Литейная и термитная сварки

Термитная сварка. Применение в промышленности и быту. Термитный карандаш

Термитная реакция (от древнегреческого therm – тепло) – процесс сгорания термита, состоящего из смеси алюминиевого (или магниевого) порошка с различными окисленными металлами (чаще всего это железо).

Реакция протекает с интенсивным выделением тепла. Температура горения термита составляет более 2300 градусов Цельсия и в результате его сгорания образуется металл и алюминиевый шлак. Если углубиться в историю открытия процесса, то впервые реакция была получена русским исследователем Н.Н. Бекетовым. Ученый практическое использование термита видел главным образом в получении сталей. Однако, популярной термитная реакция стала спустя почти полвека благодаря работам немецкого химика Ганса Гольдшмидта (буквально «золотых дел мастер»), который предложил использовать ее для сварки железнодорожных рельс. Гольдшмидтом была разработана технология сварки, начерчены чертежи тигля, в котором происходит сгорание высокотемпературной смеси.

Применение термитной сварки давала возможность получить прочный и надежный сварной шов без технологических непроваров, а эффективность метода позволила внедрить его в промышленных масштабах.

Сварка посредством алюминотермитной реакции применяется и сегодня в деле строительства железнодорожных полотен. Термитная сварка – простой и эффективный способ получения сплошных сварных соединений при минимальных затратах. Она также может быть использована для сварки арматурных стержней в строительстве, проводов линий электропередачи (ЛЭП), при ремонте и восстановлении крупногабаритных деталей из стали и чугуна. Наплавкой металла практикуют ремонт изношенных частей деталей. Например, так можно «нарастить» изношенный или сколовшийся зуб шестерни.

Термитную реакцию записывают следующей формулой:

Fe2O3 + 2Al =>Al2O3 +2Fe + 760 кДж, где

Fe2O3 – трехвалентный оксид железа ( визуально выглядит как обыкновенная ржавчина);
2Al – пудра из алюминия;
Al2O3 – шлаковый состав;
Fe – чистое железо.

Реакция протекает очень бурно и длится 15-30 с. Из одного килограмма термита получают 0,55 кг металла и 0,45 кг шлака. Для сварочных работ термитную смесь готовят преимущественно в следующих пропорциях:1/4 -порошкообразный Al и ¾ — железный окисел. Термит дополнительно легируют для получения сварного соединения с заданными мех. свойствами и наполняют стальными обрезками для увеличения количественного выхода расплавленных продуктов реакции.

Для формирования жидкого металла используются формы, состоящие из двух разъемных половин. Сварка производится литейным металлом, который оплавляет кромки деталей и заполняет зазор между ними. Величина зазора 10-15 мм.

Существует два способа сварки: первый позволяет экономить расход термита, второй – увеличить скорость работ.

В первом случае соединение , на которое предварительно установлена форма, подогревают горелкой, которая подводится через верхнюю ее часть, до Т- (850 -900) градусов Цельсия. По достижению температуры расплавленный состав выдерживается 5-6 с и спускается в форму.

Второй случай не предполагает применение предварительного нагрева (благодаря чему и экономия времени 15-20 мин.) свариваемого изделия газопламенной горелкой. Металл сварного соединения прогревается самим термитом, который сжигается в увеличенном количестве (в литейном производстве также используется подобный прием, когда кокиль нагревается самим металлом, например, при алюминиевом гравитационном литье). Здесь же сварное соединение формируется благодаря литью перегретого металла. Тигельная часть отделена от заливаемого объема металлической заслонкой. Толщина заслонки рассчитывается так, чтобы она расплавилась до окончания процесса.

Детали не должны содержать влаги. Вода спровоцирует выплеск металла. Операторы термитной сварки должны быть ознакомлены с правилами техники безопасности. Они должны использовать СИЗ: стойкие к высокой температуре прозрачные очки, специальную обувь, одежду, обработанную огнеупорным составом (читайте статью «СИЗ сварщика»).

Термит в быту. Термитный карандаш (сварка без сварочного аппарата)

В одной из серий остросюжетного сериала «Во все тяжкие» термитный состав помог главным героям открыть дверь склада, где хранились бочки с веществом для синтеза метамфетамина. Мы ни в коем случае не предлагаем вам повторять за Уолтером Уайтом и совершать какие –то противоправные/противозаконные действия (разве что вы не сможете открыть личный сейф традиционными способами). Тем не менее это яркий голливудский пример того, что термитную реакцию можно использовать не только в промышленных/производственных, а и в бытовых целях. Если с помощью термита можно выплавить металл (резка), значит и обратный процесс – сварка – справедлив.

Например, с помощью совершенно простого изобретения, именуемого «термитный карандаш», можно сварить в полевых условиях без электричества две железные детали. Способ удобен на даче, если отключили электричество или если нужно что-то сварить без необходимости приобретать инвертор и тратить на это какие-то средства.

Сделать карандаш своими руками очень просто. Находим в хозяйстве или покупаем металлический пруток (скорее всего вам попадется черный металл – низкоуглеродистая сталь, так как она чаще всего встречается), либо нарезаем его с проволоки. Берут пруток ø2-5 мм в зависимости от толщины изделия (чем оно толще, тем больше диаметр прутка) и наносят на него покрытие, замешанное на клее. Покрытие на 23-24% состоит из алюминиевого порошка и на 76-77% из закиси железа. Частицы этих двух компонентов должны быть мелкой фракции не более 0.5 мм.

Для того, чтобы смесь держалась на металлическом стержне, к ней нужно добавить нитроцеллюлозный или синтетический клей (быстросохнущий) и размешать все это до состояние пасты.

Покрытие наносится следующим образом

Из кальки нужно свернуть цилиндр. Его внутренний диаметр должен быть в 3 раза больше, чем диаметр прутка. Далее он заполняется пастообразным составом, в который вставляется стальной пруток по центру. После того, как покрытие подсохнет и схватится с металлической частью, можно разрезать бумагу канцелярским ножом и пользоваться термитным карандашом.

Примечание.

Ранее шаблон делали из кальки, которая представляла собой прозрачную бумагу, используемую чертежниками для копирования чертежей на дралоскопе (светостол). В связи с развитием копировальной техники дралоскопы ушли в историю, как и калька. Хотя у кого-то она может остаться со студенческих времен. Как бы то ни было, если у вас нет кальки, нам видится, что в место нее можно использовать фольгу.

На торец карандаша можно нанести затравку, которая облегчит его поджиг. Затравка состоит из бертолетовой соли и алюминиевого порошка в соотношении 2:1. Затравку можно выполнить отдельно в виде запальной спички, а также не использовать ее вовсе, применяя для поджига бенгальский огонь. Проще всего поджечь карандаш с помощью газовой горелки, которые сейчас стали очень портативными.

Как уже было сказано выше, температура сгорания термита очень высокая. Реакция будет протекать с интенсивным выделением тепла и разбрызгиванием расплавленного металла. А это уже не шутки. Нужно подумать о своем здоровье, запастись средствами индивидуальной защиты. Используйте защитные очки (читайте про UVEX) и одежду из плотной ткани (ни в коем случае нельзя одевать синтетику — читайте статью на эту тему).

Что такое термитная сварка. Виды и область применения

Любое производство, связанное с металлом, не обходится без сварки. Однако традиционные способы не всегда рентабельны и применимы. Например, для создания прочного соединения деталей крупногабаритных конструкций требуется длительная подготовка, а в полевых условиях нет источников питания и газосварочного оборудования. Альтернативой в таких случаях является термитная сварка.

Область применения

Термитом на основе алюминиевой пудры осуществляется наплавка на детали, соединение изделий из чугуна и хрупких сплавов. На железнодорожном транспорте это надёжный, быстрый способ ремонта рельсов. Для его регламентации разработан ГОСТ Р 57181-2016. В машиностроении термитная технология используется при изготовлении гребных винтов для морских судов, коленчатых валов автомобилей и пр. На металлургических и металлообрабатывающих предприятиях этим способом ремонтируют прокатные станы, прессы, роторные валы, разливочные ковши и другое крупногабаритное оборудование. Для сращивания кабелей, используемых в линиях связи и электропередачи, применяется сварка, термит для которой изготавливается из магния.

Технология термитной сварки

Соединение деталей этим методом осуществляется с помощью порошковых смесей из алюминия, магния, окислов железа, называемых термитами, при сгорании которых образуется много тепла. Под его воздействием свариваемые поверхности становятся полужидкими и, соединяясь с металлом смеси, сплавляются в единое целое. Для полноты понимания, что такое термическая сварка, следует упомянуть о способе поджога смеси. Для розжига необходима температура не менее 1350⁰C. Запал производится электрическим разрядом, пиропатроном, специальным шнуром.

Температура горения достигает 2400 — 2700⁰C. Этого достаточно для плавления большинства материалов. Для горения не нужен приток кислорода из атмосферы, так как его достаточно в смеси. Поэтому термит можно использовать в среде инертного газа.

Разновидности термитной сварки

В зависимости от материала и условий применения используется тигельный или муфельный вид сварки. Первый больше известен под названием алюминотермитная сварка. Её применяют при монтаже заземляющих контуров, металлоконструкций. Термит готовится из смеси окисла железа и алюминиевого порошка в пропорции 70:23. При его сгорании стыки деталей соединяются расплавленным железом, восстановленным из окалины.

Алюмотермитная разновидность также применяется для ремонта повреждённых поверхностей методом наплавки. Её основным достоинством считается возможность сварки чугунных деталей без стыков. Однако наложение швов на алюминиевых изделиях с помощью этой технологии невозможно. Для их соединения пользуются муфельной сваркой.

Поскольку под действием высокой температуры алюминий испаряется, муфельная сварка производится с помощью термита на основе магния. Благодаря высокой температуре плавления он не растекается по поверхности, а впитывается в неё, создавая соединение без шва. При стыковке заготовок из алюминия используется специальный флюс для удаления окисной плёнки с места соединения.

Термитная сварка осуществляется четырьмя способами:

1. Соединение встык требует предварительной подготовки. Свариваемые поверхности тщательно зачищаются. Для предотвращения температурной деформации стыкуемые детали оборачиваются термальной плёнкой. После сжигания термита полученный жидкий металл из тигля заливается в зазор стыка. Затем детали прижимают одна к другой.
2. Технику промежуточного литья используют для соединения заготовок, закреплённых в требуемом положении. Считается самой простой, так как приготовленный из термитной смеси в тигле расплав сразу заливается в промежуток между деталями.
3. Комбинированный метод объединяет две техники. Применяется для соединения рельс. После зачистки торцов между ними вставляется стальная пластинка. В зазор заливается расплав, рельсы сжимаются. После остывания соединение по периметру обваривается ещё раз.
4. Дуплекс — это тоже тигельная сварка, но стык дополнительно спрессовывается.

Оборудование

Несмотря на простоту технологии для качественной термитной сварки необходимо оснащения. Во время её проведения потребуется:

1. Тигель из керамики или тугоплавкого металла с устройством для безопасного слива расплава.
2. Для создания отливок не обойтись без форм и матриц. Они могут быть одноразовыми или многократного использования. Чтобы расплав не растекался бесконтрольно по поверхности, используется глиняная обмазка для термитной сварки.
3. Устройства фиксации и сжатия деталей (струбцины разного размера, тиски).
4. Термитный карандаш, используемый в домашних условиях для сварки и резки металлов.
5. Комплект инструментов, состоящий из кислородного резака, газовой горелки, ножовки по металлу, полоскового термометра.
6. Для зачистки поверхностей и швов нужно запастись абразивным кругом, металлической щёткой.

Особенности термитной сварки проводов

Этот способ применяется для сращивания неизолированных одно и многожильных проводов из алюминия и меди. В отличие от механического соединения (с помощью скрутки, болтов с гайками), термическая технология обеспечивает снижение электрического сопротивления на стыке за счёт увеличения сечения. Концы проводов перед сваркой очищаются от грязи, затем обезжириваются растворителем или бензином с обязательной просушкой.

