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.