Основы сварочного производства

С. В. Михайлицын 
М. А. Шекшеев 
  
 
 
 
 
 

ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО  

ПРОИЗВОДСТВА 

 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
 
М69 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Михайлицын, С. В. 

М69  
Основы сварочного производства : учебник / С. В. Михайли
цын, М. А. Шекшеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2019. – 260 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0381-8 

 

  
Даны современные представления о металлургических основах со
здания качественных сварных соединений, выполненных различными 
способами сварки. Представлены пути обоснованного выбора способа 
сварки в зависимости от материала, размеров и конфигурации сварного 
изделия, а также принципы подбора необходимых сварочных материалов 
и сварочного оборудования.  
Для обучающихся в магистратуре и бакалавриате по направлению 
«Машиностроение» по профилю «Оборудование и технология сварочного производства», а также молодых специалистов, изобретателей и ученых. 

 
УДК 621.791 

 
ББК 34.641 

 
 
 

 
 
  
 

ISBN 978-5-9729-0381-8  
 С. В. Михайлицын, М. А. Шекшеев, 2019 

 
 
 Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 

 
 
 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 

СОДЕРЖАНИЕ  
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  ............................................................................................. 5 

1. Введение. История развития способов соединения материалов.  
Классификация и сущность основных сварочных процессов.  
Значение сварки, перспективы её развития  ............................................ 6 
2. Электрическая дуга, её строение, свойства и характеристика.  
Влияние параметров дуги на характер переноса электродного  
металла  ..................................................................................................... 16 
3. Металлургические процессы при сварке плавлением.  
Основные реакции в зоне сварки. Особенности металлургических 
процессов при различных видах сварки  ................................................ 27 
4. Формирование и кристаллизация металла шва. Образование и строение 
зоны термического влияния. Характеристика основных изменений  
 
структуры и свойств в зоне термического влияния  ............................. 42 
5. Свариваемость металлов. Определение понятия свариваемости.  
Методы оценки свариваемости и их общая характеристика. 
Механизм образования горячих трещин. Основные мероприятия  
по повышению сопротивляемости образованию трещин  
при сварке металлов и сплавов  .............................................................. 50 
6. Напряжения и деформации при сварке. Причины возникновения  
 
напряжений и деформаций при сварке. Меры предотвращения  
 
и снижения сварочных напряжений и деформаций  ............................. 64 
7. Сварочные материалы: электроды, проволоки сплошного  
сечения и порошковые, самозащитные и легирующие флюсы  ........... 72 
8. Общие сведения о сварных соединениях. Типы сварных соединений  
 
и швов. Требования к сварным соединениям. Подготовка и сборка  
 
сталей под сварку. Понятие о режимах сварки и их влияние  
 
на качество сварных соединений  ........................................................... 89 
9. Технология сварки металлов и сплавов. Технология сварки  
 
углеродистых и конструкционных сталей. Технология сварки  
 
легированных сталей. Особенности технологии при различных 
 
методах сварки  ...................................................................................... 106 
10. Технология сварки цветных металлов. Особенности сварки  
       алюминия, меди, титана, никеля и их сплавов  .................................. 138 
 
 

11. Оборудование для сварки. Аппаратура и источники питания  
для дуговой сварки. Оборудование для полуавтоматической  
и автоматической сварки плавлением. Вспомогательное  
оборудование  ........................................................................................ 154 
12. Технология и оборудование контактной сварки. Сущность и режимы 
стыковой, шовной и точечной сварки. Области применения ............ 181 
13. Газовая сварка, резка металлов. Сущность, оборудование  
и технология  ......................................................................................... 191 
14. Дефекты сварных швов. Их классификация. Методы контроля  
      качества сварных соединений  .............................................................. 207 
15. Специальные методы сварки (холодная, ультразвуковая,  
диффузионная, трением и взрывом, токами высокой частоты).  
Сущность методов. Технические возможности и параметры.  
Область применения  ............................................................................ 218 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 253 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ .............................................................. 254 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  ............................................................. 257 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Целью преподавания дисциплины «Основы сварочного производства» является приобретение студентами знаний и практических 
навыков, необходимых при использовании различных способов сварки и 
газотермической резки для изготовления сварных изделий, в том числе 
металлургического оборудования. 
В результате изучения данной дисциплины у обучающихся должны 
сформироваться современные представления о металлургических основах 
создания качественных сварных соединений, выполненных различными 
способами сварки. Обучающийся должен уметь обоснованно определить 
способ сварки и газотермической резки в зависимости от материала, 
размеров и конфигурации изделия, а также выбрать необходимые свароч- 
ные материалы, оборудование и режимы сварки. 
При овладении знаниями по изучаемому курсу необходимо 
использовать знания, полученные при изучении других дисциплин 
и курсов: физики, химии, материаловедения, электротехники, металловедения и термической обработки. 

1. ВВЕДЕНИЕ.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ  
МАТЕРИАЛОВ.  
КЛАССИФИКАЦИЯ И СУЩНОСТЬ ОСНОВНЫХ  
СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ. 
ЗНАЧЕНИЕ СВАРКИ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЁ РАЗВИТИЯ

1.1.  Введение  

Сварка – технологический процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании, 
или совместном действии того и другого.  
Способностью свариваться обладают все материалы, образующие 
эвтектические или неэвтектические составы. Соединение при сварке 
осуществляется за счёт межатомного взаимодействия путём сцепления 
(связи) атомов. Для этого необходимо ряд атомов металла одной дета- 
ли приблизить к ряду атомов металла другой детали примерно на расстояние равное параметру кристаллической решётки соединяемых частей 
(10−8 см). При таком сближении электроны атомов соединяемых деталей 
образуют общую электронную систему, за счёт чего и достигается сварка. Сближению атомов мешают неровности и наличие загрязнений в виде 
окислов, органических плёнок и адсорбированных газов. 
Во время сварки металл может находиться в сварочной зоне 
в твёрдом или жидком состоянии. Для сварки металла в твёрдом состоянии помимо его размягчения нагревом требуется приложение внешне- 
го (осадочного) давления. Если металл находится в жидком состоянии,  
то сварное соединение можно получить без приложения осадочного давления (только за счёт слияния объёмов жидкого металла заготовок). 

1.2. История развития способов соединения металлов 

Первым технологическим процессом была разновидность соединения – связывание камня с палкой (первобытный топор). 
Для соединения вместе нескольких кусков металла и получения 
изделий увеличенных размеров применяли сварку пластичных металлов 
в холодном состоянии путём приложения деформирующих усилий (ударов). 
Подогрев металла до пластического состояния облегчал схватывание, а процесс соединения напоминал ковку (кузнечная сварка). 
С появлением бронзы для соединения деталей применяли скручивание, фальцовку, паяние, склёпывание, литейную сварку. 

При появлении железа широкое развитие получила кузнечная сварка. 
В то же время возникла такая технология получения соединения, как пайка, 
особенно ювелирных украшений. Между частями изделия закладывали кусочки сплава-припоя и нагревали до температуры расплавления припоя,  
но не основного металла. Припой растекался по зазору, смачивал кромки, 
диффундировал в металл и после остывания схватывал кромки. Затем появились новые припои, начали применять флюсы, снимающие, растворяющие и связывающие оксиды, которые мешали припою диффундировать. 
К началу 20-х годов ХХ века в сварочном производстве преобладала газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси горючих газов с кислородом, сжигаемых с помощью горелки. 
Этот способ сварки был разработан в конце XIX столетия, когда началось 
промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена. Тогда 
газовая сварка являлась основным способом сварки и обеспечивала получение наиболее прочных соединений. Наибольшее распространение получила газовая сварка с применением ацетилена. 
В настоящее время наиболее широкое применение нашла электрическая сварка плавлением. Первым по времени возникновения видом 
электрической сварки плавлением является дуговая сварка плавлением, 
созданная в 1882 г. Русским изобретателем Николаем Николаевичем  
Бенардосом (1842–1905 гг.). Он использовал идею русского физика Василия Владимировича Петрова (1761–1834 гг.), который ещё в 1802 г.  
(за 7 лет до английского физика Деви) открыл явление электрической 
дуги и указал на возможность её применения для плавления металла. Основное внимание Н. Н. Бенардос сосредоточил на разработке способа 
сварки неплавящимся (угольным) электродом, применив его главным 
образом для наплавочных и ремонтных работ. 
В конце XIX века русский инженер Николай Гаврилович Славянов 
(1854–1897 гг.) довёл до промышленного применения сварку плавящим- 
ся электродом, разработал принципы защиты зоны сварки от вредного 
влияния азота и кислорода воздуха. 
Серьёзным стимулом дальнейшего развития дуговой сварки плавящимся электродом явилась разработка шведским инженером О. Кельбергом в 1907 г. Способа стабилизации дугового разряда и защиты зоны сварки от окружающего воздуха за счёт специальных веществ, наносимых на 
поверхность электродного стержня в виде покрытия. Это обеспечило резкое повышение качества сварных соединений. В 1917 г. Американские 
инженеры О. Андрус и Д. Стресс изобрели электрод, стержень которо- 
го обёрнут полоской бумаги, приклеенной жидким натриевым стеклом 
(конторским клеем). При сгорании бумаги образовывались газы и дым, 
улучшавшие защиту зоны сварки. Присутствие в дуговом разряде ионов 
натрия повышало стабильность горения дуги. Это и другие технические 
усовершенствования привели к появлению в 1928 г. на мировом рынке 

толстопокрытых электродов. С тех пор ручная дуговая сварка покрытыми 
электродами является ведущим способом сварки плавлением. 
Развитие дуговой сварки определяет организация производства 
сварочных электродов. В нашей стране в первые годы Советской власти 
использовали голые стальные электроды для сварки только малоответственных конструкций из углеродистых сталей. 
В 20-е годы ХХ века получили распространение электрода с тонким (ионизирующим) покрытием для ремонтных работ и изготовления 
простых изделий. Для ионизирующей обмазки применяли тонкоизмельчённый мел, который размешивали в водном растворе, содержащем 
25…30 % жидкого стекла, и получали пасту. Пруток проволоки обмакивали в такую пасту, покрывая его тонким слоем обмазки. Отношение 
массы покрытия к общей массе электрода не превышало 2 %. После просушки обмазка обладала достаточной прочностью. Стабильность горения 
дуги при сварке такими электродами была удовлетворительной, но малое 
количество покрытия не влияло на изменение физико-химических 
свойств металла шва, как и при сварке голой проволокой. 
Расширение объёма дуговой сварки и возможность её использования для производства ответственных конструкций стали реальностью 
только с разработкой и организацией выпуска толстопокрытых электродов в 1936–1937 гг. 
Но рост выпуска электродов тормозила применяемая в те годы 
технология их изготовления методом ручного окунания (погружения). 
При изготовлении электродов таким методом металлический 
стержень опускают в полужидкую обмазку и равномерно, медленно,  
в строго вертикальном положении вытягивают наружу со скоростью, 
обеспечивающей равномерное покрытие по длине электрода. После 
нанесения обмазки электроды устанавливают в специальные стеллажи  
на 8–16 часов для просушки, а затем прокаливают в течение 45–90 мин.  
в электрических печах. 
Новые технические возможности открыл механизированный способ нанесения покрытия опрессовкой под давлением на специальных 
прессах. В послевоенные годы в системе Министерства путей сообщения 
был создан Опытно-сварочный завод, специализированный на разработке 
и выпуске электродов для легированных и высоколегированных сталей, 
чугуна, цветных металлов, для наплавочных работ. 
Технология изготовления электродов методом опрессовки следующая: 
 
компоненты покрытий электродов измельчают до грануляции 
менее 400 мкм, смешивают шихту всухую, а затем с определённым количеством жидкого стекла, получая обмазочную массу; 
 
обмазочную массу при необходимости брикетируют в цилиндры 
и задают в обмазочный цилиндр пресса; 

 
сварочную проволоку диаметром 2–6 мм правят и рубят на 
стержни длиной 250–450 мм; 
 
готовые стержни задают в пресс последовательно при помощи 
подающего механизма; 
 
в обмазочной головке под давлением 80–90 МПа встречаются 
обмазочная масса и металлические стержни, электроды со скоростью 500–800 шт/мин выходят через калибрующую втулку размером, равным диаметру покрытия, и попадают на приёмный 
транспортёр, а через отражатель – на поперечный транспортёр, 
который проходит через зачистную машину; 
 
на зачистной машине происходит очистка одного конца электрода 
под держатель с целью обеспечения электрического контакта и другого контактного торца для возможности возбуждения дуги посредством касания электродом изделия в начале процесса сварки; 
 
после зачистки производится нанесение на каждый электрод 
маркировки, а на контактный торец – ионизирующего покрытия; 
 
электроды проходят термическую обработку при температуре до 
400 °С в зависимости от типа покрытия и в течение времени, 
определяемом каждой маркой электродов. 
Централизованное производство сварочных электродов в нашей 
стране было начато в 1956 г. Разработанные в 60-е годы ХХ столетия рутиловые электроды марок ОЗС-4, АНО-4, МР-3 и в настоящее время являются базисными марками электродов общего назначения. 
В конце 30-х годов ХХ века широкое развитие в нашей стране  
получила автоматическая дуговая сварка, когда учёным Евгением Оскаровичем Патоном (1870–1953 гг.) и руководимым им коллективом Института 
электросварки АН УССР была фундаментально разработана автоматическая сварка под флюсом. Это потребовало разработки и организации производства различных флюсов, как плавленых, так и керамических. 
Технология изготовления керамических флюсов сходна с технологией изготовления покрытых электродов. Сухие компоненты шихты замешивают на жидком стекле; полученную массу измельчают путём продавливания её через сетку на специальном устройстве типа мясорубки, 
сушат, прокаливают при тех же режимах, что электроды, и просеивают 
для получения зёрен определённого размера. 
Плавленые флюсы представляют собой сплавы окислов и солей 
металлов. Процесс изготовления следующий: расчёт и подготовка шихты, выплавка флюса, грануляция, сушка после мокрой грануляции, 
просеивание. Плавление происходит в дуговых или пламенных печах. Из 
печи жидкий флюс выпускают при температуре около 1 400 °С. 
При сухом способе грануляции флюс выливают в металличе- 
ские формы, после остывания отливку дробят в валках до крупности  
0,1–3,0 мм, затем просеивают. При мокром способе грануляции выпус- 

каемый из печи тонкой струёй жидкий флюс направляют в бак с проточной водой. Высушенную при температуре 250–350 °С массу дробят и 
просеивают до нужного размера. 
В конце 40-х годов ХХ века получил промышленное применение 
способ сварки в защитных газах, когда были изысканы пригодные для 
массового применения газы (гелий и аргон – в США, углекислый газ –  
в СССР): ручная – неплавящимся электродом; механизированная и автоматическая – неплавящимся и плавящимся электродом. В 1950–1952 гг.  
в ЦНИИТМАШе при участии МВТУ им. Баумана и ИЭС им. Е. О. Патона была разработана сварка низкоуглеродистых и низколегированных 
сталей в среде углекислого газа – процесс высокопроизводительный и 
обеспечивающий хорошее качество сварных соединений. 
В эти же годы французскими учёными был разработан новый вид 
электрической сварки плавлением, получивший название электроннолучевой сварки. Источником теплоты для плавления металла является концентрированный поток электронов в вакууме. Электронно-лучевая сварка 
находит применение при соединении тугоплавких химически активных 
металлов и сплавов, в том числе специальных сталей. 
В 1949 г. разработан принципиально новый вид сварки плавлением, получивший название электрошлаковой сварки. Он позволил решить 
вопрос качественной и высокопроизводительной сварки металла практически неограниченной толщины и механизации сварки вертикальных 
швов. На основе электрошлакового процесса создан новый способ получения металлов и сплавов с особыми свойствами, получивший название 
электрошлакового переплава. 
В начале 50-х годов ХХ века была разработана порошковая проволока, представляющая собой трубчатую или сложного сечения проволоку, заполненную порошкообразным наполнителем. По составу шихта 
порошковой проволоки близка покрытию сварочного электрода, с отношением его массы к массе металлической оболочки в пределах 15…40 %. 
Порошковая проволока позволяет создавать как газовую, так и шлаковую 
защиту металла сварочной ванны от воздуха, обеспечивать легирование 
металла шва и его очистку от вредных примесей. Порошковая проволока – универсальный сварочный материал, пригодный для сварки сталей 
практически любого легирования, для наплавки слоёв с особыми свойствами. В некоторых случаях порошковые проволоки применяют с дополнительной защитой (флюсом или углекислым газом). 
При изготовлении порошковой проволоки в специальное фор- 
мирующее устройство подаётся мягкая лента, где она деформируется  
в виде раскрытого жёлоба, в который из бункера с помощью питателя 
ссыпается предварительно смешанная порошкообразная шихта. Затем 
формирующее устройство, загибая верхние края жёлоба вокруг порошкообразной сердцевины, создаёт проволоку большой протяжённости.  

При помощи фильер проволока деформируется (обжимается) до нуж- 
ного диаметра (практически до 0,8 мм). 

1.3. Классификация сварочных процессов 

Признаками классификации видов сварки являются состояние металла в сварочной зоне, а также вид и способ внесения энергии, необходимой для активации поверхности. 
По состоянию металла в сварочной зоне все способы сварки можно разделить на две большие группы: сварка пластическим деформированием (давлением с применением механической энергии), сварка плавлением (с применением тепловой энергии). 
Сущность сварки плавлением состоит в том, что металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием высокой теплоты 
источника нагрева, которыми могут быть электрическая сварочная дуга, 
шлак (электрошлаковая сварка), лучевые источники энергии (лазерное, 
электронное, фотонное излучение), теплота, выделяемая при химических 
реакциях (газовая, термитная). При всех способах сварки плавлением 
образующийся жидкий металл одной кромки соединяется и перемешивается с жидким металлом другой кромки, создаётся общий объём металла, 
который называется сварочной ванной. После затвердевания ванны получается сварной шов. 
Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей путём их сжатия под 
нагрузкой при температуре ниже температуры плавления. Сварной шов 
получается в результате пластической деформации с использованием 
механической энергии и давления (ультразвуковая сварка, взрывом, трением). Сваркой давлением хорошо свариваются только пластические металлы: медь, алюминий, свинец и др. (холодная сварка). 
К термомеханической относятся виды сварки с использованием 
тепловой энергии и давления (диффузионная сварка, контактная и др.). 
По виду используемой энергии все способы сварки делятся на механическую сварку, химическую, электрическую, лучевую, электротермическую и химико-термическую, аккумулированной энергией. 
При механической сварке требуется осуществлять пластическую 
деформацию кромок свариваемых заготовок. 
Химическая сварка характеризуется нагревом металла заготовок до 
появления расплава в зоне сварки посредством превращения химической 
энергии в теплоту. 
Электрическая сварка связана с превращением электрической 
энергии в теплоту, которое может происходить при прохождении  
электрического тока через шлак, использовании электрической дуги или 
индуцировании тока высокой частоты. 

Лучевая сварка основана на превращении энергии луча света или 
электронного луча в теплоту (применение лазерного луча или энергии 
пучка электронов). 
Электромеханическая сварка основана на нагреве металла заготовок методом электросопротивления с последующим пластическим деформированием. 
При химико-механической сварке металл заготовок нагревается 
вследствие превращения химической энергии в тепловую энергию, а затем осуществляется пластическое деформирование металла. 
В зависимости от различных способов, характера источников 
нагрева (табл. 1.1) и расплавления свариваемых кромок деталей сварку 
плавлением можно разделить на следующие виды: 
 
электрическая дуговая сварка, где источником тепла является 
электрическая сварочная дуга; 
 
электрошлаковая сварка, где основным источником теплоты 
является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток; 
 
электронно-лучевая сварка, при которой нагрев и расплавление металла производится потоком электронов; 
 
лазерная сварка, при которой нагрев и расплавление металла 
осуществляется сфокусированным мощным лучом микрочастиц – фотонов; 
 
газовая сварка, при которой нагрев и расплавление металла 
происходит за счёт тепла пламени газовой горелки. 
Для более подробной классификации можно выделить: 
 
сварка плавящимся или неплавящимся электродом; 
 
сварка дугой прямого или косвенного действия; 
 
сварка открытой дугой; 
 
сварка под флюсом; 
 
сварка в среде защитного газа; 
 
сварка дуговой плазмой. 
Т а б л и ц а  1.1  
Энергетические свойства источников тепла 

 
Источники тепловой энергии 
Температура в луче (пламени), °С 

Сварочная дуга 
6 000 

Ацетилено-кислородное пламя 
3 200 

Плазмотрон  
10 000…30 000 

Электронный луч 
5 000…6 000 

 
При классификации по степени механизации различают свар- 
ку ручную, механизированную (полуавтоматом) и автоматическую.  
Каждый из этих видов характеризуется своим способом зажигания