Сооружение сварных конструкций

 
 
 
 
 
О. О. Горшкова  
 
 
 
 
 
СООРУЖЕНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
Г71 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела Тюменского 
индустриального университета, филиала в г. Сургуте Бахарев М. С.; 
доктор технических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности 
Сургутского государственного университета Исаков Г. Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Горшкова, О. О. 
Г71   
Сооружение сварных конструкций : учебник / О. О. Горшкова. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 176 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1921-5 
 
Рассмотрены вопросы технологии сооружения сварных конструкций, особенности перспективных сварочных технологий, определены возможности их применения 
в различных условиях. Содержит теоретический материал, необходимый для проведения лекционных и практических занятий, организации самостоятельной работы 
и проведения контрольных мероприятий. 
Для студентов всех форм обучения по направлению подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», профили «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазотранспортных систем», «Строительство и обслуживание систем транспорта, хранения и сбыта углеводородов». 
 
 УДК 621.791 
 ББК  34.641 
  
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1921-5 
” Горшкова О. О., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ 
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
Из истории развития сварки 
....................................................................................... 6 
Основные понятия и определения ........................................................................... 12 
Классификация видов сварки 
................................................................................... 14 
Сварка плавлением 
.................................................................................................... 16 
Инновации в сварочном производстве с учетом принципов Индустрии 4.0 
...... 25 
Сварные соединения и швы ..................................................................................... 47 
Магнитное дутье 
........................................................................................................ 55 
Термический цикл сварки 
......................................................................................... 57 
Материалы для сварки .............................................................................................. 60 
Технологическая прочность и свариваемость сталей 
............................................ 72 
Сварочная дуга 
........................................................................................................... 77 
Технология сварки 
..................................................................................................... 81 
Дефекты сварных соединений ................................................................................. 88 
Контроль качества сварных соединений ................................................................ 92 
Сварные конструкции ............................................................................................... 99 
Оборудование для сварки 
....................................................................................... 140 
Техника безопасности при выполнении сварочных работ ................................. 147 
Тесты по дисциплине «Сооружение сварных конструкций» ............................. 151 
Список литературы ................................................................................................. 165 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
В современном мире ключевым трендом является формирование гло- 
бальной конкурентоспособной инновационной экономики с учетом принципов 
Индустрии 4.0. Промышленное производство ориентировано на сохранение конкурентоспособности в глобальном секторе путем создания в кратчайшие сроки 
конкурентоспособной продукции. Это накладывает определенные требования 
к модернизации производства, а именно переход на инновационные производственные процессы, использование новейших технологий, оборудования.  
В современном мире сварка имеет преимущественное применение как 
один из способов неразъемного соединения. Сварка более экономичный, менее трудоемкий процесс. Замена клепаных соединений сварными позволила 
уменьшить массу стальных конструкций на 10…25 . Сварные соединения 
герметичны, что наиболее важно при производстве емкостей, резервуаров, 
химических аппаратов и др. Сварочное оборудование отличается простотой 
устройства и обслуживания. Дефекты сварных швов, как правило, исправимы. 
Все это привело к тому, что сварные соединения вытесняют клепаные во всех 
отраслях. 
Сварочные технологии также претерпевают изменения, разрабатываются 
новые наиболее производительные способы сварки, применяется новое оборудование, расширяются возможности соединения различных материалов. Новые 
концептуальные подходы в сварочных технологиях, требования Индустрии 4.0 
по автоматизации и цифровизации процессов ориентированы на повышение качества сварных конструкций, увеличение производительности процесса сварки, 
экономичное использование сварочных материалов, уменьшение потребления 
электроэнергии и др. Индустрия 4.0 дает импульс для совершенствования сварочных технологий, оборудования для сварки с целью повышения производительности процессов, качества сварных соединений при формировании системы «умного производства» посредством интеграции информационных ресурсов 
и инновационных технологий. 
Сварка находит широкое применение при изготовлении металлургического, химического и энергетического оборудования, различных трубопроводов, в машиностроении, в производстве строительных и других конструкций, 
как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений. 
Большие технологические возможности сварки обеспечили ее широкое применение в промышленном производстве, в том числе и в стратегически важных 
для страны отраслях.  
По данным статистики можно судить о масштабах использования сварки, 
а именно примерно 70  всего стального проката, выпускаемого в мире, применяется в сварных конструкциях; 40 миллиардов долларов составляет годовой 
объем мирового производства сварочных материалов и оборудования.  
4 
 

