Что способствует получению максимального теплового эффекта при термитной сварке
Обновлено: 19.09.2024
Термитная сварка — процесс сварки металлических деталей жидким металлом заданного химического состава, получаемого в результате термитной (алюминотермической) реакции. Сущность термитной реакции заключается в том, что алюминий способен восстанавливать окислы металлов со значительным выделением тепла, в результате чего происходит изменение потенциального состояния энергии и рекристаллизация компонентов, участвующих в процессе:
где: Q — теплота реакции;
Ul — U2—изменение энергетического состояния материалов;
А —работа по рекристаллизации компонентов.
Значительное количество тепла, выделяемого при термитной реакции, длительное время сохраняет металл в жидком перегретом состоянии и дает возможность использовать его для технологических целей.
В отличие от обычного процесса горения термитная реакция может происходить в замкнутых системах или даже в вакууме, так; как реакция происходит за счет кислорода, содержащегося в окис — ; лах металлов.
Термитный процесс с железо-алюминиевым составом протекает в соответствии со следующей зависимостью:
+ М20 — М20 + МхО + Q, (2)
где: Mj — металл, стоящий левее в ряду напряжений химических элементов (см. табл. 3). В рассматриваемой реакции А1;
М2 — металл, стоящий правее в ряду напряжений. В данном случае Fe;
М20 — окислы железа (FeO и РегОз);
MjO—окись алюминия (А120з);
Q — теплота реакции.
Основным высококалорийным горючим, применяющимся в термитных смесях, является алюминий. После кислорода и кремния алюминий является самым распространенным элементом земной коры и составляет около 8% массы Земли (железо 4,7%).
Алюминий в тонкоизмельченном состоянии при нагревании на воздухе быстро окисляется, выделяя большое количество тепла, и образует окись алюминия AI2O3—прочное химическое соединение с температурой плавления 2050° и температурой кипения 2980°. Теплота образования окиси алюминия 378 ккал/моль.
Удельный вес алюминия 2,7 г/см3 при 20°; в расплавленном состоянии, при температуре 1000е—2,35 г/см3. Температура плавления технически чистого алюминия (99,5%)—659,8°; температура кипения—2400°. Для окисления алюминия на 1,12 г металла требуется 1 г кислорода. При этом алюминий, сгорая, выделяет 714 кал тепла и развивает температуру до 3000°.
Принцип получения трудновосстанавливаемых металлов из их окислов впервые был выдвинут крупнейшим русским ученым — химиком, основоположником современной физической химии Н. Н. Бекетовым. В 1865 г. в своей докторской диссертации «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими» Бекетов превратил этот принцип в научную теорию, заложив основу алюминотермии. Он установил, что алюминий обладает очень большой активностью, соединяясь с кислородом, и что при определенных условиях алюминий легко восстанавливает из окислов другие металлы, стоящие правее его в таблице напряжений химических элементов.
Сварочный термит состоит из порошкообразного металлического алюминия и окислов железа в виде окалины (технологического отхода горячей обработки стали), а также различных присадок, вводимых в шихту для легирования получаемой стали.
Какие условия необходимы для начала термитной реакции?
1. Термитная шихта должна быть рассчитана так, чтобы в ходе реакции выделилось необходимое количество тепла для расплавления и перегрева конечных продуктов термитной реакции.
2. Компоненты термитной шихты: алюминиевый порошок и окислы железа должны быть мелких фракций и тщательно перемешаны.
3. Для начала термитной реакции в любой точке термитной шихты необходимо создать температурный толчок не ниже 1350°, после чего термитная реакция быстро распространится на всю шихту.
В результате термитной реакции, которая в течение 15—30 сек. протекает очень активно, образуются металл (около 50% от первоначального веса термитной шихты) и іАлак.
В процессе термитной реакции часть тепла расходуется на нагревание стенок тигля, лучеиспускание и т. д. Однако, несмотря на это, количество выделяющегося тепла достаточно для того,
чтобы расплавить шихту и перегреть продукты реакции—жидкий металл и шлак—до 2600—2700°. Это обусловливает возможность получения чистого металла, так как благодаря значительной разнице в удельных весах жидкий шлак всплывает на поверхность, а металл опускается на дгго тигля.
Качество термитного металла определяется физико-химическими свойствами компонентов шихты.
Для получения металла (стали) нужного химического состава в шихту вводят в измельченном состоянии легирующие материалы: ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод и т. д.
Измельченная легирующая присадка закладывается’ в тигель вместе с термитными компонентами.
