전원 없이 3000°C에서 용접하는 방법은 무엇일까요? 테르밋 용접을 만나보세요. XNUMX년 이상 이어져 온 매혹적인 기술로, 오늘날까지도 산업에 혁신을 일으키고 있습니다. 매끄럽고 내구성 있는 접합부로 유명한 테르밋 용접(또는 발열 용접)은 내부 열원을 사용하여 금속을 녹여 접합합니다.
테르밋 용접이란?
테르밋 용접은 금속 산화물(일반적으로 산화철)과 알루미늄 분말의 반응을 이용해 접합을 위한 용융 금속을 생성하는 발열 용융 용접 공정입니다.
아크나 가스 형태의 외부 에너지가 필요하지 않습니다. 혼합물, 즉 테르밋에 불을 붙이는 데는 스파크만 있으면 됩니다. 생성된 것은 금형을 채우는 과열된 액체 금속 웅덩이이며, 식으면서 부품들이 용융됩니다.
퍼블릭 도메인, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1719556
이 과정은 1895년 독일 화학자가 처음 개발했습니다. 한스 골드슈미트는 알루미늄열처리 공정을 개발했습니다. – 테르밋 용접 공정의 기초.
1904년에는 이 방법을 이용해 철도 유지관리가 혁신적으로 바뀌어, 작업자들이 무거운 기계 없이도 현장에서 레일 끝부분을 용접할 수 있게 되었습니다.
20세기 유럽의 확장되는 철도망에 불씨를 던지는 승무원들을 상상해 보세요. 철도의 전성기는 1920년대에서 30년대였으며, 전 세계적으로 수백만 건의 용접이 기록되었습니다. 오늘날에는 예전만큼 많이 사용되지는 않지만(60년 철도 업계 보고서에 따르면 2000년 이후 2022% 감소), 원격 수리 및 특수 용도로는 여전히 사용되고 있습니다.
테르밋 용접의 과학
테르밋 용접은 제어된 화학 반응에 달려 있습니다.
8알루미늄 + 3철3O4 → 9Fe + 4Al2O3 + heat
작동 원리는 다음과 같습니다. 알루미늄 8단위가 자철광(Fe₃O₄) 3단위와 결합해 용융철 9단위와 산화알루미늄 슬래그 4단위를 생성하고, 반응 중심에서 최대 4500°F(2500°C)에 달하는 열이 발생합니다.
약 3000°C의 용융 철을 주형에 부어 금속 조각을 접합합니다. 일반적인 테르밋 조합은 알루미늄 분말 1부, 산화철 3부를 중량비로 혼합하여 밝은 회색 분말로 분쇄하는 것입니다.
특수 용접에는 인성을 높이기 위해 망간, 내식성을 높이기 위해 니켈과 같은 합금 원소를 첨가하여 철의 특성을 바꿀 수 있습니다.
이 자립형 발열 반응은 점화 시 약 850kJ/mol의 에너지를 방출하는데, 이는 토치나 발전기 없이 강철 가장자리를 녹이는 데 필요한 에너지를 훨씬 초과합니다. 재미있는 사실: 테르밋 열은 제XNUMX차 세계 대전 당시 전차 장갑을 녹이는 데에도 사용되었습니다. 현재는 정밀 용접에 사용됩니다.
테르밋 용접 공정: 단계별
예비
금속 표면(예: 레일 끝부분)을 철사 브러시로 깨끗이 닦아 녹과 먼지를 제거하세요. 이음새 크기에 따라 1~2cm 간격을 두고 정렬하세요.
내화모래나 세라믹을 사용하여 틈새 주위에 틀을 만들고, 용접 모양(예: 레일 헤드)에 맞게 모양을 만듭니다.
프로판 토치로 주변을 10~15분 동안 300~500°C로 예열하여 수분을 제거하고 용융되도록 합니다. 습기는 위험합니다. 습기가 고이면 증기 폭발 위험이 있습니다. (레일 용접의 경우, 500°C로 예열하면 용융 철이 깊이 접합되어 균열 발생을 줄일 수 있습니다.)
장비 설정
금형 위에 도가니(일반적으로 흑연으로 코팅된 강철)를 놓고, 나사 구멍으로 연결합니다. 일반적인 도가니에는 레일 용접에 필요한 테르밋 5~10kg이 들어갑니다.
점화용 분말(과산화 바륨이나 마그네슘 리본)을 얹은 테르밋 혼합물을 충전합니다.
설치물을 제자리에 고정하세요. 기울이면 3000°C의 금속이 쏟아질 위험이 있습니다.
반응
부싯돌 총이나 불꽃놀이용 불꽃으로 가루에 불을 붙입니다. 반응은 20~30초 동안 지속되며, 테르밋이 점화되면서 밝은 섬광과 쉿쉿거리는 소리가 납니다.
완료되면 도가니를 두드려 금형에 녹은 쇳물을 채우세요. 몇 초 안에 쇳물이 채워집니다. 잉여 금속은 금형에 걸려 접합부에 칼라(Collar)가 형성됩니다.
마감
- 15~30분 동안 자연적으로 식힙니다(강제 냉각은 용접 강도를 감소시킵니다).
- 망치로 곰팡이를 부수면 용접과 슬래그 층(산화 알루미늄)이 드러납니다.
- 매끄럽고 깨끗한 마감을 위해 각도 연삭기로 여분의 금속을 잘라냅니다.
테르밋 용접의 종류
테르밋 용접은 모든 금속에 적용되는 것은 아닙니다. 각 유형은 특정 금속에 대한 반응을 조정하기 때문에 강철 외에도 다양한 금속에 적용할 수 있습니다.
- 표준 테르밋 용접: 산화철과 알루미늄을 사용하여 강철을 용접합니다. 철도 선로에 적합합니다.
- 구리 테르밋 용접: 구리 부품을 결합하기 위해 산화철을 구리 산화물로 바꾸는데, 이는 전기 접지 시스템에서 흔히 사용됩니다.
- 특수 변형: 특정 응용 분야를 위한 마그네슘 기반 혼합물이나 독점 혼합물(예: Orgo-Thermit의 "SkV Weld")이 포함됩니다.
테르밋 용접의 응용
테르밋 용접은 실용적이고 위험도가 높은 시나리오에서 빛을 발합니다.
철도 용접: 레일 끝을 서로 연결하여 중단 없는 궤도를 만들며, 끊어지지 않는 강도로 인해 높이 평가됩니다.
출처: Ernest Stütz: 미국 실무에서의 테르밋 공정
전기 조인트: 구리 테르밋은 모선, 송전선, 접지 시스템을 연결합니다. 한 번의 용접으로 1000암페어 이상의 전류를 흐르게 하며, 부식될 이음매가 없습니다.
중장비: 10톤 선박 프로펠러 샤프트나 제철소 롤과 같은 대형 강철 부품을 수리합니다. 2019년 프로젝트에서는 테르밋 용접으로 파손된 프레스 프레임을 2시간 이내에 수리하여 몇 주에 걸친 가동 중단을 방지했습니다.
기타 용도: 역사적으로 테르밋 소이탄은 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전에서 포병대를 무력화시켰습니다. 오늘날에는 외진 파이프라인 수리나 개발도상국의 구조용 강철을 위한 응급 처치로 사용됩니다.
테르밋 용접의 장단점
테르밋 용접은 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 견고함과 단순함, 그리고 현대적인 효율성 사이에서 균형을 이루는 방식입니다.
| 장점 | 단점 |
| 전기 필요 없음 | 매우 비싼 재료와 숙련된 노동력 |
| 뛰어난 내구성과 내식성을 갖춘 강력하고 매끄러운 용접 | 제한된 정밀도와 재사용성 - 용접당 한 번의 샷 |
| 간단한 설치 | 용융 금속 및 연기 안전 위험 |
테르밋 용접을 위한 안전 프로토콜
테르밋 용접은 열과 재료에 주의해야 합니다. 안전을 유지하는 방법은 다음과 같습니다.
1. 위험: 3000°C의 금속으로 인한 화상, 강한 빛으로 인한 눈 손상, 증기 흡입.
2. 프로토콜:
- 내열성 PPE를 착용하세요 용접 장갑, 용접 헬멧, 그리고 앞치마.
- 환기를 잘 시키세요. 연기를 없애기 위해 밀폐된 공간은 피하세요.
- 건조한 틀과 도구를 사용하세요. 물은 폭발을 일으킬 수 있습니다.
- 철저하게 훈련하세요. 점화와 붓기에는 정밀함이 필요합니다.
마무리
테르밋 용접은 화학 및 공학의 경이로운 기술입니다. 분말을 용융 금속으로 변환하여 깨지지 않는 결합을 형성합니다. 철도에서 유래된 기술부터 오늘날의 틈새시장까지, 테르밋 용접은 새로운 기술의 침투에도 불구하고 단순함과 강력함을 동시에 구현합니다.
용접 응용 분야에 대해 더 자세히 알고 싶으신가요? 다음 블로그를 읽어보세요: "용접 응용 분야 및 장점”. 또는 “에서 다양한 용접 유형에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.다양한 유형의 용접: 포괄적인 가이드".
FAQ
테르밋 용접은 발열 용접과 같은가요?
그렇습니다. 둘 다 같은 반응 기반 프로세스를 지칭하는 두 가지 이름입니다.
알루미늄에 테르밋 용접을 사용할 수 있나요?
아니요. 이 반응에는 알루미늄 자체가 아닌 강철이나 구리와 같은 호환되는 금속이 필요합니다.
테르밋 용접 공정은 얼마나 걸리나요?
설치부터 마무리까지 약 30~60분이 걸리며, 크기에 따라 달라집니다.
테르밋 용접은 얼마나 걸리나요?
이 방법은 테르밋 혼합물을 혼합하고 점화하는 것으로 시작됩니다. 점화되면 반응으로 인해 매우 높은 온도(일반적으로 약 2500°C~4500°F)가 생성됩니다.
그런 다음 금속을 기존의 틀이나 작업물 사이의 틈에 붓고, 굳으면 단단하고 영구적인 결합을 형성합니다.
테르밋 용접은 모든 유형의 금속에 적합합니까?
이 공정은 주로 철 금속(예: 강철)의 레일 용접에 사용됩니다. 비철 금속(예: 구리)에도 테르밋 공정의 변형이 있는데, 이 경우 테르밋 혼합물 내의 금속 산화물은 제안된 용도에 따라 적절히 조절됩니다.
