NAV 3-3-2.1 Soldadura aluminotérmica de carriles. Ejecución y recepción de soldaduras

El soldeo aluminotérmico de dos carriles se produce por fusión, vertiendo un metal de aportación líquido, de las mismas características que el acero base de los extremos a soldar, a alta temperatura, en el interior de un molde refractario que envuelve los extremos de los carriles (apartado 3). El metal de aportación se vierte una vez calentados los carriles para eliminar los restos de humedad existentes, y se funde por la reacción química de aluminio y óxido de hierro pulverizados que, mediante un proceso de ignición, reaccionan entre sí.

Al terminar la reacción, el hierro y la alúmina se encuentran en estado líquido, en forma de escoria o corindón. Sangrando el crisol por su piquera inferior, el acero líquido pasa a rellenar el molde y los huecos entre los carriles, depositándose primero el hierro y después la escoria. Efectuada la soldadura, se cortan las partes sobrantes de la mazarota y se rehace la cabeza del carril, de forma que su superficie de rodadura y su cara activa presenten continuidad en la interacción rueda-carril entre el material laminado y el de aportación.

Todos los materiales y útiles fungibles necesarios para ejecutar una soldadura aluminotérmica se suministran formando un conjunto o kit de soldadura (apartado 3). Estos kits deben estar envasados con una protección adecuada, las cargas de soldadura han de ir herméticamente cerradas y deben contar con el visto bueno de Adif. Quedan excluidos de estos conjuntos el elemento de ignición de la carga y los componentes auxiliares para el soldeo. Los crisoles de un solo uso y la pasta de sellado pueden suministrarse en el mismo conjunto que el kit o de forma individualizada a este.

La rebaba es la partícula plana de material de soldeo situada en la superficie del carril adyacente al cordón, debida a los intersticios existentes entre el molde y el carril. El defecto en el carril es la rotura, fisura o avería que se produce en el carril por defectos de fabricación, agresiones externas o de utilización, y que puede obligar a su retirada; para unificar los métodos de identificación, información, clasificación y estadística de estos defectos, todos ellos se recogen en el catálogo UIC de defectos de carriles.

La autoridad ferroviaria es el regulador ferroviario, el propietario de la infraestructura ferroviaria o el administrador responsable, por delegación, de dicha infraestructura; siempre que las normas UNE-EN 14730-1 o UNE-EN 14730-2 aludan a la Autoridad Ferroviaria, se entiende que se refieren al Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (apartado 3).

El suministrador es la persona jurídica responsable del suministro del producto ante Adif, ya sea fabricante o comercializador, que facilita un proceso de soldeo aluminotérmico cumpliendo los requisitos de la ET 03.360.155.0 de Soldadura aluminotérmica y que ha sido aceptada por la Autoridad Ferroviaria para suministrar las herramientas y consumibles necesarios. El contratista es la empresa que soporta las responsabilidades administrativa, económica y jurídica de la ejecución de la soldadura.

La mazarota es el depósito de metal fundido, resultante de la soldadura aluminotérmica, que conforma el exceso de metal que rebosa por encima del molde y que es necesario eliminar; su eliminación ayuda a perfilar la correcta terminación de la unión soldada (apartado 3).

El cortamazarota es el equipo de corte usado para eliminar la mazarota en el proceso de soldadura aluminotérmica para la unión de dos carriles.

El soldeo aluminotérmico de dos carriles se basa en la fusión de sus extremos por la acción de un metal de aportación, en estado líquido y a alta temperatura, que origina una masa homogénea también fundida (apartado 4.1). Los extremos de los carriles se encuentran envueltos por un molde refractario destinado a dar forma a esta masa hasta su solidificación.

