История развития термитной сварки

 

2А1 + Fe₂О₃ = 2Fe + A1₂О₈

 

Г. Гольдшмидт внес большой вклад в создание термитной сварки, осуществив в 1898 г. соединение двух железных брусков.

Он заформовал место стыка, заполнил его термитной смесью и поджег ее. Образовавшееся перегретое жидкое железо подплавило кромки брусков, а после кристаллизации превратилось в шов, соединив их. Шлак всплыл и легко отделился от места соединения. Основная трудность, которая сопровождала применение алюминотермии, была плохая управляемость процесса. Смесь могла мгновенно вспыхнуть, а иногда не загоралась вовсе. Г. Гольдшмидт преодолел эту трудность, применив для холодной шихты запал из пероксида бария.

(добавить)

 

 

История развития производства термита 

и термитной сварки рельсов в России с 1915 по 1965 гг..

Виды термитной сварки, ее преимущества и недостатки. 

 

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. В 1923 г. в Москве было сварено 612 стыков трамвайных рельсов, а в 1924 г. — около 4 тыс. стыков. В последующие годы в путях московского трамвая было сварено термитом свыше 100 000 стыков.

До 1925 г. стыки сваривали импортным  термитом. Если в первое время стыки рельсов сваривали термитом, который ввозился из-за границы, то, начиная с 1923 г. было организовано промышленное производство отечественного термита. Способ производства алюминиевого порошка путем воздушной пульверизации жидкого алюминия, предложенный М. А. Карасевым в 1925 г., оказался наиболее эффективным и широко используется в настоящее время в мировой практике при изготовлении различных металлических порошков.

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 зерноволокнистого алюминия», «шаровой мельницы для производства алюминиевого порошка», «механической нагревательной печи для обжига железной обсечки и окалины при изготовлении термита» и т. п.

Изданная в 1936 г. книга М. А. Карасева «Термит и термитная сварка рельсов» является уникальной, так как техническая литература по термитной сварке в настоящее время отсутствует.

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.

 

Виды термитной сварки.

 

            Изначально сварка производилась только двумя способами: комбинированным и врасклинку.

      При комбинированном способе подошвы и шейки рельсов свариваются способом промежуточного литья, а головки рельсов, между которыми устанавливается малоуглеродистая стальная пластина, — кузнечным способом. Перед сваркой стыка комбинированным способом производятся предварительная фрезеровка торцов рельсов, доводка поверхности стыка личным напильником и устанавливается межстыковая пластина. Межстыковая сварочная пластина изготовляется из малоуглеродистой (С-0,1%) листовой стали толщиной 3—4 мм. По форме она с небольшим припуском повторяет очертания головки рельсов. Пластина шлифуется, обезжиривается и хранится в специальной упаковке, предохраняющей ее от коррозии и загрязнения.

Устанавливая межстыковую пластину, необходимо следить за тем, чтобы полностью исключалась возможность загрязнения обработанных поверхностей рельсов и пластины. Запрещается прикасаться к шлифованным поверхностям пластины и обработанным торцам рельсов даже пальцами рук, так как это ведет к загрязнению стыка органическими веществами.

Пластина устанавливается в  зазор между головками рельсов и сжимается стяжным прессом. Затем производится зачеканка пластины. Зачеканку необходимо произвести особенно тщательно, чтобы при последующей заливке исключить возможность проникновения шлака в зазор между головками рельсов и пластиной. Если в этот зазор попадает шлак, сварка головки рельсов не произойдет. Особое внимание нужно обратить на качественное выполнение зачеканки пластины снизу головки рельса и в месте сопряжения шейки с головкой.

В собранном виде в стыке между  подошвами и шейками рельсов образуется зазор в 3—4 мм, который необходим для качественного выполнения сварки этой части рельсов способом промежуточного литья. На собранный и подготовленный стык устанавливаются формы, имеющие специальный литник для заливки металла в нижнюю часть стыка. После этого производят предварительный подогрев стыка до температуры 700—750°.

В качестве источника тепла используются любые горючие газы: природный  газ, пропан, пары бензина и т. п., которые сжигают в атмосфере воздуха или же в смеси с кислородом, поступающим под давлением.

Подогревать стык необходимо так, чтобы  равномерно нагревалось все сечение рельса. Поэтому стык нужно нагревать не только сбоку, где пламя направляется на подошву и шейку, но и сверху для непосредственного прогрева наиболее мощной по сечению головки рельса.

Заливка металла и шлака в  формы производится из конусного  тигля, футерованного магнезитом и  имеющего внизу, в узкой конусной части, запорное устройство.

Вес термитной порции, сжигаемой в тигле, рассчитывается таким образом, чтобы полученный металл заполнил только полость формы,  охватывающей  подошву и шейку рельсов.

Как известно, головка рельсов сваривается  за счет тепла шлака, который заполняет верхнюю часть форм. Через 2—3 мин. после заливки металла  в форму производится осадка  стыка.

Головки рельсов, разогретые термитным  шлаком до 1400 — 1450°, свариваются в процессе прессования, а остальная часть сечения — термитным металлом (способом промежуточного литья). После этого производят механическую обработку стыка по контуру,  а иногда  и термическую обработку его.

В стыках, сваренных комбинированным  способом, часто встречаются дефекты (непровар головок, продольные трещины в шейке и под головкой, пористость в литом термитном металле и др.). Так, появление непровара в головке рельсов происходит от небрежного фрезерования торцов стыка и загрязнения их и сварочной пластины, а также недостаточного предварительного подогрева.

Конфигурация облива стыка также  имеет большое значение, так как резкие переходы от облива к основному профилю рельса способствуют концентрации напряжений, что при низкой температуре может являться причиной разрушения стыков.

В настоящее время сварка рельсовых  стыков комбинированным способом применяется редко, так как сложна ее технология, громоздка оснастка и нестабильна прочностная характеристика стыков.

С помощью сварки врасклинку сваривались рельсовые стыки в эксплуатируемых путях. Особенностью этого способа является попытка заменить работу стяжного пресса сжатием рельсов от собственного веса пути. Перед сваркой рельсовый стык поднимался домкратом вместе со шпалами. В образовавшийся стыковой зазор вставлялась стыковая сварочная пластина и производилась сварка комбинированным способом. В момент расплавления концов рельсов рельсовая нитка освобождалась от домкрата, при этом путь опускался, производя сжатие торцов рельсов, как бы расклинивая их.

Однако такого сжатия было недостаточно для осуществления кузнечной  сварки рельсовых головок, и  сварка получалась неудачной. Кроме того, в этом случае трудно было сохранить правильную рихтовку стыка в горизонтальной и вертикальной плоскостях. 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 промежуточного литья с последующим прессованием). Однако этот способ не получил широкого распространения из-за сложности технологического процесса.

Сварка рельсовых стыков способом промежуточного литья без прессования заключается в следующем.

Плети рельсов укладываются на шпалы  так, чтобы между их концами в  стыке был зазор 12—14 мм, и рихтуются в горизонтальной и вертикальной плоскостях для создания ровной поверхности в стыке. Для сварки применяются сварочные формы, набитые по специальной модели облива.

Металлический облив охватывает рельсы в стыке по всему периметру поперечного сечения рельса, включая и рабочую поверхность головки. На рабочую поверхность головки расплавленный металл попадает через специальный паз т в верхнем вкладыше сварочной формы   (рис. ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расплавленный термитный металл во время сварки заполняет стыковой зазор и этот паз.

Стяжной пресс при этом способе не применяется. При помощи стыкового зазора создаются более благоприятные условия для развара рельса по всему поперечному сечению.

 

               

 

Рис. .  Схема заполнения  сварочной формы   расплавленным термитом при сварке способом промежуточного литья.

 

После снятия сварочных форм со стыка  производится срубка наплыва металла с рабочей поверхности головки рельса зубилом с последующей зачисткой электромоторным карборундовым кругом и стругом.

Схема  заполнения  сварочной   формы  расплавленным  термитом при сварке этим способом изображена на рис. .

Сварка способом промежуточного литья  с прессованием производится аналогично сварке способом промежуточного литья, описанной выше, но, в отличие от последней, непосредственно после выпуска термитного металла из тигля, когда он находится в сварочной форме в расплавленном состоянии, рельсы стягиваются друг с другом при помощи пресса; при этом металл, находившийся в стыковом зазоре, выжимается из него. Этим способом, так же как комбинированным, могут свариваться лишь отдельные рельсы. Рельсовые плети невозможно стянуть прессом из-за большого их веса и значительного трения между подошвами рельсов и шпалами.

После сварки наплывы металла удаляются  зубилом, пока металл еще горячий и достаточно мягкий, а потом производится зачистка стыков карборундовым кругом и стругом.

Применение прессования позволяет  избавиться от стыкового зазора, который заполняется термитным металлом, неоднородным с металлом рельсов. При этом способе применяется такой же вкладыш, как и при способе промежуточного литья без прессования  (см. рис. ).

Работниками Термитно-стрелочного завода Управления московского трамвая после изучения всех способов сварки рельсовых стыков и большой экспериментальной работы, проведенной с 1947 г. по 1950 г., предложили способ сварки стыков, который получил название московского (или «единый»). В отличие от способа промежуточного литья, при московском способе концы рельсов перед сваркой устанавливаются вплотную друг к другу. Торцы рельсов предварительно очищаются металлической щеткой. После тщательной рихтовки стыка в горизонтальной и вертикальной плоскостях на него устанавливается сварочная форма с верхним вкладышем, который плотно прилегает к рабочей поверхности головки.

Вкладыш изготовлен сплошным, без паза, в отличие от вкладышей, применяемых при других способах сварки. Наличие сплошного вкладыша обеспечивает сохранение гладкой рабочей поверхности головки после сварки.

Рис. . Поперечные разрезы стыков, сваренных московским — а и комбинированным способами — б и схема заполнения термитом сварочной формы при сварке московским способом — в.

 

 

 

Достаточный подогрев концов рельсов в стыке можно обеспечить и одной горелкой, если предварительно при помощи газового резака создать в подошве и шейке стыка зазор шириной 5—7 мм для того,  чтобы  пламя горелки с  одной стороны сварочной формы могло проникать на другую сторону и прогревай таким образом концы рельсов в стыке по всему поперечному профилю. Стягивание рельсов не производится. После сварки на рельсовом стыке получается металлический облив по всему периметру поперечного сечения рельса, за исключением рабочей поверхности головки, которая остается гладкой. Схема заполнения сварочной формы термитом приведена на рис. , в

 

 

Анализ трех способов сварки

 

Наблюдения в условиях эксплуатации за работой стыков сваренных комбинированным способом и способом промежуточного литья без прессования, привели к следующим выводам.

Рельсы, сваренные комбинированным  способом, работали в течение ряда лет хорошо, изнашиваясь равномерно по всей длине; в то же время при их анализе оказалось, что головки рельсов в стыке в большинстве случаев не были проварены или были проварены частично. Этот дефект сварки был обнаружен при изломе прессом рельсовых стыков, проработавших в пути более 10 лет.