В современных условиях актуальным является вопрос улучшения свариваемости стали и повышения качества сварных конструкций, разнообразных 
модификаций, выполняемых из различных материалов. 
Специалисты сварочного производства находятся в постоянном поиске, 
совершенствуя существующие технологии и создавая принципиально новые 
методы сварки, разрабатывая новейшее сварочное оборудование, что неотъемлемо способствует повышению качества сварочных соединений. Большое внимание уделяется разработке и внедрению в производство новых высокопроизводительных способов сварки, методов и средств контроля качества сварных 
швов, используемых при производстве сварных конструкций. 
Развитие проектов в нефтегазовой отрасли, в судостроении в районах 
с суровыми климатическими условиями (Арктический регион, Восточная Сибирь) выдвигают определенные требования к материалам, технологиям, оборудованию, которые должны сохранять конструкционную надежность, обладать 
коррозионной стойкостью и быть способными выдерживать циклические нагрузки. При изготовлении сварных конструкций в конечной себестоимости стоимость сварочных материалов составляет не более 1–2 , при этом надежность 
и конечное качество металлоконструкций на 70–75  определяется именно качеством сварных соединений [2]. Поэтому особое внимание уделяется вопросу 
повышения качества сварных соединений в условиях низких температур, что 
обусловлено рядом особенностей: снижением прочности сварных соединений, 
замедлением диффузионных процессов, изменением условий горения сварочной дуги. Формирование закалочных структур, а соответственно, повышение 
хрупкости металла в зоне их образования, обусловлено увеличением скорости 
остывания металла сварочной ванны. 
Новые технологии в сварке ориентированы на улучшение показателей 
процесса и повышение качества сварного соединения, а именно: уменьшение 
деформации металла; увеличение производительности процесса сварки; экономию расходных материалов; облегчение и упрощение управлением процессом 
сварки, внедрение цифровизации, роботизации процессов сварки; расширение 
возможностей соединения тонколистового металла различных марок; внедрение разработанных диагностических методик, применяемых для контроля качества сварных соединений; использование нового оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

ʗʖʗʠʡʝʟʗʗ ʟʏʖʑʗʡʗʮʠʑʏʟʙʗ 
 
О возможности применения «электрических искр» для плавления металлов еще в 1753 г. говорил академик Российской академии наук Г. Р. Рихман 
при исследованиях атмосферного электричества. В 1802 г. профессор СанктПетербургской военно-хирургической академии В. В. Петров (Рисунок 1) открыл явление электрической дуги и указал возможные области ее практического использования. Однако потребовались многие годы совместных усилий 
ученых и инженеров, направленных на создание источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов.  
 
 
 
Рисунок 1. Петров Василий Владимирович 
 
В 1882 г. российский ученый-инженер Н. Н. Бенардос (Рисунок 2), работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой 
сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов. 
 
 
 
Рисунок 2. Бенардос Николай Николаевич 
 
В 1888 г. российский инженер Н. Г. Славянов (Рисунок 3) предложил 
проводить сварку плавящимся металлическим электродом. С его именем связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, разработка 
флюсов для воздействия на состав металла шва, создание первого электрического генератора. Н. Г. Славянов разработал способ сварки под флюсом, дробленое стекло он применял в качестве флюса.  
 
6 
 

 
 
Рисунок 3. Славянов Николай Гаврилович 
 
Под руководством В. П. Вологдина в СССР было обоснована возможность применения и научного изучения сварки.   
Д. С. Дульчевский – известный изобретатель, работавший в Одесских железнодорожных мастерских, в 1927 г. разработал первый автомат для сварки 
под флюсом. Промышленный способ автоматической сварки под флюсом был 
разработан коллективом под руководством Е. О. Патона. Была разработана технология сварки под флюсом, создано оборудование и материалы для данного 
способа сварки.   
В середине 1920-х гг. интенсивные исследования процессов сварки были 
начаты во Владивостоке (В. П. Вологдин, Н. Н. Рыкалин), в Москве (Г. А. Николаев, К. К. Окерблом). Особую роль в развитии и становлении сварки в нашей стране сыграл академик Е.О. Патон (Рисунок 4), организовавший в 1929 г. 
лабораторию, а затем Институт электросварки (ИЭС). 
 
