Технология, оборудование и материалы сварки плавлением

В. Е. Завьялов, И. В. Иванова
ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ 
СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
Учебное пособие
Москва    Вологда
«Инфра-Инженерия»
2023

УДК 621.791
ББК 34.641
З-13
Р е ц е н з е н т ы:
кандидат технических наук, доцент, заслуженный работник сферы образования 
РФ, директор ООО «Региональный Северо-Западный Межотраслевой 
Аттестационный Центр», научный руководитель УНТЦ «Сварка»
А. М. Левченко;
доктор технических наук, профессор Высшей школы физики и технологий 
материалов Института машиностроения, материалов и транспорта 
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, 
директор Российско-Германского центра лазерных технологий 
С. Г. Паршин
Завьялов, В. Е.
З-13
Технология, оборудование и материалы сварки плавлением : учебное
пособие / В. Е. Завьялов, И. В. Иванова. - Москва : Вологда ; ИнфраИнженерия, 2023. - 548 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-1292-6
Представлены сведения по теоретическим основам сварки металлов и их сплавов, сварочным источникам тепла, тепловым и металлургическим процессам основных 
видов сварки, газотермического нанесения покрытий, сварке углеродистых низко- и 
высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов, использованию аддитивных технологий в сварочном производстве. Даны рекомендации по технике и расчету режимов различных способов сварки, рассмотрены причины возникновения и 
меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. Представлены принципы 
проектирования сварочного оборудования, основы методов контроля качества сварных 
соединений и порядок проведения контрольных операций.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: «Машиностроение» 
(профиль «Оборудование и технология сварочного производства»), «Металлургия» 
(профиль «Металлургия сварочного производства» и «Теоретические основы процессов сварки»). Может быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам, 
занятым в области сварочного производства.
УДК 621.791
ББК 34.641
ISBN 978-5-9729-1292-6
” Завьялов В. Е., Иванова И. В., 2023
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ
Технология (от греческого techne - искусство, мастерство, умение) это совокупность методов, способов и приемов получения, обработки или переработки сырья и полуфабрикатов с целью получения готовой продукции.
Технология производства сварных конструкций включает в себя технические и организационные мероприятия. К техническим мероприятиям относятся 
освоение нового оборудования, применение необходимых сварочных материалов, реализация технологического процесса. В организационные мероприятия 
входят использование специалистов соответствующей квалификации, создание 
технической документации, а также вопросы подготовки производства. Выполнение сварочных работ должно соответствовать требованиям нормативных документов, в том числе, и охраны труда. При использовании способов ручной 
дуговой сварки индивидуальное мастерство сварщика играет первостепенную 
роль, что нередко может компенсировать отсутствие должной подготовки элементов конструкции под сварку. 
Увеличенные зазоры, превышение кромок, разделка, выполненная не по 
стандарту, в большинстве случаев приведут к дефектам сварных швов, выполняемых механизированными высокотехнологичными способами. Это особенно 
актуально при внедрении инновационных процессов. В сферу инновационной 
деятельности должны входить высокоточные технологические операции подготовки элементов конструкций, в том числе инновационные. Вместо кислородной резки следует применять плазменную или лазерную, а вместо вырубки на 
гильотинах использовать обработку кромок на металлорежущих станках. Повсеместно необходимо применять сборочно-сварочные приспособления.
Разработка технологии требует знание тепловых и металлургических процессов сварки, принципов работы и устройства сварочного оборудования, представление о расчете сварочных режимов, причины образования сварочных 
напряжений и деформаций. Для успешного решения конкретных инженерных 
задач необходимо знание методов контроля качества сварных соединений и их 
технических возможностей. Эти вопросы отражены в предлагаемом учебном 
пособии. В книге представлен также материал по сварке сталей различного 
класса, чугуна, цветных металлов и их сплавов с использованием современных 
методов. Широко представлен материал по газотермическим методам нанесения покрытий, сущности и области применения аддитивных технологий.
        
3


ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 8
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ...................................... 9
1.1. Физические основы процесса сварки металлов............................................ 9
1.2. Классификация видов сварки........................................................................ 13
1.3. Основные виды сварки металлов ................................................................. 15
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ШВОВ.......................... 28
2.1. Типы сварных соединений и швов............................................................... 29
2.2. Конструктивные элементы сварных соединений ....................................... 34
2.3. Классификация сварных соединений и швов.............................................. 36
2.4. Условные обозначения швов сварных соединений.................................... 38
3. СВАРОЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА................................................................ 42
3.1. Общие требования к сварочным источникам тепла................................... 42
3.2. Газосварочное пламя...................................................................................... 42
3.3. Электрическая сварочная дуга...................................................................... 47
3.3.1. Особенности сварочных дуг переменного тока................................... 54
3.3.2. Постоянная составляющая тока............................................................. 55
3.3.3. Трехфазная сварочная дуга .................................................................... 57
3.3.4. Сжатая дуга.............................................................................................. 58
3.3.5. Устойчивость сварочной дуги и требования к статическим 
характеристикам источников питания............................................................. 60
3.3.6. Саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом ......... 61
3.3.7. Перенос металла электрода в дуге и требования к динамическим 
характеристикам источников питания............................................................ 66
3.3.8. Управление переносом электродного металла наложением 
импульсов тока на дугу при сварке плавящимся электродом...................... 68
3.3.9. Технологические свойства сварочных дуг........................................... 74
3.3.10. Воздействие собственных магнитных полей 
на сварочные процессы..................................................................................... 77
3.4. Электрошлаковый источник тепла............................................................... 88
3.5. Электронный луч............................................................................................ 89
3.6. Сравнительные характеристики различных источников тепла 
для сварки плавлением ......................................................................................... 90
4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ .......................................................... 92
4.1. Основы тепловых расчётов при сварке........................................................ 92
4.2. Методы исследования температурных полей при сварке.......................... 96
4.2.1. Метод источников................................................................................... 96
4.2.2. Численные методы.................................................................................. 99
4.2.3. Метод конечных разностей.................................................................... 99
4.2.4. Метод конечных элементов ................................................................. 100
4.2.5. Экспериментальный метод определения температурных полей 
при сварке......................................................................................................... 101
4


5. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ 
ПЛАВЛЕНИЕМ....................................................................................................... 102
5.1. Общая характеристика металлургических процессов при сварке 
плавлением........................................................................................................... 102
5.2. Газовая фаза в зоне сварки плавлением..................................................... 103
5.3. Взаимодействие металлов с кислородом при сварке сталей 
плавлением........................................................................................................... 107
5.4. Взаимодействие с азотом и водородом при сварке плавлением............. 111
5.5. Особенности взаимодействия металла и шлаков при сварке.................. 113
5.6. Раскисление и рафинирование металла шва ............................................. 116
5.7. Легирование наплавленного металла......................................................... 122
6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ....................................... 125
6.1. Требования к оборудованию для сварки плавлением.............................. 125
6.2. Источники питания сварочной дуги .......................................................... 127
6.2.1. Сварочные трансформаторы................................................................ 129
6.2.2. Серийные трансформаторы.................................................................. 141
6.2.3. Выпрямители для дуговой сварки....................................................... 147
6.2.4. Инверторные источники питания........................................................ 162
6.2.5. Оборудование для сварки неплавящимся электродом...................... 165
6.3. Сварочные полуавтоматы............................................................................ 171
7. СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СПОСОБОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ........... 179
7.1. Технология газовой сварки ......................................................................... 179
7.2. Технология ручной сварки покрытыми электродами .............................. 186
7.3. Технология сварки под флюсом ................................................................. 195
7.3.1. Механизированная сварка под флюсом. Основные типы 
и конструктивные элементы .......................................................................... 203
7.3.2. Применение ленточного электрода..................................................... 208
7.4. Технология сварки в защитных газах ........................................................ 214
7.4.1. Защитные газовые смеси для сварки плавящимся электродом........ 246
7.5. Сварка порошковыми проволоками........................................................... 250
7.5.1. Активированная сварочная проволока сплошного сечения............. 257
7.6. Технология электрошлаковой сварки ........................................................ 278
8. ГАЗОТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.................... 286
8.1. Наплавка и напыление как основные способы восстановления 
и упрочнения деталей машин............................................................................. 286
8.2. Технологические основы различных способов наплавки........................ 289
8.3. Газотермическое напыление....................................................................... 331
8.3.1. Основные способы газотермического напыления и области 
их рационального применения ...................................................................... 331
8.3.2. Технология напыления: подготовка изделий под напыление, 
применяемые материалы. Оборудование для напыления........................... 342
9. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ МЕХАНИЗИРОВАНЫХ СПОСОБОВ СВАРКИ....... 353
9.1. Расчет режимов автоматической сварки под слоем флюса..................... 353
5


9.2. Расчёт режимов сварки угловых швов....................................................... 357
9.2.1. Расчёт режимов сварки однопроходного шва.................................... 357
9.2.2. Расчёт режимов сварки многопроходного шва с разделкой ............ 358
9.2.3. Расчёт режимов сварки в защитных газах плавящимся 
электродом ....................................................................................................... 359
9.2.4. Расчет режимов сварки неплавящимся электродом.......................... 360
9.2.5. Расчёт режимов электрошлаковой сварки.......................................... 361
10. ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ................................................................................ 365
10.1. Микроплазменная сварка .......................................................................... 367
10.2. Плазменная сварка на средних токах....................................................... 368
10.3. Плазменная сварка на больших токах...................................................... 368
11. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ СВАРКИ ...................................................................... 371
12. СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ  
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ................................................................... 382
12.1. Сварка низкоуглеродистых конструкционных сталей........................... 387
12.2. Сварка среднеуглеродистых сталей ......................................................... 388
12.3. Особенности технологии сварки низколегированных 
низкоуглеродистых сталей................................................................................. 390
12.4. Сварка перлитных жаропрочных сталей ................................................. 393
12.5. Сварка высокохромистых мартенситных, мартенситно-ферритных 
и ферритных сталей ............................................................................................ 394
12.5.1. Сварка высокохромистых мартенситных сталей............................. 395
12.5.2. Сварка мартенситно-ферритных сталей ........................................... 396
12.5.3. Сварка хромистых ферритных сталей .............................................. 397
13. СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ ........ 398
14. СВАРКА ЧУГУНА............................................................................................ 403
15. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 
НА ИХ ОСНОВЕ..................................................................................................... 413
15.1. Технология сварки алюминия и его сплавов........................................... 413
15.2. Технология сварки меди и ее сплавов...................................................... 418
15.3. Сварка никеля и его сплавов..................................................................... 423
15.4. Сварка титана и его сплавов ..................................................................... 426
15.5. Особенности сварки тугоплавких химически активных 
конструкционных материалов ........................................................................... 431
16. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ..................................................................... 436
16.1. Основные методы и материалы ................................................................ 436
16.2. Изготовление сопел сварочных горелок с использованием аддитивных
технологий ........................................................................................................... 442
17. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ................................ 445
17.1. Дефекты сварных соединений .................................................................. 446
17.2. Технический контроль............................................................................... 450
17.3. Методы неразрушающего контроля......................................................... 453
6


17.4. Разрушающий контроль ............................................................................ 465
17.5. Управление качеством............................................................................... 466
18. СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ..................................... 468
18.1. Мероприятия по уменьшению остаточных напряжений....................... 472
18.1.1. Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки...... 472
18.1.2. Технологические мероприятия, выполняемые после сварки......... 472
18.2. Мероприятия по уменьшению остаточных деформаций....................... 473
18.2.1. Конструктивные мероприятия, выполняемые до сварки................ 473
18.2.2. Технологические мероприятия, выполняемые до сварки............... 474
18.2.3. Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки 
двутавровой балки угловыми швами ............................................................ 475
18.2.4. Технологические мероприятия, выполняемые после сварки......... 477
19. ВОЗДЕЙСТВИЕ НАВЕДЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 
НА СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ............................................................................. 479
19.1. Воздействие поперечных магнитных полей на процессы сварки......... 479
19.2. Влияние продольных магнитных полей на процессы 
дуговой сварки..................................................................................................... 500
20. АТТЕСТАЦИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В СИСТЕМЕ НАКС..... 526
21. ПРИЛОЖЕНИЕ. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА 
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ................................................................................... 537
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................. 543
7


ВВЕДЕНИЕ
Родоначальником всех современных способов сварки является древний 
способ кузнечно-горновой сварки. 
Кузнечно-горновая сварка в древности была единственной технологией изготовления всех изделий из железа. При этом все инструменты и оружие из железа делались только сварными. 
В 1802 г. русский физик и электротехник В. В. Петров открыл явление 
электрической дуги.
В 1882 г. русским изобретателем Н. Н. Бенардосом электрическая дуга была применена для целей сварки с использованием угольного электрода.
В 1888 г. русский инженер Н. Г. Славянов предложил выполнять электродуговую сварку металлическим электродом. Начиная с 1935 г. широкое 
применение получили электроды с качественными покрытиями, позволившие 
применять сварку в производстве ответственных конструкций. С 1940 началось 
интенсивное развитие и внедрение в производство автоматической сварки под 
флюсом. Заслуга в создании этого процесса принадлежит акад. Е. О. Патону и 
созданному им Институту Электросварки (ИЭС). В том направлении работали 
также ЦНИИТМАШ, МВТУ, завод «Электрик» и др. 
Большой вклад в развитие мировой сварочной науки внесли наши ученые и 
инженеры. Выполнены фундаментальные работы в области сварочных напряжений и деформаций, теории источников теплоты и источников тока, металлургических процессов. В нашей стране было открыто явление саморегулирования дуги, электрошлаковой сварки (Г. В. Волошкевич, Б. Е. Патон, и др.) автоматической сварки плавящимся электродом в углекислом газе (К. В. Любавский, Н. М. Новожилов и др.).
8


1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
1.1. Физические основы процесса сварки металлов
Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся 
во взаимодействии. Тип связи атомов и характер их взаимного расположения 
определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела.
Связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, 
проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Силы 
по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10-8 см = 1 c.
Различают четыре вида элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и металлическую.
Ковалентную химическую связь называют еще валентной, атомной, обменной связью. Она образовывается взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с энергией порядка 105 Дж/моль 
определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Этой связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов - алмаза, 
кремния, германия и др.
Ионная или гетерополярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного 
катиона - результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Типичный представитель ионных кристаллов - соль NaCl.
Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но 
они очень малы (порядка 103 Дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и 
др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (He - 1,8; Ar - 40 ƒK).
Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и делокализованных, обобществленных электронов. 
Они по существу не относятся к химическим. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. 
Этот вид связи и обуславливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи - около 105 Дж/моль. 
Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не отдельных, а всех электронных орбит.
Кристаллическая структура металла характеризуется решетками объемно -
или гранецентрированного куба, или гексагональной плотноупакованной. 
Реальные металлы являются поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. 
9


Периферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства 
кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри 
кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и 
большим количеством атомов инородных веществ - примесей и пр. Физические 
свойства поликристаллического тела (металла), в частности и его прочность, 
зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно - или мелкозернистости металла, что определяет преобладающее 
действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств.
Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления 
использованы и взаимоуравновешены. Атомы или молекулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и могут присоединять к себе 
другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или 
жидкого тела.
Для соединения двух твердых тел с получением общего монолитного тела 
необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную 
связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы 
установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной 
связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром 
кристаллической решетки, т. е. (3-5)Â10-8 см.
Сближение поверхностей разобщенных частей твердого тела металлического или неметаллического строения до расстояний межатомного взаимодействия, и образование, вследствие этого, неразъемного соединения, называется сварочным процессом, а само соединение - сварным швом.
Сблизить две твердые поверхности на такие расстояния весьма сложно по двум
причинам. Во-первых, шероховатость и волнистость поверхности каждой 
детали должна обеспечивать возможность сближения на расстояние между 
ними до 0,0002-0,0003 мкм. Во-вторых, поверхности должны быть абсолютно 
чистыми - без влаги, адсорбционных наслоений, оксидных пленок и других 
загрязнений.
Поверхность любых металлов из-за механической обработки или других 
форм воздействия, представляет собой полностью разрушенную и разориентированную кристаллическую структуру.
Она состоит из чередующихся между собой выступов в виде пирамид 
различной высоты и впадин.
Глубина поверхностного слоя (т. е. высота пирамид) зависит от способа 
механической обработки: после тонкого шлифования от 2 до 2,5 мкм, после 
точения и грубого шлифования от 75 до 250 мкм, после полирования от 0,2 
до 0,5 мкм.
В то же время, для межатомного взаимодействия поверхности металла 
необходимо сблизить на расстояние 0,0002-0,0003 мкм. Разрушенный 
кристаллический слой (поверхностный) является концентратором избыточной 
энергии, за счет которой весьма активно оксидируется металлическая 
10