Spawanie egzotermiczne - Exothermic welding
Spawanie egzotermiczne , znane również jako spajanie egzotermiczne , spawanie termitowe ( TW ) i spawanie termitowe , to proces spawania , w którym do trwałego połączenia przewodów stosuje się stopiony metal. Sposób wykorzystuje reakcję egzotermiczną o termitowego kompozycji podgrzania metalu i nie wymaga zewnętrznego źródła ciepła lub prądu. Reakcja chemiczna, która wytwarza ciepło, to reakcja aluminotermiczna między proszkiem aluminiowym a tlenkiem metalu.
Przegląd
W spawaniu egzotermicznym pył aluminiowy redukuje tlenek innego metalu , najczęściej tlenku żelaza , ponieważ aluminium jest wysoce reaktywne. Tlenek żelaza(III) jest powszechnie stosowany:
Produkty to tlenek glinu , wolne żelazo pierwiastkowe i duża ilość ciepła . Reagenty są zwykle sproszkowane i mieszane ze spoiwem, aby utrzymać materiał w stanie stałym i zapobiec rozdzieleniu.
Zwykle mieszanina reagująca składa się z pięciu części sproszkowanego czerwonego tlenku żelaza (rdzy) i trzech części wagowych sproszkowanego aluminium , spalanych w wysokich temperaturach. Zachodzi silnie egzotermiczna (generująca ciepło) reakcja, która poprzez redukcję i utlenianie wytwarza białą, gorącą masę roztopionego żelaza i żużel z ogniotrwałego tlenku glinu . Stopione żelazo jest właściwym materiałem spawalniczym; tlenek glinu jest znacznie mniej gęsty niż płynne żelazo, a więc unosi się na szczycie reakcji, więc konfiguracja spawania musi uwzględniać fakt, że rzeczywisty stopiony metal znajduje się na dnie tygla i jest pokryty pływającym żużlem.
Można użyć innych tlenków metali, takich jak tlenek chromu, do wytworzenia danego metalu w jego postaci pierwiastkowej. Termit miedzi , wykorzystujący tlenek miedzi, służy do tworzenia połączeń elektrycznych:
Spawanie termitowe jest szeroko stosowane do spawania szyn kolejowych. Jedną z pierwszych kolei, która oceniła zastosowanie spawania termitowego, była kolej Delaware and Hudson Railroad w Stanach Zjednoczonych w 1935 r. Jakość spoiny chemicznie czystego termitu jest niska ze względu na niską penetrację ciepła do łączonych metali oraz bardzo niską zawartość węgla i stopu zawartość w prawie czystym stopionym żelazie. Aby uzyskać solidne spoiny kolejowe, końce szyn spawanych termitem są wstępnie podgrzewane palnikiem do pomarańczowego ciepła, aby roztopiona stal nie była chłodzona podczas odlewania.
Ponieważ reakcja termitu daje stosunkowo czyste żelazo, a nie znacznie mocniejszą stal, w mieszance termitowej zawarte są małe granulki lub pręty z metalu stopowego o wysokiej zawartości węgla; te materiały stopowe topią się pod wpływem ciepła reakcji termitowej i mieszają się z metalem spoiny. Skład stopu będzie się zmieniać w zależności od spawanego stopu szyny.
Reakcja osiąga bardzo wysokie temperatury, w zależności od użytego tlenku metalu. Reagenty są zwykle dostarczane w postaci proszków, a reakcję wyzwala iskra z zapalniczki krzesiwowej. Energia aktywacji dla tej reakcji jest jednak bardzo wysoka, a inicjacja wymaga albo zastosowania materiału „wspomagającego”, takiego jak sproszkowany metaliczny magnez lub źródła bardzo gorącego płomienia. Tlenek aluminium żużel że produkuje jest odrzucany.
Podczas spawania przewodników miedzianych proces wykorzystuje półtrwałą formę tygla grafitowego , w której stopiona miedź, wytworzona w wyniku reakcji, przepływa przez formę i wokół i wokół zgrzewanych przewodników, tworząc między nimi spaw przewodzący prąd elektryczny. Gdy miedź stygnie, forma jest albo odrywana, albo pozostawiana na miejscu. Alternatywnie można użyć ręcznych tygli grafitowych. Zaletami tych tygli są przenośność, niższy koszt (ponieważ można je ponownie wykorzystać) i elastyczność, zwłaszcza w zastosowaniach polowych.
