Экзотермическая сварка

Экзотермическая сварка , также известная как экзотермическая сварка , термитная сварка ( TW ), ^[1] и термитная сварка , ^[1] Это процесс сварки , при котором для прочного соединения проводников используется расплавленный металл. этом процессе используется экзотермическая реакция термитной В композиции для нагрева металла и не требуется внешний источник тепла или тока. Химическая реакция, вызывающая выделение тепла, представляет собой алюминотермическую реакцию между алюминиевым порошком и оксидом металла.

Обзор

При экзотермической сварке алюминиевая пыль восстанавливает оксид другого металла , чаще всего оксида железа , поскольку алюминий обладает высокой реакционной способностью. Оксид железа(III) обычно используется:

\mathrm {Fe_{2}O_{3}+2\ Al\longrightarrow 2\ Fe+Al_{2}O_{3}}

Продукция представляет собой оксид алюминия , свободное элементарное железо , ^[2] и большое количество тепла . Реагенты обычно измельчают в порошок и смешивают со связующим, чтобы сохранить материал в твердом состоянии и предотвратить разделение.

Обычно реагирующий состав представляет собой пять частей порошка оксида железа красного (ржавого) цвета и три части порошка алюминия по весу, воспламеняемых при высоких температурах. Происходит сильно экзотермическая (выделяющая тепло) реакция, в результате которой в результате восстановления и окисления образуется раскаленная добела масса расплавленного железа и шлак из тугоплавкого оксида алюминия . Расплавленный чугун является настоящим сварочным материалом; оксид алюминия гораздо менее плотен, чем жидкое железо, и поэтому всплывает наверх реакции, поэтому при установке для сварки необходимо учитывать, что фактически расплавленный металл находится на дне тигля и покрыт плавающим шлаком.

Для получения данного металла в его элементарной форме можно использовать оксиды других металлов, например оксид хрома. Медный термит с использованием оксида меди используется для создания электрических соединений:

\mathrm {3\ Cu_{2}O+2Al\longrightarrow 6\ Cu+Al_{2}O_{3}}

Термитная сварка широко применяется при сварке железнодорожных рельсов. Одной из первых железных дорог, опробовавших использование термитной сварки, была железная дорога Делавэра и Гудзона в США в 1935 году. ^[3] Качество сварного шва химически чистого термита низкое из-за низкого проникновения тепла в соединяемые металлы и очень низкого содержания углерода и сплавов в практически чистом расплавленном чугуне. Для получения прочных железнодорожных сварных швов концы рельсов, подвергаемых термитной сварке, предварительно нагревают горелкой до оранжевого цвета, чтобы расплавленная сталь не охлаждалась во время разливки.

Поскольку в результате термитной реакции образуется относительно чистое железо, а не гораздо более прочная сталь, в термитную смесь включаются небольшие гранулы или стержни из высокоуглеродистого легирующего металла; эти легирующие материалы плавятся от тепла термитной реакции и смешиваются с металлом сварного шва. Состав легирующих шариков будет варьироваться в зависимости от свариваемого рельсового сплава.

Реакция достигает очень высоких температур, в зависимости от используемого оксида металла. Реагенты обычно поставляются в виде порошков, реакция запускается искрой кремневой зажигалки. Однако энергия активации этой реакции очень высока, и для инициирования требуется либо использование «ускорительного» материала, такого как порошкообразный металлический магний , либо очень горячего источника пламени. Шлак оксида алюминия , который он производит , выбрасывается. ^[4]^[5]

этом процессе используется полупостоянный графитовый тигель При сварке медных проводников в , в котором расплавленная медь, образующаяся в результате реакции, течет через форму и вокруг свариваемых проводников, образуя между ними электропроводящий сварной шов. ^[6] Когда медь остывает, форму либо отрывают, либо оставляют на месте. ^[4] Альтернативно можно использовать ручные графитовые тигли. Преимущества этих тиглей включают портативность, более низкую стоимость (поскольку их можно использовать повторно) и гибкость, особенно в полевых условиях.

Характеристики

Экзотермический сварной шов имеет более высокую механическую прочность, чем другие виды сварного шва, и отличную коррозионную стойкость. ^[7] Он также очень стабилен при воздействии повторяющихся импульсов короткого замыкания и не страдает от повышенного электрического сопротивления в течение всего срока службы установки. Однако этот процесс является дорогостоящим по сравнению с другими процессами сварки, требует поставки сменных форм, страдает недостаточной повторяемостью и может быть затруднен из-за влажных условий или плохой погоды (при выполнении на открытом воздухе). ^[4]^[6]

Приложения

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] Это особенно полезно для соединения разнородных металлов. ^[5] Этот 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 устойчивости к импульсам короткого замыкания экзотермическая сварка является одним из вариантов, предусмотренных § 250.7 Национального электротехнического кодекса США для заземляющих проводников и соединительных перемычек . ^[8] Это предпочтительный метод соединения и, по сути, единственный приемлемый способ соединения меди с оцинкованным кабелем. ^[5] NEC не требует, чтобы такие экзотермически сваренные соединения были указаны или маркированы, но некоторые технические спецификации требуют, чтобы завершенные экзотермические сварные швы проверялись с помощью рентгеновского оборудования. ^[8]

Сварка рельсов

История

Современная термитная сварка рельсов была впервые разработана Гансом Гольдшмидтом в середине 1890-х годов как еще одно применение термитной реакции, которую он первоначально изучал для использования в производстве хрома и марганца высокой чистоты. Первая железнодорожная линия была сварена с использованием этой технологии в Эссене, Германия , в 1899 году, и рельсы, сваренные термитной сваркой, приобрели популярность, поскольку они имели преимущество большей надежности и дополнительного износа рельсов из-за новых электрических и высокоскоростных железнодорожных систем. ^[9] Одними из первых, кто внедрил этот процесс, были города Дрезден , Лидс и Сингапур . ^[10] В 1904 году Гольдшмидт основал свою одноименную компанию Goldschmidt Thermit Company (известную сегодня под этим названием) в Нью-Йорке, чтобы распространить эту практику на железные дороги Северной Америки. ^[9]

В 1904 году Джордж Э. Пеллиссье, студент-инженер Вустерского политехнического института , который следил за работой Гольдшмидта, обратился к новой компании, а также к железной дороге Холиок-стрит в Массачусетсе. Пеллиссье руководил первой установкой пути в Соединенных Штатах с использованием этого процесса 8 августа 1904 года. ^[11] и продолжал 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 каждый рельс целиком, а не только подошву и перемычку. ^[12] Хотя не все сварные швы рельсов выполняются с использованием термитного процесса, он по-прежнему остается стандартной рабочей процедурой во всем мире. ^[9]

Процесс

Обычно концы направляющих очищаются, выравниваются ровно и ровно и располагаются на расстоянии 25 мм (1 дюйм). ^[9] Этот зазор между концами рельсов для сварки предназначен для обеспечения стабильных результатов при заливке расплавленной стали в сварочную форму. В случае неудачной сварки концы рельсов можно обрезать до зазора 75 мм (3 дюйма), удалив оплавленные и поврежденные концы рельсов, и попытаться выполнить новую сварку с использованием специальной формы и термитной засыпки большего размера. Вокруг концов рельса закрепляется форма из закаленного песка, состоящая из двух или трех частей, и используется горелка с подходящей теплоемкостью 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 воспламеняется и дает возможность прореагировать до завершения (давая время любому легирующему металлу полностью расплавиться и перемешаться, в результате чего получается желаемая расплавленная сталь или сплав). Затем реакционный тигель постукивают по дну. Современные тигли имеют в разливочном сопле саморез. Расплавленная сталь течет в форму, сплавляясь с концами рельса и образуя сварной шов.

Шлак, будучи легче стали, вытекает из тигля последним и переливается из-под формы в стальной водосборник, где его утилизируют после охлаждения. Всей установке дают остыть. Форма удаляется, а сварной шов очищается горячим долблением и шлифовкой для получения гладкого соединения. Типичное время от начала работ до момента, когда поезд сможет пересечь рельсы, составляет от примерно 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 – приклеивания проводов к рельсам медным сплавом графитовую форму применяют . Графитовую форму можно использовать многократно, поскольку медный сплав не такой горячий, как стальные сплавы, используемые при сварке рельсов. При соединении сигналов объем расплавленной меди довольно мал, примерно 2 см. ³ (0,1 куб. дюйма), и форма слегка прижимается к боковой части направляющей, также удерживая на месте сигнальный провод. При сварке рельсов сварочная загрузка может весить до 13 кг (29 фунтов).

