbindung und $1,00 für das Aufreißen und Pflastern der Straße; bei einem neuen Gleis ist letzterer Punkt fast eliminiert.
 
Unsere Gießschweißarbeiten werden wie ein Geschäft für sich behandelt, und die fairste Methode, uns die Kosten für diese Verbindungen aufzuzeigen, ist, aus unserem Jahresbericht für das Kalenderjahr 1904 zu zitieren:
 

Gießschweißen


Positions-Nr. 180
Positions-Nr. 181
Positions-Nr. 182
Positions-Nr. 183
Positions-Nr. 184
Positions-Nr. 185
Positions-Nr. 186

Betriebslöhne
Reparaturen
Kosten für Strom und Licht
Lieferungen
Unfälle & Schäden, 5%
Zinsen, Steuern, Versicherung
Verschiedenes

  

Total:

$ 1,590.78
$ 704.83
$ 40.10
$3,041.30
$ 362.10
$ 288.00
$ 653.35

$ 6,680.46

Pro Fügung $ 0.659
Pro Fügung $ 0.292
Pro Fügung $ 0.016
Pro Fügung $ 1.260
Pro Fügung $ 0.150
Pro Fügung $ 0.119
Pro Fügung $ 0.271

Pro Fügung $2.767



  

Die oben genannten Betriebslöhne, Reparaturen und Lieferungen enthalten einen bestimmten Prozentsatz der Erhöhung gegenüber den tatsächlichen Beträgen, um die allgemeine Abschreibung zu decken. Die 2.414 Verbindungen wurden auf Schienen mit einer Höhe von 5 bis 7 Zoll (d.h. von 125 mm bis 178 mm) eingebracht. Zusätzlich zu den obigen Angaben müssen durchschnittlich 1,00 Dollar pro Fügestelle als Kosten für das Aufreiße und Pflastern der Straße hinzugefügt werden. Ein großer Teil der Fügestellen war über eine große Fläche verstreut und wurde wirklich unter widrigen Bedingungen geschweißt.
 
Das oben Gesagte wird als exakte Tatsachenaussage bereitgestellt und ist der Grund für unsere Überzeugung, dass bei der gegenwärtigen Entwicklung irgendeiner der Methoden zum Schweißen von Schienenstößen das Gießschweißverfahren dem besten Mittelwert zwischen Wirtschaftlichkeit und Effizienz am nächsten kommt.
 
Eine Zusammenfassung der vorstehenden Dokumente ist notwendigerweise ein Unterfangen, das zu wenig eindeutigen Ergebnissen führen kann.
 
Einige wenige korrelierende Ideen, die zu Vergleichszwecken zusammengestellt und geordnet werden, sind genau das, was wir uns erhoffen können; und wenn wir diese korrelierenden Daten so anordnen, dient die Tatsache, dass die Informationen, auf denen sie basieren, nicht in allen Fällen vollständig sind oder die gezogenen Schlussfolgerungen nicht die wahren sind, nur dazu, das gewünschte Ziel zu erreichen, nämlich eine Diskussion des gesamten Themas.[3]
  


Zink-Verbindungen

Es liegen keine Zahlen zu den Kosten vor, da diese Verbindungen von der Lorain Steel Co. durchgeführt werden.   


Elektrisch geschweißte Verbindungen

Von der Lorain Steel Co. erhaltene Informationen sind wie folgt: "Unsere Preise liegen zwischen 6,00 $ und 5,50 $ pro Verbindung, abhängig von der Anzahl der Verbindungen, für die ein Vertrag abgeschlossen wurde. Normalerweise nehmen wir keine Verträge für weniger als 3.000 Verbindungen an, für die natürlich der Preis von 6,00 $ pro Verbindung gilt, Verträge für 10.000 oder mehr Verbindungen werden zu der niedrigeren Zahl abgeschlossen."  


