دانلود تحقیق جوش ترمیت

تعریف جوش ترمیت (ASTM):

نوعی جوش ذوبی می باشد که در آن اتصال دو فلز به همدیگر بعد از گرم شدن بوسیله فلزی با دمای بالا که واکنشی آلومینوترمیک راپشت سر گذاشته انجام می شود وفلز مایع که از واکنش اکسید فلز وAl بدست آمده است بعنوان فلز پر کننده عمل می کند.این پروسه جزء پروسه­هایThermochemical Welding  می باشدو در گروه Minor Welding Process که دارای استفاده های خاص وموردی می باشند قرار می گیرد.

2-تاریخچه فرایند جوشکاری ترمیت:

یکصد و بیست سال پیش 1898 پروفسور دکتر هانس گلداشمیت در شهر اسن آلمان موفق به استخراج فلزات سخت از اکسید آنها بر پایه واکنش احیای اکسید توسط یک احیا کننده 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 جوشکاری ترمیت:

اکسیدهایی که توسط آلومینیوم احیا می شوند واکنش احیا به واکنش آلومینوترمی معروف بوده و این واکنش اساس فرایند جوشکاری ترمیت می باشد.

واکنش آلومینوترمیک 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 واکنش بین اکسید آهن و آلومینیوم رخ داده و در نهایت مذاب آهن و اکسید آلومینیوم

تولید می شود.

دمای واکنشc  ˚ 2800 - c  ˚ 2400 می باشد.

مطالعات انجام شده روی مکانیسم واکنش آلومینیوم با اکسید آهن، نشان داده است که این واکنش در دو مرحله یکی در دمایc  ˚960 و دیگری در دمایc ˚1060 انجام می شود.

در دمای c  ˚960 محصولات واکنش Fe2O3  و Al2O3 می باشد که بصورت زیر نوشته می شود:

9Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 6 Fe2O3 + 6FeO

درمرحله بعدی که دردمایc ˚1060 انجام میشود، Fe،FeAl2O4 و Al2O3 بصورت زیر بوجود می آید:

Fe2O3 + 2Al = Al2O3  + 2Fe

3Fe2O3 + 2Al = 5FeO + FeAl2O4

دو مرحله واکنش از نتایج آزمایشات DTA استنیاط می شود که در شکل 1 ارائه شده است.

عمده ترین کاربرد فرایند ترمیت در جوشکاری ریلهاست که در سراسر جهان برای جوشکاری ریل و ایجاد خطوط مداوم استفاده می شود بطوریکه این فرایند از سال 1906 میلادی برای اتصال ریلها برای ایجاد خطوط طویل و یا تعمیرات آنها استفاده می شده است.

در ابتدا از واکنش ترمیت فقط برای گرم کردن دو سر ریل استفاده می شد و آن را به دمای مناسب برای تغییر شکل گرم می رساند.

شکل1: نتایج آزمایشات DTA  

و سپس با اعمال فشار اتصال ناقصی ایجاد می شد.

بدین ترتیب که مذاب حاصل از واکنش ترمیت داخل قالبی که در دو سر ریل نصب شده ریخته می شد و دو سر ریل را گرم می کرد.

در سال 1920 میلادی، اصلاحات زیادی در رابطه با فرایند جوشکاری ترمیت انجام شد و بعنوان نمونه دو سر ریل قبل از ریختن مذاب تا دمایc ˚ 900 با مخلوط هوا و بنزین گرم می شد.

از دیگر کاربردهای جوشکاری ترمیت می توان به اتصالات فولاد به مس، مس به مس، تعمیر عیوب قطعات ریختگی سنگین، جوشکاری آرماتورهای مورد استفاده در سازه ها و اتصال کنداکتورهای با پایه مس اشاره کرد.

در سال 1938 از گاز پروپان برای پیشگرم کردن استفاده شد و در سال 1939 به این گاز اکسیژن نیز اضافه شد.

در همان سال جوشکاری پرسی جای خود را به فرایند جوشکاری ترمیت که 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 ترکیبی اکسیژن با Al و فاصله زیاد اکسید آن باسایر اکسیدهای بالا دردیاگرام الینگهام اساس واکنشهای 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 ، ترمودینامیک و جوشکاری

 می باشد.

فرایند جوشکاری ترمیت که ذکر مختصری از تاریخچه و نحوه اتصال آن مرور شد بطور وسیعی در اتصال ریلها در کشورهای مختلف از جمله آمریکای شمالی استفاده می شود.

در این کشور سالانه حدود 400000 بند جوش ترمیت در احداث خطوط جدید و نگهداری خطوط قدیمی ایجاد می شود.در راه آهن ایران نیز که دارای 6752 کیلومتر خط آهن می باشد تاکنون 5500 کیلومتر از خطوط جوشکاری طویل شده است.