Форма из затвердевшего песка тяжелая и громоздкая, ее необходимо надежно зафиксировать в определенном положении, а затем подвергнуть сильному нагреву в течение нескольких минут перед поджиганием заряда. При сварке рельсов в длинные струны необходимо учитывать продольное расширение и сжатие стали. Британская практика иногда использует какой-либо скользящий стык в конце длинных участков непрерывно сваренного рельса, чтобы обеспечить некоторое движение, хотя за счет использования тяжелой бетонной шпалы и дополнительного количества балласта на концах шпалы путь, который будет предварительно напряженный в соответствии с температурой окружающей среды на момент установки, он будет испытывать сжимающее напряжение при высокой температуре окружающей среды или растягивающее напряжение при холодной температуре окружающей среды, его прочное крепление к тяжелым шпалам предотвращает солнечный перегиб ( выпучивание ) или другую деформацию.

В настоящее время на высокоскоростных линиях повсеместно используются сварные рельсы, а компенсаторы сводятся к минимуму, часто только для защиты стыков и пересечений от чрезмерных напряжений. Американская практика выглядит очень похожей: прямое физическое удержание рельса. Рельс предварительно напряжен или считается «нейтральным к напряжению» при определенной температуре окружающей среды. Эта «нейтральная» температура будет варьироваться в зависимости от местных климатических условий, принимая во внимание самые низкие зимние и самые теплые летние температуры.

Рельс физически крепится к шпалам или шпалам с помощью рельсовых анкеров или противоползунов. Если балласт пути хороший и чистый, шпалы в хорошем состоянии, геометрия пути хорошая, то сварной рельс выдержит нормальные для данного региона колебания температуры окружающей среды.

Дистанционная сварка

Дистанционная экзотермическая сварка — это вид процесса экзотермической сварки, предназначенный для соединения двух электрических проводников на расстоянии. Этот процесс снижает риски, присущие экзотермической сварке, и используется в установках, требующих от сварщика постоянного соединения проводников на безопасном расстоянии от перегретого медного сплава .

Процесс включает в себя либо воспламенитель для использования со стандартными графитовыми формами, либо расходуемый герметичный картридж с металлическим сварным швом, полупостоянную форму для графитового тигля и источник воспламенения, который привязывается к картриджу с помощью кабеля, обеспечивающего безопасное дистанционное зажигание.

См. также

Длина рельсов

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Месслер, Роберт (2004). Соединение материалов и конструкций: от прагматического процесса к эффективной технологии . Эльзевир. п. 296. ИСБН 978-0-7506-7757-8 .
^ «Демо-лаборатория: Термитная реакция» . Ilpi.com . Проверено 11 октября 2011 г.
^ «Сварка рельсов вместе устраняет щелчки» , Popular Mechanics , октябрь 1935 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Джон Крисп (2002). Знакомство с медными кабелями . Ньюнес. стр. 88 . ISBN 9780750655552 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джерри К. Уитакер (2005). Справочник по электронике (2-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 1199 . ISBN 9780849318894 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Миленко Браунович; Валерий Васильевич Кончиц; Николай Константинович Мышкин (2006 г.). Электрические контакты: основы, применение и технология . ЦРК Пресс. стр. 291 . ISBN 9781574447279 .
^ «Зачем выбирать экзотермические соединения?» . Кабельные компоненты ETS. Архивировано из оригинала 26 апреля 2014 г. Проверено 25 апреля 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Дж. Филип Симмонс (2005). Электрическое заземление и соединение . Cengage Обучение. стр. 43–44. ISBN 9781401859381 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Лайонсдейл, CP «Термитная рельсовая сварка: история, развитие процессов, современные методы и перспективы на 21 век» (PDF) . Материалы ежегодных конференций AREMA 1999 года . Лаборатория технического обслуживания Conrail . Проверено 5 апреля 2013 г.
^ Пеллиссье, Джордж Э. (1905). «Термитные железнодорожные соединения» . Журнал Вустерского политехнического института . VIII . Вустерский политехнический институт: 304–321.
^ «Термитная сварка рельсов в Холиоке» . Уличный железнодорожный журнал . XXV (7). Нью-Йорк: Издательская компания McGraw: 317–318. 18 февраля 1905 года. Дж. Е. Пеллиссье, инженер-строитель железнодорожной компании Холиок-стрит, представил 27 января Обществу инженеров-строителей Вустерского политехнического института доклад о термитной [так в оригинале] сварке... Когда термитный процесс был введен в В Соединенных Штатах железнодорожная компания Холиок-стрит решила опробовать ее на миле пути, который должен был быть реконструирован, и, соответственно, у компании Goldschmidt Thermit Company был размещен заказ на 160 стыков... Сварка была начата 8 августа. 1904...Работа...была первым участком пути в Соединённых Штатах, проложенным с термитными швами.
^ Пеллиссье, Джордж Э. (1908). «Сварка целых секций рельсов в Холиоке, Массачусетс» . Электрожелезнодорожный журнал . Нью-Йорк: Издательство McGraw: 1245–1246.

Внешние ссылки

Экзотермический сварочный порошок. Узнайте, как осуществляется экзотермическая сварка , AmiableWeld

[messler-1] Перейти обратно: ^а ^б Месслер, Роберт (2004). Соединение материалов и конструкций: от прагматического процесса к эффективной технологии . Эльзевир. п. 296. ИСБН 978-0-7506-7757-8 .

[2] «Демо-лаборатория: Термитная реакция» . Ilpi.com . Проверено 11 октября 2011 г.

[3] «Сварка рельсов вместе устраняет щелчки» , Popular Mechanics , октябрь 1935 г.

[Crisp-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Джон Крисп (2002). Знакомство с медными кабелями . Ньюнес. стр. 88 . ISBN 9780750655552 .

[Whitaker-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джерри К. Уитакер (2005). Справочник по электронике (2-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 1199 . ISBN 9780849318894 .

[EC-6] Перейти обратно: ^а ^б Миленко Браунович; Валерий Васильевич Кончиц; Николай Константинович Мышкин (2006 г.). Электрические контакты: основы, применение и технология . ЦРК Пресс. стр. 291 . ISBN 9781574447279 .

[7] «Зачем выбирать экзотермические соединения?» . Кабельные компоненты ETS. Архивировано из оригинала 26 апреля 2014 г. Проверено 25 апреля 2014 г.

[Simmons-8] Перейти обратно: ^а ^б Дж. Филип Симмонс (2005). Электрическое заземление и соединение . Cengage Обучение. стр. 43–44. ISBN 9781401859381 .

[Lionsdale-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Лайонсдейл, CP «Термитная рельсовая сварка: история, развитие процессов, современные методы и перспективы на 21 век» (PDF) . Материалы ежегодных конференций AREMA 1999 года . Лаборатория технического обслуживания Conrail . Проверено 5 апреля 2013 г.

[10] Пеллиссье, Джордж Э. (1905). «Термитные железнодорожные соединения» . Журнал Вустерского политехнического института . VIII . Вустерский политехнический институт: 304–321.

[11] «Термитная сварка рельсов в Холиоке» . Уличный железнодорожный журнал . XXV (7). Нью-Йорк: Издательская компания McGraw: 317–318. 18 февраля 1905 года. Дж. Е. Пеллиссье, инженер-строитель железнодорожной компании Холиок-стрит, представил 27 января Обществу инженеров-строителей Вустерского политехнического института доклад о термитной [так в оригинале] сварке... Когда термитный процесс был введен в В Соединенных Штатах железнодорожная компания Холиок-стрит решила опробовать ее на миле пути, который должен был быть реконструирован, и, соответственно, у компании Goldschmidt Thermit Company был размещен заказ на 160 стыков... Сварка была начата 8 августа. 1904...Работа...была первым участком пути в Соединённых Штатах, проложенным с термитными швами.

[12] Пеллиссье, Джордж Э. (1908). «Сварка целых секций рельсов в Холиоке, Массачусетс» . Электрожелезнодорожный журнал . Нью-Йорк: Издательство McGraw: 1245–1246.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]