Что такое термитная сварка

Термитная сварка. Применение в промышленности и быту. Термитный карандаш

Термитная реакция (от древнегреческого therm – тепло) – процесс сгорания термита, состоящего из смеси алюминиевого (или магниевого) порошка с различными окисленными металлами (чаще всего это железо).

Реакция протекает с интенсивным выделением тепла. Температура горения термита составляет более 2300 градусов Цельсия и в результате его сгорания образуется металл и алюминиевый шлак. Если углубиться в историю открытия процесса, то впервые реакция была получена русским исследователем Н.Н. Бекетовым. Ученый практическое использование термита видел главным образом в получении сталей. Однако, популярной термитная реакция стала спустя почти полвека благодаря работам немецкого химика Ганса Гольдшмидта (буквально «золотых дел мастер»), который предложил использовать ее для сварки железнодорожных рельс. Гольдшмидтом была разработана технология сварки, начерчены чертежи тигля, в котором происходит сгорание высокотемпературной смеси.

Применение термитной сварки давала возможность получить прочный и надежный сварной шов без технологических непроваров, а эффективность метода позволила внедрить его в промышленных масштабах.

Сварка посредством алюминотермитной реакции применяется и сегодня в деле строительства железнодорожных полотен. Термитная сварка – простой и эффективный способ получения сплошных сварных соединений при минимальных затратах. Она также может быть использована для сварки арматурных стержней в строительстве, проводов линий электропередачи (ЛЭП), при ремонте и восстановлении крупногабаритных деталей из стали и чугуна. Наплавкой металла практикуют ремонт изношенных частей деталей. Например, так можно «нарастить» изношенный или сколовшийся зуб шестерни.

Термитную реакцию записывают следующей формулой:

Fe2O3 + 2Al =>Al2O3 +2Fe + 760 кДж, где

Fe2O3 – трехвалентный оксид железа ( визуально выглядит как обыкновенная ржавчина);
2Al – пудра из алюминия;
Al2O3 – шлаковый состав;
Fe – чистое железо.

Реакция протекает очень бурно и длится 15-30 с. Из одного килограмма термита получают 0,55 кг металла и 0,45 кг шлака. Для сварочных работ термитную смесь готовят преимущественно в следующих пропорциях:1/4 -порошкообразный Al и ¾ — железный окисел. Термит дополнительно легируют для получения сварного соединения с заданными мех. свойствами и наполняют стальными обрезками для увеличения количественного выхода расплавленных продуктов реакции.

Для формирования жидкого металла используются формы, состоящие из двух разъемных половин. Сварка производится литейным металлом, который оплавляет кромки деталей и заполняет зазор между ними. Величина зазора 10-15 мм.

Существует два способа сварки: первый позволяет экономить расход термита, второй – увеличить скорость работ.

В первом случае соединение , на которое предварительно установлена форма, подогревают горелкой, которая подводится через верхнюю ее часть, до Т- (850 -900) градусов Цельсия. По достижению температуры расплавленный состав выдерживается 5-6 с и спускается в форму.

Второй случай не предполагает применение предварительного нагрева (благодаря чему и экономия времени 15-20 мин.) свариваемого изделия газопламенной горелкой. Металл сварного соединения прогревается самим термитом, который сжигается в увеличенном количестве (в литейном производстве также используется подобный прием, когда кокиль нагревается самим металлом, например, при алюминиевом гравитационном литье). Здесь же сварное соединение формируется благодаря литью перегретого металла. Тигельная часть отделена от заливаемого объема металлической заслонкой. Толщина заслонки рассчитывается так, чтобы она расплавилась до окончания процесса.

Детали не должны содержать влаги. Вода спровоцирует выплеск металла. Операторы термитной сварки должны быть ознакомлены с правилами техники безопасности. Они должны использовать СИЗ: стойкие к высокой температуре прозрачные очки, специальную обувь, одежду, обработанную огнеупорным составом (читайте статью «СИЗ сварщика»).

Термит в быту. Термитный карандаш (сварка без сварочного аппарата)

В одной из серий остросюжетного сериала «Во все тяжкие» термитный состав помог главным героям открыть дверь склада, где хранились бочки с веществом для синтеза метамфетамина. Мы ни в коем случае не предлагаем вам повторять за Уолтером Уайтом и совершать какие –то противоправные/противозаконные действия (разве что вы не сможете открыть личный сейф традиционными способами). Тем не менее это яркий голливудский пример того, что термитную реакцию можно использовать не только в промышленных/производственных, а и в бытовых целях. Если с помощью термита можно выплавить металл (резка), значит и обратный процесс – сварка – справедлив.

Например, с помощью совершенно простого изобретения, именуемого «термитный карандаш», можно сварить в полевых условиях без электричества две железные детали. Способ удобен на даче, если отключили электричество или если нужно что-то сварить без необходимости приобретать инвертор и тратить на это какие-то средства.

Сделать карандаш своими руками очень просто. Находим в хозяйстве или покупаем металлический пруток (скорее всего вам попадется черный металл – низкоуглеродистая сталь, так как она чаще всего встречается), либо нарезаем его с проволоки. Берут пруток ø2-5 мм в зависимости от толщины изделия (чем оно толще, тем больше диаметр прутка) и наносят на него покрытие, замешанное на клее. Покрытие на 23-24% состоит из алюминиевого порошка и на 76-77% из закиси железа. Частицы этих двух компонентов должны быть мелкой фракции не более 0.5 мм.

Для того, чтобы смесь держалась на металлическом стержне, к ней нужно добавить нитроцеллюлозный или синтетический клей (быстросохнущий) и размешать все это до состояние пасты.

Покрытие наносится следующим образом

Из кальки нужно свернуть цилиндр. Его внутренний диаметр должен быть в 3 раза больше, чем диаметр прутка. Далее он заполняется пастообразным составом, в который вставляется стальной пруток по центру. После того, как покрытие подсохнет и схватится с металлической частью, можно разрезать бумагу канцелярским ножом и пользоваться термитным карандашом.

Примечание.

Ранее шаблон делали из кальки, которая представляла собой прозрачную бумагу, используемую чертежниками для копирования чертежей на дралоскопе (светостол). В связи с развитием копировальной техники дралоскопы ушли в историю, как и калька. Хотя у кого-то она может остаться со студенческих времен. Как бы то ни было, если у вас нет кальки, нам видится, что в место нее можно использовать фольгу.

На торец карандаша можно нанести затравку, которая облегчит его поджиг. Затравка состоит из бертолетовой соли и алюминиевого порошка в соотношении 2:1. Затравку можно выполнить отдельно в виде запальной спички, а также не использовать ее вовсе, применяя для поджига бенгальский огонь. Проще всего поджечь карандаш с помощью газовой горелки, которые сейчас стали очень портативными.

Как уже было сказано выше, температура сгорания термита очень высокая. Реакция будет протекать с интенсивным выделением тепла и разбрызгиванием расплавленного металла. А это уже не шутки. Нужно подумать о своем здоровье, запастись средствами индивидуальной защиты. Используйте защитные очки (читайте про UVEX) и одежду из плотной ткани (ни в коем случае нельзя одевать синтетику — читайте статью на эту тему).

Что такое термитная сварка

Термическое воздействие на отдельные части металлоконструкций позволяет им обеспечить высокопрочное соединение. Термитная сварка – это известный и простой вид этих работ, который легко выполняется в домашних условиях даже мастерами с минимальным опытом.

Технологические особенности

Термитная или порошковая сварка ГОСТ 2601-84 – это вид варочных работ, при которых в качестве источника тепла служат термиты, используется для соединения рельсов, ЭХЗ и т. д. Термит – это порошкообразная смесь из различных металлических материалов, в частности, алюминия и магния и окалины железа.

Существуют такие виды термитной сварки:

1. Тигельная (алюминиевотермитная);
2. Муфельная.

