Thermitschweißen: Prinzip, Prozess, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- & Nachteile

Thermitschweißen (Thermite Welding)

In diesem Artikel erfahren Sie alles über Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile des Thermitschweißens. Es handelt sich um ein Schmelzschweißverfahren, bei dem die Metall-Metall-Verbindung durch Aufschmelzen des Grundmaterials oder durch Einbringen von flüssigem Füllmaterial entsteht. Es wird zu den chemischen Schweißverfahren gezählt, da die nötige Schmelzwärme durch eine exotherme chemische Reaktion bereitgestellt wird. Der Begriff „Thermit“ bezeichnet ein Gemisch aus Aluminium und Eisenoxid im Gewichtsverhältnis 1:3. Das Verfahren wurde 1898 von Goldschmidt entdeckt und wird hauptsächlich zum Schweißen von Schienen und elektrischen Verbindungen eingesetzt.

Prinzip

Thermitschweißen ist ein flüssigphasiges chemisches Schweißverfahren: Die Verbindungsbildung erfolgt im flüssigen Zustand. Praktisch ist es eine Kombination aus Schweißen und Gießen – flüssiges Eisen wird an die zu verbindenden Platten gegossen und erstarrt zu einer dauerhaften, festen Verbindung. Der flüssige Zustand wird ohne externe Wärmequelle oder konventionellen Ofen erreicht, daher die Einordnung als Schweißverfahren. Verwendet wird ein Gemisch aus Aluminium und Eisenoxid im Verhältnis 1:3 (Gewicht). Die chemische Reaktion lautet:

8 Al + 3 Fe₃O₄ → 9 Fe + 4 Al₂O₃ + Wärme

Die Reaktion liefert Aluminiumoxid und Eisen und setzt enorme Wärme frei, die das Gemisch in flüssigen Zustand versetzt. Da flüssiges Eisen eine höhere Dichte als Aluminiumoxid hat, setzt es sich am Boden des Tiegels ab. Eine Öffnung am Tiegelboden lässt das flüssige Eisen an die zu verbindenden Platten fließen. Dies ist das Grundprinzip des Thermitschweißens.

Ausrüstung

Feuerfester Tiegel (Refractory Crucible)

Die Thermitreaktion findet in einem feuerfesten Tiegel statt, der aus Graphit oder anderen feuerfesten Materialien besteht, die Temperaturen um 3000 °C standhalten. Am Boden befindet sich ein Auslass für das flüssige Metall. Der aus Aluminiumoxid gebildete Schlacke schwimmt aufgrund der Dichteunterschiede auf dem flüssigen Eisen und wird dort entfernt.

Thermitgemisch

Ein Gemisch aus Aluminium und Eisenoxid im korrekten Verhältnis (ca. 1:3 Gewichtsanteile). Beim Kupferschweißen wird Kupferoxid mit Aluminium verwendet.

Form (Mold)

Die Form besteht aus Graphit (Dauerform für gleiche Verbindungen) oder Sand (bei wechselnden Geometrien). Für Sandformen wird ein Wachsmodell verwendet. Der Sand wird um das zu verbindende Teil herum verdichtet. Die Form enthält Anguss, Speiser, Gießsystem, Wachsausschmelzöffnung – wie beim Gießen.

Wachsmodell

Dient zum Formen der Sandform um die zu schweißenden Teile. Der Sand wird um das Wachsmodell verdichtet. Nach dem Verdichten wird die Form erhitzt – das Wachs schmilzt und läuft aus.

Formkasten (Moulding Flask)

Die Sandform wird im Formkasten erstellt. Das Wachsmodell (um die Schweißfuge herum) wird in die Mitte des Kastens platziert. Formsand wird in den Kasten gestampft.

Formgriffklemme (Mold Handle Clamp)

Klemme zur Fixierung des Formkastens an den Schweißplatten.

Zündpulver (Ignite Powder)

Zum Anzünden des Thermitgemischs ist Vorwärmen nötig, das durch Zündpulver erfolgt. Es ist hochentzündlich und erreicht ca. 1300 °C – die Zündtemperatur der Thermitreaktion.

Funktionsweise

Thermitschweißen ähnelt einem Gießprozess, bei dem der flüssige Zustand durch chemische Reaktion entsteht. Ablauf:

• Beide zu verbindende Werkstücke werden gereinigt.
• Ein Wachsmodell wird um die Schweißfuge herum erstellt.
• Ein Formkasten wird mit der Formgriffklemme um die Fuge fixiert. Das Wachsmodell sitzt in der Kastenmitte.
• Formsand wird um das Wachsmodell gestampft, um die Form zu erstellen (mit Anguss, Speiser, Gießsystem, Wachsauslass etc.).
• Die Form wird erhitzt, um das Wachsmodell zu entfernen. Das Wachs schmilzt und läuft über den vorbereiteten Auslass am Boden der Sandform ab.
• Das Thermitgemisch wird in den feuerfesten Tiegel gefüllt. Zündpulver wird daraufgegeben und mit einem Magnesiumband gezündet.
• Die Thermitreaktion startet, setzt enorme Wärme frei und bildet flüssiges Eisen, das vom Tiegel in die Sandform fließt.
• Das flüssige Metall füllt die Schweißfuge und verschmilzt das Grundmaterial zu einer dauerhaften Verbindung. Abkühlen lassen. Danach Formkasten entfernen.
• Nach Demontage wird nachbearbeitet (Gratschweißen, überschüssiges Metall entfernen).

Ein Video verdeutlicht den Ablauf zusätzlich.

Anwendungen

• Hauptsächlich Ortsschweißen von Schienen.
• Früher für dicke Platten (vor Einführung des Elektroschlackeschweißens).
• Reparatur schwerer Gussteile.
• Schweißen von Kupferkabelverbindungen.
• Strukturverbindungen in großen Schiffen.
• Verbindung von Rohren, dicken Platten etc. an Orten ohne Stromversorgung.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Einfaches und unkompliziertes Verfahren.
• Geringe Investitionskosten.
• Hohe Metallverbindungsrate.
• Vor Ort durchführbar, wo Gießen unmöglich ist.
• Funktioniert ohne Stromversorgung.

Nachteile

• Begrenzt auf wenige Metalle (Eisen, Kupfer).
• Unwirtschaftlich für leichte Bauteile.
• Stark abhängig von Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Ausrichtung der Werkstücke etc.).

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Bildquelle: slideshare.net