Spawanie termiczne: obsługa, konfiguracja i warianty

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Wprowadzeniu do spawania metodą termiczną 2. Zasadzie działania spawania metodą termiczną 3. Sprzęt, konfiguracja i działanie 4. Warianty.

Wprowadzenie do spawania metodą termiczną:

Jest to proces, w którym zapala się mieszaninę sproszkowanego aluminium i tlenku metalu, zwanego Thermit, w celu wytworzenia wymaganej ilości stopionego metalu w reakcji egzotermicznej bez gwałtownej reakcji. Tak wytworzony przegrzany metal wlewa się w pożądane miejsce, które po zestaleniu powoduje powstanie połączenia spawanego. Jest to zatem proces spawania odlewniczego.

Proces ten jest stosowany od 1895 roku w celu łączenia szyn na placu budowy oraz naprawy i naprawy ciężkich odlewów. Proces ten jednak powoli przestaje być wykorzystywany ze względu na wysokie koszty oraz ze względu na rozwój bardziej wydajnych, wysoce zmechanizowanych i mniej kosztownych procesów, takich jak spawanie doczołowe i spawanie elektrodrąglowe.

Zasada działania zgrzewania termicznego:

Reakcja termochemiczna, która zachodzi podczas zapłonu termitów, opiera się na następującym równaniu podstawowym:

Tlenek metalu + Al (proszek) → Metal + tlenek aluminium + ciepło ............. (15.1)

Tę reakcję można rozpocząć tylko wtedy, gdy mieszanina zostanie zapalona specjalnym zapłonem lub prętem zapłonowym. Temperatura zapłonu dla mieszaniny termicznej zawierającej tlenek żelaza wynosi około 1200 ° C.

Chociaż tlenkiem metalu stosowanym w spawaniu Thermit jest zwykle tlenek żelaza, to jednak można również stosować tlenki miedzi, niklu, chromu i manganu, aby uzyskać następujące reakcje i osiągnięto odpowiednie temperatury teoretyczne.

(i) żelazko:

(ii) Z miedzią:

(iii) Z niklem:

(iv) W przypadku Chromium :

(v) Z manganem :

Pierwsza z tych reakcji jest najczęściej stosowana do spawania termicznego. Taka mieszanina zawiera zwykle 3 części wagowe tlenku żelaza i jedną część proszku aluminiowego. Po zapaleniu wytwarza teoretyczną temperaturę 3090 ° C i jest nieodpowiedni, ponieważ aluminium odparowuje w temperaturze około 2500 ° C. Konieczne jest zatem obniżenie tej temperatury do roboczej granicy około 2480 ° C przez dodanie niereagujących składników, takich jak złom stalowy.

Jednakże temperatura stopionego metalu nie może być obniżona poniżej około 2100 ° C, ponieważ AI2O3 zestala się w około 2040 ° C. Elementy stopowe, w postaci żelazostopów, można dodawać do mieszaniny termitów, aby uzyskać pożądany skład stopionego metalu.

Jednak przy obliczaniu ciężaru mieszaniny termitów do spawania rozważa się tylko ciężar tlenku żelaza i sproszkowanego aluminium. Dodatki dokonane w celu dostosowania składu i temperatury nie są uwzględniane przy obliczaniu mieszaniny termitów. Tak więc 50 kg mieszaniny tlenku metalu i sproszkowanego aluminium, do których dodano 15 kg metali i stopów, określa się jako 50 kg termitów.

Reakcja termiczna nie jest wybuchowa i kończy się w czasie krótszym niż dwie minuty, niezależnie od ilości.

Oprócz wysokiej czystości materiału termitowego obecność aluminium silnie sprzyja szybkiemu zarodkowaniu i niewielkiemu rozmiarowi ziarna; jednak maksymalna ilość aluminium w stali jest ograniczona do około 0, 7%

Wyposażenie, konfiguracja i obsługa zgrzewania termicznego:

Głównym zastosowaniem spawania termicznego jest łączenie szyn na miejscu i spawanie napraw ciężkich elementów. Inne zastosowania tego procesu obejmują spawanie prętów zbrojeniowych i łączenie nieelektrycznych przewodników elektrycznych.

Sprzęt i konfiguracje zawarte tutaj pod łukiem specjalnie dla tych aplikacji:

1. Spawanie szyn:

Rys. 15.1 pokazuje standardowe ustawienie łączenia szyny na miejscu, aby zmniejszyć hałas z powodu szybkiej lokomocji pociągów. W kopalniach tory transportowe są często spawane w celu zmniejszenia rozlewu węgla z powodu nierównego toru. Podobnie szyny dźwigu są spawane, aby zminimalizować przeglądy i wibracje budynków z powodu przechodzenia mocno obciążonych kół nad stawami.

Do spawania wszystkich typów szyn dostępne są mieszanki termitów, z których większość jest wykonana ze stali C-Mn, chociaż stosowane są również szyny Cr, Cr-Mo, Cr-V i Si-stal stopowa. W przypadku standardowej reakcji wsad 1000 g termitów wytwarza 476 g żużla, 524 g stali i 181500 kalorii ciepła.

Tlenek żelaza otrzymany w skali młyna dodaje się do sproszkowanego aluminium i innych składników w celu kontrolowania reakcji, jak również końcowego składu stopionego materiału.

Skład metalu osadzonego do łączenia szyn jest zwykle następujący:

Wymaganą ilość termitów, zwykle dostępnych w workach z tkanin, wkłada się do tygla, który jest mocowany do jednej z szyn i może być przemieszczany do pożądanego położenia przez ruch wzdłuż koła.

Złącze, które ma być spawane, jest zamknięte w glinianej formie z dzielonym kształtem, która jest wstępnie wytwarzana do spawania standardowych rozmiarów szyn z zasadową szczeliną 20-35 mm. Forma jest tak wyrównana, że ​​jej środek pokrywa się ze środkiem szczeliny między końcami szyny. Różne części formy są łączone razem z przygotowanym na miejscu kitem glinianym.

Forma tak przygotowana wokół złącza ma otwory wentylacyjne, piony i bramy, zgodnie z normalną praktyką odlewniczą; ponadto zapewniono również bramkę do wstępnego ogrzewania, jak pokazano. Wstępne podgrzewanie szyn odbywa się za pomocą specjalnie zaprojektowanego palnika, który działa w połączeniu z nafty lub benzyną w połączeniu z powietrzem pod ciśnieniem. Szyny są zwykle wstępnie podgrzewane do temperatury od 600 do 1000 ° C, co zwykle sprawdza się na podstawie kolorów szyn lub dokładniej za pomocą sztyftów termicznych.

Po osiągnięciu żądanej temperatury podgrzewania palnik jest wyjmowany, a otwór wstępnego podgrzewania zamykany jest za pomocą zatyczki do piasku; tygiel wyłożony materiałem ogniotrwałym zawierający ładunek termiczny przesuwa się do pozycji powyżej formy.

Ładunek jest następnie zapalany za pomocą podgrzanego pręta żelaznego lub bardziej wygodnie przez osadzenie zapalonego krakingu przeciwpożarowego (Phuljhari) w mieszaninie termicznej. Czasami mieszanki termitów są zapalane przez umieszczenie pół-łyżeczki specjalnego proszku zapłonowego składającego się głównie z nadtlenku baru.

Mieszanina po zapaleniu za pomocą gorącego pręta osiąga temperaturę 1100 - 1300 ° C, która wystarcza do zapalenia mieszaniny termitów. Do termitów nie dodaje się proszku zapłonowego aż do momentu tuż przed zapłonem. Zapalana w ten sposób reakcja egzotermiczna nie jest gwałtowna. Niezależnie od wielkości ładunku reakcja jest zakończona od 30 sekund do 2 minut. Ze względu na znaczną różnicę pomiędzy ciężarem właściwym roztopionego metalu i żużla, oba oddzielają się żużlem unoszącym się na górze, tym samym chroniąc stopiony metal przed reakcjami z gazami atmosferycznymi.

Po zakończeniu reakcji, gwintowanie odbywa się poprzez szybkie podniesienie kołka spustowego do góry za pomocą płaskiego pręta stalowego. Czasami jednak w dnie tygla stosuje się samogwintujące się uszczelnienie. W tej łatwości stopiony metal otrzymany po zapaleniu wsadu topi uszczelkę i wylewa się z dna tygla do formy wtryskowej, aby przepłynąć do szczeliny między szynami do połączenia.

Żużel znajdujący się nad roztopionym metalem w tyglu przepływa ostatecznie i nie dociera do gniazda formy, a zatem pozostaje na wierzchu spoiny, gdzie zestala się. Kiedy metal się zestali, forma zostaje przerwana i odrzucona. Nadmiar metalu w stawie jest usuwany przez ubieranie za pomocą dłut pneumatycznych lub ręcznych, a złącze nadaje pożądany kształt, gdy jest jeszcze gorące. Zgrzew jest wygładzany, jeśli to konieczne, szlifując ręcznie.

2. Naprawy odlewnicze:

Naprawa spawania ciężkich odlewów jest kolejnym ważnym obszarem zastosowania przy spawaniu termicznym. Takie zastosowania nie mają charakteru powtarzalnego, dlatego też nie można normalnie stosować gotowych form. Tak więc forma musi być wykonana dla każdej spoiny, aby była zgodna z kształtem elementów.

Pierwszym istotnym krokiem w przygotowaniu złącza do zgrzewania termicznego jest dokładne czyszczenie go zwykle za pomocą płomienia tlenowo-acetylenowego, a następnie hartowanie w celu oddzielenia obcych materiałów od przedmiotu obrabianego. Powierzchnia do 15 cm po obu stronach wzdłuż spawanego pęknięcia musi być dokładnie oczyszczona. Między częściami do spawania pozostawia się lukę, która jest obliczana na podstawie empirycznej zależności (7 A) ^1/3 mm, gdzie A jest powierzchnią każdego spawanego elementu.

Po częściowym oczyszczeniu i rozłożeniu części, przygotowuje się żółty wosk, aby utworzyć wzór wypełniający szczelinę i nadać dokładny kształt gotowej spoinie. Podgrzewany wosk w stanie plastycznym służy do wykonania tego wzoru. Następnie formuje się model piaskowy wokół wzoru, umieszczając odpowiedni pojemnik formujący, aby zawierał piasek formierski.

Niezbędne drewniane wzory są stosowane w celu zapewnienia wlewów i bram leczniczych i pionów we wszystkich wysokich punktach złącza Gdy dwa kawałki tej samej wielkości łuku są ze sobą spawane, wówczas grzałka "jest umieszczona centralnie na woskowym wzorze. Jednakże, gdy nierówne części należy połączyć bramę grzewczą w kierunku większej sekcji, aby zapewnić, w miarę możliwości, równomierne nagrzewanie dwóch części.

W górnej części formy znajduje się wydrążona sekcja w celu zebrania żużla. Należy ostrożnie docisnąć piasek, aby zapewnić wysoki kontakt pomiędzy piaskiem formierskim a woskiem. Piasek formierski użyty do wytworzenia formy musi mieć wysoką ogniotrość, wysoką przepuszczalność, odpowiednią wytrzymałość na ścinanie i powinien być wolny od składników gliny o niskiej temperaturze topnienia.

Podgrzewanie wstępne odbywa się za pomocą specjalnie zaprojektowanego palnika, który można wygodnie umieścić w żądanej pozycji przez bramkę grzewczą. Celem nagrzewania na początkowym etapie jest stopienie wzoru wosku, dlatego ciepło jest stopniowo stosowane. Gdy wosk wyleci z formy, stopniowo zwiększa się ciepło, aby wstępnie rozgrzać powierzchnie do spawania i całkowicie wysuszyć formę, aby uniknąć porowatości. Wstępne podgrzewanie kontynuuje się, aż części do spawania zostaną podgrzane do temperatury od 815 do 980 ° C.

Po zakończeniu wstępnego podgrzewania palnik jest wyjmowany, a bramka grzewcza blokowana stalowym prętem z dodatkiem piasku formierskiego.

Mieszaninę termiczną umieszczoną w tyglu w kształcie żaroodpornego stożka zapala się zgodnie z opisem w sekcji spawania szynowego. Dziurki ze stali niskowęglowej są czasami dodawane do wsadu w celu zwiększenia ilości wytwarzanego stopionego metalu.

Ilość mieszaniny termitów potrzebnych do połączenia można obliczyć za pomocą następującego stosunku:

Q = M / 0, 5 + 0, 01 S .......... (15.2)

Gdzie:

Q = wymagana ilość termitu, kg,

M = stopiony metal wymagany do wypełnienia szczeliny między połączeniami plus 10% strat, kg,

S = procent przebijaków stalowych do uwzględnienia w ładunku.

Około 25 kg termitów jest wymaganych dla każdego kg wosku we wzorze.

Mieszaninę termitów można zaprojektować w celu wytwarzania określonych złogów metalu spoiny.

Normalna analiza termitów stosowanych do spawania stali miękkiej i stali średniowęglowej to:

C = 0, 20-0, 30%

Mn = 0, 5 -0, 60%

Si = 0, 2 -0, 50%

Al = 0, 07-0, 18%

Fe = Remainder

Thermit może być również przeznaczony do stali trudnościeralnych i do spawania stali węglowych. Właściwości mechaniczne normalnie używanego łuku termicznego są w przybliżeniu takie same jak w przypadku stali miękkiej. W przypadku spawania żeliwa termity można wykonać odpowiednio, dodając do niego żelazo-krzem.

Mieszaninę półproduktów można zapalić jedną z dwóch metod opisanych wcześniej w części dotyczącej spawania szynowego, mianowicie za pomocą proszku startowego, który może być zapalany za pomocą zapałki, zapalniczki gazowej lub pręta z gorącego żelaza lub alternatywnie za pomocą cracker ognia.

Roztopiony metal zostaje spłukany, po tym jak reakcja opadnie, uderzając szpilką spustową ostrym do góry uderzeniem. Stopiony metal wpływa do formy, wypełniając złącze.

Forma jest zwykle odrzucana przez jej rozbijanie, a spoinę nakłada się, usuwając bramy i piony za pomocą palnika do cięcia acetylenowo-tlenowego, a następnie skrawania lub szlifowania. Tam, gdzie to możliwe, cały spaw jest odprężany, aby go usunąć.

Spawanie termiczne stosuje się głównie w naprawie dużych elementów, np. Ram, trzonków, wałków stalowych, wałów i rozpór. Służy również do naprawy form wlewnicowych poprzez cięcie dolnej części formy i całkowite przebudowanie jej za pomocą termitu.

3. Pręty wzmacniające do spawania:

Do spawania prętów zbrojeniowych umieszcza się formę w dwóch połówkach, wstępnie wytworzoną przez formowanie skorupowe lub proces CO ₂, w celu zamknięcia końcówek prętów do spawania, jak pokazano na rys. 15.2. Forma jest następnie skalowana azbestem i piaskiem, aby uniknąć wycieku stopionego metalu.

Otwór spustowy w tyglu pokryty jest poziomą tarczą zamykającą przed napełnieniem jej mieszaniną termitów. Po zakończeniu reakcji stal topi się przez tarczę zamykającą, wypełniając szczelinę między prętami. Pręty wzmacniające mogą być spawane w dowolnym położeniu w tym procesie, a układ do spawania takich prętów w konfiguracji poziomej pokazano na Rys. 15.3.

