CC BY
66
DOI: 10.47581/2021^МПУ34.1Ш1
ТЕРМИТНАЯ СВАРКА Каракич Егор Андреевич, студент Самборук Анатолий Романович, профессор, д.т.н., Майдан Дмитрий Александрович, доцент, кандидат наук Самарский государственный технический университет, Россия
В статье приведено сравнение различных видов термитной сварки, рассмотрены их достоинства и недостатки. Также приведен обзор технологии термитной сварки. Главное преимущество термитной сварки состоит в том, что она не требует сложного дорогостоящего оборудования, высокой квалификации рабочего персонала и обеспечивает достаточно высокое качество сварного шва, автономность и возможность протекания процесса в полевых условиях. Представлен обзор термитных смесей различного состава, условия и области их использования.
Ключевые слова: Термит, термитная сварка, порошковая сварка.
Термитная сварка - это сварочные работы, протекающие за счет горения специальных термитных составов, в качестве которых чаще всего выступают смеси порошков металлов-восстановителей с оксидами тех металлов, из которых при протекании высокоэкзотермической реакции формируется сварочный шов, а также различными присадочными соединениями -элементами металлического происхождения.
В качестве металлов-восстановителей наиболее широкое применение получили алюминий, магний, кальций, а также кремний и бор, которые не являются типичными металлами. От металлов-восстановителей произошло название металлотермических процессов.
Металлотермический процесс восстановления какого-либо вещества активным металлом в общей форме выражается уравнением химической реакции [1]:
аМе + Ме'ЬХс ^ ЬМе' + МеаХс, где Ме - металл-восстановитель; Ме' -восстанавливаемый металл; Х-неметалл.
В зависимости от применяемого восстановителя различают три основных способа металлотермического восстановления железа из его оксидов: алюминотермия, магниетермия, силикотермия [2-3].
Наиболее широкое распространение среди металлотермических процессов получила алюминотермия. К числу основных преимуществ, способствовавших широкому распространению алюминотермических процессов, следует отнести:
- высокую восстановительную способность алюминия, позволяющую получать алюминотермическими методами сплавы большинства технически важных металлов;
- возможность получения более низких содержаний вредных примесей, особенно углерода;
- несложное производство, хранение и использование алюминиевого порошка по сравнению с порошками магния или кальция;
- относительно небольшие затраты на аппаратурное оформление процесса.
Давно известен и широко применяется железоалюминиевый термит, механическая смесь грубодисперсного алюминиевого порошка и железной окалины. Оксид железа смешивается с порошком алюминия в массовой пропорции приблизительно 75% к 25% [4].
Реакция горения протекает по уравнению: 2А1 + Бе203 = А1203 + 2Бе+ 853,7 кДж.
Выделяющегося тепла хватает для разогрева смеси до температуры порядка 3000 К, что выше температуры кипения алюминия. Это объясняет хоть и малое, но наличие газовой фазы в продуктах реакции. При увеличении доли более легкоплавкого алюминия, или использование более мелкой фракции, доля газовой фазы также будет увеличиваться, и будет наблюдаться разбрызгивание расплава шлака из зоны свариваемого шва. Это является крайне нежелательным и опасным следствием несоблюдения технологии сварки
Рисунок 1 - Сварка стыков рельс алюминиевым термитом
К плюсам данного состава термита можно отнести [5]:
1) Высокую температуру горения, в среднем 2700-2900 К.
2) Образование при горении расплавленных шлаков, которые выступают в качестве защиты сварного шва от окисления.
3) Не требуется специальная сложная оснастка или оборудование.
4) Почти полная независимость от внешних факторов среды, например, от осадков или ветра.
5) Сварной шов хорошо поддается обработке, что позволяет сохранять заданные габариты изделия.
Недостатки алюминиевого термита:
1) Большая трудность воспламенения термита (особенно в запрессованном состоянии), что требует использование переходных зажигательных составов.
2) Возможность проплавления свариваемой детали из-за высокой температуры горения.
3) Пожароопасность: их крайне трудно тушить, так как они способны гореть даже в воде и при отсутствии притоков кислорода.
4) Невозможность контроля процесса сварки.
Железомагниевый термит - смесь порошков металлического магния и железной окалины. Магниетермическое восстановление железной окалины протекает в соответствии со следующим уравнением реакции: 4М£+Е304 = 3Fe+4MgO+Q
Продукты сгорания магниевого термита образуются не в жидком, как у алюминиевого термита, а в твердом виде за счет высокой температуры плавления оксида магния 3100 К. При сгорании получается не плавящаяся, а лишь спекающаяся рыхлая пористая масса, которая впитывает в себя расплавленное железо.
К плюсам магниевого термита можно отнести:
1) Высокую температуру горения.
2) Качественная структура сварного шва.
3) Образование бесшовного соединения за счет впитывания в расплавленные кромки пористого спека.
Рисунок 2 Сварка арматуры магниевым термитом
Магниевый термит используют, когда необходимо сварить электрические коммуникации и прочее электронное оборудование. Также магниевый термит используется для сварки стыков стальных труб и прутков небольших диаметров—до 20—50 мм [6-7].
К недостаткам магниевого термита можно отнести:
1) Медленный нагрев металла.
2) Малая производительность.
3) Возможность окисления структуры сварного шва.
