Построение теории формирования сварных швов тонколистовых соединений

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  
Построение теории формирования сварных швов тонколистовых 
соединений : монография / В. Я. Шнеерсон. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. - 456 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1710-5 
Монография посвящена проблемам построения теории формирования сварных 
швов. Рассмотрены основные требования, которым должна удовлетворять теория 
формирования сварных швов, образующихся при сварке металлов плавлением; предложены основные разделы этой теории; приводятся наиболее важные теоретические 
и опытные данные, которые могут быть использованы при построении теории; сформулированы задачи дальнейших исследований. 
Для научных и инженерно-технических работников, занятых в области сварочного производства, также может быть полезна 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 2017 по 2019 гг., «Сварка и 
диагностика» в период с 2009 по 2022 гг., «Мир сварки» в период с 2008 по 2009 гг., «Заготовительные производства в машиностроении» за 2013 г., «Вестник машиностроения» за 
2007 г.), сообщений, изложенных на конференциях и семинарах, а также на основании сборника статей «К построению теории формирования сварных швов при сварке металлов 
плавлением», 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 978-5-9729-1710-5 
” Шнеерсон В. Я., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  
 
 
 
Вниманию специалистов представлена третья монография автора
, посвященная вопросам формирования сварных швов при сварке металлов плавлением. Выпуск монографии во многом обусловлен необходимостью систематизации работ автора по этой тематике. Большинство работ монографии было 
опубликовано после 2018 г., а часть работ доложена на конференциях.  
Формирование сварных швов при сварке металлов плавлением является 
важнейшим разделом теории сварочных процессов. Проблемы формирования 
сварных швов изучались в работах докторов техн. наук, проф. Березов- 
ского Б.М., проф. Судника В.В., проф. Рыбакова А.С., проф. Ерофеева В.А., 
проф. Чернышева Г.Г., проф. Гладкова Э.А., проф. Размышляева А.Д.,  
проф. Крамплит А.Г., проф. Башенко В.В., проф. Соснина Н.А., доктора  
техн. наук, академиков НАН Украины Патона Б.Е., Лебедева В.К., Махнен- 
ко В.И., проф. U. Dilthey, проф. E.R. Sievers, проф. D. Radaj (Германия),  
проф. B.J. Bradstreet, проф. T.S. Nquyen, проф. D.C. Wackman (Канада),  
проф. H. Cerjak (Австрия), проф. T. Debroy, проф. A. Kumar, проф. W.F. Savage 
(США), проф. P.F. Mendez, проф. T.W. Eagar (Великобритания), проф. Susumu 
Tsukamoto, Hirosada Isie, Michio Inagaki (Япония), китайских ученых Х. Meng, 
G. QIN и многих других ученых. 
Исследования по вопросам формирования сварных швов проводятся по 
многим направлениям, в которых изучается строение сварочной ванны и ее 
кратера, геометрия сварного шва, усилия, действующие на расплав металла 
ванны, гидродинамические характеристики течения жидкого металла ванны, 
режимы формирования швов сварных соединений, дефекты формирования 
сварных швов и др.  
Для изучения процессов формирования сварных швов используются экспериментальные и теоретические методы исследований. Трудность использования экспериментальных методов изучения сварочных ванн обусловлена 
большими скоростями протекающих процессов, небольшими размерами ванн, 
малой доступностью разных зон ванны для исследования явлений и др. факторами. Поэтому при изучении процессов формирования сварных швов применяется физическое моделирование, разработка феноменологических моделей 
формирования швов. Несмотря на большое количество предложенных моделей, 
пока нет полного понимания процессов, происходящих при формировании 
сварных швов, и сейчас интенсивно разрабатываются математические модели - 
экспериментальные и теоретические. В основе теоретических моделей лежат 
физические законы, определяющие ход сварочных процессов. При этом используются законы теплопроводности, конвективного теплопереноса, гидродинамики, электромагнетизма, теории поверхностных явлений и др. законы. 
3 
 

Проведенные исследования позволили оптимизировать процесс сварки 
металлов плавлением, изучить образование дефектов формирования сварных 
швов, разработать методы управления технологическими процессами сварки, 
определить геометрию шва и решить другие вопросы, связанные с формированием сварных швов. 
Тем не менее, полученные результаты не систематизированы в такой степени, чтобы в итоге представить их в виде законченной «Теории формирования 
сварных швов при сварке металлов плавлением» (ТФСШ). Необходимость создания такой теории подчеркивалась многими учеными. Поэтому задача систематизации материалов исследований по этой проблеме является актуальной, что позволило бы в итоге создать ТФСШ, как составную часть теории сварочных процессов. 
Несмотря на большой объем проведенных исследований, пока нет четких 
представлений о механизме формирования сварных швов при сварке металлов 
плавлением. В теории сварки в основном рассматриваются тепловые, термо- 
деформационные процессы, физико-химические процессы, сопровождающие 
сварку, а механизму образования сварного шва уделяется мало внимания. Пока 
нет также однозначных ответов о механизме образования слоистой структуры 
сварного шва, о механизмах образования структур типа Humping и структур 
периодических прожогов, о механизмах образования подрезов, нет ответа и по 
ряду других проблем, связанных с формированием сварных швов.  
Автор предпринял попытку предложить для обсуждения некоторые идеи, 
которые могут быть использованы при создании ТФСШ, и которые будут способствовать раскрытию механизмов образования структур, образующих сварные 
швы. 
В процессе сварки происходит преобразование относительно однородной 
структуры металла в периодические структуры сварного шва. Все типы периодических структур сварных швов, образующихся при сварке металлов плавлением, можно разделить на две группы.  
Первую группу периодических структур сварных швов составляют структуры мелкого масштаба, шаг периодичности которых составляет доли миллиметра. Это структуры типа «чешуйчатости» поверхности сварного шва, слоистой неоднородности шва и др. типы структур.  
При изучении процессов формирования периодических структур мелкого 
масштаба сварных швов автором были использованы отдельные положения 
раздела гидродинамики, в котором рассматривается течение тонкого слоя вязкой жидкости. Исследование такого типа течения было начато в России в начале 40-х годов прошлого века российскими учеными П.А. Семеновым, П.Л. Капицей, В.Г. Левичем и др. Использование этого раздела гидродинамики позволило ввести новые понятия для характеристики течения металла по сварочной 
ванне, предложить теорию дискретного механизма поступления металла с передней стенки сварочной ванны в ее кратерную часть, предложить механизм 
периодического формирования слоев на задней стенке кратера сварочной ванны и как следствие этого - механизм образования слоистой структуры сварного 
шва, определить скорость течения металла на различных участках кратера сва4 
 

рочной ванны, толщину образующихся слоев металла как на передней стенке 
кратера ванны, так и в хвостовой его части, найти частоту уноса металла с передней стенки кратера ванны и частоту образования слоев металла на задней 
стенке кратера ванны. Кроме этого, стало возможным рассматривать формирование кристаллизационного фронта с учетом гидродинамических процессов, 
что в большей степени отражает физическую сущность процессов формирования сварных швов. На основе применения гидродинамики течения тонкого слоя 
вязкой жидкости в монографии предложен механизм формирования подрезов, 
образующихся при сварке металлов плавлением. 
Вторую группу периодических структур образуют структуры крупного 
масштаба с шагом периодичности от нескольких миллиметров до десятков 
миллиметров. Это структуры типа Humping и структуры периодического прожога, которые представляют собой дефекты сварных швов. В монографии 
предложена модель их формирования, которая позволила с единых позиций 
рассматривать формирование различных видов структур Humping и периодического прожога, определить их размеры, а раскрытие механизма формирования 
этих структур позволило их классифицировать, а также предложить способы 
предотвращения образования некоторых видов структур. 
В монографии показано, что эти две группы структур взаимосвязаны.  
В условиях нормального формирования сварного шва поток металла с передней 
стенки кратера ванны останавливается в хвостовой части кратера ванны, а при 
образовании структур Humping и периодического прожога слой металла останавливается в средней части кратера сварочной ванны, образуя зародыш волновой структуры. Далее происходит рост его объема за счет натекания на нее последующих слоев металла и окончательное формирование элемента структур 
Humping и периодического прожога. 
В монографии предложена количественная оценка качества формирования сварного шва и количественная оценка источника нагрева при сварке с точки зрения формирования шва с введением соответствующих единиц измерений, 
что в настоящее время отсутствует в сварочной науке. Это предложение может 
явиться предметом для дискуссий.  
Физической моделью при исследованиях служил процесс формирования 
оплавленного слоя металла, образующегося при оплавлении источником тепла 
торца и плоскости одиночной пластины. Это позволило устранить влияние качества сборки на формирование сварного шва и выяснить основные закономерности формирования оплавленного слоя. В дальнейшем полученные результаты 
могут быть сопоставлены с результатами, полученными при сварке соединений. 
Частично такое сопоставление представлено в некоторых работах автора на 
примерах сварки торцевых и стыковых соединений. 
 
Структура монографии и особенности изложения материала 
 
Монография состоит из семи глав. Каждая глава отражает определен- 
ное направление исследований. Но надо отметить, что некоторые разделы глав 
5 
 

взаимосвязаны, поэтому их отнесение к той иной главе монографии в определенной степени условно. Разделы по главам расположены в основном в соответствии с последовательностью их опубликования в периодических изданиях.  
Часть материала в разделах повторяется (например, методика проведения 
экспериментов). В монографию вошли несколько разделов из первой и второй 
монографии. К этим разделам относятся работы, имеющее важное значение для 
понимания механизма формирования сварных швов. 
Одной из задач монографии является привлечение внимания специалистов к поднимаемым вопросам, с тем, чтобы в определенной мере способствовать созданию ТФСШ. Надо подчеркнуть, что некоторые идеи автора являются 
дискуссионными, требуют экспериментальной проверки с разработкой соответствующих методов исследований. 
Результаты некоторых исследований внедрены в производство, в результате этого получен определенный экономический эффект.  
Автор выражает надежду, что предложенный в монографии подход к исследованию основных видов структур сварных швов, совместно с существующими подходами к решению проблем формирования сварных швов, позволит 
создать теорию формирования сварных швов при сварке металлов плавлением. 
 

 Первая монография автора «Формирование сварных швов тонколистовых соединений» 
опубликована в 2023 г.  

 Вторая монография автора «Периодические структуры сварных швов» опубликована  
в 2023 г.  
6 
 

 
ГЛАВА 1 
К ПОСТРОЕНИЮ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ 
СВАРНЫХ ШВОВТОНКОЛИСТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
ПРИ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ ПЛАВЛЕНИЕМ 
 
 
1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ  
СВАРНЫХ ШВОВ, РАЗДЕЛЫ ТЕОРИИ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  
И ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ,  
ТЕРМИНОЛОГИЯ, МОДЕЛИ СВАРОЧНЫХ ВАНН, 
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ  
(ЧАСТЬ 1) 
 
Введение 
 
В настоящее время в сварочной науке интенсивно развивается научнотехническое направление «Формирование сварных швов при сварке металлов 
плавлением». Этой проблеме посвящены многочисленные статьи, книги, конференции и пр. Так, в монографии Березовского Б.М. [1] приводится 2128 ссылок 
на проведенные исследования по этой проблеме. Среди ученых, занимавшихся 
вопросами формирования сварных швов, надо отметить Ковалева И.М., Акуло- 
ва А.И., Чернышева Г.Г., Гладкова Э.А., Рыбакова А.С., Размышляева А.Д., 
Крамплит А.Г., Башенко В.В., Соснина Н.А., Березовского Б.М., Судника В.А.,  
Ерофеева В.А., Мокрова О.А., Столбова В.И., Махненко В.И., B.J. Bradstreet, 
T.W. Eagar, W.F. Savage, M.L. Lin, V.P. Kuianpaa, A. Kumor, T.G. DebRoy,  
J.F. Key, U. Dilthey, D. Radaj, C.S. Wu, K. Nishiguchi, T. Ohji, P.S. Wei и многих 
других ученых, внесших вклад в решение вопросов, связанных с формированием 
сварных швов. 
Исследования по этой проблеме проводятся по многим направлениям,  
в которых изучается строение сварочной ванны и ее кратера, геометрия сварного шва, усилия, действующие на расплав металла ванны, гидродинамические 
характеристики течения жидкого металла ванны, режимы формирования швов 
сварных соединений, дефекты формирования сварных швов и др. [1-7]. 
Тем не менее, к настоящему времени полученные результаты не систематизированы в такой степени, чтобы в итоге представить их в виде «теории формирования сварных швов при сварке металлов плавлением» (ТФСШ). Надо 
также отметить, что в учебниках по теории сварочных процессов, в моногра- 
фиях по теории сварки [2], [6], [7] и др. работах проблема формирования  
сварных швов не выделена отдельными разделами, представлена в ограниченном объеме, хотя она является важнейшим разделом теории сварочных процессов. Необходимость создания такой теории подчеркивалась в ряде работ, 
например, [8-10]. Поэтому задача систематизации материалов исследований  
7 
 

по этой проблеме является актуальной, что позволило бы в итоге создать 
ТФСШ при сварке металлов плавлением, как составную часть теории сварочных процессов. 
Автор предпринял попытку предложить для обсуждения некоторые идеи, 
которые могут быть использованы при создании ТФСШ. В разделе также приведены результаты исследований автора по проблемам формирования сварных 
швов. Охватить весь объем массива информации по вопросам формирования 
сварных швов является сложной задачей, автор знаком с ограниченным количеством материалов, поэтому некоторые вопросы могут быть упущены, недостаточно раскрыты, могут иметь место неточности и пр. Одной из задач главы является привлечение внимания специалистов к поднимаемым вопросам с тем, 
чтобы в определенной мере способствовать созданию ТФСШ. Надо подчеркнуть, что некоторые положения главы являются дискуссионными, требуют экспериментальной проверки с разработкой соответствующих методов исследований. 
Цель - сформулировать главные требования, которым должна удовлетворять теория формирования сварных швов при сварке металлов плавлением; 
предложить основные разделы этой теории; привести наиболее важные данные, 
которые могут быть использованы при построении теории; сформулировать 
задачи дальнейших исследований, которые должны быть решены в рамках создания теории формирования сварных швов.  
 
