Сварка деталей с большой разницей толщин

 
 
Ю. В. Казаков 
 
 
 
 
 
 
СВАРКА ДЕТАЛЕЙ С БОЛЬШОЙ РАЗНИЦЕЙ ТОЛЩИН 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
 
К14 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Н. Г. Дюргеров (Ростовский государственный 
университет путей сообщения); 
доктор технических наук, профессор В. С. Штенников (Ижевский государственный 
технический университет имени М. Т. Калашникова) 
 
 
 
 
 
Казаков, Ю. В. 
К14  
Сварка деталей с большой разницей толщин : монография / 
Ю. В. Казаков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 320 с. : 
ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0610-9 
 
Изложены результаты исследований процессов шовной контактной и аргонодуговой сварки тонкостенных деталей с массивными. Изучены особенности термодеформационных процессов при сварке, определены условия качественного формирования сварных соединений деталей из аустенитных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, разработана оснастка и оборудование. 
Для исследователей и работников производственных предприятий, а также преподавателей и студентов средних и высших технических учебных заведений. 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0610-9 
© Казаков Ю. В., 2021 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

 
 
 
Оглавление 
 
Предисловие ...................................................................................................................... 6 
Введение 
............................................................................................................................. 7 
Глава 1. Особенности сварки деталей с большой разницей толщин 
........................... 11 
1.1. Шовная контактная сварка .................................................................................. 11 
1.2. Сварка плавлением 
............................................................................................... 16 
1.3. Задачи исследования ............................................................................................ 26 
Глава 2. Исследования процесса шовной контактной сварки .................................... 28 
2.1. Особенности формирования сварного ядра 
....................................................... 28 
2.2. Механизм образования подковообразного сварного ядра ............................... 49 
2.3. Повышение стабильности формирования сварного ядра ................................ 58 
2.3.1. Шаговая сварка .............................................................................................. 58 
2.3.2. Уменьшение неравномерности плотности тока  
в сечении контакта 
................................................................................................... 67 
Выводы ......................................................................................................................... 71 
Глава 3. Особенности тепловых процессов и условий формирования шва при 
дуговой сварке деталей с большой разницей толщин 
................................................. 73 
3.1. Аналитические исследования температурных полей ....................................... 73 
3.2. Моделирование температурных полей .............................................................. 83 
3.3. Правомерность термина «детали с большой разницей толщин» .................... 87 
3.4. Условия повышения надёжности технологии аргонодуговой сварки ............ 91 
3.5. Исследование возможностей дуговой сварки по прихваточным швам, 
выполненным пайкой и шовной контактной сваркой ............................................. 94 
3.6. Выбор схемы сварки импульсной дугой нахлёсточных соединений  
деталей с большой разницей толщин с технологическими буртами  
на массивной детали ................................................................................................. 101 
3.7. Выбор схемы процесса сварки непрерывной дугой нахлёсточных  
соединений деталей с большой разницей толщин 
................................................. 106 
3.8. Условия устойчивости кромки тонкой детали в процессе сварки 
непрерывной дугой.................................................................................................... 113 
3.9. Сборка деталей с большой разницей толщин с натягом ................................ 124 
3.10. Особенности сварки круговых и кольцевых стыков  
малого диаметра ........................................................................................................ 131 
Выводы ....................................................................................................................... 138 
3 
 

