Thermit Welding: bediening, setup en varianten

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Inleiding tot thermisch lassen 2. Werkingsprincipe van thermisch lassen 3. Materiaal, opstelling en bediening 4. Varianten.

Introductie tot Thermit Welding:

Het is een proces waarbij een mengsel van aluminiumpoeder en een metaaloxide, genaamd Thermit, wordt ontstoken om de vereiste hoeveelheid gesmolten metaal te produceren door een exotherme niet-gewelddadige reactie. Het aldus geproduceerde oververhitte metaal wordt op de gewenste plaats gegoten, die bij stollen resulteert in een lasverbinding. Het is dus een casting cum lasproces.

Dit proces is sinds 1895 in gebruik voor het verbinden van rails ter plaatse en voor het repareren en bergen van zware gietstukken. Het proces is echter langzaam uit gebruik vanwege de hoge kosten en vanwege de ontwikkeling van efficiëntere, sterk gemechaniseerde en minder kostbare processen zoals flash-buttlassen en elektroslaklassen.

Werkingsprincipe van Thermit Welding:

De thermochemische reactie die plaatsvindt bij het ontsteken van thermit is gebaseerd op de volgende basisvergelijking:

Metaaloxide + Al (poeder) → Metaal + Al oxide + hitte ............. (15, 1)

Deze reactie kan alleen worden gestart als het mengsel wordt ontstoken met een speciaal ontstekingspoeder of een ontstekingsstaaf. De ontbrandingstemperatuur voor een thermitemengsel dat ijzeroxide bevat, is ongeveer 1200 ° C.

Hoewel het bij thermisch lassen gebruikte metaaloxide gewoonlijk ijzeroxide is, kunnen echter ook oxiden van koper, nikkel, chroom en mangaan worden gebruikt om de volgende reacties te geven en de overeenkomstige theoretische temperaturen te bereiken.

(i) Met ijzer:

(ii) Met koper:

(iii) Met nikkel:

(iv) Met Chromium :

(v) Met Manganese :

De eerste van deze reacties wordt meestal gebruikt voor thermit lassen. Een dergelijk mengsel bevat gewoonlijk 3 gewichtsdelen ijzeroxide en een deel aluminiumpoeder. Bij ontsteking produceert het een theoretische temperatuur van 3090 ° C en is ongeschikt omdat aluminium verdampt bij ongeveer 2500 ° C. Het is daarom noodzakelijk om deze temperatuur te verlagen tot een werkingslimiet van ongeveer 2480 ° C door de toevoeging van niet-reagerende bestanddelen zoals staalschroot.

De temperatuur van het gesmolten metaal mag echter niet lager worden dan ongeveer 2100 ° C wanneer A1203 stolt bij ongeveer 2040 ° C. Legeringselementen in de vorm van ferro-legeringen kunnen aan het thermitemengsel worden toegevoegd om de gewenste samenstelling van het gesmolten metaal te verkrijgen.

Bij het berekenen van het gewicht van het thermitemengsel voor het lassen, wordt alleen het gewicht van ijzeroxide en het aluminiumpoeder in aanmerking genomen. Aanvullingen gemaakt voor het aanpassen van samenstelling en temperatuur zijn niet inbegrepen in de berekening van het thermitmengsel. Aldus wordt 50 kg metaaloxide en aluminiumpoedermengsel waaraan 15 kg metalen en legeringen zijn toegevoegd aangeduid als 50 kg thermiet.

De reactie is niet-explosief en wordt voltooid in minder dan twee minuten, ongeacht de hoeveelheid.

Afgezien van de hoge zuiverheid van het thermitmateriaal, bevordert de aanwezigheid van aluminium sterk een snelle nucleatie en een kleine korrelgrootte; de maximale hoeveelheid aluminium in staal is echter beperkt tot ongeveer 0, 7%

Uitrusting, opstelling en bediening van thermisch lassen:

Het belangrijkste gebruik van thermit-lassen is voor het verbinden van rails op locatie en het reparatielassen van zware componenten. Andere toepassingen van het proces zijn het lassen van wapeningsstaven en het verbinden van non-ferro-elektrische geleiders.

De apparatuur en setups die hier onder boog zijn opgenomen, specifiek voor deze toepassingen:

1. Lassen van rails:

Fig. 15.1 toont de standaardopstelling voor het verbinden van rails ter plaatse, om het lawaai te verminderen als gevolg van het voortbewegen van treinen met hoge snelheid. In kolenmijnen wordt het transportspoor vaak gelast om het morsen van steenkool door ongelijke sporen te verminderen. Op dezelfde manier worden kraanrails gelast om gezamenlijk onderhoud en trillingen van gebouwen te minimaliseren door het passeren van zwaar belaste wielen over de verbindingen.

Thermit-mengsels zijn beschikbaar voor het lassen van alle typen rails waarvan het merendeel is gemaakt van C-Mn-staalsoorten, hoewel ook Cr-, Cr-Mo-, Cr-V- en Si-gelegeerde stalen rails worden gebruikt. Voor de standaardreactie produceert een lading van 1000 g thermit 476 g slak, 524 g staal en 181500 calorieën van warmte.

Het ferrioxide dat wordt verkregen als walshuid wordt toegevoegd aan aluminiumpoeder en andere ingrediënten om de reactie alsook de eindsamenstelling van het gesmolten materiaal te regelen.

De samenstelling van het metaal dat wordt afgezet voor het verbinden van rails heeft meestal de volgende analyse:

De vereiste hoeveelheid thermit, gewoonlijk verkrijgbaar in stoffen zakken, wordt in de smeltkroes geplaatst, die op een van de rails wordt geklemd en door beweging langs een cirkel naar de gewenste positie kan worden bewogen.

Het te lassen verbindingsstuk is ingesloten in een kleivorm van gespleten ontwerp, die is voorvervaardigd voor het lassen van de standaardrailgrootten met een wortelafstand van 20 - 35 mm. De mal is zo uitgelijnd dat het midden ervan samenvalt met het midden van de opening tussen de raileinden. Verschillende delen van de mal worden aan elkaar gehecht met ter plaatse vervaardigde klei-stopverf.

De mal die zo rond het gewricht is voorbereid, heeft ventilatieopeningen, stijgbuizen en poorten volgens de normale gieterijpraktijk; daarnaast is ook een voorverwarmingspoort verschaft, zoals getoond. Het voorverwarmen van rails gebeurt met behulp van een speciaal ontworpen brander die werkt met kerosine of benzine in combinatie met perslucht. De rails worden meestal voorverwarmd tot een temperatuur van 600 tot 1000 ° C, die normaal wordt gecontroleerd, hetzij uit de kleur van rails of nauwkeuriger met behulp van thermische sticks.

Zodra de gewenste voorverwarmingstemperatuur is bereikt, wordt de toorts onttrokken en wordt het voorverwarmingsgat gesloten met een zandplug; de vuurvast beklede smeltkroes met de thermietlading wordt verplaatst naar een positie boven de matrijs.

De lading wordt vervolgens ontstoken door een verwarmde ijzeren staaf of meer geschikt te maken door een brandende vuurkraker (Phuljhari) in het thermitemengsel in te bedden. Soms worden thermitmengsels ontstoken door het plaatsen van een halve theelepel speciaal ontstekingspoeder dat voornamelijk uit bariumperoxide bestaat.

Het mengsel wanneer het wordt ontstoken met een hete staaf, bereikt een temperatuur van 1100 - 1300 ° C, hetgeen voldoende is om het thermitemengsel te ontsteken. Aan de thermit wordt pas kort voor het ontsteken ontstekingspoeder toegevoegd. Op deze manier ontstoken, is de exotherme reactie niet gewelddadig. Ongeacht de grootte van de lading, is de reactie voltooid in 30 seconden tot 2 minuten. Vanwege het aanzienlijke verschil tussen de specifieke dichtheid van het gesmolten metaal en de slak worden de twee gescheiden met de slakken op de bovenkant, waardoor bescherming wordt geboden aan het gesmolten metaal van de reacties met atmosferische gassen.

Nadat de reactie is voltooid, wordt er getikt door de tappen snel omhoog te tillen met een platte stalen staaf. Soms wordt echter een zelftappende verzegeling op de bodem van de kroes gebruikt. In dat gemak smelt het gesmolten metaal verkregen na ontbranding van de lading en smelt de afdichting uit en giet uit de bodem van de kroes in de gietvorm om naar de spleet tussen de te verbinden rails te stromen.

De slak die zich boven het gesmolten metaal in de smeltkroes bevindt, stroomt als laatste mee en bereikt de vormholte niet en blijft dus op de las waar deze stolt. Wanneer het metaal is gestold, wordt de vorm opengebroken en weggegooid. Het overtollige metaal in het gewricht wordt verwijderd door het te kleden met behulp van pneumatische of handbeitels, en het gewricht krijgt de gewenste vorm terwijl het nog steeds heet is. De las wordt, indien nodig, glad gemaakt door met de hand te slijpen.

2. Gietreparaties:

Lassen van zware gietstukken is een ander belangrijk toepassingsgebied voor thermit lassen. Dergelijke toepassingen zijn niet-repeterend van aard, daarom kunnen voorgefabriceerde vormen normaal niet worden gebruikt. Aldus moet de matrijs voor elke las worden gemaakt om zich aan te passen aan de vorm van de componenten.

Eerste essentiële stap bij het voorbereiden van een verbinding voor thermit lassen is om het grondig te reinigen meestal door een oxy-acetyleenvlam gevolgd door afschrikken om de vreemde materialen van het werkstuk te scheiden. Een gebied tot ongeveer 15 cm aan beide zijden langs de te lassen breuk moet grondig worden gereinigd. Tussen de te lassen delen wordt een opening gelaten die wordt berekend door de empirische relatie van (7 A) ^1/3 mm, waarbij A het oppervlak is van elke te lassen component.

Nadat de delen zijn schoongemaakt en op de juiste afstand zijn geplaatst, wordt gele was bereid om een ​​patroon te maken om de opening te vullen en de voltooide las precies vorm te geven. Verwarmde was in plastische toestand wordt gebruikt om dit patroon te maken. Een zandvorm wordt vervolgens om het patroon heen gebouwd door een geschikte vormbak te plaatsen om het vormzand te bevatten.

Noodzakelijke houten patronen worden gebruikt om gietende en helende poorten en stijgbuizen op alle hoge punten op de verbinding te bieden. Wanneer twee stukken van dezelfde grootte aan elkaar worden gelast, bevindt de verwarmingsopening zich centraal op het waspatroon. Echter, wanneer ongelijke delen De verwarmingspoort moet worden aangesloten op de grotere sectie om, voor zover mogelijk, een uniforme verwarming van de twee delen te bieden.

Aan de bovenzijde van de vorm is een hol gedeelte voorzien om de slak op te vangen. Er moet voor worden gezorgd dat het zand goed wordt geramd om een ​​hoog contact tussen het vormzand en de was te verschaffen. Het vormzand dat wordt gebruikt om de vorm te maken, moet een hoge vuurvastheid, hoge permeabiliteit, voldoende afschuifsterkte hebben en moet vrij zijn van klei-bestanddelen met laag smeltpunt.

Het voorverwarmen gebeurt met behulp van een speciaal ontworpen brander die gemakkelijk door de verwarmingspoort in de gewenste positie kan worden geplaatst. Het doel van het verwarmen in de beginfase is om het waspatroon te smelten, vandaar dat de warmte geleidelijk wordt aangebracht. Nadat de was uit de mal is weggevlogen, wordt de warmte geleidelijk verhoogd om de te lassen vlakken voor te verwarmen en de mal volledig te drogen om porositeit te voorkomen. Het voorverwarmen wordt voortgezet totdat de te lassen delen worden verwarmd tot een temperatuur van 815 tot 980 ° C.

Zodra het voorverwarmen is voltooid, wordt de toorts teruggetrokken en wordt de verwarmingspoort geblokkeerd met een stalen staaf met vormzand.

Het mengsel dat in de vuurvaste beklede kegelvormige kroes is geplaatst, wordt ontstoken zoals beschreven in de raillassectie. Stempels met laag koolstofstaal worden soms aan de lading toegevoegd om de geproduceerde hoeveelheid gesmolten metaal te vergroten.

De hoeveelheid thermitmengsel vereist voor een verbinding kan worden berekend door het gebruik van de volgende relatie:

Q = M / 0, 5 + 0, 01 S .......... (15.2)

Waar:

Q = benodigde hoeveelheid thermit, kg,

M = gesmolten metaal dat nodig is om de voeg te vullen plus 10% verliezen, kg,

S = percentage van de stansen van staal om in de lading te worden opgenomen.

Ongeveer 25 kg thermit is vereist voor elke kg was in het patroon.

Het mengsel kan worden ontworpen om specifieke afzettingen van het lasmetaal te produceren.

De normale analyse van de thermiet gebruikt voor het lassen van zacht staal en medium koolstofstaal is:

C = 0, 20-0, 30%

Mn = 0, 5 - 0, 60%

Si = 0, 2-0, 50%

Al = 0, 07-0, 18%

Fe = Rest

Thermit kan ook worden ontworpen voor slijtvaste staalsoorten en voor het lassen van koolstofstaal. De mechanische eigenschappen van de normaal gebruikte thermit zijn ongeveer dezelfde als die van zacht staal. Voor het lassen van gietijzer, kan thermit op geschikte wijze worden gemaakt door ferrosilicium daarin toe te voegen.

Het mengsel kan ontstoken worden door een van de twee eerder beschreven methoden in het spoorlassen, te weten door het gebruik van uitgangspoeder dat kan worden ontstoken door een lucifer, gasaansteker of een hete ijzeren staaf of als alternatief door het gebruik van een vuur cracker.

Het gesmolten metaal wordt afgetapt, nadat de reactie afneemt, door de tappen met een scherpe opwaartse slag te raken. Het gesmolten metaal stroomt in de mal om het gewricht te vullen.

De mal wordt meestal weggegooid door deze te breken en de las wordt aangekleed door de poorten en risers te verwijderen met behulp van een oxy-acetyleen snijbrander gevolgd door machinale bewerking of slijpen. Waar mogelijk wordt de gehele lasnaad ontlaten om stress te verlichten.

Thermit-lassen wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het repareren van grote componenten, bijvoorbeeld roerframes, schroefassen, stalen rondwielen, assen en stutten. Het wordt ook gebruikt voor het repareren van staafvormen door de onderkant van de mal te snijden en deze volledig opnieuw te bouwen door thermit metaal.

3. Lassen wapeningsstaven:

Voor het lassen van wapeningsstaven wordt een mal in twee helften, vooraf vervaardigd door schaalvorming of CO2-proces, gepositioneerd om de uiteinden van de te lassen staven te omsluiten zoals getoond in figuur 15.2. De mal wordt vervolgens geschaald met asbest en zand om lekkage van gesmolten metaal te voorkomen.

Het aftapgat in de smeltkroes is bedekt met een horizontale afsluitschijf voordat het met een thermitemengsel wordt gevuld. Nadat de reactie is voltooid smelt het staal door de sluitschijf om de opening tussen de staven te vullen. Wapeningsstaven kunnen in elke positie door dit proces worden gelast en de opstelling voor het lassen van dergelijke staven in horizontale configuratie wordt getoond in Fig. 15.3.

4. Elektrisch geleiders lassen :

Aluminothermisch lassen wordt gebruikt voor het verbinden van koperen geleiders of lijnen van kabels met behulp van een opstelling getoond in Fig. 15.4. (een). Het mengsel geeft bij ontsteking ongeveer 98% zuiver koper door de reacties gegeven door vergelijkingen (15, 5) en (15, 6).

De reactie is voltooid in 1 tot 5 seconden en het aldus geproduceerde gesmolten koper wordt oververhit met slak erover. De samenstelling van het gesmolten metaal kan worden veranderd om geschikt te zijn voor de metalen die moeten worden verbonden door geschikte toevoeging, in de vorm van poeder of naaktslakken, aan het thermitemengsel te maken. De voltooide las wordt getoond in Fig. 15.4. (B).

Afgezien van het samenvoegen van elektrische geleiders, kan dit proces worden gebruikt voor het verbinden van koperen geleiders met stalen rails voor het verschaffen van grondverbindingen. Voor een dergelijke toepassing wordt een grafietvorm op de gewenste sectie in de rail gedempt. De mal kan na voltooiing van de klus opnieuw worden gebruikt, door er slakken uit te verwijderen.

Varianten van het thermisch lasproces :

Afgezien van de reeds beschreven toepassingen wordt thermit lassen ook gebruikt voor het assembleren van delen van grote constructies, scheepsbouw, het maken van grote krukassen en schroefassen door gebruik te maken van een thermietlading tot 3000 kg. Ondanks een aantal duidelijke voordelen is het proces echter langzaam uit gebruik en wordt het voornamelijk vervangen door flash-buttlassen voor het verbinden van rails en Electroslag-lassen voor zware constructies.

De enige variant van het normale Thermit Welding is het zogenaamde Pressure Thermit Welding.

Druk thermisch lassen:

In dit proces wordt alleen de warmte geproduceerd door de thermitreactie gebruikt voor het verwarmen van de uiteinden van de componenten die moeten worden verbonden door vastefaselassen; geen van de overblijvende producten van de reactie moeten in de gewrichtsinterface worden gebracht. De procesprocedure is daarom gepland om reactieproducten vrij te houden van het werkstuk zonder al te veel verlies van thermische efficiëntie.

Bij dit proces worden twee uniforme lengten materiaal met gelijke gebieden bij het verbindingsinterface axiaal uitgelijnd; hun uiteinden worden verwarmd tot de gewenste temperatuur door de producten van de thermitreactie en worden dan samengedrukt onder gecontroleerde druk om een ​​massieve stuiklas te maken. Fig. 15.5 toont dat de pijp onder druk is gelast door de verbinding te omsluiten met een permanente vorm, waardoor het oververhitte staal en de slak in contact rond de pijp kunnen stromen om te dienen als de bron van laswarmte.

Een geschikt ontworpen klemmechanisme wordt gebruikt om de pijpeinden na verhitting samen te dwingen om de las te voltooien. Deze opstelling van verwarming is echter alleen geschikt voor werkstukken met kleine dwarsdoorsneden. De gezichten van grotere verbindingen kunnen op een kleine afstand van elkaar worden geplaatst met een verwijderbare vorm die om hen heen wordt gehouden.

De ruimte tussen de vlakken en de rest van de mal wordt gevuld met thermit en de reactie wordt gestart. De reactieproducten mogen in positie blijven totdat voldoende warmte is overgebracht naar de te verbinden vlakken. De vorm en de reactieproducten worden dan verwijderd en de twee vlakken worden tegen elkaar gedrukt om een ​​las in vaste toestand te bereiken.

Geen van deze methoden kan consistent uniforme kwaliteitslassen produceren en wordt daarom zelden gebruikt; zelfs niet voor zeer lasbaar materiaal zoals zacht staal. Ook zijn de kosten van druk thermit lassen onbetaalbaar, dus wordt het meestal vermeden.