Сварочные процессы и оборудование

СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ  
И ОБОРУДОВАНИЕ 

Учебное пособие 

Под редакцией доктора технических наук В. А. Ленивкина 

Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 621.791.03 (075.8) 
ББК 30.61я73 
         С24 
 
 
 
 
Авторы: 
В. А. Ленивкин, Д. В. Киселёв, В. А. Софьяников, А. И. Никашин 

Рецензент: 
доктор технических наук, профессор И. С. Морозкин 
(РГУПС, г. Ростов-на-Дону) 
 
 
 
           
    
: учебноепособие / 
[В. А. Ленивкин и др.] ; под ред. д-ра техн. наук В. А. Ленивкина. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 308 с. : ил., табл. 
 ISBN 978-5-9729-0401-3 
 
Описаны разновидности процессов сварки давлением (холодная сварка, 
сварка взрывом, магнитно-импульсная, ультразвуковая, индукционная, диффузионная, сварка трением), плавлением (плавящимся и неплавящимся электродами в различных защитных средах и под флюсом), концентрированными источниками энергии (лазерная и электронно-лучевая), а также сварка пластмасс. 
Указаны особенности применения процессов сварки в различных отраслях производства, описано необходимое оборудование.  
Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Машиностроение» по профилю «Технология и оборудование сварочного 
производства». 
 
УДК 621.791.03 (075.8) 
ББК 30.61я73 

 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0401-3          Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Интенсивное развитие всех отраслей промышленности передовых стран 

мира при изготовлении неразъёмных конструкций в основном связано с приме
нением новых технологических процессов на базе различных способов сварки. 

Цель настоящего учебного пособия дать необходимые сведения о совре
менных сварочных процессах давлением и плавлением, дать возможность пред
ставить в сравнении основные технологические и технические параметры раз
личных способов сварки. Такой подход позволит целесообразно выбирать не
обходимые технические средства и технологические процессы для изготовле
ния продукции в различных отраслях производства с заданными эксплуатаци
онными характеристиками при использовании современных способов сварки и 

сварочного оборудования, иметь более глубокое представление о существую
щих способах сварки и рационально их применять в технологических процес
сах при изготовлении деталей и конструкций различных машин и механизмов. 

Изложение материала учебного пособия предполагает наличие у студен
тов базовых знаний по следующим общенаучным дисциплинам: физика, мате
матика, основы электротехники. Усвоению материала помогут контрольные 

вопросы в конце каждой главы и дополнительная литература, список которой 

дан в конце учебника. 

Настоящее учебное пособие написано в соответствии с учебной програм
мой высших учебных заведений по курсу «Сварочные процессы и оборудова
ние» и предназначено для бакалавров направления «Машиностроение» 

по профилю «Технология и оборудование сварочного производства» и может 

быть полезно для магистров и аспирантов этой же специальности. 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА 
О СТРОЕНИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Виды элементарных связей в твердых телах 
и монолитных соединениях 

Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается атомно
молекулярными связями между элементарными частицами соединяемых ве
ществ. 

Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаи
модействии. Тип химической связи атомов и характер их взаимного располо
жения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела. 

Для рассмотрения природы сварного соединения необходимо вспомнить неко
торые сведения из физики твердого тела. 

Характер и величина энергии (прочность) элементарных связей зави
сят от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела. Со
гласно современным представлениям, химическая связь атомов возникает в ре
зультате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле 

между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух 

ядер, принадлежит уже обоим атомам. Химические силы по своей природе яв
ляются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10–8 см = 1А. 

В химии различают четыре типа элементарных связей: ковалентную, 

ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и металлическую. В зависимо
сти от преобладающих элементарных связей кристаллы также различают 

соответственно по четырем группам: атомные, ионные, молекулярные и метал
лические. 

Наиболее типичными химическими связями являются первые две связи: 

ковалентная и ионная. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспе
чивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными час
тицами соединяемых веществ. 

Ковалентную химическую связь в литературе часто называют валент
ной, атомной или обменной связью. Она может образоваться путём взаимодей
ствия или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с 

энергией порядка 105 Дж/моль определяет высокую температуру плавления и 

прочность кристаллов. Ковалентной связью обусловлены структуры так назы
ваемых атомных кристаллов - алмаза, кремния, германия, серого олова и т.д. 

Число образуемых атомами ковалентных связей в первом приближении 

может служить количественной мерой валентности. Каждая ковалентная связь 

между атомами образуется при спаривании их валентных электронов (с проти
воположными спинами). Поскольку валентные возможности атомов ограниче
ны, важнейшим свойством ковалентной связи является ее насыщаемость. 

При сварке прочные связи ковалентного типа устанавливаются не только 

в атомных кристаллах, но и при соединении металлов с металлоидами, оксида
ми металлов, а также полупроводниками или интерметаллидами, обладающими 

полупроводниковыми свойствами. 

Интерметаллиды – соединения типичных металлов с металлами, имею
щими слабые металлические свойства. 

Когда соединяемые вещества способны к донорно-акцепторному взаимо
действию, устанавливается так называемая координационно-ковалентная связь. 

Примером служит соединение основных оксидов с кислыми, таких, как Са+2 0–2, 

где ион кислорода является донором по отношению к атому, образующему кис
лый оксид, такой, как Si+4
. При непосредственном соединении металлов с 

керамиками, 
имеющими 
в 
составе 
кислые 
оксиды, 
координационно
ковалентная связь легче образуется тогда, когда на поверхности металла создан 

тонкий слой низших основных оксидов, обладающих донорными свойствами. 

Ионная, или гетерополярная, связь типична для молекул и кристаллов, 

образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положи
тельного катиона - результат ионизации атома. Мерой прочности связи элек
трона в атоме может служить потенциал ионизации атома. 

Типичный представитель ионных кристаллов – соль NaCl. Образование 

отрицательных анионов происходит в результате присоединения электрона к 

атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое 

сродство к электрону. Ионная связь также является сильной, с энергией около 

105…106 Дж/моль. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщае
мости и пространственной направленности. 

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в значительной 

степени идеализированы. Часто встречаются промежуточные случаи. Если при 

O2
4

ионной связи один атом целиком отдает электрон другому, а при ковалентной 

связи каждый электрон принадлежит поровну обоим связанным атомам, то в 

промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности». 

Кроме двух наиболее типичных химических связей: ковалентной и ион
ной – различают молекулярные связи за счет универсальных сил Ван-дер
Ваальса и металлические связи. 

Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекула
ми, но они очень малы (порядка 103 Дж/моль). Поэтому молекулярные кристал
лы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислоро
да, азота и т.д.), отличаются весьма низкой температурой плавления (Не – 1,8 К; 

Аr – 40 К). Образование прочных структур обусловлено главным образом силь
ными типично химическими связями, например, ковалентной, а силы Ван-дер
Ваальса служат лишь небольшой «добавкой». Силами Ван-дер-Ваальса обу
словлены обычно адгезионные связи при склеивании, смачивании твердых тел 

жидкостями и т.п. 

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия поло
жительных ионов решетки (атомных остатков) и делокализованных, обобщест
вленных электронов. Эти связи являются гомеополярными. Они, по существу, 

не относятся к химическим связям, и понятие металлической связи можно счи
тать качественным, так как металлы обычно не имеют молекулярного строения, 

а их атомы соединяются в кристаллические образования. Носителем свойств 

вещества в этом случае является не молекула, а фаза. Этот вид связи и обуслов
ливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. 

Энергия связи – около 10 Дж/моль. Прочная металлическая связь наблюдается 

при образовании интерметаллидов и некоторых твердых растворов. Одна из ее 

особенностей – отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответ
ствующих атомов. 

Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ко
валентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в ме
талле происходит обобщение не отдельных, а всех валентных электронных ор
бит. При этом устанавливаются общие уровни энергии во всем объеме кристал
ла. Число уровней будет одного порядка с числом атомов в данном объеме ме
талла. Уровни весьма близки между собой и образуют энергетические полосы 

или зоны, которые иногда рассматривают как расщепление валентных уровней 

(орбит) отдельных атомов. 

Поскольку в металле существует как бы «облако» обобщенных электро
нов, металлическая связь не направлена в пространстве, как ковалентная, не на
сыщаемая и допускает большее смещение атомов, чем другие типы связей. 

Этим обусловливается высокая пластичность металлических кристаллов по 

сравнению с валентными или ионными кристаллами. 

Все четыре типа связи в кристаллах (атомных, ионных, молекулярных и 

металлических) редко существуют в чистом виде. Обычно встречаются соче
тания связей одновременно, причем, как уже отмечалось, молекулярные связи 

являются слабыми по сравнению с остальными тремя. Следует также отметить, 

что поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так как 

валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. При
мером насыщения может служить окисление веществ в газовой среде. На по
верхности могут также идти процессы типа физической адсорбции, обуслов
ленные силами Ван-дер-Ваальса. 

Схема основных видов адсорбционных слоев на поверхности металла 

может быть проиллюстрирована рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Схема основных видов адсорбционных слоев на поверхности 

технического металла: 1 – первичная объемная структура металла; 

2 – зона деформированного металла; 3 – слой окислов металла; 
4 – адсорбционный слой газов; 5 – адсорбционный слой воды; 

6 – адсорбционный слой полярных молекул органического вещества 

(смазки) 

Непосредственно над ювенильной (физически и химически чистой) по
верхностью металла обычно находится слой его оксидов, имеющий толщину 

нескольких ангстремов (1А ý= 10–8 см). На поверхности окисленного слоя в за
висимости от внешних условий могут присутствовать адсорбционные слои га
зов (воздуха), адсорбционные слои молекул воды, адсорбционные слои поляр
ных и неполярных молекул органических веществ (жиры, смазка). 

При сварке плавлением наличие этих тонких слоев принципиального зна
чения не имеет, поскольку они вместе с основным металлом переплавляются и 

удаляются из жидкой сварочной ванны за счет металлургических реакций. При 

сварке давлением их удаление перед сваркой или в ходе сварки представляет 

определенную проблему. Только их полное удаление создает предпосылки для 

установления нормальных химических связей в контакте кристаллических ре
шеток свариваемых материалов. Большое значение при этом приобретает тип, 

ориентация и параметры кристаллических решеток, в связи с чем целесообраз
но рассмотреть эти вопросы. 

1.2. Кристаллическая решетка металлов 

Кристаллическая решетка представляет собой закономерное расположе
ние атомов в пространстве относительно друг друга. Атомы не являются не
подвижными даже при температуре абсолютного нуля по Кельвину, а совер
шают колебательные движения около мест устойчивого равновесия, называе
мых узлами кристаллической решетки. Наименьший комплекс атомов, путем 

многократного повторения (трансляции) которого можно воспроизвести кри
сталлическую решетку, называется элементарной ячейкой. Как доказал вы
дающийся русский кристаллограф Е.С. Федоров (XIX в.), существует 230 типов 

геометрического расположения атомов в кристаллах. Однако в металлических 

кристаллах обычно наблюдаются три типа решеток: объемно-центрированная 

кубическая решетка (ОЦК), гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) и 

гексагональная плотно упакованная решетка (ГПУ). 

Решетка ОЦК характерна, например, для железа и сталей при комнатной 

температуре, хрома, β-титана и его сплавов, W, Mo, Nb, Та; ГЦК решетка – для 

γ-железа (при Т > 911 °С), Ni, Си, Al, Ag, Аи; ГПУ решетка – для α-титана 

Кристаллические решетки отличаются друг от друга следующими харак
теристиками: параметром а – расстояние между центрами атомов вдоль ребра 

куба (для кубических решеток); для ГПУ решетки принято 2 параметра – а 

и с (рис.1.2, в); координационным числом (КЧ) – числом ближайших соседей 

выбранного атома, находящихся на одинаковом расстоянии от него 

(для ОЦК КЧ – 8, для ГЦК – 12, для ГПУ – 12); плотностью упаковки 

(для ОЦК - 0,68, для плотно упакованных решеток ГЦК и ГПУ – 0,74). 

ПУ – это отношение объема, занятого атомами, ко всему объему кристал
лической решетки; 0,74 – максимально возможная величина. Иногда пользуют
ся и такой характеристикой, как количество атомов, приходящихся на элемен
тарную ячейку. Например, для ОЦК решетки: 8 угловых атомов, каждый из ко
торых принадлежит 8 элементарным ячейкам, даютплюс 1 централь
ный атом. Итак, всего 2 атома на элементарную ячейку. Для ГЦК решетки: 

вклад каждого углового 
 , всего 1 от 8 угловых плюс 6 атомов в центре гра
ней, каждый из которых принадлежит двум ячейкам, дают 6. Всего на 

ячейку 1+3 = 4. Для ГПУ тоже 4. 

9 

(при Т< 882 °С), Со, Мп, Zn. Элементарные ячейки этих решеток показаны 

на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Кристаллические решетки (слева изображение в виде плотно 

упакованных шаров-атомов): а – объемноцентрированная кубическая 

(ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная 

плотно упакованная (ГПУ) 



1 8
1
×
=1
8





1
8
8
×

1
3
2
×
=

Анализ рис. 1.2 показывает, что кристаллографические плоскости и на
правления упакованы атомами неравномерно. Имеются более и менее плотно 

упакованные кристаллические решетки, что сильно влияет на вектор предпоч
тительной пластической деформации. Например, в плоскости передней грани 

ОЦК атомы находятся на расстоянии а, т.е. параметра кристаллической решет
ки, а в диагональной плоскости, в которой находится центрирующий куб атом, 

– на расстоянии
, то есть вторая плоскость упакована плотнее, чем первая. 

Аналогично и в отношении кристаллографических направлений. Например, в 

направлении ребра куба атомы расположены на расстоянии а друг от друга, а в 

направлении пространственной диагонали – на расстоянии 
. Поэтому для 

обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в решетке при
нята система индексов Миллера. 

Контрольные вопросы: 
1.
Укажите типы химических связей.

2.
Дайте определение понятия «интерметаллиды».

3.
Дайте определение понятия «ионная (гетерополярная) связь».

4.
Что такое «силы Ван-дер-Ваальса»?

5.
Когда и как действуют металлические связи?

a ×
2
2

a =
3
2