El metal de aportación procede de un fenómeno fuertemente exotérmico, consistente en la reducción de un óxido de hierro por el aluminio. La mezcla de estos elementos pulverizados reacciona por ignición, proporcionando hierro libre y óxido de aluminio -alúmina o corindón-, ambos en estado líquido debido al calor desprendido durante el fenómeno. Al óxido de hierro y al aluminio que dan lugar a estas reacciones se añaden ciertas ferroaleaciones, constituyendo su conjunto la llamada carga aluminotérmica, que reacciona dando lugar a un acero de calidad y características semejantes a las de aquel que integra los carriles a soldar.

La cantidad de calor generado depende del óxido de hierro utilizado, que reacciona con el aluminio según tres fórmulas (apartado 4.1): 3/2 FeO + Al = 3/2 Fe + 1/2 Al2O3 + 440,5 kJ (105,23 kcal); 1/2 Fe2O3 + Al = Fe + 1/2 Al2O3 + 426,2 kJ (101,81 kcal); y 3/8 Fe3O4 + Al = 9/8 Fe + 1/2 Al2O3 + 418,3 kJ (99,92 kcal).

La carga aluminotérmica se hace reaccionar por ignición dentro de un crisol, donde se retiene el acero fundido, originado a una temperatura de unos 2.000°C. Tras algunos segundos desde el fin de la reacción y de la ebullición correspondiente, se verifica la decantación del óxido de aluminio (corindón), que se separa del acero subiendo hasta su superficie debido a que su masa específica es notablemente inferior a la de este: 3,97 g/cm³ el óxido de aluminio frente a 7,80 g/cm³ el acero. La sangría del crisol, por una piquera de fondo, hace llegar el acero fundido al molde que envuelve los extremos de los carriles y provoca su fusión, generando la mezcla que, una vez solidificada y fría, asegura la unión de los carriles.

La distancia mínima a considerar entre dos soldaduras aluminotérmicas, entre dos soldaduras eléctricas, entre una soldadura aluminotérmica y una eléctrica, o entre una soldadura aluminotérmica o eléctrica y el extremo de carril, viene determinada en las normas NAV 3-4-3.0 Montaje de vía en balasto para obra nueva, NAV 7-1-3.4 Montaje de aparatos de vía sobre balasto y NAV 7-1-3.7 Montaje de vía. Consideraciones generales en actuaciones de mantenimiento, renovación y acondicionamiento (apartado 4.2.1).

En casos excepcionales de reutilización de materiales de segundo uso, y previa petición a la Dirección Técnica de Adif por los responsables de la obra, se podrá autorizar con carácter excepcional que estas longitudes sean alteradas.

Antes de provocar la reacción de la carga aluminotérmica en el crisol es preciso realizar un precalentamiento de los extremos de los carriles a soldar, que puede llevarse a cabo mediante diferentes métodos (apartado 4.2.2). Adif utiliza exclusivamente el soldeo con precalentamiento corto, denominado PC. Esta modalidad se lleva a cabo durante un tiempo fijado por el fabricante de la soldadura, sin que sea necesario vigilar la temperatura alcanzada por los carriles.

La amplitud de la distancia entre los extremos de carril a soldar debe ser la que proporcione la cala definida por cada fabricante. No se admite el procedimiento denominado cala ancha, salvo casos excepcionales y siempre con el visto bueno de la Dirección Técnica de Adif.

El equipo de soldeo aluminotérmico debe estar constituido por un mínimo de dos operarios: el soldador habilitado y su ayudante habitual; para los trabajos en vía que requieran movimiento de carriles, el número de operarios será el que se precise para llevarlos a cabo correctamente (apartado 4.2.3.1). Solo pueden efectuar operaciones de soldeo aluminotérmico para instalaciones de Adif los operarios que estén en posesión del permiso de soldadura otorgado por Adif según la NAV 3-3-2.2, siempre que dicho permiso no esté caducado o haya sido revocado temporal o definitivamente.

Adif hace recaer la responsabilidad de la calidad de la soldadura en el soldador, por lo que se le considera Jefe del Equipo; es recomendable que su ayudante no sea rotativo y que, preferiblemente, esté también autorizado, aunque sea en el nivel básico, habilitación clase A, conforme a la NAV 3-3-2.2 Juntas de carriles. Homologación de soldadores aluminotérmicos. El responsable de la obra puede inhabilitar el permiso de soldadura cuando la actuación del equipo o la calidad de los trabajos sean deficientes a su juicio, requiriendo al contratista otros operarios y dando cuenta a Adif de la decisión adoptada.

Las empresas encargadas de realizar soldaduras para Adif deben recepcionar los conjuntos de elementos para cada trabajo según sus manuales de calidad, y solicitar a Adif la recepción de los correspondientes lotes conforme a la ET 03.360.155.0 de Soldadura Aluminotérmica antes de su puesta en obra, aportando los certificados de todos los controles de vigilancia de cada lote (apartado 4.2.3.2). Los moldes, cargas y útiles empleados son específicos de cada fabricante y suministrador, no son intercambiables entre sí y tampoco son compatibles los equipos de precalentamiento de distintos suministradores.

El kit de soldadura debe contener: una bolsa de plástico herméticamente cerrada con la carga aluminotérmica en forma de mezcla granular, que también puede suministrarse en el interior del crisol de un solo uso; los moldes de material refractario, de tamaño estándar o reducido -este último para desvíos con dos hilos muy juntos que no permiten instalar el estándar-; el crisol de un solo uso, en envase independiente con las coberturas necesarias para limitar proyecciones; la pasta de sellado moldeable para rejuntar los semimoldes entre sí y evitar fugas de material fundido; y el encendedor automático autorizado por Adif. Si se usan bengalas de encendido, deben suministrarse obligatoriamente separadas del kit y no almacenarse nunca cerca de la carga aluminotérmica.

La ejecución de soldaduras aluminotérmicas puede iniciarse cuando la Dirección de Obra haya dado el visto bueno al Estado Previo de Recepción, considerando una diferencia a cota de cabeza de carril definitiva de, al menos, -21 mm (apartado 4.3.1). El tramo de vía debe cumplir las siguientes tolerancias: nivelación longitudinal, variaciones de 5 mm cada 5 m; alineación, con flechado medido con cuerda de 20 m cada 5 m, variaciones de 2 mm cada 5 m en recta y de 3 mm cada 5 m en curva. En vía sobre balasto debe haberse aportado, al menos, el 80% del hombro de balasto definitivo.

Respecto a las condiciones atmosféricas, se recomienda ejecutar las soldaduras con una temperatura ambiente entre +5°C y +30°C, intervalo que puede ampliarse desde los 0°C si fuera preciso (apartado 4.3.2). No deben realizarse soldaduras con lluvia, nieve, niebla densa, viento fuerte ni cuando el frío pueda helar los moldes; con lluvia solo se admite en caso de necesidad absoluta y con las protecciones necesarias, protegiendo la soldadura del agua y la nieve y verificando que no hay agua en el terreno bajo la cala. Antes de la colada debe secarse y protegerse de la humedad el molde, el crisol y la cubeta de recogida de escoria; durante la reacción y después de la colada debe impedirse el contacto de los productos fundidos con el agua, la nieve o cualquier elemento húmedo, y la cubeta de escoria solo puede retirarse tras su completa solidificación. Las soldaduras deben realizarse a una temperatura media del carril comprendida entre 0°C y +45°C.

La soldadura aluminotérmica se utiliza para unir carriles nuevos, regenerados o usados, del mismo tipo de perfil y con igual grado de acero (apartado 4.3.3). De forma excepcional pueden soldarse carriles de diferente grado de acero, debiendo emplearse la carga correspondiente al acero de menor grado de ambos, según lo establecido en la UNE-EN 13674-1: el grado R260 tiene una dureza de 260 a 300 HBW, es un acero no aleado (C-Mn) sin tratamiento térmico, y el grado R350HT tiene una dureza de 350 a 390 HBW, no aleado (C-Mn) con tratamiento térmico.

Queda prohibido soldar los carriles usados que se consideren inútiles según la NAV 7-1-3.9 Reutilización del material ferroviario de vía procedente de desinstalaciones. Antes de iniciar los trabajos de corte y soldeo deben determinarse las clases de acero mediante las correspondientes marcas de laminación de los carriles. Respecto a la secuencia de las soldaduras, cuando las barras que han de formar la vía sean inferiores a 54 m o el radio de curvatura sea inferior a 300 m, las soldaduras deben hacerse alternativamente en cada hilo.

Las soldaduras en la vía sin juntas se realizan conforme a la NAV 7-1-4.1 Neutralización y homogeneización de tensiones del carril en la vía sin juntas, en cuyo anejo 1 se encuentra el mapa de temperaturas de neutralización de la red ferroviaria de Adif (apartado 4.3.4).

Las operaciones de soldeo aluminotérmico en vía deben iniciarse y terminarse en un solo intervalo de corte de circulación (apartado 4.3.5). A efectos de petición de intervalos de trabajo, se puede considerar, a modo de referencia, que el tiempo aproximado para la ejecución y enfriamiento de la soldadura es de 1 hora y 20 minutos, debiendo garantizarse que la temperatura del carril sea inferior a 300°C para reanudar las circulaciones. En casos excepcionales se podría autorizar el paso de trenes en un lapso de tiempo inferior, implantando limitaciones temporales de velocidad (LTV) reguladas conforme a los procedimientos vigentes en Adif, y sin haber realizado sobre la soldadura el esmerilado de terminación, para no dañar su geometría.

• El soldeo aluminotérmico funde los extremos del carril mediante un metal de aportación vertido en un molde refractario que los envuelve (apartado 3)
• El kit de soldadura excluye el elemento de ignición y los componentes auxiliares; el crisol de un solo uso y la pasta de sellado pueden suministrarse aparte (apartado 3)
• El catálogo UIC de defectos de carriles unifica la identificación, información, clasificación y estadística de los defectos (apartado 3)
• La carga aluminotérmica reacciona por ignición dentro del crisol, generando acero a una temperatura de unos 2.000°C (apartado 4.1)
• Densidad del óxido de aluminio o corindón: 3,97 g/cm³; densidad del acero: 7,80 g/cm³ (apartado 4.1)
• Las tres reacciones de la carga aluminotérmica liberan entre 418,3 kJ (99,92 kcal) y 440,5 kJ (105,23 kcal), según el óxido de hierro empleado (apartado 4.1)
• Adif utiliza exclusivamente el precalentamiento corto (PC); no se admite la cala ancha salvo excepción autorizada por la Dirección Técnica (apartado 4.2.2)
• El equipo de soldeo debe tener un mínimo de dos operarios: el soldador habilitado, considerado Jefe del Equipo, y su ayudante (apartado 4.2.3.1)
• Tolerancias antes de soldar: nivelación 5 mm cada 5 m; alineación 2 mm cada 5 m en recta y 3 mm cada 5 m en curva; al menos el 80% del hombro de balasto definitivo (apartado 4.3.1)
• Temperatura ambiente recomendada para soldar: entre +5°C y +30°C, ampliable desde 0°C; temperatura media del carril entre 0°C y +45°C (apartado 4.3.2)
• Grados de acero según UNE-EN 13674-1: R260, dureza 260 a 300 HBW, sin tratamiento térmico; R350HT, dureza 350 a 390 HBW, con tratamiento térmico (apartado 4.3.3)
• Con barras inferiores a 54 m o radio de curvatura inferior a 300 m, las soldaduras se hacen alternativamente en cada hilo (apartado 4.3.3)
• El tiempo aproximado de ejecución y enfriamiento de una soldadura es de 1 hora y 20 minutos, y la temperatura del carril debe bajar de 300°C para reanudar la circulación (apartado 4.3.5)