4) Невозможность контроля процесса.
Вся сущность процесса термитной сварки заключается в восстановительных свойствах алюминия или магния, которые при взаимодействии с оксидом металла вызывают восстановительную реакцию замещения с выделением большого количества тепла. Инициируют реакцию, как правило, поджогом переходной смеси или же использованием пиропатрона [8-11].
При сгорании термитной смеси происходит восстановление металла оксида, который входит в состав термитной сварки и, как следствие, образование сварочного шва из расплавленного металла.
Термитная сварка широко применяется во многих отраслях: для
сварки рельсовых стыков, железнодорожных пересечений и крестовин, сварки арматурных стержней, сварки стыков труб высокого давления тер-митно-прессовым способом, приварки стыковых соединений к рельсам;
приварки элементов заземления к металлоконструкциям и прочее.
Большой проблемой использования грунтовых трубопроводов различного назначения является их сильная коррозия под действием электрохимической коррозии. Одним из самых распространенных и дешевых способов защиты является электрохимическая защита [12].
Для приварки выводов электрохимической защиты (ЭХЗ) необходимо использовать метод сварки, обеспечивающий простоту и технологичность процесса, а также высокое качества сварного шва. Наиболее оправданным является использование медной термитной смеси.
Медноалюминиевый термит получается при смешивании мелкодисперсных порошков оксида меди и порошка алюминия. Пропорции достаточно технологичной смеси составляют 80% окиси меди и 20% алюминия. При поджоге данной смеси реализуется процесс: 2А1 + ЗСиО = А1203 + 3Си + 0.
Температура воспламенения составляет 1000-1400 К. Температура горения более 2100 К обеспечивает расплавление меди [13-14].
Медная термитная сварка может применяться для приварки достаточно малых деталей (5-20 мм) к современным газопроводам, из металлов с высокими пределами текучести (свыше 540 МПа). При проведении процесса сварки в тигель-форме газопровод может не прекращать своей работы и находиться под рабочим давлением. Для обеспечения качественной приварки требуется соблюдение необходимых технологических условий [15]:
- Предварительная подготовка поверхности трубопровода.
-Плотное прилегание тигель-формы и выводов ЭХЗ к поверхности трубы.
- Достаточное время остывания сварочного шва.
- Контроль качеств полученного шва.
Качество полученного соединения практически всегда зависит от подготовки поверхности и использования качественной термитной смеси и мало зависит от квалификации сварщика.
Список литературы
1. Подергин В.А. Металлотермические системы. - М.: Металлургия, 1992. - 271 с.
2. Соколов И.П., Пономарев Н.Л. Введение в металлотермию: Учеб.пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1990. - 135 с.
3. Токач Ю.Е., Рубанов Ю.К. Извлечение металлов из отходов производства // Perspective innovations in science, education, production and transport, 2014. - 99 с.
4. Малкин Б. В., Воробьёв А. А. Термитная сварка. — М: Издательство Министерства жилищно-коммунального хозяйства РСФСР, 1963. — 104 с.
5. Овчинников В.В. Термитная сварка.: Издательство КноРус. 2004. - 164 с.
6. Коненков В.И. Алюмотермитная сварка // Евразия. Вести. - 2003. - № 9. - 22 с.
7. Лякишев Н.П. Алюминотермия. М.: Металлургия, 1978. 424 с.
8. Шидловский A.A. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1973. 320 с.
9. Чувурин A.B. Занимательная пиротехника: Опасное знакомство. В 2 Ч. Ч. 1.Х.: Основа, 2003. 360 с.
10. Аржевитов С.Ю. Оценка и снижение взрывоопасности металлотермических систем: Автореф. канд. тех. наук. М.: 2009. 24 с.
11. Андреев К. К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ. М.: Наука, 1966. 340 с.
12. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. - М.: Физматлит, 2006. - 371 с.
13. Самборук А. Р., Кузнец Е.А., Гурский И.О. Термитная сварка выводов электрохимической защиты/ Современные материалы, техника и технологии»// Научно-практический рецензируемый журнал №6 (14) 2017 год - С. 118 - 122.
14. Самборук А. Р., Кузнец Е.А., Гурский И.О. Исследование влияния рецептурных факторов медной термитной смеси на процесс приварки выводов электрохимической защиты// Современные материалы, техника и технологии»// //Научно-практический рецензируемый журнал №6 (14) 2017 год - С. 123 - 128.
15. Инструкция по термитной сварке выводов ЭХЗ с применением термоматериалов для использования на уникальных объектах [Текст] / ООО НПО «Нефтегазкомплекс-ЭКЗ», Саратов.- 2009.
Karakich Egor Andreevich, Student, Samboruk Anatoly Romanovich
Professor, Doctor of Technical Sciences, Maidan Dmitry Alexandrovich
Assistant Professor, Candidate of Technical Sciences Samara State Technical University, Russia,Samara THERMIT WELDING
Abstract: The article discusses the technology of thermite welding, specials of using, thermites of various compositions and proportions. An overview of thermite welding is also provided. The main advantage of using thermite welding is that it does not require complex expensive equipment, a large number of workers, a sufficiently high quality of the weld and the speed of the operation.
An overview of thermite mixtures of various compositions, conditions and advantages of their use is presented.
