Сварка термит: ТЕРМИТ сварка официальный сайт дилера (ТЕРМИТ Москва официальное представительство) — каталог товаров с ценами — Мастер на все ручки: Блог домашнего сварщика

Содержание

Термитная сварка: применение, технология, особенности

Термитная сварка – варочные работы, при которых используется термитный состав – порошковая смесь из алюминиевой или магниевой пудры, которая в равных пропорциях смешивается с металлической окалиной и присадочными горючими элементами металлического происхождения

Сфера применения термитной сварки

Термит из алюминиевой пудры используется в тех случаях, когда необходимо сделать наплавку на запасные части или детали, а так же при сваривании рельсов и чугуна, а так же хрупких металлических сплавов.

Сварочный термит из производных магния используют, когда необходимо варить электрические коммуникации, телефонные провода и прочее.

Усовершенствование всех технических сфер, естественно, не могло пройти мимо и индустрии сварочных аппаратов. На смену надежных, но громоздких и тяжелых агрегатов советской эпохи пришли новые современные модели постоянного тока.
Читайте публикацию о сварочных инверторах.
О сварочном полуавтомате читайте здесь.

Впервые такой вид сварки был применен еще в начале двадцатого века, но его предпосылки появились значительно раньше в кузнечном производстве.

Тогда для производства термитной сварки использовалась сера вперемешку с металлической окалиной, сера поджигалась в больших количествах в отдельной емкости и оплавляла стальную стружку, приготавливая расплав для сварки.

С тех пор метод сильно усовершенствовался и качественно вышел на новый уровень в производстве и общем плане сварочных работ.

Процесс термитной сварки

Вся сущность процесса данного вида сварки заключается в восстановительных свойствах алюминия или магния, который при попадании на металл с оксидной пленкой, начинает восстановительную реакцию замещения с огромный выделением тепла – экзотермическая реакция. Благодаря выделению тепла и происходит образование сварочной ванны или наплавки.

Для запала термитной смеси используют или высокочастотный разряд тока или воздействие пиропатроном (в случае с порошковой сваркой, когда порошковый состав наносится на место предполагаемого шва).

При сгорании термитной взвеси происходит оплавление окалины, которая входит в состав термитной сварки как следствие – образование сварочного шва из расплавленной стали и оплавленных кромок.

Термитную сварку можно провести следующим образом:

в стыке двух заготовок;
литье в промежуток, когда термит насыпается в промежутки между заготовками или в каверны на запасных частях;
комбинация;
дуплекс.

Среди достаточно большой разновидности аппаратов для сварки, недешевыми, но весьма практичными, удобными и многофункциональными являются сварочные полуавтоматы. Читайте детальнее о сварке полуавтомат.
Среди множества технологий по обработке металла лазерная резка выделяется своей экономичностью и эффективностью. О лазерной резке металла читайте здесь.

Первый способ является наиболее трудным с технологической точи зрения. Сначала необходимо зачистить поверхности металлов, который будет вариться между собой.

После этого необходимо установить на саму заготовку кроме кромок термальную пленку, которая помешает развитию пластичности по всей заготовке. Термит сжимается в отдельном тигле, после чего на стык заготовок проливается расплавленная сталь от сгорания термита, в этот момент очень важно воздействовать на заготовки сжатием, сжимая их между собой.

От нагрева произойдут пластические изменения в металле, и заготовки сварятся между собой, формируя шов.

Алюминотермитная сварка в промежуток самой простой. Термит так же сжигается в отдельной формочке-тигле, после чего сталь выливается в зазор между заготовками.

Происходит взаимное оплавление кромок, деформация. При сжатии заготовок между собой происходит их неразъемное соединение металлосвязью.

Комбинированный способ одновременно соблюдает технологию способов промежуточного литья и литься в стык.
Используется метод при сваривании рельсов. Вся технология процесса выглядит следующим образом: кромки рельсов подрезаются место их зачистки, между рельсами укладывается тонкая стальная пластина, а рельсы сильно сжимаются между собой – это приводит к деформации пластины и ее пластическому сжатию.

Появляется зазор, в который заливается расплавленная сталь из отдельного тигля, где предварительно сожгли термитную смесь. Для этого способа используется только алюминиевая пудра.

Дуплекс производится точно так же, как и промежуточная сварка термит. Только вводят дополнительную процедуру сжатия оплавленного зазора между металлическими фрагментами для сварки.

Сварочные работы трудный технологический процесс по созданию неразъемных соединений между металлами.
Процесс подразумевает расход материалов и использование различных приспособлений.
Сваркой принято называть получение жесткого неразъемного соединения между двумя металлическими поверхностями.
Читайте подробнее о сварке металлов.

Оборудование для термитной сварки

Оборудование для проведения сварки:

керамический несгораемый тигель или тигель из вольфрама с возможностью слива расплавленного металла;
формы для отливки;
приспособления для закрепления заготовок и сжатия – струбцины, тиски;
специальные инструменты (кислородный резак, домик для выпуска металла, приемник для тигля, полозковый термометр, горелка и пр.),
инструменты общего назначения (шлифовальный круг, проволочная щетка, кузнечное зубило и пр.).

Особенности термитной сварки

Преимущества:

данный вид сварки способен производить очень крепкие и надежные сварочные соединения с высоким пределом к разрушению;
вся технология крайне проста и доступна, как для промышленного применения, так и для частного;
маленькие типоразмеры и компактность производства.

Принято считать, что есть специальный вид электродов, которые используются для сварки инверторными автоматами.
Читайте подробнее об электродах для инвертора.
О классификации и выборе разных типов электродов читайте здесь.

Термитная сварка не является инновационным методом производства, сам процесс известен в промышленности уже около 50 лет, но несмотря на это метод активно и широко применяется в металлургической промышленности.

Овладеть данным методом очень несложно, что открывает широкие возможности к применению хоть у себя в гараже, но польза метода очевидна – восстановление запчастей и деталей машин.

Термитная сварка что это такое, как производится

В полевых условиях, когда негде подключиться к сети энергоснабжения, а использовать газовые баллоны не представляется возможным, целесообразно прибегнуть к технологии термитной сварки. Простой и в то же время надежный способ позволяет создавать прочные сварные соединения.

Производство и ремонт металлоконструкций почти что всегда подразумевает использование сварочного оборудования. Однако традиционные установки применить модно не всегда. К примеру, для сваривания крупногабаритной металлоконструкции в полевых условиях потребуется основательная подготовка и во весь рост встанет вопрос отсутствия электричества на участке. Если газосварочное оборудование по какой-либо причине недоступно или неприемлемо, то хорошим выходом станет способ соединения металлов с помощью термитной технологии.

Термитная сварка – это способ соединения металлических заготовок путем сжигания термита – специального порошкового состава, состоящего из оксида металлов и алюминия. Смесь включает магниевую и алюминиевую пудру, окалину и металлические присадки.

Область применения

Чаще всего к технологии термитной сварки на основе алюминиевой пудры прибегают в случаях наплавки на элементы конструкций, при необходимости соединения чугунных или других хрупких сплавов. Метод идеально подходит для ремонта ЖД путей: он недорогой, выполняется достаточно быстро и обеспечивает прочное соединение с длительным сроком службы. Все операции по свариванию железнодорожных рельсов проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ Р 57181-2016.

Термитная технология востребована и в других областях производства. К примеру, в машиностроении это наиболее приемлемый вариант в изготовлении гребных винтов для большегрузных морских судов. Большинство коленвалов автомобильного транспорта сделаны с применением данного метода. На предприятиях, связанных с металлообработкой, термитная сварка применяется в ремонте прокатных станов, роторных валов и целого ряда иного крупногабаритного оборудования и оснастки.

Еще одна важная область, где применяется данная технология – энергоснабжение и передача данных. В линиях связи и транспортировки электричества нередко используются кабели большого диаметра. Для их ремонта и прокладки новых магистралей прибегают к термитной сварке. Расходный материал для таких случаев производится их магния.

Технология термитной сварки

Производственный процесс характерен тем, что для его протекания не требуется подключение к сети энергоснабжения или подачи специфических газовых составов. Для соединения металлов используются различные порошковые смеси: алюминиевые, железоокисные, магниевые. Их принято называть термитами, поскольку в процессе их горения образуется большое количество тепловой энергии.

Высокая температура воздействует на металлические заготовки, доводя их до полужидкого состояния. Благодаря изменению агрегатного состояния, металл заготовок смешивается с расплавом порошковых смесей, образуя цельную конструкцию. В уточнении нуждается способ поджога смеси. Для инициализации процесса температура должна достигнуть 1350 градусов Цельсия. Для этого можно использовать один из трех доступных способов. Первый – при помощи электрического разряда. В полевых условиях он недоступен, поэтому более приемлемым вариантом станет взрыв пиропатрона или поджог специального шнура.

Температура горения металлического порошка доходит до 2400-2700 градусов Цельсия. Этого достаточно для плавления большей части металлов. Важно обратить внимание на то, что для поддержания процесса горения не требуется приток кислорода: его достаточно содержится в самой смеси. Поэтому термитное сваривание можно выполнять в инертной среде.

Виды

Существуют два разных способа термитной сварки – тигельный и муфельный. Их применение обуславливается условиями работы и соединяемыми материалами. Первый вид сварки называется еще алюмотермитной и применяется в сборке разных металлоконструкций и заземляющих контуров. Термит для такого вида сварки готовится из алюминиевого порошка и окисла железа. Соотношение составляет 23:70 соответственно. В процессе горения из окалины восстанавливается железо, расплав которого и соединяет заготовки.

Помимо этого, алюмотермитную сварку очень часто выбирают для ремонта металлических поверхностей способом наплавки. Основным достоинством данного метода является возможность соединения чугунных заготовок без стыков. Формирование швов на алюминиевых элементах при помощи такого способа соединения невозможно. Для их соединения лучше прибегнуть к другому виду сварки.

Для муфельной сварки берется термит на основе магния, так как алюминий под воздействием высокой температуры испаряется. Магния же имеет высокую температуру плавления, поэтому не растекается на поверхности. В результате формируется прочное сварное соединение без шва. Когда свариваются алюминиевые заготовки, для избавления от слоя оксида применяется специальный флюс.

Выполняется термитная сварка одним из четырех способов:

Встык. Предварительно требуется основательная подготовка. Поверхность заготовок тщательно очищается. Чтобы избежать нежелательной деформации заготовок детали обертываются специальной пленкой. После сгорания термита получается расплав. Из тигля он заливается в стыковое пространство между двумя заготовками. Детали плотно сжимаются между собой.

Промежуточное литье. Методика применяется для соединения деталей, зафиксированных в определенном пространственном положении. Это самый простой вариант соединения. Предварительно приготовленным в тигле расплавом заполняется пространство между двумя заготовками.
Комбинированный. Метод объединяет два типа сваривания. Используется для ремонта железнодорожного полотна. Торцы рельс предварительно зачищаются, после чего выполняется формовка стыка с помощью металлических форм-пластин. Образуется закрытая полость, в которую вливается расплав. Рельсы сжимаются. После затвердения расплава стык по периметру еще раз проваривается.
Дуплекс. Классическая тигельная сварка плюс дополнительное опрессовывание стыков.

Составы

Самой популярной является железоалюминиевая термитная сварка. В составе термита доминирует оксид железа. Есть в смеси и алюминий, но его часть невысока и составляет 25%. Помимо основных ингредиентов есть и дополнительные – железная обсечка, флюс, легирующие присадки и другие. Горит термит в магнезитовом тигле, здесь же и плавится металл. Кроме алюминия смесь может содержать и другие составляющие. Так с оксидом железа может использоваться:

магний – 31%;
кремний – 21%;
кальций – 43%;
титан – 31%.

Вид смеси зависит от области использования сварки. Самый простой – железная окалина в сочетании с алюминиевым порошком. Важно в точности соблюсти пропорции компонентов. Для ремонта железнодорожного полотна применяется специальный состав, называемый «рельсовым». При алюминотермитной сварке применяется шихта со стальным наполнителем, состоящим из графитной стружки и ферромарганца. Для соединения легированных сталей применяется особый состав, в который добавляются присадки из ферротитана и феррованадия.

Сварка чугуна связана с необходимостью придерживаться особых требований. Термит, предназначенный для соединения чугунных деталей, обязательно должен содержать кремний. При условии выполнения всех требований получается прочное и долговечное соединение. В присадках для сварки чугуна отсутствует марганец.

Оборудование для термитной сварки

Технологически процесс не представляет сложности. Тем не мене, для нормального протекания реакции и получения нужного результата требуется специальный инструмент и оснастка:

Тигель. Делается он или из тугоплавкого металла, или из керамики. Резервуар должен обеспечивать безопасность слива расплавленного металла.
Формы и матрицы потребуются для создания отливок. Они могут быть одноразовыми или длительного использования. Чтобы жидкий металл не растекался, поверхность формы обмазывается специальной глиной для термитной сварки.
Тиски, струбцины и другие аналогичные устройства для сжатия частей форм.
Термитный карандаш. Потребуется во многих операциях сварки или резки металла.

Абразивы для зачистки поверхности зоны сварки. Это может быть болгарка со шлифовальным кругом, наждачная бумага, щетка по металлу.
Набор вспомогательного инструмента: термометр полоскового типа, ножовка по металлу, газовая горелка, кислородный резак и другие.

Термитная сварка проводов

Метод отлично подходит для соединения многожильных кабельных магистралей из алюминия или меди. Сравнительно с механическими способами соединения – скрутки, колодки и прочие варианты – термическая сварка выгодно отличается меньшим электрическим сопротивлением стыка. Такой эффект достигается за счет увеличения поперечного сечения. Перед сваркой соединяемые концы следует хорошо очистить и обезжирить. Это необходимое условие для получения качественного стыка.

Для соединения кабельных систем применяются специальные термические патроны. Они имеют простое устройство и состоят из кокиля и вкладыша. Есть различия в устройстве в зависимости от материала жил. Если предстоит соединить алюминиевый многожильный провод, включая проводку со стальным сердечником, применяется кокиль из стали разъемной конструкции. Вкладыш алюминиевый. Патроны, предназначенные для работы с медными магистралями, имеют выполненный из листовой меди кокиль, а вкладыш изготовлен из сплава меди и фосфора. Для соединения проводки требуется тепловая энергия. Она генерируется термитной шашкой, которая напрессована на кокиль.

После выполнения каждой операции требуется небольшая чистка вкладыша. А именно: ершиком с его внутренней поверхности нужно удалить оксидную пленку.

