Технология сварки плавлением

А. В. Лупачев
В. Г. Лупачев

ТЕХНОЛОГИЯ  

СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений  

образования, реализующих образовательные программы  

среднего специального образования по специальности  
«Оборудование и технология сварочного производства» 

Минск
РИПО
2020

УДК 621.791.75(075.32)
ББК 30.61я723

Л85

А в т о р ы:

заместитель генерального директора по развитию группы компаний  
«Строительные материалы и технологии» кандидат технических наук  

А. В. Лупачев; кандидат технических наук, доцент В. Г. Лупачев.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия сварочного производства ГУО «Бобруйский 

государственный механико-технологический колледж» (Г. А. Масюк); 
профессор кафедры «Порошковая металлургия, сварка и технология 

материалов» Белорусского национального технического университета доктор 

технических наук, профессор С. М. Ушеренко.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образо
вания Республики Беларусь.

Лупачев, А. В.

Л85
Технология сварки плавлением : учеб. пособие / А. В. Лупачев, В. Г. Лу
пачев. – Минск : РИПО, 2020. – 446 с. : ил.

ISBN 978-985-7234-92-9.

В учебном пособии рассмотрены виды и способы сварки, сварочные напряже
ния и деформации, сварочные материалы. Описаны источники нагрева металла при 
сварке, способы термической резки. Изложены требования по охране труда при выполнении сварочных работ.

Предназначено для учащихся учреждений образования, реализующих образова
тельные программы среднего специального образования по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». Может быть полезно преподавателям для организации образовательного процесса, а также практическим работникам 
отрасли.

УДК 621.791.75(075.32)

ББК 30.61я723

ISBN 978-985-7234-92-9 
 
© Лупачев А. В., Лупачев В. Г., 2020
 © Оформление. Республиканский институт

 профессионального образования, 2020

ВВЕДЕНИЕ

Сварка является одним из наиболее распространенных и пер
спективных технологических процессов соединения материалов. 
Основополагающим фактором, обеспечивающим приоритетное 
применение сварных конструкций, выступает экономичность их 
производства. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными и клепаными обладают большей прочностью, меньшей 
массой и менее трудоемки в изготовлении. Нет такой отрасли 
промышленности, где бы не применялись сварка, резка металлов 
или их наплавка на поверхность деталей.

Машиностроение является отраслью с высокоразвитым сва
рочным производством. Технологический процесс изготовления 
сварных конструкций включает в себя последовательное выполнение заготовительных, сборочных, сварочных, контрольных, отделочных и других операций.

В настоящее время сваривают материалы толщиной от не
скольких микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров 
(в тяжелом машиностроении). Наряду с широко применяемыми конструкционными сталями сваривают специальные стали, 
сплавы на основе алюминия, меди, титана и других металлов, а 
также разнородные материалы и металлы с защитными покрытиями.

Постоянно совершенствуются сварочное оборудование и 

сварочные технологии. Объемы применения сварочных работ 
ежегодно возрастают. Это обусловливает необходимость использования при изготовлении сварных конструкций высокоэффективных технологий, энергосберегающих источников питания 
сварочной дуги и современного сварочного оборудования.

Введение

Существенно расширились условия проведения сварочных 

работ: сварку осуществляют в условиях высоких и низких температур, радиации, под водой, в космосе. Сварные швы выполняют в любых пространственных положениях. Быстрыми темпами 
внедряются новые виды сварки – лазерная, электронно-лучевая, 
гибридные и др.

Значительный прогресс в разработке источников питания и 

сварочного оборудования принесли системы с полностью цифровым управлением, применение которых позволяет механизировать и автоматизировать процесс сварки и выполнять контроль 
над точным соблюдением его режимов и технологии. Цифровые 
технологии обусловили появление принципиально новых сварочных аппаратов с синергетическим управлением. Сварщику требуется выбрать на панели источника программу сварки по виду 
свариваемого материала, диаметру проволоки, составу защитного 
газа, а синергетика выставляет заранее подобранный оптимальный режим сварки и контролирует его соблюдение. Такая интеллектуальная система существенно облегчает работу сварщика.

Новые сварочные технологии и современное сварочное обо
рудование с цифровым управлением обеспечивают регулируемый 
перенос электродного металла и минимальное тепловложение в 
сварное соединение, что позволяет сваривать металлы малой толщины и стали с антикоррозионными металлическими покрытиями без разрушения защитного слоя.

Повышение производительности труда в области сварочного 

производства достигается механизацией, автоматизацией и роботизацией сварочных процессов.

Поскольку применение и характер изготовляемых изделий 

разнообразны, освоение сварки требует знаний по металлургии, 
металло- и материаловедению, машиностроению, электротехнике, физике, химии, автоматизации производственных процессов 
(от простейших полуавтоматов и автоматов до роботов, имитирующих рабочие приемы человека). Изучающий сварку должен помнить, что ему придется много и интересно работать для усвоения 
знаний, необходимых при работе с современной сварочной техникой, и освоения новейших технологических процессов сварки.

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ, 
СВАРНЫХ ШВОВ И СОЕДИНЕНИЙ

1.1. Классификация способов сварки

Сущность процесса сварки. Сварка металлов – технологиче
ский процесс соединения металла(-ов) при таком нагреве и (или) 
давлении, в результате которого получается непрерывность структуры соединяемого(-ых) металла(-ов).

В результате сварки устанавливаются межатомные связи между 

соединяемыми частями. Прочные связи между атомами двух металлических поверхностей легко образуются при соприкосновении 
этих поверхностей – надо только сблизить их до расстояния, на 
котором действуют силы межатомного взаимодействия. Это расстояние составляет 3–5 Å (ангстрем), или (3–5) ∙ 10–7 мкм. На соединяемых поверхностях не должно быть никаких загрязнений, поверхности должны быть свободны от оксидных и жировых пленок, 
молекул газов и жидкостей. Таких условий реально достичь только 
в глубоком вакууме, например в открытом космосе, где детали механизмов даже при случайном соприкосновении могут свариваться 
друг с другом на отдельных участках поверхностей, нарушая работу 
космических аппаратов. В обычных условиях даже после тщательной зачистки металлических поверхностей пленки оксидов, газов 
и жидкостей на них восстанавливаются практически мгновенно 
(мономолекулярный слой газа, например, возникает за 2,4 ∙ 10–9 с).

Кроме загрязнений поверхностей, их соединению мешают не
ровности, выступы и впадины, которые образуются при любой 
чистоте обработки. Эти неровности могут быть не видны невооруженным глазом, но по сравнению с расстояниями действия меж

Глава 1. Классификация способов сварки, сварных швов и соединений

атомных сил они огромны. Поэтому при сближении поверхностей 
контакт между ними возникает только в отдельных точках.

Устранить эти препятствия и обеспечить условия для возник
новения прочных связей между атомами соединяемых поверхностей можно, если в зону соединения ввести энергию. Получив эту 
энергию, атомы поверхности активируются. Это облегчает межатомное взаимодействие поверхностей и способствует разрыву 
связей между атомами металла, газовых и жидкостных пленок и 
молекулами оксидов. Вводимую в зону соединения энергию называют энергией активации. При сварке ее вводят в зону соединения 
извне путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). Под воздействием 
энергии активации поверхности пластически деформируются или 
оплавляются, что устраняет их неровности. Обеспечивается практически полный контакт между поверхностями, т. е. их сближение 
на расстояние, необходимое для взаимодействия межатомных сил. 
При этом пленки загрязнений разрушаются или вытесняются из 
зоны соединения, а поверхности очищаются. 

Классификация видов сварки. Сварочные процессы класси
фицируются по физическим, техническим и технологическим 
признакам (ГОСТ 19521–74).

Основа классификации по физи че ск и м  п ризн а к а м  – 

вид энергии, применяемой для получения сварного соединения. 
Все сварочные процессы относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому. Термический 
класс включает все виды сварки плавлением, осуществляемые с 
использованием тепловой энергии (газовая, дуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая и лазерная); термомеханический класс – все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, 
кузнечная, газо- и дугопрессовая); механический класс – все виды 
сварки давлением, проводимые с использованием механической 
энергии (холодная, трением, ультразвуковая и взрывом).

По т ех н и че ск и м  п ризн а к а м  сварочные процессы клас
сифицируют:

 
• по степени механизации процессов сварки (ручные, меха
низированные, автоматизированные, автоматические);

 
• непрерывности процесса (непрерывные, прерывистые);
 
• в зависимости от способа защиты металла в зоне сварки (в 

воздухе, вакууме, защитном газе, под флюсом, по флюсу, в пене, 
с комбинированной защитой);

1.2. Основные виды и способы сварки

 
• по типу защитного газа (в активных газах, инертных газах, 

смеси активных и инертных газов);

 
• виду активного газа (в углекислом газе, азоте, водяном 

паре, смеси активных газов);

 
• виду инертного газа (в аргоне, гелии, смеси аргона и гелия).
По т ех но лог и че ск и м  п ризн а к а м  сварочные процессы 

классифицируют:

 
• по форме сварного соединения (стыковое, угловое, тавро
вое, нахлесточное, торцовое);

 
• роду и полярности тока (постоянным током, переменным 

током, на прямой полярности, на обратной полярности);

 
• виду электрода (сварка плавящимся электродом, сварка не
плавящимся электродом).

Такие признаки устанавливают для каждого вида сварки от
дельно. Например, вид дуговой сварки может отличаться по типу 
электрода, характеру защиты или уровню механизации.

1.2. Основные виды и способы сварки

Виды, способы и методы сварки. Вид сварки объединяет груп
пу сварочных процессов, в которых используется один источник 
теплоты (например, дуговая сварка – источником теплоты является электрическая дуга, электрошлаковая ванна – теплота аккумулируется в сварочной ванне). 

Способ сварки – это вариант конкретного вида сварки, кото
рый отличается от других по ведению процесса (например, ручная дуговая сварка покрытыми электродами, дуговая сварка в 
защитных газах, дуговая сварка под флюсом). 

Метод сварки – это разновидность способа сварки; отлича
ется от других непринципиальными изменениями (например, 
ручная дуговая сварка с опиранием на козырек электродного покрытия, сварка наклонным электродом, автоматическая сварка с 
увеличенным вылетом электрода).

В зависимости от характера активации при выполнении со
единений и по состоянию металла в зоне соединения 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 

Глава 1. Классификация способов сварки, сварных швов и соединений

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.

При сварке давлением сварное соединение получают за счет 

пластического деформирования материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации облегчается 
установление межатомных связей соединяемых частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. 

В данном учебном пособии рассматриваются способы свар
ки плавлением, поэтому способам сварки давлением будет дана 
только общая характеристика.

Сварка плавлением. При сварке плавлением в зону соеди
нения вводится только тепловая энергия. Металл в зоне сварки 
нагревается выше температуры его плавления. Здесь могут быть 
два способа: с плавлением основного металла и без плавления 
основного металла. При нагреве может быть расплавлен только 
вспомогательный присадочный металл с температурой плавления ниже, чем у основного металла соединяемых деталей. Основной металл в этом случае не расплавляют. Жидкий присадочный 
металл растекается по поверхности соединения, смачивает ее 
и, кристаллизуясь при охлаждении, образует паяный шов. Этот 
процесс называют пайкой. Если для нагрева металла используется сварочная дуга, такой процесс называют сваркопайкой.

В большинстве способов сварки плавлением с помощью раз
личных источников тепла небольшой участок соединения деталей нагревают выше температуры плавления основного металла. 
Образуется ограниченный твердым металлом объем жидкого металла, который называют сварочной ванной. По мере перемещения источника тепла вдоль свариваемого стыка в головной части 
сварочной ванны основной металл расплавляется, а в хвостовой 
части ванны металл затвердевает, образуя сварной шов. Для усиления сварного шва в сварочную ванну может подаваться расплавляемый материал электрода или присадочный материал.

Способы сварки плавлением отличаются друг от друга источ
никами тепла и защитой зоны сварки от окружающей атмосферы.

При газопламенной (газовой) сварке источник тепла – это пла
мя от сжигания горючего газа или пара в кислороде. Шов от воздействия воздуха защищают продукты сгорания этого газа.

