Термитная сварка рельсов. Видео на железной дороге

Термитная сварка рельсов

Термитную сварку можно осуществлять в двух основных вариантах:

плавлением (способом промежуточного литья) и
давлением.

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

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

В настоящее время находят применение следующие виды термитов:

алюминиевый,
магниевый и
медно-алюминиевый.

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

3Fe304 + 8Аl = 4Аl203+9Fe.

Температура реакции достигает 3000° С. Таким образом ее продукты: железо (Тпл ~ 1500° С) и глинозем (Тпл ~ 2050° С) — оказываются значительно перегретыми.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Термитно муфельная сварка

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

Так, на основе реакции

Fe304 + 4Mg = 3Fe +4MgO

осуществляется термитно-муфельная сварка.

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

Термитная сварка рельсов

Процесс сваривания рельсов термитом заключается в следующем:

обрезка рельс с двух сторон, чтобы промежуток между ними был 23 ― 25 мм. Притом они должны быть выставлены горизонтально и вертикально;
в зазор между рельсами вставляется пластина из углеродистой стали, для образования зазора;
стык рельсов зажимается прессом;
на место соединения монтируется огнеупорная форма, а стыки формы с рельсами, засыпаются песком, или замазываются специальной пастой;
поверх форм прикрепляется тигель (конус в виде лейки из огнеупорного материала) в котором первоначально сжигается термит. Расплавленный жидкий металл полученный в тигле, в последствии выливают в форму на стыке рельс;
термит в тигле поджигается термитным карандашом, после чего происходит горение основной смеси 20 ― 30 секунд;
снизу в воронке тигля установлена заглушка, которая расправляется и освобождает проход жидкому металлу в форму. Сталь и шлак заполняя форму, образуют соединительный шов, притом шлак частично вытесняется наружу в специальные чаши, прикрепленные сбоку тигля;
горячая сталь заливаемая в форму, проплавляет торцы рельс. После, убирается тигель, и форма сжимается прессом;
форму снимают, и пока металл ещё горячий, удаляют его избыток;
получившийся шов, тщательно шлифуют до образования однородной плоскости с рельсой.

Последовательность работ

Перед тем как приступать к проведению соединительных работ, требуется узнать теоритически как сваривать рельсы, а затем попробовать метод на практике. Технология представляет собой несколько этапов, которые должны идти строго друг за другом.

Подготовительный этап

В первую очередь требуется провести подготовку соединяемых деталей. Для этого рельсы разжимаются из креплений, нагреваются до определённой температуры, зачищаются от ржавчины. Поверхность должна быть гладкой. Далее рельсы устанавливаются напротив друг друга чтобы зазор не превышал 2,5 см.

Выравнивание

Во время проведения алюмотермитной сварки, требуется придерживаться точной прямолинейности. Связанно это с тем, что рельсы будут подвергаться огромной нагрузке при хождении груженых составов. Прокладки на креплениях заменяются на клинья. Далее рабочие молотками подбивают рельсы до нужного положения. Прямолинейность проверяется металлической линейкой. Допустимы зазор – 1 мм.

Установка и герметизация форм

Важно проводить соединительные работы используя герметичную форму. Зажимное устройство с помощью измерителя устанавливается на нужное расстояние от будущего шва

Горелку устанавливают по центру соединения.

Предварительный нагрев и сварка

Предварительно требуется разогреть соединяемые рельсы. На 2 минуты включается подача пламени (пропан и кислород). Горелку требуется убрать, закрепить сердечник. Включается запал для возгорания рабочей смеси. Расплавленный металл переливается в подготовленную заранее форму. Четыре минуты достаточно для полной кристаллизации.

Шлифовка и контроль качества

Завершительным этапом работ является шлифовка шва. Перед эксплуатацией рельс, требуется сделать поверхность гладкой. Шов нагревается с помощью горелки в течении 10 минут. Горячие наплывы срезаются болгаркой. После остывания места соединения, выполняется шлифовка. Для этого применяются шлифовальные машины с абразивными кругами или лентами. Контроль качества представляет собой проверку на статичный изгиб.

Безопасность при работах

Т.к. технология отличается применением химически активных составов, надо соблюдать правила безопасности:

хранить термит в сухом, отапливаемом и хорошо проветриваемом помещении;
доставлять на место проведения работ такое количество смеси, которое будет использовано за 1 смену (остатки возвращают на склад);
не проводить работы в дождь или снег;
в зимнее время зачищать место вокруг проведения работ в радиусе не менее 50 см;
не зажигать шихту от дуги контактного электропровода;
надевать защитный костюм сварщика;
отходить на 2,5-3 м во время термитной реакции;
засыпать вытекший жидкий металл песком при разрыве тигля или формы.

Какие преимущества такой технологии следует выделить

Если говорить о главных достоинствах рассматриваемого процесса, то к ним следует отнести:

Высокую скорость выполнения работ. Нужно отметить, что это один из наиболее быстрых методов соединения изделий из металла. К примеру, для стыковки железнодорожных рельсов требуется в среднем около 50 минут. При этом если одновременно будет работать несколько бригад, то эффективность такой работы будет лишь возрастать (всего за 2 часа три бригады могут сваривать до 12 стыков).
Хорошее качество швов. Места стыковки деталей обладают высокой стойкостью к механическим нагрузкам и воздействию химических веществ. Кроме того, такие швы выглядят эстетически привлекательно.
Легкость выполнения задачи. Такая технология не требует наличия особых навыков и знаний, так как справиться с ней может любой специалист при условии прохождения непродолжительного обучения. Количество задействованных работников также невелико.
Доступность материалов. Необходимые для этого порошковые смеси и дополнительные материалы можно приобрести в специализированных магазинах, при этом их цена не будет высокой.
Отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования. В отличие от методов контактного сваривания металлических элементов, при использовании термитных смесей не обязательно использовать дорогую сварочную технику. Это особенно актуально для работы на отдаленных объектах, когда нет возможности найти источник электрического тока или транспортировать громоздкие газовые баллоны.

При этом есть и некоторые недостатки, к которым можно отнести необходимость соблюдения строгих правил по безопасности

Во-первых, сам по себе термит является легко воспламеняемым веществом, поэтому следует проявлять особую осторожность при его транспортировке и хранении. Во-вторых, во время выполнения задачи нужно позаботиться о том, чтобы вода или любые другие жидкости не попали в горящую смесь, так как это может стать причиной взрыва

Какие альтернативные методы существуют

Безусловно, по уровню популярности и распространенности эта технология уступает электрическому дуговому методу. С целью получения дополнительной информации о нем, вы можете ознакомиться с материалом о применении газов и сварочных смесей для создания защитной среды при использовании электродуги.

Также предлагаем вам изучить ассортимент продукции нашей компании «ПРОМТЕХГАЗ». Сделать это можно, проследовав по этой ссылке. Обращайтесь!

Что входит в состав термитной смеси

Чаще всего используется железоалюминиевая термитная сварка: Fe2O3 = 75 %; Al = 25 % (такая смесь содержит в себе или прокаленную окалину, или железную руду). Такой состав используется, в основном, для сварки рельсов и много габаритных деталей. Воспламеняется данная смесь при температуре приблизительно 1300 °C, а шлак и железо, которые образуются, нагреваются до 2400 °C. Достаточно часто в железоалюминиевую смесь добавляют железную обсечку, легирующие присадки и флюсы. Данный процесс происходит в магнезитовом тигеле.

Алюминий – не единственный металл, который применяют. Также используются следующие комбинации:

Mg (31 %) + Fe2O3 (69 %)
Ca (43 %) + Fe2O3 (57 %)
Ti (31 %) + Fe2O3 (69 %)
Si (21 %) + Fe2O3 (79 %)

Термитно-зажигательные составы:

Ba(NO3)2 (26 %) + Fe3O4 (50 %) + Al (24 %)
Ba(NO3)2 (37.5 %) + Al (26.5 %) + уголь (3 %) + связующие вещества типа шеллака (23 %)
Fe2O3 (21 %) + Al (13 %) + Ba(NO3)2 (44 %) + Ba(NO3)2 (6 %) + Mg или Fe (12 %) + связующие вещества (4 %)

Термическая сварка применяется для различных целей и для каждой из них подбирается определенный состав смеси. Наиболее распространенными среди них являются следующие виды:

Элементарная смесь: железная окалина соединенная с порошком из алюминия в строгой химической пропорциональности;
Смесь термита для соединения стыков в рельсах: такая процедура является более сложной. Алюминотермитная сварка рельсов заключается во введении в шихту наполнителя из стали. Такой наполнитель состоит из ферромарганца, графита (в виде стружки) и маленьких частей малоуглеродистого прутика или стружки такого же материала;
Состав для соединения легированных сталей. Такая смесь отличается использованием присадки в виде ферротитана, феррованадия и других подобных материалов;
Сварка термит, используемая для сварки чугунных деталей: в качестве присадки, как правило, используется кремний в большом количестве. С помощью данного раствора можно получить очень качественное соединение (при соблюдении правил процессов), это обосновывается выделением графита, как в сварочных, так и в переходных зонах. Такая реакция происходит из-за высокого содержания кремния в металле термита. Главное требование – полное исключение использования марганца;
Состав для соединения высокомарганцовистых сталей: содержание данной смеси достаточно простое. Необходимо вводить ферромарганец (углерод и большое количество марганца), а также стружка чугуна в стехиометрическом соотношении;
Специальные (особые) термиты – используются для всех других нужд (повторного дробления минералов), такие смеси называют пиротехническими.

Сфера применения термитной сварки

Этот метод используется как для соединения разных деталей из стали, чугуна и хрупких сплавов, так и для выполнения наплавки при проведении ремонтных работ.

Применяется он в машиностроении, на металлургических, судостроительных и металлообрабатывающих предприятиях и т.д.

Термическая сварка незаменима в таких ситуациях, как:

ремонт и восстановление крупногабаритного оборудования, например прокатного стана, кузнечного пресса и т.д.;
создание крупных деталей и сложных конструкций в разных отраслях (элементов судов, коленвалов для моторов и др.);
производство стержней для гидростанций, дамб;
соединение рельс и арматуры крупного диаметра;
сварка тросов, кабелей и т.д.

Контроль качества

Качество сварного шва — важный показатель сварки термитов. Изделие должно быть подключено надежно, надежно, аккуратно. При этом качество может зависеть от разных факторов, в том числе от выбранной технологии. Обычно за работой следят по уровню дефектов сварных швов металлических деталей.

На качество сварного шва могут повлиять:

геометрические размеры;
структура, твердость, прочность;
поры, трещины, шлаковые включения;
литье основных и сварных металлов;
эстетические показатели;
деформации и структурные изменения;
коррозионная активность сварных швов.

Контроль качества проводится в несколько этапов, выявляя наличие или отсутствие дефектов. При проверке учитывается приемлемость внешнего вида, плотность готового шва и его физико-химические свойства. Сам контроль качества может быть предварительным и окончательным. У каждого вида есть свои особенности.

Предварительные ласки — это не что иное, как первичная мера профилактики дефектов. При этом контролируют не только соблюдение режима сварки, но и контроль электродов и флюсов. На завершающем этапе оцениваются результаты сварочной технологии. Это не только визуальный осмотр, но и тест на проникновение.