Алюминотермитная сварка рельсов

Процесс можно разбить на несколько этапов. Предварительно просчитывается количество тепловой энергии, которая будет выделена термитом. В соответствии с полученными вычислениями подбирается состав термитной шихты. Важно, чтобы смесь была однородной и все компоненты равномерно распределены по всему объему. Далее смесь поджигается, температура доводится до 1350 градусов Цельсия.

Термит превращается в расплав быстро – примерно за 20-30 секунд. Его масса составляет примерно половину от общего объема смеси. Все остальное является дополнительными включениями, которые оседают в виде шлака. Поскольку металл тяжелее, то он займет нижнюю часть тигля, а шлак, соответственно, будет вытесняться наверх.

Основная сложность ремонта рельсов заключается в полевом характере работ. К тому же приспособление для сваривания рельс очень массивно. Однако это самый приемлемый вариант ремонта железнодорожного полотна. Изначально готовятся торцы будущего стыка. Края выравниваются, а зазор подгоняется до 2-3 сантиметров. Две рельсы устанавливаются в одной плоскости. При этом необходимо обеспечить точную соосность расположения элементов. После устанавливается форма и начинаются сварочные работы.

Естественно, что каждый хотел бы доиться максимально качественного результата термитной сварки. Чтобы воплотить желание в фактический результат, потребуются точные расчеты. Нужно выбрать достаточный объем термита, чтобы расплав полностью заполнил собой проем между заготовками. Очень важно, чтобы смесь была идеально перемешанной, а все компоненты равномерно распределены по объему. На первых порах температура будет составлять 1400 градусов Цельсия. При меньшем нагреве термит не возгорится.

Особенности применение термитной сварки

Технология позволяет соединять все виды металлов – цветные и черные – без дорогостоящего оборудования и сложной оснастки. Сравнительно с другими способами термитная сварка обладает весомыми преимуществами:

невысокий уровень трудозатрат на выполнения большого объема работ;
высокое качество сварного соединения, безупречная эстетичность стыков;
на выполнение операций уходит немного времени;
не требуется привлечение высококвалифицированных специалистов сварочного дела;
стоимость расходных материалов невысока, а приобрести их несложно в специализированных магазинах;
для сваривания не требуется наличие электричества или газ. Технология идеально подходит для работы в «полевых» условиях.

Как недостаток следует отметить высокие требования по технике безопасности. Термитная смесь является веществом пожароопасным: она легко воспламеняется. Поэтому требуются особые условия хранения и транспортировки. Выполняя работы, оператор должен быть внимательным, чтобы не допустить попадание жидкости в горящий термит. Если это произойдет, то получится взрывоопасная смесь, которая может детонировать в любой момент.

Строго запрещено инициировать розжиг шихты от электрической дуги, поскольку тоже может произойти взрыв. Сварочные работы допускается выполнять при температуре окружающего воздуха не ниже 10 градусов Цельсия.

Термитная технология получила меньшее распространение сравнительно с электродуговой сваркой. Тем не менее, такой вариант соединения металлов можно рассматривать не только для промышленного, но и для домашнего использования. Нет особых технологических сложностей. Применять термитный карандаш можно научить любого желающего. Только не стоит в работе использовать самодельные или сомнительные термитные смеси, поскольку они могут взрываться.

Термитная сварка

Оборудование орбитальной сварки из Германии! Низкие цены! Наличие в России! Демонстрация у Вас.
Orbitalum Tools — Ваш надежный партнер в области резки и торцевания труб, а так же автоматической орбитальной сварки промышленных трубопроводов.

Виды сварки — Термитная сварка

Термитная сварка — процесс сварки металлических деталей жидким металлом заданного химического состава, получаемого в результате термитной (алюминотермической) реакции. Сущность термитной реакции заключается в том, что алюминий способен восстанавливать окислы металлов со значительным выделением тепла, в результате чего происходит изменение потенциального состояния энергии и рекристаллизация компонентов, участвующих в процессе:

Значительное количество тепла, выделяемого при термитной реакции, длительное время сохраняет металл в жидком перегретом состоянии и дает возможность использовать его для технологических целей.

В отличие от обычного процесса горения термитная реакция может происходить в замкнутых системах или даже в вакууме, так как реакция происходит за счет кислорода, содержащегося в окислах металлов.

Термитный процесс с железо-алюминиевым составом протекает в соответствии со следующей зависимостью:

Основным высококалорийным горючим, применяющимся в термитных Смесях, является алюминий. После кислорода и кремния алюминий является самым распространенным элементом земной коры и составляет около 8% массы Земли (железо 4,7%).

Принцип получения трудновосстанавливаемых металлов из их окислов впервые был выдвинут крупнейшим русским ученым-химиком, основоположником современной физической химии Н Н. Бекетовым. В 1865 г. в своей докторской диссертации «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими» Бекетов превратил этот принцип в научную теорию, заложив основу алюминотермии. Он установил, что алюминий обладает очень большой активностью, соединяясь с кислородом, и что при определенных условиях алюминий легко восстанавливает из окислов другие металлы, стоящие правее его в таблице напряжений химических элементов.

Сварочный термит состоит из порошкообразного металлического алюминия и окислов железа в виде окалины (технологического отхода горячей обработки стали), а также различных присадок, вводимых в шихту для легирования получаемой стали.

Какие условия необходимы для начала термитной реакции?

1 Термитная шихта должна быть рассчитана так, чтобы в ходе реакции выделилось необходимое количество тепла для расплавления и перегрева конечных продуктов термитной реакции

2. Компоненты термитной шихты: алюминиевый порошок и окислы железа должны быть мелких фракций и тщательно перемешаны.

3. Для начала термитной реакции в любой точке термитной шихты необходимо создать температурный толчок не ниже 1350^o. после чего термитная реакция быстро распространится на всю шихту.

В результате термитной реакции, которая в течение 15—30 сек. протекает очень активно, образуются металл (около 50% от первоначального веса термитной шихты) и шлак.

В процессе термитной реакции часть тепла расходуется на нагревание стенок тигля, лучеиспускание и т. д. Однако, несмотря на это, количество выделяющегося тепла достаточно для того, чтобы расплавить шихту и перегреть продукты реакции — жидкий металл и шлак до 2600—2700^o. Это обусловливает возможность получения чистого металла, так как благодаря значительной разнице в удельных весах жидкий шлак всплывает на поверхность, а металл опускается на дно тигля.

Качество термитного металла определяется физико-химическими свойствами компонентов шихты.

Для получения металла (стали) нужного химического состава в шихту вводят в измельченном состоянии легирующие материалы: ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод и т. д.

Измельченная легирующая присадка закладывается в тигель вместе с термитными компонентами.

Участие легирующих элементов в термитной реакции очень многообразно: они легируют термитную сталь, раскисляют и рафинируют ее. Кроме того, они частично теряются — испаряются и переходят в шлак.

Ценные ферросплавы (ферротитан, феррованадий и др.) повышают прочность термитной стали, так как в ходе реакции, находясь в жидком состоянии, они образуют карбидную фазу титана и ванадия. Наличие в стали перечисленных карбидов увеличивает ее мелкозернистость, повышает твердость и т. п.

Длительность термитной реакции oт момента зажигания термита до ее окончания и полного отделения металла от шлака находится в прямой зависимости от количества сжигаемого термита и колеблется от 15 до 40-50 сек.

При одновременном сжигании больших количеств термита реакция протекает с относительно небольшими потерями тепла.

Термитные смеси в зависимости от их назначения можно условно разделить на следующие группы;

1) элементарная термитная смесь — железная окалина плюс алюминиевый порошок в стехиометрическом соотношении;
2) термит для сварки рельсовых стыков. В шихту вводится стальной наполнитель — мелкие кусочки малоуглеродистой проволоки или стальная малоуглеродистая стружка, ферромарганец и порошкообразный графит,
3) термит для сварки легированных сталей. В качестве присадки используются ферротитан, феррованадий и др.;
4) термит для сварки чугуна. В присадку вводится значительное количество кремния. Марганец исключается. Высокое содержание кремния в термитном металле способствует выделению графита в сварочной и переходной зонах и обеспечивает получение достаточно прочных сварных соединений;
5) термит для сварки высокомарганцовистых сталей. В этот термит вводится увеличенное количество марганца и углерода в виде ферромарганца и чугунной стружки;
6) специальные термиты — пиротехнические, для наварки пода в металлургических печах, уменьшения усадочных раковин в слитках, вторичного дробления минералов и руд, изготовления термитных брикетов и т. п.

История развития производства термита и термитной сварки рельсов

В Москве термитную сварку впервые применили в 1915 г.. когда было сварено 126 стыков. В 1918 г. сварили еще 151 стык. С 1923 г. в трамвайных путях столицы начинают регулярно варить стыки термитом. До 1925 г. стыки сваривали импортным термитом. В 1925 г. на Московском термитно-стрелочном заводе инженером М. Л. Карасевым было налажено промышленное производство термита.

М. А. Карасев внес крупный вклад в развитие алюминотермии, организовав на базе отечественной технологии выпуск термитных смесей для народного хозяйства. Он предложил рациональные способы производства алюминиевого порошка и термита. Ему были выданы авторские свидетельства на «аппарат для получения эерноволокнистого алюминия», «шаровой мельницы для производства алюминиевого порошка», «механической нагрева-тельной печи для обжига железной обсечки и окалины при изготовлении термита» и т. п.

В последующие годы в путях московского трамвая было сварено термитом свыше 100 000 стыков.

Сварка производилась двумя способами: комбинированным и врасклинку. Ввиду того, что стыки, свариваемые последним способом, часто выходили из строя, к 1931 г. этот способ перестали применять Вместо него начали внедрять способ сварки промежуточным литьем. Одновременно начали применять способ сварки «дуплекс» (способ промежуточною литья с последующим прессованием). Однако этот способ не получил широкого распространения из-за сложности технологического процесса.

Качество сварки термитных стыков за первые 10 лет ежегодно улучшалось, и количество лопнувших (в течение года) стыков в среднем не превышало 0,8%.

Применение отечественного термита для сварки рельсовых стыков показало его превосходство перед импортировавшимся термитом. В стыках рельсов, сваренных отечественным термитом, значительно меньше процент брака. Это подтверждают результаты эксплуатации первой очереди Московского метрополитена. Так, например, каждый рельсовый стык на участке Сокольники—Парк культуры в 1938 г, выдержал 13,4 млн. ударов с грузонапряженностью 53 млн. т-км.

В 1936 г. вышло из строя 0,17% от количества эксплуатируемых в путях стыков, в 1937 и 1938 г. — по 0,5%.

Из приведенного количества выбывших из строя стыков 75% разрушились из-за наличия болтовых отверстий в зоне сварки.

В эти же годы термит стали внедрять в другие отрасли народного хозяйства. В частности, была разработана и успешно осуществлена термитная сварка стыков легированных труб первого прямоточного котла высокого давления; начали применять также термитную сварку для ремонта крупногабаритных стальных деталей: валов, колонн и т. п.

Применение термитной сварки в трамвайных хозяйствах

Сварка стыков рельсов радикально решает проблему борьбы с блуждающими токами, которые наносят значительный ущерб подземным металлическим коммуникациям.

Бесстыковой путь дает возможность уменьшить экономические затраты по текущему содержанию пути, позволяет увеличить скорость движения рельсового транспорта, уменьшает шум и удлиняет срок службы подвижного состава.

Рассматривая применяющиеся в настоящее время различные способы сварки стыков рельсов — электроконтактный, электрошлаковый, газопрессовый, ванный, электродуговой с приваркой накладок и подкладок и термитный, — нельзя не отдать предпочтение последнему, у которого такие преимущества:

1) удобство, маневренность применяющейся оснастки;
2) возможность применения без электроэнергии;
3) высокая производительность;
4) достаточная прочностная характеристика.

Термитная сварка позволила к 1953 г. в Москве и Ленинграде иметь в трамвайных путях бесстыковые соединения.

В трамвайных хозяйствах многих городов отдается предпочтение термитной сварке стыков рельсов. За последние 25—30 лет термитная сварка претерпела небольшие качественные изменения.

Из всех способов термитной сварки — кузнечного, промежуточного литья, комбинированного, «дуплекс» — получил широкое распространение способ промежуточного литья.

С 1950 г. применяется модернизированный способ промежуточного литья — «единый» способ, который хотя и не дает провара по всему сечению рельсов, но благодаря простоте всего технологического процесса позволил расширить внедрение термитной сварки в трамвайных путях.

В связи с массовым применением термитной сварки на транс порте появилась потребность как в качественном улучшении сварного стыка — получение плотного стыка с хорошим проваром и постоянством химического состава термитной стали, так и в изменении количественных характеристик — повышение производительности, уменьшение расхода материалов и т. д.

Условия, необходимые для проведения термитной реакции

Чтобы осуществить термохимическую реакцию между восстановителем и окислителем, необходимо наличие определенных условий, как то: химической чистоты компонентов термитной шихты, соответствующего измельчения их, определенного соотношения составляющих термита в шихте, доведения термитной смеси до температуры начала реакции.

В составе железо-алюминиевого термита восстановителем является алюминий в порошкообразном состоянии, а окислителем — порошок железной окалины. Химическая чистота восстановителя и окислителя необходима для обеспечения определенной активности и теплотворной способности термита, а также для качества сварки.

Окислитель — железная окалина — должен содержать минимальное количество кремния, серы и фосфора.

Кислородный баланс окалины 24,5—26% О₂, что недостаточно для получения активной высококалорийной термитной реакции. Чтобы увеличить содержание кислорода в окалине, ее подвергают специальной обработке при высокой температуре в окислительной среде.

Большое влияние на ход реакции оказывает измельчение составляющих термитной шихты. Более крупные компоненты используются в реакциях с большими порциями шихты. Для небольших порций термита применяют более измельченные порошки.

Отклонение от указанных пределов в ту или иную сторону нарушает нормальные соотношения восстановителя и окислителя в термите, что приводит к снижению его калорийности, повышает в термитном металле содержание Al или насыщает металл кислородом, что отрицательно влияет на качество термитной сварки.

Чтобы осуществлялась реакция между алюминием и железной окалиной, термитная шихта должна быть нагрета до температуры воспламенения, которая для железо-алюминиевого термита при правильно выбранном соотношении составляющих достигает 1340-1360^o. Это — критическая точка начала активной реакции, хотя медленно протекающие термохимические процессы уже начинаются при нормальной температуре после смешения компонентов термитной шихты.

Медленно протекающие термохимические процессы безопасны, но они снижают теплотворную способность термита, вследствие эгого длительное хранение его нежелательно.

Применение термита

Термит широко применяется в различных отраслях народного хозяйства. Он используется Для сварки крупногабаритных стальных и чугунных конструкций и арматуры железобетонных узлов. Термитом можно сваривать трубы и провода контактной сети, а также провода высоковольтных линий электропередачи.

Термитный металл обладает хорошими литейными свойствами и может употребляться для прицезионного литья.

В технической литературе освещено применение термитной сварки при:

а) производстве крупногабаритных деталей, состоящих из нескольких элементов: коленчатых валов, рулевых рам судов, приварке лопастей к гребным валам судов и пр.;
б) восстановлении цилиндров прессов, поршневых штоков, колонн кузнечных прессов, роторных валов, валков, а также ведущих реверсивных шестерен прокатных станов, всевозможных станин—клетей прокатных станов, станин прессов и главных станин ковочно-высадочных машин и пр.;
в) ремонте чугунного технологического оборудования сталелитейных цехов: изложниц, шлаковых ковшей, поддонов и т. д.

Термитную сварку крупногабаритных деталей лучше всего производить в литейном цехе, где имеется необходимое технологическое оборудование, а также грузоподъемные механизмы.

Термитная сварка крупных чугунных деталей дает большой экономический эффект, особенно для восстановления технологического оборудования металлургического производства: различных ковшей, изложениц, поддонов, а также всевозможных станин.

Приступая к термитной сварке чугунных деталей, нужно учитывать повышенную чувствительность чугуна к температурным изменениям. При нагревании чугуна выше критической точки и охлаждении со скоростью, превышающей 149^o в мин., он становится хрупким.

Одним из важнейших условий успешного проведения термитной сварки чугунных деталей является предварительный подогрев. При сварке чугунных деталей, помимо местного подогрева в зоне сварки до 900^o, необходимо произвести и общий подогрев всей детали до 450—500^o.

Весьма эффективно применение термита для сварки стыков стержней большого диаметра непосредственно в блоках гидросооружений, где нельзя использовать стыковую сварку. При этом повышается экономия металла, используемого на накладки или технологические изгибы сопрягаемых элементов, а также увеличивается производительность сварки по сравнению с электродуговым или ванным способом. Кроме того, облив улучшает работу арматуры в бетонных сооружениях, так как, выступая за габариты стержня, он повышает сцепляемость арматуры с бетоном.

Термитная сварка стыков арматурных стержней, как правило производится без предварительного подогрева, но с несколько большим расходом термита на стык.

При термитной сварке стыков арматурных стержней применяют универсальные огнеупоры, являющиеся одновременно и тиглем и формой.

На железнодорожном транспорте широко применяется термитная приварка электросоедимениний к рельсам. Для этого используется специальный термит, состоящий из окислов меди, сплава меди с алюминием и ферромарганца. Сжигается этот термит в тигель-форме из жаропрочного графита, способного выдерживать несколько сот плавок.

На действующих газопроводах для предохранения их от разрушения почвенной коррозией осуществляется электродренажная защита — привариваются стальные стержни, которые подключаются к источникам постоянного тока. Стальные стержни приваривают только термитом. Использование других видов сварки — электрической или газовой — недопустимо, так как в ходе сварки может произойти прожог труб, по которым подается горючий газ под давлением. Термит для приварки стержней дренажной защиты состоит из железо-алюминиевой шихты с введением в нее дополнительно магния и ферромарганца.

Для сварки стальных проводов широко применяют спрессованный в цилиндрические шашки термит, который состоит из 25% металлического магния и 75% железной окалины.

Магниевый термит применяется потому, что при сгорании он нe образует жидких шлаков.

Термитно-магниевые шашки можно использовать и при пайке. В паяльник закладывают шашку и поджигают ее обычным способом. Через несколько минут после окончания процесса горения Паяльник прогревается до нужной температуры и становится пригодным для пайки.

При строительстве электрических установок высокого напряжения часто приходится сваривать стыки многопроволочных проводов. Перед сваркой производят механическую подготовку и обезжиривание стыков, закладывают подготовленные концы проводов в цилиндрический термитный патрон и закрепляют их в сварочных клещах.

Стык проводов при поджигании термитного патрона и в процессе сварки должен быть в горизонтальном положении.

При сварке стале-алюминиевых и алюминиевых проводов со сваренного стыка необходимо удалять металлический кокиль—оболочку термитного патрона.

Термитная сварка стыков узкоколейных рельсов без предварительного подогрева может применяться в горной и лесной промышленности. Для этого используют такие же сухие формы, как и при термитной сварке арматурных стержней.

Количество термита для сварки стыка без предварительного подогрева удваивается. Это компенсируется высокой производительностью (7—10 мин.) на один стык и компактностью применяемой оснастки.

Трещины в головке, участки пробуксовки и другие дефекты рельсов устраняют термитной наплавкой.

Термитным способом можно получить термитную перегретую жидкую сталь любого состава, которая имеет высокую жидкотекучесть и хорошие литейные свойства. Это дает возможность получить из термитной стали всевозможные отливки сложной конфигурации.

Высокая жидкотекучесть термитной стали позволяет отливать из нее небольшие сложные детали, которые обычным способом из стали отлить нельзя.

Высокие литейные качества термитной антикоррозийной стали позволяют с успехом отлипать из нее любые скульптурные композиции.

Читать: «Автогенная обработка». Термитная сварка. История развития, Краткие рекомендации по технике безопасности при термитной сварке рельсовых стыков, Кузнечный способ термитной сварки

Источник: Малкин Б.В. Термитная сварка

Zandz, экзотермическая сварка

ZandZ /

Экзотермическая/термитная сварка

Экзотермическая сварка — это сварка деталей расплавленным металлом, образованным в ходе химической реакции, сопровождающейся высокой температурой (большим количеством тепла). Основным компонентом этого вида сварки является термит.

Термит — это порошкообразная смесь, состоящая из двух металлов:

Окисел второго металла с небольшой теплотой формирования (например, окисел меди или железа).
Металл, имеющий большую теплоту окисления. Например, алюминий, который обладает очень большой активностью, соединяясь с кислородом — за счёт чего при определенных условиях он легко восстанавливает из окислов другие металлы.

Термиты применяются в вооружении — зажигательных бомбах, в металлургической промышленности — алюминотермия и для сварки металлов.

При экзотермической сварке наиболее часто применяются термиты из пары «железная окалина + алюминий» и из «медный окисел + алюминий». Эти смеси сгорают, давая металлическое железо или медь, во втором случае, и окись алюминия. Реакция сопровождается температурой более чем 3000° С.

Для проведения операции используется специальная огнеупорная форма — тигель. Порцию термита зажигают в этой форме, после чего он быстро сгорает и тигель заполняется сильно перегретым расплавом.

После небольшой отстойки расплав из-за разного веса компонентов разделяется на два слоя: снизу — жидкий металл (железо или медь), сверху — жидкий шлак, состоящий преимущественно из окиси алюминия.

Отстоявшимся расплавом заливают свариваемые изделия. При этом поверхности изделий разогреваются до сварочного жара (не расплавляя металл) и сплавляются с металлом из расплава.

Экзотермическую сварку используют для сварки железнодорожных рельс, стальных труб, при ремонте стальных, чугунных деталей, для соединения разнообразных изделий (например, заземляющего электрода и медного провода).

Для удобства применения, созданы различные готовые комплекты, которые включают все необходимое для проведения сварочных работ.

Экзотермическая сварка проводников

Сварка с использованием термита «медный окисел + алюминий» обеспечивает наиболее качественный контакт между двумя проводниками. Это превосходные сварные соединения, которые никогда не ослабнут, не заржавеют и чье сопротивление никогда не повысится.

Такой способ обеспечивает возможность создания связей на молекулярном уровне для разных материалов без каких-либо внешних источников энергии или тепла:

«медь — медь»
«медь — оцинкованная сталь»
«медь — «чёрная» сталь»
«медь — омеднённая сталь»
«медь — нержавеющая сталь»
«медь — бронза»
«медь — латунь»
и даже «сталь — сталь»

В тигель — графитовую форму помещаются проводник и термит (заряд). В ходе реакции в результате замещения оксида меди алюминием образуется расплав с очень высокой температурой, состоящий из меди и оксида алюминия.

Форма для экзотермической сварки

Термитная сварка | Область применения термита, технология сварки термитом

Сварка может быть не только электрической или газовой. Различают еще так называемую алюмотермическую сварку, которую в народе называют «термитной». Данная разновидность сварки используется во многих областях производства, строительства и ремонта. В некоторых случаях сварка термитом является единственным из возможных методов получения качественного и надежного шовного соединения.

Термитная сварка известна еще с середины XIX века. Активное применение данного метода сварки началось в начале XX столетия, а уже к 50-м годам прошлого века алюмотермический метод создания швов обошел по уровню распространения электродуговую и газовую виды сварки.

Сварка термитом – технология соединения металлических поверхностей, основанная на способности алюминия восстанавливать оксиды многих металлов. Восстановительная реакция происходит с выделением большого количества тепловой энергии, до 3500 С. Это и позволяет соединять элементы различных металлоизделий.

В состав простейшей термитной смеси входят измельченные до состояния мелкодисперсного порошка:

Оксид железа
Алюминий

В более специализированных термитах к основному составу добавляются легирующие компоненты, которые раскисляют расплав и хорошо структурируют его (ферротитан, ферромарганец, феррованадий и пр.). Легирующие компоненты термитной смеси делают шовное соединение более прочным и надежным. В обзоре будет рассказано о том, как варить термитом.

Область применения термитной сварки

Главным преимуществом термита перед другими видами сварки является полная автономность и мобильность. Для термитной сварки не нужен внешний источник энергии. При осуществлении сварочных работ не потребуется ни трансформатор/инвертор, ни генератор, ни баллоны.

Термитная сварка хорошо себя зарекомендовала при работе в полевых условиях, где затруднительно использовать стандартные средства.

Интересной особенностью термита является возможность горения в бескислородной среде. Для поддержания горения кислород берется из окалины (оксида железа).

При помощи термитной сварки обычно выполняют следующие работы:

Стыковка рельсовых путей
Соединение трубопровода
Заделка трещин, раковин и прочих видов брака/износа

Термитная сварка является незаменимой при сборке крупногабаритных деталей. При помощи термита принято соединять: лопасти гребных винтов, элементы якорей, компоненты заземляющих конструкций и прочее-прочее.

Крупногабаритные детали обычно поставляются к месту монтажа по частям. Разборная конструкция соединяется по месту, перед непосредственной установкой. Для этого рациональней всего использовать термит. Сварка термитом позволяет без особых усилий получать шов высокого качества. При этом можно сэкономить уйму времени, сил и энергоресурсов.

Дополнительно термит хорошо себя зарекомендовал при соединении различных проводов, кабеля, троса, арматуры и прочего металлопроката.

В активной фазе алюмотермической реакции термитная смесь превращается в жидкий расплав. Восстановленное алюминием железо становиться текучим. Это свойство термита позволяет использовать сварку при ремонте плит и прочих металлоизделий. То есть расплав равномерно растекается по поверхности металла, надежно устраняя таким образом следы износа или брака.
Как варить термитом.

Технология сварки термитом

Для осуществления термитной сварки нужны 3 вещи:

Огнеупорная форма
Жаростойкий тигель
Термитная смесь

Форма предназначена для создания контура под жидкий расплав. При помощи формы определяются границы сварочного шва. При сварке каких-то нестандартных крупногабаритных металлоизделий форму приходится изготавливать в индивидуальном порядке. В таких случаях форма является одноразовой.

Тигель необходим для непосредственного протекания алюмотермической реакции. То есть в тигле горит термитная смесь. Из тигля жидкий расплав попадает в форму, где и происходит соединение металлических поверхностей.

Для термитной сварки стандартизированных металлоизделий (рельсы, трубы, провода и пр.) нередко применяется тигле-форма. Данное устройство совмещает в себе и тигель, и форму. Тигле-формы предназначены для работы с каким-то определенным видом изделий. Существуют стандартизированные тигле-формы для рельс, труб, проводов, арматуры и т.д.

Тигле-форма изготавливается из жаростойкого материала. Обычно это графит. Такие устройства являются многоразовыми. Графитовая тигле-форма способна выдерживать создание 200-300 шовных соединений при помощи термитной сварки.

Как изготавливается термитная смесь

В большинстве случаев термитная смесь представлена фасовкой цилиндрической формы. Такие «колбаски» изготавливают под конкретно взятые работы. Универсального термита не существует. А если и используется первый попавшийся под руку термит, то есть высокая вероятность получения некачественного шва.

Дело в том, что при использовании термита необходимо рассчитать, чтобы расплава точно хватило на соединение стыкуемых поверхностей. Объема термитной смеси должно быть не больше и не меньше, чем того требуется в конкретно взятом случае.

Для получения термита нужны 3 компонента:

Оксид железа (около 40%)
Алюминий (около 40%)
Легирующая присадка (около 20%)

Все ингредиенты должны быть представлены мелкодисперсным порошком. Чем тоньше помол термита, тем на более качественном уровне будет протекать алюмотермическая восстановительная реакция.

В качестве оксида железа принято использовать отходы металлургического производства. При создании отливок и термообработке заготовок на поверхности металла образуется корка. Это и есть оксид железа в чистом виде.

Разумеется, для изготовления качественного термита первичный оксид железа подвергается дополнительной обработке. Потенциала сырой окалины недостаточно, чтобы обеспечить эталонные условия для протекания термической реакции в бескислородной среде.

В данном случае окалина проходит дополнительную термообработку в условиях интенсивного окисления.

Для получения мелкодисперсного алюминиевого порошка используется запатентованная технология. Обычно алюминий получают методом мелкоабразивной шлифовки и хонингования. Таким же образом производят и легирующие присадки.
Касательно легирующих компонентов, они добавляются в смесь по мере необходимости, в определенном количестве и определенном составе.

Термит можно приготовить и без легирующих присадок, но в этом случае шовное соединение будет не таким надежным и долговечным. При сварке элементарным термитом, так называется чистая термитная смесь, без присадок, оксид железа и алюминий берутся из расчета 1:1.

При сварке термитом конструкций из нержавеющей стали в роли легирующих компонентов чаще всего используются ферротитан и феррованадий. В данном случае легирующие компоненты значительно повышают прочностные характеристики шва, что позитивно отражается на надежности и долговечности всей металлоконструкции.

