конструкция сварочного аппарата-резака с функцией напыления

Формула изобретения

1. Сварочный аппарат-резак для резки металлов и неметаллов или проведения сварки, или заварки, или наплавки, содержащий экзотермический стержень и стержнедержатель, отличающийся тем, что экзотермический стержень обернут бумагой и состоит из фитиля и экзотермической газогенерирующей части, стержнедержатель выполнен из жаропрочного конструкционного материала с полостью для размещения в ней с возможностью фиксации экзотермического стержня, содержит рукоятку, форсунку и имеет защитное жаропрочное огнеупорное покрытие на внутренней поверхности форсунки и упомянутой полости, экзотермическая газогенерирующая часть стержня содержит экзотермический состав для твердотопливных ракетных двигателей с добавлением связующего и замедлителей горения, при горении которого не образуется веществ, химически взаимодействующих с материалом обрабатываемой детали, огнеупорным жаропрочным покрытием полости и форсунки стержнедержателя, подобранный расчетным путем в зависимости от его назначения, при этом в экзотермических стержнях для резки использован замедлитель горения первого типа в виде стандартного замедлителя горения, применяемого в твердотопливных ракетных двигателях, выбранный из условия образования при горении экзотермического состава газогенерирующей части стержня только газообразных продуктов горения, в экзотермических стержнях для сварки, или заварки, или наплавки использован либо замедлитель горения первого типа, либо замедлитель горения второго типа, состав которого подобран в зависимости от материала свариваемых деталей из условия получения при горении экзотермического состава металла, аналогичного по химическому составу металлу свариваемых деталей или наплавляемых покрытий, а в экзотермических стержнях для напыления использован замедлитель горения третьего типа, который состоит из порошка напыляемого состава.

2. Сварочный аппарат-резак по п.1, отличающийся тем, что в качестве замедлителя горения второго типа использован стальной порошок и порошок сварочного флюса, в частности, порошок СаF₂.

3. Сварочный аппарат-резак по п.1 или 2, отличающийся тем, что экзотермические стержни имеют четырехгранную или круглую форму.

4. Сварочный аппарат-резак по п.1 или 2, отличающийся тем, что стержнедержатель выполнен из стали.

5. Сварочный аппарат-резак по п.1 или 2, отличающийся тем, что фиксация экзотермического стержня осуществлена посредством завинчивающейся крышки.

6. Сварочный аппарат-резак по п.1 или 2, отличающийся тем, что покрытие внутренней полости и форсунки стержнедержателя выполнено керамическим.

7. Сварочный аппарат-резак по п.1 или 2, отличающийся тем, что экзотермический стержень содержит порох.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварочному производству.

Известна конструкция "Сварочный карандаш", раскрытое в RU 2139174 С1, МПК 7 В 23 К 23/00, имеющая следующее устройство: "Сварочный карандаш, содержащий тонкостенную трубку, заполненную термитной смесью, отличающийся тем, что он снабжен трубчатым тонкостенным пеналом-держателем из горючего материала длиной не менее длины трубки, с возможностью его плотной установки на нее, и заглушкой, закрывающей трубку с одного торца, на расстоянии от которого, равном 0,25-0,35 длины трубки, размещен ограничительный упор из горючего материала, при этом термитная смесь расположена с противоположной стороны трубки, а пенал-держатель выполнен с возможностью его переустановки на трубке с противоположных сторон до ограничительного упора".

А также известна конструкция "Экзотермический сварочный стержень", патент России № 2169066, автор - Новохацкий И.В., согласно которому: "Изобретение предназначено для проведения сварки, наплавки и заварки в полевых и экстремальных условиях без применения электроэнергии, газа и специального оборудования.

Стержень имеет четырехгранную форму. Запальная часть стержня включает в себя порошок магния, хлората калия и связующее. Сварочная часть стержня включает железоалюминиевый термит с легирующими добавками. Ручка стержня изготовлена из смеси кварцевого песка и связующего.

Недостатком описанных выше конструкций является высокая себестоимость стержней из-за использования в них порошка алюминия (Al). Также недостатком этих конструкций является невозможность производить напыление материалов с их помощью.