Gießgeschweißte Verbindungen

Die Zahlen in diesem Fall zeigen, dass die gesamten Kosten für das Anbringen einer Schweißnaht an einer Schiene von durchschnittlicher Größe (unter ungünstigen Bedingungen) nur wenig über 2,75 $ liegen, wobei 1,00 $ zusätzlich für das Öffnen und Schließen der Straße anfallen. Dies schließt Zinsen, Steuern und Abschreibungskosten für die Kapitalbewertung des Geräts ein. Daher scheint der Verfasser abschließend und im Vorgriff auf eine zukünftige Aufklärung zu diesem Thema, von der wir uns ernsthaft wünschen, dass sich die bevorstehende Diskussion weiterentwickeln möge, zu sehen, dass die Gießweißverbindung unter den gegenwärtigen allgemeinen Bedingungen sowohl vom Standpunkt der mechanischen Effizienz als auch vom tatsächlichen finanziellen Aufwand her so viel wirtschaftlicher ist, dass sie sich für eine erste Betrachtung empfiehlt.
  

Bild 11: Abgenutzte Gieißschweißverbindung, die zeigt dass die Schiene an der Verbindungsstelle höher als an beiden Enden des heruntergespressten Gussblocks ist.    


Thermitgeschweißte Verbindungen

Wenn jedoch die Beschaffungskosten für den Teil des Thermits, der für die Herstellung einer Verbindung erforderlich ist, um 50 Prozent oder mehr, als bisher angeboten, gesenkt werden können, reichen die anderen Anreize, die diese Methode bietet, aus, um ihr den ersten Rang in der Frage der Erwünschtheit zu geben.  


   

Von den vier oben dargestellten Fügeverfahren zur Bildung dauerhafter Verbindungen werden drei werden ordnungsgemäß als "geschweißt" bezeichnet, während die andere (die Zinkverbindung) nicht genau in diese Kategorie eingeordnet werden kann. Die Schlussfolgerung, die der Verfasser aus den vier Beiträgen zieht, lautet jedoch in erster Linie, dass es mit bestem Wissen und unter Verwendung ausreichender und korrekter Apparaturen möglich ist, mit jeder der vier Methoden eine fast absolut zufriedenstellende Verbindung (hinsichtlich der Effizienz) herzustellen.
 
Damit wird das Feld der Spekulation eingeengt und die Frage der Menge und Verfügbarkeit von Apparaten zu einer entscheidenden Frage, die wie folgt klar umrissen scheint:


Das elektrische Schweißen scheint zweifellos die umständlichsten und sehr teuren Geräte zu erfordern, und zwar in einem solchen Umfang, dass außer bei den allergrößten Systemen ein privater Besitz praktisch unmöglich wäre und alle Arbeiten notwendigerweise von Auftragnehmern ausgeführt werden müssten.
 
Die Zinkfuge scheint bei teuren Apparaten an nächster Stelle zu stehen, wird aber in dieser Hinsicht sehr genau von der gussgeschweißten Fuge gefolgt.
 
Das Thermit-Schweißverfahren erfordert zweifellos sehr viel weniger teure Apparate, und von diesem Standpunkt aus gesehen ist es eine Klasse für sich. Das Verhältnis der Fügestelle zum angrenzenden Bürgersteig in den Straßen der Stadt ist eine sehr aufgeregte Frage, aber es hat sich unbestreitbar gezeigt, dass diese Aufregung unnötig ist, da die Form der Fügestelle reguliert werden kann, um die Bedingung zu erfüllen.
 
Es gibt viele kleinere Punkte, die aufgegriffen und diskutiert werden könnten, aber nach Meinung des Verfassers liegt der Kern des gesamten Themas, da es die große Mehrheit der Interessen der elektrischen Eisenbahn betrifft, in den relativen Kosten einer effizienten Fuge durch eine der Methoden. Natürlich gibt es örtliche Bedingungen, die in Einzelfällen ein Abweichen von der scheinbar wirtschaftlichen Methode rechtfertigen können, aber unser Ziel ist es immer, der Mehrheit zu dienen, und deshalb, während ein viel genauerer Kostenvergleich während der Diskussion dieses Themas leicht zu erreichen sein wird, wurden hier solche Daten, die wir sichern konnten, zusammengetragen.

  

Quellennachweise

  1. Fred G. Simmons (Superintendent of Construction and Maintenance of Way, The Milwaukee Electric Railway & Light Co.): The Cast-Welding of Rail Joints. In: Daily Street Railway Review, 27 September 1905, p. 650-654.
  2. Klaus-Jürgen Matthes und Werner Schneider: Schweißen mit Metallschmelzen: Gießschweißen. In: Schweißtechnik: Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2016. S. 478.
  3. Im der englischen Originalausgabe wurde die Tabelle versehentlich erst weiter unten wiedergeben