Участий легирующих элементов в термитной реакции—очень многообразно: они легируют термитную сталь, раскисляют и рафинируют ее. Кроме того, они частично теряются—испаряются и переходят в шлак.
Ценные ферросплавы (ферротитан, феррованадий и др.) повышают прочность термитной стали, так как в ходе реакции, находясь в’ жидком состоянии, они образуют карбидную фазу титана и ванадия. Наличие в стали перечисленных карбидов увеличивает ее мелкозернистость, повышает твердость и т. п.
Длительность термитной реакции от момента зажигания термита до ее окончания и полного отделения металла от шлака находится в прямой зависимости от количества сжигаемого термита и колеблется от 15 до 40—50 сек.
При одновременном сжигании больших количеств термита реакция протекает с относительно небольшими потерями тепла.
Термитные смеси в зависимости от их назначения можно условно разделить на следующие группы:
1) элементарная термитная смесь — железная окалина плюс алюминиевый порошок в стехиометрическом соотношении;
2) термит для сварки рельсовых стыков. В шихту вводится стальной наполнитель—мелкие кусочки малоуглеродистой проволоки или стальная малоуглеродистая стружка, ферромарганец и порошкообразный графит;
3) термит для сварки легированных сталей. В качестве присадки используются ферротитан, феррованадий и др.;
4) термит для сварки чугуна. В присадку вводится значительное количество кремния. Марганец исключается. Высокое содержание кремния в термитном металле способствует выделению графита в сварочной и переходной зонах и обеспечивает получение достаточно прочных сварных соединений;
5) термит для сварки высокомарганцовистых сталей. В этот термит вводится увеличенное количество марганца и углерода в виде ферромарганца и чугунной стружки;
6) специальные термиты — пиротехнические, для наварки пода в металлургических печах, уменьшения усадочных раковин в слитках, вторичного дробления минералов и руд, изготовления термитных брикетов и т. п.
Термитная сварка
При термитной сварке плавлением металл плавится под действием тепла, источником которого является расплав, формирующийся в результате химической реакции алюминиевого порошка с окислом металла. Образующаяся при этом окись алюминия (шлак) служит защитой металла от атмосферного воздействия. Во время термитной сварки протекает преимущественно следующая экзотермическая реакция:
Тепловой эффект данной реакции является результатом высокого сродства алюминия к кислороду, которое выше, чем у большинства других металлов.
Известны три варианта сварки (рис. 1.4), причем термитная сварка плавлением используется в вариантах с разливкой сверху и сбоку.
Рисунок 1.4
- корпус шашки из стального листа;
- запал;
- свариваемое изделие (например, трос);
- зажимное приспособление с устройством для осадки;
б — термитная наплавка:
- термитный присадочный материал (до сварки)г;
- шлак;
- расплав;
- ограничитель ванны (глиняный валик);
- изделие;
в — термитная сварка плавлением:
- термитный присадочный материал (до сварки) в тигле со стопором;
- форма;
- изделие;
- отверстие для предварительного подогрева.
Границы применимости
Размеры изделий: преимущественно профили любых типов и ремонтная сварка изделий с большими поперечными сечениями.
Группы материалов: стали с эквивалентом по углероду Сэ ◄3 ◄1,2%, стальное литье, серый чугун (чугун 20 с пластинчатым графитом, чугун 25 с пластинчатым графитом), алюминий.
Область использования: монтажная сварка рельсов, рельсовых соединений и катаных профилей; термитная сварка арматурных сталей; термитная сварка звеньев цепей; ремонтная сварка осей, валов, станин из стали, стального литья, серого чугуна; термитная муфельная сварка алюминиевых тросов.
Наплавка изнашиваемых (преимущественно при абразивном износе) деталей, таких как зубья землеройных машин, траки гусениц.
Параметры: температура реакции 2730 °С, температура термитной сварки 2000 — 2400 °С (температура шлака), критическая температура воспламенения 1300 — 1400 °С. Скорость плавления во многом зависит от объема свариваемого материала (например, до 2000 кг наплавляемого металла может быть нанесено за 30 с). Среднее время реакции 4 — 20 с.
Скорость сварки соответствует скорости разливки соответствующего «объема» расплавленного металла.
Положение шва при сварке: нижнее, горизонтальное, вертикальное (снизу вверх).
Особенности сварки: экономическая эффективность данного способа повышается с увеличением сечений соединяемых деталей (более 200 мм²) и с увеличением количества наплавляемого металла.
Основное время сварки составляет всего несколько секунд, но вспомогательное время достигает 80 мин.
Источник собственно сварочного тока не требуется.