Глава 4. Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин  
из нержавеющей стали ................................................................................................. 140 
4.1. Методика исследований .................................................................................... 140 
4.2. Сварка импульсной дугой с технологическими буртами  
на массивной детали ................................................................................................. 143 
4.2.1. Структура и свойства сварных соединений 
.............................................. 143 
4.2.2. Подготовка стыка и сборка деталей под сварку 
....................................... 148 
4.2.3. Влияние параметров режима сварки с экранирующим буртом  
на качество сварных соединений ......................................................................... 152 
4.3. Сварка непрерывной дугой со сквозным проплавлением  
тонкой детали 
............................................................................................................. 160 
4.3.1. Временные перемещения тонкой кромки в процессе сварки ................. 160 
4.3.2. Особенности формирования сварного шва 
............................................... 168 
4.3.3. Влияние условий сборки и параметров режима сварки  
непрерывной дугой на формирование шва ......................................................... 171 
4.4. Дуговая сварка многослойных тонкостенных оболочек  
с массивной арматурой ............................................................................................. 175 
Выводы ....................................................................................................................... 184 
Глава 5. Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин  
из лёгких сплавов .......................................................................................................... 185 
5.1. Сварка деталей из алюминиевых сплавов ....................................................... 185 
5.1.1. Влияние оксидных плён на свойства соединения .................................... 191 
5.1.2. Исследование влияния ȕ-фазы на свойства соединений ......................... 196 
5.1.3. Сварка трёхфазной импульсной дугой 
...................................................... 201 
5.2. Сварка деталей с большой разницей толщин из титановых сплавов ........... 212 
5.2.1. Особенности формирования шва при сварке тонкостенных  
конструкций из титановых сплавов ..................................................................... 212 
5.2.2. Защита поверхности свариваемой детали от воздуха 
.............................. 222 
5.2.2.1. Совершенствование местной защиты зоны сварки 
........................... 223 
5.2.2.2. Сварка в камерах с контролируемой атмосферой ............................. 226 
5.2.2.3. Особенности сварки при пониженном давлении  
защитного газа 
.................................................................................................... 230 
5.2.2.4. Система многократного использования защитного газа .................. 233 
Выводы ....................................................................................................................... 245 
Глава 6. Оборудование и оснастка, промышленное освоение  
результатов работы ....................................................................................................... 247 
6.1. Оснастка для контактной шовной сварки 
........................................................ 247 
6.2. Источник питания импульсной дуги 
................................................................ 248 
6.3. Автоматы для сварки сильфонов с арматурой ................................................ 256 
6.4. Камеры с контролируемой атмосферой ........................................................... 265 
4 
 

6.5. Перспективные разработки ............................................................................... 268 
6.5.1. Способ автоматического регулирования длительности импульса  
при сварке импульсной дугой .............................................................................. 268 
6.5.2. Многоэлектродный автомат ....................................................................... 272 
6.6. Промышленное освоение и эффективность работы ....................................... 277 
6.6.1. Внедрение полученных результатов 
.......................................................... 277 
6.6.2. Экономическая эффективность 
.................................................................. 280 
Выводы ....................................................................................................................... 284 
Заключение .................................................................................................................... 286 
Общие выводы ........................................................................................................... 286 
Рекомендации ............................................................................................................ 288 
Библиографический список ......................................................................................... 290
 
5 
 

 
 
Предисловие 
Монография посвящена исследованиям термодеформационных процессов и других технологических особенностей процессов шовной контактной 
и аргонодуговой сварки тонкостенных оболочек с массивными деталями, 
в частности сильфонов и мембран с арматурой. Рассмотрены предложенные 
на основе этих исследований способы и оборудование для сварки, с помощью которых обеспечивается повышение качества сварных соединений 
и производительность труда. Большинство описанных в монографии результатов исследований, технологических процессов, оснастки и оборудования, 
опробовано в промышленном производстве и может быть использовано при 
изготовлении изделий. Кроме сильфонных и мембранных узлов, это могут 
быть крупногабаритные тонкостенные оболочки, соединяемые с массивными 
фланцами и другими деталями. 
Поэтому монография предназначается для исследователей сварочных 
процессов и работников сварочного производства, а также для преподавателей 
и студентов средних и высших учебных заведений, готовящих специалистов 
по технологии и оборудованию сварочного производства и смежных специальностей. 
В проведении исследований, разработке, опробовании и освоении технологических процессов сборки и сварки, оснастки и оборудования принимал 
участие большой коллектив (около 100 человек) сотрудников Куйбышевского 
филиала НИИ технологии и организации производства и Тольяттинского государственного университета, а также нескольких промышленных предприятий 
городов Самары и Тольятти. Особую благодарность за действенную помощь 
автор выражает академику РАЕН, доктору технических наук, профессору 
В. И. Столбову, существенно способствовавшему организации работы на 
различных её этапах и внесшему ряд ценных идей. Большой вклад в исследования и разработки внесли инженеры А. Д. Кречетов, Н. А. Аксёнов, 
Н. П. Синдюкаев, М. Г. Ступаченко, А. П. Мыскова, кандидаты технических 
наук Р. З. Сайфеев, В. П. Потехин. Разделы 3.8, 3.9 и 4.3 подготовлены доктором экономических и кандидатом технических наук П. В. Корчагиным. 
Первые шаги в этой работе были сделаны ещё в 1959 году, с тех пор работа периодически возобновлялась и в представленном в монографии виде 
сложилась в 2007 году. Автор не считает эту работу полностью законченной, 
исследования продолжаются. Поэтому отзывы, и особенно замечания и предложения читателей, будут приниматься автором с благодарностью. 
6 
 

 
 
Введение 
Сочетания деталей с большой разницей толщин широко применяются 
в машиностроении. Такие сочетания типичны для конструкций, содержащих 
гибкие элементы или тонкостенные оболочки, соединяемые с массивными 
деталями. К ним относятся мембранные, диафрагменные и сильфонные сварные узлы, а также крупногабаритные тонкие оболочки, соединяемые с арматурой, стыковочными и крепёжными деталями. Перспективны сочетания деталей с большой разницей толщин в конструкциях космических объектов, 
поскольку преимущественная толщина свариваемых деталей этих объектов 
составляет 0,1…4௒мм [227]. Мембранные [224; 291; 319; 325; 355; 359] 
и диафрагменные [309] узлы в виде тонкостенных дисков или пластин, приваренных к массивной арматуре, используют в качестве датчиков давления, 
либо для передачи колебаний от одной среды к другой, или в качестве разделителей сред, которые должны смешиваться при разрушении мембраны или 
диафрагмы специальным устройством. 
Сильфонные узлы представляют собой упругую тонкостенную гофрированную оболочку, соединённую с массивной арматурой [50; 32]. Гофрированную оболочку изготавливают чаще всего из трубной заготовки, сваренной 
продольным швом [239; 240], путём выдавливания гофр внутренним давлением в специальной форме [357]. Применяют сильфонные узлы (рис. 1) в качестве датчиков давления, компенсаторов в системах трубопроводов [31; 220; 
272; 309; 342] и уплотнений, при передаче линейных и угловых перемещений 
через стенки, разделяющие различные среды [51; 53], в качестве стабилизаторов давления в трубопроводах [43]. Сильфонные узлы могут служить исполнительными элементами в пневматических и гидравлических спусковых 
механизмах, в качестве чувствительных элементов в автоматических и измерительных устройствах [53; 291], в термостатах, расходомерах и т. п., используются в качестве металлорукавов и гибких шлангов [290]. Потребителями сильфонов в Советском союзе являлись более 1000 предприятий 30 отраслей промышленности, а общее их производство достигало 12 миллионов 
штук в год при номенклатуре, составляющей более 3000 наименований [250]. 
Для изготовления сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов применяют коррозионностойкие и жаропрочные дисперсионно твердеющие стали [10], никелевые сплавы, сочетания стальной тонкостенной детали с медной арматурой [194], титановые сплавы [11], тантал [268], медные сплавы, 
7 
 

в частности томпак, алюминиевые сплавы [134*; 136*]1. Но чаще всего, особенно для изготовления сильфонных узлов, применяют высоколегированные 
коррозионностойкие стали типа 18-8 [30; 48; 270]. Толщина кромки тонкой 
детали (сильфона, мембраны, диафрагмы, оболочки) может составлять от 
0,05…0,1௒мм [61; 356] до 0,3…0,5௒мм [189], тогда как деталь, с которой эта 
кромка соединяется, может иметь толщину до нескольких десятков миллиметров. 
 
 
Рис. 1. Варианты конструкций сильфонных узлов 
 
Сильфонные, мембранные и диафрагменные узлы являются ответственными конструкциями, существенно влияющими на работоспособность 
машин и аппаратов. Отказ такого узла в процессе эксплуатации зачастую 
ведёт к аварии всего изделия. Поэтому при производстве сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов большое внимание должно уделяться качеству их изготовления на всех операциях технологических процессов. 
Один из наиболее сложных и ответственных технологических процессов – 
это сварка мембран, тонкостенных сильфонов или оболочек с массивными 
деталями. Различные условия теплоотвода в тонкую и массивную детали 
создают в этом случае затруднения при всех способах сварки. Одним из са 
1 Здесь и далее знаком * обозначены публикации автора. 
8 
 

