Технология сварки плавлением и термической резки

В.П. КулиКоВ

ТЕХНолоГиЯ СВАРКи

ПлАВлЕНиЕМ 

и ТЕРМиЧЕСКоЙ РЕЗКи

Москва

ИНФРАМ

2021

Утверждено 

Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебника для студентов 

учреждений высшего образования по специальности  

«Оборудование и технология сварочного производства»

Допущено  

Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации  

по университетскому политехническому образованию  

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение»

уЧЕНиК 

УДК [621.791.75+621.791.94](075.8) 
ББК 34.64я73 
 
К90

Куликов В.П.

Технология сварки плавлением и термической резки : учеб
ник / В.П. Куликов. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 463 с. —
(Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-011964-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104569-5 (ИНФРА-М, online)

Изложены физико-металлургические основы сварки плавлением,

технологические характеристики и области применения различных
способов сварки и резки. Приведены сведения о сварочных материалах,
оборудовании, типах сварных соединений и регламентирующих их стандартах. Рассмотрены причины образования дефектов при сварке и способы его предотвращения. Описан системный подход к обеспечению
качества сварки.

Для студентов, бакалавров, магистрантов и аспирантов, изучающих

технологию сварки плавлением и термической резки. Может быть полезен инженерно-техническим работникам предприятий, использующих
сварку.

К90

© Куликов В.П., 2016
© ООО «Новое знание», 2016

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Порошковая металлургия, сварка и технология материалов» Белорусского национального технического университета (член-корреспондент
НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Ф.И. Пантелеенко);
генеральный директор Государственного научно-производственного объединения порошковой металлургии, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор
технических наук, профессор А.Ф. Ильющенко;
доцент кафедры «Технология сварки и диагностики» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана Б.Г. Маслов

УДК [621.791.75+621.791.94](075.8) 
ББК 34.64я73 

ISBN 978-5-16-011964-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104569-5 (ИНФРА-М, online)

Оглавление

Введение...............................................................................................................7

Глава 1. Классификация способов сварки, сварных  
соединений и швов.........................................................................................12
1.1..Классификация.способов.сварки.плавлением..............................12
1.2..Типы.сварных.швов.и.соединений....................................................15
1.3..Обозначение.сварных.соединений.на.чертежах..........................22

Глава 2. Физико-металлургические основы сварки  
плавлением.........................................................................................................32
2.1..Электрическая.дуга.как.источник.энергии.при.сварке............32
2.1.1..Физические.процессы.в.дуге...................................................32
2.1.2..Перенос.электродного.металла.в.дуге.................................41
2.1.3..Взаимодействие.дуги.с.магнитным.полем.........................44
2.2..Тепловые.процессы.при.сварке..........................................................46
2.3..Взаимодействие.свариваемого.металла.с.газами..
и.примесями..............................................................................................56
2.3.1..Взаимодействие.свариваемого.металла.с.кислородом...56
2.3.2..Взаимодействие.свариваемого.металла.с.водородом.....60
2.3.3..Взаимодействие.свариваемого.металла.с.азотом............62
2.3.4..Взаимодействие.свариваемого.металла.с.серой.
и.фосфором...................................................................................64
2.4..Кристаллизация.сварочной.ванны.и.формирование.шва........65
2.5..Микроструктура.металла.шва.и.зоны.термического..
влияния.......................................................................................................71

Глава 3. Технологические характеристики основных  
способов сварки плавлением.....................................................................75
3.1..Ручная.дуговая.сварка.покрытыми.электродами........................75
3.2..Дуговая.сварка.под.флюсом................................................................94
3.3..Сварка.в.среде.углекислого.газа..................................................... 108
3.4..Сварка.в.инертных.газах.................................................................... 130
3.4.1..Сварка.плавящимся.электродом......................................... 130
3.4.2..Сварка.неплавящимся.электродом.................................... 133
3.5..Сварка.в.смеси.Аr.+.СО2................................................................... 142
3.6..Газовая.сварка........................................................................................ 149
3.7..Специальные.способы.сварки.......................................................... 160
3.7.1..Электрошлаковая.сварка....................................................... 160

Оглавление
4

3.7.2..Электронно-лучевая.сварка.................................................. 164
3.7.3..Лазерная.сварка......................................................................... 171
3.7.4..Лазерно-дуговая.сварка.......................................................... 175
3.7.5..Сварка.под.водой...................................................................... 177

Глава 4. Сварочные материалы.............................................................. 182
4.1..Сварочная.проволока.сплошного.сечения.................................. 182
4.2..Порошковая.сварочная.проволока................................................. 191
4.3..Сварочные.покрытые.электроды.................................................... 197
4.3.1..Строение.и.свойства.электродов........................................ 197
4.3.2..Стандарты.на.сварочные.электроды.................................. 208
4.3.3..Характеристики.электродов.различных.групп.............. 212
4.4..Сварочные.флюсы................................................................................ 221
4.4.1..Флюсы.для.дуговой.сварки.................................................. 221
4.4.2..Флюсы.для.электрошлаковой.сварки............................... 227
4.5..Защитные.газы....................................................................................... 229
4.5.1..Углекислый.газ.......................................................................... 229
4.5.2..Аргон,.гелий................................................................................ 234
4.5.3..Смеси.газов................................................................................. 235
4.6..Горючие.газы........................................................................................... 237
4.6.1..Ацетилен...................................................................................... 237
4.6.2..Пропан-бутановые.смеси....................................................... 242
4.6.3..Метилацетилен-алленовая.фракция.(МАФ)................. 242
4.7..Кислород.................................................................................................. 245

Глава 5. Технология сварки..................................................................... 247
5.1..Классификация.сталей.и.их.свариваемость............................... 247
5.2..Технология.сварки.низкоуглеродистых.сталей......................... 249
5.2.1..Общие.принципы.технологии.сварки............................... 249
5.2.2..Особенности.сварки.различными.способами................ 252
5.3..Технология.сварки.среднеуглеродистых.
и.высокоуглеродистых.сталей......................................................... 264
5.4..Технология.сварки.низколегированных.конструкционных.
сталей........................................................................................................ 269
5.5..Технология.сварки.низколегированных.теплоустойчивых.
сталей........................................................................................................ 272
5.6..Технология.сварки.высокопрочных.сталей................................ 279
5.6.1..Влияние.термического.цикла.на.свариваемость........... 279

Оглавление
5

5.6.2..Технологические.методы.предупреждения.
холодных.трещин..................................................................... 284
5.6.3..Особенности.сварки.различными.способами................ 287
5.7..Технология.сварки.высоколегированных.специальных..
сталей........................................................................................................ 293
5.7.1..Классификация.и.свойства.
высоколегированных.сталей................................................ 293
5.7.2..Сварка.аустенитных.сталей.................................................. 295
5.7.3..Сварка.ферритных.сталей..................................................... 303
5.7.4..Сварка.аустенитно-ферритных.сталей............................. 306
5.7.5..Сварка.мартенситных.и.мартенситно-ферритных.
сталей............................................................................................ 310
5.8..Технология.сварки.чугуна................................................................. 313
5.9..Технология.сварки.алюминия.и.его.сплавов............................. 321
5.10..Технология.сварки.меди.и.ее.сплавов........................................ 326
5.11..Технология.сварки.титана.и.его.сплавов.................................. 332

Глава 6. Дефекты сварных соединений............................................. 337
6.1..Классификация.дефектов.................................................................. 337
6.2..Поры.......................................................................................................... 343
6.2.1..Механизм.образования.пор.................................................. 343
6.2.2..Общие.принципы.борьбы.с.пористостью........................ 349
6.2.3..Поры.при.ручной.дуговой.сварке.покрытыми.
электродами............................................................................... 354
6.2.4..Поры.при.сварке.в.защитных.газах................................... 362
6.2.5..Поры.при.сварке.под.флюсом............................................. 369
6.3..Трещины................................................................................................... 376
6.3.1..Горячие.трещины...................................................................... 376
6.3.2..Холодные.трещины.................................................................. 381
6.4..Непровары............................................................................................... 383
6.5..Дефекты.формы.шва........................................................................... 392

