Справочник техника-сварщика

СПРАВОЧНИК 
ТЕХНИКА-СВАРЩИКА

В.В. Овчинников

Рекомендовано федеральным государственным учреждением
«Федеральный институт развития образования» в качестве учебного пособия
для использования в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы среднего профессионального образования

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2021

УДК 621.791(075.32) 
ББК 34.64я723
 
О35

Овчинников В.В. 
О35  
Справочник техника-сварщика : учебное пособие / В.В. Овчинников. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2021. — 304 с. — (Среднее 
профессиональное образование).

ISBN 978-5-8199-0895-2 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-015556-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108024-5 (ИНФРА-М, online)

Справочник охватывает практически все принципиальные аспекты сварки 
плавлением и давлением. Обобщены практический опыт и передовые технологии и оборудование ведущих фирм России, Швеции, Австралии, Италии в области сварки, а также институтов сварки России и США. Материал изложен 
в соответствии с действующими нормативными документами и правилами аттестации сварщиков.
Большое внимание в справочнике уделено подготовке деталей к сварке; 
особенностям технологии ручной сварки покрытыми электродами, сварки плавящимся и неплавящимся электродом в защитных газах, сварке под флюсом, 
причинам возникновения дефектов в сварных соединениях и мерам, предупреждающим появление дефектов. Приведены сведения о специальных методах 
ручной и автоматической электросварки. Рассмотрены перспективные методы 
соединения материалов, такие как электронно-лучевая, лазерная, плазменная 
сварка и фрикционная сварка алюминиевых сплавов.
Приведены сведения об оборудовании для сварки, механическом оборудовании сварочного производства, а также о технологической оснастке и приспособлениях.
Для студентов и преподавателей средних профессиональных учебных заведений металлургических и технических специальностей, а также для бакалавров, обучающихся по направлению технологии обработки конструкционных 
материалов.

УДК 621.791(075.32) 
ББК 34.64я723

Р е ц е н з е н т ы:
Феклистов С.И. — доктор технических наук, главный научный сотрудник НПО «ЦНИИТМАШ»;
Грушко О.Е. — доктор технических наук, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов

ISBN 978-5-8199-0895-2 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-015556-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108024-5 (ИНФРА-М, online)
© Овчинников В.В., 2015
© ИД «ФОРУМ», 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

На сегодняшний день сварка стала одним из наиболее распространенных технологических процессов. Трудно назвать какой-либо другой процесс, который развивался бы с такой же интенсивностью, а по разнообразию и объемам применения был бы 
сравним со сваркой. Решение множества важнейших технических проблем современности неразрывно связано с необходимостью получения сварных соединений, способных работать в различных условиях, в том числе и экстремальных.
Конечным продуктом сварочного производства являются 
сварные конструкции. Общие объемы производства сварных 
конструкций в мире составляют сотни миллионов тонн в год. 
Создание экономичных, надежных и долговечных сварных конструкций, работающих на земле и под водой, при нормальных, 
высоких и криогенных температурах, в агрессивных средах и при 
интенсивном радиационном облучении, в различных экстремальных условиях эксплуатации, является важной научно-технической проблемой.
Сварка предоставляет широкие возможности для оптимизации конструктивных решений, снижения трудоемкости изготовления конструкций, использования рациональных типов 
конструктивных элементов, позволяющих существенно уменьшить металлоемкость. Сварку, как один из видов получения неразъемных соединений, широко применяют в различных отраслях техники. За последние 20 лет разработаны и освоены новые 
и специальные виды (методы) сварки, которые внесли коренные 
изменения в технологию изготовления машин, механизмов, приборов и сооружений. Поэтому есть основания полагать, что 
и в XXI веке сварка по-прежнему будет интенсивно развиваться. 
Несомненно, сварка плавлением останется основой сварочного 
производства.
Дуговая сварка — самый распространенный способ сварки 
плавлением, широко используемый во всех областях техники, 
так как позволяет создавать конструкции, отличающиеся высокой технологичностью, обеспечивает короткие сроки изготовления, ремонта, восстановления и модернизации конструкций при 
большой экономии труда и металла. Повышение качества и работоспособности сварных конструкций неразрывно связано с совершенствованием такого важного и трудоемкого процесса, как 
неразрушающий контроль качества сварных соединений.

Предисловие

Непрерывное совершенствование техники и технологии сварочного производства вызывает необходимость в систематическом улучшении профессиональной подготовки сварщиков и 
специалистов сварочного производства, в повышении их производственной квалификации и уровня теоретических знаний. 
Вместе с тем специалисту сварочного производства нелегко найти книгу с ответами на интересующие его вопросы по специальности, так как обширная литература по оборудованию и технологии дуговой сварки в большинстве случаев не содержит на них 
ответов. В результате уровень знаний специалиста часто ограничен сведениями из нормативных документов и собственного 
опыта.
В данном справочнике автор пытается ответить на максимально возможное число вопросов, возникающих как у учащихся средних профессиональных учебных заведений, так и у специалистов сварочного производства при выполнении различных 
видов сварки и изготовлении сварных конструкций широкой номенклатуры.
В учебное пособие включена лишь небольшая часть огромного количества справочных данных, имеющихся в литературе. 
Допол нительную информацию можно найти в публикациях, перечисленных в конце книги. На отборе справочных сведений несомненно сказались представления автора о том, что более всего 
необходимо читателям для практической работы. Этот отбор порой сопряжен с серьезными затруднениями и в ряде случаев не 
бесспорен. Автор с благодарностью примет советы и предложения по содержанию данного учебного пособия.

Г л а в а  1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ 
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Свойства металлов и сплавов

Металлы обладают самыми разнообразными свойствами. 
Некоторые из них имеют высокую прочность (титан), в то время 
как другие очень мягкие (магний); некоторые плавятся при температуре свыше 3000 °С (вольфрам), другие даже при комнатной 
температуре находятся в жидком состоянии (ртуть); некоторые 
имеют высокую плотность (свинец), другие настолько легки, что 
даже плавают по поверхности воды (калий). Однако все металлы 
имеют общие специфические свойства, по которым их отличают 
от неметаллов, это:
«металлический блеск»;
• 
пластичность;
• 
высокая теплопроводность;
• 
высокая электропроводность.
• 
Данные свойства обусловлены особенностями внутреннего 
строения металлов. Согласно молекулярной теории строения химических элементов металл представляет собой вещество, состоящее из неподвижных положительных ядер, вокруг которых по 
орбитам вращаются электроны. На последнем (валентном) уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти 
электроны имеют возможность перемещаться по всему объему 
металла и называются свободными. Свободные электроны образуют «электронный газ», который обеспечивает металлу его специфические свойства теплопроводности и электропроводности.
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, кристаллизуются, и укладка центров кристаллизации в них характеризуется периодичностью как по различным направлениям, так 
и по различным плоскостям. Возникает пространственная структура, в узлах которой располагаются неподвижные частицы, образующие твердое тело.
В металлургии все металлы делят на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на основе железа. На долю черных металлов приходится около 90 % всей металлопродукции. 

Глава 1. Основные сведения о свойствах металлов и сплавов

К цветным металлам относятся все остальные металлы и их 
сплавы.
В технике принята условная классификация металлов на несколько групп:
легкие металлы (алюминий, магний);
• 
тяжелые металлы (медь, свинец, железо и т. п.);
• 
тугоплавкие металлы (ванадий, молибден и т. п.);
• 
благородные металлы (золото, платина и т. п.);
• 
рассеянные металлы (гафний, тантал и т. п.);
• 
редкоземельные металлы (лантан, лантаноиды и т. п.);
• 
радиоактивные металлы (радий, уран и т. п.).
• 
В настоящее время в технике используются более 10 тыс. различных сплавов из металлов.
Для того чтобы рационально применять металлы и сплавы в 
народном хозяйстве, необходимо знать их свойства. Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и состояния. Применяемые технические металлы содержат ряд примесей, которые в значительной мере изменяют их свойства.
Состояние металлов и сплавов определяется главным образом их структурой. Металл или сплав, подвергнутый термической обработке, изменяет структуру, а следовательно, и свойства.
Свойства металлов и сплавов принято разделять на физические, механические, химические, технологические и эксплуатационные.

