Schienenschweißen


Lückenlos verschweißtes Gleis

Geschichte des Schienenschweißens

Zum lückenlosen Verschweißen von Eisenbahn-, Straßenbahn-, U-Bahn und Kranschienen wurden und werden meist folgende Verfahren eingesetzt:
   
Erhitzen durch flüssiges Metall
          
       • Gießschweißen 1894
           Gießschweißen um 1904
   
       Thermitschweißen
           — Aluminothermie um 1903
           — Thermit in der Praxis um 1905
           — Thermit-Prozess um 1910

Mobile Abbrennstumpfschweißmaschine

© Neil Turner, CC-BY-SA 2.0


Erhitzen durch elektrischen Strom
       Abbrennstumpfschweißen
 
  
        Lichtbogenschweißen mit Batterien der Accumulatorenfabrik AG um 1906
 
  
       E-Hand-Schweißen (Puddle Arc Welding)[1]
   
       Historische Sonderschweißverfahren
           — Thomson-Schweißen um 1894
           — Johnson-Schweißen um 1894
           — Thomson-Schweißen um 1910
           — Kompressionsschweißen ab 1917
   
Erhitzen durch Gasflamme
       Gaspressstumpfschweißen (vor allem in Japan üblich)[2]

 

Zielsetzungen

Bei der Auswahl und Entwicklung der Schweißverfahren werden meist folgende Ziele angestrebt:[3]

  • Hohe Qualität bei hoher Reproduzierbarkeit
       
  • Effektive Energieeinbringung mit schmaler Wärmeinflusszone, um die Beeinträchtigung der Schweißung durch die von den Rädern der Schienenfahrzeuge aufgebrachten Belastungen zu minimieren
       
  • Geringer Abbrand, um die Einsatzmöglichkeiten von mobilen Abbrennstumpfschweißmaschinen zu steigern

Internationale Normen (auszugsweiser Überblick)

  • Teil 1: Schweißen neuer Schienen für neue Vignolschienen der Stahlsorten R220, R260, R260Mn, R320Cr, R350HT, R350LHT, R370CrHT und R400HT mit einem Metergewicht ab 46 kg/m in einer stationären Anlage:
    • Anforderungen an den Schweißvorgang
    • Zulassungsverfahren für eine stationäre Anlage;
    • Verfahren zur Zulassung von anderen Schienenprofilen oder Stahlsorten
    • Anerkennung der Schweißbetriebe
    • Durchführung der Schweißung nach der Zulassung
         
  • Teil 2: Abbrennstumpfschweißen neuer Schienen ... durch mobile Schweißmaschinen an Orten außerhalb eines Schweißwerkes.
       
  • Teil 3: Schweißen im Zusammenhang mit Herzstückkonstruktionen.
  • Zulassungsverfahren für das aluminothermische Schweißen neuer Rillenschienen, wie in EN 14811 mithilfe von Laborprüfungen an Schweißungen, die in einer Werkstatt vorgenommen wurden:
    • Merkmale des Schweißverfahrens
    • Vorbereitung und Aufteilung der Schweißungen
         
  • Laborprüfungen
    • Sichtprüfung der Oberfläche der Schweißung im Gusszustand und der geschliffenen Oberfläche der Schweißung
    • Härteprüfung der Fahrflächen
    • Biegebruchprüfung
    • Innere Begutachtung
    • Integrität der Schweißung
    • Schmelzbereich — Form und Abmessung
    • Mikroskopische Untersuchung
    • Breite der weichgeglühten Zone
    • Chemische Analyse

•  SPC 1304 und SPC 3205 in Kanada


Die kanadischen Anforderungen für Baustellenschweißungen sind in SPC 1304 und SPC 3205 festgelegt. In Kanada gelten im Netzwerk der Canadian National (CN) die Standardverfahrensrundschreiben (englisch: Standard Practice Circular SPC; französisch: Circulaire sur les méthodes normalisées, CMN) und die (englisch: Railway Track Safety Rules, französisch: Règlement sur la sécurité de la voie) von Transport Canada (TC).

   
SPC 3205 beschreibt ausführlich die Installationsmethode für durchgehend geschweißte Schienen (englisch: Continuous Welded Rails, CWR; französisch: Longs rails soudés, LRS), d.h. Schienen die länger als 400 Fuß (122 m) sind.


Die Anforderungen für Baustellenschweißungen sind in SPC 1304 und SPC 3205 unter anderem wie folgt festgelegt:[4][5]
  
In den von 1981 bis 1988 geltenden SPCs bezogen sich die folgenden Abschnitte auf Schweißnähte:

  • Thermitschweißnähte dürfen nicht über Schwellen angebracht werden, es sei denn, die Unterseite des Schienenfußes wurde geschliffen oder bündig abgeschert.
       
  • Schienen für das Stumpfschweißen, mit Ausnahme von Schweißnähten an Querschnittsänderungen, müssen so angepasst sein, dass sie die gleiche vertikale Höhe und horizontale Breite haben. Die Nichtübereinstimmung darf 1,5 mm nicht überschreiten.
       
  • In der Fabrik hergestellte Schweißnähte müssen 360° rundum mit der Magnetpulverprüfung geprüft werden.
       
  • Baustellenschweißnähte müssen mit RUMP (Railweld-Ultrasonic-Multiple Angle-Probe) geprüft werden.

