Thermietlassen of exothermisch lassen van spoorrails

Exothermisch lassen is in tegenstelling tot MIG/MAG-, TIG- en BMBE-lassen een vrij onbekend lasproces. Exothermisch lassen wordt in tegenstelling tot de andere lasprocessen ook niet echt door een lasser uitgevoerd. In plaats daarvan vind het exothermisch lassen of het thermietlassen plaats op basis van een chemisch proces. Dit chemische proces komt tot stand door de chemische reacties tussen verschillende stoffen. Deze stoffen worden in poedervorm bij elkaar gebracht en bestaan onder andere uit de oxide van edeler metalen en minder edele metalen. Het mengsel van de stoffen wordt ook wel thermiet genoemd vandaar de benaming thermietlassen. Dit specifieke lasproces heeft voordelen en nadelen die er voor zorgen dat het thermietlassen niet voor alle materialen of lasverbindingen geschikt is. In de volgende alinea lees je meer over de eigenschappen van het thermietlassen.

Eigenschappen van thermietlassen
Het thermietlassen kenmerkt zich door de chemische reactie die plaatsvind door de thermiet te verhitten. Het lasproces is vrij kostbaar en komt tot stand doormiddel van een vlam met een temperatuur van ruim 2500°C. Men gebruikt voor dit lasproces thermiet dat nauwkeurig samengesteld moet worden. De samenstelling van thermiet is afhankelijk van de toepassing, kortom de materialen die aan elkaar moeten worden verbonden. Het poedervormige thermiet gaat onderling een reactie met elkaar aan maar ook met het materiaal dat aan elkaar gelast moet worden. Dat zorgt er voor dat er een smeltbad ontstaat. Dit smeltbad kan echter niet worden bijgestuurd zoals bij de meeste lasprocessen wel het geval is. In plaats daarvan moet men afwachten totdat het exothermisch lassen klaar is. Het proces kan dus niet worden gestopt. Bovendien reageert het lasproces heel heftig op vocht. Daarom kan men onder water beter niet gaan thermietlassen.

Thermietlassen van spoorrails
Thermietlassen wordt onder andere toegepast bij het maken van lasverbindingen tussen spoorrails. Hierbij maakt men gebruik van de reductie van ijzeroxide door aluminium. Aluminium is namelijk edeler materiaal dan ijzer. Bij het lassen van spoorrails gebruikt men een thermietmengsel van ijzer(III)oxide (rood ijzeroxide) en aluminiumpoeder. De lasverbinding komt tot stand bij een zeer hoge temperatuur van ruim 2500°C. Bij het maken van een lasverbinding in een voegloos spoor wordt een keramische mal geplaatst om de twee aan elkaar te lassen spoorstaven. In deze mal wordt het residu van het thermiet geplaats. Dit residu bestaat voornamelijk uit vloeibaar ijzer.
Door de hoge temperatuur van het thermietlassen vermengt het thermiet zich met het ijzer van de spoorstaven. Het is belangrijk dat de laskanten van de spoorstaven zich goed vermengen met het thermiet. Daarom worden de laskanten van de spoorstaven voorgegloeid met gasbranders. Dit voorgloeien gaat door totdat de laskanten roodgloeiend zijn. In totaal duurt het ongeveer vijfenveertig tot zestig minuten vanaf het begin van de voorbereidende werkzaamheden tot het moment dat de rails in gebruik kan worden genomen omdat deze voldoende is afgekoeld na het thermietlassen. Hieronder staan de verschillende stappen die moeten worden doorlopen voor, tijdens en na afloop van het thermietlassen van een spoorrails:

  • De spoorstaven worden uitgelijnd;
  • Rondom de plek waar de las moet worden aangebracht wordt een keramische gietmal aangebracht;
  • Bovenop de gietmal wordt een reactievat geplaatst;
  • Het reactievat wordt gevuld met thermiet dat de juiste samenstelling bevat;
  • De laskanten van de spoorstaven worden verhit met behulp van gasbranders. Dit verhitten gaat door tot de laskanten roodgloeiend zijn, dit is op ongeveer 900°C;
  • Het thermietmengsel wordt ontstoken;
  • De reactie die ontstaat duurt enkele minuten. Tijdens dit thermietlassen loopt de temperatuur op tot meer dan 2500°C;
  • Het staal van de spoorrails wordt vloeibaar, er ontstaat een smeltbad;
  • Het vloeibaar ijzer stroomt tussen de rails in de gietmal; Er ontstaat een slak van aluminiumoxide die blijft drijven op het smeltbad. Deze slak beschermt het hete ijzer tegen verbranding;
  • Na afkoeling worden het reactievat en de gietmal verwijderd;
  • De lasbraam wordt weggeslepen.

Belangrijke aandachtspunten tijdens het thermietlassen van spoorrails
Het thermietlassen is een lasproces dat chemisch is en niet meer gestopt kan worden als het eenmaal in gang is gezet. Dat zorgt er voor dat men zorgvuldig tewerk moet gaan. Een belangrijk aspect hierin is het voorbereiden. Men moet er voor zorgen dat de beide spoorstaven god zijn uitgelijnd. Daarnaast moet ook de keramische mal goed gesloten worden. Verder moet uiteraard ook de lasverbinding goed worden afgekoeld voordat men het spoor in gebruik neemt. Bovendien is ook de samenstelling van het thermiet van doorslaggevend belang voor de kwaliteit van de lasverbinding. Dit heeft onder andere te maken met de daadwerkelijke samenstelling van het materiaal van de las. Door het exothermisch lassen ontstaat namelijk een zuiver materiaal. In de volgende alinea is hiervan een voorbeeld gegeven.

Zuiver ijzer
De chemische reacties die tijdens het thermietlassen ontstaan zorgen er voor dat er zuiver ijzer ontstaat in de lasverbinding. Dit zuiver ijzer is minder sterk dan staal. Dat zorgt er voor dat de lasverbinding een zwakke plek vormt. Dat moet worden voorkomen. En daarom worden er in het thermietmengsel korrels toegevoegd van andere materialen. Deze materialen zijn verrijkt met koolstof en andere toevoegingen. Door dit extra toevoegmateriaal gaat er tijdens het thermietlassen wel warmte verloren maar ontstaat wel de gewenste samenstelling in de lasverbinding. Staal heeft namelijk een klein percentage koolstof waardoor het sterker is dan zuiver ijzer.

Voordelen en nadelen van thermietlassen

Thermietlassen wordt ook wel exothermisch lassen genoemd en is een lasproces dat gebaseerd is op de chemische reactie van verschillende stoffen waaronder metaaloxides van edele en minder-edele metalen. Voor thermietlassen gebruikt men vaak een lasmal die men uithakt in het materiaal. Ook kan men gebruik maken van een keramische lasmal. Een lasmal van keramiek bestaat uit verschillende delen en kan worden hergebruikt. Thermietlassen wordt vooral toegepast bij het lassen van spoorrails. Bij het thermietlassen van spoorrails maakt men gebruik van een thermiet dan bestaat uit ijzer(III)oxide en aluminiumpoeder. Tijdens dit thermietlasproces ontstaat een zeer hoge temperatuur van ruim 2500°C. Thermietlassen heeft verschillende voordelen en nadeel. Deze zijn hieronder weergegeven.

Voordelen van thermietlassen

  • Thermietlassen is een automatisch lasproces. Dat wil zeggen dat de chemische reactie blijft voortduren totdat het voltooid is. Er hoeft geen lasser aanwezig te zijn om het lasproces te sturen.
  • Voor thermietlassen is geen zuurstof nodig want dat komt uit het materiaal zelf.
  • Met thermietlassen kan men ongelijke metalen aan elkaar lassen. Zo kan men edele en minder edele metalen aan elkaar lassen. Het thermiet bestaat overigens ook uit de oxide van edele en minder edele metalen.

Nadelen van thermietlassen

  • Thermiet lassen is een lasproces dat ten opzichte van andere lasprocessen vrij kostbaar is.
  • Het feit dat het lasproces automatisch verloopt op basis van een chemische reactie kan ook een nadeel zijn. Het lasproces kan namelijk niet meer gestopt worden als het in werking is getreden. Het thermietlassen gaat dus door totdat alle thermiet op is.
  • Voor thermietlassen is geen zuurstof nodig, het lasproces gaat onder water gewoon door. In combinatie met water wordt het lasproces heftiger omdat water door de hitte ontleedt en deel neemt aan de chemische reacties. Thermietlassen is daardoor niet geschikt om als lasproces toe te passen in vochtige omgevingen.
  • De samenstelling van het thermiet moet nauwkeurig worden bepaald. Voor elke specifieke las moet men goed letten op de samenstelling van het thermiet.
  • Het lasproces kan niet gestuurd worden. Daarvoor zal men gebruik moeten maken van een mal.

Zuivere lasverbinding
Wanneer het thermietlasproces tot stilstand komt koelt de lasverbinding af. De lasverbinding bestaat uit een behoorlijk zuiver materiaal meestal is dit ijzer of koper. Deze zuivere lasverbinding kan een gunstig aspect zijn maar soms is een chemisch onzuiver materiaal gewenster. Denk hierbij aan staal dat bestaat uit ijzer en een klein percentage koolstof. Als het materiaal van de lasverbinding niet de gewenste samenstelling heeft zal men de extra stoffen moeten toevoegen. Het smelten van deze extra toevoegingen kost extra energie. Dit energieverlies gaat ten koste van de warmteopbrengst van de exotherme chemische reactie.

Wat is exothermisch lassen, thermietlassen of aluminothermisch lassen?

Exothermisch lassen wordt ook wel aluminothermisch lassen of thermietlassen genoemd en is een lasproces waarbij een lasverbinding wordt gemaakt doormiddel van een thermietreactie die ontstaat door een chemisch mengsel van poedervormige stoffen. Het poedermengsel dat voor thermietlassen wordt gebruikt noemt men thermiet vandaar de benaming thermietlassen. Dit is echter een fijn poeder dat een chemische werking heeft. Het poeder bestaat uit oxide van metalen, een edeler metaal en een minder-edel metaal. Er wordt gebruik gemaakt van een ontbrandingstemperatuur die tot stand komt door een zeer hete vlam. Men kan daarvoor aan het mengsel magnesiumpoeder toevoergen. Bij thermietlassen komt zeer veel energie vrij. Dat zorgt er voor dat het materiaal dat aan elkaar gelast moet worden gesmolten wordt. Zodra dit smeltbad afkoelt ontstaat er een lasverbinding.

Geschiedenis van thermietlassen
Exothermisch lassen is een lasproces ontwikkeld is door Hans Goldschmidt rond 1895. In eerste instantie werd het lasproces gebruikt voor ijzer (ferro). Door Dr. Charles Cadwell werden vanaf 1938 ook mogelijkheden bedacht om andere metalen exothermisch te lassen. Exothermisch lassen heeft procesnummer (ISO 4063) 71.

Lasmal
Thermietlassen is een proces dat gebaseerd is op chemische reacties die voor hitte en een smeltbad zorgen. Wanneer het proces van exothermisch lassen eenmaal in gang is gebracht gaat dit proces door tot het proces voltooid is. Voor een goede lasverbinding moet het thermiet en het smeltbad echter wel op de plek worden gehouden. De gedeeltes die aan elkaar gelast moeten worden zullen in de praktijk vaak in een mal worden geplaatst zodat het thermiet tijdens het thermietlassen op de juiste plaats blijft. De mal kan op verschillende manieren worden aangebracht. Zo kan men een mal samenstellen uit verschillende delen die elkaar goed omsluiten. Deze lasmallen bestaan uit keramisch materiaal.
Na het thermietlassen kan men de lasmal verwijderen zodat men deze kan hergebruiken. Soms wordt een lasmal weggehakt in het materiaal. Deze mal is belangrijk want deze houdt het smeltbad en het thermiet op de plaats en zorgt er tevens voor dat de lasverbinding de juiste vorm krijgt. Een dergelijke mal noemt men ook wel een lasmal.

Samenstellingen van thermiet
In de inleiding werd al aangegeven dat men voor de samenstelling van thermiet verschillende soorten metaaloxides gebruikt. Hierbij worden edele metaalsoorten met minder edele metaalsoorten gemengd. Voorbeelden van reacties die hierbij gebruikt worden:
• Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3 + ∆H: 851 kJ/Mol
• 3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3 + ∆H: 1203 kJ/mol
• 3 TiO2 + 4 Al → 3 Ti + 2 Al2O3 + ∆H
Met bovengenoemde samenstellingen kan men exothermisch lassen. Als dit lasproces eenmaal in werking is getreden hoeft er geen externe warmte meer te worden toegevoerd. Het lasproces is dan ook niet meer bij te sturen en gaat door tot alle beschikbare materiaal is omgezet.