Технология термитной сварки, подготовка нужной смеси

В полевых условиях, когда негде подключиться к сети энергоснабжения, а использовать газовые баллоны не представляется возможным, целесообразно прибегнуть к технологии термитной сварки. Простой и в то же время надежный способ позволяет создавать прочные сварные соединения.

Производство и ремонт металлоконструкций почти что всегда подразумевает использование сварочного оборудования. Однако традиционные установки применить модно не всегда. К примеру, для сваривания крупногабаритной металлоконструкции в полевых условиях потребуется основательная подготовка и во весь рост встанет вопрос отсутствия электричества на участке. Если газосварочное оборудование по какой-либо причине недоступно или неприемлемо, то хорошим выходом станет способ соединения металлов с помощью термитной технологии.

Термитная сварка – это способ соединения металлических заготовок путем сжигания термита – специального порошкового состава, состоящего из оксида металлов и алюминия. Смесь включает магниевую и алюминиевую пудру, окалину и металлические присадки.

Область применения

Чаще всего к технологии термитной сварки на основе алюминиевой пудры прибегают в случаях наплавки на элементы конструкций, при необходимости соединения чугунных или других хрупких сплавов. Метод идеально подходит для ремонта ЖД путей: он недорогой, выполняется достаточно быстро и обеспечивает прочное соединение с длительным сроком службы. Все операции по свариванию железнодорожных рельсов проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ Р 57181-2016.

Термитная технология востребована и в других областях производства. К примеру, в машиностроении это наиболее приемлемый вариант в изготовлении гребных винтов для большегрузных морских судов. Большинство коленвалов автомобильного транспорта сделаны с применением данного метода. На предприятиях, связанных с металлообработкой, термитная сварка применяется в ремонте прокатных станов, роторных валов и целого ряда иного крупногабаритного оборудования и оснастки.

Еще одна важная область, где применяется данная технология – энергоснабжение и передача данных. В линиях связи и транспортировки электричества нередко используются кабели большого диаметра. Для их ремонта и прокладки новых магистралей прибегают к термитной сварке. Расходный материал для таких случаев производится их магния.

Технология термитной сварки

Производственный процесс характерен тем, что для его протекания не требуется подключение к сети энергоснабжения или подачи специфических газовых составов. Для соединения металлов используются различные порошковые смеси: алюминиевые, железоокисные, магниевые. Их принято называть термитами, поскольку в процессе их горения образуется большое количество тепловой энергии.

Высокая температура воздействует на металлические заготовки, доводя их до полужидкого состояния. Благодаря изменению агрегатного состояния, металл заготовок смешивается с расплавом порошковых смесей, образуя цельную конструкцию. В уточнении нуждается способ поджога смеси. Для инициализации процесса температура должна достигнуть 1350 градусов Цельсия. Для этого можно использовать один из трех доступных способов. Первый – при помощи электрического разряда. В полевых условиях он недоступен, поэтому более приемлемым вариантом станет взрыв пиропатрона или поджог специального шнура.

Температура горения металлического порошка доходит до 2400-2700 градусов Цельсия. Этого достаточно для плавления большей части металлов. Важно обратить внимание на то, что для поддержания процесса горения не требуется приток кислорода: его достаточно содержится в самой смеси. Поэтому термитное сваривание можно выполнять в инертной среде.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

2.1.

Термитные патроны для сварки неизолированных проводов (рис. 1) изготовляются:

а) типа ПАС по ГОСТ 18492-79, состоящие из запрессованной на стальной трубке термитной шашки и вкладыша из алюминия. На термитных шашках сбоку (со стороны наиболее рыхлой части), с которой производится поджигание термитной шашки нанесена красная метка;

б) типа ПА по ТУ 82-547-80, состоящие из одеваемой на стальную трубку термитной шашки с вертикальным отверстием и колпачков или втулок, одеваемых на свариваемые провода;

в) типа ПМ по ТУ 84-496-74, состоящие из медной трубки, закрепленного в ней вкладыша из фосфористой меди и напрессованной на трубку термитной шапки.

