Soldadura exotérmica

La soldadura termita moderna de rieles fue desarrollada por primera vez por Hans Goldschmidt a mediados de la década de 1890 como otra aplicación de la reacción termita, que inicialmente exploraba para la producción de 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 debido a su mayor fiabilidad, que se veía afectada por el desgaste adicional que sufrían los nuevos sistemas ferroviarios eléctricos y de alta velocidad. ^{[ 9 ]} Algunas de las primeras ciudades en adoptar este proceso fueron Dresde , Leeds y Singapur . ^{[ 10 ]} En 1904, Goldschmidt fundó su empresa homónima, Goldschmidt Thermit Company (conocida hoy con ese nombre), en la ciudad de Nueva York para introducir esta práctica en los ferrocarriles de Norteamérica. ^{[ 9 ]}

En 1904, George E. Pellissier, estudiante de ingeniería del Instituto Politécnico de Worcester que seguía el trabajo de Goldschmidt, contactó con la nueva compañía y con el Ferrocarril de Holyoke Street en Massachusetts. Pellissier supervisó la primera instalación de vías en Estados Unidos utilizando este proceso el 8 de agosto de 1904, ^{[ 11 ]} y posteriormente lo perfeccionó tanto para el ferrocarril como para la compañía de Goldschmidt como ingeniero y superintendente, incluyendo los primeros desarrollos en procesos de soldadura continua de rieles que permitían unir la totalidad de cada riel en lugar de solo la base y el alma. ^{[ 12 ]} Aunque no todas las soldaduras de rieles se realizan mediante el proceso de termita, sigue siendo un procedimiento operativo estándar en todo el mundo. ^{[ 9 ]}

Normalmente, los extremos de los rieles se limpian, se alinean de forma plana y precisa, y se separan 25 mm (1 pulg.) . ^{[ 9 ]} Esta separación entre los extremos de los rieles para la soldadura garantiza resultados uniformes al verter el acero fundido en el molde de soldadura. En caso de fallo de la soldadura, los extremos de los rieles se pueden cortar a una separación de 75 mm (3 pulg.) , eliminando los extremos fundidos y dañados, y se intenta una nueva soldadura con un molde especial y una carga de termita mayor. Un molde de arena endurecida de dos o tres piezas se sujeta alrededor de los extremos de los rieles, 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 alcanzan la temperatura suficiente, se enciende la termita y se deja reaccionar completamente (dando tiempo a que el metal de aleación se funda y se mezcle por completo, obteniendo así el acero fundido o la aleación deseada). A continuación, se golpea el fondo del crisol de reacción. Los crisoles modernos cuentan con un dedal autorroscante en la boquilla de vertido. El acero fundido fluye hacia el molde, fusionándose con los extremos de los rieles y formando la soldadura.

La escoria, al ser más ligera que el acero, fluye al final del crisol y se desborda del molde hacia una cubeta de acero, donde se desecha tras el enfriamiento. Se deja enfriar todo el conjunto. Se retira el molde y se limpia la soldadura mediante cincelado y esmerilado en caliente para obtener una unión lisa. El tiempo típico desde el inicio del trabajo hasta que un tren puede circular sobre el raíl es de aproximadamente 45 minutos a más de una hora, dependiendo del diámetro del raíl y la temperatura ambiente. En cualquier caso, el acero del raíl debe enfriarse a menos de 370 °C (700 °F) antes de que pueda soportar el peso de las locomotoras. ^{[ 13 ]}  

Cuando se utiliza un proceso de termita para circuitos de vía (la unión de cables a los rieles con una aleación de cobre) , se emplea un molde de grafito . Este molde es reutilizable muchas veces, ya que la aleación de cobre no alcanza temperaturas tan altas 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 lateral 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 libras) .     

El molde de arena endurecida es pesado y voluminoso, debe sujetarse firmemente en una posición muy específica y luego someterse a calor intenso durante varios minutos antes de disparar la carga. Cuando el riel se suelda en largas tiras, debe tenerse en cuenta la expansión y contracción longitudinal del acero. La práctica británica a veces utiliza una junta deslizante de algún tipo en el extremo de largos tramos de riel soldado continuamente, para permitir cierto movimiento, aunque al usar una traviesa de hormigón pesada y una cantidad adicional de balasto en los extremos de la traviesa, la vía, que será pretensada según la temperatura ambiente en el momento de su instalación, desarrollará tensión de compresión a temperatura ambiente alta, o tensión de tracción a temperatura ambiente fría, su fuerte unión a las traviesas pesadas evita el pandeo por deformación ( torsión solar ) u otra deformación.

Actualmente, en las líneas de alta velocidad se utilizan rieles soldados en toda la vía, y las juntas de dilatación se reducen al mínimo, a menudo solo para proteger los cruces y uniones de esfuerzos excesivos. La práctica estadounidense parece ser muy similar: una simple sujeción física del riel. El riel se pretensa, o se considera "neutral" a una temperatura ambiente determinada. Esta temperatura "neutral" varía según las condiciones climáticas locales, teniendo en cuenta las temperaturas mínimas de invierno y las máximas de verano.

El riel se fija físicamente a las traviesas o durmientes mediante anclajes o dispositivos antideslizamiento. Si el balasto de la vía está en buen estado y limpio, las traviesas están en buenas condiciones y la geometría de la vía es correcta, el riel soldado soportará las fluctuaciones de temperatura ambiente habituales en la región.