Проектирование вакуумных сварочных установок

В.М. Неровный, А.А. Дерябин

Проектирование вакуумных 
сварочных установок

Учебное пособие

УДК 621.52(035.5)
ББК 30.61:34.52
 
Н54

ISBN 978-5-7038-4694-0 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

УДК 621.52(035.5)
ББК 30.61:34.52

 
Неровный, В. М. 

Н54  
Проектирование вакуумных сварочных установок : учеб-

ное пособие / В. М. Неровный, А. А. Дерябин. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 67, [5] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4694-0 

Изложены принципы построения вакуумных систем сварочных 

установок, в которых используется разрежение до 1 ⋅ 10 -3 Па, с учетом 
специфики технологических процессов (электронно-лучевая и 
диффузионная сварка, пайка и т. п.).
Даны характеристики вакуума как защитной среды, практические 
рекомендации по рациональному выбору вакуумной схемы, 
методики проектного и поверочного расчетов, приведены необходимые 
для расчета характеристики наиболее часто используемых 
насосов и вакуумных агрегатов, данные по газосодержанию обрабатываемых 
материалов и натеканию газа в рабочую камеру.
Для магистрантов 1-го курса, обучающихся по специальности 
15.04.01 «Машиностроение», и студентов, обучающихся по специальности 
15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов».


Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/47/book1666.html

Факультет «Машиностроительные технологии»  
Кафедра «Технологии сварки и диагностики»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензенты:
канд. техн. наук профессор С.С. Волков, 
д-р техн. наук профессор В.М. Ямпольский

Предисловие

Подготовка в техническом университете инженеров-сварщиков 
без изучения физики и техники получения разреженных газов 
(вакуума) является неполной. Настоящее издание позволит устранить 
существующий пробел. Это тем более целесообразно, что уже 
на протяжении многих лет студенты выполняют многочисленные 
курсовые и дипломные проекты, в которых проектируют вакуумные 
сварочные установки. 
Пособие состоит из четырех глав. В первой описаны свойства 
вакуума как эффективной защитной среды, во второй — параметры 
рабочей среды в вакуумной установке. В третьей главе рассмотрено 
проектирование вакуумных систем, используемых 
в сварочном оборудовании. Пример расчета вакуумной установки 
приведен в четвертой главе. Необходимые для этого технические 
характеристики различных насосов и агрегатов представлены 
в приложении. 
Цель преподавания дисциплины «Оборудование для сварки 

и родственных процессов — курсовой проект» состоит в применении 
полученных знаний и овладении основами анализа, обобщения 
и логического изложения материала при решении конкретной 
научно-технической задачи проектирования элементов сварочного 
оборудования.
В результате студенты смогут самостоятельно проектировать и 
рассчитывать основные элементы оборудования для сварки, наплавки 
или пайки.
Полученные знания студенты смогут применить при выполнении 
выпускной квалификационной работы.
Процесс изучения направлен на формирование элементов следующих 
компетенций (в соответствии с Самостоятельно устанавливаемым 
образовательным стандартом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
по данному направлению):

• владеть основами расчета и проектирования элементов 

и устройств различных физических принципов действия;

• уметь анализировать профессиональную информацию, выделять 
в ней главное, структурировать, оформлять и представлять 
в виде аналитических обзоров с обоснованными выводами и рекомендациями.

Поскольку работа по курсу является полностью самостоятельной, 
для ее выполнения студентам целесообразно придерживаться 
следующего порядка.
1. Постановка проблемы (изделие с указанием необходимых 
размеров и допусков, требований к качеству соединений, характеристик 
наблюдающихся отклонений в качестве и их причин при 
использовании традиционной (штатной) оснастки и оборудования; 
технология сварки и допуски на значения параметров режима; 
циклограмма процесса и другая необходимая для проектирования 
оборудования информация).
2. Обоснование выбора принципа и схемы построения оборудования. 
Результаты патентного анализа.
3. Проработка принципиальной схемы или блок-схемы установки. 
Циклограмма работы оборудования. Обоснование принципа 
и схемы, предложенных (или выбранных) для подробной конструкторской 
проработки функционального узла. Расчет основных 
параметров элементов схемы.
4. Исследование на эргономичность. 
5. Оформление расчетно-пояснительной записки и графической 
части.
6. Подготовка доклада к защите проекта. 
7. Защита курсового проекта.
Студент приходит на защиту с полностью готовыми расчетно-
пояснительной запиской и графической частью, выполненными 
по ГОСТу. Защита проекта проходит перед комиссией, назначенной 
заведующим кафедрой. На защиту каждому студенту отводится 
не менее 15 мин (6…7 мин — доклад; 7…8 мин — ответы 
на вопросы).
При определении оценки курсовой работы учитываются степень 
разработки темы, полнота охвата научной литературы, стиль 
изложения, творческий подход к написанию курсовой работы, 
научная обоснованность выводов, аккуратное оформление.
Оценки выставляются в соответствии со следующими критериями:

• «
отлично» — глубокие знания, примененные при самостоятельном 
исследовании избранной темы, обобщение и анализ практического 
материала с последующими выводами;

• «хорошо» — полное знание материала, всестороннее освещение 
вопросов темы, но проявление самостоятельности при исследовании 
не в полной мере;

• «удовлетворительно» — раскрытие в работе основных вопросов 
избранной темы, отсутствие самостоятельности в анализе или 
отдельные неточности в содержании работы;

• «неудовлетворительно» — нераскрытие основных положений 
избранной темы и грубые ошибки в содержании работы, плагиат.

Введение

Для современного этапа развития машиностроения и приборостроения 
характерна тенденция расширения номенклатуры используемых 
конструкционных материалов. Все большее применение 
находят высоколегированные, тугоплавкие сплавы, керамики, 
композиционные (слоистые, спеченные) и другие материалы. 
В этой связи при проведении сварочных операций и модификации 
рабочих поверхностей усложняется организация процессов термомеханического 
воздействия на материал, особенно в высокотемпературной 
области.
При выполнении сварочных операций необходима защита обрабатываемого 
материала от воздействия атмосферного воздуха. 
Эта задача усложняется при работе с химически активными металлами 
и сплавами. Во многих случаях традиционные способы 
защиты (инертные и восстановительные газы, разнообразные 
флюсы) не удовлетворяют условиям производства по таким причинам, 
как недостаточная химическая чистота среды (наличие 
окислителей), трудности с воспроизводством условий обработки 
ввиду практической сложности постоянного контроля состава 
среды в зоне обработки, высокая стоимость защитных газов, значительные 
затраты на доставку баллонов и т. д.

Во многих случаях оптимальным, а иногда и единственным 
альтернативным решением может оказаться использование вакуума, 
который обеспечивает более высокую степень защиты материала 
в процессе обработки, легко поддается оперативному инструментальному 
контролю с возможностью автоматизации,  
способствует активному рафинированию обрабатываемых поверхностей, 
причем в первую очередь в нагретой зоне. Все это положительно 
сказывается на качестве получаемых соединений и, что 
особенно важно, на стабильности результатов.
К числу сварочных процессов, проводить которые целесо- 
образно, а в определенных случаях только и возможно в условиях 
вакуума, относятся диффузионная и электронно-лучевая сварка 
(ЭЛС), наплавка, дуговая сварка с полым катодом, пайка, напы-

ление и др. При сборочно-сварочных операциях находят применение 
вакуумные приспособления.
В экологическом аспекте и с позиции требований охраны труда 
использование вакуума также может дать значительные положительные 
результаты. Однако для технологической реализации 
этого способа защиты требуется оборудование, в конструкции 
которого должны быть учтены как особенности обрабатываемого 
материала и самого изделия, так и специфика конкретного сварочного 
процесса. Последнее обстоятельство ставит инженеров-
сварщиков перед необходимостью создавать специализированное 
оборудование или грамотно формулировать требования для конструкторов, 
проектирующих вакуумные системы и оборудование.

1. Вакуум как эффективная защитная среда

Вакуум — это такое состояние разреженного газа, при котором 
его давление значительно ниже атмосферного. Количественной 
характеристикой вакуума служит абсолютное давление p. Степень 
разрежения, достигаемая в откачиваемой камере, определяется 
равновесным давлением, устанавливающимся под действием двух 
противоположных процессов: откачки газа насосами и натекания 
его через неплотности, а также в результате газоотделения от стенок 
камеры, из материала технологических приспособлений и 
свариваемых изделий в рабочем объеме. В связи с этим в вакуумной 
технике используют понятие «динамический вакуум».
Свойства динамического вакуума как химически инертной 
атмосферы определяются главным образом малым содержанием 
в единице объема вакуумной камеры таких вредных для ведения 
сварочных процессов примесей, как кислород, азот, водород и 
пары воды. Представление о чистоте среды в вакуумной камере 
и о ее защитных свойствах можно получить, сопоставив количество 
этих примесей в единице объема вакуумного пространства с их 
количеством в единице объема инертных газов при атмосферном 
давлении (табл. 1.1).
Таблица 1.1

Нормативные физико-химические показатели газообразного аргона  
(ГОСТ 10157—79)

