جوشكاری ترمیت

تاریخچه فرایند جوشكاری ترمیت:

یكصد و بیست سال پیش 1898 پروفسور دكتر هانس گلداشمیت در شهر اسن آلمان موفق به استخراج فلزات سخت از اكسید آنها بر پایه واكنش احیای اكسید توسط یك احیا كننده مناسب شد.

این روش در سال 1920 در جوش ریل تراموا در آمریکا بکار گرفته شد البته در بعضی منابع بکارگیری زودتر این روش در آلمان اشاره شده است. در سال 1933 از جوش ترمیت برای گسترش ریلهای طویل استفاده شد و استفاده از این جوش در مصارف الکتریکی از سال 1938 آغاز شده است.پیشرفتهای این روش در طی جوشکاری ریلها در بخش بعدی آورده شده است.

3- فرایند جوشكاری ترمیت:

اكسیدهایی كه توسط آلومینیوم احیا می شوند واكنش احیا به واكنش آلومینوترمی معروف بوده و این واكنش اساس فرایند جوشكاری ترمیت می باشد. واكنش آلومینوترمیك مربوط به احیای آهن بصورت زیر نوشته می شود:

Fe­­₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe + 760KJ at 2450^°c

1Kg (thermite) = 524g(Fe) + 427g(Al₂O₃) + 181500 cal

در این فرایند واكنش بین اكسید آهن و آلومینیوم رخ داده و در نهایت مذاب آهن و اكسید آلومینیوم

تولید می شود. دمای واكنش^c  ˚ 2800 - ^c  ˚ 2400 می باشد. مطالعات انجام شده روی مكانیسم واكنش آلومینیوم با اكسید آهن، نشان داده است كه این واكنش در دو مرحله یكی در دمای^c  ˚960 و دیگری در دمای^c ˚1060 انجام می شود. در دمای ^c  ˚960 محصولات واكنش Fe₂O₃  و Al₂O₃ می باشد كه بصورت زیر نوشته می شود:

9Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 6 Fe₂O₃ + 6FeO

درمرحله بعدی كه دردمای^c ˚1060 انجام میشود، Fe،FeAl₂O₄ و Al₂O₃بصورت زیر بوجود می آید:

Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃  + 2Fe

3Fe₂O₃ + 2Al = 5FeO + FeAl₂O₄

دو مرحله واكنش از نتایج آزمایشات DTA استنیاط می شود كه در شكل 1 ارائه شده است. عمده ترین كاربرد فرایند ترمیت در جوشكاری ریلهاست كه در سراسر جهان برای جوشكاری ریل و ایجاد خطوط مداوم استفاده می شود بطوریكه این فرایند از سال 1906 میلادی برای اتصال ریلها برای ایجاد خطوط طویل و یا تعمیرات آنها استفاده می شده است. در ابتدا از واكنش ترمیت فقط برای گرم كردن دو سر ریل استفاده می شد و آن را به دمای مناسب برای تغییر شكل گرم می رساند.

شكل1: نتایج آزمایشات DTA

و سپس با اعمال فشار اتصال ناقصی ایجاد می شد. بدین ترتیب كه مذاب حاصل از واكنش ترمیت داخل قالبی كه در دو سر ریل نصب شده ریخته می شد و دو سر ریل را گرم می كرد. در سال 1920 میلادی، اصلاحات زیادی در رابطه با فرایند جوشكاری ترمیت انجام شد و بعنوان نمونه دو سر ریل قبل از ریختن مذاب تا دمای^c ˚ 900 با مخلوط هوا و بنزین گرم می شد. از دیگر كاربردهای جوشكاری ترمیت می توان به اتصالات فولاد به مس، مس به مس، تعمیر عیوب قطعات ریختگی سنگین، جوشكاری آرماتورهای مورد استفاده در سازه ها و اتصال كنداكتورهای با پایه مس اشاره كرد.

در سال 1938 از گاز پروپان برای پیشگرم كردن استفاده شد و در سال 1939 به این گاز اكسیژن نیز اضافه شد. در همان سال جوشكاری پرسی جای خود را به فرایند جوشكاری ترمیت كه امروزه استفاده می شود داد.

سایر واکنشهای آلومینوترمیکی به همراه گرمای آزادشده در آنها وماکزیمم دمای واکنش بصورت زیر می باشد:

With Iron:

3Fe3O4 + 8Al = 9Fe + 4Al2O3 + 3010 KJ/mol     (3090)

Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 + 759 KJ/mol     (2960)

FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3 + 783 KJ/mol     (2500)

With Copper:

3Cu2O + 2Al = 6Cu + Al2O3 + 1089 KJ/mol     (3140)

3CuO + 2Al = 3Cu + Al2O3 + 1152 KJ/mol     (4865)

With Nickel:

3NiO + 2Al = 3Ni + Al2O3 + 864 KJ/mol     (3170)

With Chromium:

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 + 2287 KJ/mol     (2975)

With Manganese:

3MnO + 2Al = 3Mn + Al2O3 + 1686 KJ/mol     (2425)

3MnO2 + 2Al = 3Mn + 2Al2O3 + 4256 KJ/mol     (4990)

میل تركیبی اكسیژن با Al و فاصله زیاد اکسید آن باسایر اکسیدهای بالا دردیاگرام الینگهام اساس واكنشهای بالا می باشد.این واکنشها غیر انفجاری و پیشرونده میباشند وازگرمای آنها می توان به روشهای گوناگون استفاده نمود. منظور از پیش رونده بودن واکنشها این است که با شروع واکنش در یک نقطه گرمای ایجاد شده، انرژی اکتیواسیون لازم برای ادامه واکنش را در سایر نقاط مهیا می کند.

 جوشکاری ترمیت شامل ملاحظات گوناگون سه شاخه مهم ریخته گری ، ترمودینامیك و جوشكاری

 می باشد.

فرایند جوشكاری ترمیت كه ذكر مختصری از تاریخچه و نحوه اتصال آن مرور شد بطور وسیعی در اتصال ریلها در كشورهای مختلف از جمله آمریكای شمالی استفاده می شود. در این كشور سالانه حدود 400000 بند جوش ترمیت در احداث خطوط جدید و نگهداری خطوط قدیمی ایجاد می شود.در راه آهن ایران نیز كه دارای 6752 كیلومتر خط آهن می باشد تاكنون 5500 كیلومتر از خطوط جوشكاری طویل شده است.

4-كنترل دما در جوش ترمیت:

گرمای آزاد شده برای واکنش اکسید آهن در حالت ایده آل دما را تا 3088 درجه سانتیگراد میرساند.

تلفات در اثرتشعشع و هدایت دما را تا 2700 درجه سانتیگراد كاهش می دهدامابا توجه به اینکه

دمای جوش آلومینیوم 2500 درجه سانتیگراد دما باید به کمتر از این مقادیر کاهش یابد. این عمل توسط مواد افزودنی به پودر ترمیت انجام می شودو دما تا حد مطلوب كنترل می شود.

مواد افزودنی علاوه بر کنترل دما به منظورسرباره سازی، كنترل سیالیت، ریز دانه كردن، افزایش مقاومت به سایش و قابلیت ماشین كاری، افزایش مواد پركننده استفاده می شوند.بطور كلی در كنترل خواص جوش كنترل عناصر آلیاژی بسیار بحرانی می باشد زیرا افزایش مواد افزودنی از حد مطلوب باعث

سرد شدن مذاب و عدم جدایش سرباره و کم بودن آن نیز باعث عدم کنترل دما وخواص می شود.

دمای انجماد سرباره 2040 درجه سانتیگراد می باشد ودما نباید از این مقدار کاهش یابد. بنابراین

محدوده كاری جوش ترمیت فولادها 2480-2100 درجه سانتیگراد می باشد.

5- روشهای مختلف جوشكاری ترمیت:

جوشكاری ترمیت دارای روشهای گوناگونی می باشد كه شامل جوشكاری ذوبی، فشاری و لحیم كاری است كه بطور خلاصه توضیح داده می شود.

1-5- جوشكاری ترمیت فشاری:

 در جوشكاری ترمیت فشاری از حرارت ایجاد شده توسط واكنش آلومینوترمیك جهت پیش گرم كردن قطعاتی كه می باید جوشكاری شوند استفاده میگردد وسپس توسط عملیات فورجینگ قطعات را به یكدیگر جوش می دهند. قطعات مورد جوشكاری می باید در یك راستا قرار گرفته و كاملا تمیز شده باشند. سپس آنها را به طور محكم درمحل خود مستقر می‌نمایند. بعد از این مرحله محل اتصال بطور كامل توسط ماسه یا سرامیك قالبگیری می‌شود. بعد از قالبگیری از یك تركیب پودر ترمیت كه سرباره ای با نقطه ذوب بالا ایجاد می‌نماید استفاده می‌شود، بدین ترتیب كه واكنش آلومینوترمیك در یك بوته مجزا از سیستم قالبگیری صورت می‌پذیرد و بعد از اینكه واكنش گرمازای آلومینوترمیك خاتمه پیدا نمود، سرباره را از قسمت بالای بوته به داخل محفظه قالب می‌ریزند شکل 2 كه سریعا در اطراف محل جوش منجمد می‌گردد. بنابر این یك لایه محافظ توسط سرباره در اطراف منطقه جوش تشكیل می شود كه سبب می‌شود وقتی فلز مذاب وارد محفظه قالب میگردد هیچونه تماسی بین فلز مذاب و فلز مبنا بوجود نیاید. گرمای واكنش باعث افزایش درجه حرارت منطقه جوش یا درجه حرارت فورجینگ می‌شود. در این هنگام دو قطعه را با نیروی لازم به یكدیگر فشار می دهند تا اتصال كامل شود.جوشكاری فشاری كاربردزیادی دارد ولی این روش بدلیل پیشرفت تكنولوژیكی جوشكاری ترمیت ذوبی و عدم یكنواختی جوش حاصله در سطح مقطع و نیز عدم یكنواختی جوشها نسبت به همدیگر و هزینه بالای آن،

 محدود گردیده است.

2-5- لحیم كاری ترمیتی:

 جدیدترین روش استفاده از ترمیت لیحم كاری است كه از واكنش ترمیت فقط برای تامین گرمای لازم جهت ذوب فلز لحیم استفاده می شود و سپس براثر خاصیت موینگی وارد درز جوش می گردد.

شكل 2: اصول فرایند جوشكاری فشاری آلومینوترمیك

3-5- جوشكاری ترمیت ذوبی:

 جوشكاری ترمیت ذوبی كاربرد وسیعی پیدا كرده است و در آن فلز فوق گداز نه تنها برای تولیدحرارت بلكه بعنوان ابزار متالورژیكی برای اتصال دو قطعه مورد استفاده قرار میگیرد. بدین ترتیب كه وقتی دو قطعه در یك امتداد و بایك فاصله مناسب از یكدیگر قرار گرفتند قالبی كه از تكه های مختلف ساخته شده ویا به شكل مقطع مورد نظر قبلا تهیه گردید است دور قطعاتی كه می‌باید جوشكاری شوند بسته می‌شود. بسته به پروسه جوشكاری و سطح مقطع محل جوش، انتهای قطعات می تواند پیش گرم شده تا شرایط مناسب جهت عمل اتصال كامل بین فلز مبنا و فلز حاصل از واكنش آلومینوترمیك را ایجاد نماید.

با توجه باینكه عملیات جوشكاری ترمیت شبیه فرآیند ریخته گری می باشد بنابر این برای دستیابی به یك جوش سالم باید دقت لازم در طراحی سیستم های راهگاهی و تغذیه، جهت جلوگیری از جریان مغشوش مواد مذاب بداخل قالب و همچنین برای جبران انقباض مواد در حین تبدیل به حالت جامد انجام گیرد. درجوشكاری ترمیت ذوبی از حرارت حاصله از واكنش شیمیایی گرمازای احیاء اكسید فلز (مانند Fe₃o₄) توسط یك ماده احیاء كننده (مانند Al) ،به منظور ذوب لبه‌های اتصال قطعات كار، و از محصول واكنش، به منظور تأمین مذاب مورد نیاز در درز اتصال، بهره گرفته می‌شود.