Тигельная используется для создания контуров заземления и при соединении электрических кабелей небольшого диаметра. Технология подразумевает использование термитной смеси в соотношении алюминий / железо в пропорциях 23 / 70. При полном сгорании термита выделяется железо, которое и используется для соединения между собой стыков. Сам процесс горения зависит от размера зернистости термитного порошка. При работе с медью или другими соединениями иногда в состав порошка вводят соединения других металлов для увеличения прочности шва.

Фото — работа на рельсах

Алюминиевая применяется при необходимости создать на поверхности определенной конструкции наплавку, для ремонта трамвайных рельсов или при работе с хрупкими материалами. Одним из ключевых достоинств такой технологии является возможность сваривания чугуна бесстыковым методом.

Фото — принципиальная схема

В то же время, тигельная сварка не может использоваться для соединения алюминия, поэтому здесь применяется муфельная. Особенность муфельной работы такова, что при непосредственном контакте высокие температуры плавления термитов способствуют тому, что определенные участки алюминиевых соединений испаряются. Поэтому для создания таких креплений необходимо применять накладки или термитные патроны. Эти патроны значительно облегчают работу с проводами одножильного и многожильного типа. Они представляют собой наконечник, оснащенный металлическим кокилем. Отличие муфельного типа от тигельного в том, что в процессе работы не появляются продукты сварки жидкого типа. Магний под воздействием высоких температур не растекается по соединяемой поверхности, а впитывается в неё, образуя бесшовное соединение.

Фото — шов

Для кабелей из алюминия перед выполнением термитной сварки требуется воздействие флюса. Он растворит оксидную пленку, препятствующую свариванию отдельных частей алюминия, но могут вызвать ржавление проводов. Поэтому профессионалы крайне редко используют эту методику. Для соединения такого вида кабелей применяются кокили или присадочные прутики, в которые вставляются концы проводов и нагреваются до нужной температуры.

Фото — виды термического воздействия

Сварка термитом, в состав которых входит магний, используется для обработки проводов малого сечения (телефонных, интернет-кабелей), различных электрических соединений и т. д. Для создания термита требуется около 20 % магний или алюминия в смеси и 80 % железа (его окалины). При этом, главным источником кислорода в процессе является окись железа, а тепло выделяется чистым металлом.

Достоинства:

1. Простота. Эта технология соединения стыков стали, алюминия, чугуна и других металлов может использоваться даже новичками в сварочном деле. Работы не занимают много времени и проводятся компактным оборудованием, которое удобно хранить дома;
2. Термиты обеспечивают отличное качество соединений. Стыки прочные и долговечные. При работе с алюминием для уменьшения коррозийных процессов используются флюсы типа ВАМИ;
3. Доступность. Оборудование для термитной сварки не нуждается в большом количестве электрической энергии.

Фото — термитная смесь

Но у этого вида сварочных работ есть и определенные недостатки:

1. Для осуществления данного типа сварки потребуется вспомогательная и подготовительная обработка металлоконструкций и кабелей;
2. Процесс сварки невозможно отследить, поэтому работать бесшовной техникой смогут только профессионалы с аттестацией НАКС.

Процесс

Для проведения термитной сварки требуется специальное оборудование. Это:

1. Тигель, оборудованный сливом;
2. Термитный карандаш. Очень удобное приспособление для выполнения работ дома. Его не нужно подогревать, обжигать или переплавлять. После включения в сеть устройство уже готово к работе;
3. Приспособления для поддержки и зажима свариваемых конструкций;
4. Резак, пила по металлу, горелка для инвертора, термометр;
5. Прочие дополнительные инструменты (абразивный круг, металлическая щетка).

Рассмотрим пример, как проводится сварка термитами на алюминиевой основе. Для воспламенения такого порошка необходима минимальная температура 1300 градусов. Под её воздействием металлические конструкции испаряются, на их поверхности образуются микротрещины. Нагретый алюминий способен не только восстановить металл, но и обеспечить плотное и долговечное соединение отдельных частей. Соединяемые части фиксируются в форме, которую можно сделать из подручных средств или купить в специальном магазине. Обрабатываются детали выбранным видом сварки, остужаются и зачищаются.

Фото — термитный порошок

Термитная сварка для рельсов, кабелей и т. д. бывает следующих типов:

1. С промежуточным литьем;
2. Впритык;
3. Комбинированная;
4. Дуплекс.

Во время промежуточного литья термитный порошок под воздействием высоких температур становится жидким металлом. Смесь, выработанная плавлением имеет такие же характеристики, как и её твердая (порошковая) форма. Во время этого соединяемые части отдельной металлоконструкции фиксируются в специальной форме. Термит заливается в неё, благодаря чему происходит оплавление и соединение металлических частей. Нужно отметить, что схема дуплекса очень похожа на промежуточное литье. Процесс идентичен за исключением того, что после заливки термита в форму и его застывания, полученный стык дополнительно прессуется.

Фото — сварочный процесс

Сварка термитами стыков впритык используется для соединения различных пластин, катодных и дренажных выводов, и других подобных элементов. Перед началом работ части конструкции обжигаются в печи, при этом, термит обжигается в другом тигле. После металлоконструкции обжимаются прессом и свариваются обожженным термитным порошком. Методика подразумевает тщательную обработку кромок и торцов пластин, поэтому она редко используется в домашних условиях.

Для сварки рельс, стрелочных механизмов и т. д. используется комбинированная техника. Здесь сочетается сварка впритык и под литьем. Перед началом работ рельсы обрезаются для создания острых кромок. Между отдельными частями рельсов устанавливается стальная пластина, которая вжимается в них при помощи мощного пресса. Соответственно, на этом месте образуется небольшой зазор, в который под давлением заливается жидкий термит. После его застывания шов дополнительно обрабатывается и сваривается.

Фото — форма для рельсов

Видео: как провести термитную сварку
https://www.youtube.com/watch?v=VMUOrfl-JcY

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.

Термитная сварка: правила применения и основные способы, важные моменты в технике безопасности при работе с термитом

Термитная сварка – особый вид сварочных работ, при проведении которых применяется термит – смесь порошка алюминиевой или магниевой пудры с окалиной и горючими элементами металлического происхождения . Данный способ соединения металлов ценен, в первую очередь, за свою простоту и надежность. При этом не требуется специфического оборудования, такого, как сварочный аппарат.

Основные ГОСТы

К данному виду работ применим ГОСТ Р 57181-2016 “Сварка рельсов термитная. Технологический процесс”.

Этот документ является основным, на который стоит опираться при проведении сварочных работ данного типа. Он содержит общие рекомендации по качественному соединению металлов и целый ряд нормативных ссылок, которые позволят подробно понять суть принципа и его действие.

Сферы применения термитной сварки

Область применения зависит от химического состава самого термита:

1. Термит на основе магния и его производных применяется для соединения телефонных проводов и любых других электрических коммуникаций. С его помощью можно быстро заварить трубы небольшого диаметра.
2. Термит на основе алюминиевой пудры подходит при сваривании рельс, частей чугуна. Используют для соединения хрупких и тонких сплавов. Одной из областей применения является наплавка поверхностей во время проведения ремонтных работ.

Способы термитной сварки и их характеристики

Существует четыре основных метода соединения металлов:

1. Соединение встык. С технологической точки зрения, данный способ самый сложный и трудоемкий, так как требует тщательной зачистки поверхностей, которые будут соединяться. Существует необходимость применения термальной пленки, которой оборачивают стыкуемые детали. Это важное условие для предотвращения температурной деформации. Термит сжигается отдельно, после чего расплавленный состав заливается на стык и детали сильно сжимаются между собой для получения хорошего и прочного шва.
2. Промежуточное литье. Данный способ принято считать самым простым и доступным. Он применяется, если детали закреплены в одном положении. В таком случае расплавленная термитная смесь просто заливается в промежуток между ними. Оплавление кромок приводит к их деформации и образованию неразъемной металлосвязи.
3. Комбинированный метод. Это способ, соединяющий в себе особенности промежуточного литья и литья встык. Используется при соединении рельсов. Производится хорошая зачистка торцов, после чего между ними вставляются тонкие стальные пластины. Рельсы сильно сжимаются, а в зазор между ними заливается расплавленный термит. После полного остывания швы обваривают еще раз по всему периметру.
4. Дуплекс. Это разновидность промежуточной сварки. Дополнением после внесения расплавленной смеси является интенсивное сжатие деталей.

