3.5. Термитная сварка

Химическая реакция взаимодействия оксидов железа с алю­минием (алюмотермическая реакция) протекает с большим вы­делением теплоты по следующему уравнению:

3Fe₃О₄ + 8А1 → 4А1₂О₃ + 9Fe + 3242 кДж.

Такая реакция реализуется в технике при сжигании смесей алюминиевого порошка и железной окалины, получивших на­звание термитов. Сравнительная простота осуществления алюмотермической реакции и доступность применяемых материалов по­ложили начало широкому применению термитов в промышленно­сти, особенно в металлургии и для сварочных процессов.

При термитной сварке сначала производят поджиг термита, происходит его сгорание, а затем разделка кромок обычно запол­няется жидким металлом, образующимся в результате алюмотермической реакции. Разогрев и плавление кромок свариваемых деталей при термитной сварке осуществляются за счет теплосо­держания жидкого присадочного металла, поэтому его объем вы­бирают в 2-3 раза большим, чем это необходимо для заполнения разделки.

Одно из основных достоинств процесса термитной сварки - простота осуществления в полевых условиях, что обусловило его применение для сварки рельсов, контактной сети железных дорог и некоторых строительных конструкций.

Глава 4. Прессовые и механические сварочные процессы

Для прессовых и механических сварочных процессов харак­терно обязательное приложение давления в месте сварки. Источник энергии при этом может быть как внешним (газопрессовая, печная сварка), так и внутренним (контактная, индукционная сварка).

4.1. Прессовые сварочные процессы

4.1.1. Способы термопрессовой сварки

Термопрессовая сварка осуществляется нагревом с одновремен­ным или последующим приложением давления либо при их сочета­нии. В большинстве прессовых процессов используют последую­щее приложение давления, обеспечивающее осадку соединения.

Значительная часть прессовых сварочных процессов может быть реализована с теми же источниками нагрева, что и термиче­ские сварочные процессы. Исключение составляет контактная сварка, где давление является обязательным фактором образова­ния контакта для генерации теплоты.

К наиболее распространенным способам термопрессовой сварки следует отнести: контактную сварку со всеми ее разновидностями; газопрессовую; дугопрессовую; сварку в тлеющем разряде с дав­лением; индукционно-прессовые способы сварки; диффузионную сварку; различные способы кузнечной сварки - самого первого сва­рочного процесса, осуществленного человеком и до сих пор приме­няющегося в различных модификациях (сварка на кузнечно-прессовом оборудовании, сварка прокаткой, сварка волочением).

Схема классификации способов контактной сварки (наиболее обширной группы термопрессовых сварочных процессов) приве­дена на рис. 4.1. Кроме основных параметров - температуры нагрева Т и давления р - характер термопрессовых сварочных про­цессов в значительной мере определяется временем сварки t. Если в обычных термопрессовых сварочных процессах время сварки составляет единицы и десятки секунд, то в диффузионных оно может достигать нескольких десятков минут. Поскольку диффузи­онный сварочный процесс можно обеспечить, используя различ­ные источники нагрева, целесообразно не выделять диффузион­ную сварку как отдельный метод, а считать ее способом и класси­фицировать по видам нагрева и защитной среды согласно схеме, приведенной на рис. 4.2.

Контактная сварка. Этот процесс применяют только для свар­ки металлов, когда основной энергией для сварки служит джоулева теплота, выделяемая электрическим током в зоне контакта соеди­няемых деталей, электрическое сопротивление которой выше элек­трического сопротивления основного металла. Некоторое количест­во теплоты при контактной сварке может выделяться и в объеме свариваемых деталей вследствие работы электрического тока, ко­торую он совершает при прохождении через внутренний объем деталей, имеющих некоторое электрическое сопротивление. Для процессов «токовой пайки» и поверхностной сварки по методу Игнатьева выделение джоулевой теплоты в объеме деталей явля­ется доминирующим фактором, а выделение теплоты в контакте электрод - деталь незначительно.

Давление при контактной сварке служит как для формиро­вания устойчивого электрического контакта с определенными ха­рактеристиками, так и для последующего деформирования (про­ковки) зоны сварного соединения с целью улучшения структуры сварного шва и уменьшения сварочных деформаций и напряже­ний. Количество энергии, затрачиваемое на создание давления при контактной сварке, обычно невелико и составляет всего несколько процентов от общей вводимой энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое в электрическом контакте, в соответствии с законом Джоуля - Ленца определяется как

где I - ток, проходящий через контакт; R - контактное сопротив­ление; t - время прохождения тока через контакт.

Для реальных металлов среднее значение R обычно мало (10...200 мкОм), время t также нельзя выбирать большим ввиду возможности газонасыщения металла при сварке (обычно t < 1 с). В результате для выделения достаточного количества энергии при контактной сварке необходимо применение значительных токов I, что в основном и определяет специфику оборудования для контакт­ной сварки, которая состоит в том, что контактная сварочная маши­на при питании непосредственно от сети должна кратковременно потреблять значительную мощность (20...500 кВА). Это крайне невыгодно с энергетической точки зрения, и для процессов контактной сварки в ряде случаев стараются применять системы электропитания с накоплением энергии (в конденсаторах, аккуму­ляторах, вращающихся маховиках). Такое сварочное оборудование более равномерно загружает питающую сеть, имеет меньшую среднюю установочную мощность, но обычно дороже и сложнее в эксплуатации.

При контактной сварке принципиально возможно вести про­цесс в двух вариантах: с нагревом металла до высокопластичного состояния без плавления; с плавлением металла в зоне сварки и образованием литой структуры (литого ядра). Оба эти процесса находят промышленное применение, однако второй вариант энер­гетически выгоднее, так как сопротивление переходного контакта в этом случае обычно больше и требуются меньшие сварочные токи. Кроме того, образование литого ядра - известная гарантия получения качественного сварного соединения, так как ядро зна­чительно проще проконтролировать, чем зону деформации при сварке без плавления.

Сварка токами высокой частоты. Это способ сварки давлени­ем, называемый высокочастотной сваркой, характеризуется тем, что кромки деталей нагреваются током высокой частоты (2,5...450 кГц) до температуры оплавления. В основе эффекта нагрева при высоко­частотной сварке металлов лежит закон электромагнитной индук­ции. В массе материала, имеющего электронную проводимость (металл, графит), в переменном магнитном поле наводится ЭДС, изменяющаяся с той же частотой, что и внешнее магнитное поле. В результате появляются индукционные токи (вихревые токи, или то­ки Фуко), которые и вызывают нагрев материала.

Идея высокочастотного нагрева металла в технологических це­лях, в частности при сварке, по существу сводится к концентрации магнитного поля в малом объеме материала и как следствие - к повышению плотности индуцируемых токов в месте желаемого нагре­ва. При высокочастотной сварке нагрев свариваемых поверхностей обеспечивается за счет использования основных эффектов, связан­ных с прохождением тока высокой частоты по металлическим про­водникам - поверхностного эффекта и эффекта близости. Кроме того, при использовании тока высокой частоты возможна бескон­тактная передача энергии в зону сварки даже при сваривании срав­нительно тонкостенных деталей в результате наведения в сваривае­мых кромках вихревых токов при помощи индукторов.

Достоинства высокочастотного нагрева легли в основу не­скольких разновидностей процессов сварки и пайки, применяемых в промышленности. При высокочастотной сварке металлов про­цесс можно вести как плавлением соединяемых кромок с образо­ванием сварочной ванны, так и давлением, в результате примене­ния которого возникают пластические деформации.

Относительная сложность и энергоемкость оборудования для высокочастотной сварки делают ее наиболее приемлемой в усло­виях непрерывного производства (сварка продольных швов труб, замкнутых профилей и изделий аналогичной формы, биметалли­ческих лент), где необходимо обеспечить большую скорость свар­ки (10... 120 м/мин). Сварочное оборудование обычно представля­ет собой лимитирующее звено в общей достаточно сложной и до­рогостоящей цепи технологического оборудования.

Нагрев токами высокой частоты применяют и для сварки пла­стмасс. Частота используемого в этом случае тока значительно выше - до 40 МГц, причем сваривать можно лишь пластмассы с относительно большим тангенсом угла диэлектрических потерь (tg 5) - полиметилметакрилат, поливинилхлорид и т. д.