Экзотермическая сварка - Exothermic welding

Термитная сварка стала шагом вперед в соединении рельсов
Выполняется термитная сварка.

Экзотермическая сварка, также известен как экзотермическое связывание, термитная сварка (TW),[1] и термитная сварка,[1] это сварка процесс, в котором для постоянного соединения проводников используется расплавленный металл. В процессе задействован экзотермическая реакция из термит состав для нагрева металла и не требует внешнего источника тепла или тока. Химическая реакция, производящая тепло, - это алюминотермическая реакция между алюминий порошок и оксид металла.

Обзор

При экзотермической сварке алюминиевая пыль восстанавливает оксид другого металл, Наиболее часто оксид железа, потому что алюминий очень реактивен. Оксид железа (III) обычно используется:

Продукция оксид алюминия, бесплатный элементаль утюг,[2] и большое количество высокая температура. Реагенты обычно порошкообразный и смешанный со связующим, чтобы материал оставался твердым и предотвращал расслоение.

Обычно реагирующий состав состоит из пяти частей. оксид железа красный (ржавый) порошок и три части алюминий порошок весовой, воспламеняющийся при высоких температурах. Сильно экзотермический (выделяющая тепло) реакция происходит через восстановление и окисление производит раскаленную добела массу расплавленного утюг и шлак из огнеупорный оксид алюминия. Расплавленный чугун - это фактический сварочный материал; оксид алюминия гораздо менее плотен, чем жидкое железо, и поэтому плавает в верхней части реакции, поэтому при сварке необходимо учитывать, что фактический расплавленный металл находится в нижней части тигель и покрыт плавающим шлаком.

Можно использовать другие оксиды металлов, такие как оксид хрома, для получения данного металла в его элементарной форме. Медь 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 Делавэр и Гудзонская железная дорога в США в 1935 г.[3] Качество сварки химически чистого термита низкое из-за низкого проникновения тепла в соединяемые металлы и очень низкого углерод и содержание сплава в почти чистом расплавленном чугуне. Для получения прочных железнодорожных сварных швов концы рельсов, подвергаемых термитной сварке, предварительно нагревают горелкой до оранжевого тепла, чтобы жидкая сталь не остыла во время разливки.

Поскольку при 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 для этой реакции очень высока, и для ее инициирования требуется либо использование «вспомогательного» материала, такого как порошкообразный магний металл или очень горячий источник пламени. В оксид алюминия шлак то, что он производит, отбрасывается.[4][5]

При сварке медных проводников используется полупостоянный графит тигель форма, в котором 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

Экзотермический сварной шов имеет более высокую механическую прочность, чем другие виды 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 всего срока службы установки. Однако этот процесс дорогостоящий 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

Экзотермическая сварка обычно используется для сварки медных проводников, но подходит для сварки широкого спектра металлов, в том числе нержавеющая сталь, чугун, общие сталь, латунь, бронза, и Монель.[4] Это особенно полезно для соединения разнородных металлов.[5] Процесс продается под различными названиями, такими как Harger ULTRASHOT, American Rail Weld, ERICO CADWELD, Quikweld, Tectoweld, Ultraweld, Techweld, TerraWeld, Thermoweld, Ardo Weld, AmiableWeld, AIWeld, FurseWeld, CADWELL TVT и KumWELL TVT и KumWELL TVT.[4]

Из-за хорошей электропроводности и высокой стабильности перед импульсами короткого замыкания экзотермические сварные швы являются одним из вариантов, указанных в § 250.7 США. Национальный электротехнический кодекс для заземляющих проводов и соединительные перемычки.[8] Это предпочтительный метод соединения, и действительно, это единственный приемлемый способ соединения меди с оцинкованный кабель.[5] NEC не требует перечисления или маркировки таких экзотермических сварных соединений, но некоторые технические спецификации требуют, чтобы завершенные экзотермические сварные швы проверялись с использованием Рентгеновский оборудование.[8]

Сварка рельсов

Соединение трамвайных путей
Трамвайные пути присоединились недавно

История

Современная термитная сварка рельсов была впервые разработана Ганс Гольдшмидт в середине 1890-х годов в качестве еще одного приложения для термитной реакции, которую он первоначально изучал для получения высокочистого хрома и марганца. Первая железнодорожная ветка была сварена с использованием процесса Эссен, Германия В 1899 году рельсы, сваренные термитной сваркой, приобрели популярность, поскольку они обладали преимуществом большей надежности за счет дополнительного износа рельсов из-за новых электрических и высокоскоростных рельсовых систем.[9] Одним из первых последователей процесса были города Дрезден, Лидс, и Сингапур.[10] В 1904 году Гольдшмидт основал свою одноименную компанию Goldschmidt Thermit Company (известную сегодня под этим именем) в Нью-Йорке, чтобы внедрить эту практику на железные дороги в Северной Америке.[9]

В 1904 году Джордж Э. Пеллиссер, студент инженерного факультета Вустерский политехнический институт которые следили за работой Гольдшмидта, обратились к новой компании, а также Холиок-стрит железная дорога в Массачусетсе. Пеллиссье руководил первой установкой гусеницы в Соединенных Штатах с использованием этого процесса 8 августа 1904 года.[11] и продолжил улучшать его как для железной дороги, так и для компании Гольдшмидта в качестве инженера и суперинтенданта, включая ранние разработки в непрерывный сварной рельс процессы, которые позволили соединить все рельсы 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 технологической процедурой во всем мире.[9]

Обработать

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 заливки расплавленной стали в сварочную форму. В случае отказа 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 рельсов, и горелка подходящей теплоемкости используется для предварительного нагрева концов рельса и внутренней части формы.

Правильное 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 открывают дно. 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 уловитель, 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 рельсы, составляет от 45 минут до более часа, в зависимости от размера рельсов 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 термитный процесс используется для рельсовые цепи - приклейка проводов к рельсам с медный сплав, а графит плесень используется. Графитовая форма может использоваться много раз, потому что медный сплав не такой горячий, как стальные сплавы, используемые при сварке рельсов. В сигнальном соединении объем расплавленной меди довольно мал, примерно 2 см.3 (0,1 куб. Дюйма), и форма слегка прижимается к боковой стороне направляющей, 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 очень специфическом положении, а затем подвергнуть воздействию сильного тепла в течение нескольких минут перед выстрелом заряда. При сварке рельса 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 тяжелого бетонная шпала и дополнительное количество балласта на концах шпал, гусеница, которая будет предварительно напряжена в соответствии с окружающей температурой во время ее установки, будет развивать сжимающее напряжение при высокой температуре окружающей среды или растягивающее напряжение при низкой температуре окружающей среды, ее прочное крепление к тяжелым шпалам, предотвращающим коробление или другую деформацию.

Текущая практика заключается в использовании сварных рельсов повсюду на высокоскоростных линиях, и компенсаторы сводятся к минимуму, часто только для защиты перекрестков и переходов от чрезмерного напряжения. Американская практика кажется очень похожей: 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, учитывая самые низкие зимние и самые теплые летние температуры.

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

Удаленная сварка

Удаленная экзотермическая сварка это тип экзотермической сварки для соединения двух электрические проводники издалека. 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 медный сплав.

Процесс включает либо воспламенитель для использования со стандартными графитовыми формами, либо расходуемый герметичный вставной металлический патрон для сварки, полупостоянный графитовый тигель. форма и источник воспламенения, который соединяется с картриджем с помощью кабеля, обеспечивающего безопасное дистанционное зажигание.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Месслер, Роберт (2004). Соединение материалов и конструкций: от практического процесса к технологическим возможностям. Эльзевир. п. 296. ISBN  978-0-7506-7757-8.
  2. ^ «Демо-лаборатория: термитная реакция». Ilpi.com. Получено 2011-10-11.
  3. ^ «Сварка рельсов вместе требует щелчка», Популярная механика, Октябрь 1935 г.
  4. ^ а б c d е Джон Крисп (2002). Введение в медные кабели. Newnes. стр.88. ISBN  9780750655552.
  5. ^ а б c Джерри К. Уитакер (2005). Справочник по электронике (2-е изд.). CRC Press. стр.1199. ISBN  9780849318894.
  6. ^ а б Миленко Браунович; Валерий Васильевич Кончиц; Николай Константинович Мышкин (2006). Электрические контакты: основы, приложения и технологии. CRC Press. стр.291. ISBN  9781574447279.
  7. ^ "Почему выбирают экзотермически связанные соединения?". Компоненты кабеля ETS. Получено 2014-04-25.
  8. ^ а б Дж. Филип Симмонс (2005). Электрическое заземление и соединение. Cengage Learning. С. 43–44. ISBN  9781401859381.
  9. ^ а б c d Lionsdale, C.P. «Термитная сварка рельсов: история, технологические разработки, современные методы и перспективы на 21 век» (PDF). Материалы ежегодных конференций AREMA 1999. Лаборатория технических услуг Conrail. Получено 5 апреля, 2013.
  10. ^ Пеллиссье, Джордж Э. (1905). "Рельсовые соединения Термита". Журнал Вустерского политехнического института. Вустерский политехнический институт. VIII: 304–321.
  11. ^ «Сварка термитных рельсов в Холиоке». Street Railway Journal. Нью-Йорк: Издательство McGraw. XXV (7): 317–318. 18 февраля 1905 г. Г.Е. Пеллиссье, инженер-строитель железнодорожной компании на Холиок-стрит, представил 27 января перед Обществом инженеров-строителей Вустерского политехнического института доклад о термитной [sic] сварке ... Компания Street Railway решила опробовать ее на миле пути, который собирался реконструировать, и, соответственно, у компании Goldschmidt Thermit был размещен заказ на 160 стыков ... Сварка началась 8 августа 1904 года ... работа ... была первым участком пути в Соединенных Штатах, проложенным с термитными стыками
  12. ^ Пеллиссье, Джордж Э. «Сварка целых секций рельсов в Холиоке, штат Массачусетс». Электрический железнодорожный журнал. Нью-Йорк: издательство McGraw Publishing Company: 1245–1246.

внешние ссылки