اللحام الحراري

طُوِّرت تقنية لحام قضبان السكك الحديدية الحديثة باستخدام الثرميت لأول مرة على يد هانز غولدشميت في منتصف تسعينيات القرن التاسع عشر، كتطبيق آخر لتفاعل الثرميت الذي كان يستكشفه في البداية لإنتاج الكروم والمنغنيز عاليي النقاء. لُحِمَ أول خط سكة حديد باستخدام هذه العملية في مدينة إيسن الألمانية عام ١٨٩٩، وسرعان ما اكتسبت قضبان السكك الحديدية الملحومة بالثرميت شعبية واسعة نظرًا لميزتها في زيادة الموثوقية في مواجهة التآكل الإضافي الذي تتعرض له القضبان نتيجة لأنظمة السكك الحديدية الكهربائية والسريعة الجديدة. ^{[ ٩ ]} وكانت مدن دريسدن وليدز وسنغافورة من أوائل المدن التي تبنت هذه العملية . ^{[ ١٠ ]} وفي عام ١٩٠٤ ، أسس غولدشميت شركته التي تحمل اسمه، شركة غولدشميت للثرميت (المعروفة بهذا الاسم اليوم)، في مدينة نيويورك لنشر هذه التقنية في خطوط السكك الحديدية في أمريكا الشمالية. ^{[ ٩ ]}

في عام ١٩٠٤، تواصل جورج إي. بيليسير، طالب الهندسة في معهد ورسستر للفنون التطبيقية ، والذي كان يتابع أعمال غولدشميت، مع الشركة الجديدة وكذلك مع شركة هوليوك ستريت للسكك الحديدية في ماساتشوستس. أشرف بيليسير على أول عملية تركيب للسكك الحديدية في الولايات المتحدة باستخدام هذه العملية في ٨ أغسطس ١٩٠٤، ^{[ ١١ ]} وواصل تطويرها لصالح كل من شركة السكك الحديدية وشركة غولدشميت بصفته مهندسًا ومشرفًا، بما في ذلك التطورات المبكرة في عمليات لحام السكك الحديدية المستمرة التي سمحت بربط كل سكة بالكامل بدلاً من ربط القاعدة والشبكة فقط. ^{[ ١٢ ]} على الرغم من أن عملية الثيرمايت لا تُستكمل في جميع عمليات لحام السكك الحديدية، إلا أنها لا تزال إجراءً تشغيليًا قياسيًا في جميع أنحاء العالم. ^{[ ٩ ]}

عادةً، تُنظف أطراف القضبان وتُضبط بشكل مستوٍ ودقيق، وتُترك مسافة 25 مم ( بوصة واحدة) بينها . ^{[ 9 ]} هذه الفجوة بين أطراف القضبان ضرورية لضمان نتائج متسقة عند صب الفولاذ المنصهر في قالب اللحام. في حال فشل اللحام، يمكن قص أطراف القضبان لتصبح الفجوة 75 مم (3 بوصات) ، وإزالة الأجزاء المنصهرة والتالفة، ثم محاولة لحام جديد باستخدام قالب خاص وشحنة ثرميت أكبر. يُثبت قالب رملي مُقسّى مكون من قطعتين أو ثلاث حول أطراف القضبان، ويُستخدم موقد ذو سعة حرارية مناسبة لتسخين أطراف القضبان وداخل القالب مسبقًا.    

تُوضع الكمية المناسبة من الثرميت مع المعدن المُضاف في بوتقة حرارية، وعندما تصل القضبان إلى درجة حرارة كافية، يُشعل الثرميت ويُترك ليتفاعل تمامًا (مع إتاحة الوقت الكافي لأي معدن مُضاف ليذوب ويختلط تمامًا، مُنتجًا الفولاذ أو السبيكة المنصهرة المطلوبة). ثم تُثقب البوتقة من الأسفل. تحتوي البواتق الحديثة على حلقة ثقب ذاتية في فوهة الصب. يتدفق الفولاذ المنصهر إلى القالب، ويندمج مع أطراف القضبان مُشكلاً اللحام.

نظرًا لأن الخبث أخف وزنًا من الفولاذ، فإنه يتدفق أخيرًا من البوتقة ويتجاوز القالب إلى حوض تجميع فولاذي، ليتم التخلص منه بعد التبريد. يُترك الجهاز بأكمله ليبرد. يُزال القالب ويُنظف اللحام بالنقش الساخن والطحن للحصول على وصلة ناعمة. يتراوح الوقت المعتاد من بدء العمل حتى يصبح القطار قادرًا على السير على السكة الحديدية بين 45 دقيقة وأكثر من ساعة، وذلك حسب حجم السكة ودرجة الحرارة المحيطة. في جميع الأحوال، يجب تبريد فولاذ السكة الحديدية إلى أقل من 370 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت) قبل أن يتمكن من تحمل وزن قاطرات السكك الحديدية. ^{[ 13 ]}  

عند استخدام عملية الثيرمايت لتوصيل أسلاك السكك الحديدية - أي ربط الأسلاك بالقضبان باستخدام سبيكة نحاسية - يُستخدم قالب من الجرافيت . ويمكن إعادة استخدام قالب الجرافيت عدة مرات، لأن سبيكة النحاس لا تسخن بنفس درجة حرارة سبائك الصلب المستخدمة في لحام القضبان. في توصيل إشارات السكك الحديدية، يكون حجم النحاس المنصهر صغيرًا جدًا، حوالي 2 سم ^مكعب (0.1 بوصة مكعبة) ، ويُثبّت القالب برفق على جانب القضيب، كما يُثبّت سلك الإشارة في مكانه. أما في لحام القضبان، فقد يصل وزن شحنة اللحام إلى 13 كجم (29 رطلاً) .     

قالب الرمل المتصلب ثقيل وضخم، ويجب تثبيته بإحكام في موضع محدد للغاية، ثم تعريضه لحرارة شديدة لعدة دقائق قبل تفجير الشحنة. عند لحام القضبان في سلاسل طويلة، يجب مراعاة التمدد والانكماش الطولي للفولاذ. تستخدم الممارسة البريطانية أحيانًا وصلة انزلاقية من نوع ما في نهاية السلاسل الطويلة من القضبان الملحومة بشكل مستمر، للسماح ببعض الحركة، على الرغم من أنه باستخدام عارضة خرسانية ثقيلة وكمية إضافية من الحصى عند نهايات العارضة، فإن المسار، الذي سيتم إجهاده مسبقًا وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة وقت تركيبه، سيولد إجهادًا ضاغطًا في درجة الحرارة المحيطة المرتفعة، أو إجهادًا شديًا في درجة الحرارة المحيطة المنخفضة، ويمنع تثبيته القوي بالعوارض الثقيلة حدوث التواءات شمسية ( انبعاج ) أو أي تشوه آخر.

تتمثل الممارسة الحالية في استخدام قضبان ملحومة في جميع أنحاء خطوط السكك الحديدية عالية السرعة، مع تقليل فواصل التمدد إلى الحد الأدنى، وغالبًا ما تقتصر على حماية التقاطعات والتقاطعات من الإجهاد الزائد. ويبدو أن الممارسة الأمريكية مشابهة جدًا، حيث تعتمد على تقييد مادي مباشر للقضيب. يتم إجهاد القضيب مسبقًا، أو يُعتبر "محايدًا للإجهاد" عند درجة حرارة محيطة معينة. وتختلف درجة الحرارة "المحايدة" هذه وفقًا لظروف المناخ المحلية، مع الأخذ في الاعتبار أدنى درجات الحرارة في الشتاء وأدفأها في الصيف.

يتم تثبيت السكة الحديدية فعلياً على العوارض أو الركائز باستخدام مثبتات أو مانعات انزلاق. إذا كانت طبقة الحصى على السكة جيدة ونظيفة، والعوارض في حالة جيدة، وهندسة السكة مناسبة، فإن السكة الملحومة ستتحمل تقلبات درجات الحرارة المحيطة المعتادة في المنطقة.