При сварке профилей формируются высококачественные переходные области.
Особенно пригоден данный способ сварки для монтажных работ и сварки на строительных площадках.
Подогрев осуществляют с помощью пропановой горелки.
Рекомендации по исполнению соединений
Сварка стыковых соединений без разделки кромок не требует специальной подготовки.
В зависимости от диаметра свариваемых соединений зазор между их торцами составляет 10 — 40 мм.
Сечение свариваемых тросов от 35 до 185 мм².
При наплавке следует ограждать наплавляемые поверхности (для этого используют глиняные формы).
Основные элементы устройств для термитной сварки.
Тигель с донным сливом (материал: магнезит, защитная футеровка, хромовая руда, кварцевый песок). Размер тигля зависит от поставленной задачи (следует учитывать возмож¬ность прорыва тигля при большом объеме наплавляемого материала).
Формы для сварки: одноразового пользования (материал: кварцевый песок, шамот); многоразового пользования (графит, серый чугун, медь для серийной сварки).
Модель (набивная для каждого профиля).
Поддерживающее и зажимное устройства применяют при использовании неразъемных и составных форм для сварки.
Специальные устройства: приемник для тигля, ломик для выпуска металла, кислородный резак, полозковый термометр, горелка для предварительного подогрева (пропан).
Инструменты: кузнечное зубило, плоская обжимка, шлифовальный круг, проволочная щетка.
Специальный запальник с ручным или электрическим управлением.
Оборудование
Сварочный аппарат имеет различную конфигурацию в зависимости от выполняемой задачи и состоит из нескольких основных элементов (см. выше).
Изготовитель: Elektrochemisches Werk, Алимендорф, ГДР.
Выбор основных и присадочных материалов, термообработка
Присадочный материал состоит из порошкообразного окисла металла и порошкообразного алюминия и расплавляется в тигле. Термитную смесь легируют присадкой ферросплавов, карбидов, окислов и чистых элементов; их 20%-ная добавка к шихте снижает температуру разливаемого металла и повышает выход присадочного материала до 50%; остальные 50% — шлак.
Присадочные материалы выбирают в зависимости от технологического варианта сварки и от характера износа поверхности при наплавке.
Количество присадочного материала, кг:
где Vges — объем заполняемого пространства, дм³.
Техника выполнения сварки
Зазор (мм) между свариваемыми кромками при сварке встык рассчитывают по формуле:
а = 0,75√³А,
где площадь стыкового соединения, мм².
Если высота падения расплавленного присадочного материала на дно зазора превышает 200 мм, то применяют сифонную разливку, в остальных случаях применяют разливку сверху или сбоку.
Подогрев стыкового соединения: стали и стального литья — до 900 °С; серого чугуна — до 800 °С (структурносложные серые чугуны требуют подогрева всей заготовки до 600 °С).
Удаление сварочной формы — через 1,5 — 2,5 мин по окончании процесса сварки; обработка стыкового соединения (удаление грата) — в состоянии красного каления.
Ориентировочные параметры термитной сварки арматурной стали (табл. 1.11).
Таблица 1.11
| Термитно-муфельная сварка | Диаметр изделия, мм | Ширина зазора bsp, мм | Шифр холодильника | Масса термита, кг | Размер порции |
|---|---|---|---|---|---|
| Горизонтальный холодильник | 18 — 22 | 10 — 30 | Н22 | 0,8 | 7510 |
| 24 — 26 | 10 — 35 | Н25 | 0,9 | 1010 | |
| 28 | 10 — 35 | Н28 | 1,0 | 1301 | |
| 30 — 32 | 10 — 40 | Н32 | 1,5 — 2 | 1610 | |
| Вертикальный холодильник | 16 — 20 | 10 — 30 | V18 | — | 7010 |
| 18 — 22 | 10 — 30 | V22 | 0,8 | 8510 | |
| 24 — 26 | 15 — 35 | V25 | 1,2 | 1210 | |
| 28 | 15 — 35 | V28 | 1,3 | 1310 | |
| 30 — 32 | 20 — 40 | V32 | 1,5 | 1510 |
Ориентировочные параметры нормативного времени tN термитной сварки при ремонтных работах (рис. 1.5).
Ориентировочные данные для определения общих затрат при ремонтной термитной сварке (рис. 1.6).
Источником теплоты при термитной сварке являются порошкообразные смеси металлов с окислами других металлов. При сгорании таких порошкообразных смесей происходит обменная реакция по кислороду с выделением значительного количества теплоты (так называемая экзотермическая реакция). При этом металл, входящий в смесь, окисляется (сгорает), а из окисла восстанавливается в чистом виде другой металл.
