Термитная сварка: применение, оборудование, технология сварки

Что такое термитная сварка

 

Термитная сварка — это метод соединения металлических деталей путем сжигания термита — специального порошкового состава, состоящего из оксида металла и алюминия. В состав смеси входят магниевый и алюминиевый порошок, окалина и металлические добавки.

 

Термитная сварка также имеет другое название — сварка ядра. Это подтип сварочного процесса, в котором источником энергии является термит. Он используется для сварки рельсов, ЭХЗ и других конструкций. Термит представляет собой смесь металлов в виде порошка. Часто используются алюминий, магний и камень.

 

В этом случае обычные режимы сварки, включая ручную дуговую сварку и полуавтоматическую сварку, не всегда подходят и не всегда осуществимы. При соединении больших металлических конструкций требуются особые условия, и такая необходимость часто возникает за пределами населенных пунктов. Разумеется, об источниках питания, инверторах и газовом оборудовании речи не идет. Термитная сварка — единственный вариант.

 

История термитной сварки

История термитной сварки насчитывает около ста сорока лет. Начало этому процессу было положено еще в 1 8 5 9 году русским ученым Н.Н.Бекетовым, который открыл алюминотермию и описал алюминотермическую реакцию. Его суть заключается в производстве металлов и сплавов путем восстановления их оксидами алюминия. Поскольку в результате этой реакции выделяется большое количество тепла, ее называют термитной реакцией.

 

Чуть позже, в 1 8 98 году в Германии, химик Ганс Гольдшмидт усовершенствовал этот процесс в промышленных масштабах и адаптировал его для сварки железнодорожных рельсов. Своей работой профессор Гольдшмидт внес значительный вклад в развитие практического применения термитной сварки.
Он сформировал сварной шов, заполнил его термитной смесью и поджег. Образовавшееся перегретое жидкое железо расплавило края брусков и, закристаллизовавшись, превратилось в шов, соединив их вместе.

 

Шлак стекал вверх и легко отделялся от сварного шва. Основной трудностью при использовании алюмотермиков была плохая контролируемость процесса. Смесь могла мгновенно вспыхнуть, а иногда вообще не воспламенялась. Г. Гольдшмидт преодолел эту проблему, применив к холодному заряду воспламенитель из перекиси бария.

 

Впервые термитная сварка была применена в Москве в 1 91 5 году, когда было сварено 1 2 6 швов. Еще 1 5 1 сварной шов был сварен в 1 91 8 году. Соединения в московских трамваях начали сваривать с помощью термита в 1 92 3 году. В 1 92 3 году было сварено 6 1 2 сварных швов, а в 1 92 4 году — почти 4 000 сварных швов. В последующие годы с помощью термита было сварено более 1 0 0 тысяч стыков в московских трамваях.

 

До 1925 года сварные швы заваривались импортным термитом. Если первоначально рельсовые стыки сваривались импортным термитом, то с 1 92 3 года было организовано промышленное производство отечественного термита. Метод получения алюминиевой пудры путем воздушной пульверизации жидкого алюминия, предложенный М. А. Карасевым в 1 92 5 году, оказался наиболее эффективным и в настоящее время широко используется в мировой практике для производства различных металлических порошков.

 

М.А. Карасев внес большой вклад в развитие алюмотермики, организовав производство термитных смесей для народного хозяйства на основе отечественной технологии. Он предложил рациональные способы производства алюминиевой пудры и термита.

 

Он получил авторские свидетельства на «аппарат для производства гранулированного алюминия», «шаровую мельницу для производства алюминиевого порошка», «печь для механического обжига железных обрезков и окалины в производстве термита» и др.

 

Книга «Термит и термитная сварка железнодорожных рельсов» М. А. Карасева, опубликованная в 1 93 6 году, уникальна тем, что в настоящее время не существует технической литературы по термитной сварке.

 

Использование отечественного термита для сварки рельсовых стыков показало его превосходство над импортным термитом. Рельсовые стыки, сваренные бытовым термитом, имеют гораздо меньший процент брака. Это подтверждают результаты эксплуатации первой очереди Московского метрополитена. Например, на каждый рельсовый стык на участке Сокольники — Парк Культуры в 1 93 8 году приходилось 1 3 ,4 млн ударов при интенсивности нагрузки 5 3 млн т-км.

 

В 1 93 6 году дефектными были 0,1 7 % швов, в 1 93 7 и 1 93 8 годах — по 0,5 %.

 

Из числа показанных неудачных соединений 7 5 % были повреждены из-за отверстий под болты в зоне сварки.
В те же годы термит начал внедряться и в другие отрасли промышленности. В частности, была разработана и успешно осуществлена термитная сварка стыков легированных труб первого прямоточного котла высокого давления, термитная сварка применялась для ремонта крупных стальных деталей: валов, колонн и т.д.

 

 

С тех пор реакция используется в различных областях техники, но особенно для термической сварки рельсов различного профиля и назначения.

 

 

 

Особенности термитной сварки

 

Технология позволяет одинаково легко сваривать черные и цветные металлы без использования дополнительного оборудования.

 

Спрос на термитную сварку обусловлен ее преимуществами перед другими видами:
сокращение времени работы;
Эстетичный внешний вид, высокое качество швов;
низкие затраты на рабочую силу;
высокая квалификация не требуется;
Термит свободно продается в специализированных магазинах по низкой цене;
Его можно использовать в отдаленных районах и на больших расстояниях, поскольку он не требует электричества или газовых баллонов.
Термитная реакция записывается следующей формулой:
Fe2 O3 + 2 Al =>Al2 O3 +2 Fe + 7 6 0 кДж, где
Fe2 O3 — оксид трехвалентного железа (визуально похож на обычную ржавчину);
2 Al — порошкообразный алюминий;
Al2 O3 — состав шлака;
Fe — чистое железо.
Реакция очень бурная и длится 1 5 -3 0 секунд.

 

 

Температура термитной сварки

 

Температура горения металлического порошка достигает 2 4 00-2 7 00 градусов Цельсия. Этого достаточно для расплавления большинства металлов.

 

Суть термитной реакции заключается в том, что алюминий способен восстанавливать оксиды металлов с выделением большого количества тепловой энергии. Это приводит к изменению потенциального состояния системы и рекристаллизации участвующих компонентов.

 

Большая часть тепловой энергии, выделяемой при термитной реакции, поддерживает металл в жидком состоянии в течение длительного времени, но выше жидкого состояния металл сильно перегревается, что делает его пригодным для различных технологических применений.

 

Термитная реакция отличается от свободного горения веществ тем, что она происходит благодаря кислороду, связанному в оксидах металлов. Поэтому реакция протекает в ограниченном объеме и под вакуумом.

 

Для начала термитной реакции в объеме термитной смеси необходимо обеспечить нагрев выше 1 3 5 0 °C. Это позволяет фронту реакции быстро распространиться по всему объему термитной смеси.

 

 

Виды термитной сварки

 

 

Муфельная термитная сварка

 

 

Термитная сварка подразделяется на 2 основных типа:
Тройник (алюминиево-термический). Первый подтип используется для соединения кабелей и проводов малого диаметра. Термит состоит на 7 0% из железа и на 2 5 % из алюминия. Когда он сгорает, оставшееся железо образует надежное соединение.

 

Тигельная термитная сварка

 

Второй тип используется для наплавки при восстановлении рельсов. Его можно использовать для сварки чугуна без швов, но он не подходит для алюминия.
Подавитель. Здесь используется термит на основе магния. При горении состав не распределяется, а впитывается в шов. Это создает бесшовный шов.

 

Существуют различные техники применения этого вида сварки:
Стыковая сварка. Стыки соединяемых деталей зачищаются, а затем оборачиваются термитной фольгой. Когда металл из тигля плавится, он заполняет зазор и прижимает поверхности друг к другу.

Посредник. Используется, когда компоненты необходимо соединить под нужным углом. Предварительная обработка поверхности не требуется. Расплавленная смесь заполняет пространство между деталями и застывает.

Комбинированный (объединяет 2 предыдущие версии). Используется для ремонта рельсов: их сначала сваривают встык, а затем стык заваривают снова.

Дуплекс. После того как металл заливается в шов, он находится под давлением.

 

 

Применение термитной сварки

 

Для сварки рельсов используется термит (алюминиевый термит) — термит используется для сварки и расфасован в определенные порции. Работы выполняются командой из двух-трех человек. Общий вес используемого оборудования не превышает 3 5 0-4 00 кг. Автономные источники питания используются для сварки и связанных с ней технологических операций.

 

Алюминиево-термитная сварка рельсов имеет ряд преимуществ перед контактной сваркой: она не требует сложного и дорогостоящего оборудования, большого количества рабочих и длительных перерывов в движении поездов. Кроме того, его можно использовать для сварки на выключателях. Сварка одного рельсового стыка занимает около 5 0 минут, и можно увеличить производительность в одном окне, задействовав несколько сварочных бригад. Например, за два часа можно изготовить до 1 2 швов.

 

Автономность метода позволяет использовать его на любом расстоянии от населенного пункта. Особенно часто он используется для сварки железнодорожных путей. Высокая температура обеспечивает достаточный нагрев зоны соединения, а полученный сплав выдерживает высокие нагрузки во время эксплуатации.

 

 

Алюминиевый порошок термит используется при необходимости проведения наплавки на запасные части или заготовки, а также при сварке рельсов и чугуна, а также хрупких металлических сплавов.

 

Сварочный термит из производных магния используется при необходимости сварки электрических коммуникаций, телефонных проводов и т.д.

 

Алюминиевый порошок термит используется при необходимости проведения наплавки на запасные части или заготовки, а также при сварке рельсов и чугуна, а также хрупких металлических сплавов.

 

 

Преимущества термитной сварки

 

Преимуществами термитной сварки являются ее независимость от источников электроэнергии или газа, отсутствие необходимости в сложном оборудовании и тот факт, что сварные швы могут выполняться в условиях линии монтажниками, обслуживающим и эксплуатационным персоналом.

Существует ряд преимуществ термитной сварки перед электродуговой сваркой, например
Быстрая работа;
Доступные компоненты, которые свободно продаются в специализированных магазинах;
простота выполнения соединения, которая не требует длительной предварительной подготовки рабочего;
Нет необходимости в электричестве или громоздких газовых баллонах;
прочные сварные швы, противостоящие трещинам и силам разрушения.

 

 

 

Недостатки термитной сварки

 

Метод термитной сварки также имеет некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при выполнении работ. Во-первых, смесь является легковоспламеняющейся, что требует осторожности при транспортировке или подготовительных процессах. Случайно воспламенившийся контейнер с порошком невозможно погасить, а мгновенно повышающаяся температура может вызвать пожар, если он находится на легковоспламеняющихся материалах.

 

Во-вторых, нельзя допускать контакта воды или других жидкостей с горящей термитной смесью. Если в зону плавления порошка попадет некоторое количество воды, это может привести к взрыву и разбрызгиванию состава. Важно пройти обучение и следовать инструкциям по технике безопасности перед использованием этого метода сварки.

 

 

Технология термитной сварки

 

При сгорании порошков в термитной смеси выделяется большое количество энергии. Это расплавляет кромки соединяемых деталей, расплавленный металл смешивается с компонентами смеси, и сварной шов кристаллизуется.

 

Для активации процесса термической сварки необходимо поджечь приготовленную смесь. Для этого генерируется температурный импульс примерно 1 3 5 0°C. Он создается путем подрыва пиротехнического патрона, электрического разряда или воспламенения специальной проволоки.

 

В зависимости от компонентов, из которых состоят термиты, температура их горения будет различной. Например, присутствие алюминия и магния позволяет достигать температуры до 2 5 00°C, а хрома — до 3 5 00°C. Это превышает температуру плавления большинства металлов, что значительно расширяет область применения данного процесса сварки. Еще одним преимуществом является то, что после поджигания термит горит даже под водой, поэтому его невозможно случайно потушить.

Рассмотрим пример термитной сварки на алюминиевой основе. Для воспламенения такого пороха необходима минимальная температура 1 3 00 градусов. Под его воздействием металлические структуры испаряются, и на их поверхности образуются микротрещины. Нагретый алюминий способен не только восстановить металл, но и обеспечить плотное и прочное соединение между отдельными частями. Соединяемые детали закрепляются в форме, которая может быть изготовлена из местных инструментов или приобретена в специальном магазине. Детали свариваются, охлаждаются и очищаются от заусенцев с использованием выбранного метода сварки.

 

 

Оборудование для термитной сварки

 

На первый взгляд, технология термитной сварки кажется элементарной. Однако это требует тщательной подготовки и наличия необходимых инструментов и оборудования. Термит заливается в тигель, который должен быть изготовлен из материала с высокой температурой плавления, например, керамики. Тигель оснащен специальным устройством для слива расплавленного металла.

 

Важным аспектом при сварке термитом является обеспечение иммобилизации, фиксации заготовок. Этого можно достичь с помощью различных устройств и приспособлений, таких как тиски или струбцины. Инструмент, используемый для обработки поверхности, зависит от типа металла и степени его загрязнения. Обычно используется абразивный диск или металлическая щетка.

 

После термитной сварки могут потребоваться дополнительные работы. Сварщик должен иметь кислородную горелку, резак и пилу по металлу.

 

Для выполнения термитной сварки различных материалов необходимы следующие компоненты

 

Вольфрамовые или керамические тигли с безопасным сливом расплавленного материала.

 

Зажимы и тиски, используемые для зажима и фиксации деталей.
Специальный набор инструментов: пила по металлу, кислородная горелка, газовая горелка, тигельный сосуд, полосовой термометр.

 

 

Дополнительные инструменты: проволочная щетка, абразивный диск. Подходит для очистки сварных швов и поверхностей.
Формы и штампы для литья (одноразовые и многоразовые).
Основным оборудованием для термитной сварки является тигель, в котором расплавляется и сгорает термит. Он оснащен сливом на дне. В зависимости от требований она изготавливается из тугоплавких металлов или керамики. Технология литья включает в себя формы и штампы для обработки расплавленного материала. Формы могут быть одноразовыми или многоразовыми.

 

Конечно, потребуются также зажимные и крепежные устройства. Кроме того, для термитной сварки используется кислородная горелка, горелка для предварительного подогрева и специальный запальник.

 

 

Материалы для термитной сварки

 

 

Термит может поставляться в виде порошка или (чаще всего) в специальных картриджах (карандашах). Такой карандаш состоит из проволочной основы, диаметр которой зависит от толщины свариваемой детали. Основание покрывается термитной смесью, состоящей из алюминиевых и железных опилок. Соотношение в смеси составляет 2 3 % алюминия и 7 7 % железа. Вместо алюминия в составе могут присутствовать другие металлы, которые могут иметь различное соотношение к оксиду железа: магний (3 1 %), кальций (4 3 %), титан (3 1 %) и кремний (2 1 %).

 

В конце патрона находится запальная грунтовка. Все картриджи тщательно упаковываются и хранятся в порциях, необходимых для применения. Доза термита зависит от свойств свариваемых деталей и может составлять от нескольких сотен граммов до нескольких десятков килограммов. Например, для алюмотермической сварки стандартного профильного рельса требуется 7 -8 кг термитного состава.

 

 

Термитные патроны

 

 

В промышленности используются специальные картриджи, которые имеют большую емкость и обеспечивают требуемую производительность. Они используются как на открытом воздухе, так и в помещениях. При сжигании термитного патрона рабочий должен находиться на безопасном расстоянии, чтобы не пострадать от высокой температуры.

 

 

Карандаш для термитной сварки

 

Сварочная горелка, или термитный карандаш, — это простой в использовании инструмент для сварки металлических деталей. Он не требует дополнительного оборудования, такого как электрическая или газовая сварка, и помещается в кармане. Не требуется трудоемкого обучения — им может пользоваться любой домашний мастер. Его можно использовать в походных условиях, в жару и холод, в дождь и ветер. Важно помнить, что сварочный карандаш — это быстрое решение проблемы.

 

Дальнейшее использование деталей потребует полного капитального ремонта.
Грифель карандаша состоит из спрессованной смеси оксида алюминия и железа. При воспламенении этого материала выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция). Химически происходит реакция восстановления Fe из оксида с участием Al. При разрыве молекулярных связей в оксиде выделяется тепловая энергия.

 

Температура реагирующих веществ повышается настолько, что восстановленное железо сразу переходит в жидкую фазу или просто плавится. Расплавленный металл проникает и заполняет отверстия, зазоры и трещины в соединяемых или ремонтируемых деталях.

 

Атомы кислорода, высвобожденные из молекул оксида, реагируют с алюминием, образуя оксид алюминия. Он действует как флюс, предотвращая повторное окисление расплавленного материала и участков, нагретых до температуры вязкости изделия.

 

Сварочный карандаш содержит все элементы, необходимые для сварки:
присадочный металл, образующий сварочный материал;
Флюс для защиты сварочной ванны от воздействия кислорода и азота, содержащихся в воздухе;
источник тепловой энергии для плавления металла.
Химический состав карандашей может быть разным. Вместо алюминия в качестве восстановителя можно использовать магний. Металл восстановителя выбирается в соответствии со сплавами, для сварки которых предназначена модель карандаша.

 

В карандашах, предназначенных для сварки на толстых деталях, в центр вставляется металлический стержень — его металл идет на формирование сварочного материала.

 

Основные преимущества карандаша для сварки металла включают:
Способность работать в самых узких и труднодоступных местах.
Энергетическая независимость — отсутствие необходимости в источниках электроэнергии или газа.
Небольшой размер — помещается в карман костюма.
Для выполнения этой работы не требуется длительного обучения или специальных навыков.
Его можно использовать как в мастерской, так и в полевых условиях.
Термостойкость шва составляет до 1 8 0°C, что делает прибор незаменимым при ремонте бытовой техники и посуды.
Дешевизна.

 

 

Подготовка термитной сварки

 

Количество термита, необходимое для полного расплавления сварных швов и всех происходящих химических реакций, рассчитывается заранее;
При использовании заряда (сыпучей формы термитной смеси) необходимо следить за тем, чтобы все ингредиенты были одинаковой консистенции и перемешивались до однородной массы;
температурный импульс должен быть не менее 1 3 5 0 °C.
Активная фаза химической реакции длится не более 3 0 секунд: жидкий металл заполняет зазор, а несгоревший остаток образует шлак.

 

Качество сварного соединения является важным показателем термитной сварки. Изделие должно быть соединено надежно, прочно и точно. Качество может зависеть от различных факторов, включая выбранный процесс. Обычно работа контролируется по уровню дефектов в сваренных металлических деталях.

 

На качество сварки могут влиять:
геометрические размеры;
структура, твердость, прочность;
поры, трещины, шлаковые включения;
Сочетание основного металла и металла с покрытием;
эстетические показатели;
деформация и структурные изменения;
Коррозионная активность сварных швов.

 

 

Алюминотермитная сварка рельсов

 

Чтобы выполнить алюминотермическую сварку рельсов, необходимо подготовиться:

бочка с термитом, закрытая пробкой;

форму в соответствии с профилем рельса;

если вместо бочки используется литейная смесь, необходим тигель из огнеупорного материала;

пресс для сжатия суставов;

мельница;

Молоток, зубило;

металлическая лопатка для удаления горящего шлака;

Газовая горелка для предварительного нагрева.

 

Расходные материалы, которые вам понадобятся:

мелкозернистый термит с размером зерен не более 0,5 мм;
Термитная паста для заделки трещин и разломов;
пропан и кислород к резаку в баллонах.