4-کنترل 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 کاهش 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 کنترل می شود.

مواد افزودنی علاوه بر کنترل دما به منظورسرباره سازی، کنترل سیالیت، ریز دانه کردن، افزایش مقاومت به سایش و قابلیت ماشین کاری، افزایش مواد پرکننده استفاده می شوند.بطور کلی در کنترل خواص جوش کنترل 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 کاری جوش ترمیت فولادها 2480-2100 درجه سانتیگراد می باشد.

5- روشهای مختلف جوشکاری ترمیت:

جوشکاری ترمیت دارای روشهای گوناگونی می باشد که شامل جوشکاری ذوبی، فشاری و لحیم کاری است که بطور خلاصه توضیح داده می شود.

1-5- جوشکاری ترمیت فشاری:

 در جوشکاری ترمیت فشاری از حرارت ایجاد شده توسط واکنش آلومینوترمیک جهت پیش گرم کردن قطعاتی که می باید جوشکاری شوند استفاده میگردد وسپس توسط عملیات فورجینگ قطعات را به یکدیگر جوش می دهند.

قطعات مورد جوشکاری می باید در یک راستا قرار گرفته و کاملا تمیز شده باشند.

سپس آنها را به طور محکم درمحل خود مستقر می‌نمایند.

بعد از این مرحله محل اتصال بطور کامل توسط ماسه یا سرامیک قالبگیری می‌شود.

بعد از قالبگیری از یک ترکیب پودر ترمیت که سرباره ای با نقطه ذوب بالا ایجاد می‌نماید استفاده می‌شود، بدین ترتیب که واکنش آلومینوترمیک در یک بوته مجزا از سیستم قالبگیری صورت می‌پذیرد و بعد از اینکه واکنش گرمازای آلومینوترمیک خاتمه پیدا نمود، سرباره را از قسمت بالای بوته به داخل محفظه قالب می‌ریزند شکل 2 که سریعا در اطراف محل جوش منجمد می‌گردد.

بنابر این یک لایه محافظ توسط سرباره در اطراف منطقه جوش تشکیل می شود که سبب می‌شود وقتی فلز مذاب وارد محفظه قالب میگردد هیچونه تماسی بین فلز مذاب و فلز مبنا بوجود نیاید.

گرمای واکنش باعث افزایش درجه حرارت منطقه جوش یا درجه حرارت فورجینگ می‌شود.

در این هنگام دو قطعه را با نیروی لازم به یکدیگر فشار می دهند تا اتصال کامل شود.جوشکاری فشاری کاربردزیادی دارد ولی این روش بدلیل پیشرفت تکنولوژیکی جوشکاری ترمیت ذوبی و عدم یکنواختی جوش حاصله در سطح مقطع و نیز عدم یکنواختی جوشها نسبت به همدیگر و هزینه بالای آن،

 محدود گردیده است.

2-5- لحیم کاری ترمیتی:

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

شکل 2: اصول فرایند جوشکاری فشاری آلومینوترمیک

3-5- جوشکاری ترمیت ذوبی:

 جوشکاری ترمیت ذوبی کاربرد وسیعی پیدا کرده است و در آن فلز فوق گداز نه تنها برای تولیدحرارت بلکه بعنوان ابزار متالورژیکی برای اتصال دو قطعه مورد استفاده قرار میگیرد.

بدین ترتیب که وقتی دو قطعه در یک امتداد و بایک فاصله مناسب از یکدیگر قرار گرفتند قالبی که از تکه های مختلف ساخته شده ویا به شکل مقطع مورد نظر قبلا تهیه گردید است دور قطعاتی که می‌باید جوشکاری شوند بسته می‌شود.

بسته به پروسه جوشکاری و سطح مقطع محل جوش، انتهای قطعات می تواند پیش گرم شده تا شرایط مناسب جهت عمل اتصال کامل بین فلز مبنا و فلز حاصل از واکنش آلومینوترمیک را ایجاد نماید.

با توجه باینکه عملیات جوشکاری ترمیت شبیه فرآیند ریخته گری می باشد بنابر این برای دستیابی به یک 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.

درجوشکاری ترمیت ذوبی از حرارت حاصله از واکنش شیمیایی گرمازای احیاء اکسید فلز (مانند Fe3o4) توسط یک ماده احیاء کننده (مانند Al) ،به منظور ذوب لبه‌های اتصال قطعات کار، و از محصول واکنش، به منظور تأمین مذاب مورد نیاز در درز اتصال، بهره گرفته می‌شود.

در این فرآیند به منظور تامین  انرژی اکتیواسیون برای شروع واکنش و به منظور پیش گرم کردن مخلوط ترمیتی، از یک خرج انفجار( فشفشه)، استفاده می شود.

سرعت انجام واکنش شیمیایی فوق زیاد است و لذا فاصله زمانی بین شعله‌ور شدن مخلوط پودر و تکمیل واکنش احیاء، خیلی کم خواهد بود.پودر ترمیت حاوی دو جزء اصلی،اکسید فلز و پودر فلزی احیاء کننده، و مقداری عناصر آلیاژی می‌باشد و بر مبنای جنس قطعات مورد اتصال و ویژگی‌های اتصال، انواع مختلف از پودر ترمیت، در دسترس می‌باشد.

واکنش ترمیتی در درون یک بوته (گلدان) از جنس مواد نسوز منیزیتی یا آلومینایی صورت می گیرد و جداره خارجی بوته، توسط یک روکش فلزی، تقویت شده است.

ته بوته سوراخ می‌باشد ومجرای سوراخ  ،در طی انجام واکنش فوق، توسط پین مسدود می‌باشد.

پس از انجام واکنش و حصول مذاب، پین خارج می گردد و مذاب با دبی متناسب با قطر سوراخ، به طرف درز اتصال هدات می‌گردد.

حدود 73 درصد وزنی پودر ترمیت را اکسید آهن و آهن خالص تشکیل می دهد و بقیه پودر ترمیت، شامل پودر Al و عناصر آلیاژی افزودنی به گرده جوش می‌باشد، پودر Al، دارای خلوص 8/99 درصد و اکسید آهن عمدتاً از نوع مگنتیت می‌باشد و ترجیح داده می شود که از پوسته‌های نوردی استفاده شود.

در قبل از انجام  واکنش، قطعات کار پیش گرم می شوند و دمای پیش گرمی بسته به نوع روش بکار گرفته شده، فرق داشته و در حدود می باشد.

6- مدل انتقال حرارت در جوشکاری ترمیتی

همانطور که در مطالب قبل به آن اشاره شد ،جوشکاری ترمیتی یک نوع فرآیند جوشکاری است که در آن از حرارت حاصل از واکنشهای شیمیایی حرارت‌زا، به منظور اتصال فلزات و آلیاژها به یکدیگر، استفاده می‌شود.

در فرآیند جوشکاری ترمیتی بخاطر زیاد بودن سرعت واکنش ،فاصله زمانی بین شعله‌ور شدن مخلوط پودر و تکمیل واکنش احیاء، خیلی کم خواهد بود.

در مدل ارائه شده در مورد جوشکاری ترمیتی فرض می‌شود که شکاف جوش به پهنای ، بصورت آنی در لحظه 0  = t توسط فلز مذاب به دمای اولیه ، پر شود و فرض می‌شود که دمای فلز در خارج از منطقه ذوب ، باشد، هرگاه از حرارت تلف شده به اطراف چشم‌پوشی شود می‌توان چنین در نظر گرفت که هدایت بصورت یک بعدی است و منبع حرارتی متمرکز نبوده بلکه در طول  تا گسترده شده است.

این نوع منبع حرارتی را می‌توان متشکل از یک سری منابع حرارتی جزئی، که هریک حاوی یک جزء حرارتی  می‌باشند، دانست.

حرارت هریک از این اجزاء  برابر است با:

در زمان t ،هریک از این اجزاء حرارتی، باعث افزایش دمای نقطه‌ای به موقعیت  به میزان می‌گردند که مقدار آن به صورت زیر بدست می‌آید:

هرگاه  تعریف شود (یعنی ) در این صورت اگر در رابطه فوق، به جای  برحسب du جایگزین گردد و در محدوده  تا  از معادله دیفرانسیل فوق، انتگرال‌گیری شود توزیع دمایی، بصورت زیر حاصل می‌گردد:

در رابطه فوق ، تابع خطای گوسی می‌باشد.

به خاطر طبیعت پیچیده معادله ، می‌توان با تعریف پارامترهای بدون بعد زیر، معادله اخیر را بصورت ساده و بدون بعد نمایش داد:

دمای بدون بعد

زمان بدون بعد

مولفه  xبدون بعد  

با جایگزین کردن پارامتر بدون بعد فوق ،در معادله رابطه زیر بدست خواهد آمد:

معادله بالا به ازاء مقادیر مختلف ، بصورت عددی حل شده است و نتایج حاصله بصورت گرافیکی وجود دارد، همانطور که انتظار می‌رود ،همگی نقاط واقع در ناحیه ذوب شده  ،بصورت هماهنگ سرد می‌شوند در حالیکه نقاط واقع در خارج از ناحیه ذوب ،در قبل از سرد شدن ابتدا به یک دمای بیشینه می‌رسند و سپس سرد می‌گردند موقعیت زمانی دمای بیشینه نقاط واقع در HAZ با مشتق‌گیری  برحسب ، بدست خواهد آمد:

بنابراین عبارت زیر بدست می‌آید:

چگونگی توزیع دمای بیشینه‌،‌ از حل معادله بالابه ازای مقادیر مختلف  و  و جایگزین کردن ریشه‌های معادله اخیر در معادله بدست خواهد آمد

با توجه به مدل انتقال حرارت صفحه ای اعوجاج قطعات جوش داده شده بوسیله جوش ترمیت زیاد نمی باشد.

7- متالورژی جوش ترمیت: ساختار متالورژیکی به ترکیب شیمیایی و سرعت سرد شدن بستگی دارد.حال عواملی که این دو پارامتر را در جوش ترمیت کنترل می کنند بررسی می شود.

کنترل مقدار Al در پودر ترمیت از عوامل مهم کنترل ساختار می باشد.

باقی ماندن مقدار کمی از آن در مذاب باعث جوانه زنی سریع وریز دانگی وبیشتر از مقدار بهینه باعث تردی میشود.

دیگر عناصرآلیاژی در جوش ترمیت نیز اثراتی مانند فرایندهای ریخته گری وعملیات حرارتی دارند مثلا می توان با ایجاد شرایطی خاص باعث شد در فلز جوش مقداری Al2O3 برای افزایش مقاومت به سایش باقی بماند.

C,Mn,Si نیز در ترکیب وجود دارد واکسید می شوند.

بنابراین با کنترل دما وترکیب سرباره می توان این عناصر را حذف ویا کنترل کرد.

با تغییرات دما میل ترکیبی و اکتیویته این عناصر تغییر میکندو محاسبات ترکیب نهایی پیچیده تر می شود زیرا با کم شدن غلظت ومقدار فروآلیاژ اکتیویته همان عنصر وعناصر دیگر تغییر واکسیداسیون مشکلتر میشود.

در ترمیت معمولی خواص مکانیکی فلز جوش مانند فولادهای نرم می باشد که می توان خواص را باآلیاژسازی تقویت کرد.گاهی در فرایند ترمیت عملیات پسگرم برای ریزداگی و بهبود خواص فلز جوش انجام می شود.

با کنترلهای اعمالی گوناگون خواص مکانیکی جوش در حد مطلوب بدست می آید ولی کنترل HAZ در جوش ترمیت مشکل می باشد.

شرایط قالب، تعداد ومحل تغذیه ها، زمان باز کردن قالب و زمان بارریزی بر سرعت سرد شدن موثرند وبه همین دلیل از عوامل مهم کنترل ساختار می باشند.

سرعت سرد شدن بعلت حجم بالای مذاب وقالب ماسه ای کم است ودردسر ساز نیست ولی HAZ گسترده ای بدست می آید.در جوشکاری ریاها هدف ساختار پرلیتی (مقاوم به سایش) می باشد که درشتی پرلیت از مرکز به اطراف کم میشود.

این ساختار باید در جوش و HAZ ایجاد شود تا خواص قابل قبولی برای مقاومت به سایش و خستگی ریل بدست آید .

در جدول زیر ترکیب شیمیایی ریلهای معروف به همراه آنها اشان داده شده است.

جدول 1: ترکیب شیمیایی ریلهای معروف به همراه آنها با توجه به سرعت سرد شدن کم فلز جوش بعلت حجم بالای مذاب و ماسه ای بودن قالب در جوش ترمیت ریلها هیچگاه ساختار مارتنزیتی ایجاد نمی شود.

این امر با توجه به نمودار های TTT ترکیب های جدول بالا مشخص می باشد.

شکل 3: نمودار های TTT ترکیب های جدول 1 به همراه سرعتهای سرد شدن متداول شکل 4 : پروفیل سختی جوش درز ریل پرو فیل سختی جوش درز ریل در اکثر موارد مانند شکل 4 به مدار کمی کاهش سختی در HAZ نشان می دهد.

در جوشهای ذوبی ترمیت ماکروساختاری مشابه شکل 5 بدست می آید.

شکل 5: ماکرو ساختار جوش ترمیت درز ریل مشکلات متالورژیکی که ممکن است در جوش ترمیت ایجاد شود در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: مشکلات متالورژیکی ممکن در جوش ترمیت عوامل ایجاد تخلخل که از مشکلات عمده جوش ترمیت می باشد در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول 3: عوامل ایجاد تخلخل درجوش ترمیت 8- نحوه انجام فرایند جوش ترمیت: نحوه انجام این جوشکاری در کاربرد های مختلف اندکی متفاوت می باشد.

روش کلی انجام جوش ترمیت با تکیه بیشتر بر جوش درز ریل به صورت زیر می باشد که شامل سه مرحله اصلی می باشد.

عملیات مقدماتی عملیات ریخته گری عملیات پایانی 1-8- عملیات مقدماتی: برای انجام یک جوش با کیفیت مطلوب نیازمند به رعایت فاکتورهایی می باشیم که این فاکتورها در این مرحله عبارتند از تنظیم وتزار نمودن دو ریل، ایجاد درز جوش با فاصله مناسب و تمیز کاری محل اتصال.

برای این منظور ابتدا قیود قطعات ماننداتصالهای (پیچ یا فنرها) ریل به تراورس در جوش درز ریل را باز نموده و سر قطعات را بازرسی مینمایند (هیچگونه نقصی نظیر لهیدگی، شکستگی ویا سوراخ نباید مشاهده گردد).

سپس دو قطعه را تراز می کنند.

در جوش درز ریل این عمل با استفاده از یک خط کش بطول یک متری انجام می شود.

شکل 6 و 7 نحوه انجام این عملیات را نشان می دهد.

( در هنگام تراز نمودن افقی بدلیل وزن ریل وانقباض حاصل از انجماد بعد از جوشکاری، همانطور که در شکل مشخص است ، شیبی معادل 2 تا 4 درصد در نظر گرفته می شود) بعد از تراز نمودن دو ریل، باید فاصله درز اتصال تنظیم گردد.

این عمل خیلی مهم بوده و عدم دقت در تنظیم فاصله سبب پایین آمدن کیفیت جوش میگردد.این فاصله به بزرگی سطح وابسته است لذا برای این منظور از دستگاههای برشی مخصوص استفاده می نمایند (این فاصله درجوش درز ریل در حدود 22-18 میلی متر درنظر گرفته می شود).

گاهی لازم است تمیزکاری قطعات در محل جوش برای جوش سالم وجلوگیری از تولید عیوب و گاز، تا سفید شدن سطوح (شکل 8) انجام شود.

شکل 8: تمیزکاری قطعات در محل جوش 2-8- علمیات ریخته گری: بعد از انجام عملیات مقدماتی قالب باید نصب گردد.

در جوش ترمیت معمولا قالبهای پیش ساخته ویا قالبگیری بکمک موم کاربرد دارد.

برای نصب قلاب از فیکسچرهایی که جهت اینکار طراحی گردیده اند استفاده میشود.

بدین ترتیب که قالبهای مذکور را داخل این فیکسچرها قرار داده و بوسیله پیچهایی که روی آنها تعبیه گردیده است، قالبها را بدور درز اتصال محکم می نمایند(شکل 9).

شکل9: نصب قالب به کمک فیکسچر بعد از این مرحله جهت اینکه محلهای اتصال قالب به قطعه بطور کامل آب بندی گردد، بوسیله مخلوطی از سیلیس و بنتونیت بصورت مرطوب این محلها را بطور کامل می پوشانند (شکل 10) شکل10: آب بندی درزها جهت جلوگیری از ریزش مذاب شکل 11:مشعل پیشگرم مخصوص سپس برای عملیات پیشگرم از مشعلهای مخصوصی که جهت اینکار طراحی شده است ودارای شعله های نواری می باشد شکل 11 استفاده میگردد، بدین ترتیب که این مشعلها را معمولا بر روی پایه ای که بر روی فیکسچر مذکور وجود دارد قرارداده و روی درز اتصال تنظیم می نمایند وسپس مشعل را روشن می کنند.

پیشگرم برای خروج موم، خشک کردن قالب وکاهش تخلخل ورساندن قطعات به دمای مطلوب و جلوگیری از تبرید فلز و کاهش سرعت سرد شدن انجام می شود.

بعد از زمان 10 الی 15 دقیقه دمای دوسر قطعات فولادی به 900 تا 1000 درجه سانتیگراد (رنگ سر ریل در این حالت نارنجی مایل به زرد است) می رسد.

برای اینکه دمای دو سر ریل با دقت بیشتری اندازه گیری شود می توان از مواد مخصوصی که در دماهای معین تغییر رنگ می دهند استفاده کرد.

البته در بیشتر موارد سنجش دمای ریل بصورت تجربی میباشد.

هنگامیکه دمای ریل به حد مطلوب رسید بوته حاوی پودر ترمیت که از قبل آماده شده در محلی که بر روی فیکسچر به این منظور تعبیه شده است قرارگرفته وبا روشن کردن فشفشه وقرار دادن آن داخل پودر ترمیت واکنش آغاز میگردد.قبل از شارژ بوته لازم است بوته توسط مشعل خشک شود.

برای کامل شدن واکنش ترمیت زمانی در حدود 20 ثانیه لازم است که این زمان بطور تجربی رعایت می‌گردد.

(رعایت زمان مناسب الزامی است زیرا کم بودن زمان باعث باقی ماندن سرباره داخل مذاب گشته و زیاد بودن زمان سبب افت حرارتی مذاب می گردد).

سپس مشعل را از درز اتصال دور نموده و بوته در محل بار ریزی قرار داده می شود.

سوراخ ته بوته جهت ریختن مذاب باز می شود و مذاب از طریق حوضچه مذاب (قالب نعلی شکل) و راهگاه به داخل درز اتصال جاری می گردد.

مقدار اضافی مذاب در زباله دان چسبیده به بوته جمع آوری می‌شود که خود بعنوان یک عایق عمل می کند.

شکل12عملیات ریختن را بطور طرحواره ای نشان می دهد.

در شکل 13 تجهیزات مربوطه به همراه نحوه بارریزی که معمولا بصورت انحرافی و با حوضچه می باشد نشان داده شده است.

شکل 13: تجهیزات مربوطه به همراه نحوه بارریزی 3-8- عملیات پایانی: بعد از خاتمه عملیات مذاب ریزی باید مدتی جهت شکل گیری درز اتصال زمان داده شود.

سپس بنا به تشخیص متصدی، فیکسچرهای دور قالبها باز شده و بعد از آن توسط پتک، ماسه های قالب چسبیده به ریل را برداشته وتوسط یک دستگاه برش (در جوش درز ریل از مدل هیدرولیک استفاده می شود) زواید جوش موجود را قطع می نمایند.

شکل 14عملیات حذف اضافات جوش را توسط دستگاه برش هیدرولیک نشان می دهد.

در جوش درز ریل برای اینکه یک سطح صاف و صیقلی جهت عبور قطار مهیا گردید، درز اتصال را توسط دستگاه ریل ساب سنگ می زنند.

شکل 15 عملیات سنگ زنی جوش را در محل تاج ریل نشان می دهد.

برای بدست آوردن پروفیل مناسب ماشین کاری یا سنگ زنی انجام می شود که جزء مراحل زمانبر جوشکاری می باشد.

بعد از این مرحله نباید در سطح جوش هیچگونه خلل و فرجی مشاهده گردد.

نکته ای که در این قسمت حائز اهمیت است، سنگ زدن کف ریل می‌باشد زیرا یکی از دلایل شکست ریل خستگی می‌باشد.

لذا با سنگ زدن کف ریل میتوان عمر خستگی مقطع جوش داده شده را بالا برد.

بعد از این مرحله عملیات جوشکاری خاتمه یافته و یک بند جوش تکمیل گردیده است.

شکل 14: دستگاه برش هیدرولیک در حال حذف اضافات جوش شکل 15: عملیات سنگ زنی جوش در محل تاج ریل بندرت پس از اتمام جوشکاری تنش زدایی صورت میگیرد.

در جوش درز ریل بازدید چشمی و تست التراسونیک نیز انجام می شود.

9- کاربرد های جوش ترمیت: تعمیر ریلهای شکسته شده و قطعات ریختگی معیوب، ‏‏غلتکها و محور های قطور، قالبهای شمش ریزی با برش کف این قالبها و ساخت مجدد آن با جوش ترمیت جوش تعمیری بست کوپلینگهای ساییده شده(wobbler غلتک های نورد) برای جوش گردن (neck) غلتکهای نورد و چرخ دنده ها (گردن سر محور یا یاتاقانهای گرد غلتکها) جوش میل لنگ های شکسته شده بزرگ جوش سر به سر لوله ها جوشکاری فرم ماشین ها شکل 16: انجام تعمیرات اساسی بوسیله جوش ترمیت 7.

اتصال کابل ها برای رساناهای الکتریکی(مثلا اتصال کابل های حفاظت های ضد خوردگی، اتصال کابل ریل قطارهای برقی برای اتصال به زمین) این اتصالات معمولا در داخل قالب به کمک اکسید مس و آلومینیوم انجام می شود.

ازاین واکنش مس 98درصد بدست می آید که کاهش مقاومت حاصله با سطح بیشتر جبران می شود.

نسبت به اتصال مکانیکی هدایت الکتریکی و مقاومت به خوردگی بهتری بدست می آید چون اتصال متالوژیکی ایجاد می شود.

شکل 17: اتصال کابل ها برای رساناهای الکتریکی بکمک جوش ترمیت 8.

تعمیر تاج ریل که در آن، پس از حذف عیوب سطحی بکمک سنگ یا مشعل، جوش ترمیت باعث ایجاد تاج کامل از مواد تمیز می شود.

9.

تعمیر شفتهای ملخ هواپیما و پروانه کشتی وrodder frame و بعضی assemble دیگر کشتی سازی 10.

گاهی در ریخته گری نیز برای اضافه کردن عناصر استفاده می شود 11.

جوشAl-Al یا Al-Cu به کمک تشکیل آلیاژهای قلع 12.

اتصال قسمت های مختلف قطعات ریختگی که اندازه آنها مانع ریختگی یک تکه است.

13.

برای جایگذاری دندانه های شکسته شده چرخ دنده های بزرگ 14.

اتصال قطعات فورج و برشکاری شده با شعله به همدیگر برای ساخت قطعات عظیم 15.

جوشکاری انتهای میله های تقویت کننده در تمام حالات جوشکاری، مورد استفاده درسازه های بتن (از قالب های پیش ساخته و آب بندی به کمک آز بست و ماسه) شکل 18: جوشکاری انتهای میله های تقویت کننده مورد استفاده درسازه های بتن 10- مزایای جوش ترمیت: 1- سرعت سرد شدن کم (حجم بالای مذاب فوق گرم و قالب ماسه ای) ومدل انتقال حرارت صفحه ای که موجب کاهش اعوجاج می شود.

2- power supply پرهزینه ای ندارد.

3- انجام جوش در سایت به راحتی امکان پذیر است.

4- assembly قطعات بزرگ ودراز با این روش به سادگی انجام پذیر است.

5- قابلیت حمل آسان تجهیزات 6- تغییرپذیری و انعطاف روش 7- در جوش درز ریل باعث کاهش شدید هزینه نگهداری می شود.

8- امکان ساخت ریل های طویل 9- جوش مس به فولاد ونیز جوش چدنها 11- مزایای جوشکاری ریلهای آهن به یکدیگروساختن ریلهای طویل: یکی از روشهای اتصال ریل های آهن به یکدیگر استفاده از فرایند جوشکاری ترمیتی است.

این کاربرد جوش ترمیت متداولترین نوع آن می باشد.

حذف شکافهای موجود بین ریلهای آهن و جوشکاری آنها به یکدیگر، مزیتهای زیر را به دنبال دارد که تمامی آنها با استفاده از جوش ترمیت ممکن شده است: 1- کاهش مصرف سوخت ناشی از حذف شکافهای اتصال.

2- افزایش رفاه مسافرین ناشی از حذف سر و صدای حاصله در حین عبور چرخهای قطار از روی درزهای اتصال.

3- حذف نیروهای ضربه ای اعمال شده از طرف شکافهای اتصال به چرخهای قطار در حین عبور قطار از روی ریلهای آهن.

4- عدم کاهش تراکم زیر تراورس و عدم تخریب هندسه خطوط راه آهن ،ناشی از عدم ضربه وارده به چرخهای قطار، از طرف شکافهای اتصال.

5- افزایش عمر چرخها، ریلها، تراورس ها، و اتصالات مربوط ،در اثر حذف نیروهای ضربه ای وارده از طرف شکاف‌های اتصال به چرخ های قطار.

6- کاهش احتمال جدایش ریلهای آهن از یکدیگر ،توسط افراد فرصت طلب 12- معایب ومحدودیتهای جوش ترمیت: 1- هزینه بالای تمام کاری در بعضی کاربرد ها 2- این جوش فقط برای قطعات سنگین توجیه پذیر است و برای قطعات سبک غیر اقتصادی می باشد.

3- حساسیت بالا به رطوبت 4- در بعضی کاربردها نیاز به مهارت بالایی دارد.

این جوش در بعضی از کاربرد ها توسط روشهای ارزانتر و با قابلیت مکانیزه بیشتر مانند electroslag welding و flash butt welding جایگزین شده است.

13- وسایل و تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری ترمیت: وسایل وتجهیزات مورد استفاده در جوشکاری ترمیت ریل عبارتند از: بوته ریخته گری ترمیت قالبها و مدلهای ریخته گری فشفشه ها مشعل پیش گرم سازی دستگاه برش دستگاه سنگ زنی زباله دان فلزی بزرگ و کوچک گیره ریل گیر سیلندرهای استیلن و اکسیژن شیلنگهای مربوط به اکسیژن، بنزین و استیلن و … خط کش فلزی یک متری ترمومتر (حرارت سنج) پتک و چکش دستی 1-13- بوته: محفظه‌ای که در آن واکنش ترمیت انجام می‌پذیرد بوته نام دارد.

شمای کلی بوته در شکل 19نشان داده شده است.

همانطور که از شکل مشخص است بوته از پوسته فلزی خارجی تشکیل گردیده که یک محفظه دیرگداز بنام گلدان نسوز در داخل آن قرار می گیرد.

بدین ترتیب که با استفاده از مخلوط گل و ماسه نرم دیواره داخل پوسته فلزی را پوشش داده و گلدان نسوز را داخل آن قرار میدهند.

این عمل سبب می شود که گلدان نسوز بطور محکم در داخل پوسته فلزی نصب گردد.

پس از این مرحله گلدان را بوسیله یک حلقه چدنی که به پوسته فلزی پیچ میگردد از قسمت بالا مهار می نمایند.

بعد از طی مراحل فوق و قبل از استفاد از بوته داخل آنرا باید بوسیله مشعل بطور کامل خشک نمود.

شکل 19: نمای یک بوته ریخته گری ترمیت 2-13- تهگلدان: به لحاظ اینکه در جوشکاری ترمیت مذاب باید از انتهای بوته به داخل قالب سرازیر گردد (کف ریزی) لذا باید منفذی در کف بوته تعبیه گردد تا بعد از واکنش ترمیت، مذاب از این طریق خارج گردد.

لذا با استفاده از مدلهایی که به تهگلدان معروف می باشد این عمل انجام می پذیرد.

شمای کلی یک تهگلدان در شکل 20 نشان داده شده است.

همانطور که از شکل مشخص است تهگلدان به شکل استوانه ای سوراخ دار می‌باشد که در کف بوته جا زده می شود (شکل21).

باتوجه به اینکه استفاده از تهگلدان های مذکور نیاز به تجربه زیادی داشته وعدم دقت در استفاده از آنها سبب افت کیفیت جوش می شود، لذا تهگلدانهایی ابداع گردیده که بار ریزی بطور اتوماتیک انجام می‌پذیرد.

این عمل بدین ترتیب صورت میگیرد که مذاب حاصل از واکنش ترمیت با تهگلدان مذکور واکنش انجام داده و پس از مدتی پوشش دیرگداز تهگلدان را در خود حل می‌نماید و منفذ جهت خروج مذاب بازمیگردد.استفاده از این تهگلدان در راه آهن می تواند سبب بالا رفتن کیفیت جوشها گردد.

شکل 20: شمای کلی یک تهگلدان اتوماتیک شکل 21: گلدان نسوز ولوله های تهگلدان 3-13- قالبها و مدلهای ریخته گری: قالب یا مدل مورد استفاده در جوشکاری ترمیت شامل دو قسمت است یک قسمت شامل راهگاه و محفظه جوش است که بصورت جفت می باشد و دیگری بعنوان حوضچه مذاب ریزی عمل می نماید.

برای سهولـت کار در سایـت و افزایش راندمان معمولاً این قالبهـا در کارگاهــهای جداگانه ساخته شده و سپس به محل جوشکاری حمل می شوند.

شکل 22یک قالب مورد استفاده برای جوشکاری درز ریل را نشان می دهد.

جهت ساخت این قالبها در جوش درز ریل نیاز به مواد اولیه ای بشرح ذیل میباشد: 1- ماسه سیلیسی 2- اکسید آهن 3- پودر کائولن 4- سیلیکات سدیم (آب شیشه) شکل22: قالب مورد استفاده در جوشکاری ترمیت بهمراه سایر تجهیزات 4-13- فشفشه: جهت تامین انرژی اکتیواسیون واکنشهای ترمیت از واکنشهای گرمازای دیگر بین کلراتها و پراکسیدها بعنوان عوامل اکسید کننده وآلومینیم، منیزیم وسیلیسم بعنوان عوامل اکسید شونده استفاده می شود.

این مخلوط ها در حکم شروع کننده واکنشها هستند.

مواد فوق را بصورت مخلوط بر روی میله هایی با پایه آهن استفاده می نمایند که به فشفشه معروف می باشند.

فشفشه ها خودبخود در دمای 200 درجه سانتیگراد قابل اشتعال میباشند درحالیکه ترمیت در دمای 1200 درجه سانتیگراد مشتعل می شود.

با استفاده از فشفشه واکنش شروع شده و سپس حرارت زیادی ایجاد می شود، که گرمای لازم برای شروع واکنش پودرهای اطراف را تامین نموده و واکنش ترمیت بصورت زنجیره ای ادامه می یابد.

5-13- مشعل پیش گرم سازی: در جوش درز ریل از مخلوط هوا و بخار بنزین و مشعل های ویژه ای برای پیشگرم کردن دو سر ریل و قالب استفاده می شود.