Глава 7. Сварочные напряжения и деформации............................ 396
7.1..Схема.образования.продольных.и.поперечных..
деформаций............................................................................................. 396
7.2..Деформации.изгиба.сварных.конструкций................................ 401
7.3..Угловые.деформации.в.сварных.конструкциях........................ 406
7.4..Меры.борьбы.с.напряжениями.и.деформациями.................... 407

Оглавление
6

Глава 8. Способы термической резки................................................. 414
8.1..Кислородная.резка............................................................................... 414
8.2..Кислородно-флюсовая.резка............................................................ 427
8.3..Резка.кислородным.копьем.............................................................. 429
8.4..Воздушно-дуговая.резка.................................................................... 432
8.5..Кислородно-дуговая.резка................................................................ 434
8.6..Плазменная.резка................................................................................. 435
8.7..Лазерная.резка....................................................................................... 443

Глава 9. Системное обеспечение качества сварки  
плавлением...................................................................................................... 448
9.1..Общие.положения................................................................................ 448
9.2..Аттестация.персонала.сварочного.производства...................... 449
9.3..Аттестация.технологических.процессов.сварки....................... 452
9.4..Сертификация.и.аттестация.сварочного.оборудования........ 455
9.5..Сертификация.и.аттестация.сварочных.материалов.............. 459
9.6..Аттестация.и.сертификация.персонала.и.лабораторий.
неразрушающего.контроля............................................................... 460

Литература...................................................................................................... 462

ВВедение

Сварка. наряду. с. литьем. и. обработкой. давлением,. является.
древнейшей. технологической. операцией,. освоенной. человеком.
в.бронзовом.веке.во.время.приобретения.опыта.работы.с.металлами..Ее.появление.связано.с.необходимостью.соединения.различных.деталей.при.изготовлении.орудий.труда,.оружия,.украшений.
и.других.изделий.
Первым.способом.сварки.была.кузнечная,.которая.обеспечивала. достаточно. высокое. по. тем. временам. качество. соединения,.
особенно.при.работе.с.пластичными.металлами,.такими,.как.медь..
С.появлением.бронзы.(более.твердой.и.сложной.в.ковке).возникла.
литейная.сварка..При.этом.способе.края.соединяемых.деталей.заформовывали.специальной.земляной.смесью.и.заливали.разогретым.
жидкими.металлом,.который.сплавлялся.с.деталями.и,.застывая,.
образовывал.шов..Такие.соединения.обнаружены.на.бронзовых.сосудах,.сохранившихся.со.времен.Древней.Греции.и.Древнего.Рима.
С.появлением.железа.увеличивается.номенклатура.используемых.человеком.изделий.из.металлов,.поэтому.расширяется.объем.
и.области.применения.сварки..Создаются.новые.виды.оружия,.совершенствуются.средства.защиты.воина.в.бою:.кольчуги,.шлемы,.
латы.(например,.для.кольчуги.приходилось.изготавливать.кузнечной. сваркой. больше. 10. тыс.. металлических. колец).. Развиваются.
новые.технологии.литья,.постепенно.приобретаются.знания,.связанные.с.термообработкой.стали.и.приданием.ей.различной.твердости. и. прочности.. Часто. эти. знания. были. получены. случайно.
и. не. могли. объяснить. суть. происходящих. процессов.. Например,.
в.рукописи,.найденной.в.храме.Балгона.в.Азии,.так.описывается.
процесс,.известный.нам.как.закалка.стали:.«Нагревать.кинжал.до.
тех.пор,.пока.не.засветится.подобно.утреннему.солнцу.в.пустыне,.
потом. охладить. его. до. цвета. царского. пурпура,. втыкая. лезвие.
в.тело.мускулистого.раба..Сила.раба,.переходя.в.кинжал,.придает.
ему.твердость».
Тем. не. менее,. несмотря. на. достаточно. примитивные. знания,.
еще.до.нашей.эры.изготавливались.мечи.и.сабли,.обладавшие.уникальными.свойствами.и.получившие.название.дамасских..Чтобы.
придать.оружию.высокую.прочность.и.твердость.и.одновременно.
обеспечить. пластичность,. не. позволявшую. мечу. быть. хрупким.

Введение
8

и. ломаться. от. ударов,. его. изготавливали. слоистым.. Поочередно,.
в. определенной. последовательности. соединяли. сваркой. твердые.
слои.из.средне-.или.высокоуглеродистой.стали.и.мягкие.полосы.
из.низкоуглеродистой.стали.или.чистого.железа..В.результате.получалось.оружие,.обладающее.новыми.свойствами,.которые.получить.без.применения.сварки.невозможно..Впоследствии,.в.Средние.
века,.эта.технология.стала.применяться.для.изготовления.высокоэффективных.самозатачивающихся.плугов.и.других.орудий.труда.
Кузнечная.и.литейная.сварка.длительное.время.оставались.основными.способами.соединения.металлов,.который.хорошо.вписывались. в. технологию. металлообработки. того. времени.. Профессия.
кузнеца-сварщика.была.весьма.почетной.и.престижной..С.развитием.в.XVIII.в..машинного.производства.потребность.в.создании.
металлических.сооружений,.паровых.машин,.различных.механизмов.резко.возросла..Известные.способы.сварки.во.многих.случаях.
перестали.удовлетворять.требованиям,.так.как.отсутствие.мощных.
источников. тепла. не. позволяло. равномерно. нагревать. большие.
конструкции.до.необходимых.для.сварки.температур..Основным.
способом. получения. неразъемных. соединений. в. это. время. стала.
клепка.
Положение. стало. меняться. в. начале. XIX. в.. после. создания.
итальянским.физиком.А..Вольта.источников.электрической.энергии..В.1802.г..русский.ученый.В.В..Петров.открыл.явление.электрической.дуги.и.доказал.возможность.ее.использования.для.плавления.
металла..В.1881.г..русский.изобретатель.Н.Н..Бенардос.предложил.
использовать.электрическую.дугу,.горящую.между.угольным.электродом. и. металлической. деталью,. для. расплавления. ее. кромок.
и.соединения.с.другой.деталью..Он.назвал.этот.способ.соединения.
металлов.«электрогефест».в.честь.древнегреческого.бога-кузнеца..
Металлические.конструкции.любых.размеров.и.различной.конфигурации.стало.возможным.соединять.прочным.сварным.швом..
Так.появилась.электродуговая.сварка.—.выдающееся.изобретение.
XIX.в..Она.сразу.же.нашла.применение.в.наиболее.сложной.на.тот.
момент.отрасли.промышленности.—.паровозостроении..Открытие.
Н.Н.. Бенардоса. в. 1888. г.. усовершенствовал. его. современник.
Н.Г..Славянов,.заменив.неплавящийся.угольный.электрод.плавящимся.металлическим..Также.изобретатель.предложил.применять.

Введение
9

шлак,.который.защищал.сварной.шов.от.воздуха,.делая.его.более.
плотным.и.прочным.
Параллельно.развивалась.газовая.сварка,.при.которой.для.плавления.металла.использовалось.пламя,.образующееся.при.сгорании.
горючего.газа.(например,.ацетилена).в.смеси.с.кислородом..В.конце.XIX.в..этот.способ.сварки.считался.даже.более.перспективным,.
чем.дуговая.сварка,.так.как.не.требовал.мощных.источников.энергии,. а. пламя. одновременно. с. плавлением. защищало. металл. от.
окружающего.воздуха..Это.позволяло.получать.достаточно.хорошее.качество.сварных.соединений.
Важным.этапом.в.развитии.дуговой.сварки.стали.работы.шведского.ученого.О..Кельберга,.предложившего.в.1907.г..наносить.на.
металлический.электрод.покрытие,.которое,.разлагаясь.при.горении.дуги,.обеспечивало.хорошую.защиту.расплавленного.металла.
от. воздуха. и. его. легирование. необходимыми. для. качественной.
сварки. элементами.. После. этого. изобретения. сварка. стала. находить.все.большее.применение.в.различных.отраслях.промышленности..Особое.значение.в.это.время.имели.работы.русского.ученого. В.П.. Вологдина,. который. основал. первую. кафедру. сварки.
в.политехническом.институте.г..Владивостока..В.1921.г..на.Дальнем.Востоке.был.открыт.первый.сварочный.цех.по.ремонту.судов,.
в.1924.г..с.применением.сварки.отремонтирован.крупнейший.мост.
через.реку.Амур..В.это.же.время.с.помощью.сварки.создаются.цистерны.для.хранения.масла.емкостью.2000.т,.изготавливается.генератор.для.Днепрогэса,.который.был.в.два.раза.легче.клепаного..
В.1926.г..проводится.первая.Всесоюзная.конференция.по.сварке..
В.1928.г..в.СССР.насчитывается.1200.агрегатов.для.дуговой.сварки.
В.1929.г..в.Киеве.при.АН.УССР.открылась.лаборатория.сварки,.в.1934.г..преобразованная.в.Институт.электросварки..Возглавил.институт.известный.ученый.в.области.строительства.мостов,.
профессор.Е.О..Патон,.именем.которого.впоследствии.назван.институт..Одной.из.первых.крупных.работ.института.стала.разработка. в. 1939. г.. автоматической. сварки. под. флюсом.. Она. позволила.
повысить. производительность. процесса. сварки. в. 6–8. раз,. улучшить.качество.соединения,.существенно.упростить.труд.сварщика,.
превратив.его.в.оператора.по.управлению.сварочной.установкой..
Эта.работа.института.в.1941.г..получила.Государственную.премию..
Огромную.роль.автоматическая.сварка.под.флюсом.сыграла.в.годы.

