جوشکاری ترمیت (Thermite Welding)، یک فرآیند جوشکاری حالت مذاب بوده که بوسیله آن دو قطعه فلزی عموما توسط یک واکنش آلومینوترمیک که حرارت بسیار بالایی تولید می کند، بهم جوش داده می شوند.

مقاله جوشکاری 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.

تاریخچه فرایند جوشکاری ترمیت:
یکصد و بیست سال پیش ۱۸۹۸ 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 ۱۹۲۰ در جوش ریل تراموا در آمریکا بکار گرفته شد البته در بعضی منابع بکارگیری زودتر این روش در آلمان اشاره شده است. در سال ۱۹۳۳ از جوش ترمیت برای گسترش ریلهای طویل استفاده شد و استفاده از این جوش در مصارف الکتریکی از سال ۱۹۳۸ آغاز شده است.پیشرفتهای این روش در طی جوشکاری ریلها در بخش بعدی آورده شده است.

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:

Fe۲O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + 760KJ at 2450°c
۱Kg (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 ˚۲۸۰۰- c ˚۲۴۰۰ می باشد. مطالعات انجام شده روی مکانیسم واکنش آلومینیوم با اکسید آهن، نشان داده است که این واکنش در دو مرحله یکی در دمایc ˚۹۶۰ و دیگری در دمایc ˚۱۰۶۰ انجام می شود. در دمای c ˚۹۶۰ محصولات واکنش Fe2O3 و Al2O3 می باشد که بصورت زیر نوشته می شود:
۹Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 6 Fe2O3 + 6FeO

درمرحله بعدی که دردمایc ˚۱۰۶۰ انجام میشود، Fe،FeAl2O4 و Al2O3 بصورت زیر بوجود می آید:
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + ۲Fe
۳Fe2O3 + 2Al = 5FeO + FeAl2O4

دو مرحله واکنش از نتایج آزمایشات DTA استنیاط می شود که در شکل ۱ 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 ۱۹۰۶ 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.

شکل 1: 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 ۱۹۲۰ میلادی، اصلاحات زیادی در رابطه با فرایند جوشکاری ترمیت انجام شد و بعنوان نمونه دو سر ریل قبل از ریختن مذاب تا دمایc ˚ ۹۰۰ 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 ۱۹۳۸ از گاز پروپان برای پیشگرم کردن استفاده شد و در سال ۱۹۳۹ 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:
۳Fe3O4 + ۸Al = 9Fe + 4Al2O3 + ۳۰۱۰ KJ/mol (۳۰۹۰)
Fe2O3 + ۲Al = 2Fe + Al2O3 + ۷۵۹ KJ/mol (۲۹۶۰)
FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3 + ۷۸۳ KJ/mol (۲۵۰۰)

With Copper:
۳Cu2O + 2Al = 6Cu + Al2O3 + ۱۰۸۹ KJ/mol (۳۱۴۰)
۳CuO + 2Al = 3Cu + Al2O3 + ۱۱۵۲ KJ/mol (۴۸۶۵)

With Nickel:
۳NiO + 2Al = 3Ni + Al2O3 + ۸۶۴ KJ/mol (۳۱۷۰)

With Chromium:
Cr2O3 + ۲Al = 2Cr + Al2O3 + ۲۲۸۷ KJ/mol (۲۹۷۵)

With Manganese:
۳MnO + 2Al = 3Mn + Al2O3 + ۱۶۸۶ KJ/mol (۲۴۲۵)
۳MnO2 + ۲Al = 3Mn + 2Al2O3 + ۴۲۵۶ KJ/mol (۴۹۹۰)

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 ۴۰۰۰۰۰ بند جوش ترمیت در احداث خطوط جدید و نگهداری خطوط قدیمی ایجاد می شود.در راه آهن ایران نیز که دارای ۶۷۵۲ کیلومتر خط آهن می باشد تاکنون ۵۵۰۰ کیلومتر از خطوط جوشکاری طویل شده است.

کنترل دما در جوش ترمیت:
گرمای آزاد شده برای واکنش اکسید آهن در حالت ایده آل دما را تا ۳۰۸۸ درجه سانتیگراد میرساند.
تلفات در اثرتشعشع و هدایت دما را تا ۲۷۰۰ درجه سانتیگراد کاهش می دهدامابا توجه به اینکه
دمای جوش آلومینیوم ۲۵۰۰ 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.

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
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.
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.
تعمیر شفتهای ملخ هواپیما و پروانه کشتی وrodder frame و بعضی assemble دیگر کشتی سازی
گاهی در ریخته گری نیز برای اضافه کردن عناصر استفاده می شود
جوشAl-Al یا Al-Cu به کمک تشکیل آلیاژهای قلع
اتصال قسمت های مختلف قطعات ریختگی که اندازه آنها مانع ریختگی یک تکه است.
برای جایگذاری دندانه های شکسته شده چرخ دنده های بزرگ
اتصال قطعات فورج و برشکاری شده با شعله به همدیگر برای ساخت قطعات عظیم
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)

مزایای جوش ترمیت :

سرعت سرد شدن کم (حجم بالای مذاب فوق گرم و قالب ماسه ای) ومدل انتقال حرارت صفحه ای که موجب کاهش اعوجاج می شود.
power supply پرهزینه ای ندارد.
انجام جوش در سایت به راحتی امکان پذیر است.
assembly قطعات بزرگ ودراز با این روش به سادگی انجام پذیر است.
قابلیت حمل آسان تجهیزات
تغییرپذیری و انعطاف روش
در جوش درز ریل باعث کاهش شدید هزینه نگهداری می شود.
امکان ساخت ریل های طویل
جوش مس به فولاد ونیز جوش چدنها

فهرست مطالب

تعریف جوش ترمیت (ASTM) 4
تاریخچه فرایند جوشکاری ترمیت ۴
فرایند جوشکاری ترمیت ۴
کنترل دما در جوش ترمیت ۷
روشهای مختلف جوشکاری ترمیت ۸
جوشکاری ترمیت فشاری ۸
لحیم کاری ترمیتی ۹
جوشکاری ترمیت ذوبی ۹
مدل انتقال حرارت در جوشکاری ترمیتی ۱۱
متالورژی جوش ترمیت ۱۳
نحوه انجام فرایند جوش ترمیت ۱۷
عملیات مقدماتی ۱۷
علمیات ریخته گری ۱۸
عملیات پایانی ۲۱
کاربرد های جوش ترمیت ۲۳
مزایای جوش ترمیت ۲۵
مزایای جوشکاری ریلهای آهن به یکدیگروساختن ریلهای طویل ۲۶
معایب ومحدودیتهای جوش ترمیت ۲۷
وسایل و تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری ترمیت ۲۷
بوته ۲۸
تهگلدان ۲۸
قالبها و مدلهای ریخته گری ۲۹
فشفشه ۳۰
مشعل پیش گرم سازی ۳۰
دستگاه برش هیدرولیک ۳۱
دستگاه سنگ زنی ۳۲
انبار کردن پورد ترمیت ۳۲
منابع و مراجع ۳۴

منابع و مراجع:

ASM Handbook, volume 6, Welding,Brazing and Soldering
R.S. Parmar, Welding Processes and Technology, Indian Institute of Technology
Richard L.Little, Welding And Welding Technology, CentralArizonaCollege
Dr. O.P.Khanna, Welding Technology
G.A.Offereins and P.J.Mutton, Recent Experience With Performance of Aluminothermic Rail Welds Under High axle Loads, international rail track conference,2001
Michael.Morlock, Metod and System for Welding Railroad Rails, United States Patent
Michael E.Ashton, Aluminothermic Welding of Austenitic Manganese Steel, United States Patent
گزارش فنی تولید پودر ترمیت در داخل کشور، آرشیو مرکز تحقیقات راه آهن جمهوری اسلامی ایران
گزارش علل شکست جوش ترمیت، آرشیو مرکز تحقیقات راه آهن جمهوری اسلامی ایران
دستورالعمل جوشکاری درز ریل( طبق فیش UIC ) ، آرشیو مرکز تحقیقات راه آهن جمهوری اسلامی ایران