Оборудование для термитной сварки

Для проведения работ по термитному свариванию различных материалов необходимы:

1. Тигли из вольфрама или керамики с возможностью безопасного слива расплавленного материала.
2. Струбцины и тиски, применяемые для сжатия и фиксации деталей.
3. Набор специальных инструментов: ножовки по металлу, кислородный резак, газовая горелка, приемник для тигля, полосковый термометр.
4. Дополнительные инструменты: проволочная щетка, шлифовальный круг. Применяются для зачистки швов и поверхностей.
5. Формы и матрицы для отливок (одноразовые и многоразовые).

Примерная стоимость оборудования для термитной сварки на Яндекс.маркет

Техника безопасности при термитной сварке

К проведению работ предъявляют высокие требования по технике безопасности:

1. К работе допускается персонал, достигший 18 лет и прошедший специальное обучение и инструктаж.
2. Специалисты, производящие данный вид работ, должны быть обеспечены спецодеждой и средствами личной защиты (очки).
3. Термит необходимо хранить в закрытых складах, оборудованных вытяжной вентиляцией. Все электрические коммуникации должны иметь хорошую изоляцию. Склады с термитом следует размещать на расстоянии не ближе 30 метров от жилых помещений.
4. Термитные спички хранят в металлическом шкафу. При этом они должны быть изолированы от склада с термитом.
5. Не допускается увлажнения термита и огнеупоров при хранении и транспортировке, а также на месте выполнения работ. Проведения сварочных работ в дождливую погоду категорически запрещено.
6. В зимний период необходимо очищать место стыка от снега и влаги в радиусе 0,5 метров.
7. Вблизи места сварки не допускается проведение иных путевых работ. Территория должна быть огорожена, и установлены соответствующие знаки.
8. Перед проведением термитной сварки необходимо провести обследование территории на предмет наличия пожароопасных зданий и сооружений. Также важно получить разрешение от местной противопожарной службы.
9. В ходе термитной реакции рабочий должен отойти на расстояние не менее 3 метров.
10. В случае прорыва жидкого металла из формы или тигля его следует засыпать большим количеством песка. Тушить водой запрещено.
11. Если сварочные работы выполняются на высоте, то находиться под местом сварки людям строго запрещено.

Преимущества и недостатки термитной сварки

Данный вид соединения металлов является востребованным и распространённым. В первую очередь этому способствует короткое время, необходимое для проведения работ, и малые трудозатраты.

Применение термита позволяет получить эстетически привлекательный шов высокого качества. Также стоит отметить, что для применения метода не требуется электроэнергия или газовые баллоны, а значит, возможно, проводить работы на удаленных объектах.

Основной недостаток – высокие требования к технике безопасности и хранению оборудования. Работа со взрывоопасными материалами требует особой подготовки и четкому соблюдению всех правил.

Что такое термитная сварка

Такие смеси быстро сгорают, образуя продукты, нагретые до высокой температуры.

Получение перегретого расплавленного шлака и металла лежит в основе процессов термитной сварки.

Термитная сварка рельсов

Термитную сварку можно осуществлять в двух основных вариантах:

1. плавлением (способом промежуточного литья) и
2. давлением.

В первом случае процесс выполняется без применения механического усилия за счет теплоты экзотермической реакции термита, достаточной для доведения кромок соединяемых деталей до расплавленного состояния.

Термитная сварка давлением представляет собой химико-механический процесс, при котором соединяемые детали нагреваются в зоне сварки только до пластического состояния с последующим приложением внешнего сжимающего усилия.

В настоящее время находят применение следующие виды термитов:

• алюминиевый,
• магниевый и
• медно-алюминиевый.

Алюминиевый термит состоит из 20—22% алюминия и 80—78% железной окалины, измельченных в порошок с размерами частиц до 1 мм. При нагреве этой смеси, хотя бы в одной точке, до температуры 800° С с помощью специальных запалов или электрической дуги возникает бурное горение, идущее по реакции

3Fe304 + 8Аl = 4Аl203+9Fe.