Как горит термит

Капсула с термитом закладывается в тигель, после чего следует создать на поверхности шихты температурный толчок. Для получения эталонной алюмотермической реакции температурный толчок должен равняться отметке 1350 С или превышать ее.

Сила начального горения быстро увеличивается. На пике горения температура может достигать отметки свыше 3000 С. Столь высокий нагрев в считанные секунды превращает шихту в жидкий расплав, который из тигля перемещается в форму.

Некоторая часть температуры, которая выделяется при сгорании термита, расходуется на нагрев как тигля, так и соединяемых металлических поверхностей. Это несколько снижает эффективность термита. Чтобы свести к минимуму теплопотери, перед установкой формы стыкуемые поверхности хорошо нагревают, фактически докрасна.

Заполнив форму расплав нагревает до высокой температуры прилегающие металлические поверхности. Контактная область по сути становится одним целым, как при натуральном литье. Так происходит формирование термитного шва.

Скорость термитной реакции обычно находится в пределах 20-30 секунд. Конечно, точное время сгорания термита зависит от объема шихты.

При сгорании шихты шлак всплывает наверх. Это происходит из-за разницы в плотности металлического расплава и несгораемых включений. После непродолжительного охлаждения, обычно около 5 минут, следует убрать тигель и разобрать форму. Поверхности термитного шва нужно зачистить. Если соединялись достаточно крупные детали, по типу рельс, то шов обычно чистят болгаркой с насадкой для шлифования.

Термитный шов обладает превосходными физико-механическими свойствами. Металл в области такого шва имеет качественную мелозернистую структуру. Термитные швы не имеют ни раковин, ни других дефектов. В некоторых случаях термитные швы подвергаются прессованию, что позволяет сделать соединения неимоверно прочными.

сферы применения, способы и их характеристика, оборудование, техника безопасности

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:

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.
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:

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.
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.
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.
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:

Тигли из вольфрама или керамики с возможностью безопасного слива расплавленного материала.
Струбцины и тиски, применяемые для сжатия и фиксации деталей.
Набор специальных инструментов: ножовки по металлу, кислородный резак, газовая горелка, приемник для тигля, полосковый термометр.
Дополнительные инструменты: проволочная щетка, шлифовальный круг. Применяются для зачистки швов и поверхностей.
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:

К работе допускается персонал, достигший 18 лет и прошедший специальное обучение и инструктаж.
Специалисты, производящие данный вид работ, должны быть обеспечены спецодеждой и средствами личной защиты (очки).
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.
Термитные спички хранят в металлическом шкафу. При этом они должны быть изолированы от склада с термитом.
Не допускается увлажнения термита и огнеупоров при хранении и транспортировке, а также на месте выполнения работ. Проведения сварочных работ в дождливую погоду категорически запрещено.
В зимний период необходимо очищать место стыка от снега и влаги в радиусе 0,5 метров.
Вблизи места сварки не допускается проведение иных путевых работ. Территория должна быть огорожена, и установлены соответствующие знаки.
Перед проведением термитной сварки необходимо провести обследование территории на предмет наличия пожароопасных зданий и сооружений. Также важно получить разрешение от местной противопожарной службы.
В ходе термитной реакции рабочий должен отойти на расстояние не менее 3 метров.
В случае прорыва жидкого металла из формы или тигля его следует засыпать большим количеством песка. Тушить водой запрещено.
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.

Thermit Welding — обзор

8.7.2 Углеродистая сталь для строительных работ

В общих чертах, нелегированные стали, используемые в строительных работах (мосты, здания, сооружения и судостроение), делятся на две категории: низкоуглеродистая сталь (до 0,25%) В) в виде пластин и профилей, применяемых для сварных конструкций, и из более углеродистой стали (0,5–0,7% С) для арматурного проката и рельсов. Вторая категория составляет около одной трети общего тоннажа Великобритании, хотя эта цифра время от времени меняется.Рельсы соединяются стыковой сваркой оплавлением на транспортируемые отрезки, а полевые соединения выполняются электродами с низким содержанием водорода или термитной сваркой. Сварка термитом также используется для соединений, которые не поддаются стыковой сварке оплавлением, например, в точках и на изгибах.

Арматурный стержень сваривается электродами с низким содержанием водорода и предварительным нагревом 100–250 ° C. Руководство по процедуре дано в стандарте AWS D12-1.

Обычная углеродистая сталь является предпочтительным материалом для основных (около 90%) строительных работ.Более высокие классы прочности на растяжение требуются, когда напряжение является определяющим фактором — например, на узловых участках морских сооружений — но там, где прогиб является ограничивающим фактором, повышенная прочность на растяжение не дает никаких преимуществ. То же самое относится к сварным деталям, где усталостная нагрузка является основным фактором при проектировании.

Как углеродистые, так и высокопрочные конструкционные стали указаны в BS 4360 и в ряде спецификаций ASTM, некоторые из которых сгруппированы в соответствии с областями применения, например, ASTM A709 для перемычек.BS 4360 был частично заменен европейским стандартом EN 10 025, который распространяется на нелегированные стали с пределом прочности на растяжение в диапазоне от 310 Н мм ^-2 до 690 Н мм ^-2 и который был опубликован в 1990 году. указанные составы и свойства типичных марок EN 10 025, в то время как таблица 8.6 представляет собой аналогичный список тех марок BS 4360, которые не были заменены. Механические свойства указаны для профилей толщиной до 150 мм.

Таблица 8.5. Выбранные марки конструкционной стали по европейскому стандарту EN 10025

Марка	Тип раскисления *	Химический состав (макс.%)						Предельное напряжение (Н мм ^{— 2})	Предел текучести (Н мм ^{— 2}) с	Удлинение	Удар по Шарпи V
		C	Mn	Si	P	с	N				Температура (° C)	Дж
Fe 360 B	FU	0.23			0,055	0,055	0,011	340–470	195	22	20	27
Fe 360 D2	FF	0,19			0,045	0,045	—	340–470	195	22	— 20	27
FE 430 B	FN	0,25			0,055	0.055	0,011	400–540	225	18	20	27
Fe 430 D2	FF	0,21			0,045	0,045	—	400–540	225	18	— 20	27
Fe 510 B	FN	0,27	1,7	0,6	0,055	0,055	0,011	470–630	295	18	20	27
Fe 510 D2	FF	0.24	1,7	0,6	0,045	0,045	—	470–630	295	18	— 20	27
Fe 510 DD	FF	0,24	1,7	0,6	0,045	0,045	—	470–630	295	18	— 20	40

Таблица 8.6. Конструкционная сталь по BS 4360: 1990

Сорт (%)	Химический состав (%)							Предел прочности (Н мм ^{— 2}	Предел текучести		Удлинение (%)	Удар по Шарпи V		Условия поставки *
	C _max	Si	Mn _max	P _max	S _max	Nb	V		Предел толщины (мм)	Н мм ^-2		Температура (° C)	Дж
40 EE	0.16	0,1–0,5	1,5	0,04	0,03	—	—	340–500	150	205	25	–50	27	N
43 EE	0,16	0,1–0,5	1,5	0,04	0,03	—	—	430–580	150	225	23	–50	27	N
50 EE	0.18	0,1–0,5	1,5	0,04	0,03	0,003–0,1	0,003–0,1	490–640	150	305	20	–50	27	N
50 F	0,16	0,1–0,5	1,5	0,025	0,025	0,003–0,08	0,003–0,1	490–640	40	390	20	–60	27	Вопросы и ответы
55 C	0.22	0,6 макс.	1,6	0,04	0,04	0,003–0,1	0,003–0,2	550–700	25	430	19	0	27	AR или N
55 EE	0,22	0,1–0,5	1,6	0,04	0,03	0,003–0,1	0,003–0,2	550–700	63	400	19	–50	27	N
55 F	0.16	0,1–0,5	1,5	0,025	0,025	0,003–0,08	0,03 / 0,1	550–700	40	415	19	–60	27	Вопросы и ответы; T

Для конструкционной стали характерно то, что испытания на растяжение и другие испытания проводятся на образцах, которые представляют собой отливку или партию, тогда как для стали для котлов и сосудов высокого давления испытания проводятся на каждой пластине.

Другие стандарты охватывают свойства сквозной толщины и стойкость к атмосферным воздействиям.BS 6870 определяет три класса приемлемости для пластичности по всей толщине: Z15, Z25 и Z35, где число представляет собой минимальное среднее процентное уменьшение площади для трех поперечных испытаний. Стали с такими свойствами продаются как сталь Hyzed .

Погодостойкая сталь используется для изготовления мостов и зданий со стальным каркасом, особенно в США и, в меньшей степени, в Великобритании. Эти стали содержат небольшое количество меди, а иногда и хрома, и при воздействии умеренных атмосферных условий на поверхности образуется защитный слой ржавчины.У них есть преимущество в том, что они требуют меньшего обслуживания, но ржавый вид не всегда приемлем.

Требования к предварительному нагреву для нелегированных конструкционных сталей (и этот термин включает микролегированный и контролируемый прокатный лист) указаны в Великобритании в BS 5135. В этом документе для определения предварительного нагрева используются четыре переменных: содержание водорода в наплавленном шве, углеродный эквивалент стали, общая толщина стыка и тепловложение в кДж · мм ^{— 1} Категории содержания водорода соответствуют рекомендациям IIW (Раздел 8.5.3), равно как и углеродный эквивалент (уравнение 8.6). Общая толщина — это сумма толщины листа, соединяемого сварным швом. На основе этих переменных графики или таблицы показывают минимальную температуру предварительного нагрева и промежуточного прохода.

Код AWS Dl.l для сварки конструкций предлагает более простой подход к проблеме. Здесь переменными являются стандарт и марка ASTM, процесс сварки и толщина листа. Электроды с покрытием делятся на две категории: с низким содержанием водорода и другие. Требуемый предварительный нагрев указан в таблице как функция этих переменных.Например, предварительный нагрев для простой углеродистой стали с пределом прочности до 30 фунтов на квадратный дюйм и толщиной менее 19 мм (3/4 дюйма) равен нулю, а для толщины от 19 до 38 мм, 66 ° C и так далее.

Предварительный нагрев является обременительным и дорогостоящим требованием при сварке больших конструкций, поэтому процессы и процедуры, которые уменьшают или устраняют требования к предварительному нагреву, являются весьма предпочтительными.

Сварка термитом |

Применительно к восстановлению оксидов железа экзотермическая реакция генерирует достаточно энергии для повышения температуры продукта реакции до уровня, превышающего 3000 ° C, при котором и металл, и оксид алюминия являются жидкими:

Оксид железа	+	Алюминий	>	Оксид алюминия	+	Утюг	+	Тепло
3FeO	+	2Al	>	Al2O3	+	3Fe	+	880 кДж
Fe2O3	+	2Al	>	Al2O3	+	2Fe	+	850 кДж

Этот процесс был впервые использован для обеспечения тепловой энергии для метода ковочной сварки рельсов в 1899 году, когда на трамвае Эссена было установлено несколько сварных соединений.Впервые этот процесс был использован в Великобритании для сварки трамвайных рельсов, установленных в Лидсе в 1904 году.

Дальнейшая разработка, ведущая к добавлению легирующих элементов в основную алюминотермическую реакцию, позволила получить сталь с совместимой металлургией основных рельсов, что позволило разработать процесс сварки плавлением. В то время как первые сварные швы производились путем отливки стали Thermit в формы, изготовленные вручную, включающие два рельса, которые должны были соединяться вместе, последующее развитие привело к внедрению предварительно формованных огнеупорных форм, предназначенных для соответствия конкретным профилям рельсов.

Хотя основной процесс алюминотермии по-прежнему составляет основу сварочных процессов Thermit, постоянное развитие в сочетании с современными производственными технологиями, статистическим контролем процесса и контролем качества привело к созданию процессов, которые более чем соответствуют требованиям обслуживания современных высоких скоростей и большой нагрузки на ось. железнодорожные системы.

Обычные рельсы с плоским дном или виньоле
Рельсы специальные секции
Рельсы трамвайные рифленые
Рельсы для тяжеловесных секционных кранов
Рельсы для электрических проводов

Кроме того, доступны изделия для специальных типов опор направляющих, ограниченного пространства, ограничений окружающей среды, а также для соединения рельсов разных типов или с различной степенью износа.

Процесс термитной сварки

Сварка термитом — это эффективный, высокомобильный метод соединения стальных конструкций большого диаметра, таких как рельсы. По сути, процесс литья, высокая погонная энергия и металлургические свойства стали Thermit делают этот процесс идеальным для сварки высокопрочных сталей с высокой твердостью, таких как те, которые используются для современных рельсов.

Thermit Welding — это квалифицированный сварочный процесс, который не должен выполняться лицами, не прошедшими обучение и сертификацию для его использования.

Подробные инструкции по эксплуатации предоставляются для каждого из наших процессов, но все методы сварки состоят из 6 основных элементов:

1- Между двумя рельсами должен быть сделан тщательно подготовленный зазор, который затем должен быть точно выровнен с помощью линейок, чтобы конечный стык был идеально прямым и плоским.

2- Предварительно отформованные огнеупорные формы, которые изготавливаются таким образом, чтобы точно соответствовать определенному профилю рельса, зажимаются вокруг зазора рельса, а затем запечатываются на месте.Затем собирают оборудование для размещения горелки предварительного нагрева и контейнера Thermit.

3- Сварочная полость, образованная внутри формы, предварительно нагревается с помощью кислородно-топливной газовой горелки с точно установленным давлением газа в течение заданного времени. Качество готового сварного шва будет зависеть от точности этого процесса предварительного нагрева.

4- По завершении предварительного нагрева контейнер устанавливают на верхнюю часть форм, часть зажигается, и в результате последующей экзотермической реакции образуется расплавленная термитная сталь.Контейнер включает в себя автоматическую систему выпуска, позволяющую жидкой стали, температура которой превышает 2500 ° C, сливаться непосредственно в сварочную полость.

5- Сварному стыку дают остыть в течение заданного времени, прежде чем излишки стали и пресс-формы будут удалены с верхней части рельса с помощью гидравлического устройства для обрезки.

6- В холодном состоянии стык очищается от мусора, а рабочие поверхности рельсов прецизионно шлифуют профиль.Готовый сварной шов необходимо затем проверить, прежде чем он будет признан готовым к эксплуатации.

Видео:

См. Также: http://www.asa.transport.nsw.gov.au/sites/default/files/asa/railcorp-legacy/disciplines/civil/tmc-222.pdf

Источник: thermit-welding.com

Сварка термитом: операция и этапы [со схемой установки]

Сварка термитом — это процесс, при котором тепло, выделяемое в результате экзотермической химической реакции, используется для плавления.Алюминотермический процесс химической реакции происходит между алюминиевым порошком и оксидом металла.

