Thermitschweißen

Die Arbeitsschritte beim Thermitschweißen werden hier in 39 hochauflösenden Fotos gezeigt, die Christina Nöbauer 2016 bei Bauarbeiten an der Pinzgauer Lokalbahn in Zell am See aufgenommen hat. Dabei handelt es sich um eine Schmalspurbahn mit einer Spurweite von 760 mm im österreichischen Bundesland Salzburg.

Die gesamte Sequenz dauerte etwa eine halbe Stunde, was in den in den Bildunterschriften wiedergegebenen Zeitstempeln dokumentiert wird. Die Fotos können durch Anklicken vergrößert werden.

Die Schienen sind bereits verlegt. Mit einem Brennschneider werden die Schienenenden so zugeschnitten, dass eine 20 mm breiter Spalt zwischen den Schienenenden bleibt.

Die Schienen werden nach dem Zuschneiden mit einem 1 m langen Lineal gegeneinander ausgerichtet. Besonderer Wert ist dabei auf die saubere Höhenausrichtung der Schienenoberkante zu legen, weil diese einen hohen Einfluss auf die Fahrfläche und dadurch auf die Vibrationen und Fahrgeräusche der Schienenfahrzeuge hat. Auch die Schienenfüße müssen gegenseitig ausgerichtet werden, damit es an den Schienenenden eine möglichst große Angriffsfläche für das Schweißgut gibt.^[1]

An die toleranzgerecht ausgerichteten Schienen werden seitlich Gusshalbformen angesetzt, die mit Halteblechen angepresst werden. Die Spannvorrichtung wird mit dem erforderlichen Einstellmaß an einen der beiden Schienenköpfe angebracht und dient später zur Positionierung der Halbformen zwischen den Halteblechen.^[2]

Die Vorrichtung dient sowohl dem Vorwärmen als auch dem Positionieren und Spannen der Gusshalbformen. Die Spalten zwischen Schienen und Gusshalbformen werden mit Formsandmasse abgedichtet.

Die Schienenenden werden getrocknet und vorgewärmt. Dabei wird die Flamme des Gasbrenners über der Gusshalbformen positioniert. Durch das Vorwärmen der Schienenenden schmelzen diese beim späteren Eingießen des flüssigen Metalls an der Stirnseite auf, so dass es nicht zu Kaltschweißungen mit fehlender Aufschmelzung kommt. Das Vorwärmen sorgt außerdem dafür, dass die Schienen nach dem Schweißen nicht zu schnell abkühlen, da sie bei zu schneller Abkühlung verspröden und zum Sprödbruch neigen.

Bei mehrgleisigen Strecken ist es sinnvoll, die Gaszuleitungsschläuche, falls erforderlich, unter den Schienen des Nachbargleises zu verlegen, damit der Vorwärmvorgang bei der Vorbeifahrt von Zügen auf dem Nachbargleis nicht unterbrochen werden muss. 

Der Schmelztiegel ist heute oft ein fertig gefüllter Einweg-Blecheimer mit Schamotteauskleidung. Er wird genau über dem Einguss positioniert.^[2] Die Abstandshöhe zwischen dem Tiegel und den Gusshalbformen soll nach dem Ausrichten nicht mehr als ca. 40 mm betragen. Die Öffnung des Tiegels darf die Gusshalbformen nicht berühren, weil sonst der Verschluss nicht frei liegt, was das Auslaufen des geschmolzenen Thermit-Stahls verhindern würde.^[1]

Das Aufsetzen einer Tiegelkappe mit Mittelloch isoliert und schützt vor Spritzern, während sich die Pulvermischung rauchend umsetzt. Sicherheitshalber wird der Zünder erst nach dem Aufbau hinzugefügt und angezündet.^[2]

Früher wurde der Guss manuell ausgelöst, heute in der Regel selbsttätig durch einen schmelzenden Verschlussstopfen. Sobald das Metall durch die exotherme Reaktion heiß genug ist, schmilzt der Blechstopfen am Boden des Schmelztiegels, der bis zu diesem Zeitpunkt ein Loch im Boden des Schmelztiegels verschließt. Danach fließt das geschmolzene Metall zwischen die mit den Halbschalen und der Sandgussmasse abgedichteten Schienenenden.^[2]

Die exothermische chemische Reaktion zwischen Eisenoxid und Aluminium, die umgangsprachlich Umsetzung genannt wird, liefert bei einer eine Temperatur von ca. 2400°C flüssiges, kohlenstoffarmes Eisen und flüssige Aluminium-Schlacke (Korund):^[3] 

Fe₂ O₃ + 2Al → Al₂ O₃ + 2 Fe₁ - 851,5 kJ/mol

Die Aluminium-Schlacke schwimmt wegen ihres geringen spezifischen Gewichtes oben auf dem Thermit-Stahl.^[3] Der flüssige Stahl rinnt in die Form und schmilzt die Schienenenden etwas auf. Das geschmolzene Schweißgut füllt den Spalt auf und läuft an den Steigkanälen in zwei Auffangbehälter über, die anschließend entfernt werden.^[2]

Der flüssige Stahl rinnt in die Form, füllt sie auf und läuft an Steigkanälen über, wobei die Schienenenden etwas angeschmolzen werden.^[2] Nach etwa 3 Minuten ist der Stahl in der Form erstarrt. Danach können die Formhaltebleche vorsichtig abgenommen werden.^[1]
  

Nach dem Erstarren werden die Gusshalbformen nur oberhalb der Schienenoberkante entfernt.
  

Die Kopfwulst oberhalb der Schienenoberkante wird vorsichtig mit einem hydraulischen Abschergerät abgetrennt, die Fußsteiger und die restlichen Formteile bleiben bis zum Erkalten an der Schweißung bzw. an den Schienenenden. Beim Reinigen des Schweißstoßes von Formsandresten und Resten der Halbformen darf die noch heiße Schiene nicht durch Benutzung der Schlagwerkzeuge berührt werden.^[1]
  

Nach dem Abscheren des Wulsts am Schienenkopf werden die Fahrfläche und die Fahrkante im noch heißen Zustand vorgeschliffen.^[1]
  

Durch das Schleifen soll eine möglichst ebene Schienenoberfläche und Fahrkante erreicht werden, die während des Betriebes mit den  Laufflächen, Spurkranzflanken und Spurkränzen in Berührung kommt.
  

Abschließend muss bewertet werden, ob die Schweißung den Qualitätsanforderungen in vollem Umfang entspricht, bevor sie für den Bahnbetrieb freigegeben wird.
  

• George E. Pellissier war im August 1904 der erste Amerikaner, der Thermit-Schweißen kommerziell eingesetzt hat.

• Dipl.-Ing. (FH) Johannes Braun, Dr.-Ing. Jörg Keichel und Dr.-Ing. Andreas Peters: Aluminothermisches Schweißen: Tradition und Innovation im lückenlosen Gleis (Aluminothermic welding: tradition and innovation in continuously welded track). In: Infrastruktur Network ZEVrail, Nr.139, 10. Oktober 2015, 382-389.

1. Matthias Müller, Thorsten Schaeffer: Schweißverfahren mit Kurzvorwärmung (SkV). Gleisbau Welt (Memento vom 18. März 2004 im Internet Archive) 2003–2012, abgerufen 20. April 2019.
2. Helium 4 et al: Thermitreation. Wikipedia, Creative-Commons-Lizenz Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (CC-BY-SA-3.0).
3. Gleisbau-Welt: Gleisbau und Instandhaltung > Maschineller Gleisbau > Schweißtechnologie > Alu-Thermit Schweißen.