 

Перед началом работы убедитесь, что термита достаточно для полного заполнения шва, иначе придется все переделывать. Технология алюминотермической сварки железнодорожных стыков выполняется поэтапно, в строгой последовательности.
На участках рельсов, расположенных вблизи стыка, необходимо снять крепления к шпалам и ослабить дальнейшие участки. Это необходимо для того, чтобы они не мешали установке и снимали нагрузку с металла. Участки возле сварных швов нагреваются горелкой и очищаются от ржавчины. Затем рельсы выравниваются таким образом, чтобы расстояние между их концами составляло 2 5 мм.

 

Затем мы удаляем уплотнения на всех креплениях, заменяя их с обеих сторон клиньями. Рельсы должны быть прямыми по горизонтали и вертикали, чтобы выдерживать нагрузку от проходящих поездов без деформации. Первоначальная установка производится на глаз. Необходимое положение достигается путем вбивания клиньев. Для проверки поверхности рельсов используется метровая металлическая линейка.
Зажимное устройство устанавливается на соответствующем расстоянии от стыка, ориентируясь по калибру.

 

Наносится форма, а оставшиеся зазоры заделываются термостойкой пастой. Сверху устанавливается подставка с воронкой, на которую помещается бочка с термитом. При использовании термитной смеси требуется тигель. Прикрепите резак к центру стыка чуть выше оси рельса.
Пропан под давлением 1 ,5 бар и кислород под давлением 0,5 бар предварительно нагреваются на горелке. Через 1 ,5 — 2 минуты факел гасится и убирается. Эту процедуру можно пропустить, если к качеству сварки не предъявляются высокие требования.

 

После зажигания термитной смеси специальным запальником расплавленный металл начинает поступать в форму. В течение этого времени (2 0-3 0 секунд) тигель нельзя перемещать. После слива воды тигель удаляется, также как и крышки и лотки для шлака. Форма удаляется через 4 минуты, когда кристаллизация металла завершена.

 

Термитная сварка электрохимической защиты трубопроводов

 

Трубопроводы в земле и на поверхности корродируют по электрохимическому механизму, на поверхности металла образуются анодные и катодные зоны. Между ними возникает электрический потенциал, начинает течь ток и происходит коррозионное разрушение.

Для термитной сварки электрохимической защиты трубопроводов используются: одноразовые или многоразовые тигельные формы, термитная смесь, термитные карандаши, паяльные стержни, специальные спички или устройства дистанционного поджига. Термитный компаунд используется для приварки стальных и медных труб ECD диаметром 2 -5 мм к стальным трубопроводам с толщиной стенки не менее 5 мм. Использование термитной сварки на трубопроводах с толщиной стенки менее 5 мм запрещено, поскольку существует высокая вероятность прожога.

 

Существуют строгие требования к хранению термитной смеси: в сухом помещении с влажностью 8 0%, при температуре не выше 3 0 градусов, вдали от нагревательного оборудования. Формы для литья — обычно изготавливаются из графита и керамических материалов с высокой термостойкостью, оснащены специальными креплениями для фиксации на трубе во время сварки. Форма имеет мембрану, внутри которой термитная смесь отделяется от свариваемого материала.

Термитная смесь помещается внутрь тигельной формы, утрамбовывается и поджигается специальными спичками, которые вставляются в запальное отверстие в крышке тигельной формы или с помощью термического воспламенителя. Для воспламенения термитной смеси и термитных вставок используются термитные спички.

Термитный запал изготавливается из медленно горящей токопроводящей огнепроводной проволоки, которая поджигается обычными спичками или проволокой и запальником, воспламенение происходит на расстоянии. Зажигание может быть включено дистанционно с помощью радиопередатчика и приемника.

 

 

Паяльные стержни представляют собой медные термитные смеси, упакованные в цилиндрическую оболочку из ламинированной бумаги. Паяльные стержни ЭХЗ-1 1 5 0А предназначены для сварки ЭХЗ на трубах с толщиной стенки от 3 , 5 до 1 0 ,0 мм, ЭХЗ-1 1 5 0 — для сварки всех видов электрохимической защиты на трубах с толщиной стенки от 4 ,0 до 1 0 ,0 мм, ЭХЗ-1 1 5 2 — для сварки всех видов электрохимической защиты на трубах диаметром до 1 4 2 0 мм.

About the author

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.