В результате этой реакции образуется расплавленный металл, который действует как присадочный металл, соединяющий детали при затвердевании. При термитной сварке не используются внешние источники тепла, тока и присадочный материал.

Процесс, в основном используемый для соединения стальных деталей, здесь термит состоит из оксида железа и порошка алюминия. Соотношение: 78% оксида железа и 22% порошка алюминия.Соотношение определяется химической реакцией при горении алюминия:

8Al + Fe3O4 = 9Fe + 4 Al2O3 + тепло (4500 ° C, 35 кДж / кг смеси)

При сгорании железа и оксида алюминия выделяется тепло до 4500 градусов по Фаренгейту. Поскольку эти два компонента имеют разную плотность, они автоматически разделяются. Жидкое железо заполняет керамическую форму, построенную вокруг сварных деталей, а шлак из оксида алюминия всплывает вверх и впоследствии удаляется.

Термитный процесс, разработанный Гансом Гольдшмидтом в середине 1890-х годов и теперь используемый при ремонте стального литья и ковки.Они разрабатывают сварочный аппарат для термитной сварки для соединения железнодорожных рельсов, стальных труб, стальной проволоки, литых деталей большего размера и кованых деталей.

Основные определения

1. Тигель — это сосуд, в котором происходит термитная химическая реакция, алюминотермическая реакция, называется тиглем.

2. Форма — Форма создается вокруг детали, которая требует сварки. Эта форма предназначена для приема расплавленного металла.

3.Смесь — Смесь — это термин для описания гранул алюминия и оксида металла. и любые легирующие металлы.

4. Реакция — Алюминотермический процесс — это химическая реакция между алюминием и оксидом металла. Реакция приводит к разделению перегретого расплавленного материала и шлака оксида алюминия.

Железнодорожная термитная сварка

Процесс термитной сварки

Это химический процесс сварки, в котором экзотермическая реакция используется для получения необходимой тепловой энергии.Обжиг термита — смеси порошка алюминия и оксида железа в соотношении 1: 3 по весу. создает температуру 3000 градусов по Цельсию.

Предварительный нагрев термитной смеси до 1300 градусов по Цельсию необходим для инициирования реакции.

Смесь термитов вступает в реакцию следующей химической реакции:

8Al + Fe3O4 = 9Fe + 4 Al2O3 + тепло (4500 ° C, 35 кДж / кг смеси)

Высокая способность алюминия реагировать с кислородом лежит в основе химической реакции термитов.После реакции с оксидом железа чистая сталь оседает, в то время как оксид алюминия всплывает в виде шлака. Все это происходит из-за большой разницы в их плотности.

Операция и этапы термитной сварки

По сути, это процесс литья и литья, при котором в результате реакции термита металл выливается в непроходимую полость, образовавшуюся вокруг стыка. Этапы термитной сварки:

1. Обязательно очистить и подготовить края металлических деталей, которые мы будем сваривать.

2. Восковая модель — это необходимость для сварки стыка. Вылейте горячий воск, чтобы получить его.

3. Поместите формовочную коробку вокруг стыка и аккуратно нанесите песок по всей восковой модели. Он обеспечивает необходимый сливной бассейн, стояк, литник и литниковую систему.

4. Нижнее отверстие используется для слива расплавленного воска, что помогает предварительно нагреть соединение и подготовить его к сварке.

5. Пора перемешать термит в тигле.Он изготовлен из огнеупорного материала, чтобы выдерживать экстремальное нагревание и давление, возникающие во время этой алюмотермической реакции.

6. Воспламенитель, такой как оксид бария или магний, оставляется на головке смеси и зажигается раскаленными металлическими стержнями.

7. Реакция завершается за очень короткое время, сильно нагретый расплавленный чугун течет в полость формы, которую мы создали вокруг стыка для плавления.

8. Нагретый расплавленный материал соединяет основные металлы и затвердевает с образованием однородного прочного соединения.

9. Оставить сварной шов как таковой медленно остыть.

Металлы меди и хрома также имеют термоплавкие смеси. Вместо закиси железа они используют различные оксиды металлов. Некоторые из популярных реакций термита с указанием их температуры упомянуты ниже.

3 CuO + 2 Al → 3Cu + Al2O3 + тепло (4860 ° C, 270 ккал)

Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 + тепло (3000 ° C, 545 ккал)

Ступени термитной сварки для рельса

Подготовка краев рельса к сварке
Установка сварного зазора
Прикрепите зажим
Закрепите форму
Оставьте термитную смесь в тигле
Предварительный нагрев концов рельса
Зажигайте и дайте стали течь
Пора снять форму
Удалить излишки металла головки
Начать шлифование
Окончательное чистое шлифование

Анимационное видео процесса термитной сварки

Комплект для термитной сварки

Доступен ряд сварочных комплектов в соответствии с потребностями сварочного процесса.

1. Дюймовый метод SKV — самый распространенный процесс соединения двух рельсов поезда.

2. 1,5-дюймовый метод SKV — процесс помогает снизить риск включения шлака.

3. Сварной шов с широким зазором 2,75 дюйма — используется один раз для замены термитного шва.

4. Ремонтный шов с полной головкой — Заполните поврежденный участок при вытягивании головки рельса.

Использование и приложения

Сварка термитом — это очень старый процесс плавления, который даже сейчас оказался очень полезным инструментом.

1. Традиционно используется для сварки очень тяжелых и толстых листов.

2. Это предпочтительный выбор для соединения железных дорог, толстых стальных профилей и труб.

3. Термитная сварка предназначена для ремонта тяжелых зубчатых передач и отливок.

4. Эта модель подходит для сварки больших секций, таких как корпус, рельсы локомотивов и корабли.

5. Применяется для сварки медных сварочных кабелей.

Плюсы термитной сварки

Это простой и быстрый метод соединения двух одинаковых или разных проводящих материалов.
Это очень экономичный процесс, при котором не требуется электропитание.
Сварка термитом возможна в удаленных местах, где нет электричества.

Минусы термитной сварки

Можно использовать для деталей из черных металлов большего сечения.
Плавка легких и дешевых металлов не очень экономична.
Скорость сварки низкая.
Высокие температуры могут вызвать изменение структуры зерна и деформации металла шва.
Сварка может содержать включения газа и шлака.

Часто задаваемые вопросы

Почему при термитной сварке используется только алюминий?

Алюминий по своей природе имеет особое сродство к кислороду. Это будет реагировать с оксидом железа с образованием элементарного расплавленного железа. Расплавленное железо осаждается в зазоре, создавая прочное и стабильное соединение.

Алюминий при реакции с оксидом выделяет большое количество тепла и шлака, который плавает над расплавленным металлом.В процессе алюмотермической реакции выделяется большое количество тепла для плавления ванны элементарного железа.

Является ли изготовление термитов незаконным?

Термит, используемый при термитной сварке, не является незаконным, поскольку он не взрывоопасен. Это становится незаконным, если алюминий поставляется с мелкими ячейками, так как это взрывоопасный материал. При покупке алюминиевого термита убедитесь, что продавец поставляет.

Горит ли термит под водой?

Расчетной смеси ржавчины оксида железа и алюминиевого порошка (термит) требуется высокая температура горячей горящей полосы магния для ее воспламенения.Как только термит загорится, потушить пожар становится практически невозможно.

Тепло настолько сильное, что может прожечь тротуар, блоки двигателя. Интенсивность тепла настолько высока, что оно остается живым даже под водой.

Какие металлы используются для сварки железнодорожных путей?

Термит широко применяется во всем мире для сварки железнодорожных рельсов. Медный термит — это выбор для электрического соединения с использованием оксида меди.

Какое вещество является самым горячим горящим веществом, известным человеку?

Thermite кажется самым горячим горящим веществом, созданным руками человека.Термит остается пиротехническим составом металлических гранул и оксида металла. При химической реакции происходит экзотермическое окисление-восстановление с выделением большого количества тепла.

Заключение

Сварка термитом , изобретенный в середине 1890-х годов Хансом Гольдшмидтом. После 130-летнего перерыва он занимает значительное место на современных железных дорогах. На железных дорогах используются рельсы со сплошным сварным швом или ленточные рельсы, где рельсы соединяются стыковой сваркой оплавлением для создания пути в несколько километров.Соединение и ремонт сплошного рельса возможны только термитной сваркой.

Сварка термитом — неотъемлемая часть современных железных дорог.

Рекомендации

Вот ссылка на процесс термитной сварки pdf скачать

https://en.wikipedia.org/wiki/Exothermic_welding

Вам тоже может понравиться.

Символы сварки [поясняются схемами]

12 различных типов сварочных процессов [Полное руководство]

Процедура сварки чугуна [Пошаговое руководство]

Остаточные напряжения в рельсах, сваренных термитной сваркой: значение дополнительной поковки

Термические свойства

Модель FE включает два разных материала: рельсовую сталь марки R260 для рельса и металл сварного шва.Предполагается, что они имеют одинаковые термические и механические свойства. Тепловые свойства стали R260 оценены по Тучковой [22]. На рис. 4 показано изменение плотности, теплопроводности и теплоемкости в зависимости от температуры. Обратите внимание, что конвекция в бассейне с жидкостью была аппроксимирована искусственным увеличением проводимости выше температуры плавления ( T ≥ T _жидкий = 1465 ° C) в пять раз, см. Chen et al. [2].

Фиг.4

a Изменение плотности, проводимости и теплоемкости в зависимости от температуры, рассчитанное по Тучковой [22]. b Температурная зависимость модуля Юнга E (слева) и коэффициента Пуассона ν (справа) по оценкам Skyttebol и Josefson [10]. c Температурная зависимость предела текучести и модуля упрочнения, от Skyttebol и Josefson [10]. d Коэффициент теплового расширения металла рельса и сварного шва при нагреве и охлаждении.Из Ahlström [23]

Скрытая теплота и фазовые превращения

Эффект фазовых превращений был учтен в термическом анализе путем определения скрытой теплоты, которая моделирует большие изменения внутренней энергии из-за фазовых изменений материала. Фазовое превращение из жидкости в твердое происходит при T _liq = 1465 ° C и T _sol = 1380 ° C, см., Например, Тучкова [22], с полной внутренней энергией, связанной с фазовый переход, соответствующий 277 кДж / кг.Начало и конец фазового превращения аустенита в перлит приблизительно по диаграммам CCT для R260 составляют T _s = 700 ° C и T _f = 660 ° C. Для этого случая удельная теплоемкость оценивается в 2 кДж / кг · К, см. Chen et al. [2], что даст внутреннюю энергию 80 кДж / кг.

Механические свойства

Предполагая, что поле деформации можно разложить на отдельные компоненты, приращения деформации можно выразить с помощью небольших обозначений деформации следующим образом:

$$ \ Delta \ varepsilon = \ Delta {\ varepsilon} ^ {\ mathrm {e}} + \ Delta {\ varepsilon} ^ {\ mathrm {p}} + \ Delta {\ varepsilon} ^ {\ mathrm {th}} $$

(1)

, где Δ ε ^e, Δ ε ^p и Δ ε ^th обозначают изменения упругой, пластической и термической деформации соответственно.Вязкопластическими деформациями и деформациями ползучести можно пренебречь, поскольку время, проведенное при более высоких температурах, относительно невелико. Чтобы уменьшить вычислительные затраты, участки материала, которые не представляют особого интереса, то есть участки рельса вдали от зоны плавления (FZ), считаются упругими во время процесса ATW. В этих областях не ожидается значительных температурных градиентов или пластической деформации.

Поведение эластичного материала

Предполагается, что металл рельса и сварного шва представляет собой изотропный эластичный материал с модулем Юнга E и коэффициентом Пуассона ν значениями, взятыми из Skyttebol и Josefson [10].На рис. 4б показаны температурные зависимости E и ν .

Обратите внимание на рис. 4b, что жесткость уменьшается с увеличением температуры, что означает, что материал размягчается. Однако нижний предел для E при более высоких температурах является неопределенным из-за ограниченных экспериментальных данных для высоких температур. Здесь было выбрано минимальное значение 100 МПа при температурах выше 1000 ° C. Это значение подтверждается ограниченными экспериментальными результатами из литературы [22].

Коэффициент Пуассона увеличивается до 0,5, как показано на рис. 4b. Однако, чтобы избежать численных проблем с несжимаемым материалом, это значение нельзя принимать слишком близким к 0,5.

Поведение пластического материала

Предел текучести и упрочнение при комнатной температуре и при 600 ° C были определены на собственном предприятии, см. Skyttebol и Josefson [10]. Дальнейшее изменение предела текучести при температуре принимается таким образом, чтобы оно соответствовало таковому в Еврокоде (EN 93-1-1 Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций — Часть 1–1: Общие правила и правила для зданий).Металлы рельса и сварного шва моделируются с использованием линейного изотропного упрочнения, поскольку процесс ATW включает только ограниченную обратную текучесть при более низких температурах; хотя циклические эксперименты с рельсом R260 ограничены, Skyttebol и Josefson [10] показывают, что кинематическое упрочнение или, скорее, нелинейное кинематическое упрочнение может быть лучшим представлением. Температурное изменение предела текучести и модуля упрочнения показано на рис. 4c.

При более высоких температурах материал считается эластичным идеально (идеально) пластичным.Более того, при таких температурах доступных данных мало, см. Выше. Здесь нижнее предельное значение предела текучести принято равным 25 МПа для температур выше 1000 ° C, что также подтверждается ограниченными экспериментами в литературе, Линдгрен [24].

Когда материал охлаждается после заливки, он подвергается твердофазным превращениям из аустенита в перлит, как обсуждается ниже. Предполагается, что мера упрочнения, то есть эффективная пластическая деформация, накопленная в более ранней фазе, не повлияет на упрочнение в новой фазе.Следовательно, накопленная эффективная пластическая деформация сбрасывается при определенной температуре, в данном случае выбранной как 700 ° C, с использованием функции отжига ABAQUS.

Объемные изменения во время фазовых превращений

Тепловое расширение перлита и аустенита при нагревании и охлаждении соответственно следует по Альстрему [23] и показано на рис. 4d. Объемное расширение, наблюдаемое при превращении аустенита в перлит (при быстром охлаждении), моделируется соответствующим уменьшением коэффициента теплового расширения в температурном интервале фазового превращения.{\ mathrm {th}} = \ alpha \ (T) \ cdotp \ left (T- \ mathrm {Tref} \ right) \ hbox {-} \ upalpha \ \ left (\ mathrm {Tin} \ right) \ cdotp \ left (\ mathrm {Tin} — \ mathrm {Tref} \ right) $$

(2)

, где α , T , T _ref и T _в — это, соответственно, коэффициент теплового расширения, температура, эталонная температура и начальная температура. На этапе предварительного нагрева эталонная температура устанавливается на 18 ° C для всех элементов, включая (в то время бесшумный) металл сварного шва.Для следующих стадий, то есть фаз выпуска и разливки, когда расплавленный материал заливается в форму и входит в контакт с нагретыми концами направляющих, этот состав использовать нельзя. {\ mathrm {th}} = \ alpha \ (T) \ cdotp \ mathit {\ Delta T} $ $

(3)

За эталонную температуру подаваемого расплавленного материала принимается температура, которую он имеет при заполнении сварного зазора, см., Например, Линдгрен [24].Здесь эта температура принята при температуре плавления 1465 ° C. Это также означает, что объемные изменения, возникающие при затвердевании металла шва, предполагаются в верхней части формы над зазором сварного шва.

Процедура моделирования методом конечных элементов

Как упоминалось выше, процесс ATW моделируется как последовательно связанный термомеханический анализ. Таким образом, настраиваются два разных анализа, один термический анализ и один механический анализ. Поле температуры, вычисленное в термическом анализе, импортируется в механический анализ как нагрузка.Параметр связи в термическом анализе (относящийся к пластической деформации) обычно очень мал в задачах сварки, и им можно пренебречь. Более того, влияние поля деформации на тепловые граничные условия считается здесь несущественным, поскольку маловероятно возникновение больших деформаций там, где эти граничные условия находятся.

Коммерческое программное обеспечение ABAQUS версии 6.14.2 использовалось в моделировании КЭ с использованием формулировки с большим смещением и большой деформацией. Линейные кирпичные элементы DC3D8 (термический) и C3D8R (механический) использовались для рельса, тогда как линейные тетраэдрические элементы DC3D4 (термический) и C3D4 (механический) использовались для металлической части сварного шва.Обратите внимание, что в металлической части сварного шва использовались элементы из кирпича, где поперечное сечение термитника соответствует поперечному сечению рельса. Сетка уточняется в области металла сварного шва и рядом с концом рельса. Одна и та же сетка используется как для тепловых, так и для механических полей. Всего было использовано 282 824 элемента, дающих 643 539 степеней свободы, на основе исследования сходимости для более простой двумерной модели.

На рис. 5 показаны различные этапы обычного процесса ATW, смоделированные с помощью ABAQUS.Из-за добавления нового материала на этапе заливки процесс пришлось разделить на три различных моделирования, а результаты переносить между моделированиями с помощью опции импорта в ABAQUS. Тем не менее, можно отметить, что в термическом FEA моделирование заливки и сдвига / охлаждения объединено в одно моделирование. В случае дополнительной поковки, см. Рис. 2, дополнительное заданное смещение применяется в третьем анализе сдвига и охлаждения.

Рис. 5

Процедура моделирования FE для обычного ATW

Этап предварительного нагрева и выпуска газа

На первом этапе кислородно-пропановая горелка помещается над головкой рельса во время начальной фазы ATW для сушки и очистки формы и рельса для уменьшения риска образования газовых пор внутри сварного шва и снижения скорости охлаждения.Это моделируется заданием теплового потока к свободным поверхностям рельса внутри сварного зазора в течение периода времени 180 с (3 мин). Процедура соответствует экспериментам Бэнтона [20], в которых температуры регистрировались в разных местах поверхности рельса, в 10 мм от конца рельса, на головке рельса (беговая поверхность, поверхность поля), перемычке (рыболовные поверхности и центральная перемычка), и стопа.

Энергия, подводимая горелкой для предварительного нагрева, моделируется как два распределенных тепловых потока, которые действуют на границу раздела рельсов и движущуюся поверхность.Предполагается, что эти потоки меняются в зависимости от времени, высоты и ширины рельса. Они были определены путем вычисления разницы между экспериментальными температурами по Бантону [20] и расчетными температурами FE в соответствующих точках. Эта разница минимизируется с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов (функция fminsearch в MATLAB). В течение периода выпуска, который составляет около 55 с (1 мин), тепловой поток прекращается, и рельс охлаждается, пока тигель прикреплен к верхней части формы.

На этапах предварительного нагрева и выпуска металлический шов включается для анализа, чтобы он соответствовал последующим расчетам, и для задания граничных условий горизонтальной симметрии на этом этапе, чтобы предотвратить движение твердого тела.Металл сварного шва является бесшумным материалом, т. Е. Ему придается очень низкая жесткость и предел текучести, чтобы гарантировать, что он не влияет на поведение рельса до тех пор, пока он не будет активирован на стадии разливки.

Этап заливки

На этом этапе температура металла сварного шва увеличивается за 1 секунду до 750 ° C, что является температурой конца рельса в конце этапа предварительного нагрева и выпуска. Вылив жидкости моделируется увеличением температуры металла сварного шва до пространственного распределения, допустимого после завершения заливки.Расплавленный металлический материал сварного шва имеет температуру около 2050 ° C в тигле над формой, но охлаждается, оставаясь жидкостью, когда стекает вниз в каналы формы, а затем вверх в зазор сварного шва. Здесь это пространственное изменение температуры в момент заливки было предписано следовать расчетному пространственному изменению в Тучковой [22]. Обратите внимание, что это означает, что предполагается, что разливка произойдет за очень короткое время, и что весь столб металла сварного шва рассматривается с начала этого шага.На этом этапе параметры материала металла сварного шва изменяются на параметры материала рельса. Чтобы предотвратить значительное объемное расширение при непрерывном повышении температуры металла шва, на этом этапе тепловое расширение металла шва устанавливается равным нулю.

Этап резки и охлаждения

По завершении этапа разливки металл рельса и сварного шва остынет. Термическая деформация металла шва сбрасывается, см. Уравнение. (3) для моделирования того, что теперь он охлаждается из расплавленного состояния.Это также относится к частям конца рельса, которые плавятся во время разливки. Через некоторое время излишки материала удаляются гидравлическими ножницами. Это моделируется удалением элементов, моделирующих металл шва, см. Рис. 3, и переопределением свободных поверхностей для конвективных граничных условий и продолжением процесса охлаждения. Предполагается, что сдвиг как таковой не создает дополнительных напряжений. В случае использования дополнительного давления ковки модуль ALFONS с заданным смещением 6 мм прикладывается к стенке рельса на определенном расстоянии от конца рельса, см. Рис.2, 120 с (2 мин) после завершения заливки. Еще через 30 с (2 мин и 30 с) смещение деактивируется.

Термический анализ процесса ATW: результаты

Расчетные температуры FE и зарегистрированные температуры, предоставленные Banton [20] в рассматриваемых точках данных на этапах предварительного нагрева и выпуска, показаны на рис. 6. Время, когда предварительный нагрев заканчивается. на рис. 6. Этот результат показывает, что модель подводимой энергии достаточно точна при моделировании воздействия горелки предварительного нагрева в большинстве рассматриваемых точек.Также обратите внимание на большую разницу в максимальных температурах беговой поверхности и поверхности поля.

Рис. 6

Расчетные и измеренные температуры в рельсе на расстоянии 10 мм от конца рельса на этапах предварительного нагрева и нарезания резьбы. Указывается время, когда предварительный нагрев прекращается, 180 с (3 мин).

Для фазы разливки температура металла шва и материала на конце рельса повышается до значения, показанного на рис. 7a, в качестве начального условия. После этого тепловое граничное условие деактивируется, и возможна передача тепла между различными секциями, что приводит к более физическому распределению тепла, сравнимому с расчетным с использованием CFD Тучковой [22].На рисунке 7b показано распределение температуры через 17,5 с (0,3 мин) после деактивации граничных условий. На рисунке 7c показано температурное поле после того, как материал остынет в течение значительного периода времени (почти при комнатной температуре).

Рис. 7

Расчетное распределение температуры при начале заливки ( a ), 17,5 с после заливки ( b ) и через несколько минут после заливки ( c )

На рисунке 8 показаны расчетные температуры в различных точках 10 мм от конца рельса по сравнению с температурами, измеренными в экспериментах Бантона [20].Время срезания лишнего материала показано на рис. 8. В целом достигается хорошее согласие с экспериментальными результатами. Обратите внимание, что эффект сдвига материала внутри формы можно увидеть в узлах рабочей поверхности и поверхности поля. По мере удаления материала эти узлы подвергаются прямому воздействию окружающего воздуха, что приводит к увеличению скорости охлаждения.

Рис. 8

Расчетные и измеренные температуры в рельсе на расстоянии 10 мм от конца рельса во время охлаждения после заливки

Механический анализ процесса ATW: результаты

Развитие деформаций и напряжений моделировалось в соответствии с шагами, описанными выше, см. Рис. .5. На рисунке 9 показаны рассчитанные вертикальное (S22) и продольное (S33) напряжения в рельсе и металле сварного шва сразу после заливки, т. Е. Когда металл сварного шва был наплавлен и все еще находится в расплавленном состоянии (но обрабатывается как твердое тело с очень низкие напряжения). Можно отметить, что после нарезания резьбы конец рельса покрывается формой, которая не видна на рис. 9 (но моделируется с изолирующим эффектом, см. Выше). Хотя градиент температуры от расплавленного металла сварного шва до рельса высок, эта часть будет иметь температуру достаточно низкую, чтобы испытывать более высокие уровни напряжения, что также наблюдается в частях, расположенных дальше от формы выше, где температура составляет около 700 ° C.Следовательно, уровни напряжения могут быть высокими и не ограничиваться очень низкими значениями предела текучести.

Рис. 9

Расчетные вертикальные S22 (слева) и продольные S33 (справа) напряжения (МПа) в рельсе и металле шва сразу после заливки

На рисунке 10 показана эволюция вертикального S22 и продольного S33 компоненты напряжения со временем в разных местах для обычного процесса ATW и для процесса ATW с применением дополнительной ковки (модуль ALFONS).Графики начинаются с начала ковки, т. Е. Через 120 с (2 мин) после заливки, и длится до конца охлаждения. Обратите внимание, что ковка заканчивается через 150 с (2 мин и 30 с). Отметим также, что напряжения на рис. 10, 11, 12 и 13 показаны для металла сварного шва в профиле рельса (UIC60), то есть напряжения в металле сварного шва за пределами профиля, который не был срезан (см. Рис. 3 и 7c), не показаны. В целом эволюция обычных ATW и ATW с ALFONS аналогична, давая качественно одинаковые уровни остаточного напряжения.В стенке возникают большие растягивающие напряжения как в вертикальном, так и в продольном направлениях. Изменения объема во время фазовых превращений из жидкой фазы в твердую, от 12 до 18 минут, показаны как небольшие изменения напряжения, тогда как окончательное фазовое превращение аустенита в перлит приведет к большему падению напряжения как в вертикальном (S22), так и в продольном направлении. (S33) компоненты. Это падение напряжения восстанавливается во время окончательного охлаждения до комнатной температуры. Разница в уровне напряжения при использовании ALFONS аналогична для компонента поперечного напряжения (S11).Однако, поскольку S11 в целом будет иметь меньшие величины, чем S22 и S33, изменение, наблюдаемое при использовании процедуры ALFONS, будет относительно большим.

Рис. 10

Расчетное развитие напряжений во времени в центре сварного шва после заливки, поковка начинается через 2 мин (120 с) после заливки и заканчивается через 2 мин 30 с (150 с). Обычный ATW, слева, и для процесса ATW с дополнительной ковкой (модуль ALFONS), справа

Рис. 11

Расчетное изменение напряжения в зависимости от температуры после заливки в центре сварного шва.Традиционный ATW, слева, и для процесса ATW с дополнительной штамповкой (модуль ALFONS), справа

Рис. 12

Поле расчетного остаточного напряжения (МПа) после обычного процесса ATW. S22 — вертикальный, а S33 — продольный компонент напряжения.

Рис. 13

Поле расчетного остаточного напряжения (МПа) после обычного процесса ATW с добавлением дополнительной ковки (модуль ALFONS). S22 — вертикальный, а S33 — продольный компонент напряжения

На рисунке 11 показана соответствующая эволюция компонентов вертикального (S22) и продольного (S33) напряжения в разных местах теперь с понижением температуры во время охлаждения после заливки для обычного процесса ATW и для Процесс ATW с применением дополнительной ковки (модуль ALFONS).Графики начинаются с начала ковки, т. Е. Через 120 с (2 мин) после заливки, и длится до конца охлаждения. Обратите внимание, что ковка заканчивается через 150 с (2 мин 30 с). Отметим также, что окончательное фазовое превращение аустенита в перлит начинается при температуре 700 ° C и заканчивается при 660 ° C. На рис. 11 отчетливо видно падение составляющих напряжения из-за увеличения объема при этом фазовом превращении.

На рисунках 12 и 13 показано поле остаточных напряжений в рельсе и металле сварного шва после охлаждения до комнатной температуры.Компоненты как вертикального (S22), так и продольного (S33) напряжения имеют большие значения растяжения в стенке рельса вблизи металла сварного шва, а компонента продольного напряжения также в металле сварного шва стенки рельса. Введение процедуры ALFONS не приведет к значительному изменению поля остаточных напряжений, хотя ширина растягивающей зоны вертикального напряжения (S22), кажется, несколько уменьшится. Компонент поперечного напряжения (S11) не показан, поскольку он имеет более низкие значения, чем два других компонента напряжения.Однако компонент поперечного напряжения (S11) имеет высокое значение внутри рельса при переходе от стенки к основанию, возможно, из-за плохого зацепления в этом пересечении. Однако это не влияет на вертикальные и продольные напряжения. Разница в остаточном поперечном напряжении (S11) после использования дополнительной ковки (модуль ALFONS) также незначительна.

