Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №9

Для того, чтобы определить КПД термитного стержня, выделяющего тот или иной присадочный материал, необходимо рассмотреть процесс нагрева при данном виде сварки.

При нагреве металла термитными стержнями теплоперенос осуществляется расплавленной смесью металла и шлака, а в случае наличия в термите газовой фазы — газовой струей. Приближенно можно считать, что теплоперенос осуществляется в основном расплавленным металлом по следующей схеме: перегрев металла до температуры 2600–2800 °C в ядре реакции, перенос металла на холодную поверхность детали, кристаллизация части металла с выделением теплоты кристаллизации, теплообмен между кристаллизованным металлом и свариваемым.

Учитывая, что часть металла, попадающая на холодную поверхность свариваемого изделия, кристаллизуется с высокой скоростью, этот процесс теплообмена может быть описан достаточно корректно граничными условиями четвертого рода. Если контактную температуру кристаллизованного металла считать долей температуры поступающего термитного металла, то именно эта доля окажется равной КПД.

В этом случае КПД термитного стержня будет:

η = ε_T/(ε_T + ε

_M)

Это выражение показывает, что тепловой КПД термитного стержня тем выше, чем больше разность между коэффициентами тепловой активности выделяющегося и свариваемого металла.

Формулы расчета мощности сварочного стержня показывают, что для нагрева до одинаковой температуры образцов одинаковой толщины термитный стержень с железным термитом должен обладать мощностью в 1,4 раза большей, чем такой же стержень с медным термитом (рис. 1).

Рис. 1. Необходимая тепловая мощность термитных стержней, выделяющих медь (1) и сталь (2) до Т=1100 °C

Как видно, получение высоких температур нагрева свариваемого материала за счет использования стержня с железным термитом затруднительно. Если же учесть, что для сварки изделий из железоуглеродистых сплавов температура нагрева должна составлять 1550 °C, можно определить причину неудач, которые сопровождали сварку термитными стержнями на базе стандартного железного термита.

Как известно, при сварке значительное влияние на процесс оказывает не только мощность теплового источника, но и время, за которое устанавливается необходимая температура нагрева. Иными словами, большое значение имеет время теплового насыщения.

Время теплового насыщения определялось путем моделирования процесса повышения температуры свариваемого металла с учетом теплообмена по граничным условиям четвертого рода и передаточной функции температуры.

где Т_0T, Т_0M — начальные температуры свариваемого и термитного металлов,

ε_T и 

ε_M — коэффициенты тепловой активности свариваемого и термитного металлов,

Z — толщина свариваемого металла,

t — время нагрева.

Результаты расчетов приведены на рис. 2 и 3.

Рис. 2.Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем, выделяющим медь, от времени разогрева на поверхности (1) и на глубине 3 мм (2)

Рис. 3.Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем, выделяющим железо от времени разогрева на поверхности (1) и на глубине 3 мм (2)

Как видно, в системах Cu-сталь нагрев металла на глубинах 3–4 мм до температуры плавления меди или даже до температуры плавления стали осуществляется за приемлемый промежуток времени до 15 с, который может быть сокращен за счет большего перегрева термитного металла при использовании соответствующей рецептуры.

Использование термитных стержней системы Fe-сталь в настоящее время наталкивается на большие трудности, т. к. время нагрева свариваемой стали до температуры плавления чрезвычайно велико, что влечет использование термитных стержней большой длины, а это технологически и экономически нецелесообразно. Термитные стержни этой системы, имеющие обычную длину 150–200 мм, при наиболее распространенных скоростях горения 5–8 мм/с не могут обеспечить разогрев свариваемого металла до необходимой температуры за время своего горения, в результате чего сварка невозможна.

Необходимые мощности термитных стержней системы Cu-сталь, изготовленных из уплотненных ТЭС, находятся в пределах 10–20 кВт при сварке толщин 1-10 мм.

Максимальный КПД термитного стержня может быть получен в том случае, если коэффициент тепловой активности термитного металла как можно больше коэффициента тепловой активности свариваемого металла.

Время теплового насыщения до температур сварки у системы Cu-сталь находится в приемлемых пределах, что может быть реализовано при сварке. Системы, где в качестве термитного металла выделяется железо, в настоящее время трудно реализуемы.