発熱溶接

発熱溶接は、発熱接合、テルミット溶接（TW）^[1]、テルミット溶接^[1]とも呼ばれ、溶融金属を使用して導体を永久的に接合する溶接プロセスです。このプロセスでは、テルミット組成物の発熱反応を利用して金属を加熱し、外部の熱源や電流源を必要としません。熱を生成する化学反応は、アルミニウム粉末と金属酸化物 との間のアルミノテルミット反応です。

発熱溶接では、アルミニウムの反応性が高いため、アルミニウムの粉塵が他の金属（最も一般的なのは酸化鉄）の酸化物を還元します。一般的には酸化鉄(III)が使用されます。

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

生成物は酸化アルミニウム、遊離鉄元素、^[2]および大量の熱である。反応物は通常粉末状になっており、材料を固体に保ち分離を防ぐために結合剤と混合される。

一般的に、反応する成分は、重量比で酸化鉄赤色（錆色）粉末 5 部とアルミニウム粉末 3 部で、高温で点火されます。強い発熱反応（熱発生反応）が起こり、還元と酸化を経て、白熱した溶融鉄の塊と耐火性酸化アルミニウムのスラグが生成されます。溶融鉄が実際の溶接材料です。酸化アルミニウムは液体鉄よりも密度がはるかに低いため、反応の上部に浮かびます。そのため、溶接のセットアップでは、実際の溶融金属がるつぼの底にあり、浮遊するスラグで覆われていることを考慮する必要があります。

クロム酸化物などの他の金属酸化物を使用して、特定の金属を元素の形で生成することもできます。銅酸化物を使用した銅テルミットは、電気接続の作成に使用されます。

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

テルミット溶接は鉄道レールの溶接に広く使用されています。テルミット溶接の使用を評価した最初の鉄道会社の一つは、1935年に米国のデラウェア・アンド・ハドソン鉄道でした^[3]化学的に純粋なテルミット溶接の品質は、接合金属への熱浸透が低いことと、ほぼ純粋な溶融鉄の炭素および合金含有量が非常に低いために低くなります。健全な鉄道溶接部を得るには、テルミット溶接されるレールの端をオレンジ色の熱にトーチで予熱し、溶融鋼が注入中に冷えないようにします。

テルミット反応では、はるかに強度の高い鋼ではなく、比較的純粋な鉄が生成されるため、高炭素合金金属の小さなペレットまたはロッドがテルミット混合物に含まれています。これらの合金材料はテルミット反応の熱で溶け、溶接金属に混ざります。合金ビーズの組成は、溶接されるレール合金によって異なります。

反応は、使用される金属酸化物に応じて、非常に高温になります。反応物は通常、粉末の形で供給され、フリントライターの火花で反応が誘発されます。ただし、この反応の活性化エネルギーは非常に高く、開始には粉末マグネシウム金属などの「ブースター」物質または非常に高温の炎源を使用する必要があります。生成される酸化アルミニウムの スラグは廃棄されます。 ^{[4] [5]}

銅導体を溶接する際、このプロセスでは半永久的なグラファイト るつぼ 鋳型が使用され、反応によって生成された溶融銅が鋳型を通過して溶接する導体の上と周囲に流れ、導体間に導電性の溶接部を形成します。 ^[6]銅が冷えると、鋳型は破壊されるか、そのまま残されます。^[4]代わりに、手持ち式のグラファイトるつぼを使用することもできます。これらのるつぼの利点には、携帯性、低コスト（再利用できるため）、および特に現場での用途での柔軟性などがあります。

発熱溶接は他の溶接方法よりも機械的強度が高く、耐食性に優れています^[7]また、繰り返し短絡パルスを受けても非常に安定しており、設備の寿命を通じて電気抵抗が増加することはありません。しかし、このプロセスは他の溶接プロセスに比べてコストが高く、交換可能な金型の供給が必要で、再現性に欠け、湿った状態や悪天候（屋外で実施する場合）によって妨げられる可能性があります。^{[4] [6]}

発熱溶接は、通常、銅導体の溶接に使用されますが、ステンレス鋼、鋳鉄、普通鋼、真鍮、青銅、モネルなど、幅広い金属の溶接に適しています。^[4] 特に異種金属の接合に有効です。^[5] このプロセスは、AIWeld、American Rail Weld、AmiableWeld、Ardo Weld、ERICO Cadweld、FurseWeld、Harger Ultrashot、Quikweld、StaticWeld、Techweld、Tectoweld、TerraWeld、Thermoweld、Ultraweldなど、さまざまな名前で販売されています。^[4]

発熱溶接は、良好な電気伝導性と短絡パルスに対する高い安定性のため、接地導体および接続ジャンパー用の米国電気工事規程の§250.7で指定されているオプションの1つです。^[8] これは推奨される接続方法であり、実際に銅と亜鉛メッキケーブルを接続する唯一の許容可能な方法です。^{[5] NECでは、このような発熱溶接接続をリスト化またはラベル付けする必要はありませんが、一部のエンジニアリング仕様では、完成した発熱溶接を}X線装置 を使用して検査することを要求しています。^[8]