Соединение производится с помощью специальных термических патронов, состоящих из кокиля и вкладыша. Для соединения алюминиевых проводов, в том числе со стальным сердечником, используется стальной разъёмный кокиль и вкладыш из алюминия. У патронов для соединения медных проводов кокиль изготовлен из листовой меди толщиной до 1,5 мм, а вкладыш из медно-фосфорного сплава. Тепло, необходимое чтобы расплавить провод и вкладыш, создаётся термитной шашкой, напрессованной на кокиль. Для удаления окисной плёнки внутренность алюминиевого вкладыша необходимо перед применением почистить металлическим ёршиком.

Особенности использования термитной сварки

Эта технология позволяет одинаково легко сваривать чёрные и цветные металлы без применения дополнительного оборудования. Востребованность термитной сварки обусловлена преимуществами в сравнении с другими видами:

• меньшим временем проведения работы;
• эстетической привлекательностью, высоким качеством швов;
• небольшими трудозатратами;
• не требуется высокая квалификация;
• термиты свободно продаются в специализированном магазине по невысокой цене;
• возможность использования на удалённых объектах и длительных поездках, так как электроэнергия или газовые баллоны не нужны.

К недостаткам следует отнести высокие требования к технике безопасности. Поскольку термитные смеси являются легковоспламеняющимися веществами транспортировать и хранить их нужно с особой осторожностью. При проведении работ необходимо исключить возможность попадания любой жидкости в горящую смесь, поскольку она может взорваться. По этой же причине запрещается поджигать шихту от дуги. Сварку разрешается проводить при температуре не ниже 10⁰C.

Термитная технология не так популярна как электродуговая сварка, однако её вполне достаточно для использования в небольшой домашней мастерской для мелкого ремонта и восстановления деталей. Ничего сложного для освоения нет, научиться для начала пользоваться термитным карандашом сможет любой. К рекомендациям по самостоятельному изготовлению термита не стоит прислушиваться, так как полученная смесь может взорваться.

Технология термитной сварки, подготовка нужной смеси

Сварочные процессы при работе с металлами являются неотъемлемой составляющей. При этом привычные для нас режимы сварки, включающие в себя ручную дуговую и полуавтоматическую сварку, не всегда уместны, да и не всегда выполнимы. При соединении металлических конструкций больших габаритов требуется создание особых условий, а нередко такая необходимость возникает вне населенных пунктов. Естественно, об источниках питания, инверторах и газовом оборудовании речи быть не может. Единственным возможным вариантом является термитная сварка.

Технология

В качестве расходного материала при соединении деталей выступает специальная порошковая смесь, куда входят такие элементы, как алюминий, магний и окислы железа. Эти порошки называются термитами. При их сгорании выделяется энергия. Этой энергии достаточно, чтобы перевести кромки соединяемых деталей в полужидкое состояние. Происходит смешивание металла с материалом смеси и последующая кристаллизация.

Для осуществления процесса сварки на первоначальном этапе необходимо поджечь смесь. Температура ее возгорания достигает 1350°C градусов. Разработано несколько эффективных способов поджога. Указанной температуры можно достичь получением электрического разряда, взрывом пиропатрона или горением специального шнура.

При горении термита температура внутри смеси повышается до 2400-2700°C градусов. Большинство металлов имеют температуру плавления, ниже этого значения.

В данной технологии примечательно то, что для горения не нужно поступление атмосферного кислорода. Окислителя вполне достаточно внутри самой смеси. При необходимости можно вести термитную сварку в среде инертного газа.

Применение

Если в качестве термита используется алюминиевая пудра, то процедура сварки представляет собой наплавление на торцы деталей. Она подходит для соединения заготовок из чугуна и прочих хрупких сплавов. В отрасли железнодорожного транспорта термитная сварка востребована при ремонте или соединении рельсов. В ГОСТ Р 57181-2016 прописаны все требования к сварочному процессу. Термитная сварка применяется в машиностроении, она незаменима при производстве гребных винтов для морского транспорта или коленчатых валов автомобилей.

