"ЭРС" ЭКСПРЕСС РЕЗКА И СВАРКА

Устройство для термитной сварки и резки (в дальнейшем «ЭРС») предназначено для термитной резки металлических конструкций изготавливаемых из стали: Ст3кп, Ст3сп, Ст3пс, ВСт3кп2, КСт3пс2 - (арматура, пруток) и малоуглеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества выпускаемых в виде проката и стальных фасонных гнутых профилей изготавливаемых из стали марок Ст0, Ст1, Ст2, Ст3 и стали марок от 08 до 25 (уголок, труба квадратного, прямоугольного и круглого сечения), цветных металлов. «ЭРС» может быть использован для сварки, неответственных узлов крепления, создания горизонтальных, вертикальных и наклонных швов в деталях из малоуглеродистых конструкционных сталей, 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, а так же
- термообработки - отжиг, закалка, отпуск;
- химико-термической обработки;
- термомеханической обработки - для упрочнения металла.
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, бензина или газовые баллоны. Наиболее приемлемым со всех точек зрения следует считать применение в качестве зажигательного состава железо-алюминиевый термит.
Известен термитный стержень и состав термитной смеси для сварки и наплавки металлической конструкции (Патент RU 1833272,  B23K 23/00, опубл. 07.08.93 г.). Термитный стержень выполнен в виде сформированной в цилиндр термитной смеси с оболочкой из негорючего материала с температурой плавления ниже максимальной температуры горения термитной смеси, но выше температуры плавления металлоконструкции. Устройство термитного стержня позволяет обеспечить кумуляцию энергии горения термитной смеси в месте сварки, наплавки, следствием которой является возможность использования его в полевых условиях (сварки, наплавки), но реализация термитного стержня обеспечивает получение только горизонтального шва. Состав же термитной смеси выбирается в зависимости от его назначения, например, для сварки стальных изделий используют смесь порошка алюминия (23 мас. %) и железной окалины (77 мас. %) дисперсностью 0,3-0,6 мм и плотностью в прессованном состоянии 3,0 - 3,4 кг/смЗ.
Известно устройство для термитной сварки, выполненное в виде сварочного карандаша, содержащего тонкостенный пенал-держатель из горючего материала и тонкостенную трубку, заполненную термитной смесью, при этом пенал-держатель имеет длину не менее длины трубки, а устройство снабжено заглушкой, закрывающей трубку с одного торца, на расстоянии от которого, равном 0,25-0,35 длины трубки, размещен ограничительный упор из горючего материала, причем термитная смесь расположена с противоположной стороны трубки, а пенал-держатель выполнен с возможностью его переустановки на трубке с противоположных сторон до ограничительного упора (патент RU 2139174, МПК B23K 23/00, публ. 1999 г.). Однако бумажная трубка не обеспечивает достаточную герметизацию изделия.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения 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.
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств, используемых при термитной сварке металлов, и создание простого и удобного устройства, обеспечивающего качественную и надежную сварку в различных производственных и бытовых условиях.
Общий технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении качества процесса резки и сварки за счет выбора состава термитного стержня, удобства, транспортировки и хранения в неблагоприятных климатических условиях.
4
Технический результат достигается тем, что «ЭРС» для термитной резки или сварки, содержит тонкостенную формованную трубку с внутренними продольными ребрами жесткости, с переходником и ограничительным упором, заглушенную с одной стороны прозрачной заглушкой, наполненную слоем гранулированного индикаторного силикагеля на глубину не менее 1/3 длины трубки, заглушенного фетровым пыжом, со вставленным по ребрам жесткости для плотной посадки на глубину не менее 1/3 ее длины сформованным термитным стержнем, утянутого скотчем, трубчатый тонкостенный футляр-держатель заглушенный с одной стороны прозрачной заглушкой, наполненную слоем не менее 1,5-2 см гранулированного индикаторного силикагеля, заглушенного фетровым пыжом или тонкостенной трубкой с переходником и ограничительным упором, заглушенной с одной стороны прозрачной заглушкой, наполненную на глубину не менее 1/3 длины слоем гранулированного индикаторного силикагеля, заглушенного фетровым пыжом, 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. Термитная спичка доукомплектовывающая «ЭРС» может быть обработана для лучшего воспламенения смесью перхлората калия (KaClO) и естественных абразивных минералов на основе песчаника и мелкокристаллических кварцевых пород, либо из искусственных абразивных материалов - электрокорунда и карбида кремния. «ЭРС» по необходимости может быть доукомплектован электрическим запалом или переходно-терочным составом для механического запуска. Согласно изобретению, формованная тонкостенная трубка и футляр-держатель выполнены из армированной лакированной бумаги, или методом горячего литья под давлением, или экструзионного профилированного самозатухающегося полимерного материала с антипиритной добавкой. Термитная смесь использована в виде стержня выполненного методом холодной экструзии или прессования с оболочкой из скотча или горючего пленочного термоусадочного рукава изготовленного из полиолефиновой термоусадочные пленки на основе линейного полиэтилена. Торцы стержня герметезированны корабельным лаком, при этом стержень установлен в упомянутой трубке одним концом, термитный стержень сформован из термитной смеси, имеющей состав, мас. %:
Алюминий
20-27
Si-кремний (нанопорошок)
1,5-5
<u>Cr-хром</u>
<u>4-10</u>
Ni-никель
2,5-12
Mo- молибден
0,5-4
<u>Cr2O3 окись хрома</u>
<u>0,2-5</u>
Fe-железо
0,3-8
<u>Воск</u>
<u>0,5-2</u>
<u>Na2B4O7(безводный(бура)</u>
<u>0,5-1,5</u>
<u>C2N4H4, NH2C(=NH)NH-C=N дициандиамид</u>
<u>0,5-8</u>
<u>FeMn (ферромарганец)</u>
<u>5-7</u>
<u>S-cepa</u>
<u>0,1-0,8</u>
<u>В-бор</u>
<u>0,3-5</u>
TiO - окись титана
0,5-2,5
флюс АН-60 или ФВТ-1 нанопорошок
0,3-4,5-
<u>G-графит (нанопорошок)</u>
<u>0,8-4</u>
<u>Стеарат цинка C36H70O4Zn/Zn(C18H3502)2</u>
<u>0,3-0,5</u>
<u>Оксид трехвалентного железа остальное</u>
<u>остальное</u>
а также содержащей связующее в виде 4-12 мас. % водного раствора смеси натрий-карбоксиометилцелюлозного клея (КМЦ) и поливинилового спирта марок 6,1 - 8,1-16,1 международное название (ПВС, PVOH, PVA или PVAL) 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 армированной бумаги или экструзионного профилированного самозатухающегося полимерного материала с антипиритной добавкой, снабженных по концам слоем индикаторного силикагеля видимого через прозрачную заглушку, уплотненного фетровыми пыжами, позволяет не только герметизировать термитный стержень, защищая его от воздействия влаги и других механических воздействий окружающей среды, но и обеспечить необходимую прочность изделия. Экспериментально подобранные ингредиенты термитной смеси и их соотношения, обеспечивает хорошее покрытие сварочного шва равномерно распределяющимися шлаками образовывающимися в процессе сварки. Использование нанопорошков при изготовлении термитного стержня обеспечивает практически полную негигроскопичность изделия, но в тоже время использование поливинилового спирта способствует образованию комплекса енольной формы в соединениями с металлами, позволяющего создать внутренний скелет изделия из нанографитовых трубок, создающих еще большую прочность изделия. Использование термоусадочного рукава из полиолефиновой термоусадочные пленки на основе линейного полиэтилена не только придает линейную прочность формованному стержню из термитной смеси обеспечивая прекрасный внешний вид, позволяя нанести на изделие манипуляционные знаки, но и обеспечивает производство работы в самых неблагоприятных условиях (в частности под водой). Все перечисленное повышает удобства эксплуатации сварочного карандаша.
