Теория сварочных процессов

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ  
ПРОЦЕССОВ 

Под редакцией В.М. Неровного 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по университетскому политехническому 
образованию в качестве учебника для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01  
«Машиностроение» (уровень бакалавриата)  
и 15.04.01 «Машиностроение» (уровень магистратуры) 
 

2-е издание, переработанное и дополненное 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 621.791.01(075.8) 
ББК  34.641 
          Т338 
 

Авторы: 

В.М. Неровный, А.В. Коновалов, Б.Ф. Якушин,  

Э.Л. Макаров, А.С. Куркин 

 

Рецензент: 

д-р техн. наук, профессор В.Н. Ластовиря 

 

 

 
 

Теория сварочных процессов : учебник для вузов / [В. М. Неров
ный и др.] ; под ред. В. М. Неровного. — 2-е изд., перераб. и доп. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. — 702, [2] с. : ил. 

 
ISBN 978-5-7038-4543-1 

Изложены теоретические основы сварочных процессов. Представлены сведения  

об основах физики сварочных дуговых источников энергии, особенностях использования для сварки лучевой энергии и источников энергии, применяемых для сварки давлением. Рассмотрены тепловые процессы при сварке металлов и даны основные сведения 
по химической термодинамике, физической химии, необходимые для понимания металлургических процессов при сварке. Описаны основные термомеханические процессы и 
превращения в металлах при сварке. Приведены сведения о методах компьютерного  
моделирования  сварочных процессов. 

Содержание учебника соответствует курсам лекций, которые авторы читают  

в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

Для студентов и магистров высших технических учебных заведений машинострои
тельных специальностей. Будет полезен инженерно-техническим работникам сварочного производства. 

 

УДК 621.791.01(075.8) 
ББК 34.641 

 
 
 
 

 
              
 
 
 
 
 
                             Оформление. Издательство  

ISBN  978-5-7038-4543-1 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Т338 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации. 
Более половины валового национального продукта промышленно развитых 
стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового 
потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и 
сооружений. Во многих случаях сварка является наиболее эффективным или 
единственно возможным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали 
или конструкции. 
 Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы (пластмассы, керамика, стекло и др.). Разработка технологии сварки металлов и неметаллов, новых технологических процессов, сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений требует основательной 
теоретической подготовки в области сварочных процессов. Поэтому в ФГОС 
ВО направление «Машиностроение» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров в области оборудования и технологии сварочного производства учебная дисциплина «Теория сварочных процессов» является базовой и 
служит вышеуказанным целям. Она охватывает широкий круг процессов, 
происходящих при сварке материалов и определяющих в конечном итоге качество и работоспособность сварных соединений. 
Учебник написан коллективом авторов — сотрудников кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана — и включает в себя  
4 раздела: 
I. «Источники энергии для сварки» (д-р техн. наук проф. В.М. Неровный). 
II. «Тепловые процессы при сварке» (д-р техн. наук проф. А.В. Коновалов). 
III. «Физико-химические и металлургические процессы при сварке»  

(д-р техн. наук проф. Б.Ф. Якушин). 
IV. «Фазовые и структурные превращения в металлах при сварке»  
(д-р техн. наук проф. А.С. Куркин, д-р техн. наук проф. Э.Л. Макаров,  
д-р техн. наук проф. А.В. Коновалов). 
При описании процессов, сопутствующих образованию сварных соединений, затрагивается широкий круг вопросов по различным фундаментальным 
дисциплинам. Поэтому при написании учебника авторы исходили из учебных 
планов по данному направлению, согласно которому студенты уже получили 
подготовку в области общенаучных и общетехнических дисциплин, включая 

 
 
Предисловие 

4 

высшую математику, физику, химию, сопротивление материалов, материаловедение, термодинамику, электротехнику и др.  

По сравнению с первым изданием (2007 г.) учебник значительно перера
ботан и дополнен, так как за прошедший период наука о сварке и сварочная 
техника получили заметное развитие, появились новые источники энергии, 
технологические процессы и материалы, существенно расширились научные 
представления об основных явлениях, происходящих при сварке.  

Естественно, что в учебнике нашли отражение главные вопросы теории 

сварочных процессов, которые разрабатывались как российскими учеными, 
так и учеными других стран.  

Учебник может быть полезен не только студентам, но и инженерно
техническим работникам сварочного производства. 

 

Н.П. Алёшин,  

академик РАН, доктор  

технических наук, профессор  

 
 
 
 
 
 
 

Предисловие 

5 

ОТ АВТОРОВ 

Конечная цель сварочного производства — выпуск экономичных сварных 

конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим 
и физическим свойствам тому эксплуатационному назначению и условиям 
работы, для которых они создаются. Обеспечение рациональных форм и 
определение оптимальных сечений элементов конструкций относится к задачам проектирования. Получение необходимых механических и физических 
свойств сварных соединений — главная задача, решение которой должны 
обеспечить технологические процессы сварки. Теория сварочных процессов 
призвана давать правильное описание совокупности явлений, которые составляют сущность процесса сварки. 

Процесс сварки весьма сложен, в особенности если иметь в виду много
образие способов сварки, основанных на использовании различных физических явлений. 

Первую группу явлений, которую рассматривает теория сварочных про
цессов, составляют физические, механические и химические процессы, происходящие при подготовке свариваемого материала к образованию прочных 
связей между отдельными частями свариваемой детали. В большинстве случаев это явления, связанные с преобразованием различных видов энергии в 
тепловую. Металл, будучи нагрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего при сварке для нагрева металла используют 
электрическую энергию. Но имеется много способов сварки, в которых используют энергию, выделяющуюся при горении газов, лучевую энергию, механическую, а также их сочетание. Описание физико-химических процессов, 
лежащих в основе этих способов, дается в разд. I «Источники энергии для 
сварки». 

Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, распростра
няется в нем, подчиняясь законам теплопроводности. Эти явления рассмотрены 
в разд. II «Тепловые процессы при сварке». Если бы металл не изменял своих 
механических и физических свойств при повышении температуры, то задача 
изучения нагрева тел при сварке свелась бы только к определению условий, при 
которых металл в зоне сварки достигает необходимой температуры. В действительности изучение температурных процессов в металле шва и вблизи него 
необходимо по двум причинам: для количественного описания многочисленных 
реакций, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом, а также 
для определения условий кристаллизации металла, различных структурных 

 

 
 
От авторов 

6 

превращений и термомеханических процессов в металлах. В III и IV разделах 
учебника рассматриваются металлургия и металловедение сварки. 

Закономерности формирования химического состава металла шва изложены 

в разд. III «Физико-химические и металлургические процессы при сварке». Материал первых двух разделов дает описание тех физических и температурных 
условий, которые создаются над поверхностью металла и в самом металле в 
процессе сварки. В этом плане материал первых двух разделов представляет собой как бы описание того физического фона, от которого зависит протекание 
реакций, переход различных легирующих элементов в металл шва или их удаление и окисление. Вопросы защиты металла шва и массообмена на границе металл — шлак и металл — газ являются центральными в разд. III. Эти процессы 
предопределяют химический состав металла шва, а следовательно, во многом и 
его механические свойства. Однако формирование свойств сварного шва, а тем 
более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла.  

Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства 

околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от 
температурного и термомеханического циклов, которые сопровождают процесс 
сварки. Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования 
сварного соединения предопределяет их механические свойства. Процесс сварки 
может создавать в металле такие скорости нагрева и охлаждения металла вследствие передачи теплоты по механизму теплопроводности, которые часто невозможно организовать при термической обработке путем поверхностной теплопередачи. Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые  
также влияют на свойства соединений. Эти вопросы рассматриваются в IV,  
заключительном, разделе учебника — «Фазовые и структурные превращения  
в металлах при сварке». 
Таким образом, теория сварочных процессов — теоретический фундамент 
науки о сварке в части формирования свойств сварного соединения. Разумеется, этим далеко не исчерпывается круг проблем в области сварки. Теория 
сварочных процессов — один из первых курсов, который закладывает необходимую теоретическую базу для изучения различных технологических процессов, создания сварочных материалов, а также для понимания и объяснения 
ряда вопросов в области прочности сварных соединений. Наиболее близко 
теория сварочных процессов соприкасается с курсами, в которых изучаются 
различные технологические процессы. Это, однако, не означает, что все вопросы, необходимые для изучения технологии сварки, сосредоточены в теории сварочных процессов.  
Исторически сложилось некоторое условное разделение материала между 
этими двумя группами курсов. В теории сварочных процессов рассматриваются, как правило, те явления и процессы, которые свойственны многим видам сварки, как бы общие для них, в то время как в технологических курсах 
по сварке плавлением и давлением больше внимания уделено тем конкрет

От авторов 

7 

ным вопросам, которые в значительной мере зависят от изучаемых технологических приемов. 
Второе издание (первое издание вышло в 2007 г.) дополнено и переработано в соответствии с современным состоянием науки о сварке и сварочной 
технологии.  
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам, давшим ценные 
указания по материалу книги, а также коллективу Издательства МГТУ  
им. Н.Э. Баумана за помощь при работе над учебником. 
Все замечания и пожелания читателей, направленные на улучшение книги, будут восприняты авторами с благодарностью и пониманием.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
От авторов 

8 

 

I 
Раздел 
Источники энергии  
для сварки 

 

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ   
И КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ   

1.1. Виды элементарных связей в твердых телах  
и монолитных соединениях 

В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных 
соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными, т. е. сплошными, и немонолитными (например, заклепочные соединения). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием. 
Сварку и пайку используют для соединения между собой твердых тел: 
металлов и неметаллов. Монолитность сварных соединений обеспечивается 
появлением атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых 
твердых тел. 
Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типа связи между атомами и характера их взаимного расположения, 
поэтому прежде чем рассматривать природу сварного соединения, следует 
вспомнить некоторые сведения из физики твердого тела. 
Элементарные связи в твердых телах. Характер и значение энергии 
элементарных связей в твердых телах зависят от природы вещества и типа 
кристаллической решетки твердого тела. 
Наличие ряда кристаллических структур, разнообразие физических 
свойств (сжимаемость, точка плавления, электрические, оптические свойства 
и др.), а также различные химические свойства указывают на существование 
разных типов связи атомов в твердых телах. Силы межатомного взаимодействия имеют электрическое происхождение. 
В первом приближении можно считать, что в образовании межатомных 
(химических) связей принимают участие в основном электроны валентных 

 

Глава 1. Физические основы и классификация сварочных процессов 

9 

оболочек. Их вклад в энергию образования тела из атомов намного больше, 
чем вклад внутренних электронов. Химические связи по своей природе электромагнитные и действуют на расстояниях порядка 10–10 м. 
Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитного взаимодействия существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или сильные, действующие на расстояниях менее 10–15 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их можно не учитывать); слабые, обусловливающие 
β-распад (они слабее электромагнитных в 106 раз); гравитационные, которые 
в 1036 раз слабее электромагнитных. 
Понятие химической связи относится к взаимодействию атомов с энергией  10…100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различными взаимодействиями, которые традиционно классифицируют 
как типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Эта классификация не является четко определенной. Ковалентная связь 
представляет собой универсальный тип химической связи. Ионную связь 
можно рассматривать как частный (предельный) случай ковалентной связи 
между атомами, резко отличающимися друг от друга по своей электроотрицательности. Понятия металлической и водородной связей отражают скорее 
специфику химических объектов, нежели действующих сил. Наиболее типичны ковалентная и ионная химические связи. 
Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Она может образоваться путем взаимодействия 
или спаривания валентных электронов. Если атомы одинаковы — например, в 
молекулах водорода Н2, щелочных металлов в газообразном состоянии Li2, K2, 
Na2, галогенов Cl2, Br2, азота N2,  —  то связь неполярная, при взаимодействии 
разных атомов — например, в молекуле хлороводорода НСl — связь полярная. 
В предельном случае, когда электроны связи полностью смещены к одному из 
ядер, имеет место ионная связь. В природе сравнительно немного тел с ковалентными связями. Однако некоторые из них имеют большое практическое 
значение благодаря высокой температуре плавления и твердости, например 
алмаз С, кремний Si, германий Ge и карборунд (карбид кремния SiC). Главной 
чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая 
пространственная ориентация. 
При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные ковалентные связи устанавливаются не только в кристаллах металлов, но и при 
соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметаллидами, обладающими полупроводниковыми 
свойствами. 
Ионная, или гетерополярная, связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Типичным представителем 
ионных кристаллов является поваренная соль NaCl. Образование катиона — 

_____________________ 
 Интерметаллиды — соединения типичных металлов с металлами, имеющими 
слабые металлические свойства. 

Раздел I. Источники энергии для сварки 

10 

это результат потери атомом электрона. Мерой прочности связи электрона в 
атоме может служить потенциал ионизации атома. Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к 
такому присоединению служит так называемое сродство к электрону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной 
направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи. Однако 
они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у них 
нет свойств, позволяющих использовать их как конструкционный материал. 
Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в значительной 
степени идеализированы. Обычно встречаются промежуточные случаи. Если 
при ионной связи один атом отдает электрон другому, а при ковалентной каждый электрон принадлежит в равной степени обоим связанным атомам, то  
в промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности». 
Водородная связь, называемая также протонной связью, представляет  
собой связь специфического типа, которая может быть как внутримолекулярной, так и межмолекулярной. Возникновение связей такого типа индуцируется ядром водорода (или протоном), которое благодаря своему малому размеру может проникать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной 
электроотрицательностью. Водородная связь занимает промежуточное положение между атомной и ионной и часто встречается в органических и некоторых неорганических соединениях. Ассоциации молекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородными связями. 
Металлические связи характерны для металлов. Металлическое тело 
можно считать одной макромолекулой, потому что металлические связи 
имеют место не только между двумя или несколькими атомами металла. Высокие значения тепло- и электропроводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой. Атомы металлов имеют мало электронов во 
внешней оболочке, и эти электроны сравнительно слабо связаны с остальной 
частью атома («остовом» атома). Слабая связь внешних электронов приводит 
к тому, что металлы имеют небольшие потенциалы ионизации. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе 
как можно больше соседних атомов. Следствием этого является большая 
компактность кристаллических структур металлов. Энергия металлической 
связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому большинство металлов по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие модуль упругости, температуру плавления и испарения, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения.  
Поскольку в металле существует как бы облако обобществленных электронов, металлическая связь допускает большее смещение атомов, чем другие типы связей. Этим обусловливается высокая пластичность металлических 
кристаллов по сравнению с ковалентными или ионными кристаллами. 
Между молекулами имеется специфическое взаимодействие, вызываемое 
межмолекулярными силами, или силами Ван-дер-Ваальса. Механизм такой 
связи присущ всем твердым телам. Силы Ван-дер-Ваальса действуют между 
молекулами газообразных и жидких веществ, а также между молекулами в