Skinnesveising

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

Fra begynnelsen av jernbanens historie ble skinnene forbundet med hverandre ved hjelp av lasker. Det er dette som er opphavet til den nostalgiske ”kadunk-kadunk”-lyden. Allerede på begynnelsen av dette århundret ble de første jernbaneskinner skjøtet sammen med hjelp av aluminiotermisk sveising i Tyskland.

Mot slutten av 1930-tallet startet man forsiktig med å sveise sammen skinner i Norge. Pga. skinnenes utvidelse og faren for utknekking ble ikke skinnene sveist sammen til lengre lengder enn 30-40 meter. På 1950-tallet ble det for første gang gjort forsøk med kontinuerlig sammensveiste skinner.

Det helsveiste sporet uten åpne skjøter har ført til lavere vedlikeholds-kostnader, bedre komfort, og større sikkerhet. I løpet av 60, 70 og 80-tallet ble skinnene på alle hovedstrekninger i Norge sveist sammen til helsveist spor. I dag er over 95% av Jernbaneverkets hovedspor helsveist

I dag anvendes følgende sveisemetoder for skjøtsveising av skinner:

• Aluminiotermisk sveising (“thermit”)
• Elektrisk motstandssveising

• Stasjonær
• Mobil

• Elektrisk lysbuesveising (formsveising)

Tidligere ble det også sveist skinner med autogensveising (oksygen / acetylengass). Denne metoden ble forlatt på 60-tallet.

Det blir utført ca. 5000 til 10 000 skjøtsveiser pr. år i Norge fordelt på aluminiotermisk sveising og elektrisk motstandssveising. Elektrisk lysbuesveising blir bare benyttet i enkelte tilfeller ved sveising av sporveksler pga. plassproblemer. Figur 5.1 viser antall skjøtsveis med fordeling på ulike sveisemetoder fra 1978 til 2009.

Vi ser at antall skjøtsveiser har hatt en synkende tendens. Dette skyldes flere faktorer, bl.a. er man i dag ferdig med å helsveise alle strekninger i Norge og har gjennomført en omfattende skinnefornyelse. Når det bygges nye spor i dag legges det dessuten mer vekt på å bruke lengre skinnelengder enn tidligere. De siste årene er det imidlertid en økning i antall skjøtsveis. Dette har sammenheng med en kraftig økning i vedlikeholdsinnsatsen på sporene våre.

Figur 5.1 Sveisemetoder anvendt til skinnesveising i Norge

Matrialtekniske forutsetninger

Sveising innebærer store termiske påkjenninger for materialene som skal sveises sammen. Den hurtige avkjølingen etter sveising medfører store spenninger og fare for herding og sprekkdannelser. I karbon-manganstål er det sammensetning og andel av legeringselementer som bestemmer sveisbarheten.

Tabell 5.1: Skinnestålkvaliteter

Gml. navn	EN 13674-1	Rm (N/mm2)	Kjemisk sammensetning (% av masse - solid)
			C	Mn	Si	Cr	Pmax	Smax
700	R200	680-830	0,38-0,62	0,65 -1,25	0,13- 0,60	(-)	0,04	0,04
900A	R260	880-1030	0,60 -0,80	0,65 -1,25	0,13-0,60	(-)	0,03	0,03
900B	R260Mn	880-1030	0,53-0,77	1,25 -1,75	0,15-0,60	(-)	0,03	0,03
1100	R320Cr	> 1080	0,58-0,82	0,75-1,25	0,48-1,12	0,75-1,25	0,025	0,03
(-)	R350HT	> 1175	0,70-0,82	0,65-1,25	0,13-0,60	(-)	0,025	0,03
(-)	R350LHT	> 1175	0,70-0,82	0,65-1,25	0,13-0,60	0,0-0,30	0,025	0,03

Tabell 5.1 viser stålkvaliteter for skinner. Alle med unntak av 12-14% Mn har perlittisk mikrostruktur i brukstemperatur. Ved sveising av disse kvalitetene er det avgjørende at avkjølingstiden etter sveising er tilstrekkelig lang for at fullstendig omvandling fra austenitt til ferritt/perlitt skal kunne finne sted. Under de vekslende belastninger som skinner blir utsatt for kan vi ikke akseptere sprø martensittstruktur (herdestruktur).