4. Spawanie Przewody elektryczne :

Spawanie aluminotermiczne służy do łączenia przewodów miedzianych lub linii kabli za pomocą konfiguracji pokazanej na Rys. 15.4. (za). Mieszanina po zapaleniu daje około 98% czystej miedzi w reakcjach podanych równaniami (15, 5) i (15, 6).

Reakcja jest zakończona w ciągu 1 do 5 sekund, a tak wytworzona stopiona miedź jest przegrzewana za pomocą żużla. Skład stopionego metalu można zmienić tak, aby pasował do metali, które mają być łączone, przez odpowiednie dodanie, w postaci proszku lub ślimaków, do mieszaniny termicznej. Kompletny spaw przedstawiono na ryc. 15.4. (b).

Oprócz łączenia przewodów elektrycznych, proces ten może być stosowany do łączenia przewodów miedzianych z szynami stalowymi w celu zapewnienia połączeń uziemiających. Do takiego zastosowania forma grafitowa jest tłumiona do szyny w pożądanym odcinku. Formę można ponownie wykorzystać po zakończeniu pracy, usuwając z niej żużel.

Warianty procesu zgrzewania Thermit :

Poza opisanymi już zastosowaniami spawanie termiczne jest również wykorzystywane do montażu części o dużych rozmiarach, budowy statków, wytwarzania dużych wałów korbowych i wałów napędowych za pomocą ładunku termicznego o wadze do 3000 kg. Jednak pomimo pewnej liczby zalet proces ten powoli przestaje być używany i jest zastępowany głównie przez zgrzewanie doczołowe do łączenia szyn, oraz spawanie elektrodrążem do ciężkich konstrukcji.

Jedynym wariantem normalnego spawania metodą termiczną jest tak zwany spawanie metodą zgrzewania ciśnieniowego.

Spawanie metodą zgrzewania ciśnieniowego:

W procesie tym ciepło wytworzone w reakcji termicznej jest wykorzystywane do ogrzewania końców łączonych elementów za pomocą spawania w fazie stałej; nie wymaga się umieszczania pozostałych produktów reakcji w złączu złącza. W związku z tym planuje się, że procedura procesowa usunie produkty reakcji z obrabianego przedmiotu bez nadmiernej utraty sprawności cieplnej.

W procesie tym dwie równomierne długości materiału mające równe obszary na powierzchni złącza są wyrównane osiowo; ich końce są ogrzewane do pożądanej temperatury przez produkty reakcji termicznej, a następnie są łączone pod kontrolowanym ciśnieniem w celu wykonania spoiny czołowej w fazie stałej. Ryc. 15.5 pokazuje rurę zgrzewaną ciśnieniowo, zamykając złącze stałą formą, umożliwiając przepływ przegrzanej stali i żużlu w kontakcie wokół rury, służąc jako źródło ciepła spawania.

Odpowiednio zaprojektowany mechanizm zaciskowy jest stosowany do wymuszenia końca rur razem, po ogrzaniu, w celu wykonania spoiny. Ten układ ogrzewania jest jednak odpowiedni tylko dla przedmiotów o małych powierzchniach przekroju poprzecznego. Powierzchnie większych stawów mogą być oddalone od siebie o niewielką odległość, a wokół nich znajduje się zdejmowalna forma.

Przestrzeń między twarzami a resztą formy wypełniona jest termitem i inicjowana reakcja. Produkty reakcji pozostawia się na miejscu, dopóki wystarczająca ilość ciepła nie zostanie przeniesiona na łączone powierzchnie. Forma i produkty reakcji zostają następnie usunięte, a dwie powierzchnie są popychane razem, aby uzyskać spoiwo w stanie stałym.

Żadna z tych metod nie jest w stanie wytworzyć jednorodnej jakości spoin i dlatego jest rzadko używana; nawet do materiałów spawalnych, takich jak stal miękka. Również koszty spawania z wykorzystaniem termoelementów są wygórowane, dlatego zwykle unika się tego.