Unparteiische Bewertung des elektrischen Schweißens von Eisenbahnschienen, veröffentlicht 1910
Die Thomson-Schienenschweißmaschine wurde ab Februar 1893 für die Verlegung von 5,6 km Schienen bei der Baden & St. Louis Railroad und 1917 für das "Kompressionsschweißen" von Eisenbahnschienen eingesetzt. Der folgende ingenieurwissenschaftliche Bericht wurde 1910 von Richard Newell Hart in seinem Buch über das Schweißen in Theorie und Praxis veröffentlicht:
Schienenschweißen mit dem Thomson-Prozess
Von Richard Newell Hart, B.S. (* 1882)
Publiziert in: Welding - Theory, Practice, Apparatus and Tests
Electric, Thermit and Hot-Flame Processes
McGraw-Hill Book Company, New York, 1910[1]
Der Thomson-Prozess
1. Ein Wechselstromgenerator.
2. Ein Abspanntransformator, der im Körper des Schweißers mitgeführt wird.
3. Ein Gerät zur Regelung des Stroms, und manchmal
Vorrichtung zum automatischen Abschalten des Stroms, sobald
Schweißwärme erreicht wird.
4. Klemmen zum Halten des zu schweißenden Metalls und zur Übertragung
den Strom dazu.
Der Thomson-Prozess bietet eine Reihe von entscheidenden Vorteilen. Unter ihnen:
2. Es wird behauptet, dass die eingesetzte Leistung einen Wärmewirkungsgrad von 75 Prozent ergibt; die Leistung wird nur so lange genutzt, wie sie benötigt wird, und wird ebenso leicht abgeschaltet wie die Heißflammen-Schweißbrenner.
3. Die Erwärmung erfolgt schnell, gleichmäßig, völlig lokal und ist unter Kontrolle.
4. Es gibt keine übermäßige Erwärmung wie beim elektrischen Lichtbogen; daher keine übermäßige Oxidation oder Entkohlung des Metalls.
5. Die Klemmen halten das Werkstück in genauer Ausrichtung und erzeugen einen Druck, der ausreicht, um das heiße Metall gut zusammenzudrücken.
6. Der Arbeiter läuft nicht Gefahr, seine Augen durch übermäßiges Licht zu verletzen, und der Strom ist überhaupt nicht gefährlich. Der Arbeiter arbeitet ohne dunkle Brille oder Schutzschürze und kann die Metallstäbe während des Schweißens halten.
2. Obwohl solche Metalle wie Messing und Gusseisen auf der Thomson-Maschine geschweißt werden können, empfiehlt das Unternehmen sie nicht für solche Metalle, die einen ausgeprägten Schmelzpunkt haben und unterhalb dieses Punktes nicht plastisch sind. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt ergibt mit diesem Verfahren keine völlig zufriedenstellende Schweißnaht.
3. Die Maschine benötigt in unregelmäßigen Abständen Strom. Aus diesem Grund können die Stationsingenieure Einwände gegen eine einzelne große Maschine in ihren Anlagen haben.
Apparat und Strom
Auf den Seiten 43-66 des Originalbuches gibt es eine detaillierte Beschreibung des Apparats und des Stroms.
Schienenschweißen mit dem Thomson-Prozess
Die wichtigste Einzelanwendung des Thomson-Verfahrens war das Schweißen von Straßenbahnschienen. Vor 1892 wurde das gesamte Schienenschweißen nach dem Giwßschweißverfahren durchgeführt (...).
In letzter Zeit haben die elektrischen Straßenbahnen begonnen, elektrisch geschweißte Schienen und auch thermitgeschweißte
Schienen einzuführen. Um
den Strom zu leiten, stellen geschweißte Schienen eine große Verbesserung gegenüber den durch Laschen und Kupferdraht verbundenen Schienen dar:
1. Die Leitfähigkeit der Schweißnaht ist genauso gut oder besser als die des Schienenstücks. Es gibt keine Verklebung, die sich lösen, undicht werden oder gestohlen werden könnte.
2. Die Schiene wird viel länger halten.
3. Geschweißte Schienen haben eine höhere Laufruhe.
Schienen, die durch Stadtstraßen verlaufen, sind gut in die Straße eingebettet. Wenn der Straßenbelag kein guter Wärmeleiter ist und die Extremwerte der Sommer- und Wintertemperaturen nicht zu
groß sind, können sehr lange Gleisabschnitte zu einem Stück verschweißt werden, ohne dass man befürchten muss, dass sie sich an den Enden oder an einer der Verbindungsstellen lösen. Ein Abschnitt
von 700 Metern wurde in Holyoke, Massachusetts, lückenlos verschweißt. Es wurde berechnet, dass der Ausdehnungskoeffizient von Stahl in einem solchen Klima eine Spannung von etwa 16.000 Pfund auf
den Zoll (110 N/mm²) verursachen würde, wobei die Zugfestigkeit der Schiene weit über 40.000 Pfund (275 N/mm²) liegt.
Die Reibung des Belags an der Schiene und die Trägheit der Schiene verhindern Verschiebungen, und die Ausdehnung und Kontraktion werden durch die Elastizität der Schiene aufgefangen. Mit Thermit
oder elektrisch geschweißte Schienen sind weniger anfällig für Risse oder Brüche an der Schweißnaht als gussgeschweißte Schienen.
Das Thomson-Verfahren war das erste Schweißverfahren, das bei der Herstellung von durchgehenden Schienen auf elektrischen Eisenbahnschienen angewandt wurde. Es wurde 1892 von der Johnson Company
eingeführt.
Im Jahre 1897 verbesserte die Lorain Steel Company, die Nachfolgerin der Johnson Company, das Verfahren und brachte es aktiv auf den Markt. Seitdem wurde es in fast allen großen Städten der
Vereinigten Staaten eingesetzt, und das Unternehmen hielt es für notwendig, seine Ausrüstung für diese Art von Arbeiten zu verdoppeln.
Die Verbindung besteht aus zwei an den Steg der Schiene geschweißten Stäben, einer auf jeder Seite. Zwischen den Stäben und der Schiene werden drei Schweißnähte ausgeführt, eine direkt über den
Enden der beiden Schienen und an jedem Ende der Stäbe. Die mittlere Schweißnaht wird zuerst ausgeführt. Beim Abkühlen zieht die Kontraktion der Stäbe die aneinanderstoßenden Schienen zusammen, so
dass keine Öffnung am Schienenkopf verbleibt.
Das Gerät ist auf vier Straßenbahnwagen montiert, die jeweils von eigenen Motoren angetrieben werden. Der erste Wagen trägt eine Sandstrahlvorrichtung zum Reinigen der Schienen und Stangen.
Das Schweißgerät ist an einem Kran aufgehängt, der an der Vorderseite des zweiten Wagens vorsteht (siehe Abb. 32). Das Schweißgerät selbst besteht aus einem "Transformator zur
Spannungsreduzierung der Stromzufuhr für die Erwärmung der Schweißnaht und einem Hydraulikaggregat, das die zu schweißenden Teile mit einem hohen Druck beaufschlagt." Innerhalb des Wagens
befindet sich ein geeigneter Mechanismus zum Heben und Senken des Schweißgeräts und zum Schwenken des Geräts von einer Seite zur anderen, um an einer der beiden Schienen anzugreifen.
Der dritte Wagen, der mit dem Schweißanlagenwagen gekoppelt ist, trägt einen rotierenden Transformator und eine Regelvorrichtung zur Umwandlung des Gleichstroms aus der Oberleitung in
Wechselstrom. Eine Schalttafel mit Instrumenten usw. ist ebenfalls in diesem Wagen untergebracht.
Der vierte Wagen trägt zwei Schleifeinrichtungen die jeweils über den Schienen aufgehängt sind, um eventuelle Ungleichheiten, die nach dem Schweißen der Verbindung am Schienenkopf bestehen,
auszugleichen und eine ebene Lauffläche zu erzeugen.
Das Verfahren wurde erfolgreich auf alle Arten von Schienen, sowohl Dopelkopf- als auch T-Schienen, angewandt. Auch auf das Schweißen der "dritten Schiene" (d.h. der Stromschiene) auf Hochbahnen
und oberirdischen Linien wurde das Verfahren erfolgreich angewendet.
Das Verfahren empfiehlt sich wegen seiner Unschädlichkeit besonders für den Einsatz in überfüllten Stadtstraßen, da es nicht von Feuchtigkeit beeinträchtigt wird und keine Explosionsgefahr etc.
durch plötzliche Regenstürme besteht. Der Apparat arbeitet praktisch geräuschlos.
Eine interessante Anwendung war das Verschweißen der T-Schiene auf dem Oberbau auf der Nord- und Südfahrbahn der Brooklyn Bridge im Jahre 1906.
Die Kosten der Geräte machen es für eine Eisenbahngesellschaft wünschenswerter, die Schweißarbeiten für sie ausführen zu lassen, als sie selbst auszuführen.
Das Gerät wird auch zum Anschweißen schwerer Kupferkabel an die Schienen verwendet, entweder für die Rückführung über Kopf oder bei Spezialarbeiten (wie Weichen oder Kreuzungen). Da die
Leitfähigkeit der Schweißverbindung größer als die der Schiene
ist, wird so ein höchst perfektes Verbindungssystem bei gleichzeitigem Wegfall der Verbindungen ermöglicht.
