Экзотермическая сварка , также известная как экзотермическое соединение , термитная сварка ( TW ), [1] и термитная сварка , [1] — это процесс сварки , в котором для постоянного соединения проводников используется расплавленный металл. Процесс использует экзотермическую реакцию термитного состава для нагрева металла и не требует внешнего источника тепла или тока. Химическая реакция, которая производит тепло, представляет собой алюмотермическую реакцию между алюминиевым порошком и оксидом металла.
При экзотермической сварке алюминиевая пыль восстанавливает оксид другого металла , чаще всего оксид железа , поскольку алюминий обладает высокой реакционной способностью. Оксид железа (III) обычно используется:
Продуктами являются оксид алюминия , свободное элементарное железо , [2] и большое количество тепла . Реагенты обычно измельчаются в порошок и смешиваются со связующим веществом, чтобы сохранить материал твердым и предотвратить разделение.
Обычно реагирующий состав состоит из пяти частей порошка красного оксида железа (ржавчины) и трех частей порошка алюминия по весу, воспламененных при высоких температурах. Происходит сильно экзотермическая (выделяющая тепло) реакция, которая посредством восстановления и окисления производит белую горячую массу расплавленного железа и шлак тугоплавкого оксида алюминия . Расплавленное железо является фактическим сварочным материалом; оксид алюминия намного менее плотный, чем жидкое железо, и поэтому всплывает наверх реакции, поэтому установка для сварки должна учитывать, что фактический расплавленный металл находится на дне тигля и покрыт плавающим шлаком.
Другие оксиды металлов могут быть использованы, например, оксид хрома, для получения данного металла в его элементарной форме. Медный термит, использующий оксид меди, используется для создания электрических соединений:
Термитная сварка широко применяется для сварки железнодорожных рельсов. Одной из первых железных дорог, которая оценила использование термитной сварки, была Delaware and Hudson Railroad в Соединенных Штатах в 1935 году [3] Качество сварки химически чистого термита низкое из-за низкого проникновения тепла в соединяемые металлы и очень низкого содержания углерода и легирующих элементов в почти чистом расплавленном железе. Для получения качественных железнодорожных сварных швов концы рельсов, свариваемых термитом, предварительно нагревают горелкой до оранжевого каления, чтобы гарантировать, что расплавленная сталь не охладится во время заливки.
Поскольку термитная реакция дает относительно чистое железо, а не гораздо более прочную сталь, в термитную смесь включаются некоторые небольшие гранулы или стержни высокоуглеродистого легированного металла; эти легирующие материалы плавятся от тепла термитной реакции и смешиваются с металлом сварного шва. Состав легирующих шариков будет варьироваться в зависимости от свариваемого сплава рельса.
Реакция достигает очень высоких температур, в зависимости от используемого оксида металла. Реагенты обычно поставляются в виде порошков, а реакция запускается с помощью искры от кремневой зажигалки. Однако энергия активации для этой реакции очень высока, и для ее инициирования требуется либо использование «ускоряющего» материала, такого как порошкообразный металлический магний , либо очень горячий источник пламени. Шлак оксида алюминия , который он производит, выбрасывается. [4] [5]
При сварке медных проводников в процессе используется полупостоянная графитовая тигельная форма , в которой расплавленная медь, полученная в результате реакции, течет через форму и по проводникам, которые необходимо сварить, образуя электропроводящий сварной шов между ними. [6] Когда медь остывает, форма либо отламывается, либо остается на месте. [4] В качестве альтернативы можно использовать ручные графитовые тигли. Преимущества этих тиглей включают портативность, более низкую стоимость (поскольку их можно использовать повторно) и гибкость, особенно в полевых условиях.
Экзотермическая сварка имеет более высокую механическую прочность, чем другие виды сварки, и отличную коррозионную стойкость [7]. Она также очень стабильна при воздействии повторяющихся импульсов короткого замыкания и не страдает от повышенного электрического сопротивления в течение срока службы установки. Однако этот процесс является дорогостоящим по сравнению с другими процессами сварки, требует поставки сменных форм, страдает от отсутствия повторяемости и может быть затруднен влажными условиями или плохой погодой (при выполнении на открытом воздухе). [4] [6]
Экзотермическая сварка обычно используется для сварки медных проводников, но подходит для сварки широкого спектра металлов, включая нержавеющую сталь , чугун , обычную сталь , латунь , бронзу и монель . [4] Она особенно полезна для соединения разнородных металлов. [5] Процесс продается под различными названиями, такими как AIWeld, American Rail Weld, AmiableWeld, Ardo Weld, ERICO Cadweld, FurseWeld, Harger Ultrashot, Quikweld, StaticWeld, Techweld, Tectoweld, TerraWeld, Thermoweld и Ultraweld. [4]
Из-за хорошей электропроводности и высокой стабильности в условиях импульсов короткого замыкания экзотермическая сварка является одним из вариантов, указанных в §250.7 Национального электротехнического кодекса США для заземляющих проводников и соединительных перемычек . [8] Это предпочтительный метод соединения, и, по сути, это единственный приемлемый способ соединения меди с оцинкованным кабелем. [5] NEC не требует, чтобы такие экзотермически сваренные соединения были перечислены или маркированы, но некоторые технические спецификации требуют, чтобы завершенные экзотермические сварные швы были проверены с помощью рентгеновского оборудования. [8]
Современная термитная сварка рельсов была впервые разработана Гансом Гольдшмидтом в середине 1890-х годов как еще одно применение термитной реакции, которую он изначально исследовал для использования в производстве высокочистого хрома и марганца. Первая железнодорожная линия была сварена с использованием этого процесса в Эссене, Германия, в 1899 году, и сваренные термитом рельсы приобрели популярность, поскольку они имели преимущество большей надежности с дополнительным износом, нанесенным рельсам новыми электрическими и высокоскоростными железнодорожными системами. [9] Одними из первых, кто принял этот процесс, были города Дрезден , Лидс и Сингапур . [10] В 1904 году Гольдшмидт основал свою одноименную компанию Goldschmidt Thermit Company (известную под этим названием сегодня) в Нью-Йорке, чтобы внедрить эту практику на железных дорогах Северной Америки. [9]
В 1904 году Джордж Э. Пеллиссье, студент инженерного факультета Вустерского политехнического института, следивший за работой Гольдшмидта, связался с новой компанией, а также с железной дорогой Холиок-стрит в Массачусетсе. Пеллиссье руководил первой установкой рельсов в Соединенных Штатах с использованием этого процесса 8 августа 1904 года [11] и продолжил совершенствовать его как для железной дороги, так и для компании Гольдшмидта в качестве инженера и суперинтенданта, включая ранние разработки в области процессов непрерывной сварки рельсов , которые позволяли соединять весь рельс, а не только подошву и шейку. [12] Хотя не все сварные швы рельсов выполняются с использованием термитного процесса, он по-прежнему остается стандартной рабочей процедурой во всем мире. [9]
Обычно концы рельсов очищаются, выравниваются по плоскости и правильно и располагаются на расстоянии 25 мм (1 дюйм). [9] Этот зазор между концами рельсов для сварки необходим для обеспечения единообразных результатов при заливке расплавленной стали в форму для сварки. В случае отказа сварки концы рельсов можно обрезать до зазора 75 мм (3 дюйма), удалив расплавленные и поврежденные концы рельсов, и попытаться выполнить новую сварку с помощью специальной формы и большего заряда термита. Двух- или трехкомпонентная закаленная песчаная форма зажимается вокруг концов рельсов, и горелка с подходящей теплоемкостью используется для предварительного нагрева концов рельса и внутренней части формы.
Необходимое количество термита с легирующим металлом помещается в огнеупорный тигель, и когда рельсы достигают достаточной температуры, термит поджигается и прореагирует до конца (давая время для полного расплавления и смешивания любого легирующего металла, давая желаемую расплавленную сталь или сплав). Затем реакционный тигель выстукивается снизу. Современные тигли имеют самонарезающий наперсток в заливочном сопле. Расплавленная сталь течет в форму, сплавляясь с концами рельсов и образуя сварной шов.
Шлак, будучи легче стали, вытекает из тигля последним и переливается через форму в стальной приемный бассейн, который должен быть утилизирован после охлаждения. Всей установке дают остыть. Форма снимается, а сварной шов очищается горячим зубилом и шлифованием для получения гладкого соединения. Обычное время от начала работы до того, как поезд сможет пройти по рельсам, составляет приблизительно от 45 минут до более часа, в зависимости от размера рельса и температуры окружающей среды. В любом случае рельсовая сталь должна быть охлаждена до температуры менее 370 °C (700 °F), прежде чем она сможет выдержать вес железнодорожных локомотивов.
При использовании термитного процесса для рельсовых цепей – присоединения проводов к рельсам медным сплавом – используется графитовая форма. Графитовая форма может использоваться многократно, поскольку медный сплав не такой горячий, как стальные сплавы, используемые при сварке рельсов. При сигнальном соединении объем расплавленной меди довольно мал, примерно 2 см3 (0,1 куб. дюйма), и форма слегка зажимается сбоку рельса, также удерживая сигнальный провод на месте. При сварке рельсов сварочный заряд может весить до 13 кг (29 фунтов).
Закаленная песчаная форма тяжелая и громоздкая, ее необходимо надежно закрепить в очень определенном положении, а затем подвергнуть интенсивному нагреву в течение нескольких минут перед запуском заряда. Когда рельсы свариваются в длинные нити, необходимо учитывать продольное расширение и сжатие стали. Британская практика иногда использует скользящее соединение определенного вида на конце длинных участков непрерывно сваренных рельсов, чтобы обеспечить некоторое движение, хотя при использовании тяжелой бетонной шпалы и дополнительного количества балласта на концах шпал, путь, который будет предварительно напряжен в соответствии с температурой окружающей среды во время его установки, будет развивать сжимающее напряжение при высокой температуре окружающей среды или растягивающее напряжение при холодной температуре окружающей среды, его прочное крепление к тяжелым шпалам предотвращает солнечный изгиб ( выпучивание ) или другую деформацию.
Текущая практика заключается в использовании сварных рельсов на всех высокоскоростных линиях, а компенсаторы сведены к минимуму, часто только для защиты стыков и перекрестков от чрезмерного напряжения. Американская практика, по-видимому, очень похожа, простое физическое ограничение рельса. Рельс предварительно напряжен или считается «нейтральным к напряжению» при определенной температуре окружающей среды. Эта «нейтральная» температура будет меняться в зависимости от местных климатических условий, принимая во внимание самые низкие зимние и самые теплые летние температуры.
Рельс физически крепится к шпалам или брусьям с помощью рельсовых анкеров или противосползающих устройств. Если балласт пути хороший и чистый, шпалы в хорошем состоянии, а геометрия пути хорошая, то сварной рельс выдержит перепады температуры окружающей среды, нормальные для региона.
Дистанционная экзотермическая сварка — это тип процесса экзотермической сварки для соединения двух электрических проводников на расстоянии. Процесс снижает неотъемлемые риски, связанные с экзотермической сваркой, и используется в установках, где оператору сварки требуется постоянно соединять проводники на безопасном расстоянии от перегретого медного сплава .
Процесс включает в себя либо воспламенитель для использования со стандартными графитовыми формами, либо расходуемый герметичный вставной картридж с металлическим припоем, полупостоянную графитовую тигельную форму и источник зажигания, который подключается к картриджу с помощью кабеля, обеспечивающего безопасное дистанционное зажигание.
GE Pellissier, инженер-строитель компании Holyoke Street Railway Company, 27 января представил доклад Обществу инженеров-строителей Вустерского политехнического института о термитной сварке... Когда термитный процесс был внедрен в Соединенных Штатах, компания Holyoke Street Railway Company решила опробовать его на миле пути, который собирались реконструировать, и соответственно заказ на 160 стыков был размещен в компании Goldschmidt Thermit Company... Сварка была начата 8 августа 1904 г.... Работа... была первым участком пути в Соединенных Штатах, уложенным с использованием термитных стыков