Forvarming

Vi ser at skinnestål har langt høyere andel av legeringselementer enn vanlig konstruksjonsstål, noe som tilsier at skinner har dårligere sveisbarhet enn konstruksjonstål. Ved sveising av skinner er det derfor nødvendig med forvarming/ettervarming og stor varmetilførsel under sveising for at avkjøling i varmepåvirket sone skal skje langsomt.

350HT

Kvaliteten R260 i tabell 5.1 finnes også i ”hodeherdet” utgave. Denne kvaliteten som benevnes 350HT er altså en standard R260-skinne hvor skinnehodet er varmebehandlet på en slik måte at vi får en perlittstruktur hvor avstanden mellom ferritt og cementittlamellene er mindre enn etter normal avkjøling. Dette fører til økt hardhet og slitestyrke i skinnehodet, men kan gi opphav til problemer med store hardhetsforskjeller i varmepåvirket sone etter sveising.

12-14% Mn

12-14% Mn er en stålkvalitet som bare anvendes i helstøpte skinnekryss. Denne kvaliteten (som også benevnes ”Hadfield”-stål) har en austenittisk struktur ved brukstemperatur. Mens det ved sveising av perlittiske skinnestål er viktig med forvarming og høy varmetilførsel skal 12-14 Mn sveises kaldt, dvs. med liten varmetilførsel. Årsaken er at høy temperatur over lang tid fører til karbidutskilling på austenittkorngrensene. Dette medfører sprøtt materiale med rissdannelser.

Nødvendig avkjølingstid

TTT-diagram

Tabell 5.2 Nødvendig avkjølingstid

Skinnekvalitet	t800 - 500 [sekunder]	temp. fullst. perlitt [°C]
R200	50	560
R260	50	555
R260Mn	130	562
R320Cr	210	580

Tabell 5.3 Avkjølingstid ved sveisemetoder for skjøtsveising av skinner

Sveisemetode	t 800 - 500 [sekunder]
Aluminiotermisk sveising	ca. 720
Elektrisk motstandssveising med ettervarme	ca. 360
Elektrisk motstandssveising uten ettervarme	ca. 180

Avkjølingstiden fra 800 - 500 0C som er nødvendig for at vi skal få full omvandling til perlitt / ferritt kan leses av et TTT-diagram (tid-temperatur-transformasjonsdiagram). Figur 5.19 viser et TTT-diagram for skinnestål. Den minste tiden som er nødvendig for å gjennomløpe tidsintervallet 800-500 0C er vist i tabell 5.2.

Figur 5.2 Nødvendig avkjølingstid

I tabell 5.3 finner vi avkjølingstiden for vi kan regne med etter skjøtsveising av skinner. Tidene er omtrentlige og vil variere med bl.a. skinneprofil, valg av sveiseparametere og temperaturforhold på sveisestedet. Vi ser at avkjølingshastigheten etter aluminiotermisk sveising er så lav at det ikke er noen fare for herding i varmepåvirket sone dersom sveiseprosedyrene følges. For elektrisk motstandssveising ser vi at det er nødvendig med ettervarming ved sveising av mikrolegerte skinner (R320Cr og 1200).

Ved skjøtsveising av skinner er det altså mulig å velge prosedyrer / sveiseparametere som gjør det mulig å sveise alle aktuelle skinnekvaliteter uten fare for dannelse av martensittstruktur i varmepåvirket sone. Når det gjelder påleggsveising/reparasjonsveising som utføres med elektrisk lysbue er situasjonen en annen. Her er det svært vanskelig i praksis å unngå martensitt i varmepåvirket sone ved sveising på mikrolegerte skinner. (R320Cr/1200). I følge Jernbaneverkets prosedyrer skal man ha en forvarmingstemperatur på 450°C og en arbeidstemperatur på 400°C ved påleggsveising på disse materialene. Både laboratorietester og praktiske forsøk viser at forvarmetemperatur / arbeidstemperatur skal være min. 550/500 °C dersom man skal unngå martensitt. Så høye forvarme / arbeidstemperaturer er imidlertid svært vanskelig å holde under praktisk sveising i sporet.

Aluminiotermisk skjøtsveising

I Norge ble aluminiotermisk sveising av skinner innført på begynnelsen av 1960 - tallet. Selv om det bare er gjort små forandringer i sveisemetoden er det i dag fortsatt den dominerende sveisemetode for skjøtsveising av skinner i spor. Hvert år blir det utført mellom 5 og 10 000 skjøtsveiser i spor med denne metoden ved Jernbaneverket. Dette utgjør i dag nesten 100 % av samtlige skjøtsveiser i sporet.

Den aluminiotermiske sveisemetoden kjennetegnes ved at den er svært fleksibel og er lite avhengig av kostbart utstyr sammenlignet med andre sveisemetoder. Det er imidlertid en operatøravhengig metode som krever at sveiserne følger en fastlagt prosedyre nøye for å unngå sveisefeil.

Den aluminiotermiske prosess

Mot slutten av forrige århundre oppdaget Professor Hans Goldschmidt i Tyskland at det var mulig å fremstille rene tungmetaller ved hjelp av metalloksyder og aluminium. Grunnlaget for denne prosessen er aluminiumets sterke affinitet til oksygen som gjør det til et svært effektivt reduksjonsmiddel. Prosessen kalles også gjerne "thermit" - prosessen.

Den aluminiotermiske prosess skjer ved antenning av en pulverisert blanding av metalloksyd og aluminium i en digel. Det skjer en redoksreaksjon hvor metalloksydet reduseres til rent metall og aluminiumet oksyderes til aluminiumoksyd.

En avgivelse av oksygen fra et metalloksyd krever energi mens oksydasjon av et metall frigir energi. Pga. aluminiumets sterke affinitet til oksygen blir det frigitt mer energi ved oksydasjon av aluminiumet enn det trengs for reduksjon av metalloksydet, slik at det totalt sett blir frigjort energi ved en aluminiotermisk prosess.

metalloksyd + aluminium → metall + aluminiumoksyd + energi

Energien som blir frigjort fører til en sterk varmeutvikling slik at metallet og aluminium oksydet smelter og kan tappes ut av digelen og ned i en støpeform. Varmemengden som blir utviklet er avhengig av hvor mye energi som skal til for å redusere de enkelte metalloksyder. I tabell 5.4 er det angitt nødvendig energimengde for reduksjon av en del kjente metalloksyder, samt energimengden som blir frigjort ved oksydasjon av aluminium.

Tabell 5.4 Energifrigjøring ved aluminiotermiske reaksjoner

Metalloksyd	Energi som brukes for reduksjon av 1 mol (kJ)	Energi som frigjøres ved oksydasjon av 1 mol Al203 (kJ)	Frigjort energi ved Alu-termisk reaksjon /mol (kJ)
CuO	155		1207
NiO	240		954
Fe2O3	826	1674	848
Mn2O3	957		717
Cr2O3	1130		544

Vi kan sammenligne den aluminiotermiske reaksjon med andre oksydasjonsforløp som f.eks. forbrenning av kull. Kullet tar det nødvendige oksygenet fra luften, mens aluminiumet tar oksygenet fra et metalloksyd.