1. Основные требования, которым должна удовлетворять ТФСШ 
 
Как и любая теория, ТФСШ должна удовлетворять следующим основным 
требованиям:  
1.1. Теория должна иметь свой понятийный аппарат, который охватывает 
терминологию, связанную с геометрией сварного шва, сварочной ванны и кратера, с гидродинамическими процессами, происходящими при сварке, с характеристиками источников нагрева, используемых в процессах сварки и понятия, 
связанные с формированием сварных швов, включая дефекты формирования 
швов.  
1.2. Теория должна соответствовать требованиям адекватности, т. е.  
она не должна противоречить основным физическим законам и соответст- 
вовать количественным характеристикам процессов, которые она описы- 
вает [1].  
1.3. Теория должна обладать полнотой, т. е. должна охватывать все возможные явления, сопровождающие процесс формирования сварных швов,  
и раскрывать взаимосвязь между ними.  
1.4. Теория должна быть основана на минимуме исходных посылок.  
1.5. Теория должна предсказывать новые факты, связанные с процессами 
формирования сварных швов, и намечать направления дальнейших исследований.  
 
 
8 
 

2. Основные разделы теории формирования сварных швов 
 
2.1. Терминология. 
2.2. Cварочная ванна. 
2.2.1. Экспериментальные методы исследований, используемые при изучении процессов в сварочных ваннах и при формировании сварных швов. 
2.2.2. Физические и феноменологические модели сварочных ванн. 
2.2.3. Экспериментальные модели сварочных ванн.  
2.2.4. Теоретические модели сварочных ванн.  
2.3. Силы, действующие на расплав металла сварочной ванны. 
2.4. Механизм формирования сварных швов. 
2.4.1. Основные режимы формирования сварных швов. 
2.4.2. Количественная оценка режимов формирования сварных швов. 
2.4.3. Механизм начальной стадии образования шва. 
2.4.4. Режим нормального формирования сварного шва. Характеристики 
слоев, образованных на стенках кратера. 
2.4.5. Режимы образования дефектов сварных швов, связанные с формированием швов. 
2.4.5.1. Периодические структуры крупного масштаба. 
2.4.5.2. Механизм формирования элемента периодических структур 
крупного масштаба.  
2.4.5.3. Режим формирования периодических структур типа Humping. 
2.4.5.4. Режим формирования периодических прожогов. 
2.4.5.5. Механизм формирования одиночных прожогов. 
2.4.5.6. Режимы формирования дефектов формирования швов типа подрезов, несплавлений, газовых и шлаковых полостей и др. дефектов формирования.  
2.5. Периодические структуры мелкого масштаба. 
2.5.1. Периодические структуры рельефа поверхности сварных швов. 
2.5.2. Cлоистая неоднородность сварных швов.  
2.5.3. Размеры и форма и кристаллизационного фронта.  
2.6. Физико-химические процессы в сварочной ванне, связанные с формированием швов. 
2.7. Способы управления формированием сварных швов. 
2.8. Задачи, стоящие перед теорией формирования сварных швов. 
 
3. Содержание разделов теории 
 
3.1. Терминология. В стандартах по сварке в основном отражены понятия, которые можно использовать при построении ТФСШ (понятия, связанные 
с общими вопросами сварки, геометрией сварных швов, с терминологией, 
определяющей дефекты формирования швов, нормами на эти дефекты и др.), 
хотя ряд из них должны быть уточнены [11]. В настоящей главе предлагаются 
понятия, отсутствующие в стандартах по сварке (в международных нормах  
9 
 