Таким образом, источником кислорода в термите является окисел, а источником теплоты — горючим — металл, входящий в смесь в чистом виде.
Необходимым для получения надлежащего теплового эффекта является условие, чтобы количество теплоты, выделяющейся при сгорании горючего, было большим, чем требуется для разложения окисла, т. е. для выделения из него металла в чистом виде.
В качестве окислов в термитных смесях обычно используется железная окалина (закись-окись железа), а в качестве горючих металлов—алюминий, магний, кремний.
Наиболее распространенный для сварки так называемый алюминиевый термит состоит примерно из 22% порошка алюминия и 78% окалины (по массе), размельченных до зерен размером 0,1—1,5 мм. Будучи нагретым до температуры около 1000 °С, он сгорает по следующей реакции:
3Fe304 -f - 8А1 = 4А1303 - f - 9Fe - j - 3220 кДж теплоты.
В этом уравнении Fe304 — окись-закись железа (железная окалина), а А]2С>з— окись алюминия.
В результате сгорания 1 кг такого термита выделяется около 3220 кДж (770 ккал) теплоты и развивается температура, примерно равная 2500—3000 °С.
Такое количество теплоты по сравнению с теплотворной способностью обычного топлива, например угля, дающего при сгорании 18 800 кДж (4500 ккал), нельзя считать большим. Однако решающим фактором для сварки является то, что термит. сгорает весьма быстро[3] (от долей секунды до нескольких секунд) и все указанное количество теплоты выделяется в очень короткий отрезок времени, т. е. достигается большая тепловая мощность (около 1090 кДж/с).
На рис. 1-5, а показан принцип сварки стальных стержней с помощью алюминиевого термита. В тигель 1 из огнеупорного материала насыпают термит 2. Литниковое отверстие 3 тигля при этом закрывается особым образом. Тигель устанавливается над формой 4, в которую введены концы свариваемых стержней 5. После сгорания термита в нижней части тигля скапливается образовавшаяся в результате реакции сталь 7 и над ней шлак 6, состоящий в основном из окиси алюминия. Жидкая сталь направляется в форму, для чего литниковое отверстие открывается. Концы свариваемых стержней заливаются металлом и оплавляются. После затвердевания металла образуется сварное соединение 8. Такая сварка называется термитно-тигельной. В технике она получила распространение главным образом для сварки трамвайных рельсов. В электромонтажной практике этот вид сварки используется для монтажа заземляющих устройств при строительстве высоковольтных электролиний, в случаях, когда отсутствует электроэнергия, необходимая для электросварки. (
Другой, принципиально отличный способ сварки — это так называемая термитно-муфельная сварка. Ее особенностью является то, что в результате сгорания термита не образуются продукты реакции в жидком виде, как при тигельном способе. Это делает такую сварку весьма удобной для некоторых видов монтажных работ, например для соединения проводов. При термитно-муфельной сварке в качестве горючего для термитной смеси используется порошкообразный магний.
Окисел магния имеет весьма высокую температуру плавления, поэтому магниевый термит совершенно не дает жидких, растекающихся шлаков.
Из термитной смеси (25% магния и 75% окиси-закиси железа) спрессовываются со связующим веществом цилиндрические муфели. При сгорании муфелей образуется пористая масса окиси магния, впитывающая в себя расплавленное железо — продукт реакции. Значительная часть этого железа повторно окисляется при контакте с кислородом воздуха. Спекшаяся пористая масса окиси магния, пропитанная железом и окислами железа (шлак), легко скалывается после сварки.
Муфели (шашки) из магниевого термита были изобретены в СССР А. И. Ку - киным, А. А. Талыковым и М. И. Вахниным для сварки однопроволочных сталь
ных проводов линий связи диаметром до 6 мм. Они представляют собой цилиндрическое тело со сквозным отверстием по продольной оси. Отверстие соответствует диаметру свариваемых проводов. При сварке (рис. 1-5, б) концы стальных проводов 10, введенные в муфель 9, разогреваются, частично оплавляются при горении термита и свариваются при последующем сдавливании, осуществляемом специальными клещами J1.
