Способ термитной сварки в горизонтальной плоскости

 

Использование термитная сварка в бытовых условиях, при ремонтно-восстановительных работах военной техники в условиях отсутствия электроэнергии, при ведении аварийно-спасательных работ. Способ состоит в воздействии продуктов сгорания сварочного стержня, изготовленного из термитной смеси, на свариваемый материал. По обе стороны от свариваемых кромок размещают тугоплавкие неметаллические стенки, вводят сварочный стержень вертикально контакту с продуктами сгорания и прикладывают усилие в горизонтальной плоскости, обеспечивая движение продуктов сгорания в направлении сварки перед стержнем. Скорость перемещения сварочного стержня должна быть от 0.2 до 1,2 скорости горения термита а расстояние между тугоплавкими неметаллическими стенками от 1 до 1,3 диаметра термитного сварочного стержня 1 ил , 1 табл сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s B 23 К 23/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4892619/08 (22) 19.12;90 (46) 07.12,92. Бюл. N 45

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (71) Научно-исследовательский институт прикладной химии (72) В.ВЖуков, Н.А.Силин, В.Н.Емельянов, В.А.Хутыэ, Д,Р.Васендин, Н.М,Вареных и

В.Д,Серов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1460859, кл. В 23 К 23/00. 1987.

Авторское свидетельство СССР № 53891, кл. B 23 К 23/00. 1937.

Авторское свидетельство СССР

N- 87136, кл. В 23 K 23/00, 1949.

Патент Швейцарии ¹ 383126, кл. 49 h 35/01, 1960. (54) СПОСОБ ТЕРМИТНОЙ СВАРКИ B ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

Изобретение относится к сварке металлов плавлением, а именно к термитной сварке, и может быть использовано для бытовых целей, при ремонте техники в полевых условиях, при ведении аварийно-спасательных работ.

B различных бытовых и аварийных ситуациях при отсутствии источников электричества необходимы надежные и портативные средства быстрого и эффективного ремонта машин и оборудования. Наибольшие трудности возникают, когда требуется сварка или наплавка металла, Используемые в настоящее время способы сварки требуют мощных источников электрической энергии, не являются компактными, ведение сварки, наплавки требует специальной квалификации персонала.

„, . Ж,, 1779513 А1 (57) Использование: термитная сварка в бытовых условиях, при ремонтно-восстановительных работах военной техники в условиях отсутствия электроэнергии, при ведении аварийно-спасательных работ.

Способ состоит в воздействии продуктов сгорания сварочного стер>кня, изготовлен- ного из термитной смеси, на свариваемый материал. По обе стороны от свариваемых кромок размещают тугоплавкие неметаллические стенки, вводят сварочный стержень вертикально контакту с продуктами сгорания и прикладывают усилие в горизонтальной плоскости, обеспечивая движение продуктов сгорания в напр-влении сварки перед стержнем. Скорость перемещения сварочного стержня должна быть от 0,2 до

1,2 скорости горения термита, а расстояние между тугоплавкими неметалли;ескими стенками от 1 до 1,3 диаметр". термитного сварочного стержня. 1 ил., 1 табл.

Известен способ термитной сварки, заключающийся в использовании стержней, изготовленных из термитной смеси, сформованной вокруг проволоки наплавляемого металла, при воспламенении которых происходит алюмотермическая реакция восстановления железа. идущая с выделением значительного количества тепла. Восстановленное железо и металл центрального стержня служат для образования сварного соединения.

Недостатком известного способа является низкое качество получаемого соединения.

Указанный недостаток обусловлен тем, что при контакте свободно растекающихся продуктов сгорания термитного сварочного стержня (ТСС) с холодной поверхностью свариваемого материала происходиг и.< бы1779513

55 сварки. страя кристаллизация, препятствующая образованию качественного соединения. Кроме того, значительное количество тепла и восстановленного железа непроизводительно теряются за счет разбрызгивания при горении ТСС, Известен способ сварки при горении термитной смеси, заключенной в металлическую оболочку, Термитный состав, заключенный в металлическую оболочку, содержит присадочный материал в виде проволоки, вводимой в зону пламени термита, служащий для и рида н ия сва рно му соединению требуемой плотности и твердости.

Недостатком известного способа является низкое качество получаемого соединения.

Указанный недостаток обусловлен тем, что продукты сгорания термита свободно растекаются по свариваемым поверхностям, происходит их быстрая кристаллизация, препятствующая образованию качественного шва, значительная часть тепла непроизводительно тратится на нагрев пластин.

Известен также способ термитной сварки с использованием закрытого сосуда для сжигания термитной смеси, полученным при этом расплавом заполняют зазор свариваемых деталей, а для повышения качества сварного соединения применяют термитную смесь с избытком окисла металла и с присадкой углерода, струю металла выбрасывают из реакционного сосуда на изделие давлением образующихся в нем газов, Недостатком указанного способа является низкое качество получаемого соединения.

Указанный недостаток обусловлен тем, что, во-первых, значительная часть тепла, выделяемого при горении термита, теряется на нагрев реакционного сосуда, во-вторых, выбрасывание струи металла газами приводит к интенсивному перемешиванию получаемого металла с окисью алюминия и другими продуктами горения термита, включение которых снижает качество получаемого соединения.

Наиболее близким к заявляемому является способ термитной сварки и сварочное устройство.

Известный способ заключается в том, что для сварки используются ТСС, состоящие из смеси порошков алюминия и >келезной окалины в качестве добавок в зависимости от требований, предьявляемых к сварному соединению, содержащие феррохром, ферромарганец, и т.п.. которые при температуре 650 — 700 С спекаются в

50 стержни, причем алюминий плавится, остальные компоненты остаются беэ изменений, Сварочное устройство состоит из набора стержней, соединяемых на резьбе для достижения требуемой длины, имеющих с одной стороны ручку из огнеупорного материала, с другой — легковоспламеняющуюся головку. Сварка осуществляется продуктами горения стержня, натекающими на соединенные детали.

Недостатком известного способа является низкое качество образующегося соединения, Укаэанный недостаток обусловлен тем, что при контакте свободно растекающихся продуктов сгорания ТСС с холодной поверхностью свариваемого материала происходит их быстрая кристаллизация, препятствующая образованию качественного соединения. Кроме того, значительное количество тепла и расплава железа производительно теряются за счет разбрызгивания при горении ТСС, Целью изобретения является повышение качества сварного соединения за счет увеличения времени нахождения продуктов сгорания в жидком состоянии, концентрации теплового потока в зоне сварки и предварительного подогрева места сварки.

Для достижения указанной цели в cnocobe термитной сварки, состоящем в воздействии продуктов сгорания стержня, изготовленного из термитной смеси, на свариваемый материал, размещают по обе стороны от свариваемых кромок тугоплавкие неметаллические стенки. Вводят сварочный стержень вертикально в сварочную ванну и прикладывают усилие в горизонтальной плоскости в направлении ведения сварки, обеспечивая движение продуктов реакции в направлении сварки перед сварочным стер>кнем, причем скорость перемещения сварочного стержня в пределах от 0,2 до 1,5 скорости горения термитного состава, а расстояние между тугоплавкими немвталлическими стенками от 1 до 1,3 диаметоа ТСС.

Возможность получения качественного сварного соединения с помощью ТСС определяется следующими факторами: тепловым эффектом и температурой горения ТСС; количеством получаемого при горении

ТСС расплава металла: временем нахождения продуктов горения в жидком состоянии; скоростью движения ТСС; предварительным прогревом места

При горении железно-элюMèниевого термита происходиг реакция восстановления железа, при этом развивается температура 2330-2500" С.

Продукты реакции

FeqO l + Al - А!20з + Fe + 0 находятся в жидком состоянии, температура плавления железа =1750 С окиси алюминия =2350 К.

В результате сгорания ТСС получается жидкое железо, подогретое до 3000 С и распределенное s расплаве окиси алюминия, При контакте продуктов сгорания TCC c кромками свариваемого материала происходит частичное подплавление и сварка кромок. Для качества получаемого в процессе термитной сварки соединения решающее значение имеет разделение продуктов реакции. Как известно, скорость разделения, т,е. скорость движения капли жидкого металла через слой расплавленных шлаков, зависит от размеров капли, плотности, вязкости металлической и шлаковой фаз. Время разделения также зависит от поверхностного свойства металла и шлаков. Следовательно, время нахождения продуктов сгорания ТСС в жидком состоянии должно быть максимальным.

В предлагаемом способе время нахождения продуктов сгорания в жидком состоянии, по сравнению с прототипом, увеличено за счет, во-первых, использования неMåòàëëè÷åñêèх теплоизолирующих стенок, которые не дают продуктам реакции растекаться, концентрируют тепловой поток, снижают потери тепла и расплавленного металла, во-вторых, организуется предварительный прогрев свариваемых кромок при движении продук ов сгорания перед сварочным стержнем в направлении сварки.

Большое значение для получения качественного сварного соединения имеет также скорость перемещения сварочного соединения. Ее значение зависит в основном от толщины свэриваемого материала, скорости горения стержня. Экспериментально установлено, что для обеспечения качественного непрерывного сварочного соединения скорость движения ТСС должна лежать в пределах от 0,2 до 1,5 скорости горения термитного состава. При скоростях движения TCC больше 1,5 скорости горения термита количества расплава железа недостаточно для образования сплошного швэ; тепла, подводимого в зону сварки, недостаточно для оплавления свариваемого материала; продукты горения быстро кристаллизуются, время нахождения в жид10

55 ком состоянии оказываегся недос>а очны i для разделения. При скоростях движении

TCC менее 0,8 скорости горения термита наплавляется избыточное количество металла: возможен прожог свэриваемого материала.

Описанный способ сварки предназначен для ведения сварки в горизонтальной плоскости и с наклоном до 15 . При сварке в плоскостях, имеющих большой угол наклона, значительно снижается качество сварrlo

ro соединения, поскольку легкоподвижные жидкие продукты горения, стекая, кристаллизуются в тонком слое, причем на сваривэемой поверхности образуется корка окиси алюминия, препятствующая контакту перегретого железа со свариваемым материа-. лом, Предлагаемый способ сварки поясняется на схеме.