 
 
Рисунок 4. Патон Евгений Оскарович 
 
В 1903 году французские ученые Эдмон Фуше и Шарль Пикар сконструировали первую ацетиленокислородную сварочную горелку. В 1906 году 
появились первые надежные ацетиленовые генераторы, после чего началось 
промышленное использование данного вида сварки для создания газопроводов, 
технологического оборудования и других конструкций. 
В 1923 г. Д. А. Дульчевский предложил и опробовал использование угольного порошка при сварке меди, также были применены и другие горючие вещества, оттеснявшие воздух от жидкого металла.  
В 1924–1935 гг. в основном применяли ручную сварку электродами с тонкими ионизирующими (меловыми) покрытиями. В эти годы под руководством 
академика В. П. Волошина были изготовлены первые отечественные котлы и 
7 
 

корпуса нескольких судов. С 1935–1939 гг. начали применять толстопокрытые 
электроды, в которых стержни изготавливали из легированной стали, что обеспечило широкое использование сварки в промышленности и строительстве. 
Электрическая дуговая сварка под водой впервые в мире осуществлена в СССР 
в 1932 г. К. К. Хреновым. 
В 1935 г. в Киеве был создан Институт электросварки, (позже получивший имя Е. О. Патона), где проводились исследования и практические разработки механизированной и автоматической сварку угольным электродом. При 
этом электрод перемещался на тележке, и были применены специальные средства защиты зоны сварки. 
В 1940-е гг. была разработана сварка под флюсом, которая позволила 
повысить производительность процесса и качество сварных соединений, механизировать производство сварных конструкций. Особенные заслуги в области 
электродуговой сварки, механизации и автоматизации ее процесса принадлежат 
русскому ученому академику Е. О. Патону. Во время Второй Мировой войны 
под его руководством автоматическая сварка под слоем флюса была широко 
освоена на наших оборонных заводах в Нижнем Тагиле и сыграла большую 
роль в увеличении производства танков (Т-34) и артиллерийского вооружения.  
 
 
 
Рисунок 5. Танк Т-34 на заводе в Нижнем Тагиле 
 
В начале 1950-х гг. в Институте электросварки им. Е. О. Патона создают 
электрошлаковую сварку для изготовления крупногабаритных деталей из литых и кованых заготовок, что снизило затраты при изготовлении оборудования 
тяжелого машиностроения. 
С 1948 г. получили промышленное применение способы дуговой сварки 
в защитных газах: ручная сварка неплавящимся электродом, механизированная 
и автоматическая сварка неплавящимся и плавящимся электродами. В 1950–
1952 гг. в ЦНИИТМаше при участии МГТУ им. Н. Э. Баумана и ИЭС имени 
Е. О. Патона был разработан высокопроизводительный процесс сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей в среде углекислого газа, обеспечивающий высокое качество сварных соединений. 
8 
 

 В 1960 году была разработана новая технология сварки, которая предусматривает использование нескольких электродов: две или более сварочные 
проволоки под флюсом подаются в одну сварочную ванну, причем они могут 
использоваться как в качестве присадки, так и находится под напряжением. 
Данный технологический процесс позволяет существенно увеличить скорость 
плавления металла и улучшить эксплуатационную гибкость. 
Создание учеными новых источников энергий – концентрированных 
электронного и лазерного лучей – обусловило появление принципиально новых способов сварки плавлением, получивших название электронно-лучевой и 
лазерной сварки. Эти способы сварки успешно применяют в нашей промышленности. 
Сварка потребовалась и в космосе. В 1969 г. наши космонавты В. Кубасов и Г. Шонин и в 1984 г. С. Савицкая и В. Джанибеков провели в космосе 
сварку, резку и пайку различных металлов. 
Газовая сварка, при которой для плавления металла используют теплоту 
горящей смеси газов, также относится к способам сварки плавлением. Способ 
газовой сварки был разработан в конце XIX в., когда началось промышленное 
производство кислорода, водорода и ацетилена, и являлся основным способом 
сварки металлов. Наибольшее распространение получила газовая сварка с применением ацетилена. В настоящее время объем газосварочных работ в промышленности значительно сокращен, но ее успешно применяют при ремонте 
изделий из тонколистовой стали, алюминия и его сплавов, при пайке и сварке 
меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов, наплавочных работах. 
Широко используют в современных производственных процессах газотермическую резку, например, при выполнении заготовительных операций в цеховых 
условиях и на монтаже. 
К сварке с применением давления относится контактная сварка, при которой используется теплота, выделяющаяся в контакте свариваемых частей 
при прохождении электрического тока. Различают точечную, стыковую, шовную и рельефную контактную сварку. 
Основные способы контактной сварки разработаны в конце XIX в. В 1887 г. 
Н. Н. Бенардос получил патент на способы точечной и шовной контактной 
сварки между угольными электродами. Позднее, когда появились электроды 
из меди и ее сплавов, эти способы контактной сварки стали основными. В зависимости от характера активации при выполнении соединений различают два 
основных вида сварки: плавлением и давлением. При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляются под действием источника нагрева. 
Расплавленный металл, сливаясь в общий объем, образует жидкую сварочную 
ванну. При охлаждении сварочной ванны жидкий металл затвердевает и образует сварной шов. Шов может быть образован только за счет расплавления металла свариваемых кромок или за счет металла кромок и дополнительного введения в сварочную ванну расплавляемой присадки. 
 
9 
 

Сущность сварки давлением состоит в совместном пластическом деформировании материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации облегчается установление межатомных связей соединяемых 
частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. В некоторых случаях нагревают до оплавления свариваемые поверхности металла 
или промежуточные вспомогательные прокладки; давление может осуществляться в непрерывном или прерывистом режимах. 
Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных 
способов сварки в автомобилестроении при соединении тонколистовых штампованных конструкций кузова автомобиля. Стыковой сваркой соединяют стыки железнодорожных рельсов, стыки магистральных трубопроводов. Шовную 
сварку применяют при изготовлении тонкостенных емкостей. Рельефная свар- 
ка – наиболее высокопроизводительный способ сварки арматуры для строительных железобетонных конструкций. Конденсаторную контактную сварку широко используют в радиотехнической промышленности при изготовлении элементной базы и микросхем. 
В 50-х годах в институте им. Е. О. Патона разработали электрошлако- 
вую сварку. Впервые в 1949 г. Г. З. Волошкевич осуществил процесс электрошлаковой сварки, в 1956 г. ему выдали авторское свидетельство на данный способ сварки. 
В конце 70-х и начале 80-х годов началась разработка газолазерной резки. На тот момент она считалась наиболее перспективной среди всех существующих способов резки металла. 
Одно из наиболее развивающихся направлений в сварочном производстве – широкое использование механизированной и автоматической сварки. 
Речь идет как о механизации и автоматизации самих сварочных процессов, так 
и о комплексной механизации и автоматизации, охватывающей все виды работ, связанные с изготовлением сварных конструкций (заготовительные, сборочные и др.) и созданием поточных и автоматических производственных линий. С развитием техники возникает необходимость сварки деталей разных 
толщин из разных материалов, в связи с этим постоянно расширяется набор 
применяемых видов и способов сварки. В настоящее время сваривают детали 
толщиной от нескольких микрометров (в микроэлектронике) до десятков сантиметров и даже метров (в тяжелом машиностроении). Наряду с конструкционными углеродистыми и низколегированными сталями все чаще приходится 
сваривать специальные стали, легкие сплавы и сплавы на основе титана, молибдена, хрома, циркония и других металлов, разнородные материалы. 
Во второй половине ХХ в. произошел переход от машинно-технической 
революции к научно-технической, которая характеризуется широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации. 
 
10