Рис. 1-5. Принципы различных способов термитной сварки
Для сварки кабелей и проводов с алюминиевыми жилами нельзя применять описанные выше процессы. Термитно-тигельный способ неприемлем вследствие невозможности создать такой термит, который давал бы в результате реакции жидкий алюминий. Использование же муфельной сварки в таком виде, как она применяется для сварки стали, т. е. когда осуществляется непосредственный контакт свариваемых алюминиевых проводов со спрессованной термитной массой, также не представляется возможным по следующим причинам:
1) алюминий вступает в реакцию при горении термитного муфеля что приводит к выгоранию металла у поверхности свариваемых жил;
2) сталь, получающаяся в результате реакции, и кусочки шлака, попадая в жидкий алюминий сварочной ванны, значительно ухудшают качество соединений;
3) провода при выходе из муфеля оплавляются, что приводит к сужению их сечения и в связи с этим к ухудшению механических и электрических характеристик соединения.
В настоящее время разработаны и широко внедрены способы термитной сварки, в которых. учтены условия, необходимые для организации рациональных сварочных процессов, и исключены указанные нежелательные явления. Характерным для этих способов является то, что устраняется непосредственный контакт термитной массы муфелей со свариваемыми проводами путем применения стальных формочек (кокилей), в которых происходит расплавление жил и их последующая сварка.
Сущность одного из способов состоит в том (рис. 1-5, в), что концы проводов 15 расплавляются в формочке 14, заключенной в термитный муфель 12, и затем сдавливаются (осаживаются) с помощью специального приспособления. Одновременно с концами проводов расплавляется алюминиевый вкладыш 13, служащий для формирования сварного соединения. Этот способ применяется для соединения неизолированных алюминиевых, сталеалюминиевых и медных проводов воздушных электролиний. Для сварки кабелей по ряду причин он не применим.
Другой способ (рис. І-5, г) используется для соединения кабелей и изолированных проводов с алюминиевыми жилами 16. Он не требует осадочного давления, и образование сварного соединения достигается за счет сплавления в формочку 20 присадочного металла из прутка 18 через специальное отьерстие 17, предусмотренное для этой цели в муфеле и формочке. Высокое качество сварных соединений достигается при этом за счет применения специальных алюминиевых колпачков 19, защищающих боковую поверхность алюминиевых жил от пережога при сварке, а также использования флюса, переводящего окись алюминия, покрывающую жилы, в легкоплавкий шлак.
Разновидностью этого способа является сварка по торцам (рис. 1-5, д) для соединения двух или нескольких алюминиевых изолированных проводов. Концы всех соединяемых проводов./6 Складываются вместе, на них надевается алюминиевый колпачок 19, который вводится в формочку 20 термитного патрона 12. После сгорания патрона концы жил и колпачок расплавляются, и по застывании металла образуется монолитное соединение.
Таковы принципы основных способов термитной сварки, получивших в настоящее время большое распространение в электромонтажной практике.
Что способствует получению максимального теплового эффекта при термитной сварке
давление газов составляет, кгс/см: 6,6 - кислорода, 5,5 - водорода, 5 - воздуха. Средний часовой расход водорода и кислорода 4-10 м, воздуха - 20
Использование бензина для подводных работ стало возможным благодаря разработке новых конструктивных принципов построения бензорезов, сущность которых состоит в том, что бензин предварительно не испаряется, а распыляется кислородом и в зону подогревательного пламени подается в виде тончайшей бензиновой пыли. Продукты сгорания пламени содержат много неконденсирующихся газов, образующих устойчивый газовый пузырь, что исключает подведение дополнительного воздуха или кислорода, упрощает и удешевляет установку и ее эксплуатацию.
Схема установки для питания резака бензином и кислородом показана на рис. 111. В комплект установки входит батарея из 6-12 баллонов кислорода, баллоны с бензином и азотом, батарея аккумуляторов, резак и электрозажигалка. На пульте управления для понижения давления установлены два кислородных редуктора и азотный редуктор. Бензин подается под давлением азота. Бензорез за 1 ч расходует 30-50 м* кислорода, 10-20 кг бензина; расход азота незначителен. Скорость резки бензино-кислородным пламенем выше, чем водородно-кислородным, на 20-30%.
Во время сварки и резки под водой токоведущие части устройств находятся в постоянном контакте с водой, и всегда существует возможность утечки тока. Поэтому возникает вероятность поражения работающего током. При работе под водой требуется строгое соблюдение всех правил и рекомендаций водолазной службы, инструкций по технике безопасности при сварке и резке. Для подводной сварки и резки допускаются водолазы только в исправном снаряжении, обеспечивающем полную изоляцию от воды и тока, владеющие соответствующими навыками при выполнении указанных работ.
АТОМНО-ВОДОРОДНАЯ И ТЕРМИТНАЯ СВАРКА
Атомно-водородная сварка. Плавление металла происходит за счет тепла, выделяемого при превращении атомарного водорода в молекулярный водород, и за
счет тепла независимой дуги, горящей между двумя вольфрамовыми электродами.
епловой эффект от излучения дуги и от сгорания молекулярного водорода в наружной зоне пламени незначителен по сравнению с эффектом рекомбинации атомов водорода.
Температура атомно-водородного пламени составляет ~ 3700° С, что по концентрации тепла приближает этот способ сварки к сварке в среде защитных газов. Водород при этом способе сварки передает тепло от дуги к изделию вначале за счет поглощения его при реакции диссоциации, а затем путем выделения при рекомбинации атомов водорода. Высокая активность водорода обеспечивает хорошую защиту металла шва от вредного воздействия кислорода и азота воздуха.
При атомно-водородной сварке дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами, расположенными под углом (рис. 112). В зону дуги можно подавать чистый водород или азотно-водородные смеси, получаемые при диссоциации аммиака. Питание дуги осуществляется от источников переменного тока. Из-за высокого охлаждающего действия реакции диссоциации водорода и высокого потенциала ионизации водорода напряжение источника питания дуги, требуемое для ее зажигания, должно быть 250-300 В. Напряжение горения дуги 60-120 В. Сила тока дуги 10-80 А.
Рис. 112. Схема процесса атомно-водородной сварки:
/ - электроды; 2 - мундштуки горелки; 3 - зона превращения атомарного водорода в молекулярный; 4 - молекулярный водород, поступающий из мундштуков; 5 - зона диссоциации водорода на атомарный
Широкий диапазон изменения напряжения горения дуги мало сказывается на величине изменения силы тока. Напряжение горения дуги зависит от расхода водорода и расстояния между вольфрамовыми электродами.
Зажигание дуги осуществляется коротким замыканием вольфрамовых электродов, обдуваемых водородом, или, лучше, замыканием электродов на угольную (или графитовую) пластинку при обдувании струей газа, так как в этом случае обеспечивается легкое зажигание дуги и не требуется повышенного напряжения холостого хода источника питания. После зажигания дуги расстояние от концов электродов до поверхности изделия устанавливают в пределах 4-10 мм. Это зависит от мощности атомно-водородного пламени и толщины свариваемого металла.
Дуга может быть спокойной (рис. 113, а), когда нет в дуге характерного веера, и звенящей (рис. 113, б), когда веер пламени касается поверхности свариваемого изделия и дуга издает резкий звук. Для спокойной дуги напряжение не превышает 20-50 В и расход водорода 500-800 л/ч, для звенящей дуги - 60-120 В и 900- 1800 л/ч соответственно.
При атомно-водородной сварке выполняют следующие виды сварных соединений: стыковые с отбортовкой и без отбортовки кромок, угловые, тавровые и нахлесточные. Высоту отбортовки принимаютрав-ной двойной толщине свариваемого листа. Угловые соединения выполняют с применением присадочной проволоки или без нее. При сварке толщин более 3 мм на стыковых и
тавровых соединениях рекомендуется выполнять скос кромок под углом 45°.
Обычно атомно-водородную сварку рекомендуется применять для сварки металлов и сплавов толщиной 0,5-ь5-10 мм. Этим способом хорошо свариваются малоуглеродистая и легированная сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы. Хуже свариваются медь, латунь из-за склонности к насыщению водородом и испарению цинка. При сварке алюминия и сплавов на его основе необходимо применить флюсы, состоящие из солей щелочных металлов. Металлы с высокой химической активностью к водороду, например Ti, Zr, Та и др., нецелесообразно сваривать атомно-водородной сваркой.
Атомно-водородная сварка обеспечивает получение сварных соединений со свойствами, близкими к свойствам основного металла.
Техника выполнения швов при атомно-водородной сварке подобна технике газовой сварки, т. е. может быть осуществлена как правым, так и левым методами.
Атомно-водородную сварку можно осуществлять в нижнем и вертикальном положениях, по режимам приведенным в табл. 28.
Термитная сварка: виды, преимущество, применение
Термитная сварка основана на способности некоторых порошкообразных механических смесей металлов с окислами металлов (термитов) сгорать, выделяя большое количество тепла.
В качестве окислов в термитных смесях используют железную окалину (закись железа), а в качестве горючих металлов — алюминий, магний и др. Источником кислорода в термите является окисел железа, а источником тепла — металл, входящий в смесь в чистом виде.
Для получения теплового эффекта количество тепла, выделяющееся при сгорании горючего вещества, должно быть больше, чем требуется для разложения окисла. Характерным для термитной сварки является сгорание термита в течение нескольких секунд, за это время и выделяется все количество тепла.
