Процессы при экзотермической сварке

Сварка представляет собой способ создания неразъёмного соединения различных изделий, деталей, элементов сооружений. Сваривание проводят посредством следующих процессов:

при местном либо общем нагреве деталей;
под действием пластической деформации;
при совместном действии нагрева и деформации.

Осуществляется сваривание за счёт возникновения межатомных связей в месте соединения. Прочность сварочного соединения обеспечивается образованием межатомных связей между элементарными частицами свариваемых деталей, а это значит, что нужно обеспечить их максимальное сближение и контакт. Большинство используемых металлов при нормальных условиях являются твердыми кристаллическими веществами. Таким образом, для осуществления сварки нужно сблизить большое количество атомов твердых соединяемых деталей на минимальное расстояние. Но дело в том, что металлы имеют металлическую кристаллическую решетку. Её особенность – плотное удерживание атомов вещества в своих узлах. Именно этому явлению металл обязан своими высокими прочностными свойствами. Одним из способов ослабления жесткости металлической кристаллической решетки и увеличения подвижности атомов является повышение температуры. Чем выше температура нагрева, тем слабее удерживание атомов в узлах решетки. Когда температура металла достигает температуры плавления, он становится жидким, и атомы приобретают высокую подвижность. Следовательно, для соединения деталей необходимо обеспечить плавление небольшого участка металла в области сварки. Жидкий металл, сливаясь, образует сварочную ванну. В процессе остывания металл твердеет, в результате чего обеспечивается прочное соединение.

Согласно ГОСТ 19521-74 сварка подразделяется на три класса по виду энергии, применяемой в процессе соединения:

Термический
Термомеханический
Механический


Классы сварки: термический, термомеханический и механический

Процесс механической сварки

Во время сварки могут возникать следующие проблемы:

образование дефектов в виде трещин;
возникновение деформаций материала;
снижение механических, электрических характеристик материала в области сварки.

Этих недостатков в значительной степени лишен такой вид сварки, как экзотермическая сварка. Данный вид относится к термическому классу. Термический класс включает в себя виды сварки, осуществляемые с применением тепловой энергии. Экзотермическая сварка представляет собой вид сварки, осуществляемый путем заполнения промежутка между соединяемыми изделиями, предварительно нагретыми до 400-700⁰С, расплавом металла. Получают такой расплав посредством сжигания термита. Поэтому такую сварку ещё называют термитной.

Термит – сыпучая смесь магния или алюминия с оксидами различных металлов. При возгорании смесь высокоинтенсивно горит с выделением большого количества тепла. Особенно важную роль для сваривания проводниковых элементов играют медно-алюминиевый термит и железно-алюминиевый термит. Они включают в свой состав крупнозернистый (размером до 1мм) порошкообразный металлический алюминий и оксид железа либо оксид меди. Алюминий в смеси играет роль горючего металла, т.к. имеет значительную теплоту образования оксида. Оксиды меди или железа имеют небольшую теплоту образования, поэтому в реакции они становятся донорами кислорода.

Чтобы смесь вступила в реакцию, её необходимо нагреть минимум до 1000⁰С. В итоге термит начинает усиленно гореть по всему объёму. Процесс описывается реакциями:

3Fe₂О₄ + 8Al = 4Al₂О₃+6Fe (если в смесь входит железная окалина);
2Аl + 3СuO = Al₂O₃ + 3Cu (если в смесь входит оксид меди).

Время протекания реакции – не более 20 секунд. Оно может варьироваться в зависимости от степени измельчения компонентов, то есть чем меньше размер крупинок, тем быстрее сгорает термит. В результате сгорания 100 г термитной смеси вырабатывается примерно 310 кДж тепла. Это относительно небольшая цифра (например, при сгорании 100 г угольного топлива вырабатывается до 3∙10³ кДж тепла). Однако термит при горении приобретает достаточно высокую температуру – около 3000⁰С. Происходит это за счет того, что термитная смесь горит только лишь при участии компонентов, включенных в её состав, значит, 100 г термита образует 100 г продуктов экзотермической реакции. Твердое топливо в процессе горения берёт кислород из воздуха, что в значительной степени повышает массовое количество продуктов реакции по сравнению с массой исходного вещества.

В случае применения медно-алюминиевого термита продуктами реакции являются оксид алюминия и медь. Температуры плавления этих веществ 2072⁰С и 1085⁰С соответственно. Следовательно, оба продукта реакции образуются в перегретом жидком состоянии. Как правило, сжигание термитной смеси проводят в особых огнеупорных тиглях. При этом получаемые жидкие вещества разделяются на слои: верхний – оксид алюминия (шлак) и нижний – металлическая медь. В состав экзотермической сварки, кроме оксида меди и алюминия, как правило, вносят разнообразные присадки. Их функции – улучшение прочностных свойств термитного металла (меди), увеличение его выхода, а также снижение температуры протекания реакции. В качестве добавок, благоприятно влияющих на свойства термитной смеси, обычно используют ферросплавы. Например, в состав медной термитной смеси входит ферромарганец. Изменяя концентрацию присадки, можно оказывать влияние на состав и свойства металлической меди.

Существует несколько способов осуществления экзотермической сварки:

сваривание давлением;
сваривание плавлением;
комбинированное сваривание.

В первом случае термитная смесь используется только лишь для нагрева соединяемых деталей. Непосредственно соединение осуществляется с участием пресса, который устанавливается до начала процесса соединения деталей. После завершения сваривания изделий застывшие продукты реакции удаляются. Во втором случае жидкая медь, полученная в результате сгорания термита, вступает в контакт со свариваемыми металлическими изделиями Последний способ сочетает в себе два, описанных выше. В электротехнике наибольшее применение нашел второй способ. Применяя медно-алюминиевый термит, можно сваривать не только медные проводники, но также изделия оцинкованные, из нержавеющих, нелегированных и других сталей. Наличие оксида меди в составе термитной смеси является весьма выигрышным по ряду причин:

высокая электропроводность получаемой в процессе реакции чистой меди и, соответственно, низкое удельное сопротивление;
высокая коррозионная стойкость меди;
хорошая адгезия меди к различным металлам.

На сегодняшний день для осуществления термитной сварки имеются различные сварные конструкции и установки. Однако принципы их работы и эксплуатации схожи и сводятся к нескольким простым операциям. Роль огнеупорного тигля выполняет специальная графитовая форма. В неё помещаются свариваемые проводники. Затем в форму устанавливают термитную смесь. Используемая смесь может находиться в специальной упаковке в виде порошка либо быть спрессованной и выполненной в виде термокарандашей или стержней. Для поджога термита используют электрический разряд или вспомогательную запальную смесь, способную загореться от спичечного пламя. Установки для сваривания снабжают специальными блоками управления. В такой конструкции посредством возникновения последовательности зарядов разрядов термитная смесь загорается. После воспламенения необходимо дождаться остывания сварного соединения. Процесс занимает около двух минут. Пример сварной конструкции представлен на рисунке 1.


Примеры сварных конструкций

Применение экзотермической сварки для соединения проводников является весьма эффективным по ряду причин:

хорошие проводниковые свойства меди (в случае применения медного термита);
возможность соединения проводников из различных материалов;
за счёт возникновения в результате сварки прочных межатомных связей, не возникает ухудшения характеристик проводников;
возможность применения сваренных проводников в различных средах за счёт высокой коррозионной стойкости;
установка не зависит от внешних источников энергии;
устойчивость к токам повреждения;
экспрессность выполнения данного вида соединения;
для выполнения сварного соединения не требуется особых навыков;
предельная нагрузка по току соединения не ниже предельной нагрузки соединяемых элементов.

Смотрите также:

Смотрите также: