تحقیق در مورد جوش ترميت (ASTM)

–تعريف جوش ترميت (ASTM):

نوعي جوش ذوبي مي باشد كه در آن اتصال دو فلز به همديگر بعد از گرم شدن بوسيله فلزي با دماي بالا كه واكنشي آلومينوترميك راپشت سر گذاشته انجام مي شود وفلز مايع كه از واكنش اكسيد فلز وAl بدست آمده است بعنوان فلز پر كننده عمل مي كند.اين پروسه جزء پروسه­هایThermochemical Welding  می باشدو در گروه Minor Welding Process که دارای استفاده های خاص وموردی می باشند قرار می گيرد.

2-تاريخچه فرايند جوشكاري ترميت:

يكصد و بيست سال پيش 1898 پروفسور دكتر هانس گلداشميت در شهر اسن آلمان موفق به استخراج فلزات سخت از اكسيد آنها بر پايه واكنش احياي اكسيد توسط يك احيا كننده مناسب شد.

اين روش در سال 1920 در جوش ريل تراموا در آمريکا بکار گرفته شد البته در بعضی منابع بکارگيری زودتر اين روش در آلمان اشاره شده است. در سال 1933 از جوش ترميت برای گسترش ريلهای طويل استفاده شد و استفاده از اين جوش در مصارف الکتريکی از سال 1938 آغاز شده است.پيشرفتهای اين روش در طی جوشکاری ريلها در بخش بعدی آورده شده است.

3- فرايند جوشكاري ترميت:

اكسيدهايي كه توسط آلومينيوم احيا مي شوند واكنش احيا به واكنش آلومينوترمي معروف بوده و اين واكنش اساس فرايند جوشكاري ترميت مي باشد. واكنش آلومينوترميك مربوط به احياي آهن بصورت زير نوشته مي شود:

Fe­­₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe + 760KJ at 2450^°c

1Kg (thermite) = 524g(Fe) + 427g(Al₂O₃) + 181500 cal

در اين فرايند واكنش بين اكسيد آهن و آلومينيوم رخ داده و در نهايت مذاب آهن و اكسيد آلومينيوم

توليد مي شود. دماي واكنش^{c  ˚} 2800 – ^{c  ˚} 2400 مي باشد. مطالعات انجام شده روي مكانيسم واكنش آلومينيوم با اكسيد آهن، نشان داده است كه اين واكنش در دو مرحله يكي در دماي^{c  ˚}960 و ديگري در دماي^{c ˚}1060 انجام مي شود. در دماي ^{c  ˚}960 محصولات واكنش Fe₂O₃  و Al₂O₃ مي باشد كه بصورت زير نوشته مي شود:

9Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 6 Fe₂O₃ + 6FeO

درمرحله بعدي كه دردماي^{c ˚}1060 انجام ميشود، Fe،FeAl₂O₄ و Al₂O₃ بصورت زير بوجود مي آيد:

Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃  + 2Fe

3Fe₂O₃ + 2Al = 5FeO + FeAl₂O₄

دو مرحله واكنش از نتايج آزمايشات DTA استنياط مي شود كه در شكل 1 ارائه شده است. عمده ترين كاربرد فرايند ترميت در جوشكاري ريلهاست كه در سراسر جهان براي جوشكاري ريل و ايجاد خطوط مداوم استفاده مي شود بطوريكه اين فرايند از سال 1906 ميلادي براي اتصال ريلها براي ايجاد خطوط طويل و يا تعميرات آنها استفاده مي شده است. در ابتدا از واكنش ترميت فقط براي گرم كردن دو سر ريل استفاده مي شد و آن را به دماي مناسب براي تغيير شكل گرم مي رساند.

شكل1: نتايج آزمايشات DTA

و سپس با اعمال فشار اتصال ناقصي ايجاد مي شد. بدين ترتيب كه مذاب حاصل از واكنش ترميت داخل قالبي كه در دو سر ريل نصب شده ريخته مي شد و دو سر ريل را گرم مي كرد. در سال 1920 ميلادي، اصلاحات زيادي در رابطه با فرايند جوشكاري ترميت انجام شد و بعنوان نمونه دو سر ريل قبل از ريختن مذاب تا دماي^c ˚ 900 با مخلوط هوا و بنزين گرم مي شد. از ديگر كاربردهاي جوشكاري ترميت مي توان به اتصالات فولاد به مس، مس به مس، تعمير عيوب قطعات ريختگي سنگين، جوشكاري آرماتورهاي مورد استفاده در سازه ها و اتصال كنداكتورهاي با پايه مس اشاره كرد.