Виды термитной сварки и их применение
Различают термитно-тигельную и термитно-муфельную сварки КС.
Для термитно-тигельной сварки применяют сухие порошкообразные термитные смеси. При сварке стальных полос и стержней контуров заземления используют алюминиевый термит, состоящий из 23% алюминиевого порошка и 77% окалины (по массе). Процентное содержание алюминия и железной окалины в термитной смеси колеблется в зависимости от сорта окалины и чистоты алюминиевого порошка. Для увеличения выхода железа, выделяющегося при сгораний термита, а также снижения температуры реакции в термит добавляют стальные отходы гвоздильного производства.
При термитной сварке стальных стержней и полос для этих же целей используют стальной вкладыш (кружок, закрывающий литниковое отверстие тигеля). Интенсивность процесса горения термита зависит от размеров зерен компонентов. Для стабильного ведения процесса сварки применяют гранулированные зерна размером от 0,25 до 1,5 мм. Для улучшения качества сварного соединения в термитные смеси вводят легирующие присадки — 80%-ный ферромарганец и ферросилиций в количествах соответственно 1,4 и 0,15% по массе.
Особенность термитно-тигельной сварки состоит в том, что концы соединяемых стержней оплавляются и соединяются металлом, образующимся при сгорании термитной смеси.
Для соединения стальных однопроволочных проводов линий связи применяют цилиндрические термитные шашки со сквозным продольным отверстием. Отверстие соответствует диаметру свариваемых проводов. Термитные шашки прессуются из смеси, содержащей 25% пиротехнического магния марки МПФ и 75% железной окалины. В качестве связующего вещества используется нитролак марки НЦ-551, который добавляется в количестве около 14% массы сухой смеси (сверх 100% смеси).
Для сварки алюминиевых жил термитно-тигельный способ непригоден. Использовать термтно-муфельную сварку в таком виде, как она применяется для сварки стали, когда осуществляется непосредственный контакт между муфельной шашкой и алюминиевым проводом, неприемлемо по ряду причин:
1. при горении термитного муфеля алюминий вступает в реакцию, что приводит к выгоранию металла у поверхности свариваемых проводников,
2. продукты реакции попадают в алюминий сварочной ванны и ухудшают характеристики соединения,
3. провода на выходе из термитного муфеля оплавляются, что приводит к уменьшению их сечения, при сварке многопроволочных проводников отдельные проволочки жилы перегорают.
Для сварки многопроволочных проводов разработаны термитные патроны , которые представляют собой термитную шашку с металлическим кокилем . При термитно-муфельной сварке (в отличие от термитно-тигельной) в результате сгорания термита не возникают продукты реакций в жидком виде. В процессе сгорания образуется пористая масса окиси магния, которая впитывает расплавленное железо, поэтому магниевый термит не дает жидких, растекающихся шлаков.
Рецептура термитной массы для изготовления термитных шашек к патронам типов ПА, ПАС и др. та же, что и при изготовлении термитных шашек для соединения стальных однопроволочных проводов.
Сварку алюминия и его сплавов затрудняет пленка окиси алюминия, которой он быстро покрывается на воздухе. Поэтому удаление окислов и защита от дальнейшего окисления сварочной ванны имеют большое значение при сварке.
Влияние окисной пленки уменьшают при помощи флюсов, которыми перед сваркой покрываются соединяемые проводники и присадочные прутки. Флюсы растворяют окись и переводят ее в легкоплавкий шлак, который всплывает на поверхность. При этом пленка жидкого шлака покрывает в процессе сварки поверхность расплавленного металла сварочной ванны, изолирует эту поверхность от воздуха и этим защищает от дальнейшего окисления. Однако остатки флюсов вызывают коррозию проводов, поэтому при выполнении КС следуем по возможности избегать применения флюсов.
Одним из лучших является флюс марки АФ-4А, в состав которого входят хлористый натрий — 28%, хлористый калий — 50%, хлористый литий — 14%, фтористый натрий — 8% (по массе). Этот флюс можно применять только в тех случаях, когда сварное соединение полностью защищено от внешних воздействий.
Значительно меньшую коррозию вызывает трехкомпонентный флюс ВАМИ (хлористый калий — 50%, хлористый натрий — 30%, криолит марки К-1 — 20%). Однако и при его применении необходимо принимать меры для защиты соединений от коррозии. Остатки флюсов на КС после сварки следует удалять зачисткой или промывкой.