I starten ble den aluminiotermiske prosess brukt til fremstilling av karbonfrie metaller som krom, kobber og jern. Rundt århundreskiftet ble prosessen tatt i bruk for sveising av skinner, først sporveisskinner og i 1920 - årene jernbaneskinner. Sveising av skinner er i dag det klart største anvendelsesområde for den aluminiotermiske prosess.

Andre anvendelsesområder er reparasjon og sveising av store konstruksjonselementer som f.eks. skipsaksler, og sveising av kobberkabler.

System for skjøtsveising av skinner

Aluminiotermisk skjøtsveising av skinner blir klassifisert som en smeltesveisemetode, dvs. at det blir dannet en forbindelse ved at skinneendene bringes til flytende fase hvor det blander seg med et flytende tilsatsmateriale. Forbindelsen dannes altså uten bruk av ytre krefter i motsetning til press-sveisemetoder som f.eks. elektrisk motstandssveising. Varmen som skal til for å smelte opp skinneendene kommer dels fra tilsatsmaterialet og dels fra forvarming med brenngasser.

Figur 5.3 Aluminiotermisk sveising

Figur 5.3 viser en skjematisk oppstilling av Thermit - Smw-F sveisemetode som i dag er standard sveisemetode ved Jernbaneverket. Skinneendene ligger med en avstand fra 20 - 23 mm fra hverandre (sveiseåpning) og blir omsluttet av sveiseformer. Over er det fastspent en digel hvor thermit - reaksjonen skjer. Skinneendene forvarmes til ca 1000°C før antenning av thermitporsjonen. Etter antenning tar det 15 - 25 sekunder før reaksjonen er over, og det flytende stålet kan tappes ned i formene. Ca. 5 min. etter tapping er stålet størknet slik at formene kan tas av og skjøten bearbeides.

Figur 5.4 Aluminiotermisk reaksjon

Sveisemateriell

Følgende forbruksmateriell er nødvendig for å utføre en aluminiotermisk skjøtsveis:

• sveiseporsjon (tilsatsmateriale) m/tennstikker
• sveiseformer
• tettningsmasse
• digel m/ digelstøpsel
• forvarmingsgasser

Sveiseporsjon

Sveiseporsjonene blir levert i plastposer og er tilpasset skinneprofil, skinnekvalitet og sveisemetode. Porsjonene inneholder følgende i pulverisert form:

• jernoksyd (Fe2O3)
• aluminium (Al)
• legeringselementer
• skrapjern

Hovedbestanddelene i sveiseporsjonen er Jernoksyd og rent aluminium (99,8%) i pulverisert form. Jernoksydet er vanligvis glødeskall etter valsing av bløtt stål som blir levert fra egnede valseverk. Blir blandingen antent med en spesialtennstikke, starter en reaksjon som gir jern og aluminiumoksyd som resultat. Reaksjonen kan beskrives etter denne kjemiske ligningen:

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 + 760 kJ Energi

1 kg sveiseporsjon gir ca. 1/2 kg jern, 1/2 kg slagg (aluminiumoksyd) og 3550 kJ energi. Temperaturen til stålet og slagget ved tapping er ca. 2450°C.

Legering

Den aluminiotermiske reaksjonen gir rent jern som reaksjonsprodukt. Rent jern er altfor mykt til at det kan brukes som tilsatsmateriale ved skjøtsveising av skinner. For å oppnå gode nok fasthetsegenskaper må det tilsettes legeringselementer i sveiseporsjonen. Legeringselementer som tilsettes er bl.a; karbon, mangan, silisium, krom, titan og vanadium. Hvilke legeringselementer som tilsettes og hvor store mengder er avhengig av skinnestålkvaliteten som skal sveises. Det finnes sveiseporsjoner for alle stålkvaliteter som er i bruk i dag. Hardheten tilpasses slik at den ligger ca. 20 HB over hardheten til skinnen.

Skrapjern

Finmalt skrapjern blir tilsatt for å dempe reaksjonstemperaturen ved at noe av energien blir brukt til å smelte skrapjernet. Tilsetting av skrapjern øker også stålutbyttet.

