Термітне зварювання

1 термітного зварювання

1.1 ПРИНЦИП ЗВАРЮВАННЯ

Термітами називаються порошкоподібні горючі суміші металів з оксидами металів, здатні згоряти з виділенням зна-ве кількості тепла і розвивати при цьому вельми високо-кую температуру. Терміти винайдені в кінці позаминулого століття. Вони застосовуються для виробництва деяких металів і сплавів.

Важливою сферою застосування термітів є зварювання ме-Таллі. Горючими металами в термітних сумішах можуть служити метали з великою теплотою утворення окислів, наприклад алю-міній, магній, кремній (особливо аморфний). Джерелом кисню в термітних сумішах є оксиди металів з порівняно невеликою теплотою освіти, наприклад, оксиди заліза, марганцю, нікелю, міді і т. П. Як джерело кисню в зварювальних термітів зазвичай застосовується залізна окалина, приблизно відповідає за складом магнітної окісі- за-рують заліза Fe3 04. містить 27,6% кисню і 72,4% заліза.

Найбільш важливим для зварювання є алюмінієвий терміт, який складається з металевого алюмінію в формі грубозер-ність порошку або крупи, зазвичай з величиною зерна близько 1 мм, і з залізної окалини приблизно з тієї ж величиною зерна. За зовнішнім виглядом алюмінієвий терміт є сипучу грубозернисту суміш з білих зерен (алюміній) і чорних зерен (залізна окалина). Для запалювання терміту його необхідно нагріти хоча б в одній точці до температури близько 1000 ° С. Що почалося горіння протікає досить бурхливо, швидко поширеною-вується на весь обсяг термітної суміші і проходить по реакції:

Терміт згорає повністю за 20-30 сек. Час горіння зави-сит від грануляції, т. Е. Розмірів зерен суміші: чим дрібніше зерно, тим швидше закінчується процес горіння. Екзотермічна реакція згоряння 1 кг алюмінієвої термітної суміші розвиває близько 750 ккал.

Незважаючи на те, що алюмінієвий терміт виділяє порівняй тельно невелика кількість тепла, в середньому 750 ккал на 1 кг суміші (1 кг хорошого кам'яного вугілля дає 7000 ккал), термітна суміш розвиває при згорянні вельми високу температуру. Це пояснюється тим, що згоряння терміту йде виключно за рахунок речовини самої суміші і 1 кг терміту при згорянні дає стільки ж, т. Е. 1 кг продуктів згоряння. Вугілля ж згорає за рахунок кисню повітря, і при спалюванні 1 кг вугілля в повітрі виходить близько 14 кг продуктів згоряння. За теоретичного розрахунку реакції згоряння терміта з урахуванням теплоємності про-дуктів згорання забезпечується температура

3000 ° С; таку ж температуру показують і безпосередні вимірювання. Тому продукти згоряння терміту - залізо (температура плав-лення близько 1500 ° С) і окис алюмінію А12 O3 (температура плав-лення 2050 ° С) виходять в розплавленому, рідкому і сильно перегрітому вигляді.

Якщо спалити терміт в вогнетривкому тиглі, то після закінчення реакції горіння продукти реакції - рідка сталь і шлак, що складається головним чином з окису алюмінію, швидко поділу-лятся на два шари: метал - шлак відповідно до питомої ваги продуктів реакції; з 1 кг термітної суміші утворюється 550 г розплавленої сталі і 450 г шлаку - розплавленої окису алюмінію. В зварювальні термітні суміші, крім алюмінію і залізної окалини, зазвичай вносять різні добавки з метою поліпшити склад і підвищити міцність термітного металу, збільшити загальний вихід металу при спалюванні суміші, кілька знизити температуру термітної реакції.

Для розкислення термітного металу, поліпшення його химиче-ського складу і підвищення механічної міцності в термітні суміші зазвичай вводять феросплави, головним чином Феррос-ліцій і феромарганець. Змінюючи кількість цих присадок, можна змінювати в широких межах хімічний склад і механічні властивості термітного металу, наприклад межа міцності можна змінювати від 40 до 75 кг / мм 2. Для збільшення виходу термітного металу і деякого зниження температури термитной реакції в термітну суміш для зварювання зазвичай додають технічно чисте залізо в дрібних шматочках в кількості 10-15% ваги термитной суміші. Для цієї мети найчастіше застосовують Обсічки - відхід при виробництві дротяних цвяхів. Остаточний склад тер-митний зварювальної суміші визначають розрахунком залежно від характеру роботи і складу металу, що підлягає зварюванню.

1.2 кордону ТА ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ

Розглянемо застосування і області використання термітного зварювання на прикладі зварювання рейкового стику - самому звичайному застосуванні термітного зварювання. При зварюванні тиском рідкі продукти виливають через край тигля (рисунок 1, а); при цьому місце зварювання спочатку заливається рідким шлаком, змочувальним метал і дає на його поверх-ності тонку плівку, що перешкоджає прилипанню термітного металу до основного. Рідкий метал надходить у форму слідом за шлаком, але не зварюється з основним металом і може бути вилучений після закінчення зварювання. Рідкий метал використовується лише як носій тепла для розігріву місця зварювання. Після того як рідка суміш випущена в форму і стик досить розігрітий, приступають до осадки. Для цієї мети застосовують стяжні преси, що наводяться вручну важільними ключами. При повороті ключів приходять в дію гвинтові стяжки, що створюють тиск і виробляють осадку розігрітих деталей. Стяжной прес (малюнок 2) надягають на місце зварювання до випуску розплавленої суміші.

Поверхня зварного стику повинна бути захищена від попа-дання термітного шлаку, для чого сполучаються поверхні ретельно приганяють, відшліфовують і перед зварюванням стягують зі значним тиском за допомогою стяжного преса. Так як рейкова сталь має обмежену свариваемостью в пласті-зації стані, то в стик перед зварюванням закладають платівку за профілем рейки з м'якої низьковуглецевої сталі з ретельно зачищені і відшліфованими поверхнями. При розігріві стику термітом підсилюють тиск, повертаючи стяжні гайки преса, і виробляють осадку.

Спосіб термітного зварювання тиском в тому вигляді, як він описаний вище, в даний час майже не застосовується, так як цей спосіб складний, копіткий, вимагає дуже ретельної пригону зварювальних поверхонь і дає значний розкид резуль-татів щодо міцності стику. Також трудомістка операція опади і установки стяжного процесу.

Значно дешевше і зручніше зварювання плавленням, так називаються ваемий спосіб проміжного лиття (рисунок 1, б). В цьому випадку рейки заформовують зі значним зазором (10-12 мм) в стику, тому особливо ретельної пригону і шліфування поверхонь, що з'єднуються не потрібно. Розплавлену суміш випускають через дно тигля. Вступник в форму перегрітий розплавлений метал оплавляє основний метал у зварного стику і сплавляється з ним в одне ціле. Термітний шлак, посту-Пающіє в форму слідом за металом, служить лише для додаткового-ного підігріву зварного стику і уповільнення його охолодження після закінчення зварювання. Осадового тиску і застосування Стяжи-ного преса не потрібно, рейки залишаються нерухомими в про-процесі зварювання. Тому можливо, наприклад, зварювати рейки, укладені в дорозі, без розшивки, що дозволяє зварювати батоги необмеженої довжини, вваривать шматки рейок в місцях вирізки пошкоджених стиків і т. П.

а - тиском; б - плавленням (проміжне лиття); в - комбінований

Малюнок 1. - Схеми термітного зварювання рейкового стику

Недоліки способу проміжного лиття: 1) кілька збільшена витрата терміту; 2) освіту литої структури ме-талію в звареному стику, що не ущільнюється осадоч-ним тиском і тому-му схильного до образо-ванию пір і раковин; 3) всі перетин стику для належного розігріву отримує значний обливши, видалення которо-го викликає відомі труднощі. Приходить-ся обрубувати і шліфувати поверхню катання і бічні грані головки рейки.

При комбінований-ном способі метал ви-пускають через дно тигля, заливку рідким металом ведуть лише до нижньої межі головки рейки (рисунок 1, в), а відшліфовані торці головок збирають зі вкладний платівкою нізкоуглероді-стій стали. При випуску рідкої суміші головку заливають шлаком і зварюють тиском при подальшій осаді стяжним прес-сом, в той час як шийка і підошва рейки виявляються зварений-ними плавленням за способом проміжного лиття. Комбінова-ний спосіб є найкращим і в даний час знаходить переважне застосування. Результати термітного зварювання рейкових стиків досить задовільні. Зварювання легко вести в польових умовах. Незважаючи на це, термітна зварювання рейкових стиків на залоз-них дорогах застосовується в обмежених розмірах і в даний час майже витіснена контактним зварюванням. Причиною служить досить висока вартість термітної суміші, дефіцитність ме-металевого алюмінію, низька продуктивність термітного зварювання. Цей вид зварювання зберіг своє значення для рейкових стиків трамвайних колій, так як в умовах міста інші методи зварювання рейкових стиків труднопріменіми.

1 - стяжна штанга; 2 - стяжна гайка; 3 - за-режимних гайка; 4 - термітний тигель; 5 - кришка тигля

Малюнок 2. - Стяжной прес для рейкового стику

1.3 Вибір основних і присадних матеріалів

Для групи матеріалів (сталей з Се <1,2%, стального литья, серого чугуна и алюминия) химический состав присадочных материалов определяют в зависи-мости от химического состава основного материала.

Присадний матеріал складається з порошкоподібного оксиду металу і порошкоподібного алюмінію і розплавляється в тиглі. Термітну суміш легованої-ють присадкою феросплавів, карбідів, оксидів і чистих елементів) Їх 20% -ва добавка до шихти знижує температуру розливається металу і по-вишает вихід присадочного матеріалу до 50%; інші 50% - шлак.

Присадні матеріали вибирають в залежності від технологічного ва-Ріанта зварювання і від характеру зносу поверхні при наплавленні.

Виробник: EfektrocnemischesWerk, Алімендорф, НДР.

Кількість присадочного матеріалу, кг:

де Vges - обсяг заповнюється простору, дм 3.

1.4 техніка зварювання

Розглянемо коротко техніку термітного зварювання. Термітну суміш спалюють в спеціальних вогнетривких тиглях (малюнок). Розмір тигля приймають відповідно до величини спалюваного порції терміту.

а - тигель; б - область днища тигля; 1 - корпус; 2 - фу-теровка; 3 - стакан; 4 - штепсель-втулка для випуску рас-плаву; 5 магнезитовий пісок; 6 - терміт; 7 - азбестовий гурток; 8 - запірний цвях; 9 - стакан

Малюнок 3 - Тигель для спалювання терміту

Тигель має корпус 1 з листового заліза з внут-ренней вогнетривкої магнезитової футеровкою 2. При спалюванні першої порції терміту футерування кілька оплавляється і зашлаковуватися окисом алюмінію термітної суміші.

Залежно від розмірів виробу, що підлягає зварюванню, вага термитной порції може змінюватися від кількох сотень грамів до декількох сотень кілограмів. Для зварювання нормального рейкового стику профілю 1-А потрібно 7-8 кг терміту. Для зварювання використовуються гарячі розплавлені продукти згоряння термітної суміші. Іноді розплавлену суміш виливають на місце зварювання через край тигля, нахиляючи його, але такий прийом застосовується рідко. Зазвичай продукти згоряння випускають через дно тигля. Для можливості випускання через дно при набиванні футеровки тигля в його донну частину вставляють склянку 3 з високо-кокачественного обпаленого вогнетривкого матеріалу, зазвичай магнезиту. Всередину склянки вставляють змінний магнезитовий Штепсель-втулку. Отвір штепселя перед засипанням термітної суміші закривають спеціальним запірним цвяхом зі стрижнем діаметром 5-6 мм довжиною близько 120 мм, з плоскою головкою діаметром близько 17 мм. Поверх капелюшки цвяха кладуть асбесто-вий гурток і зверху засипають невеликою кількістю вогнетривкої магнезитового піску, який злегка утрамбовують. Після цього в тигель насипають і ретельно перемішують термітну суміш. Таке перемішування необхідно з огляду на можливу сепа-рації частинок терміту при зберіганні.

Терміт зберігається на складі зазвичай окремими порціями, необхідними для даної роботи, наприклад для зварювання рейок-вого стику, причому кожна порція упакована в окремий пакет або мішок.

Запалювання засипаній в тигель термітної суміші може про-переводитися зварювальної дугою або спеціальним запалом. Від зви-них джерел тепла, наприклад від полум'я запаленого сірника, терміт не спалахує, що робить його порівняно безпечним в обігу і зберіганні. Запальні суміші спалахують від полум'я сірника, розвивають високу температуру і запалюють терміт. До складу запальний суміші для терміту зазвичай входить бертолетова сіль і тонкий порошок (пудра) алюмінію.

Після того як термітна суміш загорілася, тигель накривають кришкою з отвором для виходу газів. Після закінчення реакції горіння, через 20-30 сек після запалювання, розплавлені про-дукти готові до випуску. Для випуску розплавлених продуктів вибивають запірний цвях ударом по нижньому кінцю ударно-кому - залізної смужкою або трубкою з розплющеними кінцем. Гаряча суміш виливається на місце зварювання. При випуску через дно тигля спочатку виливається метал, потім шлак; при випуску через край тигля спочатку ллється шлак, потім метал.

Місце зварювання повинно бути попередньо заформованими таким чином, щоб залишилася порожнину для термітного металу і шлаку. Заформовка проводиться вогнетривкими матеріалами в коробці з листового заліза. При заформовке необхідно залишити канали та отвори в стінках залізної форми для полегшення видалення газів.

Розплавлені продукти підводять за спеціальним літників-вому каналу в заформовке в нижню частину форми, звідки вони поступово піднімаються догори і заповнюють весь обсяг форми. Після закінчення заформовкі форму сушать і прожарюють, а також підігрівають місця зварювання до червоного розжарювання (700-800 ° С). Прогартовування і підігрів найчастіше проводять підігрівальні пальниками-форсунками, які працюють на гасі або нафти. Просушуються і прогартовуються не тільки заформовка, але і тигель разом з кришкою перед засипанням першої порції термітної суміші. Просушування і прокалке при термитной зварюванні приділяється велика увага, так як залишки вологи в заформовке або футеровке тигля можуть викликати розбризкування рідкого металу і шлаку.

Термітне зварювання за способом виконання має кілька різновидів: 1) зварювання тиском, або пластична, без помітного розплавлювання основного металу; 2) зварювання плавленням (спосіб проміжного лиття), при якій основний метал розплавляється по всьому перетину і сплавляється з рідким Приса-дочним металом, осадового тиску не потрібно; 3) комбини-ний спосіб, при якому основний метал розплавляється по всьому перетину або частково і використовується осадове тиск.

1.51. Основні елементи пристроїв для термітного зварювання

Тигель з донним зливом (матеріал: магнезит, захисна футеровка, хромо-вая руда, кварцовий пісок).

Розмір тигля залежить від поставленого завдання (слід враховувати можли-ність прориву тигля при великому обсязі наплавляемого матеріалу).

Форми для зварювання: одноразового користування (матеріал: кварцовий пісок, шамот); багаторазового користування (графіт, сірий чавун, мідь для серійної зварювання).

Модель (набивна для кожного профілю) .Опока.

Підтримує і затискний пристрої застосовують при використанні нероз'ємних і складових форм для зварювання.

Спеціальні пристрої: приймач для тигля, будиночок для випуску металу, кисневий різак, полозковий термометр, пальник для попереднього підігріву (пропан).

Інструменти: ковальське зубило, плоска обжимка, шліфувальний круг, дротяна щітка.

Спеціальний запальник з ручним або електричним управлінням.

Зварювальний апарат має різну конфігурацію в залежності від виконан-няемое завдання складається з декількох основних елементів (див. Вище). Виробник: EtektrochsmischesWerk, Алімендорф, НДР.