Сварка ведется следующим образом.

Кромки 1 свариваемого материала, при необходимости предварительно об работанные, располагаются горизонтально. Коллинеарно к свари ваемым кромкам располагаются тугоплавкие неметаллические стенки 2. причем их высота должна быть от 0,8 до 1,5 диаметров ТСС, а расстояние между ними должно быть от 1,0 до 1,3 диаметра ТСС.

Сварочный стержень 3 после воспламенения вводят между тугоплавкими неметаллическими пластинами до упора со свариваемой поверхностью, Одновременно к нему прикладывают усилия в горизонтальном направлении в сторону ведения сварки, обеспечивая скорость движения в пределах от 0,2 до 1,5 скорости горения состава.

При этом происходят следующие процессы, Нагретые до высокой температуры продукты реакции горения контактируют со свариваемым материалом, образуется ванна жидких продуктов, ограниченная с двух сторон тугоплавкими стенками и ТСС с третьей, при движении TCC в направлении сварки продукты сгорания вынуждены двигаться перед ТСС, таким образом осуществляется предварительный прогрев сварочной зоны, одновременно под действием силы тяжести происходит разделение жидкого перегретого металла от шлаков. При контакте перегретoro металла со свариваемым материалом кромки последнего подплавляются и за счет совместной кристаллизации образуется сварное соединение. Причем кристаллизация происходит последовательно. т.е. сначала кристаллизуется окись алюминия. имеющая более высо177(15) 13

М пlп

Скорость горения, мм/с

Скорость перемещения стержня, мм/с

Расстояние между тугоплавкими пластинами, мм

Характер ра рушения

-12

По сварке

По границе материала с сваркой

По материал

По сварке

По сварке

По материал

Посва ке х

3

5

12

12

12

12

12

2,5

18

18

18

П ри м е ч а н ие; х — свар У ка и оводилась без т гоплавких неметаллических стенок. кую температуру плавления. и только затем железо.

Образующийся свод окиси алюминия предохраняет свариваемый металл от окисления и, уменьшаясь при кристаллизации в объеме, оказывает давление на жидкий металл, уплотняя его и собственно формируя шов.

Для проведения опытной проверки были изготовлены ТСС диаметром 15 мм. Стержни изготовляли глухим прессованием по общепринятой в пиротехнической отрасли методике, Скорость горения термитного стержня 12 мм/с. Тугоплавкие неметаллические стенки были изготовлены из огнеупорного кирпича размерами 150 х 20 х 20.

Свариваемые пластины размером 150 х

150, толщиной 2 мм из Ст, 3. Для оценки качества сварки сваренные пластинами испытывались на растяжение на машине ЦД

10, Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ полученных результатов показывает, что при использовании тугоплавких неметаллическихстенок(опыт №2 — 7)аБ сварHQlo соединения получается B 2 раза больше, чем без них (опыт № 1). При скорости движения ТСС менее 2,5 мм/с (опыт N 4) наблюдается прожог свариваемого материала, а при скорости движения более 18 мм/с соединение имеет вид отдельных капель.

При расстоянии между тугоплавкими пластинами менее 15 мм горящий торец ТСС не контактирует со свариваемым материалом, ухудшается прогрев зоны сварки, соединение получается в виде отдельных капель (опыт ¹ 5), при расстоянии 18 мм (опыт N 6) получается сплошной шов. в слу <ае к< зазор между пластинами более 20 мм сведи нение имеет вид отдельных капель, хаогич но расположенных в ограниченной

5 стенками зоне.

Таким образом зкспериментальная про верка показала, что для образования сплошного соединения необходимо соблюда> ь следующие условия;

10 скорость движения ТСС должна быть в пределах от 0,2 до 1,5 скорости горения термитного состава; расстояние между тугоплавкими неметаллическими стенками должно лежать в

15 пределах от 1,0 до 1,3 диаметра ТСС.

Формула изобретения

Способ термитной сварки в горизонтальной плоскости, при котором сварку про20 изводят стержнем из термитной смеси, продуктами сгорания которой воздействуют на свариваемый материал B зоне шва, о тличающийся тем,что,сцельюповышения качества сварного соединения за счет

25 увеличения времени пребывания продуктов сгорания в жидком состоянии, концентрации теплового потока в зоне сварки и предварительного подогрева места сварки, стержень вводят в непрерывный контакт с

30 продуктами сгорания, которые перемещают перед стер>кнем в направлении сварки, прикладывая к ним усилие со стороны стержня, со скоростью, равной 0,2-1,5 скорости горения термитного состава, между тугоплавки35 ми неметаллическими стенками, которые располагают по обе стороны от шва на расстоянии друг от друга, составляющем 1,0—

1,3 диаметра сварочного стержня.

1779513

Составитель Л. Ерегин

Техред М.Моргентал Корректор Н. Чил,окова

Реда ор О Савина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4408 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5