در سال 1938 از گاز پروپان براي پيشگرم كردن استفاده شد و در سال 1939 به اين گاز اكسيژن نيز اضافه شد. در همان سال جوشكاري پرسي جاي خود را به فرايند جوشكاري ترميت كه امروزه استفاده مي شود داد.

ساير واکنشهای آلومينوترميکی به همراه گرمای آزادشده در آنها وماکزيمم 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)

ميل تركيبي اكسيژن با Al و فاصله زياد اکسيد آن باساير اکسيدهای بالا دردياگرام الينگهام اساس واكنشهای بالا می باشد.اين واکنشها غير انفجاري و پيشرونده ميباشند وازگرمای آنها می توان به روشهای گوناگون استفاده نمود. منظور از پيش رونده بودن واکنشها اين است که با شروع واکنش در يک نقطه گرمای ايجاد شده، انرژی اکتيواسيون لازم برای ادامه واکنش را در ساير نقاط مهيا می کند.

جوشکاری ترميت شامل ملاحظات گوناگون سه شاخه مهم ريخته گري ، ترموديناميك و جوشكاري

می باشد.

فرايند جوشكاري ترميت كه ذكر مختصري از تاريخچه و نحوه اتصال آن مرور شد بطور وسيعي در اتصال ريلها در كشورهاي مختلف از جمله آمريكاي شمالي استفاده مي شود. در اين كشور سالانه حدود 400000 بند جوش ترميت در احداث خطوط جديد و نگهداري خطوط قديمي ايجاد مي شود.در راه آهن ايران نيز كه داراي 6752 كيلومتر خط آهن مي باشد تاكنون 5500 كيلومتر از خطوط جوشكاري طويل شده است.

4-كنترل دما در جوش ترميت:

گرمای آزاد شده برای واکنش اکسيد آهن در حالت ايده آل دما را تا 3088 درجه سانتيگراد ميرساند.

تلفات در اثرتشعشع و هدايت دما را تا 2700 درجه سانتيگراد كاهش می دهدامابا توجه به اينکه

دماي جوش آلومينيوم 2500 درجه سانتيگراد دما باید به کمتر از اين مقادير کاهش يابد. اين عمل توسط مواد افزودني به پودر ترميت انجام می شودو دما تا حد مطلوب كنترل می شود.

مواد افزودني علاوه بر کنترل دما به منظورسرباره سازي، كنترل سياليت، ريز دانه كردن، افزايش مقاومت به سايش و قابليت ماشين كاري، افزايش مواد پركننده استفاده می شوند.بطور كلي در كنترل خواص جوش كنترل عناصر آلياژی بسيار بحراني می باشد زيرا افزايش مواد افزودنی از حد مطلوب باعث

سرد شدن مذاب و عدم جدايش سرباره و کم بودن آن نيز باعث عدم کنترل دما وخواص می شود.

دماي انجماد سرباره 2040 درجه سانتيگراد می باشد ودما نبايد از اين مقدار کاهش يابد. بنابراين

محدوده كاري جوش ترميت فولادها 2480-2100 درجه سانتيگراد مي باشد.

5- روشهاي مختلف جوشكاري ترميت:

جوشكاري ترميت داراي روشهاي گوناگوني مي باشد كه شامل جوشكاري ذوبي، فشاري و لحيم كاري است كه بطور خلاصه توضيح داده مي شود.

1-5- جوشكاري ترميت فشاري:

در جوشكاري ترميت فشاري از حرارت ايجاد شده توسط واكنش آلومينوترميك جهت پيش گرم كردن قطعاتي كه مي بايد جوشكاري شوند استفاده ميگردد وسپس توسط عمليات فورجينگ قطعات را به يكديگر جوش مي دهند. قطعات مورد جوشكاري مي بايد در يك راستا قرار گرفته و كاملا تميز شده باشند. سپس آنها را به طور محكم درمحل خود مستقر مي‌نمايند. بعد از اين مرحله محل اتصال بطور كامل توسط ماسه يا سراميك قالبگيري مي‌شود. بعد از قالبگيري از يك تركيب پودر ترميت كه سرباره اي با نقطه ذوب بالا ايجاد مي‌نمايد استفاده مي‌شود، بدين ترتيب كه واكنش آلومينوترميك در يك بوته مجزا از سيستم قالبگيري صورت مي‌پذيرد و بعد از اينكه واكنش گرمازاي آلومينوترميك خاتمه پيدا نمود، سرباره را از قسمت بالاي بوته به داخل محفظه قالب مي‌ريزند شکل 2 كه سريعا در اطراف محل جوش منجمد مي‌گردد. بنابر اين يك لايه محافظ توسط سرباره در اطراف منطقه جوش تشكيل مي شود كه سبب مي‌شود وقتي فلز مذاب وارد محفظه قالب ميگردد هيچونه تماسي بين فلز مذاب و فلز مبنا بوجود نيايد. گرماي واكنش باعث افزايش درجه حرارت منطقه جوش يا درجه حرارت فورجينگ مي‌شود. در اين هنگام دو قطعه را با نيروي لازم به يكديگر فشار مي دهند تا اتصال كامل شود.جوشكاري فشاري كاربردزيادي دارد ولي اين روش بدليل پيشرفت تكنولوژيكي جوشكاري ترميت ذوبي و عدم يكنواختي جوش حاصله در سطح مقطع و نيز عدم يكنواختي جوشها نسبت به همديگر و هزينه بالای آن،

محدود گرديده است.

2-5- لحيم كاري ترميتی:

جديدترين روش استفاده از ترميت ليحم كاري است كه از واكنش ترميت فقط براي تامين گرماي لازم جهت ذوب فلز لحيم استفاده مي شود و سپس براثر خاصيت موينگي وارد درز جوش مي گردد.

شكل 2: اصول فرايند جوشكاري فشاري آلومينوترميك

3-5- جوشكاري ترميت ذوبي:

جوشكاري ترميت ذوبي كاربرد وسيعي پيدا كرده است و در آن فلز فوق گداز نه تنها براي توليدحرارت بلكه بعنوان ابزار متالورژيكي براي اتصال دو قطعه مورد استفاده قرار ميگيرد. بدين ترتيب كه وقتي دو قطعه در يك امتداد و بايك فاصله مناسب از يكديگر قرار گرفتند قالبي كه از تكه هاي مختلف ساخته شده ويا به شكل مقطع مورد نظر قبلا تهيه گرديد است دور قطعاتي كه مي‌بايد جوشكاري شوند بسته مي‌شود. بسته به پروسه جوشكاري و سطح مقطع محل جوش، انتهاي قطعات مي تواند پيش گرم شده تا شرايط مناسب جهت عمل اتصال كامل بين فلز مبنا و فلز حاصل از واكنش آلومينوترميك را ايجاد نمايد.

با توجه باينكه عمليات جوشكاري ترميت شبيه فرآيند ريخته گري مي باشد بنابر اين براي دستيابي به يك جوش سالم بايد دقت لازم در طراحي سيستم هاي راهگاهي و تغذيه، جهت جلوگيري از جريان مغشوش مواد مذاب بداخل قالب و همچنين براي جبران انقباض مواد در حين تبديل به حالت جامد انجام گيرد. درجوشكاري ترميت ذوبی از حرارت حاصله از واكنش شيميايي گرمازاي احياء اكسيد فلز

فهرست مطالب

1- تعريف جوش ترميت

2- تاريخچه فرايند جوشكاري ترميت

3- فرايند جوشكاري ترميت

4- كنترل دما در جوش ترميت

5-

روشهاي مختلف جوشكاري ترميت

1-5- جوشكاري ترميت فشاري

2-5- لحيم كاري ترميتی

3-5- جوشكاري ترميت ذوبي

6- مدل انتقال حرارت در جوشكاري ترميتي

7- متالورژي جوش ترميت

8- نحوه انجام فرايند جوش ترميت

1-8- عمليات مقدماتي

2-8- علميات ريخته گري

3-8- عمليات پاياني

9- كاربرد هاي جوش ترميت

10- مزايای جوش ترميت

11- مزاياي جوشكاري ريلهاي آهن به يكديگروساختن ريلهای طويل

12- معايب ومحدوديتهای جوش ترميت

13- وسايل و تجهيزات مورد نياز در جوشكاري ترميت

1-13- بوته

2-13- تهگلدان

3-13- قالبها و مدلهاي ريخته گري

4-13- فشفشه

5-13- مشعل پيش گرم سازي

6-13- دستگاه برش هيدروليك

7-13- دستگاه سنگ زني

14- حفاظت وايمني در جوش ترميت

15-انبار كردن پورد ترميت

16- منابع ومراجع