и в стандартах России), но необходимые для построения ТФСШ, а также приводятся понятия, имеющиеся в нормах, но требующие уточнения.  
3.1.1. Первая группа терминов: понятия, связанные с общими вопросами 
формирования сварных швов:  
а) «Формирование сварного шва» - получение в процессе сварки сварного шва заданных формы, размеров, рельефа поверхности шва и внутренней 
структуры шва (касающейся формирования шва). 
б) «Теория формирования сварного шва» - раздел теории сварочных 
процессов, в котором изучаются механизмы формирования сварного шва на 
всех этапах его образования, определяются размеры и форма сварного шва, 
сварочной ванны и кратера сварочной ванны, структура рельефа поверхности 
сварного шва, его внутренняя структура, связанная с процессами формирования 
сварного шва, устанавливаются закономерности образования дефектов формирования. 
в) «Основные режимы формирования сварного шва»:  
1) режим образования («зарождения») сварного шва, при котором начинает образовываться сварной шов (первый режим формирования);  
2) режим формирования сварного шва, при котором формируется сварной шов, удовлетворяющий требованиям стандартов в части размеров, формы и 
др. требованиям, связанным с формированием сварных швов (второй режим 
формирования); из этого режима формирования можно выделить режим сварки, 
при котором предъявляются требования только к внешней поверхности сварного шва: «режим нормального формирования» - режим формирования сварных 
швов, при котором образуется ровная поверхность шва, а местные превышения 
шва не превышают 10-15  толщины свариваемых деталей (при сварке тонколистовых соединений);  
3) режим сварки, при котором на поверхности шва образуются структуры типа Humping и структуры прожогов (как одиночные виды структур, так и 
периодические виды этих структур), относящиеся к дефектам формирования 
(третий режим формирования), а также дефекты, сопутствующие этим структурам (подрезы, шлаковые полости и др.) [12]. На рис. 1, фото 1 показан образец  
с режимом нормального формирования оплавленной поверхности (нержавеющая сталь типа Х18Н9Т сталь толщиной 2,0 мм, оплавление аргонодуговой горелкой; скорость оплавления 3,0 см/с, ток дуги 240 А; на фото 2 показаны 
структуры Humping, образованные при оплавлении торца медной пластины 
толщиной 1,0 мм плазменной горелкой; скорость перемещения 2,8 cм/с; слева 
на фото - режим нормального формирования, ток дуги 80 А; справа - режим 
формирования дефектов Humping, ток дуги 100 А; на фото 3 показаны структуры Humping другого типа, образованные при оплавлении плоскости низкоуглеродистой стали толщиной 4,0 мм, ток дуги 200 А, скорость оплавления 3,0 см/с; 
на фото 4 представлен одиночный прожог, образованный при проплавлении 
меди толщиной 1,0 мм ручной аргонодуговой горелкой, ток дуги 140 А, скорость перемещения 0,5 см/с, а на фото 5 показаны структуры периодического 
10 
 

прожога (проплавление аргонодуговой горелкой низкоуглеродистой стали толщиной 2,0 мм, ток дуги 480 А, скорость проплавления 3,0 см/с). 
3.1.2. Вторая группа терминов: понятия, связанные с кратером и сварочной ванной. Предлагаются для кратера ванны и его частей такие определения 
(на рис. 2, 3 показана схема кратера сварочной ванны и часть хвостовой части 
ванны). Кратер сварочной ванны - часть сварочной ванны, в которой происходит плавление металла свариваемых кромок, зарождение сварного шва, процессы, связанные с образованием слоистых структур сварных швов, и процессы, 
приводящие к появлению прожогов и структур типа Humping [12]. 
 
 
 
Рис. 1. Режимы формирования сварных швов:  
фото 1 - режим нормального формирования; фото 2, 3 - режим  
формирования структур Humping; фото  
4, 5 - режим формирования прожогов  
 
Здесь надо отметить, что автором принято положение, что уход металла 
с передних стенок кратеров свариваемых кромок и последующее образование 
слоев на задней стенке кратера (составляющих слоистую структуру шва) происходят периодически (см. вторую часть главы и работу [12]). Кратер сварочной ванны состоит из головной части кратера и хвостовой части. Передняя 
стенка кратера - область головной части кратера ванны, ограниченная линией 
MANM (рис. 2), в которой происходит плавление материала свариваемых кромок с формированием слоев расплава и унос основной части расплавов кромок 
в среднюю часть кратера ванны. Длина передней стенки кратера ванны раз- 
мер EF (рис. 3) - расстояние от плоскости свариваемого образца до точки с 
максимальной глубиной кратера. Площадь передней стенки кратера - площадь 
части сварочной ванны, ограниченная линией MANM. Задняя стенка кратера - 
область хвостовой части кратера ванны, ограниченная линией MNFM, в которой происходит слияние слоев металла, ушедших с передних стенок кратеров 
свариваемых деталей, и зарождение сварного шва. Длина хвостовой части 
кратера ванны - размер DC (рис. 3), расстояние от точки с максимальной  
11