УДК 621.791

Процесс термитной сварки

Пятаев Дмитрий Александрович – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Кайзер Денис Сергеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Зимин Максим Алексеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Аннотация: Процесс термитной сварки представляет собой процесс, в котором используется экзотермический реагирующий состав для создания высокой температуры и сплавления материала.

Существует несколько применений термитной сварки, и все они выигрывают от ее способности сваривать толстый металл в неблагоприятных условиях. Этот процесс не требует электричества или какого-либо сложного оборудования. Вся установка довольно простая, но мощная.

В этой статье вы узнаете, что такое термитная сварка, как она работает, области применения, связанные с ней опасности, а также ее плюсы и минусы.

Ключевые слова: сварка, термит, термитная сварка.

Термитная сварка основана на сильной близости металлического алюминия к оксидам. Оксид алюминия естественным образом образуется, если чистый алюминий подвергается воздействию воздуха. Атомы алюминия притягивают O2 (кислород) и образуют на его поверхности оксид алюминия.

Однако для термитной сварки используется смесь чистой алюминиевой пыли и окисленного железа. Оксид железа отдает свои оксиды, а алюминий их принимает.

В ходе этого процесса выделяется огромное количество тепла, благодаря которому достигается термитная сварка. Термитный компаунд состоит из тонкоизмельченного алюминия и оксида железа в соотношении 1:3 по весу. Многие сплавы могут быть добавлены для улучшения качества металла сварного шва и достижения желаемых свойств металла.

Эта смесь обычно производится в металлическом контейнере, называемом тиглем. Смесь не взрывоопасна. Однако воспламенение возможно только при температуре выше 2800°F (1537°C). Так, используется специальный запальный стержень, который глубоко засовывается в смесь. Всего через несколько секунд после воспламенения смеси происходит химическая реакция, повышающая температуру до 4500°F (2482°C).

В результате химической реакции с выделением тепла образуется чистое расплавленное железо или сплав железа и алюминиевый шлак. Шлак всплывает на относительно чистую поверхность железа и вытесняется, как мы скоро обсудим. Расплавленное железо сплавляется с предварительно нагретым основным металлом и действует как присадочный металл, соединяя детали вместе.

Процесс термитной сварки относительно чист и не представляет опасности, если все сделано правильно. Однако этот процесс может быстро пойти наперекосяк и закончиться тяжелой травмой или смертью.

Процесс термитной сварки в основном используется для сварки стальных рельсов при укладке железнодорожных рельсов. Однако есть и другие приложения, которые мы также рассмотрим. Но, поскольку сварка рельсов является его наиболее важным вариантом использования, мы сосредоточимся на деталях.

Никакой другой процесс сварки не может соединить рельсовую сталь так эффективно, как процесс термитной сварки. Вот почему во всем мире это самый распространенный метод соединения длинных рельсов в непрерывный путь.

Этот сварочный процесс является портативным, и в нем не используется дуговая сварка, что снижает потребность в электроэнергии на месте.

Термитная сварка дешева и позволяет получать отличные стыковые соединения оплавлением. Спецификация процедуры сварки подробно объясняет все. Сварка концов рельсов требует абсолютной точности.

Таким образом, время химической реакции, размер заряда, расстояние между суставами, температура предварительного нагрева и другие важные сварки определяются для конкретного железнодорожного сплава.

Перед сваркой концы рельсов необходимо тщательно очистить от ржавчины, масла, жира, краски, грязи, песка и любых других загрязнений. Кроме того, необходимо исправить любые производственные дефекты, такие как сколы, заусенцы или поврежденные края.

Затем необходимо надлежащим образом выровнять и закрепить торцы концов рельсов, чтобы предотвратить любое смещение в процессе сварки. Для обеспечения необходимого горизонтального и вертикального расстояния между стыками используются специальные рельсовые зажимы.

Процесс термитной сварки требует специальной отливки вокруг двух концов рельса.

Отливка состоит из тигля, о котором мы говорили ранее, изложницы и шлаковых ванн.

Эти детали изготовлены из огнеупорных материалов (не деформируются при нагреве).

Форма закрывает оба конца рельса и герметизируется, чтобы предотвратить утечку расплавленного металла, пока расплавленная сталь остывает.

В верхней части кристаллизатора и под тиглем установлены два шлаковых поддона. Они собирают расплавленный алюминий, который вытекает в верхней части формы.

После того, как все собрано и, прежде чем тигель будет помещен сверху и подожжен, необходимо предварительно нагреть железнодорожные рельсы.

Форма имеет специальную конструкцию, позволяющую размещать кислородно-топливную горелку сверху и выводить пламя из формы, чтобы оно не погасло.

Предварительный нагрев концов рельсов необходим, потому что почти чистый расплавленный чугун, выходящий из тигля, при соприкосновении с холодными железнодорожными рельсами мгновенно застывал бы и не достигал соединения металлов жидким железом.

Далее тигель ставится сверху и поджигается. Химический реагирующий состав обеспечивает подачу жидкого содержимого сплава железа, которое выбрасывается сверху в форму. Концы рельсов подвергаются процессу экзотермической сварки в сварное соединение. Плавающий шлак алюминия и избыточный металл вытекают и собираются шлаковыми ваннами.

После этого форму удаляют, а лишний металл от термитной реакции отламывают с помощью молотка, пока металл еще горячий. Весь процесс выполняется за пару минут, но необходимо выполнить дополнительную послесварочную зачистку с помощью специализированных шлифовальных машин.

Самым значительным преимуществом процесса термитной сварки является то, что он не требует внешнего источника тепла или электричества. Но самым большим минусом являются необходимые меры безопасности. Необученные сварщики не должны выполнять термитную сварку. С другой стороны, новичок может использовать процессы дуговой сварки с гораздо меньшей вероятностью получения травмы, поскольку все более контролируемо.

Список литературы

1. Овчинников, В.В., Термитная сварка: учебник / В.В. Овчинников. – Москва : КноРус, 2019. – 133 с.
2. Дефекты сварных швов / Деев Г.Ф., Пацкевич И.Р. - Киев: Наук. думка, 1984. - 208 с.
3. Охрана труда при сварке в машиностроении. М., "Машиностроение", 1978. 144 с.