» » » Техніка термітного зварювання

Техніка термітного зварювання

Термітами називаються порошкоподібні горючі суміші металів з оксидами металів, здатні згоряти з виділенням значної кількості тепла і розвивати при цьому досить високу температуру. Терміти винайдені в кінці минулого століття. Вони застосовуються для виробництва деяких металів і сплавів.

Важливою сферою застосування термітів є зварювання металів. горючими металами в термітних сумішах можуть служити метали з великою теплотою утворення окислів, наприклад алюміній, 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 магнітного окислу-закису заліза Fe304 що містить 276% кисню і 724% заліза.

Найбільш важливим для зварювання є алюмінієвий терміт, який складається з металевого алюмінію в формі грубозернистого 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.

Терміт згорає повністю за 20-30 сек. Час горіння залежить 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.

З наведеної вище реакції згоряння терміта легко розрахувати, що на 1 кг термитной суміші необхідно 237 г алюмінію і 763 г залізної окалини. Цей розрахунок відноситься до хімічно чистим компонентам. Насправді термітну суміш виготовляють з можливо більш дешевих матеріалів: з технічного алюмінію нижчих марок або алюмінієвого брухту з вмістом алюмінію 88-98%. Залізну окалину беруть зазвичай з цехів гарячої прокатки сталі, в яких вона є покидьком виробництва. Така окалина може містити різну кількість кисню. Тому дійсний склад термітних сумішей може змінюватися в досить широких межах залежно від хімічного складу застосовуваних матеріалів, який слід перевіряти хімічним аналізом. Найбільш поширений склад термітної суміші для матеріалів середньої якості: 23% алюмінію і 77% залізної окалини.

Незважаючи на те що алюмінієвий терміт виділяє порівняно 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 продуктів згоряння забезпечується температура ~ 3000 ° С; таку ж температуру показують і безпосередні вимірювання. Тому продукти згоряння терміту - залізо (температура плавлення близько 1500 ° С) і окис алюмінію А1203 (температура плавлення 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 розділяться 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 термитной реакції.

для розкислення термітного металу, поліпшення його хімічного складу і підвищення механічної міцності в термітні суміші зазвичай вводять феросплави, головним чином феросиліцій 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 /мм2. 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 термитной зварювальної суміші визначають розрахунком в залежності від характеру роботи і складу металу, що підлягає зварюванню.

Розглянемо коротко техніку термітного зварювання. Термітну суміш спалюють в спеціальних вогнетривких тиглях (рис. 1). Розмір тигля приймають відповідно до величини спалюваного порції терміту. Тигель має корпус 1 з листового заліза з внутрішньої вогнетривкої магнезитової футеровкою 2. При спалюванні першої порщш терміту футерування кілька оплавляється і зашлаковуватися окисом алюмінію термітної суміші.

Техніка термітного зварювання

Мал. 1. Тигель для спалювання терміту:
а - тигель; б - область днища тигля; 1 - корпус; 2 - футерування; з - стакан; 4 - штепсель-втулка для випуску розплаву; 5 - магнезитовий пісок; 6 - терміт; 7 - азбестовий гурток; 8 - запірний цвях; 9 - стакан

Залежно від розмірів виробу, що підлягає зварюванню, вага термитной порції може змінюватися від декількох 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 термитной 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 високоякісного обпаленої вогнетривкого матеріалу, зазвичай магнезиту. Всередину склянки вставляють змінний магнезитовий Мтепсель-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 азбестовий 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 сепарації частинок терміту при зберіганні.

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

Запалювання засипаній в тигель термітної суміші може здійснюватися зварювальної дугою або спеціальним запалом. Від звичайних 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 продукти готові до випуску. Для випуску розплавлених продуктів вибивають запірний цвях ударом по нижнього кінця ударником - залізної смужкою або трубкою з розплющеними кінцем, і 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 ЛІТНІКОВОЙ 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. Пальне розпилюють під тиском 3-5 am, створюваним повітрям, який накачують ручним насосом в резервуар з пальним. 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 больіюе увагу, так як залишки вологи в заформовке або футеровке тигля можуть викликати розбризкування рідкого металу і шлаку.

Термітне зварювання за способом виконання має кілька оазновідностей: 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 присадним металом, осадового тиску не потрібно; 3) комбінований спосіб, при якому основний метал розплавляється по всьому перетину або частково і використовується осадове тиск.

Розглянемо різновиди термітного зварювання на прикладі зварювання рейкового стику - самому звичайному застосуванні термітного зварювання. При зварюванні тиском рідкі продукти виливають через край тигля; при цьому місце зварювання спочатку заливається рідким шлаком, змочувальним метал і дає на його поверхні тонку плівку, що перешкоджає прилипанню термітного металу до основного. Рідкий метал надходить в 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 осаді. 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 надягають на місце зварювання до випуску розплавленої суміші.

Поверхня зварного стику повинна бути захищена від попадання термітного шлаку, для чого сполучаються поверхні ретельно приганяють, відшліфовують і перед зварюванням стягують зі значним тиском за допомогою стяжного преса. Так як рейкова сталь володіє обмеженою здатністю до зварювання в пластичному 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.

Техніка термітного зварювання

Мал. 2. Схеми термітного зварювання рейкового стику:

Вступник в форму перегрітий ясплавленний метал оплавляє основний метал у зварного стику і сплавляється з ним в одне ціле. Термітний шлак, що надходить в форму слідом за металом, служить лише для додаткового підігріву зварного стику і уповільнення його охолодження після закінчення зварювання. Осадового тиску і застосування стяжного преса не потрібно, рейки залишаються нерухомими в 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..

Недоліки способу проміжного лиття: 1) кілька збільшена витрата терміту; 2) освіту литої структури металу в зварному стику, що не ущільнюється осадовим тиском і тому схильного до утворення пір і раковин; 3) всі перетин стику для належного розігріву отримує значний обливши, видалення якого викликає відомі труднощі. Доводиться обрубувати і шліфувати поверхню катання і бічні грані головки рейки.

При комбінованому способі метал випускають через дно тигля, заливку рідким металом ведуть лише до нижньої межі головки рейки (рис. 2 в), а відшліфовані торці головок збирають зі вкладний платівкою низьковуглецевої сталі. При випуску рідкої суміші головку заливають шлаком і зварюють тиском при подальшій осаді стяжним пресом, в той час як шийка і підошва рейки виявляються звареними плавленням за способом проміжного лиття. Комбінований 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 залізницях застосовується в обмежених розмірах і в даний час майже витіснена контактним зварюванням. Причиною служить Д вільно висока вартість термитной суміші, дефіцитність меміческого алюмінію, низька продуктивність термитной арки. Цей вид зварювання зберіг своє значення для рейкових стиків трамвайних колій, так як в умовах міста інші методи зварювання рейкових стиків труднопріменіми.

Техніка термітного зварювання

Мал. 3. Стяжной прес для рейкового стику:
1 - стяжна штанга; 2 - стяжна гайка; 3 - затискна гайка; 4 - термітний тигель; 5 - кришка тигля

Термітну зварювання можна використовувати для ремонту великих сталевих і чавунних деталей. При зварюванні чавуну застосовують спеціальний терміт із значним вмістом феросиліцію. За допомогою термітного зварювання можна доливати відламані частини сталевих деталей, наприклад зуби великих шестерень, наплавляти поверхні і т. П. Термітне зварювання дозволяє виготовляти сталеві виливки на місці в будь-яких, навіть польових умовах, що в ряді випадків може представляти практичний інтерес.



Схожі публікації по темі: