Формирование сварных швов тонколистовых соединений

В. Я. Шнеерсон 
 ФОРМИРОВАНИЕ   
СВАРНЫХ ШВОВ 
ТОНКОЛИСТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
Ш76 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
канд. физ.-мат. наук А. Н. Панов;  
канд. техн. наук Я. В. Россомахо;
профессор, д-р техн. наук С. И. Полосков 
 
 
Шнеерсон, В. Я. 
Ш76   
Формирование  сварных  швов  тонколистовых  соединений : монография / В. Я. Шнеерсон. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 
188 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1308-4 
 
Рассмотрены проблемы образования некоторых видов периодических структур 
сварных швов: структур типа «Humping» (или структур типа «пилы» при сварке торцевых соединений), периодического прожога при сварке стыковых соединений, а также 
периодических структур типа слоистой неоднородности сварных швов. Исследование 
процессов формирования проводится на основе физического моделирования процессов 
сварки, при этом в качестве базовой модели использована ванна расплава, образующаяся на торце одиночного образца при его оплавлении различными источниками нагрева. 
Большинство глав посвящено формированию швов торцевых соединений. Рассматриваются и другие проблемы, связанные с формированием сварных швов, такие как модели сварочной ванны, количественная оценка различных по природе источников 
нагрева с точки зрения формирования сварных швов и др. 
Для научных и инженерно-технических работников, занятых в области сварочного производства. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям технических учебных заведений. 
 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
 
 
Книга написана на основании статей, опубликованных автором в различные годы и в разных 
периодических изданиях («Сварочное производство» в период с 1988 по 2008 гг., «Автоматическая сварка» в период с 1979 по 1982 гг., «Сварка и диагностика» в период с 2008 по 2011 гг., 
«Мир сварки» в период с 2008 по 2009 гг., «Вестник машиностроения» в период с 2007 по 
2008 гг., «Электротехническая промышленность» в период с 1977 по 1982 гг.), а также сообщений, изложенных на конференциях и семинарах, и на основании сборника статей «Некоторые вопросы формирования сварных швов тонколистовых соединений», рецензентами которого являлись доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой сварки, литья и технологии 
конструкционных материалов (Тульский государственный университет) А. А. Протопопов  
и доктор технических наук, профессор А. С. Рыбаков. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1308-4 
” Шнеерсон В. Я., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  
 
 
 
Вниманию специалистов по сварке представлена монография, посвященная вопросам формирования сварных швов тонколистовых соединений.  
В настоящее время в сварочной науке сформировалось научно-техническое направление «Формирование сварных швов при сварке плавлением», которое характеризуется широким привлечением многих научных дисциплин. Это 
вызвано тем, что образование сварного шва сопровождается сложными физикохимическими процессами, которые не описываются существующими разделами 
теории сварки и для анализа которых необходимо привлекать законы других 
наук. Одним из направлений при изучении формирования сварных швов является математическое моделирование. Однако из-за особенностей образования 
шва, связанных с высокими скоростями протекающих процессов, описываемых 
нелинейными уравнениями, зависимостью многих физических величин от температуры и других факторов, это направление сталкивается со многими трудностями, которые по мере накопления экспериментального материала и совершенствования методов моделирования преодолеваются. 
Одной из задач, решаемых в рамках этого научно-технического направления, является также сбор, систематизация и обобщение экспериментальных данных о влиянии режимов сварки, свойств применяемых материалов и свойств источников нагрева на форму и геометрические размеры сварных швов. В монографии представлены экспериментальные исследования, которые позволяют 
глубже понять процессы, происходящие при формировании сварных швов тонколистовых соединений. 
Для изучения процессов формирования сварных швов торцевых и отбортованных соединений использован метод физического моделирования. Физической моделью при исследованиях служит процесс формирования оплавленного 
слоя металла, образованного при оплавлении источником тепла торца одиночного образца и плоскости одиночной пластины. 
Это позволяет выяснить основные закономерности формирования оплавленного слоя на одиночных образцах, а затем сопоставить полученные результаты уже при сварке соединений с учетом влияния зазоров и образования общей 
сварочной ванны. 
Проведенные исследования позволяют понять механизм образования так 
называемого «пилообразного» шва при сварке торцевых соединений, природу 
образования различных видов прожогов при сварке стыковых соединений металлов малых толщин, развить гипотезу о периодическом поступлении металла 
с передней стенки сварочной ванны при дуговых видах сварки и на ее основании объяснить механизм образования слоистой неоднородности сварного шва. 
При исследованиях установлено, что как при сварке торцевых соединений, так 
3 
 

и при сварке стыковых соединений, имеются два основных режима формирования сварного шва - режим нормального формирования шва, при котором поверхность шва ровная и гладкая (неровности составляют не более 10  толщины свариваемых деталей) и режим формирования периодических структур 
типа «пилы» и «периодического» прожога. Оба вида периодических структур 
взаимосвязаны по своей физической природе. Из этого, как следствие, получено, что существующее в настоящее время в стандартах по сварке определение 
термина «прожог» не соответствует своей физической природе и подлежит 
уточнению.  
Оба режима формирования сварных швов характеризуются параметрами 
формирования - предельными значениями токов (для дуговых видов сварки) 
или предельными значениями энергий источников нагрева (для недуговых источников). Введение параметров формирования означает, что появилось 
«число» - количественная характеристика для оценки качества формирования 
шва, связанная с режимом сварки, свойствами источника нагрева и свариваемого материала. Это позволяет также ввести количественную оценку разных по 
физической природе источников нагрева с точки зрения формирования сварного шва. 
В монографии выделено пять глав. Каждая глава отражает определенное 
направление исследований. В конце каждой главы приводятся основные выводы 
из исследований.  
В монографии представлен в основном экспериментальный материал и 
практически отсутствует математическая проработка поднимаемых вопросов, 
что объясняется сложностью процессов формирования швов, и, кроме того, для 
получения адекватного математического описания явлений необходим набор соответствующего экспериментального материала, что и решается на данном этапе 
исследований.  
Многие идеи носят дискуссионный характер. Так, автор считает, что в 
наибольшей степени для описания многих явлений при формировании швов тонколистовых соединений в наибольшей мере подходит раздел гидродинамики, в 
котором рассматривается течение тонкого слоя вязкой жидкости. Показано, что 
на основании применения отдельных положений этого раздела гидродинамики 
можно объяснить некоторые особенности формирования швов. Исследование такого типа течения было начато в России в начале 40-х годов прошлого века учеными П. А. Семеновым, П. Л. Капицей, В. Г. Левичем и др.  
К дискуссионным идеям можно отнести и дискретный механизм поступления металла с передней стенки сварочной ванны в ее кратерную часть при дуговой сварке и как следствие этого - слоистую структуру сварного шва. Предметом 
дискуссий может явиться также возможность количественной оценки качества 
формирования сварного шва и количественной оценки источника нагрева с 
точки зрения формирования шва с введением соответствующих единиц измерений, что в настоящее время отсутствует в сварочной науке. 
Часть материалов исследований внедрена в производство, что позволило 
получить определенный экономический эффект.  
4 
 

Автор выражает надежду, что предложенная вниманию читателей монография будет определенным вкладом в создание теории формирования сварных 
швов. 
Автор с благодарностью примет замечания по материалам моногра- 
фии, пожелания и предложения по сотрудничеству в области исследования  
процессов формирования сварных швов. Адрес электронной почты автора: 
42vlad#rambler.ru. 
5 
 

 
 
ГЛАВА 1 
ФОРМИРОВАНИЕ ОПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ  
НА ТОРЦЕ ОДИНОЧНОГО ОБРАЗЦА 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ В ГЛАВУ 1 
 
В этой главе изучаются закономерности формирования оплавленного слоя 
металла, образованного на торце одиночного образца металлической пластины 
при оплавлении его плазменной горелкой. 
Несмотря на то, что торцевые и отбортованные соединения занимают относительно небольшой объем в производстве сварных соединений, тем не менее, 
они широко используются в таких отраслях промышленности, как электротехническая, электронная и других. Кроме того, как показали исследования, многие 
закономерности, установленные при изучении формирования этих соединений, 
имеют место и при формировании сварных швов стыковых соединений металлов 
малых толщин, что подтверждает актуальность исследования формирования 
сварных швов торцовых соединений. 
Впервые начал изучать формирование швов торцевых соединений российский ученый Игорь Михайлович Ковалев. Эти исследования были направлены на улучшение качества сварных швов в производстве канистр для горючего. Наиболее характерный дефект шва таких соединений - это так называемый «пилообразный» шов - волновая поверхность шва с «длиной волны» порядка нескольких миллиметров. В настоящее время в сварочной науке для характеристики таких структур применяется определение «Humping». Появление 
этого дефекта связывалось тогда с пространственной неустойчивостью источника нагрева - угольной дугой. Однако в дальнейшем, уже при внедрении таких 
видов сварки, как плазменная, лазерная, в которых используются источники 
нагрева с высокой пространственной устойчивостью, дефект шва типа «пила» 
также имел место. Это и послужило причиной, побудившей автора начать исследования этого вида дефекта, чтобы понять механизм возникновения этого 
дефекта, который, безусловно, связан с проблемой формирования сварных 
швов этих соединений. Существовавшие на время начала исследований представления о формировании таких швов не раскрывали механизм образования 
«пилообразного» шва. Это показал анализ различных моделей формирования 
сварных соединений, проведенный в разделе «О классификации моделей формирования сварных швов» этой главы. С точки зрения деления моделей формирования на статические и динамические, этот раздел представляет интерес.  
В процессе работы было установлено, что образование дефекта шва типа 
«пила» носит не случайный характер, а является фундаментальным явлением, 
присущим всем видам сварки плавлением металлов при выполнении торцевых 
6 
 

швов тонколистовых соединений - газовой сварке, аргонодуговой, плазменной, 
электронно-лучевой, лазерной. 
На образование сварного соединения большое влияние оказывает качество 
сборки деталей под сварку, процессы слияния отдельных ванночек, образованных 
на каждой из двух свариваемых кромках металла, в одну - общую, сварочную 
ванну, а также пространственная устойчивость дуги. Поэтому в качестве идеализированной физической модели процесса формирования сварного шва торцевого 
соединения был выбран процесс формирования оплавленного слоя металла, образованного на торце одиночного образца при оплавлении его плазменной горелкой. 
Такая модель исключала действие отмеченных выше факторов и позволяла изучать формирование оплавленного слоя металла при воздействии основных факторов процесса - скорости перемещения образца, мощности дуги, свойств источника 
нагрева (сжатия дуги, расстояния между электродом и торцом образца, пр.) и др. 
факторов процесса сварки (оплавления). 
Объектом исследований в этой главе служил оплавленный слой металла, образованный на торце пластин из низкоуглеродистой стали толщиной 0,5-2,0 мм, а 
также слой на торце пластин толщиной 1,0 мм из меди, титана и нержавеющей 
стали. 
В конце главы приводятся основные выводы, полученные по результатам 
исследований, рассмотренных в разделах этой главы. 
 
 
1. ФОРМИРОВАНИЕ СВАРНЫХ ШВОВ  
ОТБОРТОВАННЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
 
Опыты по оплавлению плазменной горелкой торцевой поверхности пластин из низкоуглеродистой стали 08кп, меди Ml, стали 1Х18Н9Т, латуни Л63 
показали, что с увеличением тока при неизменной скорости оплавления поверхность торца формируется в такой последовательности: гладкая поверхность, зарождение на ней волн (от отдельных волн, к серии волн и к волнам на всей 
длине образца); затем появляется относительно ровная поверхность, но с развитой пористостью; дальнейшее увеличение тока вызывает волны и на этой поверхности, потом металл продвигается из хвостовой части ванны к переднему 
фронту и нависает в верхней части кратера ванны. Некоторые особенности формирования швов исследованы при аргонодуговой [1-3] и электронно-лучевой 
сварке [4]. 
Наиболее важные периоды формирования: период образования гладкой 
поверхности и период зарождения волн на поверхности (волновой период), - 
определяющий границы оптимального режима. Для количественной оценки периодов формирования принимаем два параметра: Iопт - максимальный ток, при 
котором при данной скорости оплавления (сварки) образуется гладкая поверхность слоя с локальными превышениями металла не более 10...15  толщины 
образца; Iп - минимальный ток, при котором образуются волны по всей длине 
образца. 
7 
 

В разделе описаны некоторые закономерности оптимального и волнового 
периодов формирования при оплавлении торца и сварке образцов из низкоуглеродистой стали 08кп толщиной 0,6...1,8 мм в диапазоне скоростей 0,33...4,50 см/с.  
В опытах использовали плазменную горелку с диаметром сопла 5 мм, расстояние 
от среза сопла до образца составляло 3 мм, расход плазмообразующего газа (аргона) - 1,7 л/мин, защитного (углекислого) - 5 л/мин, ширина образцов - 30 мм. 
На рис. 1 представлены зависимости квадратов токов оптимального Iопт  
и волнового периодов Iп формирования от толщины образца и скорости оплавления, которые удовлетворительно описываются уравнением ܫଶൌܭܸ
ˑ˒ˎ ݀ଶ  ,  
где К – коэффициент, зависящий от скорости сварки и периода формирования; 
Vопл - скорость оплавления; d - толщина металла, причем отношение  
I 2п/I 2опт равно 1,9 “ 0,2 для данной толщины и скорости оплавления. 
 
