Производство сварных конструкций. Сварные соединения с полимерными прослойками и покрытиями

ПРОИЗВОДСТВО 
СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 
С ПОЛИМЕРНЫМИ 
ПРОСЛОЙКАМИ И ПОКРЫТИЯМИ

Рекомендовано 
федеральным государственным учреждением 
«Федеральный институт развития образования» 
в качестве учебного пособия 
для использования в учебном процессе 
образовательных учреждений, реализующих программы 
среднего профессионального образования

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В.В. ОВЧИННИКОВ
В.И. РЯЗАНЦЕВ
М.А. ГУРЕЕВА

УДК 669(075.32)
ББК 34.3я723
 
О35

Овчинников В.В.
О35 
 
Производство сварных конструкций. Сварные соединения с полимерными прослойками и покрытиями : учебное пособие / В.В. Овчинников, В.И. Рязанцев, М.А. Гуреева. — Москва : ИД «ФОРУМ» : 
ИНФРА-М, 2021. — 216 с. — (Среднее профессиональное образование). — DOI 10.12737/21176.

ISBN 978-5-8199-0732-0 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-013540-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104893-1 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии изложены особенности, преимущества и рациональные 
области применения сварных соединений с полимерными покрытиями и прослойками, выполненных контактной сваркой и сваркой плавлением алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, а также конструкционных сталей. 
Представлены основные физико-механические и технологические свойства 
конструкционных клеев, грунтов, паст и анаэробных композиций. Рассмотрены особенности подготовки поверхности для клеесварных соединений и вопросы контактной сварки по клеям, грунтам и пастам. Приведены прочностные характеристики сварных и клеесварных соединений.
Для студентов и преподавателей средних специальных учебных заведений 
металлургических и технических специальностей. Может быть полезно бакалаврам, магистрам, обучающимся по направлению технологии обработки 
конструкционных материалов, а также инженерно-техническим работникам 
отраслей машиностроения.
УДК 669(075.32)
ББК 34.3я723

Р е ц е н з е н т ы:
С.И. Феклистов — доктор технических наук, главный научный сотрудник 
АО «НПО “ЦНИИТМАШ”»;
В.Ф. Шамрай — доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН РФ

ISBN 978-5-8199-0732-0 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-013540-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104893-1 (ИНФРА-М, online)

© Овчинников В.В., Рязанцев В.И., 
Гуреева М.А., 2017
© ИД «ФОРУМ», 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема обеспечения высокой прочности и коррозионной 
стойкости соединений, выполненных контактной сваркой, диктуется повышением требований к современным изделиям в направлении значительного повышения ресурса их эксплуатации в различных климатических условиях. Сочетание контактной сварки со 
склеиванием существенно повышает статические и циклические 
характеристики, а в ряде случаев и антикоррозионные свойства 
образующегося комбинированного соединения.
Комбинация контактной точечной сварки и склеивания получила специальное название — клеесварное соединение, а конструкции, выполняемые с помощью этого типа соединений, — 
клее сварных конструкций. Этот тип соединения позволяет максимально использовать преимущества сварки и склеивания и в то же 
время исключить многие недостатки, присущие каждому из этих 
процессов в отдельности.
В данном учебном пособии рассмотрены основные понятия 
процессов создания клеесварных соединений: клеевая прослойка, 
сварная точка, статическая прочность соединения, циклическая 
прочность соединения, коррозионная стойкость.
Задачей данного учебного пособия является ознакомление читателей с основными вопросами обеспечения высокой прочности 
и коррозионной стойкости соединений, выполненных контактной 
сваркой. С помощью материала, представленного в издании, делается попытка сформировать у студентов и других читателей 
комплексный подход к восприятию и оценке технологичности 
выполнения соединений и конструкций на разных уровнях. Важно 
выработать навыки формирования критической оценки технологических процессов, применяемых при создании клеесварных 
конструкций.
После изложения материалов, представленных в учебном пособии, студент должен:
знать
 
• теоретические и практические основы технологических процессов создания клеесварных соединений и конструкций;
уметь
 
• анализировать и оценивать эффективность применения различных клеевых композиций и режимов контактной сварки при 
создании клеесварных соединений;

владеть
 
• методами и подходами к формированию мероприятий и разработке предложений по повышению уровня свойств клеесварных 
соединений различных металлов и сплавов.
Учебное пособие рассчитано на читателей, знакомых с технологией и оборудованием контактной сварки, поэтому целый ряд положений дается без подробного пояснения.

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы сварка как способ соединения деталей из 
разных материалов широко применяется во многих отраслях промышленности. Сварка позволяет коренным образом изменить технологию, а в ряде случаев и конструкцию отдельных агрегатов, 
узлов и изделий в целом. При изготовлении тонколистовых конструкций из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, 
а также сталей всех марок находит широкое применение контактная 
точечная и шовная сварка. Потенциальные возможности контактной сварки весьма значительны.
Отечественная промышленность изготовляет сварочное оборудование для контактной сварки достаточно широкой номенклатуры, что позволяет сваривать материалы с различными свойствами в широком диапазоне толщин (0,1—8 мм). Технология контактной сварки хорошо поддается механизации и автоматизации, 
что обеспечивает стабилизацию качества соединений и получение 
высокой экономической эффективности. На сегодняшний день 
множество конструкций самолетов, вертолетов, ракет, морских 
судов, железнодорожных вагонов, автобусов и автомобилей как 
в нашей стране, так и за рубежом изготавливают контактной точечной и шовной сваркой.
Однако несмотря на достигнутые успехи в области внедрения 
контактной и в первую очередь точечной сварки, дальнейшее расширение области ее применения сдерживается рядом факторов, 
например низкими циклическими характеристиками соединений, 
выполненных контактной сваркой, а также сложностью антикоррозионной защиты.
Непрерывное повышение требований, предъявляемых к современным изделиям в части значительного увеличения ресурса работы и всеклиматического их применения, приводит к тому, что 
контактную точечную и шовную сварку в новых ответственных изделиях применяют в ограниченных масштабах, а в ряде случаев 
сварные соединения заменяют на клееные или клепаные.
Склеивание как метод соединения материалов при изготовлении различных изделий применяют во многих областях промышленности. Эффективность использования склеивания в производстве разного рода конструкций объясняется целым комплексом 
существенных преимуществ, которыми клеевые соединения обладают по сравнению с традиционными видами соединений (болтовые, клепаные, сварные). Клеевые соединения обеспечивают вы

сокую циклическую прочность, снижают массу конструкций, позволяют получить гладкую поверхность изделий, а в ряде случаев 
дают возможность сочетать крепление с герметизацией. Силовые 
клееные соединения широко и успешно применяют в конструкциях 
ряда самолетов, вертолетов и ракет.
Необходимо, однако, отметить, что склеиванию присущи 
и определенные, существенные недостатки: небольшая прочность 
при неравномерном отрыве, склонность к старению, необходимость применения сложного, а в ряде случаев уникального оборудования (автоклавы, прессы и т.д.) и комплекса дорогостоящей высокоточной оснастки.
Сопоставление обоих методов соединения деталей, контактной 
сваркой и склеиванием, показывает, что преимущества, получаемые при применении сварки, а именно простота производства, 
соответствуют как раз той особенности процесса склеивания, которая больше всего нуждается в упрощении. Кроме того, сочетание 
контактной сварки со склеиванием существенно повышает статические и циклические характеристики, а в ряде случаев и антикоррозионные свойства образующегося комбинированного соединения.
Комбинация контактной точечной сварки и склеивания получила специальное название — клеесварные соединения, а конструкции, выполняемые с помощью этого типа соединений, получили название «клеесварные конструкции». Этот тип соединения 
позволяет максимально использовать преимущества сварки и склеивания и в то же время исключить многие недостатки, присущие 
каждому из этих процессов в отдельности. Клеевая прослойка 
в клеесварном соединении воспринимает значительную часть напряжений при нагружении соединения и, следовательно, разгружает сварные точки. Перераспределение напряжений уменьшает их 
концентрацию в опасном сечении сварного соединения, что повышает прочность комбинированного клеесварного соединения, особенно при циклических нагрузках. В свою очередь, сварные точки 
улучшают работу клеевой прослойки в условиях неравномерного 
отрыва, повышая общую работоспособность конструкций.
Высокие характеристики циклической прочности, антикоррозионная стойкость, возможность снижения массы конструкций при 
сравнительной простоте технологии и незначительных капитальных 
затратах обеспечили этому новому типу соединения широкое применение в различных отраслях промышленности.
Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений, 
выполненных контактной сваркой, а в ряде случаев для улучшения 

их демпфирующих характеристик в течение многих лет в промышленности применяют процесс сварки по грунтам, пастам, лакам, 
герметикам и другим жидким неметаллическим прослойкам (ниже 
использован единый обобщающий термин «сварка по грунтам»). 
Нанесение клеевых покрытий на поверхность сварных швов, выполненных методами сварки плавлением, обеспечивает увеличение 
циклической прочности соединений, особенно для сплавов, особо 
чувствительных к состоянию поверхности, например сплавов на 
основе титана.
В последнее время разработан новый класс полимерных материалов — так называемые анаэробные композиции или лактайты. 
При нанесении этих композиций на сварные швы, выполненные 
методами сварки плавлением, обеспечивается повышение герметичности соединений.
Благодаря указанным преимуществам комбинированных соединений интерес к ним непрерывно возрастает. Однако информация 
о последних достижениях в области клеесварных соединений рассеяна по различным отечественным и зарубежным периодическим 
изданиям и малодоступна для широкого круга специалистов. 
В связи с этим настоящее издание, отражающее современный уровень знаний по технологии изготовления, рациональному выбору 
клеев, грунтов и анаэробных композиций, а также по свойствам 
сварных соединений с клеями и грунтами, позволяет восполнить 
пробел в отечественной научно-технической литературе.
При написании учебного пособия не преследовалась цель изложить узкоспециальные вопросы по оборудованию для контактной 
сварки, по выбору режимов сварки и контролю качества параметров процесса сварки. Все эти вопросы достаточно подробно освещены в литературе по контактной сварке.

Глава 1 
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ С КЛЕЯМИ, 
ГРУНТАМИ И ПАСТАМИ

1.1. КЛАССИфИКАцИЯ СВАРНЫх КОНСТРУКцИй

Все сварные конструкции с клеями, или клеесварные конструкции, исходя из метода сварки, можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся клеесварные конструкции, у которых клей нанесен на поверхность сварных швов, 
выполненных методами сварки плавлением (дуговая, аргонодуговая, электронно-лучевая и т.д.). Ко второй группе относятся 
клее сварные конструкции, у которых клей нанесен под нахлестку 
соединений, выполненных методами контактной сварки (точечная 
или шовная).
С точки зрения применяемой технологии изготовления клеесварные конструкции можно разделить на выполняемые методом 
сварки по клею (клей наносится до сварки) и путем нанесения 
(введения) клеев после сварки.
Можно разделить клеесварные конструкции и по типу применяемой клеевой композиции: жидкая, пастообразная, пленочная, горячего отверждения, холодного отверждения. На рис. 1.1 дана схема 
классификации основных типов клеесварных конструкций, за 
основу которой приняты наличие или отсутствие сжимающего 
усилия при сварке и технология нанесения клеев.
Сварные соединения с грунтами — это особый тип комбинированного соединения, выполненного любым известным методом 
сварки; грунты различного типа (грунты, пасты, лаки, герметики) 
и анаэробные композиции наносят на поверхность сварных швов 
или вводят под нахлестку сварного соединения. При этом повышаются коррозионная стойкость сварных соединений, их герметичность, а в ряде случаев и характеристики демпфирования конструкций.
Соединения с грунтами выполняют в основном методами контактной сварки (точечной или шовной), а соединения с анаэробными композициями — методами сварки плавлением (рис. 1.2).