現代のテルミットレール溶接は、1890年代半ばにハンス・ゴールドシュミットによって初めて開発された。彼は当初、高純度のクロムとマンガンの製造に利用しようと研究していたテルミット反応の別の用途として開発された。最初の鉄道線路は1899年にドイツのエッセンでこの方法を使用して溶接され、テルミット溶接レールは、新しい電気鉄道システムと高速鉄道システムによってレールに追加の摩耗が発生するのに対して、信頼性が高いという利点があったため人気を博した。^[9]この方法を最も早く採用した都市には、ドレスデン、リーズ、シンガポールなどがある。^[10] 1904年、ゴールドシュミットはニューヨーク市に彼の名を冠したゴールドシュミット・テルミット社（今日その名前で知られている）を設立し、この手法を北米の鉄道に導入した。^[9]

1904年、ウースター工科大学の工学部生でゴールドシュミットの研究を追っていたジョージ・E・ペリシエが、新会社とマサチューセッツ州のホリヨーク・ストリート鉄道に連絡を取った。ペリシエは1904年8月8日、このプロセスを使用して米国で最初の線路敷設を監督し、^[11]技術者および監督として鉄道とゴールドシュミットの会社の両方でこのプロセスをさらに改良し、レールの脚とウェブだけでなくレール全体を接合できる連続溶接レールプロセスの初期開発も行った。 ^[12]すべてのレール溶接がテルミットプロセスを使用して完了するわけではないが、それは今でも世界中で標準的な作業手順である。^[9]

通常、レールの端は洗浄され、平らで真っ直ぐに揃えられ、間隔は 25 mm (1 インチ) です。^[9]溶接用のレール端間の隙間は、溶融鋼を溶接鋳型に流し込む際に一貫した結果を保証するためです。溶接に失敗した場合は、レール端を 75 mm (3 インチ) の隙間に切り取って、溶けて損傷したレール端を取り除き、特殊な鋳型とより大きなテルミット充填物を使用して新しい溶接を試みることができます。2 つまたは 3 つの部分からなる硬化砂鋳型をレール端の周りに締め付け、適切な熱容量のトーチを使用してレール端と鋳型の内部を予熱します。

適切な量​​のテルミットと合金金属を耐火るつぼに入れ、レールが十分な温度に達したらテルミットに点火して反応を完了させます (合金金属が完全に溶けて混ざり、目的の溶融鋼または合金が得られるまで時間をかけます)。次に、反応るつぼの底に栓をします。現代のるつぼには、注ぎ口のノズルにセルフタッピング シンブルが付いています。溶融鋼が鋳型に流れ込み、レールの端と融合して溶接部を形成します。

スラグは鋼鉄よりも軽いため、るつぼから最後に流れ出て鋳型から鋼鉄製の受け皿に流れ込み、冷却後に廃棄されます。装置全体を冷却します。鋳型を取り外し、溶接部を熱ノミと研磨できれいにして、滑らかな接合部を作ります。作業開始から列車がレールを走行できるようになるまでの時間は、レールのサイズと周囲温度によって異なりますが、通常約 45 分から 1 時間以上です。いずれにしても、レール鋼は鉄道機関車の重量を支える前に 370 °C (700 °F) 未満に冷却する必要があります。

テルミット法を軌道回路（銅合金で線をレールに接着する）に使用する場合、グラファイト鋳型が使用されます。銅合金はレール溶接に使用される鋼合金ほど熱くないため、グラファイト鋳型は何度も再利用できます。信号接合では、溶融銅の体積は約 2 cm ³ (0.1 cu in) と非常に小さく、鋳型はレールの側面に軽く固定され、信号線も固定します。レール溶接では、溶接物の重量は最大 13 kg (29 lb) になります。

硬化した砂型は重くてかさばるため、特定の位置にしっかりと固定し、装薬を発射する前に数分間高熱にさらさなければなりません。レールを長い列に溶接する場合、鋼鉄の縦方向の伸縮を考慮する必要があります。英国の慣習では、長い連続溶接レールの端部に何らかの滑り継ぎ目を使用して動きを可能にすることがありますが、重いコンクリート枕木と枕木端部の余分なバラストを使用することで、設置時の周囲温度に応じてプレストレスが加えられる線路は、高温の周囲温度では圧縮応力を、低温の周囲温度では引張応力を生じ、重い枕木に強く固定されているため、日よけ（座屈）やその他の変形が防止されます。

現在の慣行では、高速線路全体で溶接レールが使用され、伸縮継手は最小限に抑えられています。これは、ジャンクションや交差部を過度のストレスから保護するためだけのものです。米国の慣行も非常に似ており、レールを物理的に拘束するだけの単純なものです。レールはプレストレスがかけられており、特定の周囲温度では「ストレス ニュートラル」と見なされます。この「ニュートラル」温度は、最低の冬と最高気温を考慮した地域の気候条件によって異なります。

レールは、レール アンカーまたはアンチ クリーパーを使用して枕木または枕木に物理的に固定されます。線路のバラストが良好で清潔であり、枕木が良好な状態であり、線路の形状が良好であれば、溶接されたレールは、その地域に通常発生する周囲温度の変動に耐えることができます。

リモート発熱溶接は、離れた場所から 2 つの電気導体を接合する発熱溶接プロセスの一種です。このプロセスは、発熱溶接に伴う固有のリスクを軽減し、溶接作業者が過熱された銅合金から安全な距離を置いて導体を恒久的に接合する必要がある設備で使用されます。

このプロセスには、標準のグラファイト鋳型で使用する点火装置、または消耗品の密封ドロップイン溶接金属カートリッジ、半永久的なグラファイトるつぼ鋳型、および安全な遠隔点火を提供するケーブルでカートリッジに繋がれた点火源が組み込まれています。

• レールの長さ

• 発熱溶接粉末 - 発熱溶接のやり方を学ぶ、AmiableWeld