Задачей данного изобретения является создание сварочного аппарата-резака, с возможностью выполнять все функции описанных в разделе “Уровень техники” конструкций и дополнительно с возможностью производить напыление материалов и при этом иметь меньшую себестоимость производства используемых в этой конструкции стержней.

Сущностью данного изобретения является отказ от использования алюминиевого термита и смеси порошка алюминия с порошком хлората калия, и переход на изготовление экзотермических стержней на основе дешевых экзотермических составов для твердотопливных ракетных двигателей, например составов, использующих реакцию: NH₄NO₃ + С Н₂О + СО₂ +N₂ .

Также сущность данного изобретения заключается в изготовлении конструкции сварочного аппарата-резака с функцией напыления из двух частей, первая часть из которых - это набор экзотермических стержней 4-гранной, круглой или любой другой удобной формы (см. фиг.1, состоящих из фитиля и экзотермической газогенерирующей части и, обернутые бумагой, вставляющихся во вторую часть - специальный стержнедержатель с форсункой (см. фиг.2), выполненный из жаропрочного конструкционного материала, например, из стали, имеющий полость, в которую вставляется экзотермический стержень, выполняемый с возможностью фиксации экзотермического стержня, например, при помощи завинчивающейся крышки (см. фиг.2), выполняемый с возможностью защиты внутренней поверхности полости и форсунки специальным огнеупорным и жаропрочным покрытием, например керамическим, для повышения сроков службы, имеющий приспособление для держания, например пистолетную рукоятку (см. фиг.2).

Экзотермическая газогенерирующая часть экзотермического стержня выполняется с добавлением связующего из экзотермического состава для твердотопливных ракетных двигателей, например порохового, при горении которого не образуется веществ, химически взаимодействующих с материалом обрабатываемой детали и замедлителя горения, и огнеупорного жаропрочного покрытия полости и форсунки стержнедержателя, в который добавляются замедлители горения, состав которых зависит от вида операции, для которой предназначен данный стержень, а именно: резки, сварки, заварки, наплавки и напыления. Используются замедлители горения трех типов:

1 тип) Для резки, сварки, заварки и наплавки используются стандартные замедлители горения, применяемые в твердотопливных ракетных двигателях, отвечающие требованию, при горении экзотермического состава экзотермической газогенерирующей части стержня образуются только газообразные продукты горения, не взаимодействующие химически с огнеупорным жаропрочным покрытием внутренней полости и форсунки стержнедержателя. Состав компонентов экзотермического состава экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня определяется расчетом.

2 тип) Для сварки, заварки и наплавки также используются замедлители горения, состав которых подбирается в зависимости от материала свариваемых деталей таким образом, чтобы при сгорании экзотермического состава экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня получать металл, аналогичный по химическому составу металлу свариваемых, завариваемых деталей, наплавляемых покрытий, и сварочный флюс.

Замедлители горения для сварки, заварки состоят из порошка металла, аналогичного по химическому составу металлу свариваемых, завариваемых деталей, наплавляемых покрытий, например стального порошка, и порошка сварочного флюса, например, порошка СаF₂.

Состав компонентов экзотермического состава экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня определяется расчетом и подбирается так, чтобы не было химического взаимодействия продуктов горения с огнеупорным жаропрочным покрытием внутренней полости и форсунки стержнедержателя.

3 тип) Для напыления замедлители горения состоят из порошка напыляемого состава. Состав компонентов экзотермической смеси экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня определяется расчетом.

Резка, сварка, заварка и наплавка с использованием экзотермических стержней с замедлителями горения 1-го типа, производится струей раскаленных газов, образующихся при горении экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня и вырывающейся из форсунки, и аналогична кислородно-ацетиленовой резке, сварке, заварке и наплавке. Сварка, заварка и наплавка с использованием экзотермических стержней с замедлителем горения 2-го типа производится струей раскаленных газов и одновременно струей расплавленного порошка замедлителя горения, образующихся при горении экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня и вырывающейся из форсунки, и происходит за счет расплавленного порошка металла замедлителя горения под слоем напыляемого флюса на прогретом струей раскаленных газов шве. При этом качеству сварки способствует скоростной напор расплавленного порошка металла, который буквально вжимается в сварочный шов.

Напыление с использованием экзотермических стержней с замедлителем горения 3-го типа производится струей раскаленных газов и одновременно струей расплавленного порошка замедлителя горения, образующихся при горении экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня, и происходит за счет расплавленного порошка напыляемого состава на прогретой струей раскаленных газов поверхности. Качеству напыления способствует скоростной напор расплавленного порошка напыляемого состава, который вдавливает напыляемый состав в напыляемую поверхность.

Данное изобретение позволяет изготавливать сварочные аппараты-резаки с функцией напыления от карманных размеров и больше.

На фиг.1 изображен экзотермический стержень, показаны его части и способы установки фитиля.

На фиг.2 изображен специальный стержнедержатель с форсункой, показана его конструкция.

Согласно данному изобретению сварочный аппарат-резак с функцией напыления состоит из набора экзотермических стержней и специального стержнедержателя с форсункой.

При этом, согласно изобретению, экзотермический стержень (см. фиг.1) состоит из двух частей: 1 - фитиль (1) и 2 - экзотермическая газогенерирующая часть экзотермического стержня, обернутая бумагой (3), причем состав экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня состоит из экзотермического состава для твердотопливных ракетных двигателей, замедлителей горения и связующего.

Экзотермические стержни изготавливают ручной или машинной формовкой в стержневых ящиках или прессованием в пресс-формах на специальных прессах с последующей сушкой до отверждения, при этом температура сушки выбирается ниже температуры, при которой могут загореться используемые фитиль и экзотермический состав для твердотопливных ракетных двигателей. Также, при выборе экзотермических составов для твердотопливных ракетных двигателей, которые при изготовлении твердотопливных ракетных двигателей, заливаются в двигатели в виде расплава и отверждаются при охлаждении, экзотермические стержни можно производить заливкой расплава экзотермической смеси в специальные стержневые ящики с последующим отверждением при охлаждении.

При этом специальный стержнедержатель с форсункой (фиг.2) состоит из следующих частей: корпуса (1), специального огнеупорного и жаропрочного покрытия внутренней поверхности полости и форсунки (2), завинчивающейся крышки (3) приспособления держания - пистолетная рукоятка (4), форсунки (6) и имеет внутреннюю полость (5), в которую вставляется экзотермический стержень.

Способы изготовления корпуса и крышки специального стержнедержателя из жаропрочных конструкционных материалов, например стали, хорошо известны из уровня техники. Также хорошо известны огнеупорные жаропрочные покрытия, например, керамические, их составы и способы нанесения, из уровня техники, например, они широко применяются во многих теплотехнических устройствах.

Расчет состава компонентов экзотермической смеси для экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня определяется расчетом, аналогично расчету состава экзотермического топлива для твердотопливных ракетных двигателей, исходя из указанных в разделе описания “Сущность изобретения” характеристик экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня, причем методы подобных расчетов хорошо известны из уровня техники и базируются на известных в физической химии теплотехнических расчетах горения.

Резка, сварка, заварка, наплавка или напыление при помощи данного сварочного аппарата-резака с функцией напыления состоит из следующих этапов:

1) выбрать из набора экзотермических стержней экзотермический стержень, который подходит для данной операции;

2) вставить экзотермический стержень в стержнедержатель так, чтобы фитиль прошел через форсунку и конец фитиля вышел из нее;

3) зафиксировать стержень, например закрутив завинчивающуюся крышку;

4) поджечь фитиль и после загорания экзотермической газогенерирующей части экзотермического стержня выполнить выбранную операцию, соответствующую выбранному экзотермическому стержню.

Мною были проведены опытно-промышленные испытания предложенной мной конструкции сварочного аппарата-резака с функцией напыления с целью определения рабочих температур, которые развивает данный сварочный аппарат-резак с функцией напыления при использовании различных составов смесей для изготовления экзотермических стержней.

Опытно-промышленные испытания проводились с использованием стержней круглой формы, выполненных согласно фиг.1 данного описания.

Использовались экзотермические стержни двух типоразмеров: диаметром – 10 мм и длиной – 350 мм, а также диаметром – 20 мм и длиной – 350 мм.

Для опытно-промышленных испытаний было изготовлено шестнадцать специальных стержнедержателей, согласно фиг.2 данного описания, из ст.20Х25Н19С2Л. Половина - 8 стержнедержателей выполнялась с диаметром внутренней полости – 11 мм и 8 - с диаметром – 21 мм.

Защитное огнеупорное и жаропрочное покрытие внутренней полости и форсунки стержнедержателей выполнялось из магнезиальной (95% MgO) керамики.

Мною было испытано 36 различных составов экзотермических стержней. Далее приведены данные о восьми различных составах экзотермических стержней, с указанием: состава и типа замедлителя горения, связующего, процентного соотношения компонентов экзотермического стержня, указания в какого размера стержнях испытывался данный состав и указания о достигнутой рабочей температуре на выходе из форсунки.

1) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения первого типа: нитрат аммония, (NH₄NO₃) - 82,7 мас.%; технический углерод, (C) - 5,9 мас.%; хлорид натрия, (NaCl) - 9,9 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок NaCl - замедлитель горения первого типа с температурой кипения, равной 1465°С. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 10 мм и развил рабочую температуру - 1700°С.

2) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения первого типа: нитрат аммония, (NH₄NO₃) - 78,2 мас.%; технический углерод, (С) - 5,5 мас.%: хлорид натрия, (NaCl) - 14,8 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок NaCl - замедлитель горения первого типа с температурой кипения, равной 1465°C. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 1750°C.

3) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения первого типа: перхлорат калия, (KClO ₄) - 71,7 мас.%; технический углерод, (С) - 12,0 мас.%; хлорид калия, (KCl) - 14,8 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок KCl - замедлитель горения первого типа с температурой кипения, равной 1500°C. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 2000°С.

4) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения второго типа: перхлорат калия, (KClO₄) - 71,7 мас.%; углерод технический, (С) - 12,0 мас.%; стальной порошок - 9,9 мас.%; сварочный флюс-порошок плавикового шпата, (CaF₂ ) - 4,9 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Стальной порошок и порошок плавикового шпата - замедлитель горения второго типа. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 10 мм и развил рабочую температуру - 2000°С.

5) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения второго типа: перхлорат калия, (KCLO ₄) - 67,5 мас.%; углерод технический, (С) - 11,3 мас.%; стальной порошок - 14,8 мас.%; сварочный флюс-порошок плавикового шпата, (CaF₂) - 4,9 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Стальной порошок и порошок плавикового шпата - замедлитель горения второго типа. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 2000°С.

6) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения третьего типа: нитрат аммония, (NH₄NO₃) - 69,0 мас.%; технический углерод, (С) - 4,9 мас.%; порошок технической эмали (химический состав порошка: 55% SiO₂; 5% Al₂ O₃; 15% B₂O₃; 8% CaO; 2% Ni ₂O₃) – 24,6 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок технической эмали - замедлитель горения третьего типа. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 1400°С.

7) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения третьего типа: перхлорат калия, (KClO ₄) - 67,5 мас.%; технический углерод, (С) - 11,3 мас.%; порошок никеля, (Ni) - 19,7 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок никеля - замедлитель горения третьего типа. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 2100°С.

8) Состав смеси для изготовления экзотермических стержней с замедлителем горения третьего типа: нитрат аммония, (NH ₄NO₃) - 73,6 мас.%; технический углерод, (С) - 5,2 мас.%; порошок декоративной эмали (химический состав порошка: Na₂O – 15,4%; Al₂O₃ - 25,2%; SiO₂ - 59,4%) - 19,7 мас.%; олифа натуральная - 1,5 мас.%.

Порошок декоративной эмали - замедлитель горения третьего типа. Связующее - олифа натуральная.

Этот состав использовался в стержнях диаметром 20 мм и развил рабочую температуру - 1350°С.

Данные составы для изготовления экзотермических стержней для сварочного аппарата-резака с функцией напыления позволяют обрабатывать металлы и неметаллы. Составы на основе NH₄NO₃ дают меньшую температуру по сравнению с составами на основе KClO₄.