Клеесварные конструкции

Клеесварные конструкции, 
выполняемые методами сварки 
плавлением  

Клеесварные конструкции, выполняемые методами сварки 
давлением  

Дуговая сварка 

Аргонодуговая сварка 

Электронно-лучевая 
сварка 

Лазерная сварка 

Нанесение клеев после сварки 

Клеесварные конструкции, 
выполняемые методами 
контактной сварки   

Клеесварные конструкции, 
выполняемые методами 
сварки в твердой фазе  

Нанесение клеев 
после сварки 

Точечная сварка 
Шовная сварка 

Сварка 
по клею 

Введение 
клеев после 
сварки 

Сварка 
по клею 

Введение 
клеев после 
сварки 

Жидкие 
и пастообразные 
клеи  

Пленочные 
клеи 
Без подогрева
 

С подогревом
 

Рис. 1.1. Классификация основных типов клеесварных конструкций

Сварные соединения с грунтами 
и анаэробными композициями 

Конструкции, выполняемые сваркой 
плавлением с анаэробными композициями 

Конструкции, выполняемые контактной сваркой 
с грунтами и анаэробными композициями
 

Дуговая сварка 

Аргонодуговая 
сварка 

Нанесение анаэробных 
композиций после сварки 

Точечная сварка 
Шовная сварка 

Сварка 
по грунтам 
и анаэробным 
композициям 

Нанесение 
анаэробных 
композиций 
после сварки 

Сварка 
по грунтам 
 

Нанесение 
анаэробных 
композиций 
после сварки 

Рис. 1.2. Схема классификации основных типов сварных конструкций  
с клеями, грунтами, пастами и анаэробными композициями

1.2. ПРЕИМУщЕСТВА КЛЕЕСВАРНЫх КОНСТРУКцИй

Клеесварные конструкции можно изготовлять из магниевых, 
алюминиевых и титановых сплавов, а также из сталей всех типов. 
Анализ применения клеесварных конструкций в различных отраслях показал, что наибольшее применение находят конструкции 
из алюминиевых сплавов: они составляют более 95% общего объема 
клеесварных конструкций.
Из всех методов изготовления клеесварных конструкций наиболее широко применяют контактную точечную сварку [15, 22, 47, 
52, 57, 58, 64], поэтому ниже более подробно рассмотрен именно 
этот тип клеесварных соединений и конструкций.
Клеесварные соединения, выполняемые методом контактной 
точечной сварки, практически равноценны сварным по производительности, степени механизации процесса и его экономичности. 
Кроме того, они сохраняют такие положительные качества клеевых 
соединений, как герметичность и равномерное распределение напряжений по сечению сварного соединения. При нагружении клеесварного соединения клеевая прослойка воспринимает часть напряжений, разгружая сварную точку. Такое перераспределение напряжений уменьшает их концентрацию у границ сварной точки, 
что приводит к повышению прочности конструкций. В то же время 
наличие в клеевом шве местных, достаточно часто расположенных 
жестких связей в виде сварных точек устраняет серьезный недостаток клеевых соединений — низкую работоспособность при неравномерном отрыве.
Клеесварные соединения по сравнению с обычными методами 
соединения, например механическим креплением, сваркой или 
склеиванием, имеют следующие преимущества: 1) более высокую 
циклическую прочность, что объясняется более равномерным распределением напряжений вокруг сварных точек благодаря наличию 
клея; 2) снижение стоимости производства по сравнению с процессом склеивания, так как не требуется применение дорогостоящих автоклавов. Сварные точки в клеесварном соединении 
выполняют роль прижимов, фиксирующих соединение, поэтому не 
требуется применение чрезвычайно сложной и дорогостоящей 
оснастки; 3) обеспечиваются более благоприятные условия труда по 
сравнению с операциями сверловки и клепки; 4) коррозионная стойкость клеесварных соединений значительно выше, чем точечных 
сварных соединений; 5) автоматически достигается герметизация 
сварных швов, тогда как при механическом креплении необходима 
дополнительная операция герметизации; 6) легко обеспечивается