لحام الثيرميت: العملية، الأنواع، والتطبيقات

ما هي عملية اللحام التي تُجرى عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية دون استخدام مصدر طاقة؟ تعرّف على لحام الثرميت، تقنية رائعة عمرها قرن من الزمان، ولا تزال تُحدث ثورة في الصناعات حتى اليوم. يتميز لحام الثرميت (أو اللحام الطارد للحرارة) بسلاسة وصلاته ومتانته، ويستخدم مصدر حرارة داخلي لصهر المعادن وربطها ببعضها.

ما هو اللحام بالثيرميت؟

لحام الثيرميت هو عملية لحام اندماجي طارد للحرارة يستخدم تفاعلًا بين أكسيد معدني (عادةً أكسيد الحديد) ومسحوق الألومنيوم لتوليد معدن منصهر للربط.

لا يتطلب هذا الأسلوب طاقة خارجية على شكل قوس أو غاز، بل يتطلب شرارة فقط لإشعال الخليط، أو الثرمايت. ما ينتج هو بركة من المعدن السائل شديد الحرارة تملأ قالبًا، فتندمج أجزاؤه عند تبريده.

نشأت هذه العملية في عام 1895، عندما طور الكيميائي الألماني هانز جولدشميت عملية الألومينوثيرمية - وهي الأساس لعملية اللحام الحراري.

بحلول عام 1904، تم تحويل صيانة السكك الحديدية باستخدام هذه الطريقة، مما يسمح للعمال بلحام نهايات السكك الحديدية في الميدان دون الحاجة إلى آلات ضخمة.

تخيلوا طواقم القرن العشرين وهم يُلقون جمر النار على شبكة السكك الحديدية الأوروبية المتوسعة. بلغ هذا النوع من اللحام ذروته خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي، حيث سُجِّلت ملايين عمليات اللحام حول العالم. أما اليوم، فلم يعد يُستخدم بنفس القدر - فقد انخفض بنسبة 20% منذ عام 1920، وفقًا لتقرير صدر عام 30 عن قطاع السكك الحديدية - ولكنه لا يزال يُستخدم في الإصلاحات البعيدة والتطبيقات المتخصصة.

العلم وراء لحام الثيرميت

تعتمد اللحامات الحرارية على تفاعل كيميائي يتم التحكم فيه:

8Al + _{3Fe3O4 →} 9Fe + _{4Al2O3 +} حرارة

تتم العملية على النحو التالي: يتم دمج 8 وحدات من الألومنيوم مع 3 وحدات من المغنتيت (Fe₃O₄) لإنتاج 9 وحدات من الحديد المنصهر و4 وحدات من خبث أكسيد الألومنيوم، إلى جانب دفعة من الحرارة - تصل إلى 4500 درجة فهرنهايت (2500 درجة مئوية) في مركز التفاعل.

يُسكب الحديد المنصهر الناتج، بدرجة حرارة حوالي 3000 درجة مئوية، في قالب لربط القطع المعدنية. يتكون خليط الثرمايت النموذجي من جزء واحد من مسحوق الألومنيوم إلى ثلاثة أجزاء من أكسيد الحديد وزنًا، مطحونًا إلى مسحوق رمادي فاتح.

بالنسبة للحامات المتخصصة، قد تتم إضافة عناصر السبائك مثل المنجنيز (للمتانه) أو النيكل (لمقاومة التآكل)، مما يؤدي إلى تغيير خصائص الحديد.

يُصدر هذا التفاعل الطارد للحرارة، المُستدام ذاتيًا، حوالي 850 كيلوجول/مول من الطاقة عند إشعاله، وهي طاقة تفوق بكثير الطاقة اللازمة لصهر حواف الفولاذ دون استخدام شعلة أو مولد كهربائي. معلومة طريفة: استُخدمت حرارة الثرمايت حتى في الحرب العالمية الثانية لصهر دروع الدبابات. وهي الآن تُستخدم بدقة في اللحام.

عملية لحام Thermit: خطوة بخطوة

التحضير

نظّف الأسطح المعدنية (مثل أطراف القضبان) بفرشاة سلكية لإزالة الصدأ والأوساخ. رتّبها بحيث تكون المسافة بين الوصلات 1-2 بوصة، حسب حجم الوصلة.

قم ببناء قالب حول الفجوة باستخدام الرمل الحراري أو السيراميك، بحيث يتناسب مع شكل اللحام (على سبيل المثال، رأس السكة).

سخّن المنطقة المحيطة بموقد البروبان لمدة ١٠-١٥ دقيقة إلى ٣٠٠-٥٠٠ درجة مئوية، مما يُتيح احتراق الرطوبة ويسمح بالالتحام. العدو هو الرطوبة، إذ يُشكّل البخار خطر انفجاره في حال احتجازه. (بالنسبة لحامات السكك الحديدية، يضمن التسخين المسبق إلى ٥٠٠ درجة مئوية التصاق الحديد المنصهر بعمق، مما يُقلل من التشققات).

إعداد المعدات

ضع بوتقة (عادةً ما تكون مصنوعة من الفولاذ المبطن بالجرافيت) فوق القالب، متصلة بفتحة تثقيب. تتسع البوتقة النموذجية لما بين 5 و10 كجم من الثرمايت للحام السكة.

قم بشحن خليط الثرمايت، المضاف إليه مسحوق الإشعال (بيروكسيد الباريوم أو شريط المغنيسيوم).

قم بتثبيت الإعداد في مكانه - أي إمالة قد تؤدي إلى انسكاب معدن بدرجة حرارة 3000 درجة مئوية.

رد فعل

أشعل المسحوق بمسدس الصوان أو الفتيل. يستمر التفاعل من ٢٠ إلى ٣٠ ثانية، ويُصدر وميضًا ساطعًا وأزيزًا عند اشتعال الثرمايت.

عند الانتهاء، يُطرق البوتقة لملء القالب بالحديد المنصهر، ويمتلئ القالب في غضون ثوانٍ. يلتقط القالب الفائض من المعدن، مُشكلاً طوقًا عند المفصل.

اللمسات الأخيرة

• اتركه ليبرد بشكل طبيعي لمدة 15 إلى 30 دقيقة (التبريد القسري يقلل من قوة اللحام).
• قم بسحق القالب باستخدام مطرقة، مما يؤدي إلى كشف طبقة اللحام والخبث (أكسيد الألومنيوم).
• قم بقطع المعدن الزائد باستخدام مطحنة الزاوية للحصول على لمسة نهائية ناعمة ومستوية.

أنواع اللحام بالثيرميت

لحام الثيرميت ليس حلاً واحدًا يناسب الجميع. فكل نوع يُعدّل تفاعله مع معادن محددة، مما يجعل لحام الثيرميت متعدد الاستخدامات، ويتجاوز الفولاذ.

• لحام ثيرميت القياسي:يستخدم أكسيد الحديد والألمنيوم في لحام الفولاذ - وهو مثالي لمسارات السكك الحديدية.
• لحام النحاس بالثيرميت:يقوم باستبدال أكسيد الحديد بأكسيد النحاس لربط أجزاء النحاس، وهو أمر شائع في أنظمة التأريض الكهربائية.
• المتغيرات المتخصصة:تتضمن خلطات تعتمد على المغنيسيوم أو خلطات خاصة (على سبيل المثال، "SkV Weld" من Orgo-Thermit) لتطبيقات محددة.

تطبيقات اللحام بالثيرميت

تتألق تقنية اللحام بالثيرميت في السيناريوهات العملية عالية المخاطر:

لحام السكك الحديدية : يربط أطراف القضبان معًا لإنشاء مسار متصل، وهو أمر يُقدر لقوته غير المنقطعة.

الوصلات الكهربائية : تُستخدم وصلات النحاس الحراري لتوصيل قضبان التوصيل وخطوط النقل وأنظمة التأريض. تحمل اللحامة الواحدة تيارًا يزيد عن 1000 أمبير، دون وجود فواصل قابلة للتآكل.

الآلات الثقيلة : إصلاح مكونات فولاذية ضخمة، مثل أعمدة مراوح السفن التي تزن 10 أطنان أو بكرات مصانع الصلب. في مشروع عام 2019، تم إصلاح إطار مكبس مكسور باستخدام لحام الثرميت في أقل من ساعتين، مما جنّب الشركة أسابيع من التوقف عن العمل.

استخدامات أخرى : تاريخياً، كانت قنابل الثيرمايت الحارقة تُستخدم لتعطيل المدفعية في الحربين العالميتين الأولى والثانية. أما اليوم، فهي حل طارئ لإصلاح خطوط الأنابيب البعيدة أو الهياكل الفولاذية في الدول النامية.

مزايا وعيوب اللحام بالثيرميت

لحام الثيرميت له مزايا وعيوب فريدة. إنه توازن بين البساطة والكفاءة الحديثة.

المزايا	عيوب
لا حاجة للكهرباء	مواد باهظة الثمن وعمالة ماهرة
لحامات قوية وناعمة ذات متانة كبيرة ومقاومة للتآكل	دقة محدودة وإمكانية إعادة الاستخدام - طلقة واحدة لكل لحام
الإعداد البسيط	مخاطر السلامة المتعلقة بالمعادن المنصهرة والأبخرة

بروتوكولات السلامة للحام الثيرميت

تتطلب حرارة ومواد لحام ثيرميت الحذر. إليك كيفية الحفاظ على سلامتك:

1. المخاطر : حروق من المعدن عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية، إصابة العين من الضوء الشديد، استنشاق الأبخرة.

2. البروتوكولات :

• ارتدِ معدات الحماية الشخصية المقاومة للحرارة قفازات لحام, لحام خوذة، والمئزر.
• توفير التهوية - تجنب الأماكن المغلقة لتبديد الأبخرة.
• استخدم قوالب وأدوات جافة - فالماء قد يؤدي إلى حدوث انفجارات.
• قم بالتدريب جيدًا - تتطلب عملية الإشعال والسكب الدقة.

يتم إحتوائه

لحام الثيرميت من عجائب الكيمياء والهندسة، إذ يُحوّل المسحوق إلى معدن منصهر لتكوين روابط غير قابلة للكسر. وانطلاقًا من جذوره في السكك الحديدية ووصولًا إلى استخداماته المتخصصة في العصر الحديث، يجمع هذا اللحام بين البساطة والقوة، على الرغم من ازدياد استخدام الأساليب الحديثة.

هل ترغب بمعرفة المزيد عن تطبيقات اللحام؟ اقرأ مدوناتنا حول: " تطبيقات اللحام ومزاياها ". أو يمكنك معرفة المزيد عن أنواع اللحام المختلفة في " أنواع اللحام المختلفة: دليل شامل ".

الأسئلة الشائعة

هل اللحام بالثيرميت هو نفسه اللحام الطارد للحرارة؟

نعم، إنهما اسمان لنفس العملية القائمة على التفاعل.

هل يمكن استخدام اللحام الحراري على الألومنيوم؟

لا، فالتفاعل يتطلب معادن متوافقة مثل الفولاذ أو النحاس، وليس الألومنيوم نفسه.

كم من الوقت تستغرق عملية اللحام بالثرميت؟

من الإعداد إلى النهاية، حوالي 30 إلى 60 دقيقة، ويعتمد الحجم على ذلك.

كم من الوقت يستغرق لحام الثيرميت؟

تبدأ الطريقة بخلط خليط الثرمايت وإشعاله. عند إشعاله، يُنتج التفاعل درجات حرارة عالية جدًا (عادةً ما تتراوح بين ٢٥٠٠ درجة مئوية و٤٥٠٠ درجة فهرنهايت تقريبًا).

يتم بعد ذلك صب المعدن في قالب أو فجوة موجودة بين قطع العمل، وعندما يتصلب، فإنه يشكل رابطة قوية ودائمة.

هل اللحام بالثيرميت مناسب لجميع أنواع المعادن؟

تُستخدم هذه الطريقة بشكل رئيسي في لحام المعادن الحديدية (مثل الفولاذ) مثل لحام السكك الحديدية. كما توجد أشكال مختلفة من عملية الثرمايت في المعادن غير الحديدية (مثل النحاس)، حيث يُضبط أكسيد المعدن داخل خليط الثرمايت وفقًا للتطبيق المُقترح.