Современные способы сварки

Н.П. Алешин, В.И. Лысак, В.Ф. Лукьянов

УДК 621.791
ББК 34.441
        А49

Алешин Н. П.
А49     Современные способы сварки : учеб. пособие / Н. П. Але шин, 
В. И. Лысак, В. Ф. Лукьянов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Бау-
мана, 2011. – 59 [1] с. : ил.

 ISBN 987-5-7038-3543-2
Описаны современные выскоэффективные сварочные процессы. 
Рассмотрены примеры практического применения отдельных видов 
сварки, их преимущества и недостатки.
Для студентов, обучающихся по направлению «Машиностроение», 
а также для специалистов, работающих в области создания сварных 
конструкций и разработки технологий их производства.

УДК 621.791
ББК 34.441

 
© Алешин Н.П., Лысак В.И., 
 
 
Лукьянов В.Ф., 2011
 
© Оформление. Издательство
ISBN 987-5-7038-3543-2 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

 
Современные способы сварки 
3

Предисловие

Сварочное производство последних лет характеризуется инно-
вационным развитием на основе широкого использования наукоем-
ких технологий и последних достижений в области фундаменталь-
ных наук. Результаты исследований в области теории образования 
сварного соединения значительно расширили возможности исполь-
зования традиционных и новых источников энергии для повыше-
ния производительности изготовления и качества сварных изделий.
В учебном пособии дан обзор современных высокоэффектив-
ных сварочных процессов и рассмотрены примеры их практическо-
го применения. Большое внимание уделено гибридным процессам, 
позволяющим не только совместить преимущества отдельных про-
цессов, но и получить дополнительный положительный эффект. 
Рассмотрены преимущества и области применения сварки трением 
с перемешиванием, примеры эффективного использования инфор-
мационных технологий для управления сварочными процессами.
Материал предназначен для специалистов, работающих в об-
ласти создания сварных конструкций и разработки технологии их 
производства.
Может быть использовано в качестве учебного пособия при 
подготовке бакалавров и магистров по направлению «Машиностро-
ение».
Авторы надеятся, что знакомство специалистов сварочного про-
изводства с возможностями новых наукоемких сварочных техноло-
гий привлечет внимание российских ученых к развитию исследо-
ваний в этой области и даст импульс к широкому промышленному 
использованию новых высокоэффективных технологий соединения 
конструкционных материалов.

Н.П. Алешин, В.И. Лысак, В.Ф. Лукьянов

Направление развития сварочного производства

Сварочное производство представляет одну из ведущих науко-
емких составляющих мировой экономики и в значительной степени 
определяет развитие многих отраслей современной промышленно-
сти. С применением сварочных технологий в развитых странах про-
изводится до половины валового национального продукта, а годо-
вой объем мирового производства сварочной техники, материалов 
и услуг в 2005 г. превысил в денежном выражении 40 млрд долл. По 
прогнозам, в 2010 г. он увеличится до 44 млрд долл., а в 2015 г. — 
до 52—54 млрд долл. (рис. 1). 

Рис. 1. Динамика развития мирового 
рынка сварочного производства:

 материалы; 
 оборудование; 
 услу-

ги; 
 средства защиты

Такая динамика обусловлена и тем, что более 2/3 стального 
проката постоянно растущего мирового рынка металлопродукции 
переходит на производство сварных конструкций и сооружений, 
причем на каждую его тонну расходуется около 4—6 кг сварочных 
(присадочных) материалов.
В России общее число потребителей сварочного оборудования 
и материалов превысило 3 000 предприятий, на которых численность 
рабочих превысила 3,9 млн человек. Основными потребителями 
сварочного оборудования являются топливно-энергетические 
комплексы (28 %) и машиностроение (20 %). 

 
Современные способы сварки 
5

Анализ сегментов отечественного рынка сварочного оборудования 
и материалов дает истинное представление о состоянии и 
тенденциях развития сварочного производства в целом и позволяет 
утверждать, что российский рынок во многом схож с мировым. По 
статистике Росстата, рост объемов производства сварочного оборудования 
начался в 2002 г. и продолжается до сих пор. За шесть 
лет производство в физическом выражении увеличилось более чем 
в 3,5 раза. При этом только по сравнению с 2007 г. объем производства 
отечественного сварочного оборудования в 2008 г. увеличился 
более чем на 20 %.
На отечественном рынке сварочных материалов неуклонно сокращается 
доля электродов с покрытием путем увеличения производства 
сварочных проволок для автоматической и механизированной 
сварки, причем особенно быстрыми темпами развивается 
производство порошковых проволок. В производстве флюсов по-
стоянно увеличивается доля агломерированных и уменьшается 
доля плавленых, преимущественно кислых, флюсов. 
Структура отечественного рынка сварочного производства 
представлена на рис. 2.
В отраслевом развитии сварочного производства имеются как 
лидеры (ОАО «Газпром», ОАО «АК Транснефть», ОАО «Атом-

Рис. 2. Структура сварочного рынка в России

Электроды
с покрытием

Н.П. Алешин, В.И. Лысак, В.Ф. Лукьянов

пром», РКК «Энергия» и др.), так и аутсайдеры, к которым можно 
отнести предприятия строительной отрасли с преобладающей до-
лей ручных способов сварки.
Эффективное развитие сварочного производства опирается на 
применение современных и перспективных способов сварки, крат-
кий обзор которых и явился целью настоящего пособия.

Лазерные технологии в машиностроении

Традиционно используемые в машиностроении технологии 
сварки плавлением ввиду недостаточной плотности энергии не обе-
спечивают глубокого проплавления, вследствие чего при сварке ме-
талла больших толщин, обычно более 5 мм, требуется выполнять 
скос свариваемых кромок, что приводит к необходимости наплав-
лять большой объем металла. Это ведет к снижению производи-
тельности сварки и, как правило, к появлению больших остаточных 
деформаций. Физическая суть процесса лазерной сварки заключа-
ется в возможности получения неразъемного соединения частей из-
делия путем местного расплавления металла под действием высо-
коконцентрированного источника световой энергии.
В отличие от дуговых методов сварки при лазерной сварке уда-
ется достичь значительно большей плотности энергии, что позво-
ляет более эффективно использовать введенную энергию для рас-
плавления металла и образования соединения. Вследствие этого 
появляется возможность увеличить скорости и существенно умень-
шить сварочные деформации. 
Существует две технологии лазерной сварки — сварка за счет 
нагрева и сварка с глубоким проплавлением за счет образования па-
рогазового канала (рис. 3). 
В первом случае плавление металла происходит в поверхност-
ном слое глубиной несколько десятых долей миллиметра. Этот спо-
соб применяется для соединения тонких деталей в приборострое-
нии и медицинской технике, а также при выполнении наплавки, 
когда требуется обеспечить минимальное перемешивание основно-
го и наплавляемого металла. 
Для использования этой технологии применяют импульсные 
твердотельные Nd:YAG лазеры, а наплавку выполняют расфокуси-
рованным лучом.
При увеличении плотности энергии выше порогового значения 
106 Вт/см2 металл не только плавится, но и испаряется. Давление па-
ров металла становится столь большим, что в свариваемом металле 
формируется окруженный расплавленным металлом паровой канал, 

 
Современные способы сварки 
7

получивший название «замочная скважина». Глубина проплавле-
ния резко возрастает и может достигать нескольких миллиметров.
Перемещаясь вместе с лазерным лучом, жидкий металл, окру-
жающий паровой канал, перемешивается и затвердевает, образуя 
узкий шов. Металл сварного шва обычно защищают от окисления 
инертным газом. 
При плотности вводимой энергии ниже критической величины 
мощность лазерного излучения незначительно влияет на глубину 

Рис. 3. Схемы лазерной сварки:

а — общая схема сварки; б — проплавление при плотности энергии менее 106 Вт/см2; 
в — проплавление при плотности энергии более 106 Вт/см2

Н.П. Алешин, В.И. Лысак, В.Ф. Лукьянов

проплавления металла. После превышения порогового значения 
плотности энергии 106 Вт/см2 глубина проплавления зависит от 
мощности лазерного источника тепла, скорости его перемещения и 
вида свариваемого материала (рис. 4). 
Современные лазеры позволяют повсить скорость сварки в 
3…5 раз, а в некоторых случаях и на порядок по сравнению с тра-
диционными методами сварки плавлением. Но дело не только в 
скорости — при дуговой сварке приходится вводить в сварное сое-
динение значительно большее количество тепла, чем при лазерной 
сварке.

