Металловедение сварки конструкционных сталей

Москва 2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 
 
Кафедра металловедения и физики прочности

В.А. Белов
В.Ю. Турилина
С.О. Рогачев

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ  
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Учебное пособие

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 
«Технологии материалов» в качестве учебного пособия при 
подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 22.03.01 
Материаловедение и технологии материалов»

№ 3386

УДК 621.791:669.017 
 
Б43

Р е ц е н з е н т ы: 
к-т. техн. наук И.В. Смарыгина (НИТУ «МИСиС») 
д-р. техн. наук, проф. П.Д. Одесский (АО «НИЦ «Строительство»)

Белов В.А.
Б43  
Металловедение сварки конструкционных сталей: учеб. пособие / В.А. Белов, В.Ю. Турилина, С.О. Рогачев. – М. : Изд. 
Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 134 с.
ISBN 978-5-907061-64-4

Рассмотрены структурные изменения, происходящие в металле в процессе 
сварки. Представлен обзор практически всех применяемых в настоящее время 
способов сварки металлов. Проанализированы особенности сварки как углеродистых, так и высоколегированных сталей. Подробно описаны возникающие при сварке напряжения, различные типы дефектов сварного соединения, а 
также методы контроля качества сварных швов и соединений. Дано представление о пайке металлов.
Предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» и профилю 
«Металловедение и термическая обработка металлов». Может быть полезно 
инженерам, магистрантам, аспирантам и научным сотрудникам, деятельность 
которых связана с исследованием различных сварных и паяных соединений, а 
также металлических конструкционных материалов и строительных конструкций.

УДК 621.791:669.017

 В.А. Белов,  
В.Ю. Турилина,  
С.О. Рогачев, 2019
ISBN 978-5-907061-64-4
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................6
1. Основные понятия и определения .......................................................8
2. Условия образования сварного соединения ......................................16
3. Классификация видов сварки ............................................................18
4. Сварка давлением ................................................................................20
4.1. Методы сварки давлением без предварительного подогрева .... 20
4.1.1. Холодная сварка ....................................................................... 20
4.1.2. Сварка взрывом ........................................................................ 21
4.1.3. Сварка трением ........................................................................ 22
4.1.4. Ультразвуковая сварка ............................................................. 23
4.2. Методы сварки давлением с предварительным подогревом ..... 24
4.2.1. Контактная сварка .................................................................... 24
4.2.2. Индукционная сварка .............................................................. 29
4.2.3. Диффузионная сварка в вакууме ............................................ 30
5. Сварка плавлением .............................................................................31
5.1. Ручная дуговая сварка .................................................................... 31
5.1.1. Электроды и сварочная присадочная проволока ................. 36
5.1.2. Классификация сварных соединений и швов. 
Определения ....................................................................................... 36
5.1.3. Основные типы сварных соединений  
при ручной дуговой сварке ............................................................... 37
5.2. Дуговая сварка под флюсом ........................................................... 39
5.3. Сварка в атмосфере защитных газов ............................................ 41
5.4. Электрошлаковая сварка ................................................................ 43
5.5. Термитная сварка ............................................................................ 45
5.6. Газовая сварка .................................................................................. 47
5.7. Электронно-лучевая сварка ........................................................... 50
5.8. Плазменная сварка .......................................................................... 51
5.9. Лазерная сварка ............................................................................... 52
5.10. Свариваемость сталей .................................................................. 54
6. Особенности процессов кристаллизации металла шва ...................58
6.1. Влияние скорости охлаждения на формирование  
структуры сварного соединения ........................................................... 59
6.2. Химическая неоднородность зоны сплавления ........................... 62
6.3. Меры борьбы с химической неоднородностью ........................... 64
6.4. Кристаллическое строение сварных швов ................................... 65

6.4.1. Макро- и микроструктура сварных швов ............................. 69
6.4.2. Влияние легирующих элементов на макроструктуру 
сварных швов ..................................................................................... 70
6.4.3. Влияние легирующих элементов на микроструктуру 
сварных швов ..................................................................................... 71
7. Тепловое воздействие на основной металл при сварке ...................72
7.1. Особенности структурных изменений, происходящих 
в процессе нагрева и охлаждения при сварке углеродистых  
сталей ....................................................................................................... 73
7.2. Особенности структурных изменений, происходящих 
в процессе нагрева и охлаждения при сварке легированных  
сталей ....................................................................................................... 77
7.3. Особенности структурных изменений, происходящих 
в околошовной зоне при сварке дисперсионноупрочняемых  
сталей и сплавов ..................................................................................... 82
7.4. Особенности структурных изменений при сварке 
холоднодеформированных однофазных сталей и сплавов ............... 83
8. Сварка конструкционных сталей .......................................................85
8.1. Сварка легированных и нелегированных  
низкоуглеродистых конструкционных сталей .................................... 85
8.2. Сварка легированных и нелегированных  
среднеуглеродистых конструкционных сталей .................................. 86
8.3. Сварка высокоуглеродистых сталей ............................................. 89
9. Сварка нержавеющих сталей .............................................................90
9.1. Сварка высокохромистых сталей .................................................. 90
9.2. Сварка хромоникелевых сталей .................................................... 91
10. Сварочные напряжения ....................................................................93
10.1. Причины возникновения напряжений и деформаций  
в сварных конструкциях ........................................................................ 93
10.2. Распределение сварочных напряжений в поперечном 
направлении ............................................................................................ 94
10.3. Распределение сварочных напряжений в продольном 
направлении ............................................................................................ 96
10.4. Причины деформаций при сварке  
и меры борьбы с ними ........................................................................... 98
10.4.1. Влияние условий и режима сварки ...................................... 98
10.4.2. Влияние сечения шва и подготовки кромок ....................... 98

10.4.3. Влияние порядка сварки и закрепления свариваемых 
деталей ................................................................................................ 99
10.4.4. Подогрев свариваемых деталей ......................................... 101
10.4.5. Пластическая деформация и термическая обработка ..... 101
11. Основные дефекты сварного соединения .....................................103
11.1. Кристаллизационные, или горячие, трещины ......................... 103
11.1.1 Условия и механизм образования  
кристаллизационных трещин ......................................................... 104
11.1.2. Внутренние и внешние факторы, влияющие 
на образование кристаллизационных трещин.............................. 106
11.2. Кристаллизационные трещины в околошовной зоне ............. 109
11.3. Методы определения стойкости металла шва против 
образования кристаллизационных трещин ........................................110
11.4. Холодные трещины ......................................................................111
11.4.1. Качественные методы оценки сопротивляемости 
свариваемых материалов образованию холодных трещин ..........113
11.4.2. Количественные методы оценки сопротивляемости 
свариваемых материалов образованию холодных трещин ..........113
11.5. Поры...............................................................................................114
11.6. Неметаллические включения ......................................................115
12. Методы контроля качества сварных швов и соединений ............ 117
12.1. Разрушающие методы контроля .................................................117
12.2. Неразрушающие методы контроля ............................................118
13. Сварка чугуна ..................................................................................121
14. Особенности сварки цветных металлов .......................................123
15. Пайка металлов ...............................................................................124
15.1. Припои .......................................................................................... 124
15.2. Паяльные флюсы ......................................................................... 126
15.3. Физико-химические процессы, протекающие  
при пайке металлов .............................................................................. 127
Контрольные вопросы ......................................................................... 129
Библиографический список .................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших технологических процессов в производстве 
строительных конструкций является соединение деталей и элементов 
конструкции с помощью сварки. Сварку применяют при изготовлении и монтаже металлических и железобетонных конструкций, технологических трубопроводов и оборудования из сталей различных 
марок, цветных металлов и сплавов, других материалов.
Качество сварных соединений определяется комплексом механических и специальных свойств, являющихся, как правило, структурно-чувствительными характеристиками.
Оценка строения и структуры сварных соединений позволяет в большинстве случаев характеризовать их качество и свойства, а также обозначить способы управления структурными и фазовыми превращениями 
с применением современных технологий. Эта задача в сварочном производстве решается с помощью методов металловедения, а также регулированием параметров сварочного процесса с целью получения бездефектных конструкций с заданными эксплуатационными свойствами.
Металловедение сварных соединений имеет ряд специфических 
особенностей по сравнению с классическими методами термической 
обработки. Превращения при сварке протекают в неравновесных условиях, а температура нагрева значительно превышает, например, 
температуру термической обработки. Значительно отличаются условия кристаллизации, что обусловлено характером тепловых полей, 
малыми объемами зоны расплавления, а в ряде случаев и механическими воздействиями. Поэтому подходы к оценке микроструктурного 
состояния сварных соединений должны быть иными, чем, например, 
при термической обработке, в литейном производстве и т.д.
Сварка имеет целый ряд преимуществ перед другими методами 
получения неразъемных соединений металлических тел:
1.  Обеспечивает получение практически равнопрочных соединений, особенно в сочетании с последующей термической обработкой.
2.  Обеспечивает получение как микросоединений, так и соединение деталей практически любой толщины (электрошлаковая сварка).
3.  Позволяет значительно уменьшить массу изготавливаемых конструкций.
В связи с этим различные методы сварки широко применяются во 
всех отраслях народного хозяйства.

К недостаткам сварки следует прежде всего отнести риск хрупкого 
разрушения сварных деталей и конструкций в связи с недостаточным 
сопротивлением сварного шва и околошовной зоны распространению 
трещины из-за высокого уровня сварочных напряжений, которые возникают в результате теплового воздействия сварочного процесса на 
основной металл, что может привести к существенному изменению 
структуры, а следовательно, и механических свойств в околошовной 
зоне.
Вместе с тем структурные и фазовые превращения наряду с диффузионными процессами при сварке часто являются более сложными, чем при термической обработке металлов.
В связи с этим металловедение, рассматривающее закономерности 
изменения структурного состояния и свойств металлических сплавов 
разной природы и состава при различных условиях внешних факторов: температуры, давления, среды и др., является одной из основ теории и технологии сварки, поскольку именно структурные и фазовые 
превращения определяют получаемые свойства сварного соединения.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Сварка металлов и сплавов - это процесс образования неразъемного соединения двух или нескольких твердых металлических тел 
путем протекания на границе соприкосновения соответствующих физико-химических процессов (образование жидких и твердых растворов, химических соединений, диффузия, рекристаллизация и т.д.) и 
создание между ними химической (металлической) связи. В результате сварки образуются соединения с прочными химическими связями, 
возникающими под местным воздействием температуры и давления.
Явления, сопровождающие образование химических связей за счет 
взаимодействия вещества (металла) с энергией на границе соприкосновения, называются сварочными процессами.
Существует три вида сварочных процессов:
 – тепловые, которые включают нагрев, плавление и охлаждение 
металлов;
 – термомеханические, которые заключаются в пластическом деформировании металла с одновременным воздействием высокой температуры;
 – физико-химические, протекающие в твердом и жидком металле: фазовые превращения, растворение и выделение фаз из раствора, 
диссоциация, образование химических соединений, диффузия, рекристаллизация.
Сварочные процессы определяют технологическую прочность металла шва и околошовной зоны, т.е. их стойкость против локального разрушения в процессе изготовления, а также эксплуатационную 
прочность или работоспособность сварного соединения, т.е. соответствия его механических, физических и химических свойств требованиям эксплуатации.
Под свариваемостью понимают совокупность свойств материалов, обеспечивающих образование между ними неразъемного соединения. Это комплексная характеристика металла, определяющая его 
реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным 
эксплуатационным требованиям.
Основными критериями свариваемости являются следующие:
 – окисляемость металла при сварке, которая зависит от его химической активности;

– сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин 
при сварке и замедленному разрушению после нее;
 – увствительность металла к тепловому воздействию сварочного 
процесса, определяющая его склонность к росту зерна, структурным 
и фазовым изменениям в шве и околошовной зоне и соответствующим изменениям прочностных и пластических свойств;
 – чувствительность металла к образованию пор.
Свариваемость принято рассматривать с физической и технологической точек зрения. Под физической свариваемостью понимают 
способность металлов давать неразъемные соединения за счет протекания на границе их соприкосновения физико-химических процессов. 
Под технологической свариваемостью понимают возможность получения доброкачественного соединения определенным методом сварки и при ее конкретном режиме.
Свариваться могут как однородные, так и разнородные материалы. 
При сваривании однородных материалов любым методом для прохождения физико-химических процессов на границе соприкосновения 
достаточно двух факторов: температуры и давления в зоне контакта. 
Поскольку при сваривании однородных материалов все физико-химические процессы на границе соприкосновения могут протекать полностью в зависимости от температуры и давления, то в зоне шва образуется материал в целом аналогичный по составу основному металлу.
Свойство свариваемости однородных материалов широко используется не только при обычных методах сварки, например для получения изделий прессованием при высоких температурах и давлении из 
металлического порошка и сверхбыстрокристаллизованных гранул.
При сваривании разнородных материалов температура и давление, 
необходимые и достаточные для сваривания однородных материалов, 
недостаточны. Поскольку в этом случае материалы обладают различными физико-химическими свойствами, то свойства сварного шва будут определяться свойствами того материала, который образовался в 
зоне сварного шва в результате прошедших процессов. Поэтому основная цель при сваривании разнородных материалов заключается в 
обеспечении полного протекания всех требуемых физико-химических 
процессов на границе соприкосновения материалов. Эти процессы 
сложны и многообразны, поэтому изучение физической свариваемости разнородных материалов начинают с рассмотрения простейших 
случаев взаимодействия между элементарными веществами.

Физико-химическое взаимодействие между элементарными веществами характеризуется соответствующими диаграммами состояний. Эти диаграммы построены для равновесных условий и соответствуют стабильному состоянию системы, в то время как процесс 
сваривания – метастабильный. Поэтому необходимо учитывать, что с 
помощью диаграмм состояния можно получить только первую приближенную оценку физической свариваемости.
Рассмотрим наиболее характерные случаи сваривания двух разнородных материалов с использованием диаграмм состояния.

Свариваемые материалы образуют непрерывный ряд 
твердых растворов
Одна из возможных диаграмм такой пары представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Диаграмма твердых растворов

При обеспечении плотного контакта между свариваемыми материалами и повышении температуры до температуры рекристаллизации 
начнется процесс срастания зерен обоих материалов с образованием 
твердого раствора и их взаимная диффузия. Глубина области твердого 
раствора будет определяться временем и температурой процесса, т.е.