Предложенное изобретение поясняется фигурой 1, на которой изображен: «ЭРС» в состоянии хранения и транспортировки;
Пояснение к фигуре №1
«ЭРС» выполнен в виде тонкостенной формованной трубки (1) с внутренними продольными ребрами жесткости (на чертеже не показаны), с переходником (2) и ограничительным упором (3), заглушенной с одной стороны прозрачной заглушкой (4), наполненную на глубину не менее 1/3 длины трубки индикаторным силикагелем (5),уплотненного фетровым пыжом(6) в которую с другой стороны по ребрам жесткости вставлен на глубину не менее 1/3 ее длины прессованный термитный стержень (7), утянутый скотчем или горючим пленочным термоусадочным рукавом изготовленным из полиолефиновой термоусадочные пленки на основе линейного полиэтилена (на чертеже не указан), при этом на трубку (1) со стороны размещения стержня(7) плотно надет футляр-держатель (8) в виде тонкостенной трубки, торец которого снабжен прозрачной заглушкой (9), наполненный на глубину 1.5-2 см. слоем индикаторного силикагеля (10), уплотненного фетровым пыжом (11). Футляр-держатель (8) выполнен с возможностью его переустановки на трубке (1) со стороны противоположного торца по переходнику (2) до ограничительного упора (3). Нумерация на фигуре №1
1. тонкостенная формованная трубка
2. переходник
3. ограничительный упор
4. прозрачная заглушка
5. индикаторный силикагель
6. фетровый пыж
7. термитный стержень
8. тонкостенный трубчатый футляр держатель
9. прозрачная заглушка
10. индикаторный силикагель
11. фетровый пыж
12. термитная спичка
13. терочный состав
Тонкостенная трубка и футляр-держатель выполнены из армированной лакированной бумаги или профилированного самозатухающегося полимерного материала с антипиритной добавкой. Футляр сварочного карандаша обладает герметичностью, большой механической прочностью и утянут термоусадочным рукавом из полиолефиновой термоусадочной пленки на основе линейного полиэтилена играющей роль защиты от влаги и внешних воздействий терочного состава.
Подготовка устройства к работе:
Футляр-держатель (8) 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 (7). В таком положении сварочный карандаш удобен и безопасен в работе, обеспечивает возможность резки или сварки как обычным электродом при электродуговой сварке плавлением.
Далее с помощью термитной спички (12) термитный стержень поджигают, чиркая о терочный спичечный состав (13) нанесенный на футляр держатель, при этом начинается термитная реакция, распространяющаяся вдоль оси стержня. Взявшись рукой за футляр-держатель (8), оператор прижимает термитный стержень (7) горящим концом к свариваемому металлу и через 3-4 секунды после прогревания металла спиралевидными движениями производит сварку. При резке необходимо плотно удерживать «ЭРС» на месте предполагаемого реза.
При изменении состава сварочного стержня возможно проведение как сварки и наплавки, так и резки металла.
2
3
3
4
3
4
2
3
3
4
2
3
2
3
2
3
Для изготовления железо-алюминиевого термита чаще применяют не окись железа (FeO), а железную окалину FeO(закись-окись железа). Уравнение реакции горения термита в этом случае следующее: 3FeO+8Al=4AlO+9Fe+802 ккал. Одним из недостатков железо -алюминиевого термита следует считать малую текучесть и быстрое затвердевание образующихся при его горении шлаков. Для изготовления термита берут железную окалину и грубоизмельченный (сито 8-10) порошок алюминия. В данном описании предлагается к производству не окись-закись железа (FeO), а тонко измельченные до размера 30-50 Мкм окись железа FeO и Al алюминиевый порошок такой же фракции. Уравнение реакции горения термита в этом случае следующее: FeO+2Al=AlO+2Fe+805 ккал
Состав футляра:
Тонкостенная трубка и футляр держатель выполнены из армированной лакированной бумаги покрытой полиуретановым лаком или профилированного полипропилена (-СН2-СН(СН3)-)n- высокого давления - 96%
2% ПВХ(поливинилхлорид)
2% антипиритная добавка в виде додекахлордиметилдибензоциклооктан. /13/
Данный антипирен обладает комплексом ценных свойств:
высокая теплостойкость - до 3200С;
высокая светостойкость;
не мигрирует на поверхность;
не пластифицирует полимер;
образует очень мало дыма;
Состав стержня:
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 Si - кремний (нанопорошок) 1,5-5%, Cr-хрома 4-10% размолотого до размеров 40-50 Мкм, Ni-никель 2,5-12%, в качестве замедлителя реакции вводят Cr2O3 окись хрома 0,2-5% размолотую до размера 40-50 Мкм, C2N4H4, NH2C(=NH)NH-C=N дициандиамид 0,5-8%, Fe - железо 0,3-8%, 2-3% декагидрата тетрабората натрия Na2В4O7 безводного (бура) размолотого до размеров нанопорошка, Мо - молибдена 0,5-4% предварительно размолотого до 50Мкм, TiO - окись титана 0,5-2,5%, G-графит (нанопорошок) 0,8-4%, В-бор 0,3-5%, стеарата цинка C36H70O4Zn / Zn(C18H3502) 0,3-0,5%, воска 0,5-2% а также 0,3-4,5% флюса АН-60 - для сварки, или ФВТ-1 для резки, размолотых до размеров нанопорошка.
Флюс АН-60, масс.%:
Флюс ФВТ-1, масс. %:
В качестве связующего применяют 4-12 масс.% водного раствора смеси натрий-карбоксилметилцелюлозного клея (КМЦ) и поливинилового спирта смешанных в пропорции 1/3 в количестве 8-15% масс. % сверх массы вышеперечисленных компонентов термитной смеси.
В случае сварки:
Указанные компоненты берут в следующем соотношении:
Алюминий
20-27%
Si-кремний (нанопорошок)
1,5-5%
Cr-хром
4-10%
Ni-никель
2,5-12%
Mo- молибден
0,5-4%
Cr2O3 окись хрома
0,2-5%
Fe-железо
0,3-8%
C2N4H4, NH2C(=NH)NH-C=N дициандиамид
0,8-8%
Воск
0,5-2%
Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub>(безводный(бура)
0,5-1,5%
FeMn (ферромарганец)
5-7%
S-cepa
0,1-0,8%
В-бор
0,3-5%
TiO - окись титана
0,5-2,5%
флюс АН-60 нанопорошок
0,3-4,5%
G-графит (нанопорошок)
0,8-4%
Стеарат цинка C36H70O4Zn/Zn(C18H35O2)2
0,3-0,5%
Оксид трехвалентного железа
остальное
В случае резки все компоненты берутся в той же последовательности, но дополнительно вводится cepa(S) техническая обеспечивающая сверхтекучесть образовывающихся шлаков в размере 0,1-0,8% массы.
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.
Размолотые до размеров нанопорошка Флюсы АН-60 или ФВТ-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
4
7
нанопорошок декагидрат тетрабората натрия NaBO 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 и снижает температуру его плавления.
Cr2O3 окись хрома - понижает температуру кипения металла.
Стеарат цинка C36H70O4Zn / Zn(C18H3502)2 (0,3-0,5%) и воск используются для формования состава- облегчая выход деталей из полости матрицы пресса.
2
3
Кремний, хром, никель и молибден являются основными компонентами при проведении сварочных работ, снижая температуру кипения термита, обеспечивая хорошую аустенизацию металла и прилипаемость к месту сварки. TiO окись титана при нагревании до высокой температуры и взаимодействии с G-графитом восстанавливается до Ti(титана), являющегося легирующей добавкой при получении восстановленного из (окиси железа) FeO металла.
3
4
C2N4H4, NH2C(=NH)NH-C=N дициандиамид используется как горючее и одновременно как пламягаситель, Fe (железо) используется для понижения температуры кипения. FeMn (ферромарганец) - повышает твердость стали и ее антикоррозийные свойства. Замена железной окалины на чистый оксид трехвалентного железа (Fe2O3), позволяет протекать реакции восстановления из окисла не столь бурно как при использовании окиси закиси железа FeO.
2
3
3
4
2
3
Применение смеси натрий - карбоксилметилцелулозного 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 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. Таким образом, обеспечивается механическая жесткость изделия, а натрий - карбоксилметиллцелюлозный клей(КМЦ) является катализатором перехода FeO в FeO при нагревании.
Пример:
Мелкодисперсный порошок алюминия в количестве 20% массы смешали с 1,5% массы порошка Si-кремний, 3% порошка Cr-хром, 8% порошка Ni никеля, 2% порошка Мо молибдена, 3,5% окиси хрома Cr2O3, C2N4H4, NH2C(=NH)NH-C=N дициандиамида - 3% массы, Fe(железа) 4,5% массы, 2% массы декагидрата тетрабората натрия Na2В4O7 безводного (бура), 5% массы порошка Fe-железа, 2% гранулированного воска, 5% ферромарганца FeMn,1% массы бора-В), 3% массы нанопорошка флюса АН-60, 0,8% порошка графита-G. Остальное в % массы Fe2O3 - порошок окиси железа/3/. После перемешивания массы с 8% десятипроцентного водного раствора натрий-карбоксилметилцелулозного клея (КМЦ) в смеси с поливиниловым спиртом в пропорции 1/3, получили методом холодной экструзии термитный стержень ф-15 мм и длиной 500 мм. Отрезали кусок - 150 мм. После спекания изделия при Т-400 С цельсия. Сваривали уголки из стали 3сп. Зажигание осуществляли термитной спичкой. После окончания термической реакции образовался шлаковый валик 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 ИМ-4Р были выяснены характеристики шва - 20-26 кг /мм кв. в то время как шов полученный в результате сварки обычным термитным составом, не содержащим рекомендованные добавки /согласно прототипу/ выдержал нагрузку только 18 кг/мм кв.
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 0,8% серы (S) образуются сверхтекучие шлаки позволяющие производить резку металла.