Применение данный вид сварки нашел и на металлообрабатывающих предприятиях. Часто приходится ремонтировать прокатные станы, роторные валы, различные прессы или ковши. Все перечисленное считается крупногабаритным оборудованием, поэтому возможен только один тип сварки. Необходимо подчеркнуть, что именно благодаря сгоранию термита возможно качественное соединение проводов на линиях электропередачи и связи. В данном случае применяются составы, содержащие магний.

Существует классификация, в которой выделяется два вида термитной сварки, это муфельная и тигельная. Они используются, в зависимости от поставленных внешних условий. Тигельную сварку чаще всего называют алюминотермитной и применяют при соединении элементов заземляющих контуров, а также прочих металлоконструкций, требующих ремонта методом наплавки. В состав термита входит алюминиевый порошок и окисел железа. Примерное соотношение пропорции — 23 к 70. При сгорании состава образуется окалина, которая в расплавленном виде соединяет детали.

Важным достоинством алюмотермитной сварки является возможность соединять заготовки из чугуна без заметных стыков. Но алюминиевые детали соединяют другим способом – муфельной сваркой. По причине испарения алюминия при высоких температурах в муфельной сварке в качестве термита используется магний. Расплавленный состав впитывается в поверхности, не растекаясь по ним. Но при работе с алюминием необходимо удалять окисную пленку. Для этого следует добавлять специальный флюс.

Существует четыре способа ведения термитной сварки.

1. Первый способ характерен соединением встык. Но предварительно торцы деталей обрабатываются и зачищаются. Чтобы избежать деформации от неравномерного нагрева металла, свариваемые участки оборачиваются термоизоляционной пленкой. После сгорания термита образовавшийся жидкий металл, находящийся в тигле, выливается в оставленный между заготовками зазор. После этого заготовки прижимаются друг к другу и стыкуются.
2. Промежуточное литье считается менее затратным и технологически более легким. Расплавленный металл из тигля выливается в зазор. При этом детали не подготавливаются предварительно, что существенно упрощает процесс.
3. Комбинированная сварка характерна тем, что сочетает в себе технологию соединения встык и промежуточного литья. Обычно она используется при сварке рельсов. Торцы заготовок зачищаются, а между ними помещается пластинка из металла. После заливки сплава рельсы прижимаются друг к другу. При возможности шов по периметру повторно обваривается.
4. Метод дуплекс подразумевает последующую спрессовку заготовок после заливки сплава.

Составы

Как было уже указано выше, железоалюминиевая термитная сварка стала наиболее популярной. Основная масса термита представлена оксидом железа. Алюминия в смеси всего 25%, но можно встретить в составе и дополнительные компоненты. Добавляют флюс, легирующие присадки и железную обсечку. Горение термита и плавление смеси происходит магнезитовом тигле. Помимо алюминия возможно комбинирование следующих элементов:

• Магний (31%) и оксид железа (69%).
• Кальций (43%) и оксид железа (57%).
• Титан (31%) и оксид железа (69%).
• Кремний (21%) и оксид железа (79%).

В зависимости от области применения сварки, готовятся различные виды смесей. Железная окалина и алюминиевый порошок дают элементарную смесь. Необходимо строго соблюдать пропорции. Для соединения и ремонта на железной дороге создается специальный рельсовый состав. При алюминотермитной сварке в шихту вводится стальной наполнитель, который состоит из ферромарганца и графитной стружки. Легированные стали соединяются с помощью особого состава. В нем присутствуют присадки из ферротитана или феррованадия.

Чугунные изделия, как правило, к сварке предъявляют особые требования. Так, в составе термита для чугуна в обязательном порядке должен присутствовать кремний. При соблюдении технологии можно получить достаточно качественное и прочное соединение. Марганец в таких присадках не применяется.

Алюминотермитная сварка рельсов

Всю процедуру можно условно поделить на отдельные этапы. Сначала рассчитывают общее выделившееся количество теплоты. Его должно быть достаточно для процесса сварки. Подбирают оптимальный состав термитной шихты. Смесь должна быть равномерной по составу. Любым доступным способом обеспечивают поджиг смеси. Необходимо достичь температуры 1350°C градусов.

В дальнейшем происходит повышение температуры в термитной шихте. Расплавленный металл из термита получается за 20-30 секунд. Его масса составляет примерно половину от массы смеси. Остальная половина приходится на шлак. Металл осядет на дне тигля, а шлак, в силу меньшей плотности, всплывет наверх.

Сложность ремонта рельсов состоит в том, что все работы приходится выполнять в полевых условиях. Рельсосварочный аппарат достаточно массивен, однако его использование – единственная возможность провести ремонтные работы. На первом шаге следует подготовить торцы. Они должны быть ровными, а зазор между ними составляет 2-3 см. Свариваемые элементы выравниваются и фиксируются в одном положении. После установки огнеупорной формы осуществляется сама сварка.

Каждый сварщик желает получить качественный результат. В отличие от ручной дуговой сварки, термитная сварка требует точных расчетов. Необходимо правильно выбрать общее количество порошка, чтобы образовавшийся металл полностью заполнил зазор. В приготовлении смеси важно тщательно перемешать все составляющие. Первоначальный старт процесса должен происходить при температуре 1400°C градусов. Более низкие значения не приведут к возгоранию термита.

Оборудование

Технология проведения термитной сварки на первый взгляд кажется элементарной. Тем не менее, она предусматривает тщательную подготовку и наличие необходимых инструментов и оборудования. Термит засыпается в тигель, он должен быть выполнен из тугоплавкого материала, например, из керамики. Тигель оборудован специальным устройством, позволяющим слить расплавленный металл.

Чтобы отливка получилась аккуратной и соответствовала свободному пространству, изготавливаются матрицы и формы. В некоторых случаях их можно использовать повторно, но зачастую формы являются одноразовыми. Специальная глиняная обмазка не позволит металлу растекаться по поверхности.

Важным моментом при термитной сварке является обеспечение неподвижности заготовок, их фиксация. Она осуществляется различными устройствами и приспособлениями, в число которых входят тиски или струбцины. Инструмент для обработки поверхностей зависит от типа металла и степени его загрязненности. Обычно работают абразивным кругом или металлической щеткой.

После термитной сварки могут потребоваться дополнительные работы. В арсенале сварщика должен присутствовать кислородный резак, горелка и ножовка по металлу.

Достоинства и недостатки метода

При помощи термитной сварки есть возможность без применения дорогостоящего оборудования сваривать черные и цветные металлы. По сравнению с другими способами сварки данную технологию выгодно отличает целый ряд качеств.

• Термитная сварка характерна меньшей затратностью в плане времени. Если учесть массивность свариваемых деталей, то эта выгода порой является определяющей.
• Качество швов достигает высокой степени, так как происходит частичное проплавление металла заготовок. Помимо этого, шов получается достаточно эстетичным и аккуратным.
• Следует также отметить относительно невысокую трудоемкость работ.
• От сварщика требуется определенное мастерство, но оно касается, скорее, подготовительного этапа и приготовления смеси. Сам же процесс сварки особых навыков не требует, в отличие от сварки электродом.
• Доступность и низкая стоимость расходных материалов позволит существенно сэкономить финансы и упростить задачу.
• Сварочное оборудование можно использовать вдали от населенных пунктов.

При этом установка для термитной сварки считается достаточно опасной. Необходимо соблюдать меры предосторожности при ее использовании. Важно помнить, что термиты считаются горючими смесями. Нельзя допускать попадание в шихту жидкостей, так как это может привести к взрыву.

Термитная сварка не получила такого распространения, как дуговая, зато в некоторых случаях является незаменимой. В мелких мастерских ремонт осуществляется при помощи термитного карандаша. Начинающему мастеру сначала следует освоить этот инструмент, а уже затем приступать к изучению настоящего оборудования.

Источники:

http://svarka-master.ru/termitnaya-svarka/
http://svarkaprosto.ru/tehnologii/chto-takoe-termitnaya-svarka-vidy-i-oblast-primeneniya
http://svarkoy.ru/teoriya/termitnaya-svarka.html