1.1.1. Физические свойства металлов и сплавов

К физическим свойствам металлов и сплавов обычно относят плотность, температуру плавления, тепловое расширение, 
теплопроводность, электропроводность, магнитную проницаемость и др.
Плотность (объемная масса) представляет собой отношение 
покоящейся массы к ее объему и имеет размерность кг/м3. Таким образом, плотность представляет собой массу единицы 
объема тела.
Плотность — весьма важный параметр, характеризующий 
металл, он имеет исключительно большое значение для выбора 
металлов в целях использования их в чистом виде или в виде 
сплавов в различных областях техники. В табл. 1.1 приведены 
значения плотности некоторых металлов.

 
1.1. Свойства металлов и сплавов 
7

Величина, обратная плотности, называется удельным объемом. 
Удельный объем — это объем единицы массы тела.
Температурой плавления называют температуру, при которой 
металл или сплав переходит из твердого состояния в жидкое. По 
температуре плавления различают металлы тугоплавкие (вольфрам 3416 °С, титан 1725 °С, железо 1539 °С и др.) и легкоплавкие 
(олово 232 °С, свинец 327 °С, цинк 419,5 °С, алюминий 660 °С).
Тепловое расширение металлов или сплавов — это приращение 
объема металла при нагреве вследствие увеличения подвижности атомов в узлах кристаллической решетки. Обычно тепловое 
расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения, под которым понимают увеличение единицы длины тела 
при нагреве на 1 °С от 0°. В справочниках обычно приводятся 
значения коэффициента линейного расширения при 20 °С. Коэффициент объемного расширения в три раза больше коэффициента линейного расширения.
Коэффициент линейного расширения, °С–1, определяется по 
формуле
 
α = (l1 – l0) / l0(t1 – t0), 
(1.1)

где l1, l0 — соответственно конечная и начальная длина тела, м; 
t1, t0 — его конечная и начальная температура при нагревании, °С.
Коэффициент объемного расширения, °С–1, определяется по 
формуле
 
β = (V1 – V0) / V0(t1 – t0), 
(1.2)

где V1 , V0 — конечный и начальный объем тела, м3.
Теплопроводностью называют способность передавать тепло от 
более нагретых частей тела к менее нагретым. Теплопроводность 
характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, показы
Таблица 1.1
Значения плотности некоторых металлов

Металл
Единицы физической величины

кг/м3 (СИ)
г/см3

Магний
1738
1,74

Алюминий
2700
2,70

Железо
7870
7,87

Вольфрам
19 300
19,30

Глава 1. Основные сведения о свойствах металлов и сплавов

вающим, сколько тепла может пройти в единицу времени через 
площадку 1 м2 на расстояние 1 м перпендикулярно к ней при разности температур 1 °С на двух противоположных сторонах куба.
Теплопроводностью С, Дж/°С, называется количество теплоты, 
поглощаемой телом при нагревании на 1 °С. Теплоемкость характеризует способность материалов аккумулировать (накапливать) 
теплоту.
Теплоемкость единицы массы металла или сплава называют 
удельной теплоемкостью с, Дж/(кгæ°С).
Электропроводность — это способность металла проводить 
электрический ток. За единицу электропроводности принимают 
величину, обратную удельному сопротивлению.
Электропроводность G (измеряется в сименсах, См) определяется по формуле
 
G = 1 / R = I / U, 
(1.3)

где I — сила тока, равная заряду, проходящему через поперечное 
сечение проводника за единицу времени (измеряется в амперах, А); U — напряжение, приложенное к концам проводника (измеряется в вольтах, В).
Удельное сопротивление — это сопротивление проводника 
сече нием 1 мм2 и длиной 1 м. Электропроводность металлов в 
значительной степени зависит от температуры: при повышении 
температуры электропроводность уменьшается, при понижении — увеличивается.
Магнитной проницаемостью называется способность металлов 
намагничиваться под действием магнитного поля. Величиной, 
характеризующей магнитную проницаемость металла, является 
коэффициент магнитной проницаемости, равный отношению 
магнитной индукции к напряженности магнитного поля.

1.1.2. Механические свойства металлов и сплавов

К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость). Зная механические свойства, можно правильно 
и обоснованно выбирать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкции при ее минимальной массе.
Механические свойства характеризуют поведение материала 
под действием приложенных механических сил (нагрузок). Меха

 
1.1. Свойства металлов и сплавов 
9

нические свойства определяются при механических испытаниях 
по специально разработанным методам.
Статические испытания — на растяжение, сжатие, изгиб, твердость, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки прикладываются постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания — на растяжение (ГОСТ 1497—84) 
на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности (σВ, 
σ0,2) и пластичности (δ, ψ) материала.
Динамические испытания — на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка — ударная, возрастает 
резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего 
являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания 
проводят на приборе — маятниковом копре (ГОСТ 9454—78) на 
специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. При этом определяется ударная вязкость КС.
Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) 
нагружении. Знакопеременные нагрузки — многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При 
этом развивается явление, которое носит название усталости металла — постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при 
вращении (ГОСТ 25.502—79).
Другие виды испытаний:
испытания на жаропрочность;
• 
технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, вы• 
давливание (для определения способности металла к пластическому деформированию).
Прочность — способность металла сопротивляться деформациям и разрушению под воздействием внешних сил.
Предел прочности (временное сопротивление разрыву, σВ) — 
напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую 
выдерживает образец металла до разрушения. Предел прочности 
характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластичной деформации (рис. 1.1).
Предел прочности рассчитывается по формуле

 
σВ = РВ / FО, 
(1.4)

где РВ — величина нагрузки, при которой на образце начинает 
образовываться шейка при его растяжении; FО — площадь поперечного сечения образца до испытаний.

Глава 1. Основные сведения о свойствах металлов и сплавов

Предел упругости — характеризует сопротивление металла малой пластической деформации. Так как практически невозможно 
установить точку перехода металла в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. 
Принято считать напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05 %). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например σ0,05.
Условный предел текучести (σ0,2) характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Условный предел текучести рассчитывают по формуле

 
σ0,2 = Р0,2 / FО. 
(1.5)

Предел пропорциональности (σПЦ) — максимальные напряжения, при которых выполняется закон Гука.
Разрушение наступит в точке С (рис. 1.1) при резком уменьшении поперечного сечения образца. Истинное сопротивление 
разрыву Sk (напряжения при разрушении образца) определяется 
по формуле
 
Sk = Рk / Fk, 
(1.6)

где Рk — величина нагрузки, при которой образец разрушается; 
Fk — площадь поперечного сечения образца после испытаний.

5—7
0,2

a

Pв

Pk

P0,2
Pпц

Sk

40—50

2

1
B

A

C

Относительное удлинение образца Δl, %

Рис. 1.1. Диаграмма деформирования материала при его нагружении

 
1.1. Свойства металлов и сплавов 
11

Пластичность — способность материала к пластической деформации, т. е. его способность, не разрушаясь, изменять форму 
под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Пластичные материалы более надежны в работе, так как 
для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. При 
испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением δ, которое соответствует отношению 
приращения длины образца после разрыва к его первоначальной 
длине в процентах.
Твердость — характеризует способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого стандартного тела (индентора), не получающего остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое.
О твердости судят либо по глубине проникновения индентора 
(метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля и Виккерса) под воздействием заданной силы Р. 
На рис. l.2 приведены схемы определения твердости по Виккерсу, 
Бринеллю (ГОСТ 9012—59) и Роквеллу (ГОСТ 9013—59).
Определение твердости по методу Бринелля применяется для 
сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Бринеллю обозначается как НВ, например НВ 250.
Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности пластичных материалов существует следующая зависимость:

 
σВ = кæHB, 
(1.7)

P0

P1

h0
h

P

P
P
P
P0

d
d

D

136°

а
б
в

Рис. 1.2. Схемы определения твердости:
а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу