Сварка при производстве электромонтажных работ

Термитная сварка

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.

ШШ

После сварки

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.