Сварка, резка и пайка металлов

Второстепенные способы сварки

Кроме дуговой и контактной электросварки и газовой сварки существует ряд других способов сварки металлов, которые находят значительно меньшее применение, по сравнению с основными способами сварки. Назовём их условно второстепенными способами сварки металлов. Название это условно, так как второстепенный способ может получить значительное развитие и, по внесении необходимых усовершенствований, может стать одним из основных способов.

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.

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

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.

(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/мм2. 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—б 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 однотипных 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:

сварка давлением или пластическая без заметного расплавления основного металла;

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

комбинированный способ, при котором производится расплазление 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. При 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 осадки 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 используется 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 деталей, 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.