Введение
10

Великой. Отечественной. войны,. впервые. в. мире. став. основным.
способом. соединения. броневых. листов. толщиной. до. 45. мм. при.
изготовлении.танка.Т-34.и.до.120.мм.при.изготовлении.танка.ИС-2..
В.условиях.дефицита.квалифицированных.сварщиков.повышение.
производительности.сварки.за.счет.автоматизации.позволило.в.сжатые.сроки.существенно.увеличить.производство.танков.
Значительным.достижением.сварочной.науки.и.техники.стала.
разработка.в.1949.г..принципиально.нового.способа.сварки.плавлением,. получившей. название. электрошлаковой.. Электрошлаковая.
сварка.сыграла.огромную.роль.в.развитии.тяжелого.машиностроения,.так.как.позволила.сваривать.металл.очень.большой.толщины.
(больше.1.м).
В.1950-е.гг..промышленностью.освоен.способ.дуговой.сварки.
в. среде. углекислого. газа,. который. стал. одним. из. самых. распространенных.и.по.сей.день.применяется.практически.на.всех.машиностроительных.предприятиях.
Активно.идет.развитие.сварки.и.в.последующие.годы..С.1965.
по.1985.г..объем.производства.сварных.конструкций.в.СССР.возрос.в.7,5.раза,.парк.сварочного.оборудования.—.в.3,5.раза,.выпуск.
инженеров-сварщиков. —. в. 5. раз.. Сварка. стала. применяться. для.
изготовления.практически.всех.металлических.конструкций,.машин.
и. сооружений,. полностью. вытеснив. клепку.. Например,. обычный.
легковой. автомобиль. имеет. больше. 5. тыс.. сварных. соединений..
Трубопровод,.по.которому.поставляется.газ.из.Сибири.в.Европу,.—.
также.сварная.конструкция,.имеющая.больше.5.тыс..километров.
сварных.швов..Без.сварки.не.возводится.ни.одно.высотное.здание,.
телебашня.или.атомный.реактор.
В.1970–80-е.гг..развиваются.новые.способы.сварки.и.термической.резки:.электронно-лучевая,.плазменная,.лазерная..Эти.способы.
вносят.огромный.вклад.в.развитие.различных.отраслей.промышленности..Например,.лазерная.сварка.позволяет.качественно.соединять.мельчайшие.детали.(диаметром.и.толщиной.0,01...0,1.мм).
в.микроэлектронике..Качество.обеспечивается.за.счет.точной.фокусировки.монохроматического.лазерного.луча.и.времени.сварки.
(10-6.с)..Освоение.лазерной.сварки.позволило.создать.серию.новой.элементной.базы.микроэлектроники,.что.в.свою.очередь.дало.
возможность. изготовить. новые. поколения. цветных. телевизоров,.
компьютеров,.систем.управления.и.навигации..Электронно-лучевая.