мых технологичных способов соединения деталей с большой разницей толщин считалась шовная контактная сварка. Исследования, выполненные 
в НИАТ, МАТИ, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ВИАМ и в ряде других организаций Ф. А. Аксельродом, А. А. Аловым и Е. А. Булгачёвым, Д. С. Балковцем, 
Л. Н. Кагановым, В. Э. Моравским, Б. Д. Орловым, П. Л. Чулошниковым 
и другими учёными [4; 7; 8; 10; 21; 22; 23; 33; 34; 49; 209; 222; 223; 251], 
позволили создать технологию контактной сварки, которая нашла применение в промышленности. Однако по мере расширения объёма производства 
деталей с большой разницей толщин, по мере появления новых ответственных конструкций таких деталей оказалось, что эта технология в целом ряде 
случаев не удовлетворяет возрастающим требованиям. Нестабильная прочность швов, грубая чешуйчатость их поверхности и возникающие в связи 
с этим трудности контроля качества снижают надёжность сварных соединений деталей с большой разницей толщин, работающих в агрессивных средах, 
в условиях большого перепада давлений, высоких знакопеременных нагрузок, глубокого вакуума. Опыт промышленных предприятий показал, что брак 
сильфонов в результате дефектов сварных швов, выполненных шовной контактной сваркой, может составлять 10…15ௗ%, а в отдельных случаях достигает 40…50ௗ% [89*; 281]. О качестве сварных соединений при шовной сварке 
судят по результатам разрушения сваренных деталей, при этом на технологические пробы расходуется 5…10ௗ% кондиционных сварных узлов. Непроизводительные затраты на брак и на контроль качества в целом по стране составляли более 30 миллионов рублей в год по ценам 60-х – 80-х годов прошлого века. 
Всё это вызвало необходимость изыскания и исследования новых процессов сварки деталей с большой разницей толщин, свободных от недостатков, присущих контактной роликовой сварке. Были разработаны и успешно 
применялись технологические процессы пайки сильфонных узлов и компенсаторов [29; 244; 272; 273; 351]. Однако вследствие специфики конструкций 
стыков деталей, а в ряде случаев повышенной трудоёмкости и энергоёмкости, процессы пайки не получили широкого распространения. Предпочтение 
было отдано сварке плавлением. Наряду с дуговой сваркой успешно опробованы способы электроннолучевой [35; 68; 356] и лазерной [35; 54; 171] сварки. Однако эти способы, в связи с относительно высокой стоимостью оборудования и повышенными требованиями к точности сборки деталей, также 
нашли лишь ограниченное применение в промышленности. Отмечалось также [356], что при этих способах сварки отклонения параметров режима 
от оптимальных значений сильно влияют на размеры шва. Существенным 
9 
 

преимуществом электроннолучевой сварки можно считать возможность 
практически одновременного нагрева и сварки криволинейного стыка 
(например, при наложении кругового шва) по всей его длине, что снимает 
проблему слежения за стыком и обеспечивает более равномерный нагрев 
всей зоны сварки. Это возможно при осуществлении предложенного нами 
способа [121*], по которому электронный луч сканируют с большой частотой 
по прямоугольной площадке, в которую вписан весь криволинейный стык 
деталей или его часть. В моменты пересечения лучом линии стыка мощность 
луча увеличивают. Сигнал о положении стыка деталей получают от видикона, установленного над стыком. Электронный луч в этом случае рисует точками повышенной мощности луча изображение стыка на самом стыке деталей. Но из-за сложности оборудования для этого способа и ограниченности 
его применения на многих конструкциях деталей с большой разницей толщин этот способ развития не получил. 
Данные, полученные НИАТ [285], и другими предприятиями [13; 16; 
307] показали, что наиболее перспективным способом сварки плавлением деталей с большой разницей толщин может служить способ дуговой сварки неплавящимся электродом в среде аргона. Сварные соединения, выполненные 
аргонодуговой сваркой, имеют более стабильное формирование [13; 15; 46] 
по сравнению со швами, полученными контактной шовной сваркой, легче 
контролируются визуально и допускают подварку местных дефектов. Это создаёт предпосылки для повышения качества соединений ответственных конструкций из деталей разных толщин. Однако с первых же шагов освоения дуговой сварки этих конструкций оказалось, что большая разница в толщине 
кромок свариваемых деталей приводит к резкой неравномерности их нагрева. 
В результате тонкая кромка, перегреваясь, деформируется, образуются прожоги [13; 16]. Таким образом, применение дуговой сварки само по себе ещё 
не решило проблему повышения качества сварных узлов из деталей с большой разницей толщин. Для решения этой проблемы требуется разработка новых технологий сварки, которые могут быть созданы на основе исследования 
особенностей процессов нагрева разнотолщинных кромок и формирования 
соединяющего их сварного шва. Поэтому целью настоящей работы являлось 
повышение качества сварных соединений деталей с большой разницей толщин путём теоретических и экспериментальных исследований условий 
и процесса их соединения и разработки новых способов и технологических 
процессов сварки. 
10