لحام الثرميت.. التفاعل الناشر للحرارة، والناتج من تفاعل أكسيد الحديد مع الألمنيوم (ثرميت الألمنيوم) مصدر حرارة اللحام



لحام الثرميت Thermite welding

تستخدم هذه الطريقة أساساً للحام بعض أجزاء الآلات أو المنشآت في مواقع العمل مباشرة.
ويعد التفاعل الناشر للحرارة، والناتج من تفاعل أكسيد الحديد مع الألمنيوم (ثرميت الألمنيوم)، مصدر حرارة اللحام، لأن مزيج أكسيد الحديد والألمنيوم مزيج شديد الاحتراق.

لحام القطاعات السميكة:

وقد لوحظ أن هذا التفاعل يجري بمعدل سريع جداً؛ إذ أمكن الحصول على كميات كبيرة تصل إلى طن أو أكثر من المادة المنصهرة في تفاعل واحد في مدة لم تتجاوز 30 ثانية.
وتشبه عملية لحام الثرميت عملية سباكة موضعية، فهي تقتصر على لحام القطاعات السميكة نظراً لعمليات التحضير الأولية، الأمر الذي لا قيمة له في الوصلات الصغيرة.

إشعال مزيج من مواد عالية الطاقة:

لحام الثرمايت هو عملية إشعال مزيج من مواد عالية الطاقة (تسمى أيضًا الثرمايت)، والتي تنتج معدنًا مصهورًا يتم سكبه بين قطع العمل المعدنية لتشكيل وصلة ملحومة.
تم تطويره من قبل Hans Goldschmidt حوالي عام 1895 للحام غير الحديدية، أو الاستخدامات الأخرى للتفاعلات من نوع الثرمايت.

أكسيد الألومنيوم أقل كثافة من الحديد السائل:

عادة ما تكون التركيبة المتفاعلة هي 5 أجزاء من مسحوق أكسيد الحديد الأحمر (الصدأ) و 3 أجزاء من مسحوق الألمنيوم بالوزن،
يتم إشعالها في درجات حرارة عالية.
يحدث تفاعل شديد الحرارة (المولدة للحرارة) ينتج من خلال الاختزال والأكسدة كتلة ساخنة بيضاء من الحديد المصهور وخبث أكسيد الألمنيوم المقاوم للصهر.
الحديد المصهور هو مادة اللحام الفعلية؛ أكسيد الألومنيوم أقل كثافة بكثير من الحديد السائل وبالتالي يطفو إلى أعلى التفاعل، لذلك يجب أن يأخذ إعداد اللحام في الاعتبار أن مادة اللحام الفعلية في القاع ومغطاة بخبث عائم.

الاختراق المنخفض للحرارة في معادن الانضمام:

يستخدم لحام الثرمايت على نطاق واسع لحام قضبان السكك الحديدية.
جودة اللحام للثرمايت النقي كيميائيًا منخفضة بسبب الاختراق المنخفض للحرارة في معادن الانضمام ومحتوى الكربون والسبائك المنخفض جدًا في الحديد المنصهر تقريبًا.
للحصول على اللحامات عالية الجودة للسكك الحديدية، عادةً ما يتم تسخين أطراف السكة التي يتم لحامها بالثرمايت باستخدام شعلة لإحداث اندماج جيد مع قطع المعدن العاملة.
لأن تفاعل الثرمايت ينتج حديدًا نقيًا نسبيًا، وليس الفولاذ القوي كثيرًا، يتم تضمين بعض الكريات الصغيرة أو قضبان من معادن السبائك عالية الكربون في مزيج الثرمايت؛ تذوب مواد السبائك هذه من حرارة تفاعل الثرمايت وتخلط في معدن اللحام.
وقد حصل جون إتش ديبلير جونيور على براءة اختراع لهذه الطريقة في عام 1928 أثناء العمل لدى شركة Metal and Thermit Corporation.

إضافة عناصر السبائك إلى التفاعل الحراري المائي الأساسي:

تم استخدام العملية لأول مرة لتوفير الطاقة الحرارية لطريقة تشكيل قضبان اللحام في عام 1899، عندما تم تركيب عدد من المفاصل الملحومة في ترام إيسن.
تم استخدام العملية لأول مرة في المملكة المتحدة لحام سكك الترام المثبتة في ليدز في عام 1904.
أدى المزيد من التطوير الذي أدى إلى إضافة عناصر السبائك إلى التفاعل الحراري المائي الأساسي إلى إنتاج فولاذ مع تعدين متوافق مع القضبان الأم، وبالتالي تمكين عملية لحام الانصهار الكاملة.
في حين تم إنتاج اللحامات المبكرة عن طريق صب الفولاذ Thermit في قوالب منتجة يدويًا تشمل القضبان التي سيتم ربطها معًا، أدى التطوير اللاحق إلى إدخال قوالب حرارية مشكلة مسبقًا مصممة لتناسب ملفات السكك الحديدية المحددة.

متطلبات الخدمة للسكك الحديدية الحديثة عالية السرعة والمحور:

في حين أن عملية الألمنيوم الأساسية لا تزال تشكل قلب عمليات اللحام Thermit، فقد أدى التطوير المستمر إلى جانب تكنولوجيا الإنتاج الحديثة والتحكم في العملية الإحصائية وضمان الجودة، إلى عمليات أكثر من مطابقة لمتطلبات الخدمة للسكك الحديدية الحديثة عالية السرعة وعالية المحور أنظمة:
  • قضبان "مسطحة القاع" أو "Vignole" تقليدية.
  • سكك حديد قسم خاص.
  • سكك ترام مخدد.
  • قضبان رافعة ثقيلة.
  • سكك الموصلات الكهربائية.
بالإضافة إلى ذلك، تتوفر المنتجات لتناسب أنواعًا خاصة من دعم الجنزير، وتحد من المساحات، والقيود البيئية، ولربط القضبان من أنواع مختلفة أو بدرجات متفاوتة من التآكل.

عملية اللحام الحراري:

اللحام بالحرارة طريقة فعالة ومتنقلة للغاية للانضمام إلى الهياكل الفولاذية ذات المقاطع الثقيلة مثل القضبان.
بشكل أساسي عملية صب، فإن المدخلات الحرارية العالية والخواص المعدنية لصلب Thermit تجعل العملية مثالية للحام عالي الصلابة والفولاذ عالي الصلابة مثل تلك المستخدمة في القضبان الحديثة.
Thermit Welding هي عملية لحام ماهرة ويجب ألا تتم من قبل أي شخص لم يتم تدريبه واعتماده لاستخدامه.

العناصر المكونة لعملية اللحام الحراري:

يتم توفير تعليمات التشغيل التفصيلية لكل عملية من العمليات، لكن طرق اللحام تتكون من 6 عناصر رئيسية:

1- عمل فجوة بين القضبان:

يجب عمل فجوة معدة بعناية بين القضبان، والتي يجب أن تكون محاذاة بدقة عن طريق الحواف لضمان أن المفصل النهائي مستو تماما ومسطح.

2- تثبيت القوالب الحرارية:

يتم تثبيت القوالب الحرارية المشكلة مسبقًا والتي يتم تصنيعها لتلائم بدقة حول مقطع السكك الحديدية المحدد حول فجوة السكك الحديدية، ثم يتم إغلاقها في موضعها.
يتم بعد ذلك تجميع معدات تحديد موقد التسخين، وحاوية Thermit.

3- تسخين تجويف اللحام المتشكل داخل القالب:

يتم تسخين تجويف اللحام المتشكل داخل القالب باستخدام موقد غاز أوكسي بضغط غاز محدد بدقة لفترة زمنية محددة.
تعتمد جودة اللحام النهائي على دقة عملية التسخين المسبق.

4- تركيب الحاوية في الجزء العلوي من القوالب:

عند الانتهاء من التسخين المسبق، يتم تركيب الحاوية في الجزء العلوي من القوالب، ويتم إشعال الجزء وينتج التفاعل الطارد للحرارة الناتج عن Thermit Steel المصهور.
تحتوي الحاوية على نظام نقر أوتوماتيكي يتيح للصلب السائل - الذي يكون عند درجة حرارة تزيد عن 2500 درجة مئوية - التفريغ مباشرة في تجويف اللحام.

5- تبريد المفصل الملحوم:

يُسمح للمفصل الملحوم بالتبريد لفترة محددة مسبقًا قبل زيادة الصلب وإزالة مادة القالب من أعلى السكة بمساعدة جهاز تشذيب هيدروليكي.

6- فحص اللحام النهائي:

عندما ينظف البرد من كل الحطام البارد، تكون الأسطح التي تعمل بالسكك الحديدية دقيقة على الأرض.
يجب بعد ذلك فحص اللحام النهائي قبل تمريره على أنه جاهز للخدمة.