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Verfahren zum aluminothermischen Zwischengussschweissen von Werkstücken, vorzugsweise Schienen, und Vorrichtung zur Ausübung der Verfahrens Es ist bekannt, Werkstücke beliebiger Form, vornehmlich Schienen, nach dem aluminothermischen Zwischengussverfahren zu verschweissen.
Dabei wird z. B. zwischen die vorgewärmten, in einer Giessform befindlichen Enden von zu schweissenden Schienen aluminothermisch erzeugter. Stahl gegossen, wobei idie Aufschmelzung des Schienenmaterials und seine porenfreie Verschwei- ssung mit dem aluminothermischen Stahl erfolgt.
Das bekannte, bisher übliche Zwischengussverfahren wird z. B. für eine Schweissung von Schienen gemäss den Fig. 1-5 so durchgeführt, dass die beiden Enden der Schienen 1 und 2 mit einer aus feuerfestem Formsand bestehenden zwei- oder mehrteiligen Giessform 3 umgeben werden. Mittels einer Anpressvorrichtung 4 werden die einzelnen Teile der Giessform 3 zusammen-und gleichzeitig an die Schienen 1 und 2 gepresst (vgl.
Fig. l und 2).
In dem Raum 7 der Giessform 3 wird durch einen Kanal 8 mittels eines Gebläses 9 ein nicht brennendes Gemisch von Propan (oder Butan, Benzin, Benzol u. a. ) mit Luft, gegebenenfalls unter zusätzlicher Beimischung von Sauerstoff, eingeblasen und in der Giessform gezündet und verbrannt. Die Verbrennungsgase entweichen durch die Steigerkanäle 10 und andere öffnungen der Form, z. B. auch durch die an den. Schienenfüssen angeordneten Kanäle 11. Nach Vorwärmung der zu schweissenden Schienenenden und nach Trocknen und Ausglühen. der Giessform 3 wird nach Entfernung des Gebläses 9 der Kanal 8 mittels eines Stopfens 12 verschlossen (Fig. 3).
In dem genau über der Giessform 3 ausgerichteten Tiegel 17 wird die aluminothermische Schweissmasse zur Reaktion gebracht und der dabei erzeugte aluminothermische Stahl durch Entfernen des'unten im Tiegel befindlichen Verichlussstiftes 13 entnommen. Der Stahl fliesst über die im oberen Teil der Giessform 3 befindliche topfartige Vertiefung 14 durch die beiden Stei- gerkanäle 10 (Fig. 4) oder durch getrennt von den Steigern angeordnete Einlaufkanäle 15 ins Innere der Giessform (Fig. 5).
Die beim aluminothermischen Prozess anfallen- de flüssige Schlacke fliesst nach dem Stahl aus dem Tiegel 17 aus und wird in dem oben in der.
Giessform liegenden Raum 16 aufgefangen.
Wenige Minuten nach dem aluminothermischen Guss wird die Giessform entfernt und es werden , dann die Steiger und Schweisswülste am Schienen, kopf im rotwarmen Zustand abgemeisselt. Der Schweissvorgang ist, damit ! beendet.
Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens
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Wachsamkeit Ibezuglich derGiessvorganges. Bisher wird die Form fast aus- schliesslich am Orte. der Schweissung aus feuchtem, feuerfestem Sand über einem Modell gestampft. Der verwendete Sand muss hinsichtlich der Feuerfestigkeit, des Gehaltes an Ton und an Feuchtigkeit, Verteilung. der Korngrössen und der Durchlässigkeit gegenüber Gasen festgelegte Bedingungen erfüllen. Versuche, die Form vorzu. trocknen, hatten keinen Erfolg, weil beim Anpressen an die Schienen Risse eintraten, die zum Auslaufen des a-luminothermischen Stahls geführt haben.
Für eine gleichmässige Vorwärmung ist die Beschaffenheit des Brennstoffes von besonderer Bedeutung. Man kann erfahrungsgemäss nur Brennstoffe mit geringer Entzündungsgeschwin- digkeit, hoch liegendem Zündpunkt und mässiger Verbrennungstemperatur benutzen. Brennstoffe, wie Wiasserstoff oder Acetylen, d. h. solche mit niedrig liegenden Zündpunkt, hoher Entzündungsgeschwindigkeit und hoher Verbrennungstemperatur, sind für dieses Verfahren weder in Mischung mit Luft noch in Mischung mit Sauer-
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Das nachträgliche Verschliessen des Einblas- : kanals mit einem Stopfen vor dem aluminother- mischen Guss bedingt einen Zeitverlust.
Während dieser Zeit können sich die vorgewärmten Schie-
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neu'unerwünscht abkühlen. Auch kann die beim folgenden aluminothermischen Guss eintretende Berührung des flüssigen Stahls mit dem Ende des meist kalten Verschlussstopfens Anlass zur Po-
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Es wurde nun gefunden, dass es mittels eines neuen sogenannten Schnellverfahrens möglich ist, die für eine Zwischengussschweissung erforderliche Zeit durch Veränderung und Vereinfachung der Geräte, durch Veränderung der Vorwärmung
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vermindern.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum aluminothermischen Zwischengussschweissen von Werkstücken, vorzugsweise Schienen, bei dem die von Formikörpsrn umgebenen Werkstückenden vorgewärmt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an einem andern Ort vorgefertigte, aus feuerfestem Material bestehende Formkörper mittels einer Schnellspannvorrichtung, zweckmässig unter Zwischenschaltung eines Einsatzkastens an die zu schweissenden Werkstückenden angepresst werden und die Vorwärmung durch von oben in einen Steigerkanal schlagende Flammen erfolgt.
Die z. B. nach dem Kohlensäure-Erstarrungsverfahren hergestellten Giessformen werden zusammen mit einem Polster aus schmiegsamer Masse, z. B. Formsandbrei, Asbest oder Glaswolle, in aus Blech oder Stahlguss bestehenden Formkästen derart eingebettet, dass die schmiegsame Masse zwischen Formkastenwand und Giessformen liegt. Durch die Anordnung dieses Polsters können die Giessformen genügend fest gegen die zu schweissenden Schienen gepresst werden. Treten dabei Risse auf, so verhindert der hinter den Giessformen liegende Polster ein Auslaufen des aluminothermischen Stahls. Die Rückseiten der Giessformen können erfindungsgemäss durch eine Glasur oder andere wasserabstossende Mittel geschützt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Isolierung der Giessformen gegen Feuchtigkeit be-
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vor ihrem Einbetten in die Formkasten mit einem aus dünnem Stahlblech oder beliebigen andern Werkstoffen hergestellten, genau der Giessform angepassten Hilfskasten umgeben wird. Dieser Hilfskasten hält die einzelnen Teile der Giessform zusammen und bildet gleichzeitig bei der Verwendung eines feuchten Polsters einen Schutz gegen das Durchdringen von Wasser. Der Hilfskasten wird nach erfolgtem Guss zusammen mit dem Formkasten abgenommen und kann genau wie dieser immer wieder verwendet werden.
Um die serienmässig z. B. nach dem Kohlsnsäu- re-Erstarrungsverfahren hergestellten Giessformen auch bei abweichenden Abmessungen, z. B. abgefahrenen Schienen, verwenden zu können, sind sie erfindungsgemäss am Schie, nenkopf g, eteilt, Durch einfache Bearbeitung, wie z. B. Schmirgeln oder Raspeln können sie der Abfahrung des Schie- nenkopfes entsprechend in ihren Massen verändert werden.
Die zwei- oder mehrteilige, aus feuerfesten Materialien, z. B. hochgebrannter Schamotte, bestehende und eine grosse Standfestigkeit besitzende Giessform kann ohne die Gefahr einer Rissbildung unter Fortfall der oben beschriebenen Form- bzw. Hilfskästen an die zu schweissenden Schienen angepresst werden.
Erfindungsgemäss sind die hochgebrannte Giessform bzw. deren Hälften oder Teile mit Nuten oder Erhöhungen bzw. abgeflachten Kanten versehen, in die zur Abdichtung gegenüber den zu schweissenden Schienen in bekannter Weise beliebige Dichtungsmittel, wie Formsandbrei, feuerfester Kitt u. a. eingestrichen werden. Mittels einer ein- oder anzulegenden schmiegsamen Asbestschnur kann gleichfalls eine Abdichtung vorgenommen werden.
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aus zwei seitengleichen Stücken bestehen, können infolge grosser Abriebfestigkeit des Materials nicht in der oben beschriebenen'Weise nachgearbeitet oder der Schienenform angepasst werden.
Erfindungsgemäss wird beim ischweissen von bereits abgefahrenen Schienen der Abnutzung des Schie- nenkopfes dadurch Rechnung getragen, dass die nach oben offene Giessform durch feuerfeste Massen oder Riegel mit seitlicher Führung, die in dafür vorgesehene Nuten oder Aussparungen der Giessform passen, teilweise so verschlossen wird, dass der Abschluss der Giessform gegen die abgenutzte Fahrfläche des Schienenkopfes von oben her erfolgt. Je nach dem vorhandenen Grad der Abnutzung der Schiene rutschen die Riegel mehr oder weniger tief, bis zwischen Riegel und Fahrfläche ein Abstand von nur wenigen Millimetern besteht. Zuletzt werden die Riegel von aussen durch Abdichtung mit feuchtem, feuerfestem
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Der bisher benutzte und bereits weiter oben beschriebene Anpresser für die Giessform besteht aus mehreren Einzelteilen.
Seine Handhabung ist zeitraubend'und erfordert meist zwei Arbeitskräf- te. Erfindungsgemäss wird dieser Anpresser für die Giessform durch einen einfacheren, von einem Mann zu bedienenden ersetzt. Entsprechend der wahlweisen Verwendung von nach dem Kohlen- säure-Erstarrungsverfahren oder andern beliebigen Verfahren hergestellten Giessformen einerseits
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z. B. Schamotte-Giessformen, anderseits, kommen zwei verschiedene Ausführungen zur Anwendung :
Der Anpresser für die nach dem Kohlensäure- Erstarrungsverfahren oder andern beliebigen Verfahren hergestellten Giessformen besteht aus einem Stück mit federndem Bügel.
Die eine Haalt- te des Formkastens mit Hilfskasten und eingesetzter Giessform wird durch Zweipunktanlage, die andere durch Einpunlktanlage mittels Handrad in kürzester Zeit an die Schienen gepresst. Der
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schmiegsame Polster zwischen der Rückwand des Formkastens und der Giessform sorgt für eine gleichmässige Verteilung des punktförmig angreifenden Drucks auf die gesamten, an den. Schienen anliegenden Giessformflächen.
Der Anpresser für die aus feuerfestem Material, z. B. hochgebrannter Schamotte, bestehenden Giessformen besteht aus zwei voneinander getrennten seitengleichen und unabhängigen Teilen, bei dem jeder Teil die Anpressung einer Giessformhälfte an die zu schweissenden Schienen übernimmt. Gegen ein bei der Vorwärmung oder dem Guss gegebenenfalls eintretendes Zerplatzen sind die ein- oder mehrteiligen Giessformen durch Einsetzen in aus Stahlblech bestehende Stützrah- men gesichert. Diese Stützrahmen verteilen die punktförmig aufgebrachte Anpressung auf eine grössere Aussenfläche der Giessform.
Jeder Teil des Anpressers wird z. B. durch eine den Schienenkopf umfassende Kappe mit Hilfe von Schrauben, Keil od. dgl. an der Schiene befe- stigt. Seitlich an der Kappe befindet sich ein drehbar angeordneter Schwenkarm, der vor die eine Hälfte der Giessform geklappt wird. Mittels einer am Ende des Schwenkarms befindlichen Druckschraube od. dgl. wird der Stützrahmen mit der Giessform an die Schiene gedrückt. Die beiden Giessformen können zeitlich nacheinander angepresst werden, so dass ein Mann die gesamten V orlbereitungsar. beiten für die Schweissung vornehmen kann. Die beiden Anpresser haben auf ihren Befestigungskappen zylindrische oder beliebig geformte Ansätze, auf die wahlweise entweder die Halterung für den Brenner oder die Stütze für den Tiegel aufgeschoben wird.
Es wurde weiterhin gefunden, und das ist auch ein integrierender Bestandteil der Erfindung, dass
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Luft-Gemische dann eine sehr kurzzeitige, genügend gleichmässige, alle Erfordernisse erfüllende Vorwärmung der aluminothermisch zu schwei- ssenden Schienenenden erzielt wird, wenn die Vorwärmeflamme von oben her durch den oder die über dem Schienenkopf in der Giessform befindlichen Steigerlkanä1e brennt. Man benutzt hiezu vorteilhafterweise sogenannte Brause-Brenner, deren Austrittsdüsen je nach der Querschnittsgestalt des Steigerkanals reihenförmig angeordnet sind.
Dieses erfindungsgemässe Vorwärmeverfahren eignet sich ganz besonders. gut bei Verwendung vorgefertigter, z. B. aus zwei oder mehr Teilen bestehender Giessformen. Die Zeit zur Vorwärmung beträgt, wie eingehende Versuche zeigten, weniger als die Hälfte der bisher üblichen Zeit. Ein weiterer Vorteil ist der, dass nach erfolgter Vorwärmung keine Kanäle abzudichten sind, da die Austrittsöffnungen aller Kanäle oben in der Form liegen.
Der Giessvorgang vollzieht sich bei dem neuen Verfahren durch Zwischenschalten eines mit feu- erfestem Material ausgekleideten, mit Ausflussöff- nungen bzw. Ausflusstülle versehenen Giesstopfes, der sich zwischen Reaktionstiegel und Giessform befindet und den aluminothermisch erzeugten
Stahl den Einlaufkanälen zuführt. Durch die An- ordnung des Giesstopfes wird erreicht, dass noch während der Vorwärmung der Reaktionstiegel bereits ausgerichtet und der Tiegelinhalt zur
Reaktion gebracht werden kann. Somit geht'kei- ne der durch die Vorwärmung In die Giessform eingebrachten Wärme verloren.
Der Giesstopf kann entweder durch eine beliebige Verbindung mit dem Anpresser verbunden werden oder auch an den oben beschriebenen
Stützrahmen für die Giessform angebracht wer- den. Es ist auch vorteilhaft, statt des Giesstopfes eine einfache, schalenartige, feuerfeste und mit geringen Kosten serienmässig herzustellende Rinne zu benutzen. Sie kann bei Unbrauchbarkeit leicht ersetzt werden.
Zur beschleunigten Abwicklung des SchweissVorganges wird die dem aluminothermischen Stahl folgende Schlacke nach Durchgang durch den Giesstopf sofort in einen an der Schweisseinrichtung beliebig angeordneten Schlackenbehälter abgeleitet und zusammen mit diesem entfernt.
Die nach beendeter Schweissung bisher erforderliche, von Hand zu leistende Abarbeitung der Steiger und der oberen und seitlichen Schweisswülste am Schienenkopf kann durch eine nur einige Minuten dauernde maschinelle Schleift. arbeit ersetzt werden, wenn der über dem Schienenkopf liegende Steiger so verkleinert wird, dass er nur noch wenige Millimeter hoch ist.
Dieses wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass unmittelbar vor dem Einguss des aluminothermischen Stahls, d. h. nach Entfernung des Brenners, die zur Vorwärmung erforderliche und gleichzeitig als Steiger dienende obere öffnung der Giessform mit einem vorteilhafterweise vorgewärmten feuerfesten Riegel verschlossen wird, der so geformt ist, dass der einlaufende aluminothermische Stahl nur noch einen kleinen, zu einer guten Verschwei- ssung des Schienenkopfes jedoch ausreichenden Wulst von wenigen Millimetern Stärke oberhalb des Schienenkopfes bilden kann.
Die seitlichen Kopf'wülste werden ebenfalls verkleinert, indem schon bei der Herstellung der Giessformen die dafür vorgesehenen Hohlräume schwächer ausgeführt sind. Es hat sich gezeigt, dass trotz dieser vorgenommenen Änderungen die Vorwärmung nicht verschlechtert wird bzw. ver- längert wird. Die Aufgaben des nunmehr verschlossenen Kopfsteigers, wie Entgasung der Giessform, Herausspülen von losgelöste Formteilchen u. a. übernehmen die in jeder Formenhälfte vorhandenen Einlaufkanäle, die zweckmässigerweise durch die ganze Giessformhälfte geführt werden. Diese Kanäle sind in der Mitte zwischen den beiden Luftpfeifen angeordnet und enden auf der Oberkante des Schienenfusses.
Fernerhin ist in
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diesem Kanal ein seitlicher Abfluss zur Unterkan, te des Schienenkopfes hin vorhanden.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll an Hand der Fig. 6-12 an einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert werden.
Die beiden vorgefertigten, gegebenenfalls aus den Teilen 3a, 3b und 3c bestehenden, nach dem Kohlensäure-Erstarrungsverfahren oder beliebigen andern Verfahren hergestellten trockenen Giessformhälften werden entweder direkt zusammen mit dem Polster 18 aus schmiegsamer Masse in die beiden Formkastenhälften 5 gedrückt oder vor dem Einsetzen vorteilhafterweise mit dem Hilfsformkasten 27 umgeben. Mittels Formanpresser 4 werden die Formkastenhäl : ften 5 durch Betätigung des Handrades 4a punktförmig an die Schienenenden 1 und 2 gepresst. Der zwischen den Giessformteilen 3a-3c und der Rückwand des Formkastens liegende schmiegsame Polster 18 lässt eine exakte Anpressung zu.
Anschliessend wird die Form in üblicher Weise mit Formsandbrei oder Lehm gegen die Schienen abgedichtet.
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10aeingeführt. Dieser wird durch einen dreibeinarti- gen Bock 26 gehalten. Zwei Beine 26a greifen in Ösen des Formanpressers 4 ein, während das dritte Bein 26b auf der Schiene aufliegt. Damit wird erreicht, dass die Brennermitte sich stets mit der Mitte des Steigers 10a deckt. Die vom Brenner ausgehende Flamme bestreicht den Schienenkopf gerade in der Zone ihrer höchsten Temperatur. Der Schienensteg wird nur von einem schmalen Flammenband bestrichen. Das gesamte Flammenband erweitert sich nach unten und trifft mit bereits abgeschwächter Temperatur den Schienen-
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Abführung der Verbrennungsgase aus der Form erfolgt durch die Kanäle 11 und 15.
Kurz vor Beendigung des Vorwärmevorganges wird der Giesskopf 16a aus der Vorwärmestellung (in Fig. 6 strichpunktiert) in Giessstellung gebracht. Der Brenner 9a wird entfernt, während die aluminothermische Reaktion im Tiegel 17 abläuft. Der aluminothermische Stahl wird nach Beendigung der Reaktion in bekannter Weise durch Entfernen des Tiegelverschlussstiftes 13 zum Ausfliessen gebracht. Der flüssige Stahl gelangt über den Giesstopf 16a über die beiden Ausflussöffnungen 16b durch die Einlaufkanäle 15 ins Innere 7 der Giessform 3a-3c. Es ist auch möglich, statt des Giess topfes 16a einen Giesstopf 28 mit Ausflusstülle zu verwenden, der am Formkasten 5 angehängt wird.
Hiebei fliesst der Stahl einseitig durch einen der beiden Einlaufkanäle 15 in den Hohlraum 7 der Giessform 3a3c. Die Schlacke fliesst seitwärts in, den an den Formkasten 5 angehängten Schlackenkasten 24 ab, der dann sofort entfernt wird. Anschliessend wird die Giessform 3 -3c abgenommen und die Sohweiss- stelle in an sich bekannter Weise bearbeitet.
Das erfindungsgemässe Verfahren unter Verwendung feuerfester hochgebrannter Giessformen, z. B. aus Schamotte, soll anhand der Fig. 13-17 näher erläutert werden.
Vor dem Ansetzen dei Giessformhälften 3a und 3b werden die beiden Teile 22a und 22b des Formanpressers so am
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den in die Horizontale heruntergeklappten Schwenkarme sich mit den Druckpunkten bzw. - flächen ungefähr auf Stossmitte befinden. Nach diesem Einrichten werden die Schwenkarme um ihre auf den Befestigungskappen liegenden Drehpunkte hochgeklappt. Nunmehr werden die beiden Giessformhälften 3a und 3b lose in die beiden Stützrahmen 23a und 23b eingesetzt und zusammen mit diesen gleichzeitig oder nacheinander an die zu verschweissenden Schienen 1 und 2 'durch Herunterklappen der Schwenkarme der Formanpresserteile 22a und 22b und Betätigung der Druckschrauben angepresst.
Anschliessend wer-
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gegenabgeflachten Kanten 30 oder durch Einlegen einer Asbestschnur abgedichtet. In die oberhalb des Schienenkopfes innerhalb der Giessform liegenden z. B. schwalbenschwanzartigen oder beliebig geformten Nuten oder Aussparungen werden aus feuerfestem Material bestehende Körper oder Rie-
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zungsgrad der Schienen entsprechend mehr oder weniger tief in die Giessformhälften hineingedrückt werden.
Anschliessend wird die Halterung 31 für den Brenner auf den Stutzen des Formanpresserteils 22a oder 22b aufgeschoben und durch Verstellschrauben oder mit andern Mitteln befestigt. Auf dem andern Formanpresserteil wird in gleicher Weise die Stütze 20 für den vorbereiteten Reaktionstiegel 17 befestigt und für die Schweissung ausgerichtet. Zwischen Tiegel und Giessform wird die Giessrinne 25 angeordnet.
Nach beendeter Vorwärmung wird die Brennereintrittsöffnung 10a durch einen ebenfalls vorgewärmten feuerfesten Körper oder Riegel 21 derart verschlossen, dass sich zwischen der Schienenoberfläche und dem eingesetzten Körper nur noch ein Hohlraum von wenigen Millimetern Höhe befindet. Die dorthin fliessende Menge aluminothermischen Stahls reicht jedoch aus, um eine
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rials zu erreichen. Statt des Einsetzens der beiden Abdichtungsriegel 19 und des Steigerverschlussriegels 21 kann auch nach beendeter Vorwärmung ein gemeinsames Verschlussstück 32 eingesetzt werden.
Der aluminothermische Stahl fliesst über die Giess rinne 25 einseitig durch einen der beiden
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den Abzweigkanal 15a unterhalb des Schienenkopfes in die Form gelangt. Man kann auch den
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Abzweig zum Schienenfuss weglassen. Der in. der Form hochsteigende Stahl füllt auch den über dem Schienenkopf liegenden sehr schmalen Raum zwischen eingeschobenem Körper oder Riegel 21 bzw. Verschlussstück 27 und Oberkante Schienenkopf aus, ohne dass ein grösserer nachträglich zu entfernender Steiger entsteht. Die seitlichen Kopfwülste können nach kurzer Abkühlungszeit maschinell abgeschliffen werden. Die Möglichkeit eines Zugverkehrs über die Schweissstelle besteht jedoch schon vor der Nachbearbeitung.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich ganz besonders gut bei der Verschweissung von Schienen. Vorgefertigte Giessformen, verkürzte Vorwärmung, Vereinfachung und Gewichtserleichterung des Geräts setzen bei ihrer gemeinsamen Anwendung die für eine Zwischengussschwei- ssung erforderliche Zeit um mehr als die Hälfte herab, so dass jetzt während sehr kurzer Sperrpausen im Bahnbetrieb Zwischengussschweissungen durchgeführt werden können, ausserdem tritt eine Schonung der menschlichen Arbeitskraft ein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum aluminothermischen Zwischengussschweissen von Werkstücken, vorzugsweise Schienen, bei dem die von Formkörpern umgebenen Werkstückenden vorgewärmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass an einem andern Ort vorgefertigte, aus feuerfestem Material bestehende Formkörper mittels einer Schnellspannvorrichtung zweckmässig unter Zwischensch ! a1. - tung eines Einsatzkastens an die zu schweissen- den Werkstückenden angepresst werden und die Vorwärmung durch von oben in einen Steigerkanal schlagende Flammen erfolgt.