Soldadura Térmica: Operación, Configuración y Variantes
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: - 1. Introducción a la soldadura con termitas 2. Principio de operación de las soldaduras con termitas 3. Equipo, configuración y operación 4. Variantes.
Introducción a la soldadura por termitas:
Es un proceso en el que se enciende una mezcla de polvo de aluminio y un óxido metálico, llamado Thermit, para producir la cantidad requerida de metal fundido por una reacción exotérmica no violenta. El metal sobrecalentado así producido se vierte en el lugar deseado que en la solidificación da como resultado una unión de soldadura. Por lo tanto, es un proceso de fundición y soldadura.
Este proceso se ha utilizado desde 1895 para unir rieles en el sitio y para la reparación y recuperación de piezas de fundición pesadas. Sin embargo, el proceso se está quedando fuera de uso lentamente debido a su alto costo y debido al desarrollo de procesos más eficientes, altamente mecanizados y menos costosos, como la soldadura a tope y la soldadura por electro-escoria.
Principio de funcionamiento de la soldadura por termitas:
La reacción termoquímica que tiene lugar en el encendido de thermit se basa en la siguiente ecuación básica:
Óxido de metal + Al (polvo) → Óxido de metal + Al + calor …………. (15.1)
Esta reacción puede iniciarse solo si la mezcla se enciende con un polvo de ignición especial o una barra de ignición. La temperatura de ignición para la mezcla térmica que contiene óxido de hierro es aproximadamente 1200 ° C.
Aunque el óxido metálico utilizado en la soldadura Thermit es generalmente óxido de hierro, sin embargo, también se pueden emplear óxidos de cobre, níquel, cromo y manganeso para dar las siguientes reacciones y las temperaturas teóricas correspondientes alcanzadas.
(i) Con hierro:
(ii) Con cobre:
(iii) Con Níquel:
(iv) Con el cromo :
(v) Con manganeso :
La primera de estas reacciones se usa más comúnmente para la soldadura térmica. Una mezcla de este tipo generalmente contiene 3 partes en peso de óxido de hierro y una parte de polvo de aluminio. Cuando se enciende, produce una temperatura teórica de 3090 ° C y no es adecuado, ya que el aluminio se vaporiza a aproximadamente 2500 ° C. Por lo tanto, es imperativo reducir esta temperatura a un límite de trabajo de aproximadamente 2480 ° C mediante la adición de componentes no reactivos, como la chatarra de acero.
Sin embargo, la temperatura del metal fundido no debe reducirse por debajo de aproximadamente 2100 ° C, ya que el Al 2 O 3 se solidifica a aproximadamente 2040 ° C. Se pueden añadir elementos de aleación, en forma de ferroaleaciones, a la mezcla térmica para obtener la composición deseada del metal fundido.
Sin embargo, al calcular el peso de la mezcla térmica para soldadura, solo se considera el peso del óxido de hierro y el polvo de aluminio. Las adiciones hechas para el ajuste de la composición y la temperatura no se incluyen en el cálculo de la mezcla de termitas. Por lo tanto, 50 kg de óxido de metal y mezcla de polvo de aluminio a los que se agregaron 15 kg de metales y aleaciones se denominan 50 kg de termita.
La reacción térmica es no explosiva y se completa en menos de dos minutos, independientemente de la cantidad involucrada.
Además de la alta pureza del material térmico, la presencia de aluminio promueve fuertemente la nucleación rápida y el tamaño de grano pequeño; Sin embargo, la cantidad máxima de aluminio en el acero se limita a alrededor del 0, 7%.
Equipo, configuración y operación de soldadura por termitas:
El uso principal de la soldadura térmica es para unir rieles en el sitio y para la soldadura de reparación de componentes pesados. Otros usos del proceso incluyen la soldadura de barras de refuerzo y la unión de conductores eléctricos no ferrosos.
El equipo y las configuraciones incluidas aquí bajo el arco específicamente para estas aplicaciones:
1. Soldadura de carriles:
La Fig. 15.1 muestra la configuración estándar para unir rieles en el sitio, para reducir el ruido debido a la locomoción a alta velocidad de los trenes. En las minas de carbón, la pista de transporte a menudo se suelda para reducir el derrame de carbón debido a la trayectoria desigual. De manera similar, los rieles de grúa están soldados para minimizar el mantenimiento de las juntas y la vibración de los edificios debido al paso de ruedas muy cargadas sobre las juntas.
Las mezclas de Thermit están disponibles para soldar todo tipo de rieles, la mayoría de los cuales están hechos de aceros C-Mn, aunque también se utilizan rieles de acero Cr, Cr-Mo, Cr-V y aleación de Si. Para la reacción estándar, una carga de 1000 g de thermit produce 476 g de escoria, 524 g de acero y 181500 calorías de calor.
El óxido férrico obtenido a escala de molino se agrega al polvo de aluminio y otros ingredientes para controlar la reacción, así como la composición final del material fundido.
La composición del metal depositado para unir los carriles es generalmente del siguiente análisis:
La cantidad necesaria de termita, generalmente disponible en bolsas de tela, se coloca en el crisol que se sujeta a uno de los rieles y se puede mover a la posición deseada mediante un movimiento a lo largo de un círculo.
La junta a soldar está encerrada en un molde de arcilla de diseño dividido que se fabrica previamente para soldar los tamaños de riel estándar con un espacio de raíz de 20-35 mm. El molde está alineado para que su centro coincida con el centro de la brecha entre los extremos del riel. Diferentes partes del molde se unen con masilla de arcilla preparada en el sitio.
El molde así preparado alrededor de la junta tiene orificios de ventilación, contrahuellas y compuertas según la práctica normal de la fundición; Además, también se proporciona una puerta de precalentamiento, como se muestra. El precalentamiento de los rieles se realiza con la ayuda de una antorcha especialmente diseñada que funciona con queroseno o gasolina en combinación con aire presurizado. Los rieles generalmente se precalientan a una temperatura de 600 a 1000 ° C, que normalmente se verifica con el color de los rieles o más precisamente con la ayuda de barras térmicas.
Una vez que se alcanza la temperatura de precalentamiento deseada, se retira la antorcha y se cierra el orificio de precalentamiento con un tapón de arena; el crisol revestido refractario que contiene la carga térmica se mueve a una posición sobre el molde.
Luego, la carga se enciende utilizando una varilla de hierro caliente o, más convenientemente, incorporando una galleta encendida (Phuljhari) en la mezcla termal. A veces, las mezclas térmicas se encienden colocando media cucharadita de polvo especial de ignición que consiste principalmente en peróxido de bario.
La mezcla cuando se enciende con una barra caliente alcanza una temperatura de 1100 - 1300 ° C, que es suficiente para encender la mezcla termal. No se agrega polvo de ignición a la temperatura hasta justo antes del momento de la ignición. Encendido de esta manera, la reacción exotérmica no es violenta. Independientemente del tamaño de la carga, la reacción se completa en 30 segundos a 2 minutos. Debido a la considerable diferencia entre la gravedad específica del metal fundido y la escoria, los dos se separan con la escoria flotando en la parte superior, lo que protege al metal fundido de las reacciones con los gases atmosféricos.
Una vez que se completa la reacción, la extracción se realiza levantando rápidamente el pasador de extracción hacia arriba mediante una barra de acero plana. A veces, sin embargo, se usa un sello autorroscante en el fondo del crisol. Con esa facilidad, el metal fundido obtenido después de la ignición de la carga funde el sello y sale por la parte inferior del crisol en el conducto del molde para fluir hacia el espacio entre los rieles que se unirán.
La escoria que está sobre el metal fundido en el crisol fluye al final y no llega a la cavidad del molde y, por lo tanto, permanece en la parte superior de la soldadura donde se solidifica. Cuando el metal se ha solidificado, el molde se rompe y se desecha. El exceso de metal en la articulación se elimina al vestirse con la ayuda de cinceles neumáticos o de mano, y se le da a la articulación la forma deseada mientras aún está caliente. La soldadura se alisa, si es necesario, mediante esmerilado manual.
2. Reparaciones de fundición:
La soldadura de reparación de piezas fundidas pesadas es otro campo importante de aplicación para la soldadura por termitas. Tales aplicaciones no son de naturaleza repetitiva, por lo tanto, normalmente no se pueden usar moldes prefabricados. Por lo tanto, el molde debe hacerse para cada soldadura de manera que se ajuste a la forma de los componentes.
El primer paso esencial en la preparación de una unión para la soldadura térmica es limpiarla a fondo por lo general mediante una llama de oxi-acetileno seguida de enfriamiento para separar los materiales extraños de la pieza de trabajo. Un área de hasta 15 cm en ambos lados a lo largo de la fractura a soldar debe limpiarse a fondo. Se deja un espacio entre las partes a soldar que se calcula por la relación empírica de (7 A) 1/3 mm, donde A es el área de superficie de cada componente a soldar.
Una vez que las piezas se limpian y espacian adecuadamente, se prepara cera amarilla para hacer un patrón que llene el espacio y dé forma exacta a la soldadura terminada. Cera calentada en estado plástico se utiliza para hacer este patrón. Luego se construye un molde de arena alrededor del patrón colocando una caja de moldeo adecuada para contener la arena de moldeo.
Los patrones de madera necesarios se emplean para proporcionar puertas de vertido y curación, y elevadores en todos los puntos altos de la junta. Cuando se sueldan dos piezas del mismo tamaño, el gatito de calentamiento está ubicado en el centro del patrón de cera. Sin embargo, cuando las partes son desiguales. para unirse, la compuerta de calefacción se dirige hacia la sección más grande para proporcionar, en la medida de lo posible, un calentamiento uniforme de las dos partes.
Se proporciona una sección hueca en la parte superior del molde para recoger la escoria. Se debe tener cuidado de apisonar la arena para proporcionar un alto contacto entre la arena de moldeo y la cera. La arena de moldeo utilizada para hacer el molde debe tener una alta refractariedad, una alta permeabilidad, una resistencia adecuada al cizallamiento y debe estar libre de componentes de arcilla de bajo punto de fusión.
El precalentamiento se realiza con la ayuda de una antorcha especialmente diseñada que se puede colocar en la posición deseada de manera conveniente a través de la compuerta de calefacción. El propósito del calentamiento en la etapa inicial es derretir el patrón de cera, por eso el calor se aplica gradualmente. Una vez que la cera sale del molde, el calor aumenta gradualmente para precalentar las caras a soldar y secar el molde completamente para evitar la porosidad. El precalentamiento continúa hasta que las piezas a soldar se calientan a una temperatura de 815 a 980 ° C.
Una vez que se completa el precalentamiento, se retira la antorcha y se bloquea la compuerta de calentamiento con una varilla de acero respaldada con arena de moldeo.
La mezcla termal colocada en un crisol en forma de cono refractario se enciende como se describe en la sección de soldadura de rieles. Las perforaciones de acero con bajo contenido de carbono a veces se agregan a la carga para aumentar la cantidad de metal fundido producido.
La cantidad de mezcla térmica necesaria para una unión puede calcularse mediante el uso de la siguiente relación:
Q = M / 0.5 + 0.01 S ………. (15.2)
Dónde:
Q = cantidad de termit requerido, kg,
M = metal fundido requerido para llenar el espacio de la junta más 10% de pérdidas, kg,
S = porcentaje de perforaciones de acero que se incluirán en la carga.
Se requieren aproximadamente 25 kg de termita por cada kg de cera en el patrón.
La mezcla Thermit puede diseñarse para producir depósitos específicos de metales de soldadura.
El análisis normal de la temperatura utilizada para soldar acero al carbono y aceros de carbono medio es:
C = 0.20—0.30%
Mn = 0.5 —0.60%
Si = 0.2 —0.50%
Al = 0.07—0.18%
Fe = Resto
Thermit también puede diseñarse para aceros resistentes al desgaste y para soldar aceros al carbono. Las propiedades mecánicas de la temperatura normal utilizada son aproximadamente las mismas que las del acero dulce. Para la soldadura de hierro fundido, la termita se puede hacer adecuadamente agregando ferrosilicio en ella.
La mezcla de Thermit puede encenderse por cualquiera de los dos métodos descritos anteriormente en la sección de soldadura de riel, a saber, mediante el uso de polvo de inicio que puede encenderse con una varilla de fósforos, un encendedor de gas o una varilla de hierro caliente o, alternativamente, mediante el uso de un galleta de fuego.
El metal fundido se golpea, después de que la reacción cede, golpeando el perno de golpeo con un fuerte golpe hacia arriba. El metal fundido fluye hacia el molde para llenar la junta.
El molde generalmente se desecha al romperlo y la soldadura se reviste retirando las compuertas y los elevadores con la ayuda de un soplete de corte de oxi-acetileno seguido de un mecanizado o esmerilado. Siempre que sea posible, toda la soldadura se recuece para aliviarla.
La soldadura por termitas se utiliza principalmente en la reparación de componentes grandes, por ejemplo, bastidores de timón, ejes de hélice, piñones, ejes y puntales de laminación de acero. También se utiliza para la reparación de moldes de lingotes cortando la parte inferior del molde y reconstruyéndolo completamente con metal termit.
3. Barras de refuerzo de soldadura:
Para soldar barras de refuerzo, un molde en dos mitades, prefabricado por moldeo de cáscara o proceso de CO 2, se coloca para encerrar los extremos de las barras a soldar como se muestra en la Fig. 15.2. El molde se escala con asbesto y arena para evitar fugas de metal fundido.
El orificio de golpecito en el crisol está cubierto con un disco de cierre horizontal antes de cargarlo con una mezcla térmica. Una vez que se completa la reacción, el acero se derrite a través del disco de cierre para llenar el espacio entre las barras. Las barras de refuerzo pueden soldarse en cualquier posición mediante este proceso y la configuración para soldar dichas barras en configuración horizontal se muestra en la Fig. 15.3.
4. Soldadura de conductores eléctricos :
La soldadura aluminotérmica se utiliza para unir conductores de cobre o líneas de cables utilizando una configuración que se muestra en la Fig. 15.4. (una). La mezcla cuando se enciende da aproximadamente 98% de cobre puro por las reacciones dadas por las ecuaciones (15.5) y (15.6).
La reacción se completa en 1 a 5 segundos y el cobre fundido así producido se sobrecalienta con escoria sobre él. La composición del metal fundido se puede alterar para adaptarse a los metales que se unirán haciendo una adición adecuada, en forma de polvo o barras, a la mezcla térmica. La soldadura completa se muestra en la Fig. 15.4. (segundo).
Además de unir conductores eléctricos, este proceso se puede usar para unir conductores de cobre a rieles de acero para proporcionar conexiones a tierra. Para una aplicación de este tipo, se humedece un molde de grafito en el riel en la sección deseada. El molde se puede reutilizar después de la finalización del trabajo, eliminando la escoria de él.
Variantes del proceso de soldadura Thermit :
Además de las aplicaciones ya descritas, la soldadura térmica se usa también para ensamblar partes de estructuras de gran tamaño, construcción naval, cigüeñales grandes y ejes de hélices utilizando una carga térmica de hasta 3000 kg. Sin embargo, a pesar de una serie de ventajas definidas, el proceso se está volviendo lentamente fuera de uso y está siendo reemplazado principalmente por la soldadura a tope de destello para unir los rieles, y la soldadura por electroescoria para la construcción pesada.
La única variante de la soldadura por termitas normal es lo que se denomina soldadura por termitas por presión.
Presión de soldadura de termitas:
En este proceso, solo el calor producido por la reacción térmica se utiliza para calentar los extremos de los componentes que se unirán mediante soldadura en fase sólida; No se requiere que ninguno de los productos residuales de la reacción se coloque en la interfaz conjunta. Por lo tanto, el procedimiento del proceso está planificado para mantener los productos de reacción alejados de la pieza de trabajo sin una pérdida excesiva de eficiencia térmica.
En este proceso, dos longitudes uniformes de material que tienen áreas iguales en la interfaz de la junta se alinean axialmente; sus extremos se calientan a la temperatura deseada por los productos de la reacción térmica y luego se empujan juntos bajo presión controlada para hacer una soldadura a tope de fase sólida. La Fig. 15.5 muestra una tubería soldada a presión encerrando la junta con un molde permanente, lo que permite que el acero sobrecalentado y la escoria fluyan en contacto alrededor de la tubería para servir como fuente de calor de soldadura.
Se emplea un mecanismo de abrazadera adecuadamente diseñado para forzar los extremos de los tubos juntos, después del calentamiento, para lograr la soldadura. Esta disposición de calentamiento, sin embargo, es adecuada solo para piezas con pequeñas áreas de sección transversal. Las caras de las juntas más grandes se pueden separar una distancia pequeña con un molde extraíble alrededor de ellas.
El espacio entre las caras y el resto del molde se rellena con termita y se inicia la reacción. Se permite que los productos de reacción permanezcan en posición hasta que se transfiera suficiente calor a las caras que se unirán. El molde y los productos de reacción se retiran y las dos caras se juntan para lograr una soldadura de estado sólido.
Ninguno de estos métodos puede producir soldaduras de calidad uniformemente uniformes y, por lo tanto, rara vez se utilizan; Ni siquiera para material altamente soldable como el acero suave. Además, el costo de la soldadura por presión es prohibitivo, por lo que generalmente se evita.
