СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ТЕРМИТНАЯ СВАРКА

Термитами называются порошкообразные горючие смеси метал­лов с окислами металлов, способные сгорать с выделением значи­тельного количества тепла и развивать при этом весьма высокую температуру. Термиты изобретены в конце прошлого столетия. Они применяются для производства некоторых металлов и сплавов.

Важной областью применения термитов является сварка метал­лов. Горючими металлами в термитных смесях могут служить ме­таллы с большой теплотой образования окислов, например алюминий, магний, кремний, в особенности аморфный. Источником кислорода в термитных смесях являются окислы металлов со сравнительно небольшой теплотой образования, например, окислы железа, мар­ганца, никеля, меди и т. п. В качестве источника кислорода в сва­рочных термитах обычно применяется железная окалина, отвечаю­щая по составу, примерно, магнитной окись-закиси железа Fe3C>4 содержащей 27,6% кислорода и 72,4% железа. Наиболее Важным для целей сварки является алюминиевый термит, который состоит из металлического алюминия в форме грубозернистого по­рошка или крупы, обычно с величиной зерна около 1 мм и железной окалины примерно с той же величиной зерна. По внешнему виду алюминиевый термит представляет собой сыпучую грубозернистую смесь из белых зёрен (алюминий) и чёрных зёрен (железная ока­лина). Термит может быть подожжён, для чего его необходимо на­греть хотя бы в одной точке до температуры порядка 1000°. На­чавшееся горение протекает весьма бурно, быстро распространяется на весь объём термитной смеси и проходит по реакции

3Fe304 + 8А1 = 4А120з+9Fe.

Термит сгорает полностью за несколько секунд. Время горения зависит от грануляции, т. е. размеров зёрен смеси; чем мельче зерно, тем быстрее заканчивается процесс горения. Экзотермичная реакция сгорания одного килограмма алюминиевой термитной смеси развивает около 750 ккал.

Из приведённой выше реакции сгорания термита легко рассчи­тать, что на 1 кг термитной смеси нужно взять 237 г алюминия и 763 г железной окалины. Этот расчёт относится к химически чистым компонентам. В действительности термитная смесь изготов­ляется из возможно более дешёвых материалов. Берётся техниче­ский алюминий низших марок или используется алюминиевый лом с содержанием алюминия от 88 до 98%. Железную окалину берут обычно из цехов горячей прокатки стали, в которых она является отбросом производства. Такая окалина может содержать различное количество кислорода, и вместо теоретической цифры 27,6% дей­ствительное содержание его равно от 20 до 28%. Поэтому дей­ствительный состав термитных смесей может меняться в довольно широких пределах в зависимости от химического состава применяе­мых материалов, который должен проверяться химическим анали­зом. Наиболее распространённый состав термитной смеси для ма­териалов среднего качества: 23% алюминия и 77% железной ока­лины. Несмотря на то, что алюминиевый термит развивает сравни­тельно небольшое количество тепла — в среднем 750 кал на 1 кг смеси (1 кг хорошего каменного угля даёт 7000 ккал), термитная смесь развивает при сгорании весьма высокую температуру. Это объясняется тем, что сгорание термита идёт исключительно за счёт вещества самой смеси, и 1 кг термита при сгорании даёт столь­ко же, т. е. 1 кг, продуктов сгорания. Уголь же сгорает за счёт кислорода воздуха, и при сжигании 1 кг угля в воздухе получается около 14 кг продуктов сгорания. Теоретический расчёт для реакции сгорания термита, с учётом теплоёмкости продуктов сгорания, даёт для продуктов термитной реакции температуру выше 3000°, та­кую же температуру показывают и непосредственные измерения. Поэтому продукты сгорания термита — железо (температура плав­ления около 1500°) и окись алюминия А1203 (температура плавле­ния 2050°) получаются в расплавленном, жидком и сильно пере­гретом виде. Если сжечь термит в огнеупорном тигле, то по окон­чании реакции горения продукты реакции — жидкая сталь и шлак, состоящий главным образом из окиси алюминия, быстро разделя­ются на два слоя: металл — шлак в соответствии с удельными ве­сами продуктов реакции; 1 кг термитной смеси даёт 550 г расплав­ленной стали и 450 г шлака — расплавленной окиси алюминия. В сварочные термитные смеси помимо алюминия и железной окали­ны обычно дают ещё различные добавки, имеющие целью улучшить состав и повысить прочность термитного металла, увеличить общий
выход металла при сжигании смеси, несколько понизить темпера­туру термитной реакции. Для раскисления термитного металла, улучшения его химического состава и повышения механической прочности в термитные смеси обычно вводят ферросплавы, главным образом ферросилиций и ферромарганец. Меняя количество этих присадок, можно изменять в широких пределах химический состав и механические свойства термитного металла, например, предел прочности можно изменять от 40 до 75 кг! мм?. Для увеличения вы­хода термитного металла и некоторого снижения температуры термитной реакции в термитную смесь для сварки обычно доба­вляется технически чистое железо в мелких кусочках в количестве

10—15% от веса термитной смеси. Для этой цели чаще всего при­меняется обсечка, являющаяся отходом при производстве прово­лочных гвоздей. Окончательный состав термитной сварочной смеси определяется расчётом в зависимости от характера работы и со­става металла, подлежащего сварке.

Рассмотрим кратко технику термитной сварки. Термитная смесь сжигается в специальных огнеупорных тиглях. На фиг. 182 схема­тически показано устройство тигля для сжигания термита. Тигель имеет корпус 1 из листового железа с внутренней огнеупорной магнезитовой футеровкой 2. При сжигании первой порции термита футеровка несколько оплавляется и зашлаковывается окисью алю­миния термитной смеси. Размер тигля берётся в соответствии с величиной сжигаемой порции термита.

В зависимости от размеров изделия, подлежащего сварке, вес термитной порции может меняться от нескольких сотен граммов до нескольких сотен килограммов. Для сварки нормального рельсо­вого стыка профиля 1-А требуется 7—8 кг термита. Для сварки используются горячие расплавленные продукты сгорания термитной смеси. Иногда расплавленная смесь выливается на место сварки через край тигля при его наклонении, но такой приём применяется редко. Обычно продукты сгорания выпускаются через дно тигля.

Для возможности выпускания через дно при набивке футеровки тигля в его донную часть вставляется стакан 3 из высококачествен­ного обожжённого огнеупора, обычно магнезита. Внутрь стакана вставляется сменный магнезитовый штепсель —• втулка. Отверстие штепселя перед засыпкой термитной смеси закрывается специаль­ным запорным гвоздём со стержнем диаметром 5—6 мм, длиной около 120 мм с плоской шляпкой диаметром около 17 мм. Поверх шляпки гвоздя кладётся асбестовый кружок и сверху засыпается небольшим количеством огнеупорного магнезитового песка, который слегка утрамбовывается. После этого в тигель насыпается и тща­тельно перемешивается термитная смесь. Такое перемешивание необ­ходимо ввиду возможной сепарации частиц термита при хранении.

Термит хранится на складе обычно отдельными порциями в ко­личестве, необходимом для данной работы, например для сварки рельсового стыка, причём каждая порция упаковывается в отдель­ный пакет или мешок.

Зажигание засыпанной в тигель термитной смеси может произ­водиться сварочной дугой или специальным запалом. От обычных источников тепла, например от пламени зажжённой спички, термит не загорается, что делает его сравнительно безопасным в обраще­нии и хранении. Запальные смеси загораются от пламени спички, развивают высокую температуру и зажигают термит. Упаковывают запальные смеси обычно в отдельные капсюли. Запальные смеси опасны в пожарном отношении и должны храниться и доставляться на место работ - в плотно закрывающихся металлических коробках. В состав запальной смеси для термита обычно входит бертолетовая соль и тонкий порошок (пудра) алюминия.

После того как термитная смесь загорелась, тигель накрывается крышкой с отверстием для выхода газов. По окончании реакции горения, через 20—30 сек. после зажигания, расплавленные про­дукты готовы к выпуску. Для выпуска расплавленных продуктов выбивают запорный гвоздь ударом по нижнему концу ударником — железной полосой или трубкой с расплющенным концом, и горячая смесь выливается на место сварки. При выпуске через дно тигля сначала выливается металл, затем шлак; при выпуске через край тигля сначала льётся шлак, затем металл.

Место сварки должно быть предварительно заформовано таким образом, чтобы осталась полость для термитного металла и шлака. Заформовка производится огнеупорными материалами в коробке из листового железа. При заформовке необходимо оставить каналы и отверстия в стенках железной формы для облегчения удаления газов.

Расплавленные продукты подводятся по специальному литнико­вому каналу в заформовке в нижнюю часть формы, откуда они постепеннно поднимаются кверху и заполняют весь объём формы. В индивидуальных работах объём формы, подлежащий заливке, воспроизводится посредством восковой модели. После заформовки воск выплавляется и выжигается при последующей просушке и прокалке заформовки. Для массовой или серийной сварки однотип­
ных деталей, например рельсовых стыков, применяются постоянные деревянные или металлические модели, например алюминиевые.

Модели изготовляются отдельно для облива, литника и выпора. По окончании заформовки производится сушка формы и её про­калка, а также подогрев места сварки до красного каления (700—800°). Прокалка и по­догрев чаще всего произво­дятся подогревательными го­релками — форсунками, ра­ботающими на керосине или нефти. Распыление горючего производится подачей его под давлением 3—5 атм, со­здаваемым воздухом, накачи­ваемым ручным насосом в ре­зервуар с горючим. Просуши­ваются и прокаливаются не только заформовка, но и ти­гель вместе с крышкой перед засыпкой первой порции тер­митной смеси. Просушке и прокалке при термитной сварке уделяется большое внимание, так как остатки влаги в заформовке или футе­ровке тигля могут вызывать сильные и опасные взрывы с разбрасыванием жидкого ме­талла и шлака.

Термитная сварка по спо­собу выполнения имеет не­сколько разновидностей, ко­торые можно разделить на 3 группы:

1) сварка давлением или пластическая без заметного расплавления основного ме­талла;

2) сварка плавлением (способ промежуточного литья), при ко­торой основной металл расплавляется по всему сечению и сплав­ляется с жидким присадочным металлом; осадочного давления не требуется;

3) комбинированный способ, при котором производится расплаз - лекие основного металла по всему сечению или частичное и исполь­зуется осадочное давление.

Рассмотрим разновидности термитной сварки на примере сварки рельсового стыка — самом обычном применении термитной сварки.

При сварке давлением жидкие продукты выливаются через край тигля (фиг. 183, а), при этом место сварки сначала заливается

жидким шлаком, смачивающим металл и дающим на его поверх­ности тонкую плёнку, препятствующую прилипанию термитного ме­талла к основному. Жидкий металл поступает в форму вслед за шлаком, но не сваривается с основным металлом и может быть удалён по окончании сварки. Жидкий металл используется лишь как носитель тепла для разогрева места сварки. После того как жидкая смесь выпущена в форму и стык достаточно разогрет, при­ступают к осадке. Для этой цели применяются стяжные прессы, приводимые вручную рычажными ключами. При повороте ключей приводят в действие винтовые стяжки, создающие давление и про­изводящие осадку разогретых деталей. Стяжной пресс надевается на место сварки до выпуска расплавленной смеси. На фиг. 184 показан стяжной пресс для термитной сварки рельсового стыка, готовый к работе.

Поверхность сварного стыка должна быть защищена от попа­дания термитного шлака, для чего соединяемые поверхности тща­тельно пригоняются, зашлифовываются и перед сваркой стягива­ются со значительным давлением посредством стяжного пресса. Так как рельсовая сталь обладает ограниченной свариваемостью в пла­стическом состоянии, то в стык перед сваркой закладывается пла­стинка по профилю рельса из мягкой малоуглеродистой стали с тщательно зачищенными и отшлифованными поверхностями. Прп разогреве стыка термитом усиливают давление, поворачивая стяж­ные гайки пресса, и производят осадку.

Способ термитной сварки давлением в том виде, как он описан выше, в настоящее время почти не применяется, так как этот спо­соб сложен, кропотлив, требует очень тщательной пригонки свари­ваемых поверхностей и даёт различные результаты по прочности стыка. Также трудоёмка операция осадкц и установки стяжного пресса, а сами прессы дороги и легко повреждаются при работе в полевых условиях. Значительно дешевле и удобнее сварка плавле­нием, так называемый способ промежуточного литья (фиг. 183,6). В этом случае рельсы заформовываются со значительным зазором (10—12 мм) в стыке, поэтому особо тщательной пригонки и шли­фовки соединяемых поверхностей не требуется.

Расплавленная смесь выпускается через дно тигля. Поступаю­щий в форму перегретый расплавленный металл оплавляет основ­ной металл у сварного стыка и сплавляется с ним в одно целое. Термитный шлак, поступающий в форму вслед за металлом, слу­жит лишь для дополнительного подогрева сварного стыка и замед­ления его охлаждения по окончании сварки. Осадочного давления и применения стяжного пресса не требуется, рельсы остаются непо­движными в процессе сварки. Поэтому возможно, например, свари­вать рельсы, уложенные в пути, без их расшивки, что даёт воз­можность сваривать плети неограниченной длины, вваривать куски рельсов в местах вырезки повреждённых стыков и т. п.

К недостаткам способа промежуточного литья относятся: 1) не­сколько увеличенный расход термита; 2) образование литой струк­туры металла в сварном стыке, не уплотняемого осадочным давле­нием и поэтому склонного к образованию пор и раковин; 3) всё сечение стыка для надлежащего разогрева получает значительный облив, удаление которого, где оно требуется, вызывает известные затруднения. Приходится обрубать и зашлифовывать поверхность катания и боковые грани головки рельса.

При комбинированном способе металл выпускается через дно тигля, заливка жидким металлом ведётся лишь до нижней грани головки рельса (фиг. 183, в), а зашлифованные торцы головок со­бираются со вкладной пластинкой малоуглеродистой стали. При выпуске жидкой смеси головка заливается шлаком и сваривается давлением при последующей осадке стяжным прессом, в то время как шейка и подошва рельса оказываются сваренными плавлением по способу промежуточного литья. Комбинированный способ яв­ляется наилучшим и в настоящее время находит преобладающее применение.

Результаты термитной сварки рельсовых стыков достаточно удовлетворительны. Сварка легко осуществляется в полевых усло­виях. Несмотря на это термитная сварка рельсовых стыков на же­лезных дорогах применяется в ограниченных размерах и в настоя­щее время почти вытеснена контактной электросваркой. Причиной служит довольно высокая стоимость термитной смеси, дефицитность металлического алюминия, низкая производительность термитной сварки. Этот вид сварки сохранил своё значение для рельсовых стыков трамвайных путей и широко используетря на трамвайных линиях всех городов Советского Союза, так как в условиях города другие методы сварки рельсозых стыков трудно применимы.

Термитная сварка может применяться при ремонте крупных стальных и чугунных деталей. Для чугуна применяется специаль­ный термит со значительным содержанием ферросилиция. Посред­ством термита можно приливать отломанные части стальных дета­

лей, например зубья крупных шестерён, производить наплавку по­верхностей и т. п. Термит даёт возможность изготовлять стальные отливки на месте в любых, даже полевых условиях, что в ряде слу­чаев может представлять практический интерес.