Технические характеристики термитных патронов приведены в приложениях 2 и .

Рис. 1. Термитные патроны типов ПАС (а

), ПА (
б
) и ПМ (
в
)
1 — трубка; 2 — термитная шашка; 3 — вкладыш; 4 — место зажигания; 5 — колпачок или втулка; 6 — литниковое отверстие
2.2.

Необходимая температура разогрева в зоне сварки получается от сгорания при температуре свыше 2000 °С термитной массы, состоящей из порошка сгораемого металла (магния) и железной окалины.

2.3.

Зажигание термитной шашки термитного патрона следует производить от специальной термитной спички (изготовляется по ТУ 84-630-76), имеющей температуру горения свыше 1000 °С.

Термитная спичка представляет собой деревянную палочку (соломку), на которую нанесен зажигательный состав с воспламенителем на конце (рис. 2).

Рис. 2. Термитная спичка

1 — терочно-воспламенительный состав; 2 — зажигательный состав

2.4.

Сварка проводов должка производиться одним из следующих способов (рис. 3):

а) термитными патронами ПАС с подачей проводов в зону сварки — для сталеалюминевых и алюминиевых проводов;

б) термитными патронами ПАС с просверленным вертикальным отверстием с присадкой металла и подачей проводов в зону сварки — для сталеалюминевых и алюминиевых проводов;

в) термитными патронами ПА с присадкой металла без подачи проводов — для алюминиевых и сталеалюминевых проводов;

г) термитными патронами ПМ с подачей проводов в зону сварки — для медных проводов.

Рис. 3. Способы сварки проводов
а
— в термитных патронах ПАС;
б
— в термитное патронах ПАС с просверленным вертикальным отверстием;
в
— в термитных патронах ПА;
г
— в термитных патронах ПМ; 1 — стальная трубка (для ПМ — медная); 2 — термитная шашка; 3 — литниковое отверстие; 4 — алюминиевый вкладыш (для ПМ — из фосфористой меди); 5 — место зажигания; 6 -уплотнение из асбеста; 7 — бандаж, ограничивающий одностороннюю подачу провода в зону сварки; 8 — концы свариваемых проводов; 9 — скребок из стальной заостренной проволоки; 10 — присадочная проволока

2.5.

Приспособления для сварки проводов с помощью термитных патронов должны изготовляться по технической документации, утвержденной в установленном порядке и должны быть проверены ОТК завода-изготовителя и опробованы перед применением (приложение 4).

2.6.

Область применения сварки неизолированных проводов приводится в табл. 1 и на рис. 4.

Таблица 1

Область применения сварки неизолированных проводов ВЛ с помощью термитных патронов

Рис. 4. Область применения сварки неизолированных проводов
а
— в петлях;
б
— в пролетах алюминиевых и сталеалюминевых проводов сечением 35 — 185 мм2, скручиваемых в овальных соединителях;
в
-в пролетах медных проводов сечением 25 — 150 мм2 опрессованных в овальных соединителях;
г
— в пролетах алюминиевых и сталеалюминевых проводов сечением 240 мм2 и более с опрессовкой в соединителях; 1 — место сварки; 2 — скрученный овальный соединитель; 3 — опрессованный овальный соединитель; 4 — опрессованный соединитель

Виды

Существуют два разных способа термитной сварки – тигельный и муфельный. Их применение обуславливается условиями работы и соединяемыми материалами. Первый вид сварки называется еще алюмотермитной и применяется в сборке разных металлоконструкций и заземляющих контуров. Термит для такого вида сварки готовится из алюминиевого порошка и окисла железа. Соотношение составляет 23:70 соответственно. В процессе горения из окалины восстанавливается железо, расплав которого и соединяет заготовки.

Помимо этого, алюмотермитную сварку очень часто выбирают для ремонта металлических поверхностей способом наплавки. Основным достоинством данного метода является возможность соединения чугунных заготовок без стыков. Формирование швов на алюминиевых элементах при помощи такого способа соединения невозможно. Для их соединения лучше прибегнуть к другому виду сварки.

Для муфельной сварки берется термит на основе магния, так как алюминий под воздействием высокой температуры испаряется. Магния же имеет высокую температуру плавления, поэтому не растекается на поверхности. В результате формируется прочное сварное соединение без шва. Когда свариваются алюминиевые заготовки, для избавления от слоя оксида применяется специальный флюс.

Выполняется термитная сварка одним из четырех способов:

1. Встык. Предварительно требуется основательная подготовка. Поверхность заготовок тщательно очищается. Чтобы избежать нежелательной деформации заготовок детали обертываются специальной пленкой. После сгорания термита получается расплав. Из тигля он заливается в стыковое пространство между двумя заготовками. Детали плотно сжимаются между собой.
2. Промежуточное литье. Методика применяется для соединения деталей, зафиксированных в определенном пространственном положении. Это самый простой вариант соединения. Предварительно приготовленным в тигле расплавом заполняется пространство между двумя заготовками.
3. Комбинированный. Метод объединяет два типа сваривания. Используется для ремонта железнодорожного полотна. Торцы рельс предварительно зачищаются, после чего выполняется формовка стыка с помощью металлических форм-пластин. Образуется закрытая полость, в которую вливается расплав. Рельсы сжимаются. После затвердения расплава стык по периметру еще раз проваривается.
4. Дуплекс. Классическая тигельная сварка плюс дополнительное опрессовывание стыков.

Процесс приготовления

Термитная сварка подразумевает под собой наличие специального инструмента.

Тигель для термитной сварки.

Кроме этого мастеру для проведения работы потребуются:

• тигель с прикрепленным сливом;
• термитный карандаш необходим для того, чтобы выполнять сварку термитом в домашних условиях. Он не нуждается в подогреве, обжиге либо плавлении. После того, как оборудование будет подключено к сети, можно начинать работу;
• крепежные элементы для свариваемых деталей, чтобы поддержать и скрепить их;
• пила для металла, горелка для сварочного аппарата, термометр и другие предметы, которые могут понадобиться для работы.

Схема сварочной работы с термитом для рельсов, кабелей и других элементов может выглядеть следующим образом:

• дуплексом;
• впритык;
• смешано;
• с промежуточным вливанием.

Сварочный процесс при помощи термита применяется в тех случаях, когда необходимо прикрепить друг другу разные поверхности, катодные и дренажные выводы или другие схожие детали. Прежде чем начать сваривать металл, сами детали необходимо обжечь в печи.

Важно отметить, что термит должен обжигаться отдельно. Затем свариваемые запчасти попадают под пресс и обрабатываются специальным термитным веществом. На этом этапе тщательно обрабатываются кромки, торцы поверхностей, что дает возможность использоваться её дома.

Чтобы сварить рельсы, стрелочные механизмы и другие детали, можно воспользоваться смешанной технологией. Она соединяет в себе сварку впритык и вливанием. Прежде чем начать процесс, свариваемую часть необходимо защитить стальной пластиной с помощью пресса.

На этом месте возникнет зазор, куда и вливается термит жидкой консистенции. После того, как он застынет, шов подвергается обработке и свариванию.

Составы

Самой популярной является железоалюминиевая термитная сварка. В составе термита доминирует оксид железа. Есть в смеси и алюминий, но его часть невысока и составляет 25%. Помимо основных ингредиентов есть и дополнительные – железная обсечка, флюс, легирующие присадки и другие. Горит термит в магнезитовом тигле, здесь же и плавится металл. Кроме алюминия смесь может содержать и другие составляющие. Так с оксидом железа может использоваться:

• магний – 31%;
• кремний – 21%;
• кальций – 43%;
• титан – 31%.

Вид смеси зависит от области использования сварки. Самый простой – железная окалина в сочетании с алюминиевым порошком. Важно в точности соблюсти пропорции компонентов. Для ремонта железнодорожного полотна применяется специальный состав, называемый «рельсовым». При алюминотермитной сварке применяется шихта со стальным наполнителем, состоящим из графитной стружки и ферромарганца. Для соединения легированных сталей применяется особый состав, в который добавляются присадки из ферротитана и феррованадия.

Сварка чугуна связана с необходимостью придерживаться особых требований. Термит, предназначенный для соединения чугунных деталей, обязательно должен содержать кремний. При условии выполнения всех требований получается прочное и долговечное соединение. В присадках для сварки чугуна отсутствует марганец.

Техника безопасности

Нормативные акты указывают, что, несмотря на внешнюю простоту, термитная сварка – это сложный и опасный вид работ. Рассмотрим требования безопасности:

1. Термитный порошок может храниться только в отапливаемых, проветриваемых помещениях;
2. Нельзя использовать влажный термит;
3. Если работы по сварке проводятся вне помещения, то место стыка от снега, грязи и других инородных тел очищается в диаметре 50 сантиметров;
4. Проводить сварку нельзя, если столбик термометра опустился ниже 10 градусов;
5. Нельзя зажигать шихту от дуги;
6. Инструкция по использованию термитных инверторов требует засыпать при горении термит песком, оборудовать кислородную линию дополнительным защитным клапаном и выключать подачу горючей смеси при поломке горелки;
7. Сварщик обязательно должен быть одет в специальный костюм.

Купить оборудование для термитной сварки можно в специальном магазине, его цена зависит от типа и марки инвертора. Например, цена такого сварочного аппарата в Воронеже и Красноярске начинается от 500 долларов.

Оборудование для термитной сварки

Технологически процесс не представляет сложности. Тем не мене, для нормального протекания реакции и получения нужного результата требуется специальный инструмент и оснастка:

• Тигель. Делается он или из тугоплавкого металла, или из керамики. Резервуар должен обеспечивать безопасность слива расплавленного металла.
• Формы и матрицы потребуются для создания отливок. Они могут быть одноразовыми или длительного использования. Чтобы жидкий металл не растекался, поверхность формы обмазывается специальной глиной для термитной сварки.
• Тиски, струбцины и другие аналогичные устройства для сжатия частей форм.
• Термитный карандаш. Потребуется во многих операциях сварки или резки металла.
• Абразивы для зачистки поверхности зоны сварки. Это может быть болгарка со шлифовальным кругом, наждачная бумага, щетка по металлу.
• Набор вспомогательного инструмента: термометр полоскового типа, ножовка по металлу, газовая горелка, кислородный резак и другие.

Условия проведения

Они предельно простые:

• заранее просчитывается объем термита, необходимый для полного расплавления стыков и всех участвующих у химической реакции компонентов;
• при использовании шихты (сыпучая форма термитной смеси) следует убедиться, что все ингредиенты имеют аналогичную консистенцию и перемешены до однородного состояния;
• температурный импульс должен иметь не менее 1350 °C.

Активная фаза химической реакции продолжается не более 30 секунд: жидкий металл заполняет промежуток, а несгоревшие остатки образуют шлак.

Термитная сварка проводов

Метод отлично подходит для соединения многожильных кабельных магистралей из алюминия или меди. Сравнительно с механическими способами соединения – скрутки, колодки и прочие варианты – термическая сварка выгодно отличается меньшим электрическим сопротивлением стыка. Такой эффект достигается за счет увеличения поперечного сечения. Перед сваркой соединяемые концы следует хорошо очистить и обезжирить. Это необходимое условие для получения качественного стыка.

Для соединения кабельных систем применяются специальные термические патроны. Они имеют простое устройство и состоят из кокиля и вкладыша. Есть различия в устройстве в зависимости от материала жил. Если предстоит соединить алюминиевый многожильный провод, включая проводку со стальным сердечником, применяется кокиль из стали разъемной конструкции. Вкладыш алюминиевый. Патроны, предназначенные для работы с медными магистралями, имеют выполненный из листовой меди кокиль, а вкладыш изготовлен из сплава меди и фосфора. Для соединения проводки требуется тепловая энергия. Она генерируется термитной шашкой, которая напрессована на кокиль.

После выполнения каждой операции требуется небольшая чистка вкладыша. А именно: ершиком с его внутренней поверхности нужно удалить оксидную пленку.

Преимущества и недостатки

Достоинства методики:

• Простое выполнение.
• Термитные смеси при сгорании образуют металлические композиции, отличающиеся прочностью и надежностью.
• Оборудование не требует больших затрат электроэнергии, мобильно за счет малого веса и габаритов.

Негативные качества:

• перед проведением спайки выполняется ряд подготовительных работ;
• нет визуального контроля процесса, к работам допускаются только профессиональные исполнители.

Работы проводятся на открытом месте или в помещениях большой площади, так как при сгорании термитные смеси выделяют много тепла и света.

Алюминотермитная сварка рельсов

Процесс можно разбить на несколько этапов. Предварительно просчитывается количество тепловой энергии, которая будет выделена термитом. В соответствии с полученными вычислениями подбирается состав термитной шихты. Важно, чтобы смесь была однородной и все компоненты равномерно распределены по всему объему. Далее смесь поджигается, температура доводится до 1350 градусов Цельсия.

Термит превращается в расплав быстро – примерно за 20-30 секунд. Его масса составляет примерно половину от общего объема смеси. Все остальное является дополнительными включениями, которые оседают в виде шлака. Поскольку металл тяжелее, то он займет нижнюю часть тигля, а шлак, соответственно, будет вытесняться наверх.

Основная сложность ремонта рельсов заключается в полевом характере работ. К тому же приспособление для сваривания рельс очень массивно. Однако это самый приемлемый вариант ремонта железнодорожного полотна. Изначально готовятся торцы будущего стыка. Края выравниваются, а зазор подгоняется до 2-3 сантиметров. Две рельсы устанавливаются в одной плоскости. При этом необходимо обеспечить точную соосность расположения элементов. После устанавливается форма и начинаются сварочные работы.

Естественно, что каждый хотел бы доиться максимально качественного результата термитной сварки. Чтобы воплотить желание в фактический результат, потребуются точные расчеты. Нужно выбрать достаточный объем термита, чтобы расплав полностью заполнил собой проем между заготовками. Очень важно, чтобы смесь была идеально перемешанной, а все компоненты равномерно распределены по объему. На первых порах температура будет составлять 1400 градусов Цельсия. При меньшем нагреве термит не возгорится.

Кратко об истории развития

Впервые сварка термическая для ремонта рельс была применена в 1915 году, а уже через 8 лет в столице все трамвайные путепроводы ремонтировались только таким методом, при этом использовался импортный термит. В 1925 году русский инженер Михаил Александрович Карасев запатентовал отечественный термит и организовал его производство в Москве.

Благодаря отечественному термиту, который был намного лучше импортных вариантов, сварка рельс проводилась качественнее, а шов эксплуатировался намного дольше. В результате свыше 100 тысяч стыков на трамвайных путях было восстановлено.

В те далёкие времена ремонт проводился двумя способами: врасклин и комбинированным методом. Первый вариант быстро выходил из строя при постоянной нагрузке, поэтому от него отказались и стали использовать дуплекс — промежуточное литьё с прессованием расплавленного металла.

Качество постоянно улучшалось — количество лопнувших стыков за 10 лет эксплуатации не превышало 0,8%, поэтому аналогичные методы стали применять во время прокладки московского метрополитена. Оригинальная методика стала применяться для сварки стыков труб высокого давления, где использовалась легированная сталь особой прочности. Термиты использовали для ремонта большого диаметра валов и других крупных деталей из металла.