Poniższy artykuł, którego autorem jest Janusz Budniok ukazał się w magazynie Elektrosystemy, w numerze kwiecień (4) / 2013

Łączenie różnych materiałów metalicznych o wysokiej temperaturze topnienia przy użyciu dodatkowego łącznika metalicznego jest możliwe metodą zgrzewania egzotermicznego. Obecnie technologia ta jest uważana za najlepszy sposób wykonania trwałego połączenia elektrycznego (przy okazji mechanicznego). W przeciwieństwie do połączeń mechanicznych skręcanych bądź połączeń zaciskanych nie dochodzi do koncentracji natężenia pola elektrycznego, w obrębie spojenia tego typu nie dochodzi do koncentracji natężenia pola elektrycznego, co skutecznie chroni połączenie przed przegrzaniem i w konsekwencji zniszczeniem.

Niniejszy artykuł przedstawia teoretyczne podstawy technologii zgrzewania egzotermicznego oraz omawia praktyczne aspekty jej stosowania. Opisane w publikacji rozwiązania są dostępne w ofercie firmy fhuPARTNER.

Połączenia egzotermiczne w przemyśle

Połączenie egzotermiczne wykorzytywane jest w przemyśle od 1938 roku kiedy to Charles Cadwell przeprowadził pierwsze pomyślne tego procesu. Wynalazca wykorzystał reakcję chemiczną przy której wydziela się olbrzymia ilość energii, oraz dochodzi do stopienia opiłków metalu i wykonania plomby, w której umieszczone zostały produkty metalowe przeznaczone do połączenia.

Również w Polsce od lat sześciesiątych XX wieku prowadzone były próby wprowadzenia metody zgrzewu egzotermicznego do przemysłu. Jednakże z powodu braku powtarzanych jakościowo materiałów zgrzewających i niestabilości procesu chemicznego próby te skończyły się fiaskiem.

Połączenia egzotermiczne

Porównanie typowych połączeń mechanicznych i połączenia zgrzewem obrazuje poniższy rysunek (rys. 1) gdzie po prawej mamy pierwszy wymieniony typ połączenia, a po lewej znajduje się połączenie egzotermiczne.

Rys. 1 – Porównanie struktury połączenia mechanicznego (po prawej) oraz wykonanego w technologii zgrzewu egzotermicznego

Obecnie połączeń egzotermicznych używa się do łączenia wszelkich rodzajów stali, w tym również pokrytych warstwami miedzi oraz cynku ogniowego, miedzi i jej stopów (mosiądzów i brązów) – bez potrzeby zastanawiania się nad możliwością mieszania materiałów. Na świecie stosowanych jest kilka metod zgrzewania. Zależą one od miejsca zgrzewania (np. materiały lite na uziemienia lub rurociągi gazowe w tym pracujące pod ciśnieniem w czasie ich pracy czy też do pracy w pomieszczeniach zamkniętych), przeznaczenia do określonych rozwiązań, albo natężenia prac (rozwiązania wielozadaniowe lub jednokrotnego użytku). Podział tych metod zależy od użytej klasyfikacji, która jednak nie jest istotoą tego artykułu. W zakresie prac elektrycznych potrzebny jest zgrzew egzotermiczny pozwalający połączyć przewodniki na stanowiskach w gruncie lub nieco ponad nim, w maksymalnie bezpieczny i komfortowy sposób zapewniając pewne połączenie montowanej instalacji.

Zgrzewanie a spawanie

Technologia zgrzewania egzotermicznego różni się od metody spawania. Przy spawaniu następuje mieszanie cząstek materiału metalicznego dodanego do spoinym a w przypadku zgrzewania następuje styk cząsteczek w sposób molekularny.

Technologia zgrzewu

Rys. 2 – Zestaw Cadweld Multi firmy Erico do wykonywania zgrzewów egzotermicznych

Do wykonania zgrzewu egzotermicznego potrzebna jest forma grafitowa, inicjator procesu (w zależności od przyjętej wersji pistolet krzemionkowy lub inicjator elektroniczny), szczotki do czyszczenia połączenia, zgarniaki żużlu do czyszczenia formy, mały palnik gazowy do podgrzania i osuszenia formy oraz środki ochrony osobistej – rękawice i okulary. W przypadku zestawów Cadweld firmy Erico wszystkie te produkty mieszczą się w jednym pojemniku, stanowiącym warsztat pracy instalatora (rys. 2). Elementem dodatkowym nezbędnym do wykonania zgrzewu jest materiał zgrzewający gdzie jeden pojemniczek używany jest na jedno połączenie. Metoda Cadweld Plus (z zintegrowanym zasobnikiem materiału zgrzewającego – nabojem oraz wykorzystująca inicjator elektroniczny dający większą swobodę – możliwość oddalenia się od zainicjowanego procesu zgrzewania) przewiduje cztery kolejne kroki przy łączeniu przykładowych linek miedzianych (rys. 3).

Rys. 3 – Cztery etapy wykonania zgrzewu egzotermicznego metodą Cadweld Plus

  • Krok pierwszy – osadzenie przewodników w formie i włożenie zasobnika z materiałem zgrzewającym.
  • Krok drugi – podłączenie inicjatora do zasobnika zgrzewającego i zamknięcie formy (kokili grafitowej).
  • Krok trzeci – odpalenie procesu.
  • Krok czwarty – otwarcie formy i jej wyczyszczenie, sprawdzenie wizualne jakości połączenia.

Zgrzewanie egzotermiczne bardzo dobrze sprawdza się przy wykonywaniu rozległych uziomów przy stacjach energetycznych, siłowniach wiatrowych, wieżach telekomunikacyjnych, na polach ogniw fotowoltaicznych, przy podłączaniu studiów audio, hal fabrycznych czy budynków inteligentnych nasyconych elektroniką. W miejscach, w których wymagane jest uziemienia wysokiej klasy, pewne w działaniu i o wysokiej trwałości.

Rys. 4 – Bednarka miedziana łącząca kolejne odcinki – zgrzew na formie Cadweld Multi, grzybek zgaru jeszcze nie usunięty (aby go usunąć wystarczy uderzyć młotkiem – jak przy spawie)

Koszty

Złącze egzotermiczne jest wykonane z miedzi z dodatkiem aluminium i krzemu (brąz aluminiowo-krzemowy). Sam metal w zależności od wielkości łączonych przewodników może ważyć od 45 do 500 g i kosztuje odpowiednio od kilku do ponad 20 euro. Koszt eksploatacji formy i pośrednio również uchwytów, dodatkowo podwyższa tą kwotę o 1- 2 euro na połączenie. W rezultacie koszt jednostkowy połączenia jest nawet dziesięciokrotnie wyższy od zwykłych – najtańszych – połączeń krzyżowych ocynkowanych typu bednarka-bednarka. Ale już w przypadku łączenia elementami miedzianymi różnica ta topnieje do 2-3-krotności złącza krzyżowego miedzianego klasy „najtańszy produkt w tej kategorii”. Jednak pod względem pewności połączeń w długim okresie eksploatacji, przy jednoczesnym braku potrzeby ich inspekcji – znanym jako poszukiwanie „braku styku” – można przyjąć, że zgrzewy egzotermiczne są rozwiązaniem korzystniejszym.

Rys. 5 – Bednarka ze stali nierdzewnej łączona z drutem miedzianym – zgrzew na formie Cadweld Multi, grzybek zgaru jeszcze nie usunięty

Praktyka

Aby wykonać zgrzew egzotermiczny, dobrze jest pracować w zespole dwuosobowym – choć technologicznie praca jest przeznaczona dla jednego pracownika. Ma to swoje uzasadnienie. Proces zgrzewania jest stosunkowo prosty, ale wymaga zdolności manualnych i umiejętności racjonalnego myślenia.
Wraz z formą każdorazowo dostarczana jest instrukcja obrazkowa wykonania połączenia. Istotne jest to że każdy typ formy i połączenia ma swoją specyfikę co wymusza inny sposób podejścia to wykonania połączenia. Instalator nie ma wyboru miejsca prac – czasem jest to posadzka betonowa hali czasem rów ze zbrojeniem z ograniczonym polem poruszania się wypełniony woda i błotem. Druga osoba zespołu pełni funkcję tzw. „trzeciej ręki” w zespole. Przykładem niech będzie sytuacja gdzie trzymając gorącą formę grafitową trzeba w niekomfortowych warunkach zacisnąć ją na rozjeżdżających się mechanicznie przewodnikach, które dzięki „trzeciej ręce” będą podparte lub przytrzymane. Ponieważ też pracuje się czynnikami wywołujacymi duże zmiany temperatury w niezwykle krótkim czasie druga para oczu wydaje się w wielu wypadkach niezbedna do kontroli, oceny i zachowania naelżytego bezpieczeństwa monterów, jak i postronnych osób.

Dodać należy że proces przebiega niezwykle szybko – czas reakcji po naciśnięciu startu ok. 2-5 sekund, po których roztopiony metal znajduje się już w formie. W trakcie kolejnych 30 sekund metal w formie krzepnie. Temperatura w formie osiąga niecałe 2000°C i w trakcie procesu przenikające przez formę ciepło rozgrzewa ją do temperatury kilkuset stopni (200-300°C). Dotknięcie formy nieosłonietą ręką skutkuje pewnym poparzeniem.

Niebezpieczne jest także umieszczanie mokrych przewodników w formie lub korzystanie z zimnej formy. Zimna forma zawiera wystarczająco dużo wilgoci by spowodować wyprysk ciekłego metalu. Równocześnie pęcherzyki pary wodnej mogą przedostać się do roztopionego spoiwa, co zwiększa objętość metalu wływającego do komory przewodników i może spowodować zatkanie otwóru spustowego. Może to utrudnić i wydłużyć pracę instalatorów.

Rys. 6 – Bednarka pomiedziowana łączona z uziomem miedziowanym – forma Cadweld Multi

Wykonanie połączenia

W praktyce procedura wykonania zgrzewu. z uwzględnieniem aspketów bezpieczęństwa i odpowiedniego przygotowania wygląda następująco:

  1. Oczyszczenie przewodników z substancji niemetalicznych i produktów korozji. Oczyszczenie szlifierką kątową jest uzasadnione w przypadku pokrycia przewodnika stalowego silną korozją. W pozostałych wypadkach wystarczy szczotka druciana. Przewodniki powinne być też suche, z podów, które opisano wcześniej.
  2. Sprawdzenie czy forma jest czysta, otwór spustowy drożny. Jeśli forma jest w tym dniu używana pierwszy raz, należy ją bezwzględnie wysuszyć płomieniem gazowym. Jeśli pracuje w trybie ciągłym – co najmniej drugi strzał w ciagu ostatnich 30 minut – nie trzeba jej ogrzewać. Grafit dobrze magazynuje ciepło i znosi udar cieplny.
  3. Oczyszczone, suche łączone przewodniki należy wprowadzić do formy. Jeśli można skorzystać z narzędzi dodatkowych, typu uchwyty bednarek prowadzących je pod oczekiwanym kątem czy podpory formy na uziomie pionowym – należy to zrobić. Stabilne ustawienie formy i nienaprężne łączenie przewodników daje gwarancję dobrego połączenia.
  4. Dla procesu Cadweld (bez zasobnika) należy umieścić metalowy dysk w komorze zasypowej formy i wsypać materiał zgrzewający do komory a materiał inicjujący wydrapać z dna pojemniczka. Dla procesu Cadweld Plus włożyć zasobnik zintegrowany do komory zasypowej i podpiąć inicjator elektroniczny. Zamknąć formę.
  5. Konieczne jest upewnienie się o bezpieczęństwie osób wykonujących zgrzew, jak i podstronnych. Trzeba uprzedzić osoby postronne o rozpoczynającym się procesie oraz założyć okulary. Odsuwając się na bezpieczną odległość (zyznaczoną kablem inicjatora) można zainicjujować proces egzotermiczny. Po nim należy odczekać min 30 sekund.
  6. Kolejnym krokiem jest otwarcie formy, jej czyszczenie i wzrokowe sprawdzenie poprawności wykonania zgrzewu.

Minimlany czas jaki można przyjąć na wykonanie pojedynczego zgrzewu to trzy minuty. W praktyce jednak, uwzględniajac konieczność przemieszczania się zespołu montażowego i niekonfortowe lokalizacje, udaje się wykonać około pięciu połączeń w ciągu godziny.

Rys. 7 – Bednarka miedziana połączona z marką słupa żelbetowego – forma dedykowana dla tego typu rozwiązania

Dla przykładu, na rysunkach 4-6 przedstawiono zdjęcia z wykonanych połączeń na formie Cadweld Multi – przeznaczonej do wielu różnych typów połączeń. Forma ta jest dedykowana dla instalatorów uziemień jako forma narzędzie podstawowe. Jej największą cechą jest uniwersalność, jedyną wadą – potrzeba używania przekładek z materiału ogniotrwałego o konsystencji filcu, co zapobiega wypływaniu metalu na boki. Aczkolwiek wada ta jest też mocną stroną tej formy. Z drugiej strony materiał pozwala kształtować przyszłą formę zgzrewu i dostsować go do kształtu i wielkości przewodników.

autor: mgr inż. Janusz Budniok jest właścicielem firmy FHU PARTNER Janusz Budniok specjalizującej się w systemach uziemiających i odgromowych. Jest członkiem Polskigo Komitetu Ochrony Odgromowej przy SEP oraz Stowarzyszenia Inżynierów Techników Pożarnictwa, należy również doRegionalnej Izby Gospodarczej w Katowicach.