Eisenbahnschienen wirtschaftlicher reparieren

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Corus Rail France

Verfahren führt zu stabileren Feinstruktur des Stahls

Beim neuen Verfahren verkürzt die geringe Vorwärmtemperatur von 800° C anstelle von 3.500° C beim konventionellen Verfahren den Zeitaufwand, verringert die Tiefe der Wärmeeinflusszone und führt zu einer stabileren Feinstruktur des Stahls. Zudem hat die standardisierte Entfernung der beschädigten Bereiche mit einer gesteuerten Fräse den Vorteil der Reproduzierbarkeit und ist unabhängig von dem subjektiven Urteil des Bedieners. Außerdem gewährleistet das Verfahren des halbautomatischen, programmierten offenen Lichtbogenschweißens mit flussmittelgefüllter Drahtelektrode eine Kontrolle des Wärmeeintrags sowie berechenbare Einsatzzeiten.

Das neu entwickelte Verfahren stellt eine hohe Güte der wiederhergestellten Lauffläche sicher, weil die instandgesetzten Bereiche extrem ermüdungsfest sind und zudem eine ähnliche Verschleißfestigkeit aufweisen wie der bewährte Schienenwerkstoff R 260 mit einer einheitlichen Härte und Feinstruktur entlang den geschweißten Bereichen.

Schienen in vier Schritten repariert

Die neue patentierte Reparaturtechnik von Corus umfasst vier Schritte: Zunächst wird die Schadstelle mit einer tragbaren Drei-Achs-Schienenfräse entfernt, die seitlich an der Schiene eingespannt wird. Dies gewährleistet eine einheitliche Formgebung des entnommenen Bereichs und ist schon damit eine deutliche Verbesserung im Vergleich zum manuellen Schleifen oder Flämmen, mit denen sich keine gleichmäßige Oberflächenstruktur und keine einheitlich geformten Hohlräume erreichen lassen, die den automatisierten Schweißprozess erleichtern.

Als nächstes werden die angrenzenden Bereiche sowie der Hohlraum mit einem konventionellen Brenner vorgewärmt. Die Wahl des Temperaturbereichs dient dabei der Kontrolle des Mikrogefüges des Stahls in der Wärmeeinflusszone. Der programmierte gitterförmige Auftrag der Schweißnähte gewährleistet, dass das Microgefüge des Schienenstahls feinperlitisch bleibt, ohne Anteile aus sprödem Martensit. Für Schienen aus R 260 liegt die vorgeschriebene Temperatur hierfür zwischen 60 und 80 Grad Celsius. Dieser Temperaturbereich eignet sich für die große Mehrheit der kohlenstoffreichen Stahlwerkstoffe, die heute für Schienen im Einsatz sind. Für Stahlsorten mit einer deutlich anderen Übergangscharakteristik, wie etwa kohlenstoffarme karbidfreie bainitische Stähle, müsste die optimale Vorwärmtemperatur eventuell angepasst werden.

Der dritte Schritt nutzt ein halbautomatisches Reparatur-Schweißgerät nach dem Prinzip des offenenLichtbogenschweißens mit dem vom englischen Schienennetzbetreiber Network Rail zugelassenen Schweißzusatz TN3-0 unter vorgeschriebenen Schweißparametern. Maßgeblich dafür, dass keine neue Wärmeeinflusszone entsteht, ist dabei die Positionierung der obersten Schweißschicht. Der größte Teil dieser obersten Schweißschicht wird beim nachfolgenden Profilschleifen entfernt. Im vierten und letzten Schritt wird mit einer konventionellen Schienenschleifmaschine das Längs- und Querschnittsprofil der Schiene wiederhergestellt und angepasst.

Prozess besitzt hohe metallurgische Stabilität

Eine vergleichende Untersuchung des Temperaturverlaufs bei dem neuen Verfahren gegenüber der bekannten Technik des Lichtbogen-Handschweißens mit Hilfe von eingeschlossenen Thermoelementen ergab mehrere Tatsachen, die die hohe metallurgische Stabilität des Prozesses bestätigen:

• Trotz der geringen Vorwärmung auf lediglich 80 Grad Celsius bleibt die Temperatur in der Wärmeeinflusszone nach jedem Auftrag einer Schweißnaht oberhalb von 200 Grad, was eine Umwandlung in ein martensitisches Gefüge verhindert (die beim Schienenstahl R 260 erst unterhalb von 160 Grad Celsius beginnt).

• Die Abkühlungsgeschwindigkeit liegt bei dem neuen Verfahren nahezu identisch zum konventionellen Handschweißen. Dies gilt für jede aufgetragene Schicht mit Ausnahme der ersten Lage, wo eine höhere Abkühlungsrate von 5,2 °C/s auftritt. Auch diese Abkühlungsrate liegt jedoch nur bei der Hälfte des kritischen Werts für die Umwandlung zu Martensit.

• Die Rissfreiheit der Schweißnaht wird ersichtlich durch das vollständig perlitische Gefüge ohne Bereiche aus Martensit oder Bainit.

• Der Härteverlauf zeigt, dass die Abriebfestigkeit des bainitischen Schweißgutes vergleichbar ist mit der des Grundwerkstoffs R 260 und damit ein einheitliches Längsprofil dauerhaft gewährleistet.

In Biegeschwingversuchen mit einer Belastung, die dem Dreifachen der im Einsatz zu erwartenden Werte entspricht, ertrug die Schweißnaht fünf Millionen Zyklen ohne jeden Ausfall. Weitere 4,3 Millionen Zyklen überstand dieselbe Schweißnaht zudem unter einer Belastung mit dem Achtfachen der Einsatzlast.t.

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