Thermit Welding: Bedienung, Setup und Varianten
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, erfahren Sie mehr über: - 1. Einführung in das Thermit-Schweißen 2. Funktionsprinzip des Thermit-Schweißens 3. Ausrüstung, Einrichtung und Betrieb 4. Varianten.
Einführung in das Thermit-Schweißen:
Es ist ein Prozess, bei dem eine Mischung aus Aluminiumpulver und einem Metalloxid, genannt Thermit, gezündet wird, um die erforderliche Menge an geschmolzenem Metall durch eine exotherme gewaltfreie Reaktion zu erzeugen. Das so erzeugte überhitzte Metall wird an der gewünschten Stelle gegossen, was beim Erstarren zu einer Schweißverbindung führt. Es handelt sich also um ein Guss-Schweißverfahren.
Dieses Verfahren wird seit 1895 zum Verbinden von Schienen vor Ort und zur Reparatur und Bergung schwerer Gussteile verwendet. Das Verfahren wird jedoch aufgrund seiner hohen Kosten und wegen der Entwicklung effizienter, hoch mechanisierter und kostengünstigerer Verfahren, wie etwa Flash-Stumpfschweißen und Elektroschlackenschweißen, langsam außer Betrieb gesetzt.
Funktionsprinzip des Thermit-Schweißens:
Die thermochemische Reaktion, die bei der Zündung von Thermit stattfindet, basiert auf der folgenden Grundgleichung:
Metalloxid + Al (Pulver) → Metall + Al-Oxid + Wärme …………. (15.1)
Diese Reaktion kann nur gestartet werden, wenn das Gemisch mit einem speziellen Zündpulver oder einem Zündstab gezündet wird. Die Zündtemperatur für thermisches Gemisch, das Eisenoxid enthält, beträgt etwa 1200 ° C.
Obwohl das beim Thermit-Schweißen verwendete Metalloxid üblicherweise Eisenoxid ist, können auch Oxide von Kupfer, Nickel, Chrom und Mangan verwendet werden, um die folgenden Reaktionen und die entsprechenden theoretischen Temperaturen zu erreichen.
(i) Mit Eisen:
(ii) mit Kupfer:
(iii) mit Nickel:
(iv) mit Chrom :
(v) mit Mangan :
Die erste dieser Reaktionen wird am häufigsten für das Thermoschweißen verwendet. Eine solche Mischung enthält üblicherweise 3 Gewichtsteile Eisenoxid und einen Teil Aluminiumpulver. Wenn es gezündet wird, erzeugt es eine theoretische Temperatur von 3090 ° C und ist ungeeignet, da Aluminium bei etwa 2500 ° C verdampft. Es ist daher unerlässlich, diese Temperatur durch Zugabe nicht reagierender Bestandteile wie Stahlschrott auf eine Arbeitsgrenze von etwa 2480 ° C zu senken.
Die Temperatur des geschmolzenen Metalls darf jedoch nicht unter etwa 2100 ° C gesenkt werden, da sich Al 2 O 3 bei etwa 2040 ° C verfestigt. Legierungselemente in Form von Ferrolegierungen können zu der thermischen Mischung zugegeben werden, um die gewünschte Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls zu erhalten.
Bei der Berechnung des Gewichts der thermitierten Mischung zum Schweißen wird jedoch nur das Gewicht des Eisenoxids und des Aluminiumpulvers berücksichtigt. Zusätze zur Einstellung der Zusammensetzung und der Temperatur werden bei der Berechnung des Wärmegemisches nicht berücksichtigt. So werden 50 kg Metalloxid- und Aluminiumpulvergemisch, zu denen 15 kg Metalle und Legierungen hinzugefügt wurden, als 50 kg Thermit bezeichnet.
Die Reaktion ist nicht explosiv und ist unabhängig von der Menge in weniger als zwei Minuten abgeschlossen.
Abgesehen von der hohen Reinheit des Thermit-Materials fördert die Anwesenheit von Aluminium die schnelle Keimbildung und die geringe Korngröße. Die maximale Aluminiummenge in Stahl ist jedoch auf etwa 0, 7% begrenzt.
Ausrüstung, Einrichtung und Betrieb des Thermit-Schweißens:
Beim thermischen Schweißen werden hauptsächlich Schienen vor Ort verbunden und Reparaturschweißen von schweren Bauteilen. Andere Verwendungen des Verfahrens umfassen das Schweißen von Verstärkungsstäben und das Verbinden von elektrischen Nichteisenleitern.
Die hier enthaltenen Geräte und Einstellungen sind speziell für diese Anwendungen bestimmt:
1. Schweißen von Schienen
Abb. 15.1 zeigt den Standardaufbau für das Zusammenfügen von Schienen vor Ort, um das Geräusch durch die schnelle Fortbewegung von Zügen zu reduzieren. In Kohlebergwerken wird die Förderstrecke häufig geschweißt, um das Verschütten von Kohle aufgrund von unebenen Strecken zu reduzieren. In ähnlicher Weise werden Kranschienen geschweißt, um die Wartung von Bauteilen und Vibrationen von Gebäuden zu minimieren, da stark belastete Räder über die Verbindungen laufen.
Thermitmischungen sind für das Schweißen aller Arten von Schienen verfügbar, die größtenteils aus C-Mn-Stählen bestehen, obwohl auch Cr-, Cr-Mo-, Cr-V- und Si-Legierungsstahlschienen verwendet werden. Für die Standardreaktion erzeugt eine Charge von 1000 g Thermit 476 g Schlacke, 524 g Stahl und 181500 Kalorien Wärme.
Das als Walzzunder erhaltene Eisenoxid wird Aluminiumpulver und anderen Bestandteilen zugesetzt, um die Reaktion sowie die endgültige Zusammensetzung des geschmolzenen Materials zu steuern.
Die Zusammensetzung des Metalls, das zum Verbinden von Schienen aufgebracht wird, ist normalerweise der folgenden Analyse zu entnehmen:
Die erforderliche Wärmemenge, die normalerweise in Stoffbeuteln verfügbar ist, wird in den Tiegel gegeben, der an einer der Schienen festgeklemmt ist, und kann durch Bewegung entlang eines Kreises in die gewünschte Position bewegt werden.
Die zu schweißende Verbindung ist in einer geteilten Tonform eingeschlossen, die zum Schweißen der Standardschienengrößen mit einem Wurzelspalt von 20-35 mm vorgefertigt ist. Die Form ist so ausgerichtet, dass ihre Mitte mit der Mitte des Spalts zwischen den Schienenenden übereinstimmt. Verschiedene Teile der Form werden mit vor Ort hergestellten Tonspachteln verklebt.
Die so hergestellte Form um die Verbindung herum hat Entlüftungsöffnungen, Steigrohre und Tore, wie in der üblichen Gießereipraxis beschrieben. zusätzlich ist, wie gezeigt, auch ein Vorheiztor vorhanden. Das Vorwärmen der Schienen erfolgt mit Hilfe eines speziell entwickelten Brenners, der entweder mit Kerosin oder Benzin in Verbindung mit Druckluft betrieben wird. Die Schienen werden normalerweise auf eine Temperatur von 600 bis 1000 ° C vorgewärmt, was normalerweise entweder von der Farbe der Schienen oder genauer mit Hilfe von Wärmestiften geprüft wird.
Sobald die gewünschte Vorwärmtemperatur erreicht ist, wird der Brenner zurückgezogen und das Vorheizloch wird mit einem Sandstopfen verschlossen. Der feuerfest ausgekleidete Tiegel, der die Wärmeladung enthält, wird in eine Position oberhalb der Form bewegt.
Die Ladung wird dann gezündet, indem ein erhitzter Eisenstab verwendet wird, oder günstiger durch Einbetten eines brennenden Feuerknackers (Phuljhari) in das Thermitgemisch. Manchmal werden Thermitmischungen gezündet, indem ein halber Teelöffel spezielles Zündpulver eingesetzt wird, das hauptsächlich aus Bariumperoxid besteht.
Wenn die Mischung mit einem heißen Stab gezündet wird, erreicht sie eine Temperatur von 1100 bis 1300 ° C, was ausreicht, um die Thermitmischung zu zünden. Bis kurz vor dem Zündzeitpunkt wird dem Thermit kein Zündpulver zugesetzt. Auf diese Weise gezündet, ist die exotherme Reaktion nicht heftig. Unabhängig von der Größe der Charge ist die Reaktion in 30 Sekunden bis 2 Minuten beendet. Aufgrund des erheblichen Unterschieds zwischen den spezifischen Gewichten der Metallschmelze und der Schlacke werden die beiden mit der auf der Oberseite schwimmenden Schlacke voneinander getrennt, wodurch die Metallschmelze vor den Reaktionen mit atmosphärischen Gasen geschützt wird.
Nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, erfolgt das Klopfen durch schnelles Anheben des Klopfstifts durch eine Flachstahlstange. Manchmal wird jedoch eine selbstschneidende Dichtung im Boden des Tiegels verwendet. In dieser Leichtigkeit schmilzt das nach dem Zünden der Ladung erhaltene geschmolzene Metall die Dichtung und strömt aus dem Boden des Tiegels in den Formanguss, um zu dem Spalt zwischen den zu fügenden Schienen zu fließen.
Die im Schmelztiegel über der Schmelze befindliche Schlacke fließt zuletzt und erreicht nicht den Formhohlraum und bleibt somit oben auf der Schweißnaht, wo sie erstarrt. Wenn sich das Metall verfestigt hat, wird die Form aufgebrochen und weggeworfen. Das überschüssige Metall in der Fuge wird durch Abrichten mit Hilfe von Druckluft- oder Handmeißeln entfernt, und die Fuge erhält die gewünschte Form, wenn sie noch heiß ist. Die Schweißnaht wird bei Bedarf durch Schleifen von Hand geglättet.
2. Casting-Reparaturen:
Das Reparaturschweißen von schweren Gussteilen ist ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für das Thermoschweißen. Da diese Anwendungen sich nicht wiederholen, können vorgefertigte Formen normalerweise nicht verwendet werden. Daher muss die Form für jede Schweißnaht so hergestellt werden, dass sie der Form der Komponenten entspricht.
Der erste wesentliche Schritt bei der Vorbereitung einer Verbindung zum thermischen Schweißen ist das gründliche Reinigen, üblicherweise mit einer Acetylen-Flamme, gefolgt von einem Abschrecken, um die Fremdstoffe vom Werkstück zu trennen. Ein Bereich von bis zu 15 cm auf beiden Seiten des zu schweißenden Bruchs muss gründlich gereinigt werden. Es verbleibt ein Spalt zwischen den zu schweißenden Teilen, der durch die empirische Beziehung von (7 A) 1/3 mm berechnet wird, wobei A die Oberfläche jedes zu schweißenden Bauteils ist.
Nachdem die Teile sorgfältig gereinigt und beabstandet sind, wird gelbes Wachs vorbereitet, um ein Muster herzustellen, um die Lücke zu füllen und der fertigen Schweißnaht eine genaue Form zu geben. Zur Herstellung dieses Musters wird erhitztes Wachs im plastischen Zustand verwendet. Eine Sandform wird dann um das Muster herum gebaut, indem ein geeigneter Formkasten zur Aufnahme des Formsands angeordnet wird.
Notwendige Holzmuster werden verwendet, um Gieß- und Heilungspforten und Riser an allen hohen Punkten der Verbindung bereitzustellen. Wenn zwei gleichgroße Stücke miteinander verschweißt werden, befindet sich der Heizkamm zentral auf dem Wachsmodell. Bei ungleichen Teilen Die zu verbindenden Heizpfosten werden auf den größeren Abschnitt gerichtet, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der beiden Teile zu gewährleisten.
Oben in der Form ist ein Hohlprofil zum Sammeln der Schlacke vorgesehen. Es muss darauf geachtet werden, den Sand gut zu rammen, um einen hohen Kontakt zwischen Formsand und Wachs zu gewährleisten. Der Formsand, der zur Herstellung der Form verwendet wird, muss eine hohe Feuerfestigkeit, eine hohe Permeabilität, eine ausreichende Scherfestigkeit aufweisen und sollte frei von Tonbestandteilen mit niedrigem Schmelzpunkt sein.
Das Vorwärmen erfolgt mit Hilfe eines speziell entwickelten Brenners, der bequem durch das Heiztor in die gewünschte Position gebracht werden kann. Der Zweck des Erwärmens im Anfangsstadium ist das Schmelzen des Wachsmusters, weshalb die Wärme allmählich angewendet wird. Sobald das Wachs aus der Form geflossen ist, wird die Wärme allmählich erhöht, um die zu schweißenden Flächen vorzuwärmen und die Form vollständig zu trocknen, um Porosität zu vermeiden. Das Vorheizen wird fortgesetzt, bis die zu schweißenden Teile auf eine Temperatur von 815 bis 980 ° C erhitzt sind.
Sobald das Vorheizen abgeschlossen ist, wird der Brenner zurückgezogen und das Heiztor mit einem mit Formsand hinterlegten Stahlstab blockiert.
Die in feuerfest ausgekleideten kegelförmigen Schmelztiegel angeordnete Mischung wird wie im Schienenschweißabschnitt beschrieben gezündet. Manchmal werden der Beschickung Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hinzugefügt, um die Menge an erzeugtem geschmolzenem Metall zu erhöhen.
Die für eine Verbindung erforderliche Menge an Wärmemischung kann unter Verwendung der folgenden Beziehung berechnet werden:
Q = M / 0, 5 + 0, 01 S ………. (15.2)
Woher:
Q = erforderliche Wärmemenge, kg
M = geschmolzenes Metall, das zum Füllen des Verbindungsspalts erforderlich ist, plus 10% Verluste, kg,
S = Prozentsatz der Stahlstanzungen, die in die Ladung aufgenommen werden sollen.
Für jedes Kilogramm Wachs im Muster sind ungefähr 25 kg Thermit erforderlich.
Die Mischung kann so gestaltet werden, dass spezifische Schweißgutablagerungen erzeugt werden.
Die übliche Analyse der zum Schweißen von Baustahl und Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt verwendeten Wärme ist:
C = 0, 20–0, 30%
Mn = 0, 5-0, 60%
Si = 0, 2-0, 50%
Al = 0, 07 - 0, 18%
Fe = Rest
Thermit kann auch für verschleißfeste Stähle und zum Schweißen von Kohlenstoffstählen ausgelegt werden. Die mechanischen Eigenschaften der normalerweise verwendeten Wärmequelle entsprechen ungefähr denen von Weichstahl. Zum Schweißen von Gusseisen kann Thermit durch Zugabe von Ferrosilicium geeignet hergestellt werden.
Das Gemisch kann durch eines der beiden zuvor beschriebenen Verfahren im Bereich des Schienenschweißens gezündet werden, indem Ausgangspulver verwendet wird, das mit einem Streichholz, einem Gasfeuerzeug oder einem heißen Eisenstab oder alternativ mit einem Zündmittel gezündet werden kann Feuer Cracker.
Das geschmolzene Metall wird nach Abklingen der Reaktion durch Schlagen des Schlagstifts mit einem scharfen Schlag nach oben abgestoßen. Das geschmolzene Metall fließt in die Form, um die Verbindung zu füllen.
Die Form wird normalerweise durch Brechen weggeworfen, und die Schweißnaht wird durch Entfernen der Tore und Steigrohre mit Hilfe eines Sauerstoff-Acetylen-Schneidbrenners abgerundet, gefolgt von einer Bearbeitung oder Schleifen. Wo immer möglich, wird die gesamte Schweißung geglüht, um sie zu entlasten.
Das Thermit-Schweißen wird hauptsächlich bei der Reparatur von großen Bauteilen verwendet, z. B. Rudergestelle, Propellerwellen, Stahlwalzwerksritzel, Wellen und Streben. Es wird auch für die Reparatur von Blockformen verwendet, indem der Boden der Form geschnitten und durch thermisches Metall vollständig umgebaut wird.
3. Schweißverstärkungsstäbe:
Zum Schweißen von Bewehrungsstäben wird eine Form aus zwei Hälften, die durch Schalenformung oder CO 2 -Verfahren vorgefertigt wird, so positioniert, dass sie die Enden der zu schweißenden Stäbe umschließt, wie in Abb. 15.2 gezeigt. Die Form wird dann mit Asbest und Sand geschält, um das Austreten von geschmolzenem Metall zu vermeiden.
Das Abstichloch im Tiegel wird vor dem Befüllen mit Thermomischung mit einer horizontalen Verschlussscheibe abgedeckt. Nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, schmilzt der Stahl durch die Verschlussscheibe, um die Lücke zwischen den Stangen zu füllen. Bewehrungsstäbe können durch dieses Verfahren in jeder Position geschweißt werden, und der Aufbau für das Schweißen solcher Stäbe in horizontaler Konfiguration ist in Abb. 15.3 dargestellt.
4. Schweißen von elektrischen Leitern :
Aluminothermisches Schweißen wird zum Verbinden von Kupferleitern oder Kabelseilen mit einem in Abb. 15.4 gezeigten Aufbau verwendet. (ein). Wenn die Mischung gezündet wird, ergibt sie nach den durch die Gleichungen (15.5) und (15.6) angegebenen Reaktionen etwa 98% reines Kupfer.
Die Reaktion ist in 1 bis 5 Sekunden abgeschlossen und das so hergestellte geschmolzene Kupfer wird mit Schlacke darüber überhitzt. Die Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls kann so geändert werden, dass es zu den zu verbindenden Metallen passt, indem eine geeignete Zugabe in Form von Pulver oder Stücken zu der Thermitmischung vorgenommen wird. Die fertiggestellte Schweißnaht ist in Abb. 15.4 dargestellt. (b).
Neben dem Verbinden elektrischer Leiter kann dieses Verfahren zum Verbinden von Kupferleitern mit Stahlschienen verwendet werden, um Masseanschlüsse bereitzustellen. Für eine solche Anwendung wird eine Graphitform an der Schiene im gewünschten Abschnitt gedämpft. Die Form kann nach Beendigung des Auftrags wiederverwendet werden, indem die Schlacke daraus entfernt wird.
Varianten des Thermit-Schweißverfahrens :
Abgesehen von den bereits beschriebenen Anwendungen wird das Thermo-Schweißen auch für die Montage von Teilen großer Strukturen, Schiffsbau, Herstellung großer Kurbelwellen und Propellerwellen verwendet, wobei eine Wärmeladung von bis zu 3000 kg verwendet wird. Trotz einiger eindeutiger Vorteile wird das Verfahren jedoch langsam außer Betrieb gesetzt und wird hauptsächlich durch Schnellstoßschweißen zum Verbinden von Schienen und Elektroschlackenschweißen für schwere Konstruktionen ersetzt.
Die einzige Variante des normalen Thermit-Schweißens ist das sogenannte Druck-Thermit-Schweißen.
Druck Thermit Schweißen:
Bei diesem Verfahren wird nur die durch die Thermitreaktion erzeugte Wärme dazu verwendet, die Enden der zu verbindenden Bauteile durch Festphasenschweißen zu erwärmen; Keiner der Restprodukte der Reaktion muss in die gemeinsame Schnittstelle eingebracht werden. Die Prozessprozedur ist daher so geplant, dass die Reaktionsprodukte vom Werkstück ferngehalten werden, ohne dass der thermische Wirkungsgrad zu stark beeinträchtigt wird.
Bei diesem Verfahren werden zwei gleichförmige Materiallängen mit gleichen Flächen an der Verbindungsgrenzfläche axial ausgerichtet; Ihre Enden werden durch die Produkte der Thermitreaktion auf die gewünschte Temperatur erhitzt und dann unter kontrolliertem Druck zu einer Festphasen-Stumpfschweißung zusammengeschoben. Abb. 15.5 zeigt ein Rohr, das durch Umschließen der Verbindung mit einer permanenten Form druckverschweißt wird, wodurch der überhitzte Stahl und die Schlacke in Kontakt um das Rohr fließen können, um als Schweißwärmequelle zu dienen.
Ein geeignet gestalteter Klemmmechanismus wird verwendet, um die Rohrenden nach dem Erwärmen zusammenzudrücken, um die Schweißung durchzuführen. Diese Anordnung der Erwärmung eignet sich jedoch nur für Werkstücke mit kleinen Querschnittsflächen. Die Flächen größerer Fugen können in einem kleinen Abstand voneinander angeordnet sein, wobei eine entfernbare Form um sie herum gehalten wird.
Der Raum zwischen den Flächen und dem Rest der Form wird mit Wärme gefüllt und die Reaktion wird eingeleitet. Die Reaktionsprodukte werden in Position gelassen, bis ausreichend Wärme auf die zu verbindenden Flächen übertragen wird. Die Form und die Reaktionsprodukte werden dann entfernt und die beiden Flächen werden zusammengedrückt, um eine Festkörperverschweißung zu erreichen.
Keines dieser Verfahren kann gleichbleibende Schweißnähte mit gleichbleibender Qualität erzeugen und wird daher selten verwendet. Nicht einmal für stark schweißbare Materialien wie Weichstahl. Auch die Kosten des Druckschweißens sind unerschwinglich und werden daher normalerweise vermieden.
