Tata Steel introducerer bedre svejsekvalitet med lavere omkostninger til skinnereparationer

Tata Steel Rail har udviklet en ny teknik til omkostningseffektive reparationer af individuelle skader på jernbaneskinners løbeflade.

Omkostningseffektiv
Styrken i den nye teknik ligger i forskellen i de resultater, der kommer med den konventionelle MMA (Manual Metal Arc - manuel lysbuesvejsning) fremgangsmåde, der ofte medfører stor forskel på kvaliteten af reparationen med automatiske og mere kontrollerede arbejdsmetoder.
Udviklingen af de halvautomatiske processer sker med åben lysbuesvejsning med svejsetråd med flusmiddel og teknikken indebærer en lav temperatur til forvarmning, så de metallurgiske ændringer inden for det varmepåvirkede område kan kontrolleres aktivt.
Den gennemsnitlige udgift for en reparation – eller udskiftning af et kort stykke skinne - kan løbe op i adskillige tusinde Euro, og da forekomsten af defekter på skinne-hjul området sandsynligvis bliver forøget med den større trafik på de fleste jernbanestrækninger, er det ikke vanskeligt at forestille sig vigtigheden af den nye reparationsmetode.

Gennemtestet metode
Metoden er blevet gennemtestet og en specialenhed er ved at blive dannet så der kan foretages demonstration in situ på adskillige europæiske banelinjer, inklusive Frankrig og Storbritannien. Jernbanevognenes hjul forårsager store og komplekse stressmønstre på skinnernes kontaktflade – og det medfører nedbrydning af skinnernes overflade.
Det store udvalg af skinneprofiler, hjulprofiler og trafiktyper kan resultere i mange skader på skinneoverfladerne – og det nedsætter levetiden på skinnelegemet.
Deformering og opvarmning ved hjulspin (wheelburns) af skinner forekommer på selv de mest moderne og bedst vedligeholdte jernbaner, og som en generel regel regner man med at der årligt opstår en fejl af denne type for hver to kilometer på enhver jernbanestrækning.
Udbedring af disse skader med en ny skinnesektion er kostbar og ikke altid ønskværdig da det medfører ny diskontinuitet i form af to aluminotermiske svejsninger (exotermisk reaktion ved brug af aluminium som kølemiddel), der ødelægger de fordele der opnås ved brug af lange, varmetrukne skinner (op til 120 meter).
Den alternative, konventionelle teknik til reparation af disse skader er MMA svejsning. Selvom denne teknik bruges i mange industrier er den afhængig af svejserens kompetence og kendskab til teknikken, den kræver megen tid og er tilbøjelig til at forårsage indre skader som porøsitet, der efterhånden breder sig gennem metaltræthed og - hvis fejlen ikke opdages – på et tidspunkt vil resultere i skinnebrud.

Lavere omkostninger
De følgende faktorer medvirker til lavere omkostninger og teknisk holdbarhed ved den nye teknik:

1.Ved at gå fra den konventionelle foropvarmnings temperatur på 350o C til bare 80o C opnår man fordelen af en hurtigere reparation, formindsket dybde af det varmepåvirkede område samt en mere robust mikrostruktur
2.Brug af standardiseret fjernelse af et defekt område med kontrolleret fræsning medfører fordele ved gentagelse af processen og fritager derfor medarbejderen for subjektive bedømmelser
3.Brugen af halvautomatisk, programmeret lysbuesvejsning med svejsetråd med flusmiddel sikrer kontrol af den anvendte varme og en arbejdstid, der kan forudberegnes

Kvaliteten af svejsningen af skinneoverfladen er sikret med den nye teknik, da reparationen er meget modstandsdygtig overfor metaltræthed og har en tilsvarende holdbarhed som en standard Grade R260 skinne, med samme hårdhed og mikrostruktur på det reparerede område.

Tata Steel' nye, patenterede reparationsteknik sker i fire trin
Først fjernes det defekte område ved at anvende en tre-akset skinne fræsemaskine, der fastgøres til siderne af skinnen. Dette sikrer en konsekvent udfræsning af den konstaterede defekt. Det er i sig selv en betydelig forbedring i forhold til brugen af manuel fræsning eller plasmaskæring, da disse teknikker ikke indebærer en fuldstændig fjernelse af defekten eller medfører en overflade finish, der muliggør en automatisk, programmeret svejsning.
For det andet bliver de tilstødende områder og hullet forvarmet med en konventionel brænder. Til Grade 260 skinner ligger den foreskrevne temperatur mellem 60 og 80o C. Temperaturområdet er valgt for at sikre kontrol med mikrostrukturen i den varmepåvirkede zone, og det programmerede, firkantede mønster af de fremkomne svejseperler sikrer, at mikrostrukturen i det varmepåvirkede område er perleagtigt og uden krystalstruktur, der gør materialet skørt.
Denne temperatur er egnet til størstedelen af de high carbon stålskinner, der bruges i dag, men den skal muligvis ændres til stål, der har en anden ændringskarakteristik som f.eks. low carbon karbidfri bainitic stål.

Det tredje trin er en halvautomatisk svejse-reparationsmaskine, med åben lysbue svejsning, der er godkendt af Network Rail (UK) med TN3-0 forbrugsmaterialer til svejsning og foreskrevne svejse parametre. Placeringen af toplaget er afgørende for at undgå dannelse af et nyt, varmepåvirket område. Det meste af det påsvejste toplag fjernes delvist ved profilfræsning.

Det fjerde og sidste trin består af at gendanne og udglatte den tværs- og langsgående skinneprofil ved fræsning med brug af konventionelle skinnefræsere.

Evaluering
En sammenlignende evaluering af de eksisterende MMA teknikker og den nye proces blev opnået ved at optegne den termiske historie for begge teknikker ved at bruge indbyggede termokoblinger. Der blev registreret adskillige, vigtige konklusioner, der demonstrerer processens metallurgiske robusthed:

-På trods af bare 80o C foropvarmning forblev temperaturen i det foropvarmede område efter hver svejsning over 200o C og forebygger dermed enhver ændring af den martensitiske mikrostruktur (martensite begyndelsestemperatur er 160o C ved Grade 260 skinner).
-Graden af køling i den nye teknik er næsten identisk med den, der ses ved alle depositioner med konventionel MMA teknik – undtagen den første. Den hurtigere køling på 5,2o C/s efter den første svejsesøm er også det halve af den kritiske grænse for ændring til martensit.
-En jævn overflade af svejsningen er tydelig med en helt perleagtig mikrostruktur, der er fri for martensit og bainit.
-Hårdhedsprofilen viser at modstandsdygtigheden overfor slid i den bainitiske svejsning er den samme som den der er i den oprindelige Grade 260 skinne og den sikrer en god, langsgående profil
-Der blev foretaget træthedstest ved bøjning af svejsningen med en stress faktor der er tre gange større end hvad der kan forventes i praksis. Fem millioner cyklusser blev gennemført med succes uden fejl. Testmaterialet modstod derefter endnu 4,3 millioner cyklusser med otte gange større belastning end den, der forventes i praksis

  Spørg efter mere information…