 
 
Рис. 1. Зависимость квадрата параметров формирования от скорости перемещения  
(толщина образцов, сверху вниз: 1,8; 1,5; 1,0; 0,8; 0,6 мм) 
8 
 

Поскольку давление дуги на ванну пропорционально квадрату тока, то полученные соотношения позволяют утверждать, что формирование при данной 
толщине металла и скорости оплавления зависит от давления дуги. Кроме того, 
можно предположить, что параметры, определяющие геометрию ванны (высоту, 
объем, поперечное сечение), при устойчивом формировании, характеризуемом 
параметром Iопт, имеют свои предельные значения. 
Замеры макрошлифов показали, что для данной толщины и скорости сварки 
существуют предельные высота и площадь поперечного сечения шва, соответствующие току Iопт, которые уменьшаются с увеличением сварки (рис. 2).  
 
 
Рис. 2. Макрошлифы образцов из стали толщиной 1  1 мм,  
полученных плазменной сваркой:  
а - Iопт = 45 А, VСВ = 0,33 см/с; b - Iопт = 57 А, VСВ = 0,60 см/с; в - Iопт = 65 А, VСВ = 1 см/с;  
г - Iопт = 75 А, VСВ = 1,61 см/с; д - Iопт = 90 A, VСВ = 2,82 см/с 
 
Возрастание сварочного тока не позволяет увеличить высоту и площадь 
поперечного сечения шва при сохранении условий нормального формирования 
шва, так как наступает волновой период формирования. 
Таким образом, параметры Iопт и Iп имеют определенный физический смысл 
и указывают на то, что в зависимости от давления дуги на ванну и размеров 
ванны возможен различный характер формирования шва. 
В работе [3] говорится о возможности наступления волнового формирования шва вследствие дискретного характера перемещения дуги. Поскольку пространственная устойчивость плазменной дуги выше, чем свободной, то, приняв 
указанную выше гипотезу, можно ожидать, что параметры Iопт и Iп при аргонодуговой сварке будут ниже, чем при плазменной. Однако сравнительные опыты по 
оплавлению стали показали, что дискретность перемещения дуги можно рассматривать как фактор, способствующий развитию волнового формирования 
шва, но не являющийся главной причиной его возникновения. 
В работах [5-7] при исследовании течения тонких слоев вязкой жидкости 
по вертикальной стенке в зависимости от числа Рейнольдса установлены три основных режима течения: ламинарный при спокойной поверхности раздела 
9 
 

жидкой и газовой фаз (Re<30...50), ламинарный при наличии волн на поверхности раздела (30... ...50<Re<100...400) и турбулентный (Re!100...400). 
Для оценки чисел Рейнольдса в случае нормального и волнового формирования поверхности при сварке воспользуемся зависимостью между расходом 
жидкости на единицу ширины потока Q и критерием ܴ݁ ൌͶ
ொ
ఔ, где v - кинематическая вязкость жидкости [6]. 
В случае нормального формирования поверхности при Iопт удельный расход определяется выражением Q = VоптÂS/a, где S - площадь оплавленного слоя, 
определяемая по шлифу; а – ширина образца. При волновом формировании расход жидкости находим по формуле [8] Q = 0,5 HVОПЛ, где Н – амплитуда волны, 
определяемая по результатам замера волн на поверхности образцов. 
Приняв для расплавленной стали коэффициент кинематической вязкости  
v = 0,5Â10-6 м2/с [9] и произведя соответствующие замеры и вычисления, находим, 
что область чисел Рейнольдса для нормального формирования составляет 
5<Re<60 и для волнового 50<Re<200, что соответствует условиям течения тонких слоев вязкой жидкости [5-7]. 
Волновой характер оплавления поверхности легко переходит в формирование поверхности без волн, но с развитой пористостью при уменьшении диаметра сопла, увеличении расхода плазмообразующего газа и при других факторах, повышающих скорость движения металла сварочной ванны. Можно полагать, что такое формирование поверхности соответствует турбулентному режиму при течении тонких слоев вязкой жидкости [5]. 
Следует заметить, что параметры волн на поверхности (длина волны, ее 
амплитуда), полученные в опытах при сварке и в работах [5-7], имеют близкие 
значения (длина 10...30 мм, амплитуда 1 мм) (рис. 3). 
 
Рис. 3. Волновая поверхность при оплавлении со скоростью 0,33 см/с  
и толщине образцов 1 мм при токе: 
 1 - 22 А; 2 – 24 А; 3 - 26 А; 4 – 28 А 
10