La soldadura exotérmica , también conocida como unión exotérmica , soldadura por termita ( TW ), [1] y soldadura por termita , [1] es un proceso de soldadura que emplea metal fundido para unir permanentemente los conductores. El proceso emplea una reacción exotérmica de una composición de termita para calentar el metal y no requiere ninguna fuente externa de calor o corriente. La reacción química que produce el calor es una reacción aluminotérmica entre el polvo de aluminio y un óxido metálico.
En la soldadura exotérmica, el polvo de aluminio reduce el óxido de otro metal , más comúnmente el óxido de hierro , porque el aluminio es muy reactivo. El óxido de hierro (III) se utiliza comúnmente:
Los productos son óxido de aluminio , hierro elemental libre [2] y una gran cantidad de calor . Los reactivos suelen estar en polvo y mezclados con un aglutinante para mantener el material sólido y evitar la separación.
Generalmente, la composición reactiva es de cinco partes de polvo rojo de óxido de hierro (óxido) y tres partes de polvo de aluminio en peso, que se encienden a altas temperaturas. Se produce una reacción fuertemente exotérmica (que genera calor) que, mediante reducción y oxidación, produce una masa blanca incandescente de hierro fundido y una escoria de óxido de aluminio refractario . El hierro fundido es el material de soldadura real; el óxido de aluminio es mucho menos denso que el hierro líquido y, por lo tanto, flota en la parte superior de la reacción, por lo que la configuración para la soldadura debe tener en cuenta que el metal fundido real está en el fondo del crisol y cubierto por escoria flotante.
Se pueden utilizar otros óxidos metálicos, como el óxido de cromo, para generar el metal en cuestión en su forma elemental. La termita de cobre , que utiliza óxido de cobre, se utiliza para crear uniones eléctricas:
La soldadura por termita se utiliza ampliamente para soldar rieles de ferrocarril. Uno de los primeros ferrocarriles en evaluar el uso de la soldadura por termita fue el Delaware and Hudson Railroad en los Estados Unidos en 1935 [3]. La calidad de la soldadura de la termita químicamente pura es baja debido a la baja penetración de calor en los metales de unión y al contenido muy bajo de carbono y aleación en el hierro fundido casi puro. Para obtener soldaduras de ferrocarril sólidas, los extremos de los rieles que se sueldan con termita se precalientan con un soplete a una temperatura naranja, para garantizar que el acero fundido no se enfríe durante el vertido.
Debido a que la reacción de la termita produce hierro relativamente puro, no acero, que es mucho más resistente, se incluyen en la mezcla de termita algunos pequeños gránulos o varillas de metal de aleación con alto contenido de carbono; estos materiales de aleación se derriten por el calor de la reacción de la termita y se mezclan con el metal de soldadura. La composición de los gránulos de aleación variará según la aleación del riel que se vaya a soldar.
La reacción alcanza temperaturas muy altas, dependiendo del óxido metálico utilizado. Los reactivos se suministran normalmente en forma de polvos y la reacción se desencadena utilizando una chispa de un encendedor de piedra. Sin embargo, la energía de activación de esta reacción es muy alta y para iniciarla es necesario utilizar un material "propulsor", como magnesio metálico en polvo, o una fuente de llama muy caliente. La escoria de óxido de aluminio que se produce se desecha. [4] [5]
Al soldar conductores de cobre, el proceso emplea un molde de crisol de grafito semipermanente , en el que el cobre fundido, producido por la reacción, fluye a través del molde y sobre y alrededor de los conductores a soldar, formando una soldadura eléctricamente conductora entre ellos. [6] Cuando el cobre se enfría, el molde se rompe o se deja en su lugar. [4] Alternativamente, se pueden utilizar crisoles de grafito portátiles. Las ventajas de estos crisoles incluyen portabilidad, menor costo (porque se pueden reutilizar) y flexibilidad, especialmente en aplicaciones de campo.
Una soldadura exotérmica tiene una resistencia mecánica mayor que otras formas de soldadura y una excelente resistencia a la corrosión [7]. También es muy estable cuando se la somete a pulsos de cortocircuito repetidos y no sufre un aumento de la resistencia eléctrica durante la vida útil de la instalación. Sin embargo, el proceso es costoso en relación con otros procesos de soldadura, requiere un suministro de moldes reemplazables, adolece de una falta de repetibilidad y puede verse obstaculizado por condiciones húmedas o mal tiempo (cuando se realiza al aire libre). [4] [6]
La soldadura exotérmica se utiliza generalmente para soldar conductores de cobre, pero es adecuada para soldar una amplia gama de metales, incluidos acero inoxidable , hierro fundido , acero común , latón , bronce y Monel . [4] Es especialmente útil para unir metales diferentes. [5] El proceso se comercializa con una variedad de nombres como AIWeld, American Rail Weld, AmiableWeld, Ardo Weld, ERICO Cadweld, FurseWeld, Harger Ultrashot, Quikweld, StaticWeld, Techweld, Tectoweld, TerraWeld, Thermoweld y Ultraweld. [4]
Debido a la buena conductividad eléctrica y alta estabilidad frente a pulsos de cortocircuito, las soldaduras exotérmicas son una de las opciones especificadas por el §250.7 del Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos para conductores de puesta a tierra y puentes de unión . [8] Es el método preferido de unión, y de hecho es el único medio aceptable para unir cobre a cable galvanizado . [5] El NEC no requiere que dichas conexiones soldadas exotérmicamente estén listadas o etiquetadas, pero algunas especificaciones de ingeniería requieren que las soldaduras exotérmicas completadas se examinen utilizando equipo de rayos X. [8]
La soldadura de rieles con termita moderna fue desarrollada por primera vez por Hans Goldschmidt a mediados de la década de 1890 como otra aplicación de la reacción de la termita que inicialmente estaba explorando para el uso de la producción de cromo y manganeso de alta pureza. La primera línea de ferrocarril se soldó utilizando el proceso en Essen, Alemania, en 1899, y los rieles soldados con termita ganaron popularidad ya que tenían la ventaja de una mayor confiabilidad frente al desgaste adicional que suponían los nuevos sistemas ferroviarios eléctricos y de alta velocidad. [9] Algunas de las primeras en adoptar el proceso fueron las ciudades de Dresde , Leeds y Singapur . [10] En 1904, Goldschmidt estableció su homónima Goldschmidt Thermit Company (conocida con ese nombre en la actualidad) en la ciudad de Nueva York para llevar la práctica a los ferrocarriles de América del Norte. [9]
En 1904, George E. Pellissier, un estudiante de ingeniería del Instituto Politécnico de Worcester que había estado siguiendo el trabajo de Goldschmidt, se puso en contacto con la nueva empresa, así como con el Holyoke Street Railway en Massachusetts. Pellissier supervisó la primera instalación de vías en los Estados Unidos utilizando este proceso el 8 de agosto de 1904, [11] y continuó mejorándolo tanto para el ferrocarril como para la empresa de Goldschmidt como ingeniero y superintendente, incluidos los primeros desarrollos en procesos de rieles soldados continuos que permitieron unir la totalidad de cada riel en lugar de solo el pie y el alma. [12] Aunque no todas las soldaduras de rieles se completan utilizando el proceso de termita, sigue siendo un procedimiento operativo estándar en todo el mundo. [9]
Por lo general, los extremos de los rieles se limpian, se alinean de manera plana y precisa y se dejan separados 25 mm (1 pulgada). [9] Este espacio entre los extremos de los rieles para soldar es para garantizar resultados consistentes en el vertido del acero fundido en el molde de soldadura. En caso de una falla de soldadura, los extremos de los rieles se pueden cortar a un espacio de 75 mm (3 pulgadas), eliminando los extremos de los rieles derretidos y dañados, y se intenta una nueva soldadura con un molde especial y una carga de termita más grande. Se sujeta un molde de arena endurecida de dos o tres piezas alrededor de los extremos de los rieles, y se utiliza un soplete de capacidad térmica adecuada para precalentar los extremos del riel y el interior del molde.
La cantidad adecuada de termita con metal de aleación se coloca en un crisol refractario y, cuando los rieles han alcanzado una temperatura suficiente, se enciende la termita y se deja que reaccione hasta completarse (lo que da tiempo a que el metal de aleación se funda y se mezcle por completo, obteniendo así el acero o aleación fundidos deseados). A continuación, se perfora el fondo del crisol de reacción. Los crisoles modernos tienen un manguito autorroscante en la boquilla de vertido. El acero fundido fluye hacia el molde, se fusiona con los extremos del riel y forma la soldadura.
La escoria, al ser más ligera que el acero, fluye última desde el crisol y rebosa del molde hacia un recipiente colector de acero, para ser desechada después de enfriarse. Se deja enfriar todo el conjunto. Se retira el molde y se limpia la soldadura mediante cincelado en caliente y esmerilado para producir una unión lisa. El tiempo típico desde el inicio del trabajo hasta que un tren puede pasar sobre el riel es de aproximadamente 45 minutos a más de una hora, dependiendo del tamaño del riel y la temperatura ambiente. En cualquier caso, el acero del riel debe enfriarse a menos de 370 °C (700 °F) antes de que pueda soportar el peso de las locomotoras.
Cuando se utiliza un proceso de termita para circuitos de vías (la unión de cables a los rieles con una aleación de cobre) , se utiliza un molde de grafito . El molde de grafito se puede reutilizar muchas veces, porque la aleación de cobre no es tan caliente como las aleaciones de acero utilizadas en la soldadura de rieles. En la unión de señales, el volumen de cobre fundido es bastante pequeño, aproximadamente 2 cm3 (0,1 pulgadas cúbicas) y el molde se sujeta ligeramente al costado del riel, manteniendo también en su lugar un cable de señal. En la soldadura de rieles, la carga de soldadura puede pesar hasta 13 kg (29 lb).
El molde de arena endurecida es pesado y voluminoso, debe sujetarse firmemente en una posición muy específica y luego someterse a un calor intenso durante varios minutos antes de disparar la carga. Cuando el riel se suelda en cadenas largas, se debe tener en cuenta la expansión y contracción longitudinal del acero. La práctica británica a veces utiliza una junta deslizante de algún tipo al final de largos tramos de riel soldado de forma continua, para permitir cierto movimiento, aunque al utilizar una traviesa de hormigón pesada y una cantidad adicional de balasto en los extremos de la traviesa, la vía, que se preesforzará de acuerdo con la temperatura ambiente en el momento de su instalación, desarrollará tensión de compresión en temperatura ambiente caliente, o tensión de tracción en temperatura ambiente fría, y su fuerte unión a las traviesas pesadas evitará el pandeo por el sol u otra deformación.
La práctica actual es utilizar rieles soldados en todas las líneas de alta velocidad y las juntas de expansión se mantienen al mínimo, a menudo solo para proteger los cruces y los cruces de tensiones excesivas. La práctica estadounidense parece ser muy similar, una restricción física sencilla del riel. El riel está pretensado, o se considera "neutral a la tensión" a una temperatura ambiente particular. Esta temperatura "neutral" variará según las condiciones climáticas locales, teniendo en cuenta las temperaturas más bajas en invierno y las más cálidas en verano.
El riel se fija físicamente a las traviesas o durmientes con anclajes de riel o antideslizadores. Si el balasto de la vía está en buenas condiciones y limpio, las traviesas están en buenas condiciones y la geometría de la vía es buena, entonces el riel soldado resistirá las oscilaciones de temperatura ambiente normales en la región.
La soldadura exotérmica remota es un tipo de proceso de soldadura exotérmica para unir dos conductores eléctricos a distancia. El proceso reduce los riesgos inherentes asociados con la soldadura exotérmica y se utiliza en instalaciones que requieren que un operador de soldadura una permanentemente los conductores a una distancia segura de la aleación de cobre sobrecalentada .
El proceso incorpora un encendedor para usar con moldes de grafito estándar o un cartucho de metal de soldadura sellado consumible, un molde de crisol de grafito semipermanente y una fuente de ignición que se conecta al cartucho con un cable que proporciona ignición remota segura.
GE Pellissier, ingeniero civil de la Holyoke Street Railway Company, presentó el 27 de enero un trabajo ante la Sociedad de Ingenieros Civiles del Instituto Politécnico de Worcester sobre la soldadura con termita [sic]... Cuando se introdujo el proceso de termita en los Estados Unidos, la Holyoke Street Railway Company decidió probarlo en una milla de vía que estaba a punto de ser reconstruida y, en consecuencia, se realizó un pedido de 160 juntas a la Goldschmidt Thermit Company... La soldadura comenzó el 8 de agosto de 1904... El trabajo... fue el primer tramo de vía en los Estados Unidos tendido con juntas de termita