Mit dieser Maschine werden pro Tag zehn bis zwanzig Schweißnähte hergestellt. Der Bruch soll weniger als 5 Prozent betragen, und oft sogar weniger als 1 Prozent. Die Maschinen werden geleast,
nicht verkauft, und dementsprechend müssen die Kosten bei der Berechnung der Kosten pro Fügestelle auf der Grundlage der Miete, der Leistung und der Arbeitskraft berechnet werden.
Elektrische Widerstandserwärmung
Neben der Verwendung als Schweißgerät kann die Maschine auch als Vorwärmer von zu lötenden oder zu biegenden Metallen verwendet werden. Manchmal wird es vorzuziehen sein, eine Verbindung zu hart-
oder weichzulöten, wenn die beiden Metalle ihre Form nicht verlieren dürfen oder aufgrund ihrer Materialeigenschaften nihct gestaucht dürfen: Das Schweißgerät kann dann als Vorwärmer verwendet
werden. Der Strom wird so reguliert, dass die Metalle auf eine etwas geringere Hitze als die des Schweißens gebracht und auf dieser Hitze gehalten werden. Beim Hartlöten von Messing ist dies die
bekannteste Methode der Vorwärmung, da ein Brennervorwärmer immer einen Teil des Zinks im Messing verbrennt und das Kupfer oxidiert.
Das Thomson-Schweißgerät kann auch zum Glühen von Punkten in Panzerplatten verwendet werden. Dazu wird das Pluspol mit der Panzerplatte verbunden und die negative Klemme gegen den zu glühenden
Punkt gedrückt.
Untersuchungen
Es wird manchmal gefragt, ob der elektrische Strom das Metall nicht beschädigt. Elektroschweißen ist für das Metall nicht schädlicher als jedes andere Verfahren. Tatsächlich ist die Kontrolle der Wärme so genau und Überhitzung und Wiedererwärmung so selten, dass elektrische Schweißnähte eine gleichmäßig hohe Zug- und Elastizitätsfestigkeit aufweisen. Eine "verbrannte" Schweißnaht kommt selten vor - das Oxid an der Verbindungsstelle wird in die Stauchung herausgedrückt und abgeschliffen. Es kann mit Nachdruck festgestellt werden, dass die elektrischen Widerstandsschweißnähte die besten sind, die bisher gemacht wurden. Beispielsweise geben selbst ein so oft missbrauchte und überbeanspruchte geschweißte Bauteile, wie die in einer Druckmaschine, selten an der Schweißnaht nach.
Sir Frederick Bramwell[2] stellte fest, dass 1 1/8-Zoll (28,5 mm)-Rundstäbe in 2 1/4 Minuten mit einer durchschnittlichen Zugfestigkeit von 91,9 Prozent geschweißt werden können, gegenüber einer Zeit von vier Minuten und einer Festigkeit von 89,8 Prozent beim Feuerschweißen.
Die Ergebnisse einer Reihe von Tests elektrisch geschweißter Metalle, die im Watertown Arsenal[3] durchgeführt wurden, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
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Neunundzwanzig brachen an der Schweißnaht.
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Siebzehn innerhalb von 50,8 mm (2 Zoll) von der Schweißnaht entfernt.
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Elf innerhalb des Bereichs mäßiger Hitze.
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Zwei in der Nähe der Griffe.
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Die Schweißnähte aus Schmiedeeisen lagen 5 bis 10 Prozent unter der Einheitsfestigkeit; der Bruch war faserig oder leicht schwammig.
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Schweißnähte aus Stahl lagen zwischen 50 und 80 Prozent, weniger als die Einheitsfestigkeit.
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Kupferschweißnähte lagen bei 5 bis 10 Prozent, weniger als die Einheitsfestigkeit.
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Mit Schmiedeeisen geschweißter Stahl mit etwa der Festigkeit des Eisens.
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Messing ergab eine unsichere Schweißnaht mit Schmiedeeisen und hatte eine Festigkeit an der Schweißnaht von 8 1/2 bis 16 1/2 Tonnen auf den Zoll (d.h. 130 bis 250 N/mm²).
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Mit Neusilber geschweißter Stahl mit einer Festigkeit von 20 Tonnen auf den Zoll (d.h. 304 N/mm²).
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Einige Stahlschweißnähte entsprachen etwa der Einheitsfestigkeit und einige Eisenschweißungen lagen über der Einheitsfestigkeit.
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Einige dieser Stäbe wiesen jedoch Stauchungen auf, und die Stauchung scheint die Festigkeit nicht sehr stark erhöht zu haben.
Remarks and References
- Richard Newell Hart (* 1882): Welding: Theory, practice, apparatus and tests. Electric, thermit and hot-flame processes. McGraw-Hill Book Company, New York, 1910, S. 42 and 66-71.
- Hermann Lemp: The Engineering Magazine, August 1894.
- Electric Engineering Formula, S. 673.
- Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1889, S. 97.