Температура реакции достигает 3000° С. Таким образом ее продукты: железо (Тпл

1500° С) и глинозем (Тпл

2050° С) — оказываются значительно перегретыми.

Для раскисления и улучшения механических свойств термитной стали практикуется добавка ферромарганца и ферросилиция.

Сварка алюминиевым термитом применяется для стыковых соединений рельсов, труб, массивных отливок и при ремонтных работах.

Техника сварки заключается в том, что концы стыкуемых изделий, помещенные в форму из огнеупорного материала, предварительно нагревают до 700—800° С нефтяными или керосиновыми горелками, а затем заливают формы термитным металлом и шлаком из специального тигля.

При сварке давлением (рис. 1, а) продукты термитной реакции используются только как носители запаса тепла, достаточного для нагрева изделий до пластического состояния, после чего путем сжатия осуществляется их соединение.

При сварке плавлением: (рис. 1, б) детали заформовывают с большим зазором между торцами. Термитный металл оплавляет поверхности изделий, сливается с ними в одно целое, образуя после охлаждения сварное соединение.

При сварке рельсовых стыков применяется разработанный инж. М. А. Карасевым комбинированный способ, схема которого представлена на рис. 1, в.

Рис. 1. Способы термитной сварки: а — давлением; б — плавлением; в — комбинированный способ

Между торцами точно обработанных головок рельсов зажимается пластинка толщиной 3 мм из малоуглеродистой стали.

Затем на стык устанавливают форму и подогревают его. Порция термита подбирается так, чтобы при заливке формы нижняя часть была заполнена жидким металлом почти до нижней кромки головки рельсов. Остальная часть формы заполняется шлаком, после чего рельсы сжимают.

Таким образом, головка рельсов сваривается по способу давления, а остальная часть сечения сваривается по способу плавления.

После снятия формы производятся обработка зубилом выступающих кромок промежуточной пластины и зачистка рабочей поверхности головки рельсов.

Термитно муфельная сварка

Представляют интерес разработанные А. Н. Кукиным и А. А. Талыковым новые способы сварки магниевыми медно-алюминиевым термитами.

Так, на основе реакции

Fe304 + 4Mg = 3Fe +4MgO

осуществляется термитно-муфельная сварка.

Особенностью магниевого термита является выделение окиси магния в твердом состоянии, так как температура реакции (до 2500° С) недостаточна для ее расплавления. Таким образом, продукты реакции представляют собой рыхлую массу окиси магния, пропитанную расплавленным железом.

Термитная сварка проводов

Важнейшей областью применения магниевого термита является муфельная сварка стальных проводов воздушных линий связи.

Для этой цели используют прессованные цилиндрические шашки с осевым каналом и выемкой с торца для вкладывания запала (рис. 2).

Рис. 2. Схема сварки проводов магниевым термитом: 1 — корпус шашки; 2 —запал; 3 — свариваемые стержни

Для осуществления сварки стык проводов, закрепленных в специальных клещах, располагают посередине шашки и затем зажигают ее запал пламенем спички или тлеющим фитилем. После сгорания шашки разогретые концы проводов сваривают путем осадки с помощью клещей.

Для приваривания деталей небольшого сечения к массивным изделиям применяют медно-алюминиевый термит.

В частности, он применяется для таких работ, как приварка заземляющих проводников к стальным конструкциям и медных стыковых соединителей к железнодорожным рельсам. В обоих случаях используется термитная смесь, состоящая из 64% окиси меди, 16% ферромарганца и 20% специального медно-алюминиевого сплава, в свою очередь состоящего из 54% меди и 46% алюминия.

Термитно тигельная сварка

Для осуществления процесса сварки используют специальные разъемные графитовые тигель-формы, плотно прикрепляемые к изделию.

После сгорания термита образовавшийся перегретый металл — марганцовистая бронза — заполняет форму, в которой находится конец проводника, и приваривает его к изделию.