Sveiseporsjonene må lagres og transporteres tørt og frostfritt. Dersom porsjonene blir utsatt for fuktighet vil dette medføre for stor gassutvikling under reaksjonen med porer i sveisefugen som resultat. Sveiseporsjoner kan lagres tilnærmet ubegrenset ved forskriftsmessig lagring. Porsjoner som har blitt utsatt for fuktighet kan ikke brukes, selv etter tørking.

Tennstikker

Det må en temperatur på min. 1000°C til for å sette i gang den aluminiotermiske reaksjonen. Sveiseporsjonene må derfor antennes med spesielle tennstikker som utvikler denne temperaturen. Av hensyn til brann og eksplosjonsfare er det ikke tillatt å oppbevare og transportere tennstikkene i samme beholder som sveiseporsjonene.

Sveiseformer

Sveiseformene skal sammen med skinneendene danne en støpeform, som fylles av det flytende stålet fra den aluminiotermiske reaksjonen. Sveiseformene må være tilpasset de forskjellige skinneprofilene, og må kunne tåle den høye temperaturen fra det flytende stålet.

Strømnings-forløp

Sveiseformenes utforming har betydning for strømningsforløpet når stålet og slagget blir tappet i formen. Utformingen skal sørge for at slagget legger seg på toppen av formen, og renner ut i slaggskålen(e). Utformingen av sveiseformen skal også hindre et turbulent strømningsforløp. Dette kan medføre at deler av formtverrsnittet ikke blir tilstrekkelig fylt av stål, med store kontraksjonsspenninger under størkningen som resultat.

Formene består av kvartssand (Si2) som er blandet med natriumsilikat (Na2SiO3). Sanden blir blåst inn i en modell ved hjelp av trykkluft. Den ferdigpressede formen blir deretter gjennomblåst i ca. 5 sekunder med CO2 - gass. Det skjer en kjemisk reaksjon mellom natriumsilikatet og karbondioksydgassen som kan beskrives ved følgende kjemiske ligning:

Na2SIO3 + CO2 → Na2CO3 + SiO2

Reaksjonsproduktet Na2CO3 (kiselsyre) er et ikke-krystallinsk stoff som binder sandkornene sammen slik at formene får den nødvendige styrken.

Lagring og transportering

Formene må lagres og transporteres tørt og frostfritt. Fuktighet eller frost svekker formene betydelig, noe som gjerne fører til brekkasje under sveising. Former som har blitt utsatt for fuktighet eller frost vil få en hvit misfarging. Skader kan også oppdages ved klangprøve hvor fukt/frostskadede former vil ha en dump klang når man slår på de med en metallisk gjenstand. Ødelagte former kan ikke tørkes.

Tetningsmasse

Formene må tettes mot skinnene ved hjelp av en tetningsmasse. Som tetningsmasse benyttes en spesiell type sand med en bestemt kornstørrelse (klebsand) eller en spesiell tetningspasta.

Klebsand

Klebsanden må inneholde 5 - 6 % vann for at skal være klebrig slik at den kan pakkes rundt formene. Det er imidlertid viktig at sanden ikke er for fuktig. Det vil medføre diffusjon av hydrogengass til det flytende stålet, med porer i sveisefugen som resultat.

Med klebsand er det mulig å tette relativt store åpninger mellom skinne og form som oppstår ved sveising av skinner med stor slitasje. Med tetningspasta er slitasjen begrenset til 3-4 mm før det er nødvendig med spesialtilpassede former. Det er imidlertid raskere å tette formene med tetningspasta.

Selvtettende former

Det finnes også såkalte selvtettende former (fra "Railtech"). Disse formene har påmontert et filtlignende materiale på anleggsflatene mot skinnene. Her er nok å bare påføre en tynn stripe tetningspasta mellom skinne og form, noe som er ytterligere tidsbesparende.