1.2. Основные виды и способы сварки

Наиболее распространена дуговая сварка – сварка плавле
нием, при которой нагрев осуществляется электрической дугой. 
В зависимости от способа защиты металла в зоне нагрева различают несколько способов дуговой сварки.

При дуговой сварке штучными электродами при плавлении 

покрытия образуется шлак, который покрывает металл шва. Зона 
сварки защищается при этом также парами металла и компонентов покрытия. 

Защиту зоны сварки осуществляют инертными (аргон, ге
лий) или активными (углекислый газ, водяной пар и др.) газами 
или их смесями. Эти способы дуговой сварки называют сваркой 
в защитных газах, или газоэлектрической сваркой. Она может выполняться плавящимся или неплавящимся электродом.

С помощью защитного газа можно сжать электрическую дугу 

в узком канале горелки так, что дуга станет высококонцентрированным источником тепла. В таком случае говорят о сварке 
сжатой дугой, или о плазменной сварке.

Качественные швы и высокую производительность обеспе
чивает дуговая сварка под флюсом. На стык деталей заранее или 
в процессе сварки насыпают слой порошка флюса толщиной 
больше длины дуги. Дуга расплавляет флюс и горит под пленкой жидкого шлака и слоем порошка флюса в атмосфере паров 
металла и компонентов флюса. Шлак надежно закрывает шов, 
образуя шлаковую корку.

Для соединения деталей большой толщины применяют элек
трошлаковую сварку, при которой для расплавления основного и 
электродного металлов используют теплоту, выделяющуюся при 
прохождении электрического тока через жидкий шлак, защищающий сварочную ванну от воздуха.

При сварке плавлением используют также высококонцентри
рованные источники тепла: электронный луч и световой луч, излучаемый оптическим квантовым генератором-лазером. 

Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепло
ты, выделяющейся при торможении острофокусированного потока ускоренных электрическим полем электронов в результате 
их столкновений со свариваемой поверхностью. Сварку производят в вакууме, который защищает нагретую зону. 

Лазерная сварка происходит в результате передачи сваривае
мой поверхности энергии монохроматического когерентного луча 
света, сфокусированного на этой поверхности оптической систе

Глава 1. Классификация способов сварки, сварных швов и соединений

мой. Защиту зоны сварки производят инертными либо активными газами.

Выделение теплоты в результате химических реакций между 

оксидом металла и другим металлом, более активным по отношению к кислороду, используют при термитной сварке. Термит – 
это смесь порошков оксида железа Fe3О4 (окалины) и алюминия 
или магния. Если подогреть ее до температуры воспламенения 
(800 оС), произойдет реакция

3Fe3O4 + 8Al → 4Al2O3 + 9Fe + 850 ккал (3559 кДж)  

(на 1 кг смеси). 

В результате реакции образуются железо и оксид алюминия, 

который всплывает на поверхность, образуя шлак. Продукты реакции нагреваются до температуры 3000 оС. 

Термитная сварка может осуществляться методом проме
жуточного литья, когда расплавом железа заливают стык стальных или чугунных деталей, заключенный в литейную форму. 
Это сварка плавлением. Но термитную сварку выполняют еще 
и впритык, когда жидким металлом и шлаком только нагревают 
торцы соединяемых деталей, а соединение получают, сдавливая 
разогретые торцы и деформируя их. Это сварка давлением с нагревом без оплавления. Термитная сварка применяется в основном для соединения рельсов и проводов заземления. 

Таким образом, при всех способах сварки под действием 

энергии активации металл в зоне соединения изменяется, происходит его деформация и (или) плавление с последующим затвердеванием, металл может взаимодействовать с окружающей атмосферой, компонентами шлаков, происходит изменение его структуры. Поэтому сварные соединения, как правило, отличаются от 
основного металла структурой, химическим составом металла и 
механическими свойствами. Особенно велики эти отличия при 
сварке плавлением.

Сварка давлением. К сварке давлением относят способы, при 

которых применяют только механическую или тепловую и механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может 
происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

К сварке давлением без нагрева относятся холодная сварка, 

сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, 
в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел