Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Термитная сварка стала шагом вперед в соединении рельсов
Выполняется термитная сварка.

Экзотермическая сварка , также известная как экзотермическая сварка , термитная сварка ( TW ), [1] и термитная сварка , [1] является сварочным процессом , который использует расплавленный металл , чтобы навсегда присоединиться к проводникам. Процесс использует в экзотермической реакции в виде термитной композиции для нагрева металла, и не требует внешнего источника тепла или тока. Химическая реакция, которая производит тепло, представляет собой алюминотермическую реакцию между алюминиевым порошком и оксидом металла.

Обзор [ править ]

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

Продукты оксид алюминия , свободное элементарное железо , [2] , и большое количество тепла . Реагенты обычно измельчаются и смешиваются со связующим, чтобы сохранить материал в твердом состоянии и предотвратить разделение.

Обычно реагирующая композиция представляет собой пять частей порошка красного оксида железа (ржавчины) и три части порошка алюминия по весу, воспламеняемых при высоких температурах. Происходит сильно экзотермическая (выделяющая тепло) реакция, которая в результате восстановления и окисления производит раскаленную добела массу расплавленного железа и шлак из тугоплавкого оксида алюминия . Расплавленный чугун - это фактический сварочный материал; оксид алюминия намного менее плотен, чем жидкое железо, и поэтому плавает в верхней части реакции, поэтому установка для сварки должна учитывать, что фактический расплавленный металл находится на дне тигля и покрыт плавающим шлаком.

Можно использовать другие оксиды металлов, такие как оксид хрома, для получения данного металла в его элементарной форме. Медный термит с использованием оксида меди используется для создания электрических соединений:

Термитная сварка широко применяется для сварки железнодорожных рельсов. Одной из первых железных дорог, оценивавших использование термитной сварки, была железная дорога Делавэра и Хадсона в Соединенных Штатах в 1935 году [3] . Качество сварки химически чистого термита низкое из-за низкого проникновения тепла в соединяемые металлы и очень низкого содержание углерода и сплава в почти чистом расплавленном чугуне. Для получения прочных железнодорожных сварных швов концы рельсов, подвергаемых термитной сварке, предварительно нагревают горелкой до оранжевого тепла, чтобы расплавленная сталь не остыла во время разливки.

Поскольку в результате термитной реакции образуется относительно чистое железо, а не гораздо более прочная сталь, в термитную смесь включаются небольшие окатыши или стержни из высокоуглеродистого легирующего металла; эти легирующие материалы плавятся от тепла термитной реакции и смешиваются с металлом сварного шва. Состав легирующих валиков 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, причем реакция запускается с помощью искры от кремневой зажигалки. Однако энергия активации этой реакции очень высока, и для ее инициирования требуется либо использование «вспомогательного» материала, такого как порошкообразный металлический магний, либо очень горячий источник пламени. Оксид алюминия шлак , который она производит отбрасывается. [4] [5]

При сварке медных проводников в процессе используется полупостоянная графитовая тигельная форма , в которой расплавленная медь, полученная в результате реакции, протекает через форму и вокруг свариваемых проводников, образуя между ними электрически проводящий сварной шов. [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.

Свойства [ править ]

Экзотермический сварной шов имеет более высокую механическую прочность, чем другие формы сварного шва, и превосходную коррозионную стойкость [7]. Он также очень стабилен при воздействии повторяющихся импульсов короткого замыкания и не страдает повышенным электрическим сопротивлением в течение срока службы установки. Однако этот процесс является дорогостоящим по сравнению с другими сварочными процессами, требует поставки сменных форм, страдает недостаточной повторяемостью и может затрудняться из-за влажных условий или плохой погоды (при выполнении на открытом воздухе). [4] [6]

Приложения [ править ]

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] Процесс продается под разными названиями, такими как Harger ULTRASHOT, American Rail Weld, ERICO CADWELD, Quikweld, Tectoweld, Ultraweld, Techweld, TerraWeld, Thermoweld, Ardo Weld, AmiableWeld, AIWeld, FurseWeld и KumWELL TV. [4]

Из-за хорошей электропроводности и высокой стабильности перед импульсами короткого замыкания экзотермические сварные швы являются одним из вариантов, указанных в § 250.7 Национального электротехнического кодекса США для заземляющих проводов и перемычек . [8] Это предпочтительный метод соединения, и действительно, это единственный приемлемый способ соединения меди с оцинкованным кабелем. [5] NEC не требует перечисления или маркировки таких экзотермических сварных соединений, но некоторые технические спецификации требуют, чтобы завершенные экзотермические сварные швы проверялись с помощью рентгеновского оборудования. [8]

Сварка рельсов [ править ]

Соединение трамвайных путей
Трамвайные пути присоединились недавно

История [ править ]

Современная термитная сварка рельсов была впервые разработана Гансом Гольдшмидтом в середине 1890-х годов в качестве еще одного приложения для термитной реакции, которую он первоначально исследовал для получения высокочистого хрома и марганца. Первая линия рельсов была сварена с использованием этого процесса в Эссене, Германия, в 1899 году, и рельсы, сваренные термитной сваркой, приобрели популярность, поскольку они обладали преимуществом большей надежности с дополнительным износом рельсов новыми электрическими и высокоскоростными рельсовыми системами. [9] Одними из первых внедрили этот процесс в 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 применить эту практику на железных дорогах Северной Америки. [9]

В 1904 году Джордж Э. Пеллиссер, студент инженерного факультета Вустерского политехнического института, который следил за работой Гольдшмидта, обратился к новой компании, а также к железной дороге на Холиок-стрит в Массачусетсе. Пеллиссье руководил первой установкой пути в Соединенных Штатах с использованием этого процесса 8 августа 1904 г. [11] и продолжал совершенствовать его как для железной дороги, так и для компании Гольдшмидта в качестве инженера и суперинтенданта, включая ранние разработки в области непрерывной сварки. рельсовые процессы, которые позволили соединить каждый рельс целиком, а не только основание и стенку. [12]Хотя сегодня не все сварные швы рельсов выполняются с использованием термитного процесса, он по-прежнему остается стандартной рабочей процедурой во всем мире. [9]

Процесс [ править ]

Как правило, концы рельсов очищаются, выравниваются ровно и точно, а расстояние между ними составляет 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 сбоя сварки концы рельсов можно обрезать до зазора 75 мм (3 дюйма), удалив расплавленные и поврежденные концы рельсов, а также попытаться выполнить новую сварку с помощью специальной формы и большей термитной загрузки. Формы из закаленного песка, состоящие из двух или трех частей, зажимаются вокруг концов рельса, и горелка подходящей теплоемкости используется для предварительного нагрева концов рельса и внутренней части формы.

Необходимое количество термитов с легирующим металлом помещается в огнеупорный тигель, и когда рельсы достигают достаточной температуры, термит поджигается и дает возможность прореагировать до завершения (давая время любому легирующему металлу, чтобы полностью расплавиться и смешаться, что дает желаемая жидкая сталь или сплав). Затем в реакционный тигель постукивают по дну. Современные тигли имеют в разливочном сопле саморез. Расплавленная сталь течет в форму, плавится с концами рельсов и образует сварной шов.

Шлак, который легче стали, вытекает из тигля последним и перетекает из формы в стальной сборный резервуар, который после охлаждения утилизируется. Дают остыть всей установке. Форма удаляется, и сварной шов очищается путем горячего долбления и шлифовки для получения гладкого соединения. Обычно время от начала работы до того, как поезд может переехать через рельс, составляет 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 ниже 370 ° C (700 ° F), прежде чем она сможет выдержать вес железнодорожных локомотивов.

Когда для рельсовых цепей используется термитный процесс - соединение проводов с рельсами медным сплавом , используется графитовая форма. Графитовая форма может использоваться много раз, потому что медный сплав не такой горячий, как стальные сплавы, используемые при сварке рельсов. При сигнальном соединении объем расплавленной меди довольно мал, примерно 2 см 3 (0,1 куб. Дюйма), и форма слегка прижимается к стороне рельса, также удерживая на месте сигнальный провод. При сварке рельсов сварочная загрузка может весить до 13 кг (29 фунтов).

Затвердевшая песчаная форма тяжелая и громоздкая, ее необходимо надежно закрепить в определенном положении, а затем подвергнуть сильному нагреву в течение нескольких минут перед выстрелом заряда. Когда рельс сваривается в длинные струны, необходимо учитывать продольное расширение и сжатие стали. Британская практика иногда использует какое-либо скользящее соединение в конце длинных участков непрерывно сваренного рельса, чтобы обеспечить некоторое движение, хотя и с использованием тяжелой бетонной шпалы. и дополнительное количество балласта на концах шпал, гусеница, которая будет предварительно напряжена в соответствии с температурой окружающей среды во время ее установки, будет развивать сжимающее напряжение при высокой температуре окружающей среды или растягивающее напряжение при низкой температуре окружающей среды, ее прочное прикрепление к тяжелым шпалам, предотвращающим коробление или другую деформацию.

Текущая практика заключается в использовании сварных рельсов повсюду на высокоскоростных линиях, а компенсационные швы сводятся к минимуму, часто только для защиты стыков и переходов от чрезмерного напряжения. Американская практика, похоже, очень похожа - прямое физическое ограничение перил. Рельс подвергается предварительному напряжению или считается «нейтральным к напряжению» при определенной температуре окружающей среды. Эта «нейтральная» температура будет варьироваться в зависимости от местных климатических условий, с учетом самых низких зимних и самых теплых летних температур.

Рельс физически прикреплен к шпалам или шпалам с помощью рельсовых анкеров или противоскользящих устройств. Если балласт пути хороший и чистый, шпалы в хорошем состоянии, а геометрия пути хорошая, то сварной рельс выдержит перепады температуры окружающей среды, нормальные к региону.

Удаленная сварка [ править ]

Дистанционная экзотермическая сварка - это разновидность экзотермической сварки, при которой два электрических проводника соединяются на расстоянии. Этот процесс снижает неотъемлемые риски, связанные с экзотермической сваркой, и используется в установках, в которых сварщик должен постоянно соединять проводники на безопасном расстоянии от перегретого медного сплава .

Процесс включает либо воспламенитель для использования со стандартными графитовыми формами, либо расходуемый герметичный вставной металлический патрон для сварных швов, полупостоянную графитовую тигельную форму и источник воспламенения, который соединяется с патроном с помощью кабеля, обеспечивающего безопасное дистанционное зажигание.

См. Также [ править ]

  • Длина рельсов

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Месслер, Роберт (2004). Соединение материалов и конструкций: от прагматичного процесса к технологическим возможностям . Эльзевир. п. 296. ISBN. 978-0-7506-7757-8.
  2. ^ «Демо-лаборатория: термитная реакция» . Ilpi.com . Проверено 11 октября 2011 .
  3. ^ «Сварка рельсов вместе требует щелчков» , « Популярная механика» , октябрь 1935 г.
  4. ^ а б в г д Джон Крисп (2002). Введение в медные кабели . Newnes. С.  88 . ISBN 9780750655552.
  5. ^ a b c Джерри К. Уитакер (2005). Справочник по электронике (2-е изд.). CRC Press. С.  1199 . ISBN 9780849318894.
  6. ^ a b Миленко Браунович; Валерий Васильевич Кончиц; Николай Константинович Мышкин (2006). Электрические контакты: основы, приложения и технологии . CRC Press. С.  291 . ISBN 9781574447279.
  7. ^ "Почему выбирают экзотермически связанные соединения?" . Компоненты кабеля ETS . Проверено 25 апреля 2014 .
  8. ^ а б Дж. Филип Симмонс (2005). Электрическое заземление и соединение . Cengage Learning. С. 43–44. ISBN 9781401859381.
  9. ^ a b c d Lionsdale, CP "Термитная сварка рельсов: история, технологические разработки, текущая практика и перспективы на 21 век" (PDF) . Материалы ежегодных конференций AREMA 1999 . Лаборатория технических услуг Conrail . Проверено 5 апреля 2013 года .
  10. ^ Пеллиссье, Джордж Э. (1905). «Рельсовые соединения Термита» . Журнал Вустерского политехнического института . Вустерский политехнический институт. VIII : 304–321.
  11. ^ "Сварка рельсов термитов в Холиоке" . Уличный железнодорожный журнал . Нью-Йорк: Издательство McGraw. XXV (7): 317–318. 18 февраля 1905 г. Г. Е. Пеллиссер, инженер-строитель железнодорожной компании на Холиок-стрит, 27 января представил перед Обществом инженеров-строителей Вустерского политехнического института доклад о термитной [sic] сварке ... Когда термитный процесс был представлен в Соединенные Штаты железнодорожная компания на Холиок-стрит решила опробовать ее на миле пути, который собирался реконструировать, и, соответственно, у компании Goldschmidt Thermit был размещен заказ на 160 стыков ... Сварка была начата 8 августа, 1904 год ... Работы ... были первым участком пути в Соединенных Штатах, проложенным с термитными стыками.
  12. ^ Пеллиссье, Джордж Э. «Сварка целых секций рельсов в Холиоке, штат Массачусетс» . Электрорельсовая железная дорога . Нью-Йорк: издательство McGraw Publishing Company: 1245–1246.

Внешние ссылки [ править ]

  • Порошок для экзотермической сварки - Узнайте, как выполняется экзотермическая сварка , AmiableWeld