При сварке алюминиевых проводов термитным патроном в его литниковое отверстие вводят присадочный пруток, который плавится для увеличения жидкого металла в кокиле. В качестве присадочных прутков используется прутковый алюминий или зачищенные проволоки свариваемых проводов. Присадочные прутки изготавливают свиванием предварительно обезжиренных и зачищенных нескольких проволок диаметром 2 мм.
Преимущества термитной сварки
Термитную сварку выгодно отличают независимость от источников электроэнергии или газа, отсутствие потребности в сложном оборудовании, а также возможность выполнения соединений в линейных условиях монтажным, ремонтным и эксплуатационным персоналом.
Термитная сварка неизолированных проводов
Наиболее экономично соединять провода на высоковольтных линиях электропередачи термической сваркой. При этом способе не требуются сложное оборудование и специальный инструмент.
Термитная сварка проводов, если она выполнена с полным соблюдением установленной технологии, является наиболее простым и надежным способом соединения.
При термитной сварке образуется цельнометаллическое соединение концов проводов, сечение металла в котором больше, чем у соединяемых проводов, а электрическое сопротивление меньше, чем участка целого провода равной длины.
Соединения многопроволочных проводов, выполненные термитной сваркой, не изменяют электрические характеристики с течением времени, а следовательно, не требуют дополнительных затрат рабочего времени на профилактические испытания.
Однако сварочные соединения нужно выполнять только качественно. Некачественные соединения проводов могут получиться из-за небрежной подготовки провода, применения неотрегулированных клещей, недостаточной или чрезмерной, а также односторонней подачи, заедании проводов в патроне и т. д.
Как показывает опыт работы по сварке проводов, наиболее частыми причинами некачественной сварки являются заедание проводов в патроне и односторонняя подача провода. Заедание одного из проводов в кокиле патрона также ведет к односторонней подаче провода.
При сварке проводов на линиях электропередачи наблюдались случаи, когда при самой тщательной подготовке проводов и клещей сварка все же не получалась из-за односторонней подачи провода в кокиль термопатрона.
Выполнение термитной сварки проводов
Термитную сварку проводов производят с помощью термитных патронов (рис. 1).
Термитный патрон для сварки алюминиевых и сталеалюминиевых проводов состоит из следующих основных элементов:
кокиля из листовой стали толщиной 0,5 — 1,25 мм для защиты верхнего повива провода от пережога и попадания в зону сварки вредных примесей, образующихся от сгорания термитной массы,
вкладыша из алюминия для образования зоны сварки и заполнения пустот,
термитной шашки, которая при сгорании выделяет необходимое количество тепла для расплавления вкладыша и концов свариваемых проводов в зоне сварки.
Термитный патрон для сварки медных проводов состоит из кокиля, изготовленного из листовой меди толщиной 1,5 — 2 мм или из медных труб, вкладыша из сплава меди с фосфором марки МФ-3 и термитной шашки.
Рис. 1. Термитные патроны: а — для алюминиевых и сталеалюминиевых проводов, б — для медных и бронзовых проводов, в — положение термитных патронов на проводах перед сваркой, 1—кокиль, 2 — вкладыш, 3 — термитный муфель (шашка), 4 — место этикетки, 5 — провод, 6 — ограничительный бандаж, 7 — асбестовое уплотнение.
Правильная подготовка концов проводов под термитную сварку имеет большое значение для высококачественной сварки соединения. Концы должны быть тщательно очищены от загрязнений, обезжирены бензином от смазки и просушены. Удаление смазки с концов проводов и их сушка необходимы, так как при сгорании смазки или остатков бензина образуются газы, препятствующие заполнению места сварки расплавленным металлом и способствующие образованию раковин и каверн.
Концы свариваемых проводов отторцовываются так, чтобы плоскость среза была ровной и строго перпендикулярной оси провода. Торцевание проводов сечением до 150 мм 2 производят монтажными ножницами для резки проводов, а проводов сечением более 150 мм 2 — при помощи ножовки или специального приспособления.
Чаще всего некачественная сварка происходит из-за односторонней подачи концов провода вследствие того, что металл вкладыша плавится вначале с одной стороны и происходит затирание или заедание концов провода в кокиле.
При термитной сварке проводов нужно следить за подачей концов свариваемых проводов с обоих концов кокиля. Металл в зоне сварки находится в жидком состоянии еще в течение нескольких минут после сгорания термитной массы и до тех пор, пока шлак, образовавшийся после сгорания термитной массы, не остынет до темного цвета. По этой же причине не следует спешить с ослаблением нажатия клещей и преждевременным отвертыванием воротков с плашками, крепящими концы проводов в клещах.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Читайте также: