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 polvo de aluminio y un óxido metálico.
En la soldadura exotérmica, el polvo de aluminio reduce el óxido de otro metal , más comúnmente óxido de hierro , porque el aluminio es altamente reactivo. El óxido de hierro (III) se utiliza habitualmente:
Los productos son óxido de aluminio , hierro elemental libre , [2] y una gran cantidad de calor . Los reactivos comúnmente se pulverizan y se mezclan con un aglutinante para mantener el material sólido y evitar la separación.
Comúnmente, la composición de reacción es cinco partes de polvo rojo de óxido de hierro (óxido) y tres partes de polvo de aluminio en peso, encendidos a altas temperaturas. Se produce una reacción fuertemente exotérmica (que genera calor) que, mediante reducción y oxidación, produce una masa candente 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 hasta 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 dado en su forma elemental. La termita de cobre , que utiliza óxido de cobre, se utiliza para crear uniones eléctricas:
La soldadura con termita se utiliza ampliamente para soldar rieles de ferrocarril. Uno de los primeros ferrocarriles en evaluar el uso de la soldadura con termita fue el Ferrocarril de Delaware y Hudson en los Estados Unidos en 1935 [3]. La calidad de la soldadura de la termita químicamente pura es baja debido a la baja penetración del calor en los metales de unión y a la muy baja contenido de carbono y aleaciones en el hierro fundido casi puro. Para obtener soldaduras ferroviarias sólidas, los extremos de los rieles que se van a soldar con termita se precalientan con un soplete a un calor 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 mucho más fuerte, en la mezcla de termita se incluyen algunos pequeños gránulos o varillas de metal de aleación con alto contenido de carbono; Estos materiales de aleación se funden por el calor de la reacción de la termita y se mezclan con el metal de soldadura. La composición de las perlas de aleación variará según la aleación del riel que se esté soldando.
La reacción alcanza temperaturas muy altas, dependiendo del óxido metálico utilizado. Los reactivos se suministran normalmente en forma de polvo y la reacción se activa mediante una chispa de un encendedor de pedernal. Sin embargo, la energía de activación para esta reacción es muy alta y su iniciación requiere el uso de un material "refuerzo" como magnesio metálico en polvo o una fuente de llama muy caliente. Se descarta la escoria de óxido de aluminio que produce. [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 pueden reutilizarse) y flexibilidad, especialmente en aplicaciones de campo.
Una soldadura exotérmica tiene una mayor resistencia mecánica que otras formas de soldadura y una excelente resistencia a la corrosión [7]. También es muy estable cuando se somete a repetidos pulsos de cortocircuito y no sufre un aumento de la resistencia eléctrica durante la vida útil de la instalación. Sin embargo, el proceso es costoso en comparación con otros procesos de soldadura, requiere un suministro de moldes reemplazables, adolece de falta de repetibilidad y puede verse obstaculizado por condiciones de humedad 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 bajo 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 la alta estabilidad frente a pulsos de cortocircuito, las soldaduras exotérmicas son una de las opciones especificadas por §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 cables galvanizados . [5] El NEC no exige que dichas conexiones soldadas exotérmicamente estén listadas o etiquetadas, pero algunas especificaciones de ingeniería requieren que las soldaduras exotérmicas completadas se examinen utilizando equipos 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 termita que inicialmente estaba explorando para producir cromo y manganeso de alta pureza. La primera línea ferroviaria se soldó mediante este proceso en Essen, Alemania, en 1899, y los rieles soldados con termita ganaron popularidad ya que tenían la ventaja de una mayor confiabilidad con el desgaste adicional que sufrían los nuevos sistemas ferroviarios eléctricos y de alta velocidad. [9] Algunos de los primeros en adoptar el proceso fueron las ciudades de Dresde , Leeds y Singapur . [10] En 1904, Goldschmidt estableció su epónima Goldschmidt Thermit Company (conocida hoy con ese nombre) 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 en el Instituto Politécnico de Worcester que había estado siguiendo el trabajo de Goldschmidt, se puso en contacto con la nueva empresa y con 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 mejorándolas tanto para el ferrocarril como para la compañía de Goldschmidt como ingeniero y superintendente, incluidos los primeros desarrollos en soldadura continua. procesos ferroviarios que permitieron unir la totalidad de cada riel en lugar de solo el pie y la red. [12] Aunque no todas las soldaduras de rieles se completan mediante 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 planos y rectos y se espacian 25 mm (1 pulgada). [9] Este espacio entre los extremos del riel para soldar es para garantizar resultados consistentes en el vertido del acero fundido en el molde de soldadura. En caso de una falla en la soldadura, los extremos del riel se pueden recortar a un espacio de 75 mm (3 pulgadas), eliminando los extremos del riel derretidos y dañados, y se puede intentar 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 del riel y se utiliza un soplete de capacidad calorífica 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, la termita se enciende y se deja reaccionar hasta su finalización (dando tiempo para que cualquier metal de aleación se derrita y se mezcle completamente, produciendo el aleación o acero fundido deseado). A continuación se golpea ligeramente el fondo del crisol de reacción. Los crisoles modernos tienen un dedal autorroscante en la boquilla de vertido. El acero fundido fluye hacia el molde, fusionándose con los extremos del riel y formando la soldadura.
La escoria, al ser más ligera que el acero, fluye en último lugar desde el crisol y desborda el molde hacia un recipiente colector de acero, para ser eliminada después de enfriarse. Se deja enfriar toda la configuración. Se retira el molde y se limpia la soldadura mediante cincelado y esmerilado en caliente para producir una unión suave. 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 está 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 cm 3 (0,1 pulgadas cúbicas) y el molde se sujeta ligeramente al costado del riel, manteniendo también un cable de señal en su lugar. 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 tiras 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 tramos largos de rieles soldados continuamente, para permitir cierto movimiento, aunque al usar una traviesa de concreto pesada y una cantidad adicional de lastre en los extremos de las traviesas, la vía, que será pretensado 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, su fuerte unión a las traviesas pesadas evita que el sol se doble ( pandeo ) 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 cruces de tensiones excesivas. La práctica estadounidense parece ser muy similar: una simple restricción física del riel. El riel está pretensado o se considera "esfuerzo neutro" a una temperatura ambiente particular. Esta temperatura "neutral" variará según las condiciones climáticas locales, teniendo en cuenta las temperaturas más bajas del invierno y las más cálidas del verano.
El carril se fija físicamente a los tirantes o traviesas mediante anclajes de carril o anti-arrancadores. Si el balasto de la vía es bueno y limpio, los durmientes están en buenas condiciones y la geometría de la vía es buena, entonces el riel soldado resistirá los cambios de temperatura ambiente normales a 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 une al cartucho con un cable que proporciona un encendido remoto seguro.
GE Pellissier, ingeniero civil de Holyoke Street Railway Company, presentó el 27 de enero un documento ante la Sociedad de Ingenieros Civiles del Instituto Politécnico de Worcester sobre la soldadura thermit [sic]... Cuando se introdujo el proceso thermit en 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 hizo un pedido de 160 juntas a la Goldschmidt Thermit Company... La soldadura comenzó el 8 de agosto. 1904...La obra...fue la primera pieza de vía en los Estados Unidos colocada con juntas termitas.