Рис. 4. Влияние скорости сварки на глубину проплавления 
(мощность лазерного источника 10 кВт) 

До недавнего времени для сварки использовали в основном 
два типа лазеров: твердотельные и газовые. Эффективность сварки 
значительно повысилась с появлением волоконных лазеров, где ла-
зерное излучение генерируется с помощью светодиодов непосред-
ственно в оптическом волокне (рис. 5). Это позволяет вести сварку 
даже вручную. 
Преимущества волоконных лазеров по сравнению с традицион-
ными лазерными установками:
уменьшенное на 35 % расхождение луча;
• 
увеличенный до 20 % КПД;
• 
отсутствие нуждающихся в точной юстировке оптических 
• 
устройств;

 
Современные способы сварки 
9

максимальная скорость сварки составляет 2…16 м/мин, что в 
• 
10…15 раз превышает скорость дуговой сварки схожих по толщине 
металлов;
снижение в 3…5 раз сварочных деформаций по сравнению с 
• 
дуговой сваркой. 
Недостатками этого способа сварки являются жесткие требова-
ния по сборке стыков, необходимость использования специальных 
мер защиты при проведении работ.
Область применения волоконных лазеров — сварка самого ши-
рокого спектра материалов: от сталей до цветных сплавов, пласт-
масс, керамики, в том числе в труднодоступных местах и неудоб-
ных положениях. 
Приоритет в разработке волоконного лазера принадлежит наше-
му соотечественнику Валентину Павловичу Гапонцеву (ИРЭ РАН). 
К сожалению, реализовано данное изобретение было им уже в Гер-
мании. 
Так, например, фирма IPG Laser GmbH (Германия) выпусти-
ла волоконный лазер мощностью 10,4 кВт, позволяющий достичь 
плотности мощности 30 МВт/см2. Излучение доставляется по во-
локонному кабелю длиной 50 м. Все узлы, включая волоконные мо-
дули, блоки питания и систему управления, размещены в единой 
стойке с размерами по основанию 148×98 см. Полный КПД лазера 
превышает 25 %.
С помощью лазерной сварки можно выполнять стыковые и 
угловые швы, нахлесточные проплавные соединения, в том числе 
многослойные. Примеры сварных соединений, выполненных ла-
зерной сваркой с глубоким проплавлением, показаны на рис. 6. 

Рис. 5. Волоконная лазерная сварка:

1 — лазер; 2 — волоконный световод; 3 — сварочная головка; 4 — мани-
пулятор

Н.П. Алешин, В.И. Лысак, В.Ф. Лукьянов

Следует обратить особое внимание на возможность выполнения 
проплавных соединений. Во многих случаях, в частности в автомо-
бильной промышленности, этот процесс конкурирует с контактной 
сваркой. Лазерная сварка обеспечивает большую производитель-
ность, не требует доступности к сварному соединению с двух сто-
рон, не оказывает силового воздействия на свариваемые детали, по-
зволяет соединять детали из алюминиевых сплавов, а также сталь-
ные с цинковым покрытием. По сравнению с контактной сваркой, 
лазерная вызывает значительно меньшие остаточные деформации, 
что сокращает трудоемкость последующей обработки конструкции 
и улучшает ее внешний вид.
Именно благодаря этим преимуществам ведущие производи-
тели легковых автомобилей, такие как Audi, Volkswagen, BMW, 
Renault и другие, широко используют лазерную сварку для сое-
динения кузовных деталей автомобиля, особенно из алюминие-
вых сплавов. Пример лазерной сварки кузова и деталей защитно-
го кожуха автомобиля BMW 6 из алюминиевых сплавов показан 
на рис. 7.
Помимо повышения производительности, лазерная сварка по-
зволила уменьшить величину нахлестки с 16 мм при контактной 
сварке до 8 мм при лазерной. 
Открывшаяся возможность соединять детали проплавными 
швами с односторонним подводом энергии позволила изменить 
профиль соединяемых деталей с целью увеличения их жесткости, 
а в случае использования алюминиевых сплавов — применить тех-
нологию экструдирования для получения тонкостенных замкнутых 
профилей.

Рис. 6. Стыковые и нахлесточные (проплавные) соединения, выполненные 
лазерной сваркой