Nieruchomości
Spoina egzotermiczna ma wyższą wytrzymałość mechaniczną niż inne formy spoiny i doskonałą odporność na korozję. Jest również bardzo stabilna, gdy jest poddawana powtarzającym się impulsom zwarciowym i nie wykazuje zwiększonej rezystancji elektrycznej przez cały okres eksploatacji instalacji. Jednak proces ten jest kosztowny w porównaniu z innymi procesami spawalniczymi, wymaga dostawy wymiennych form, charakteryzuje się brakiem powtarzalności i może być utrudniony przez wilgotne warunki lub złą pogodę (przy wykonywaniu na zewnątrz).
Aplikacje
Spawanie egzotermiczne jest zwykle stosowane do spawania przewodów miedzianych, ale nadaje się do spawania szerokiej gamy metali, w tym stali nierdzewnej , żeliwa , stali zwykłej , mosiądzu , brązu i Monelu . Jest szczególnie przydatny do łączenia różnych metali. Proces jest sprzedawany pod różnymi nazwami, takimi jak Harger ULTRASHOT, American Rail Weld, ERICO CADWELD, Quikweld, Tectoweld, Ultraweld, Techweld, TerraWeld, Thermoweld, Ardo Weld, AmiableWeld, AIWeld, FurseWeld, CADWELL TVT i Kumwell.
Ze względu na dobrą przewodność elektryczną i wysoką stabilność w obliczu impulsów zwarciowych, spoiny egzotermiczne są jedną z opcji określonych w §250.7 Narodowego Kodeksu Elektrycznego Stanów Zjednoczonych dla przewodów uziemiających i zworek łączących . Jest to preferowana metoda łączenia i rzeczywiście jest to jedyny akceptowalny sposób łączenia miedzi z kablem ocynkowanym . NEC nie wymaga, aby takie egzotermicznie spawane połączenia były wymienione lub oznakowane, ale niektóre specyfikacje techniczne wymagają, aby ukończone spawy egzotermiczne były badane za pomocą sprzętu rentgenowskiego .
Spawanie szyn
Historia
Nowoczesne spawanie szyn termitowych zostało po raz pierwszy opracowane przez Hansa Goldschmidta w połowie lat 90. XIX wieku jako kolejne zastosowanie reakcji termitowej, którą początkowo badał w celu wykorzystania do produkcji chromu i manganu o wysokiej czystości. Pierwsza linia kolejowa została spawana przy użyciu tego procesu w Essen w Niemczech w 1899 r., a szyny spawane termitem zyskały popularność, ponieważ miały zaletę większej niezawodności dzięki dodatkowemu zużyciu na szynach przez nowe elektryczne i szybkie systemy kolejowe. Jednymi z pierwszych zwolenników tego procesu były miasta Drezno , Leeds i Singapur . W 1904 Goldschmidt założył w Nowym Jorku swoją tytułową firmę Goldschmidt Thermit Company (obecnie znaną pod tą nazwą), aby wprowadzić tę praktykę na koleje w Ameryce Północnej.
W 1904 roku George E. Pellissier, student inżynierii w Worcester Polytechnic Institute, który śledził prace Goldschmidta, skontaktował się z nową firmą, jak również z Holyoke Street Railway w Massachusetts. Pellissier nadzorował pierwszą instalację torów w Stanach Zjednoczonych przy użyciu tego procesu 8 sierpnia 1904 r., a następnie udoskonalił go jako inżynier i nadzorca zarówno dla kolei, jak i dla firmy Goldschmidta, w tym wczesne udoskonalenia w ciągłych procesach spawania szyn , które pozwoliło na połączenie całości każdej szyny, a nie samej stopy i sieci. Chociaż nie wszystkie spawy szyn są wykonywane przy użyciu procesu termitowego, nadal pozostaje to standardową procedurą operacyjną na całym świecie.
Proces
Zazwyczaj końce szyn są oczyszczone, wyrównane płasko i wyrównane oraz oddalone od siebie o 25 mm (1 cal). Ta szczelina między końcami szyn do spawania ma zapewnić spójne wyniki wlewania roztopionej stali do formy spawalniczej. W przypadku awarii spawania, końce szyn można przyciąć do 75 mm (3 cale) szczeliny, usuwając stopione i uszkodzone końce szyn, a także spróbować nowego spawania za pomocą specjalnej formy i większego wsadu termitu. Dwu- lub trzyczęściowa forma z utwardzonego piasku jest zaciskana wokół końców szyn, a palnik o odpowiedniej pojemności cieplnej jest używany do wstępnego podgrzewania końców szyny i wnętrza formy.
Odpowiednią ilość termitu z metalem stopowym umieszcza się w ogniotrwałym tyglu, a gdy szyny osiągną wystarczającą temperaturę, termit jest zapalany i pozostawiany do reakcji do końca (pozwalając na całkowite stopienie i wymieszanie dowolnego stopu metalu, dając pożądanej stopionej stali lub stopu). Tygiel reakcyjny jest następnie stukany w dno. Nowoczesne tygle posiadają samogwintującą gilzę w dyszy do nalewania. Stopiona stal wpływa do formy, stapiając się z końcami szyn i tworząc spoinę.
Żużel, który jest lżejszy od stali, wypływa na koniec z tygla i przelewa się z formy do stalowego wanny, gdzie po schłodzeniu jest usuwany. Cała konfiguracja może ostygnąć. Forma jest usuwana, a spoina czyszczona przez dłutowanie na gorąco i szlifowanie w celu uzyskania gładkiego połączenia. Typowy czas od rozpoczęcia pracy do momentu, w którym pociąg może przejechać po szynie, wynosi od około 45 minut do ponad godziny, w zależności od rozmiaru szyny i temperatury otoczenia. W każdym razie stal szynowa musi zostać schłodzona do temperatury niższej niż 370 °C (700 °F), zanim będzie mogła wytrzymać ciężar lokomotyw kolejowych.
Gdy w obwodach torowych stosuje się proces termitowy – spajanie przewodów z szynami stopem miedzi , stosuje się formę grafitową . Forma grafitowa nadaje się do wielokrotnego użytku, ponieważ stop miedzi nie jest tak gorący jak stopy stali używane do spawania szyn. W łączenia sygnału objętość roztopionego miedzi jest bardzo mała, około 2 cm 3 (0,1 CU), a forma jest lekko zaciskane na bok szyny, a także posiadający przewód sygnałowy na miejscu. W przypadku spawania szyn wsad spawu może ważyć do 13 kg (29 funtów).
Forma z utwardzonego piasku jest ciężka i nieporęczna, musi być bezpiecznie zamocowana w bardzo określonej pozycji, a następnie poddana intensywnemu nagrzewaniu przez kilka minut przed odpaleniem wsadu. Kiedy szyna jest spawana w długie sznurki, należy wziąć pod uwagę wydłużanie i kurczenie się stali. Praktyka brytyjska czasami używa pewnego rodzaju połączenia ślizgowego na końcu długich ciągów szyny spawanej w sposób ciągły, aby umożliwić pewien ruch, chociaż przy użyciu ciężkiego podkładu betonowego i dodatkowej ilości balastu na końcach podkładu, tor, który zostanie sprężone zgodnie z temperaturą otoczenia w momencie montażu, rozwinie naprężenie ściskające w gorącej temperaturze otoczenia lub naprężenie rozciągające w zimnej temperaturze otoczenia, jego silne przymocowanie do ciężkich podkładów zapobiega załamaniu ( wyboczeniu ) lub innym odkształceniom.
Obecną praktyką jest stosowanie spawanych szyn na wszystkich liniach dużych prędkości, a szczeliny dylatacyjne są ograniczone do minimum, często tylko po to, aby chronić skrzyżowania i skrzyżowania przed nadmiernymi naprężeniami. Praktyka amerykańska wydaje się być bardzo podobna, proste fizyczne ograniczenie szyny. Szyna jest wstępnie naprężona lub uważana za „neutralną naprężenia” w określonej temperaturze otoczenia. Ta „neutralna” temperatura będzie się różnić w zależności od lokalnych warunków klimatycznych, biorąc pod uwagę najniższe temperatury zimowe i najcieplejsze temperatury latem.
Szyna jest fizycznie przymocowana do podkładów lub podkładów za pomocą kotew szynowych lub antypełzaczy. Jeżeli podsypka torowa jest dobra i czysta, a podkłady są w dobrym stanie, a geometria toru jest dobra, to spawana szyna wytrzyma wahania temperatury otoczenia normalne dla regionu.
Spawanie zdalne
Zdalne spawanie egzotermiczne to rodzaj egzotermicznego procesu spawania polegający na łączeniu dwóch przewodów elektrycznych na odległość. Proces ten zmniejsza nieodłączne ryzyko związane ze spawaniem egzotermicznym i jest stosowany w instalacjach, które wymagają od spawacza trwałego połączenia przewodów w bezpiecznej odległości od przegrzanego stopu miedzi .
Proces obejmuje zapłonnik do użytku ze standardowymi formami grafitowymi lub zużywalny uszczelniony metalowy wkład spawalniczy, półtrwałą formę tygla grafitowego oraz źródło zapłonu, które łączy się z wkładem za pomocą kabla, który zapewnia bezpieczny zdalny zapłon.