На рисунке 14 показано изменение составляющих остаточного напряжения по толщине в средней плоскости рельса на центральной линии сварного шва и на расстоянии 50 мм от центральной линии сварного шва (т.е.э., в рельс). Как видно также выше, при дополнительной ковке в этих местах наблюдаются лишь незначительные изменения остаточного напряжения; самые большие различия наблюдаются в центре сварного шва на стыке перемычки нижней головки рельса. Также в средней плоскости рельса обнаруживаются большие растягивающие вертикальные и продольные остаточные напряжения в стенке в центре сварного шва и в рельсе вблизи металла шва. Это область, где часто возникают трещины. Для продольного напряжения (S33) растягивающие остаточные напряжения в стенке уравновешиваются сжимающими напряжениями на беговой поверхности и у подошвы рельса.Поперечное напряжение (S11) имеет более низкие значения, за исключением, возможно, области верхней стенки нижней головки рельса. S11 также изменяется на положительное значение на беговой поверхности, если используется ALFONS. Возможно, это связано с большими поперечными пластическими деформациями, возникающими при ковке.

Рис. 14

Расчетное изменение остаточного напряжения в средней плоскости рельса в центре сварного шва (слева) и на расстоянии 50 мм от центральной линии шва (справа). S 11 — поперечное, S 22 — вертикальное и S 33 — продольное напряжение

Рассчитанное поле остаточных напряжений можно сравнить с экспериментально определенными полями остаточных напряжений для термитных сварных швов из Webster et al.[7] (с использованием нейтронографии) и частично Jezzini-Aouad et al. [8] (дифракция рентгеновских лучей) и Маттона и Солейлемана [9] (с использованием тензодатчиков). Наблюдается хорошее согласие с этими ссылками, подтверждающее наличие высоких вертикальных напряжений в стенке и нижней головке рельса и сжимающих продольных напряжений в головке рельса. Как обсуждалось выше, FBW включает шаги, аналогичные шагам в ATW, поэтому поле остаточных напряжений будет аналогичным, что видно в численных и экспериментальных исследованиях [10,11,12,13].

Риск образования горячих трещин

При использовании модуля ALFONS к охлаждающему металлу шва и рельсам сразу после заливки (1–3 мин), т.е. когда материал еще очень теплый, прилагается давление ковки. Заданное смещение соответствует средней деформации около 1,3%. Это приведет к вдавливанию материала в металл сварного шва, что приведет к большим пластическим деформациям в этой области. Существует опасение, что риск образования горячих трещин, то есть трещин, образовавшихся во время окончательного затвердевания, увеличивается.При таких высоких температурах, когда материал только что затвердел, сведения о поведении материала ограничены. Также скорость охлаждения высокая. Существует несколько предлагаемых способов механической количественной оценки этого эффекта сварки, вызванного металлургией материала. Одной мерой этого риска горячего растрескивания является изменение механической деформации, то есть сумма упругой и пластической деформации, между двумя температурами, например, от 1450 ° C до 1350 ° C, см. [25, 26]. На рисунке 15 показано расчетное изменение максимальной основной механической деформации во время охлаждения между двумя температурами, 1450 ° C и 1350 ° C для случая дополнительной ковки, начинающейся через 120 с (2 мин) после заливки и продолжающейся еще 180 с (3 мин. ) с заданным смещением в 6 мм влево и в соответствующей ситуации при обычном ATW (справа).

Рис. 15

Расчетное изменение максимальной основной механической деформации между температурами 1450 ° C и 1350 ° C после ATW с дополнительной ковкой (слева) и после обычного ATW (справа)

Видно, что эта мера дает значения растяжения в верхняя часть стенки и нижняя часть головки рельса с нанесенной дополнительной поковкой. Следовательно, верхняя часть поперечного сечения рельса, головка рельса и верхняя часть стенки кажутся чувствительными к горячим трещинам. Горячие трещины были обнаружены в нескольких испытанных сварных швах на ГТГ в этом месте для выбранной комбинации смещения ковки и времени ковки.Было также обнаружено, что ковка раньше или позже, чем предполагаемые 120 с (2 мин) после заливки, приводила соответственно к несколько более низким или более высоким пластическим деформациям. Можно отметить (см. Рис. 10), что во время приложения давления ковки в области стенки возникает небольшое вертикальное напряжение растяжения. Однако напряжения не используются в качестве меры для образования трещин, они также являются более неопределенной мерой из-за ограниченных знаний о поведении материала при температурах выше 1000 ° C. Можно также сказать, что горячие трещины не появлялись при выполнении обычного ATW, как ожидалось.

Микроструктура и твердость в сварном шве и HAZ

Микроструктуру рельса после охлаждения можно оценить по расчетным скоростям охлаждения, показанным на Рис. 8, и диаграмме CCT, показанной на Рис. 16. Диаграмма CCT была построена JMatPro на основе от химического состава стали марки R260 в таблице 1. Было обнаружено, что микроструктура в рассматриваемых точках будет полностью перлитной. Сварной шов рельса и ЗТВ некоторых сварных швов также были исследованы металлографическим методом для подтверждения предсказанной микроструктуры.На рисунке 17 представлены изображения микроструктуры сварного шва с оптической микроскопии от центральной линии сварного шва до основного материала (R260) слева направо. Он также сравнивает микроструктурный градиент, вызванный обычным процессом, с градиентом, создаваемым дополнительной ковкой. Металлографическое исследование проводилось в двух положениях, в головке рельса и в подошве, в соответствии с европейским стандартом EN 14730-01. Вкратце, процедура микроскопического исследования требует осмотра области на 3–15 мм ниже рабочей поверхности и на том же расстоянии от кончика подошвы рельса.После зеркальной полировки образцы протравливались 4% -ным раствором Nital. На всех изображениях преобладающей микроструктурой является перлитная структура, что подтверждает термический КЭ анализ. Даже при дополнительной ковке, см. Рис. 17а и b, сканирование подобластей сварного шва не показывает присутствия нежелательных фаз, таких как мартенсит или бейнит. Аналогичные микроструктуры получены в ФЗ. Он содержит перлитную фазу коричневого цвета с доэвтектоидным ферритом (белый цвет), образованным вокруг включений (черный цвет) и по границам зерен.В некоторых частях ЗТВ внутри крупных зерен также возможно образование доэвтектоидного феррита.

Рис. 16

Кривые охлаждения для различных точек в поперечном сечении рельса и диаграмма CCT для стали R260 (построенная JMatPro)

Рис. 17

Микроструктурный градиент, вызванный обычным ATW с дополнительной ковкой. a Головка рельса. b Рельсовая подошва, обычная ATW. c Головка рельса. d Рельсовая подошва.

Помимо перлитной структуры на рис.17 также иллюстрирует микроструктурный градиент, создаваемый теплом во время сварки. В районе, ближайшем к СЗ, наблюдается быстрое и сильное повышение температуры. Это приводит к росту зерна и образованию после охлаждения подобласти зоны термического влияния крупных зерен. Вдали от ЗТВ процесс перекристаллизации способствует заметному уменьшению размеров зерен, образуя подобласть второй зоны ЗТВ. Присутствие металлургических подобластей в ЗТВ влияет на распределение твердости.

Измерение твердости сварного шва

На рисунке 18 показано среднее распределение твердости в головке рельса, стенке и подошве сварных швов, изготовленных традиционным ATW и с дополнительной ковкой (модуль ALFONS), соответственно.Средние значения рассчитываются по трем сварным швам каждого процесса. Для обычных сварных швов, показанных для справки на рис. 18а, среднее значение показывает, что высокая твердость в стенке и подошве рельса расположена на одинаковом расстоянии от центра сварного шва. Для сравнения, зона высокой твердости головки рельса немного смещена, что приводит к большей ЗТВ.

Рис. 18

Распределение продольной твердости в головке, стенке и подошве рельсов в зависимости от процесса сварки. a Обычные сварные швы ATW. b Технологические швы ALFONS (с дополнительной поковкой)

Что касается дополнительной поковки (модуль ALFONS), профили твердости имеют асимметричное распределение. Кажется, что твердость увеличивается с левой стороны на правую на рис. 18b. Кроме того, подошва рельса имеет самую низкую твердость по сравнению с перемычкой и головкой. Это противоречит эталонному результату сварки, см. Рис. 18a. Можно отметить, что несимметричные профили наблюдаются и в отдельных швах, выполненных с дополнительной ковкой.Причина этого асимметричного профиля неясна. Могут быть различия в процедуре применения предписанных смещений в головке рельса, то есть в расположении цилиндров, создающих предписанное смещение, и в устойчивости всей машины во время ковки, что может привести к асимметричному изменению твердости.

Ширина зоны термического влияния

Ширина ЗТВ является важной мерой в проекте WRIST [19], поскольку уменьшение ширины ЗТВ и ЗТВ является основной целью проекта.Основываясь на измерениях твердости выше, ширину ЗТВ можно оценить в соответствии с европейским стандартом 14370-01. На рисунке 19 показана взаимосвязь между градиентом микроструктуры и изменением твердости на одной стороне термитного сварного шва от FZ до основного материала. Обычно наплавленный металл и исходные материалы имеют почти одинаковую твердость. Изменение твердости происходит в ЗТВ. Согласно европейскому стандарту длина зоны низкой твердости не должна превышать 20 мм, известной как зона размягчения при нагревании.Сварной шов рельса, рис. 19, имеет смягченную ширину около 16 мм. Общая длина HAZ является суммой ширины низкой твердости (LH) и высокой твердости (HH), что дает общую длину около 33 мм для обоих случаев, обычного ATW или при использовании ALFONS.

Рис. 19

Взаимосвязь между металлургическим градиентом и изменением твердости в термитном шве

Ширина зоны FZ + HAZ также была оценена на основе моделирования методом КЭ. Затем была определена ЗТВ для узлов, температура которых превысила эвтектоидную точку 723 ° C в любой момент во время процесса сварки, вместо использования определения, основанного на твердости.На рисунке 20 показаны места, где была рассчитана ширина.

Рис.20

Измерения ширины FZ и HAZ, использованные при моделировании FE и в таблицах 2 и 3

Таблица 2 дает приблизительную ширину FZ и HAZ для обычных ATW и ATW с ALFONS (с общим предписанным смещение 12 мм). Как упоминалось выше, во время ковки в металл сварного шва (FZ) будут возникать большие пластические деформации. Во время дальнейшего охлаждения в металл сварного шва и рельс вблизи сварного шва будут возникать дополнительные пластические деформации.После охлаждения будут возникать большие остаточные пластические деформации в центре сварного шва (растяжение в поперечном и сжатие в продольном направлении) и на границе раздела для сварки металлических колонн в кристаллизаторе (позже срезанных). Результирующее уменьшение ширины FZ будет примерно на 6%, 1 мм, (небольшое), когда будет введен ALFONS. Также видно, что ЗТВ незначительно уменьшается. Поскольку ширина ЗТВ в рельсе в основном определяется подводимым теплом, как и при использовании ALFONS, эта разница для ЗТВ обусловлена пластической деформацией материала рельса во время ковки.В Таблицу 2 также включена оценка соответствующей ширины ЗТВ на основе измеренных профилей твердости. Основа для сравнения несколько отличается, поскольку сварной зазор, использованный при моделировании КЭ, составлял 25 мм, см. Рис. 2, тогда как сварной зазор, использованный для сварных швов (полученных на более позднем этапе), исследованных на рис. 18 и 19 было 50 мм. Из измеренных профилей твердости также видно, что использование дополнительной поковки может дать несколько меньшую ширину ЗТВ. Похоже, так оно и было, если были изменены условия дополнительной ковки, т.е.е. время начала ковки, продолжительность дополнительной ковки и величина заданного смещения. Различие между экспериментами и моделированием КЭ можно также объяснить неконтролируемым изменением расстояния поковки во время сварки. Компания GTG сообщила об отклонении от 6 до 9 мм в случае условий сварки в полевых условиях. Этот факт также является причиной отклонений по сравнению с продольным профилем твердости вдоль сварного шва.

Таблица 2 Сравнение ширины FZ и HAZ с использованием обычного ATW или ATW с дополнительной поковкой

Смоделированную FE ширину HAZ также можно сравнить с экспериментальными результатами из литературы, Chen et al.[2], где обычный ATW проводился с использованием разного времени предварительного нагрева. В таблице 3 показано это сравнение, описанное здесь как FZ и HAZ. Обратите внимание, что здесь использовалось то же определение HAZ, то есть точки, которые испытали температуру, превышающую 723 ° C, определены как находящиеся в HAZ. Моделирование FE достигает значений ширины, которые находятся в верхнем пределе экспериментального диапазона, особенно в центре полотна и области перехода от полотна к опоре. При рассмотрении смещения поковки на 12 мм уменьшение ширины зоны FZ + HAZ в этом случае составляет примерно половину, т.е.е., 6 мм. Заметим, что ширина ЗТВ определяется подводимой теплотой и не связана напрямую с дополнительной поковкой; однако материал, который станет ЗТВ, возможно, был пластически деформирован во время ковки. Согласие с Chen et al. [2] достаточно хорош, учитывая некоторые различия в процедуре термитной сварки, использованной в Chen et al. [2] и в проекте WRIST [19].

Таблица 3 Сравнение ширины FZ + HAZ с экспериментами, проведенными Chen et al. [2]

Термитная сварка — Thormählen GmbH

Свяжитесь с нами

Телефон: +49 4531 17 62-0
Факс: +49 4531 17 62-44

Термитная сварка

Термитная сварка является стандартным процессом сварки соединений в течение прибл.100 лет. Экзотермический процесс окисления алюминия оксидом железа дает железо в жидкой форме. Весь процесс происходит в тигле. После зажигания сварочного участка подготовленный зазор выливается и таким образом сваривается.

Мы предлагаем следующие процессы термитной сварки:

• SKV (быстрая сварка с коротким предварительным нагревом)
• SKV-Elite (быстрая сварка с коротким предварительным нагревом)
• SoW-5 (быстрая сварка без валика)
• SoWoS (быстрая сварка без валика без приработки стенки)
• SmW -F (быстрая сварка с помощью плоского валика)
• HPW (высокопроизводительная сварка)
• LSV (метод сварки отверстий в пластине)
• SRZ (быстрая сварка канавок, промежуточное литье)
• SRE (быстрая сварка на вставке из канавок)
• СКС (быстрая сварка подкрановых рельсов)

Wir nutzen Cookies на веб-сайте.Einige von ihnen sind essenziell, während andere uns helfen, diese Website und Ihre Erfahrung zu verbessern.

Alle akzeptieren

Speichern

Individualuelle Datenschutzeinstellungen

Cookie-Подробности Datenschutzerklärung Impressum

Datenschutzeinstellungen

Hier finden Sie eine Übersicht über alle verwendeten Cookies.Sie können Ihre Einwilligung zu ganzen Kategorien geben oder sich weitere Informationen anzeigen lassen und so nur bestimmte Cookies auswählen.

Имя	Borlabs Cookie
Провайдер	Eigentümer dieser Веб-сайт
Назначение	Speichert die Einstellungen der Besucher, die in der Cookie Box von Borlabs Cookie ausgewählt wurden.
Имя файла cookie	borlabs-cookie
Срок действия файлов cookie	1 Jahr

Термитная сварка: принцип, работа, оборудование, применение, преимущества и недостатки

Сегодня мы узнаем о термитной сварке, принципе, работе, оборудовании, применении, преимуществах и недостатках.Термитная сварка — это процесс сварки в жидком состоянии, при котором соединение металла с металлом создается путем плавления основного материала или нанесения присадочного материала в жидкой форме. Эта сварка далее классифицируется как процесс химической сварки, поскольку тепло, необходимое для плавления основного материала или присадочного материала, достигается за счет экзотермической химической реакции. Слово «термит» используется для обозначения смеси металлического алюминия и оксида железа в соотношении 1: 3. Этот процесс был открыт Гольдшмидтом в 1898 году. Эта сварка в основном используется для сварки железных дорог и электрических соединителей.

Термитная сварка:

Принцип:

Как мы уже говорили, термитная сварка — это процесс химической сварки в жидком состоянии, при котором образование соединений происходит в расплавленном состоянии. Фактически, это комбинация сварки и процесса литья , в котором расплавленный чугун разливается по сварочным пластинам и дает возможность затвердеть, чтобы получить прочное соединение. Расплавленное состояние железа создается без применения внешнего тепла или обычной печи, поэтому это считается процессом сварки.В сварке типа используется смесь алюминия и оксида железа в соотношении 1: 3 по массе. Эта смесь химически реагирует следующим образом.

8 Al + 3 Fe 3 O 4 -> 9 Fe + 4 Al 2 O 3 + Heat

Реакция дает оксид алюминия и железо, а также выделяет огромное количество тепла, которое переводит эту смесь в расплавленное состояние.Поскольку расплавленное железо имеет более высокую плотность по сравнению с оксидом алюминия, оно остается на дне тигля. В нижней части тигля есть отверстие, откуда расплавленное железо выливается на требуемые пластины, где мы хотим создать соединение. Это основной принцип термитной сварки.

Оборудование:

Столовая Тигель:

Термитная смесь оксида железа и алюминия вступает в реакцию в огнеупорном тигле. Этот тигель изготовлен из графита или других подходящих материалов для печей, которые могут выдерживать температуру около 3000 градусов по Цельсию.Внизу тигля имеется затвор для выхода расплавленного металла. Шлак, образованный оксидом алюминия, плавает над расплавленным металлом из-за разницы в плотности, которая оттуда удаляется.

Смесь термитов:

Смесь алюминия и оксида железа в правильном соотношении, известная как смесь термитов. Отношение алюминия к оксиду железа составляет примерно 1: 3 по массе. При термитной сварке меди используется смесь оксида меди с алюминием.

Форма:

Форма для термитной сварки создается из графита или песка.Графитовые формы — это постоянные формы, которые используются для выполнения различных подобных соединений. Песочные формы используются там, где конструкция стыка каждый раз меняется. Для изготовления песчаной формы используется восковая выкройка. Эту форму делают вокруг той детали, которую нужно сварить. Он получает расплавленный металл. Форма содержит бегунок, стояк, литниковую систему, отверстие для нагрева и т. Д., Как и при литье.

Восковый узор:

Восковый узор используется для создания песчаной формы вокруг сварочных деталей. Песок утрамбовывается вокруг воскового рисунка, чтобы получилась песочная форма.После правильной набивки форма нагревается, что позволяет удалить восковой узор путем его плавления.

Формовочная опока:

Песочная форма образует формовочную опоку. Восковой узор, который создается вокруг полости сварного шва, помещается в середину колбы. Формовочный песок утрамбовывался в колбу, чтобы получилась песчаная форма.

Зажим для ручки формы:

Зажим, который используется для фиксации опоки формы вокруг сварочных пластин.

Воспламеняющийся порошок:

Для воспламенения термитной смеси необходим предварительный нагрев этой смеси, который осуществляется путем воспламенения пороха.Это легковоспламеняющийся порошок, который может достигать максимальной температуры 1300 градусов по Цельсию, что необходимо для начала термитной реакции.

Рабочий:

Теперь мы знаем основной принцип и существенные части термитной сварки. Термитная сварка похожа на процесс литья, в котором расплавленное состояние металла создается химической реакцией. Его работу можно резюмировать следующим образом.

Сначала очищаются обе детали, которые необходимо сварить.
Теперь вокруг полости сварного шва создается восковой узор.
Формовочная опока фиксируется вокруг стыка с помощью зажима ручки формы. Этот восковой узор находится в центре колбы.
Теперь формовочный песок утрамбовывает восковой узор, создавая форму, в которую будет заливаться расплавленный металл. Эта форма включает в себя все необходимые детали, такие как направляющая, стояк, разливочный резервуар, литниковая система, отверстие для воскового рисунка и т. Д., Как и при литье.
Теперь эту форму нагревают, чтобы удалить восковой узор.Воск
расплавляется и стекает из выпускного отверстия восковой модели, подготовленного на дне песчаной формы.
Теперь термитная смесь загружена в огнеупорный тигель. Поверх смеси помещают воспламеняющийся порох. Эта смесь воспламеняется магниевой лентой.
Это запустит термитную реакцию, которая выделяет огромное количество тепла. Эта реакция формирует расплавленное состояние железа, которое перетекает из тигля в песчаную форму.
Этот расплавленный металл заполняет полость сварного шва и расплавляет основной металл, образуя неразъемное соединение.Это позволит остыть. После должного охлаждения колбу снимают с стыка.
После снятия опоки выполняется механическая обработка для удаления заусенцев при сварке или другого лишнего металла.

Эту работу легко понять, посмотрев видео.

Применение:

В основном используется для сварки железных дорог на стройплощадке.
Он использовался для сварки толстого листа перед введением электрошлаковой сварки .
Применяются для ремонта тяжелых отливок.
Применяется для сварки кабельных соединителей из меди.
Используется для соединения конструкций на больших судах и т. Д.
Используется для соединения труб, толстых листов и т. Д. Там, где нет источника питания.

Преимущества и недостатки:

Преимущества:

Это простой и легкий процесс.
Низкая стоимость установки.
Скорость соединения металла высокая.
Термитная сварка может выполняться на стройплощадке, где отливка невозможна.
Может использоваться при отсутствии источника питания.

Недостатки:

Используется для ограниченного количества металлов, таких как железо и медь.
Сварка легких деталей неэкономична.
Сильно зависит от условий окружающей среды, таких как наличие влаги, выравнивание заготовки и т. Д.

Это все о принципе термитной сварки, работе, оборудовании, применении, преимуществах и недостатках. Если вам понравилась эта статья, не забудьте поделиться ею в социальных сетях.Подпишитесь на наш сайт, чтобы получать больше интересных статей. Спасибо, что прочитали.

Источник изображения: https://www.slideshare.net/nageshkhandre/thermit-welding-nmk

(PDF) Термитная сварка алюминиевого проводника с добавлением меди

Труды Иранской международной конференции по алюминию (IIAC2012)

15 мая -16, 2012, Арак, ИК Иран

Термитная сварка алюминиевого проводника с добавлением меди

Бехруз Абнар, Пурья Сабер-Гафури, Хоссейн Агаджани *

Тебризский университет, факультет материаловедения.

Реферат: Сварка алюминиевых проводов является важной задачей в сфере транспорта электроэнергии. Термитная сварка

— хороший метод сварки таких деталей. В некоторых условиях электрическая дуговая сварка или сварка трением с перемешиванием не могут быть использованы для сварки этих проводников из-за условий окружающей среды, отсутствия сварочных инструментов и т. Д. В этих случаях термитная сварка

может использоваться в качестве подходящего метода. В этой работе два алюминиевых проводника (с 9.Диаметром 3 мм и длиной

12,5 см) были сварены термитной сваркой. Эти проводники были изготовлены из технически чистого алюминия

(Al> 99%) для повышения прочности сварного шва, к термитному порошку

были добавлены различные содержания меди (0,73–2,4 мас.%), А также механические свойства, электрическое сопротивление и микроструктурные изменения. были изучены с использованием испытаний на твердость

, измерений сопротивления и оптической металлографии, соответственно.Результаты показывают, что увеличение процентного содержания меди

вызывает снижение электропроводности и увеличивает прочность и твердость сварного соединения

. Кроме того, размер зерна уменьшается из-за присутствия меди в сварном шве.

Ключевые слова: термитная сварка, алюминий, медь, механическая прочность, электропроводность

Введение

Термитная сварка (TW) или экзотермическая сварка относится к

группе сварочных процессов, которые не требуют источника электричества

и являются осуществляется экзотермической химической реакцией

.Соединение осуществляется за счет тепла реакции

между восстанавливающим металлом, таким как Al, и оксидом металла.

В результате получается оксид алюминия и расплавленный металл

. За счет использования присадочного металла можно получить расплавленный сплав

. Если в порошке термит

используется присадочный металл, полученный расплавленный металл может содержать примерно

присадочного металла. Этот процесс используется только в особых ситуациях

, потому что другие процессы более эффективны.Однако в некоторых случаях термитная сварка

является лучшим методом для конкретных нужд. Термитная сварка

используется для стыковой сварки железнодорожных рельсов, соединения деталей из чугуна или стали очень большой толщины

и соединения очень толстых

прутков. Этот метод

является одним из наиболее часто используемых при сварке рельсов. Реакции этого процесса

следующие [1,5-7,8]:

Fe2O3 (s) + 2Al (s) → 2Fe (l) + Al2O3 (s) + 181.5 ккал (1)

3Fe3O4 (s) + 8Al (s) → 9Fe (l) + 4Al2O3 (s) + 719,3 ккал (2)

Этот тип сварки особенно полезен для соединения

разнородных металлов, например Медь и сталь для создания электрических соединений

. Еще одно важное применение этого метода — сварка

алюминиевых и медных проводников. Субан и др.

выполнил этот метод соединения стальной поверхности и медного проводника

с помощью следующей химической реакции [2]:

3CuO (s) + 2Al (s) → 3Cu (l) + Al2O3 (s) + Heat (3)

Rejdak использовал этот метод для сварки алюминия и

других металлов с использованием следующих основных реакций

[3]:

* Автор для переписки: Тел: +98

40289

Адрес электронной почты: h_aghajani @ tabrizu .ac.ir (Хоссейн Агаджани)

3SnO2 (s) + 4Al (s) → 2Al2O3 (s) + 3Sn (l) + тепло (4)

3SnO (s) + 2Al (s) → Al2O3 (s) + 3Sn (l) + heat (5)

Процесс термитной сварки алюминиевых проводов

применяется в электроэнергетике.

имеет большое значение в последние десятилетия из-за проблем с дуговой сваркой

. Соединение проводов передачи электроэнергии

(Cu или Al) является одним из применений термитной сварки, разработанных

.Термитная сварка является уникальным методом из-за условий окружающей среды

, скорости, точности и полученных свойств

. В некоторых условиях термитная сварка

является единственным применимым методом, потому что это невозможно

с другими методами [4,6-8]. В этой работе два алюминиевых проводника

(диаметром 9,3 и длиной 12,5 см) были сварены термитной сваркой. Требуемое тепло

было получено в результате следующей химической реакции:

3CaSO4 (s) + 8Al (s) → 3CaS (s) + 4Al2O3 (s) + Heat (6)

Методика эксперимента

В этой работе термит порошковая смесь содержала сульфат кальция

, порошок алюминия (средний размер частиц 44 мкм), алюминий

в массе, а также медь и криолит.Сульфат кальция

и алюминий используются в качестве экзотермических материалов реакции

(уравнение 6), а алюминий и медь в массе используются в качестве присадочных металлов

, а также криолит используется в качестве флюса.

Термитная сварка: применение, технология, особенности

Сфера применения термитной сварки

Процесс термитной сварки

Оборудование для термитной сварки

Особенности термитной сварки

Читайте также:

Термитная сварка что это такое, как производится

Область применения

Технология термитной сварки

Виды

Составы

Оборудование для термитной сварки

Термитная сварка проводов

Алюминотермитная сварка рельсов

Особенности применение термитной сварки

Термитная сварка

История развития производства термита и термитной сварки рельсов

Применение термитной сварки в трамвайных хозяйствах

Условия, необходимые для проведения термитной реакции

Применение термита

Zandz, экзотермическая сварка

Экзотермическая/термитная сварка

Экзотермическая сварка проводников

Термитная сварка | Область применения термита, технология сварки термитом

Область применения термитной сварки

Технология сварки термитом

Как изготавливается термитная смесь

Как горит термит

сферы применения, способы и их характеристика, оборудование, техника безопасности

Основные ГОСТы

Сферы применения термитной сварки

Способы термитной сварки и их характеристики

Оборудование для термитной сварки

Техника безопасности при термитной сварке

Преимущества и недостатки термитной сварки

Рекомендации по технике безопасности при термитной сварке рельсовых стыков

Thermit Welding — обзор

8.7.2 Углеродистая сталь для строительных работ

Сварка термитом |

Сварка термитом: операция и этапы [со схемой установки]

Остаточные напряжения в рельсах, сваренных термитной сваркой: значение дополнительной поковки

Термические свойства

Скрытая теплота и фазовые превращения

Механические свойства

Поведение эластичного материала

Поведение пластического материала

Объемные изменения во время фазовых превращений

Процедура моделирования методом конечных элементов

Этап предварительного нагрева и выпуска газа

Этап заливки

Этап резки и охлаждения

Термический анализ процесса ATW: результаты

Механический анализ процесса ATW: результаты

Риск образования горячих трещин

Микроструктура и твердость в сварном шве и HAZ

Измерение твердости сварного шва

Ширина зоны термического влияния

Термитная сварка — Thormählen GmbH

Свяжитесь с нами

Термитная сварка

Термитная сварка: принцип, работа, оборудование, применение, преимущества и недостатки

Термитная сварка:

Принцип:

Оборудование:

Столовая Тигель:

Смесь термитов:

Форма:

Восковый узор:

Формовочная опока:

Зажим для ручки формы:

Воспламеняющийся порошок:

Рабочий:

Применение:

Преимущества и недостатки:

Преимущества:

Недостатки:

(PDF) Термитная сварка алюминиевого проводника с добавлением меди

Похожие записи

Почему грудничок постоянно кричит: причины и способы успокоить ребенка

Запись на прием к врачу в Минске: как выбрать специалиста и записаться онлайн