Bei der Überarbeitung der SPCs im Jahr 1990 wurden folgende Abschnitte hinzugefügt:

  • Wenn bei einer 136-Pfund-Schiene (68 kg/m) dieses Maximum (1,5 mm zwischen zwei Schienenenden) überschritten wird, ohne 8 mm zu erreichen, muss ein Querschnittsänderungsschweißsatz verwendet werden.
       
  • Der Monat, das Jahr und die Schweißer-Identifikationsnummer jeder Schweißnaht sind durch 13-mm große Zeichen auf einem Etikett auf der äußeren, dem Feld zugewandten Seite des Schienenstegs zu kennzeichnen.

In den Überarbeitungen von September 1996 und Juni 1997 wurde der Abschnitt über Ultraschallprüfungen von Feldschweißnähten gestrichen, und die Abschnitte über Abbrennstumpfschweißen, Querschnittsänderungsanpassungen zwischen Schienenenden und Identifizierung von Schweißnähten wurden wie folgt geändert:  

  • Der Höhenunterschied zwischen zwei Schienenenden darf 3,2 mm nicht überschreiten. Wenn dieses Maximum überschritten wird, ohne 8 mm zu erreichen, muss ein Querschnittsänderungsschweißsatz verwendet werden.
       
  • Der Monat, das Jahr und die Schweißer- Identifikationsnummer jeder Schweißnaht sind mit einem Etikett auf der Messseite der Bahn zu kennzeichnen - 150 mm von der Schweißnaht entfernt.
       
  • In der Fabrik oder auf der Baustelle erstellte Stumpfnähte müssen mit der Magnetpulverprüfung geprüft werden.

Die Sicherheitsregeln für Gleise von Transport Canada (TC‘s „Railway Track Safety Rules“) enthalten keine Anforderungen an Thermitschweißnähte. Die Eisenbahnen sind dafür verantwortlich, Standards für die Installation und Wartung von durchgehend geschweißten Schienen (CWRs) festzulegen.

  
1996 kam Canadian National (CN) zu dem Schluss, dass Ultraschallprüfungen (von in der Thermit-Schweißnähten) überflüssig geworden waren , unter anderem weil der Anteil der als fehlerhaft bewerteten Schweißnähte von 0,98 Prozent im Jahr 1991 auf knapp 0,47 Prozent im Jahr 1995 zurückgegangen war. Vor Ort hergestellte Abbrennstumpfschweißnähte werden weiterhin (Stand 1999) mit der Magnetpulverprüfung getestet.

   

Forschung & Entwicklung

Linearreibschweißen von Eisenbahnschienen

In den USA wurde 2016 der Prototyp eines Linearreibschweißsystems zum Linearreibschweißen von Eisenbahnschienen entwickelt. Die damit hergestellten Schweißnähte hatten ähnliche Eigenschaften wie das Grundmaterial.

   
Das Ergebnis der experimentellen Versuchsschweißungen zeigte, dass der Einsatz von LFW zur Verbindung von Schienen machbar ist und dass Linearreibschweißen das Potenzial hat, die Qualität von durchgehend geschweißten Schienen erheblich zu verbessern, da es im Vergleich zum Abbrennstumpfschweißen das Potenzial zur Bildung von Einschlüssen reduziert. Durch eine verbesserte Temperaturführung durch Vorwärmen, temperaturgeregelte Abkühlung bzw. Nachwärmen könnte die Breite der Wärmeeinflusszone noch wie gewünscht verringert werden. Dazu bietet sich zum Beispiel eine CNC-geregelte prozessbegleitende Widerstanserwärmung an.[6]

    

Zerstörungsfreie Prüfung

Bei der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) von Eisenbahnschienen hat das TWI viel Erfahrung, wie folgende Projektberichte zeigen:

  • RAILECT: Phased-Array-Ultraschallprüfung von aluminothermischen Schweißnähten
       
  • SAFTInspect: Volumetrische Inspektion von Herzstücken von Weichen und Kreuzungen durch die Synthetic Aperture Focussing Technique (SAFT) 

Quellennachweise

  1. Crane rail welding and rail steels.

  2. Ryuichi Yamamoto: Japanese research presents new formula for gas-pressure welding. International Railway Journal, 5. November 2018. 
       
  3. Markus Öllinger: Technologische Fortschritte beim Schienenschweißen, ETR Austria, Nr. 12. Dezember 2015, S. 85-88.
       
  4. Railway Investigation Report R99H0010: Derailment and collision, Canadian National, Train No. U-783-21-30 and Train No. M-306-31-30, Mile 50.84, Saint-Hyacinthe Subdivision, Mont-Saint-Hilaire, Quebec, 30. Dezember 1999.
       
  5. Rapport d'enquête ferroviaire R99H0010: Déraillement et collision, Canadien National, Train numéro U-783-21-30 et Train numéro M-306-31-30, Point milliaire 50,84, subdivision Saint-Hyacinthe, Mont-Saint-Hilaire (Québec), 30. Dezember 1999.

  6. U.S. Department of Transportation, Federal Railroad Administration: Linear Friction Welding for Constructing and Repairing Rail for High Speed and Intercity Passenger Service Rail. Rosap-Dokument Nr. 313711. August 2016.