Показатель
Сорт 

Высший 
Первый 

Объемная доля, %:
     аргона
     кислорода, не более
     азота, не более

99,993
0,0007
0,005

99,987
0,002
0,01

Объемная доля водяных паров, %, не более, 
что соответствует температуре насыщения аргона 
водяными парами при давлении 101,3 кПа 
(760 мм рт. ст.), °С, не выше

0,0009  

– 61

0,001  

– 58

Результаты расчета состава атмосферы 
и количества примесей в 
единице вакуумного пространства 
показывают, что даже при относительно «
плохом» вакууме достигается 
малое содержание примесей 
в единице объема (рис. 1.1). Так, 
при давлении в камере, равном 
1 Па, содержание примесей в нем 
будет меньше, чем в аргоне высшего 
сорта (кислорода меньше в 2,5 ра- 
за, азота — в 6 раз).
Состав остаточной газовой среды 
в вакуумной камере определяется многими факторами: составом 
воздуха, натеканием, десорбцией газов с обрабатываемых 
материалов, приспособлений и поверхностей камеры, способом 
откачки газов и др. В остаточной атмосфере обычно присутствуют 
кислород, пары воды, водород, углерод и углеродосодержащие 
газы.
Кислород попадает в остаточную среду при десорбции с поверхностей, 
диссоциации оксидов и кислородосодержащих  
веществ, натекании воздуха через неплотности, пары воды — в 
основном в результате их десорбции с поверхностей конструкционных 
элементов камеры. Наличие азота в составе остаточных 
газов является следствием его десорбции с поверхностей конструкционных 
элементов камеры при контакте их с атмосферой и натекания 
воздуха через неплотности.
Углекислый газ может образовываться при взаимодействии 
кислорода с углеродсодержащими материалами и парами масла 
в случае применения масляных насосов. При использовании паромасляных 
насосов (наиболее широко применяемых в промышленных 
сварочных установках) в камере суммарное парциальное 
давление углеводородов всего в 27 раз ниже, а парциальное давление 
кислорода на один-два порядка ниже остаточного давления.
Расплавленный или нагретый до высоких температур металл, 
как правило, активно взаимодействует с атмосферой остаточного 
газа. При давлении в камере менее 5 ⋅ 10–2 Па возможно восстановление 
меди, никеля, кобальта, железа, вольфрама и молибдена из 
оксидов в результате диссоциации углеводородов, поскольку при 
их разложении образуются восстановители  оксид углерода и водород. 
В результате атмосфера остаточного газа в вакуумной камере 
не только является защитной (инертной) средой, предохраняющей 

Рис. 1.1. Зависимость 
содержания азота (1) и кислорода 
(2) в единице объема вакуумного 
пространства

металл от действия кислорода и азота воздушной атмосферы, но 
в некоторых случаях может проявлять восстановительные свойства. 
Наибольшей восстанавливающей способностью обладает остаточная 
среда, полученная при откачке паромасляными диффузионными 
насосами, по сравнению, например, с обеспечиваемой турбомолекулярными 
и электроразрядными.
При поддержании неизменного давления в вакуумной камере 
с увеличением натекания воздуха состав остаточной среды в ней 
изменяется. Возрастает парциальное давление кислорода, азота, а 
суммарное парциальное давление углеводородов, наоборот, снижается. 
В таком случае технологические свойства вакуумной среды 
ухудшаются, и для ряда химически активных металлов (титана, 
циркония, молибдена, вольфрама и др.) среда начинает проявлять 
даже окислительную способность.
При высоких температурах наряду с восстановлением могут 
действовать и другие механизмы удаления оксидов с обрабатываемых 
поверхностей: диссоциация, возгонка, растворение в основном 
металле. Роль вакуума также состоит в ускорении и более 
полном завершении термодинамических процессов, протекающих 
в расплавленном и нагретом металле.
С технико-экономической точки зрения целесообразность применения 
вакуумной защиты для сварочных процессов проявляется 
не только в улучшении условий ведения технологического процесса 
и, как следствие, в достижении высоких эксплуатационных 
показателей изделия, но и в том, что эксплуатационные затраты 
на создание такой защиты значительно меньше, чем на проведение 
сварочных процессов в инертных газах. К примеру, по эксплуатационным 
затратам сварка в вакууме оказывается почти в 2 раза 
дешевле сварки в атмосфере аргона.
Воспроизводимость условий обработки в вакуумной среде довольно 
высока. Она обеспечивается с помощью современного 
вакуумного оборудования при постоянном инструментальном 
контроле давления среды, измеряемого вакуумметром. Причем 
создается эта совершенная защитная среда для сварочных процессов 
непосредственно на рабочем месте. В результате сварочное 
производство перестает зависеть от заводов, выпускающих защитные 
газы, сокращается потребность в баллонах, транспортных 
расходах и т. п.