СВАРОЧНЫЙ КАРАНДАШ ДЛЯ ТЕРМИТНОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ СК1-"ЭРС"

Полезная модель относится к термитной сварке - резке металлических конструкций из стали и цветных металлов и может быть использована для сварки, резки и наплавки металлов в быту, при ремонте техники в полевых условиях, при ведении ремонтных и аварийно-спасательных работ, в условиях монтажа и демонтажа конструкций, на строительстве при ремонте сооружений и механизмов. В различных аварийных и бытовых ситуациях необходимы компактные и безотказные средства для демонтажа и монтажа металлических конструкций и оборудования.
Используемое в настоящее время оборудование для сварки и резки не является компактным. Его транспортировка требует специальной техники, а для работы профессионально обученный персонал, а так же требуются мощные источники электрической энергии или газовые баллоны. Наиболее приемлемым со всех точек зрения следует считать применение в качестве зажигательного состава железо-алюминиевый термит.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является сварочный карандаш для термитной сварки или резки [Патент RU 2206437], содержащий тонкостенную трубку с размещенной в ней с одной стороны термитной смесью, заглушку, закрывающую трубку с другой стороны, тонкостенный трубчатый футляр-держатель, выполненный с возможностью его переустановки с противоположных сторон на трубку до ограничительного упора, а термитная смесь использована в виде прессованного стержня с оболочкой из горючего пленочного материала, при этом стержень установлен в упомянутой трубке одним концом.
Недостатком известного устройства является снижение его эксплуатационных свойств при длительном хранении и транспортировке из-за недостаточной жесткости тонкостенной трубки с размещенной в ней с одной стороны термитной смесью и заглушки, закрывающую трубку с другой стороны, плохо обеспечивающей герметизацию термитной смеси.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение удобства хранения, транспортировки и применения в самых неблагоприятных климатических условиях при сохранении качества процесса сварки и резки.
Технический результат достигается тем, что сварочный карандаш для термитной сварки или резки содержит тонкостенную формованную трубку с внутренним конусом, с переходником и ограничительным упором заглушенную с одной стороны, со вставленным в нее с другой стороны по конусу для плотной посадки на глубину не менее 1/3 ее длины сформованным термитным стержнем, трубчатый тонкостенный футляр-держатель, заглушенный с одной стороны заглушкой или тонкостенной трубкой с переходником и ограничительным упором, выполненный с возможностью его плотной установки на формованную тонкостенную трубку до ограничительного упора, при этом футляр-держатель выполнен с возможностью его переустановки на формованную тонкостенную трубку с ее противоположной стороны по переходнику до ограничительного упора.
Формованная тонкостенная трубка и футляр-держатель выполняют из лакированной бумаги или профилированного самозатухающегося полимерного материала с антипиритной добавкой. Термитная смесь использована в виде прессованного стержня с оболочкой из горючего пленочного материала (допускается возможность использования прессованного стержня без оболочки), при этом стержень установлен в упомянутой трубке одним концом и сформован из термитной смеси, имеющей состав, мас. %:
Алюминий
20-27%
BaS сульфат бария
1,5-5%
Сплав CuAl
4-6,5%
Mg (Магний)
4,5-6%
Гидит титана TiH<sub>2</sub>.
0,5-1%
FeSO<sub>4</sub>⋅(NH<sub>4</sub>)2SO<sub>4</sub>⋅6H<sub>2</sub>O (Соль Мора)
0,5-1,5%
декагидраттетрабората натрия
Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub> (безводный (бура) нанопорошок
2-3%
FeMn (ферромарганец)
5-7%
Сплав (бериллий-титан)
0,5-0,8%
CaSO<sub>4</sub> X 2H<sub>2</sub>O Сульфат кальция
1-3%
Сода кальцинированная (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)
0,5-2,5%
Флюс АНФ-6-1 нанопорошок
3-8%
Оксид трехвалентного железа
Остальное
а также содержащей связующее в виде 4-12 мас. % водного раствора смеси натрий-карбоксилметилцеллюлозного клея (КМЦ) и поливинилового спирта смешанных в пропорции 1/3 в количестве 8-15% мас. % сверх массы вышеперечисленных компонентов термитной смеси.
Выполнение формованной тонкостенной трубки и футляра-держателя из лакированной бумаги или профилированного самозатухающегося полимерного материала с антипиритной добавкой позволяет не только герметизировать термитный стержень, защищая его от воздействия влаги и других воздействий окружающей среды, но и обеспечивает необходимую механическую прочность изделия, дает возможность его подогрева, при необходимости, непосредственно перед проведением процесса сварки или резки в бытовых условиях. Экспериментально подобранные ингредиенты термитной смеси и их соотношения, а также использование нанопорошка при изготовлении термитного стержня обеспечивает практически полную негигроскопичность изделия и большую механическую его прочность, а также хорошее покрытие сварочного шва равномерно распределяющимися шлаками, образовывающимися в процессе сварки. Кроме этого можно использовать термитный стержень, предварительно удалив оболочку. Все перечисленное повышает удобства транспортировки, хранения и эксплуатации сварочного карандаша.
На фиг. 1 изображен сварочный карандаш в состоянии хранения и транспортировки.
Предлагаемый сварочный карандаш выполнен в виде тонкостенной формованной трубки (1) с внутренним конусом, с переходником (2) и ограничительным упором (3), заглушенной с одной стороны, в которую с другой стороны установлен прессованный термитный стержень (4), при этом на трубку (1) со стороны размещения стержня (4) плотно надет футляр-держатель (5) в виде тонкостенной трубки, торец которого снабжен заглушкой (6) или тонкостенной трубкой (1) с переходником (2) и упором (3) для возможности удлинения футляра держателя точно таким же футляром от другого сварочного карандаша, длина которого равна или больше суммарной длины трубки (1) и выступающей части термитного стержня (4). Футляр-держатель (5) выполнен с возможностью его переустановки на трубке (1) со стороны противоположного торца по переходнику (2) до ограничительного упора (3). Сварочный карандаш укомплектован термитной спичкой (7).
Футляр сварочного карандаша обладает герметичностью, большой механической прочностью и снабжен фиксатором, играющим роль запирающего замка.
Подготовка устройства к работе
Футляр-держатель (5) снимают с трубки (1) и надевают на нее с другой стороны по выступающему переходнику (2) до упора (3), обеспечивая удобство использования устройства в процессе сварки и открывая выступающий из трубки (1) термитный стержень (4). В таком положении сварочный карандаш удобен и безопасен в работе, обеспечивает возможность сварки как обычным электродом при электродуговой сварке плавлением. Далее с помощью термитной спички (6) термитный стержень поджигают, при этом начинается термитная реакция, распространяющаяся вдоль его оси. Взявшись рукой за футляр-держатель (5), сварщик прижимает термитный стержень горящим концом к свариваемому металлу и через 3-4 секунды после прогревания металла спиралевидными движениями производит сварку.
При изменении состава сварочного стержня возможно проведение как сварки и наплавки, так и резки металла.
Состав футляра
2
3
3
3
2
Тонкостенная трубка и футляр-держатель выполнены из лакированной бумаги, покрытой полиуретановым лаком, или профилированного полипропилена (-CH-CH(CH)-)n - высокого давления - 98%, с ориентируемыми вдоль своей оси молекулами, с антипиритной добавкой в виде бората цинка (2ZnO*3BO) или гидроксида магния (природного молотого брусита) Mg(OH). - 2%
Состав стержня
2
3
2
4
4
4
2
2
4
7
4
2
2
3
В качестве оксида используют химически чистый оксид железа FeO с размером частиц 30-50 Мкм (микрон). В качестве горючего вводят мелкодисперсный порошок алюминия (Al) с размером частиц 30-50 Мкм в размере 20-27% массы, дополнительно в состав вводят 1,5-5% (BaS) сульфат бария, 4-6,5% сплава Cu Al (46% Al), 4,5-6% порошка магния (Mg), размолотого до размеров 40-50 Мкм, 0,5-1% массы гидрида металла (TiH), в качестве разрыхлителя шлаков вводят 0,5-1,5% соли Мора (FeSO⋅(NH)2SO⋅6HO) - соль закиси железа и аммония, размолотую до размера 40-50 Мкм, 2-3% декагидрата тетрабората натрия NaBO безводного (бура), размолотого до размеров нанопорошка, 5-7% массы сплава FeMn - (1:1) ферромарганца, предварительно размолотого до 50 Мкм, 0,5-0,8% массы сплава ВТ-6 (бериллий-титан), 1-3% массы (CaSO X 2HO) сульфат кальция, 0,5-2,5% массы соды кальцинированной (NaCO),а также 3-8% размолотого до размеров нанопорошка флюса для электрошлаковых технологий АНФ-6-1, состоящего %
CaF<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
C
TiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
S
P
Основа
25-31
не более
8.0
2.5
0.05
0.05
0.5
0,02
0,02
В качестве связующего применяют 4-12 масс. % водного раствора смеси натрий-карбоксилметилцелюлозного клея (КМЦ) и поливинилового спирта смешанных в пропорции 1/3 в количестве 8-1.5% мас. % сверх массы вышеперечисленных компонентов термитной смеси.
В случае сварки:
Указанные компоненты берут в следующем соотношении:
Алюминий
20-27%
BaS сульфат бария
1,5-5%
Сплав CuAl
4-6,5%
Mg (Магний)
4,5-6%
Гидит титана TiH<sub>2</sub>.
0,5-1%
FeSO<sub>4</sub>⋅(NH<sub>4</sub>)2SO<sub>4</sub>⋅6H<sub>2</sub>O (Соль Мора)
0,5-1,5%
декагидрат тетрабората натрия
Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub> безводный(бура) нанопорошок
2-3%
FeMn (ферромарганец)
5-7%
Сплав ВТ-6 (бериллий-титан)
0,5-0,8%
CaSO<sub>4</sub> X 2H<sub>2</sub>O Сульфат кальция
1-3%
Сода кальцинированная (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)
0,5-2,5%
Флюс АНФ-6-1 нанопорошок
3-8%
Оксид трехвалентного железа
Остальное
В случае акцентирования резки металла:
все компоненты берутся в той же последовательности, но дополнительно вводится cepa (S), техническая обеспечивающая сверхтекучесть образовывающихся шлаков в размере 0,8-1,5% массы.
2
4
7
Размолотый до размеров нанопорошка флюс АНФ-6-1 обволакивает при тщательном и продолжительном перемешивании все частички состава обеспечивая при реакции восстановления высокую текучесть шлака, снижая температуру его плавления. Введенный нанопорошок декагидрат тетрабората натрия NaВO безводный (бура) обволакивает при тщательном и продолжительном перемешивании все частички состава, выполняя при реакции восстановления роль растворителя поверхностных пленок окислов металлов. Обеспечивая высокую текучесть шлака, снижает температуру его плавления.
4
4
4
2
FeSO⋅(NH)2SO⋅6HO (соль Мора) служит разрыхлителем твердых шлаков, образовавшихся в процессе горения термита, обеспечивает высокую текучесть шлаков и препятствует в результате химического взаимодействия с плавиковым шпатом CaF2 дымообразованию.
Сплав CuAl понижает температуру кипения металла.
Сульфат бария BaS облегчает воспламенение состава.
2
Гидрид металла титан TiH - предотвращает окисление алюминия и предназначен для получения защитной атмосферы при термообработке изделия.
Сплав ВТ-6 (бериллий-титан) - катализатор процесса.
4
2
CaSO X 2HO (сульфат кальция) обеспечивает более высокий темп десульфурации металла (количества удаляемой серы в единицу времени) и дефосфации (удалению фосфора).
2
3
Сода кальцинированная (NaCO) обеспечивает улучшение экологических условий труда повышением экранирования сварочного шва.
Флюсы вводят в сварочную ванну различными способами: наносят в виде паст на кромки свариваемых деталей, в виде порошков или газов, вводимых непосредственно в сварочную дугу или пламя и т.д. К основным требованиям, предъявляемым к сварочным флюсам, относят:
- температура плавления флюсов должна быть ниже температуры плавления основного и присадочного металла;
- флюсы не должны оказывать вредного воздействия на металл во время сварки, а также после ее окончания;
- плотность флюсов должна быть меньше плотности свариваемых металлов;
- в расплавленном состоянии флюсы должны хорошо растекаться по поверхности металла и активно реагировать с образовавшимися окислами ванны;
- образовавшиеся при сварке шлаки должны легко отделяться от поверхности наплавленного металла.
Флюсы АНФ-6-1 для дуговой сварки используют для защиты от вредных воздействий атмосферных газов и металлургической обработки сварочной ванны. Их введение обеспечивает хорошее качество шва за счет поддержания устойчивого процесса сварки, формирования химического состава, механических свойств сварных соединений и легкой отделяемости шлаковой корки от поверхности. Швы получаются плотными и не склонными к кристаллизационным трещинам.
2
3
4
Замена железной окалины на чистый оксид трехвалентного железа (FeO) позволяет протекать реакции восстановления из окисла не столь бурно, как при использовании окиси закиси железа FeO.
Сплав ферромарганца добавляют для более сильной смачиваемости металлов, подвергающихся сварке.
2
3
3
4
3
Применение смеси натрий-карбоксилметилцеллюлозного клея и поливинилового спирта обусловлено при изготовления термитного стержня. Поскольку окись железа (FeO) обладает высокими абразивными свойствами и способствует быстрому износу прессовочной формы, то введение поливинилового спирта, служащего одновременно смазывающим для стенок прессовочной формы и склеивающим для частичек состава изделия, облегчает изготовление изделия на прессе, повышая износоустойчивость прессовочной формы и образование енольных форм (связей), возникающих при термообработке изделия в результате взаимодействия слабого раствора уксусной кислоты, получившейся при нагревании поливинилового спирта и алюминия, обеспечивающих образование коллоидно-гелевой системы с высокими реологическими свойствами. Обеспечивается механическая жесткость изделия, а натрий-карбоксилметиллцелюлозный клей (КМЦ) является катализатором перехода FeO в Fe2O при нагревании.
Пример №1
2
4
4
4
2
2
4
7
4
2
2
3
2
2
Мелкодисперсный порошок алюминия в количестве 20% массы смешали с 1,5% массы порошка (BaS) сульфата бария, 5% массы сплава порошка CuAl, 4,5% массы порошка Mg магния, 0,5% массы гидрида металла титан (TiH), 0,5% массы FeSO⋅(NH)2SO⋅6HO соли Мора, 2% массы декагидрата тетрабората натрия NaBO безводного (бура), 5% массы FeMn (ферромарганец), 0,5% сплава ВТ-6 (бериллий-титан), 1% массы (CaSO X 2HO) сульфата кальция, 1% массы соды кальцинированной (NaCO), 3% массы нанопорошка флюса АНФ - 6-1, остальное в % массы порошок окиси железа. После перемешивания массы с 8% десятипроцентного водного раствора натрий-карбоксилметилцелулозного клея (КМЦ) в смеси с поливиниловым спиртом в пропорции 1/3 отпрессовали на прессе термитный стержень  диаметром 14 мм и длиной 150 мм. Сваривали уголки из стали 3. Зажигание осуществляли термитной спичкой. После окончания термической реакции образовался шов, покрытый гладким слоем окалины. После того как окалину отбили молотком, стал виден образовавшийся шов. После отпиливания образца шва шириной 10 мм и разрушения его на разрывной машине были выяснены характеристики шва - 22-26 кг/мм, в то время как шов, полученный в результате сварки обычным термитным составом, не содержащим рекомендованные добавки,  выдержал нагрузку только 18 кг/мм.
Табл. №1
Результаты сварки термитными составами:
№
Компоненты
масса % ОБР. №1
масса % ОБР. №2
Масса % Обр №3
Результат испытаний на разрыв кг/мм<sup>2</sup>
Обр №1
Обр №2
Обр №3
1
алюминий
20
25
27
22
24
26
2
BaS Сульфат бария
1.5
2
3
3
сплав CuAl
4
6
6,5
4
Mg магний
4.5
5,5
6
5
гидрид металла: титан (TiH<sub>2</sub>)
0,5
0,7
0,8
6
FeSO<sub>4</sub>⋅(NH<sub>4</sub>)2SO<sub>4</sub>⋅6H<sub>2</sub>O соль мора
0,5
1
1,5
7
декагидраттетрабората натрия Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub> безводный (бура) нанопорошок
2
2,5
3
8
FeMn (ферромарганец)
5
6
1
9
Сплав ВТ-6 (бериллий-титан)
0,5
0,7
0,8
10
CaSO<sub>4</sub> X 2H<sub>2</sub>O Сульфат кальция
1
2
3
11
сода кальцинированная (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)
0,5
2,5
12
флюс АНФ-6-1 нанопорошок
3
5
13
оксид железа /3/
остальное
остальное
остальное
Как видно из полученных результатов, применение рекомендованных добавок позволяет не только получить более качественный шов, но и повысить прочность шва.
При добавлении в тот же состав 1,5% серы (S) образуются сверхтекучие шлаки, позволяющие производить резку металла.
Табл. №2
Результаты резки термитными составами:
№
компоненты
масса % ОБР. №1
масса % ОБР. №2
масса % Обр. №3
Результат испытаний, резка прутка диаметр 20 мм
Обр. 1
Обр. 2
1
алюминий
20
25
27
12 сек.
11 сек.
9 сек
2
BaS Сульфат бария
1.5
2
3
3
сплав CuAl
4
6
6,5
4
Mg магний
4,5
5,5
6
5
гидрид металла титан - (TiH<sub>2</sub>)
0,5
0,7
0,8
6
FeSO<sub>4</sub>⋅(NH<sub>4</sub>)2SO<sub>4</sub>⋅6H<sub>2</sub>O соль мора
0,5
1
1,5
7
декагидраттетрабората натрия Na2B4O7 безводный (бура)нанопорошок
2
2,5
3
8
FeMn (ферромарганец)
5
6
7
9
сплав ВТ-6 (бериллий-титан)
0,5
0,7
0,8
10
CaSO<sub>4</sub> X 2H<sub>2</sub>O Сульфат кальция
1
2
3
11
сода кальцинированная (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)
0,5
2
2,5
12
флюс АНФ-6-1 нанопорошок
3
4
5
13
оксид железа /3/
остальное
остальное
остальное
14
сера техническая (S)
0,8
1
1,5