Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Специальные лазерные технологии

Покупка
Артикул: 723386.02.99
Доступ онлайн
1 000 ₽
В корзину
Рассмотрены сварка композиционных материалов и гибридные лазерные технологии сварки. Особое внимание уделено сварке концентрированными источниками энергии металлических композиционных материалов, упрочненных частицами, а также гибридной лазерно-дуговой и лазерно-плазменной сварке. Для студентов, обучающихся по специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов» по специализации специалистов «Проектирование промышленных технологических комплексов с использованием высококонцентрированных потоков энергии».
Шиганов, И. Н. Специальные лазерные технологии : учебное пособие / И. Н. Шиганов. - Москва : МГТУ им. Баумана, 2019. - 144 с. - ISBN 978-5-7038-4985-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1964160 (дата обращения: 22.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
И.Н. Шиганов

Специальные лазерные технологии

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

 
© Оформление. Издательство

ISBN 978-5-7038-4985-9 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

УДК 621.7(075.8)
ББК 34.441
 
Ш55

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/41/book1937.html

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Лазерные технологии в машиностроении»

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

Шиганов, И. Н. 
Ш55  
Специальные лазерные технологии : учебное пособие / И. Н. Ши-
ганов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 
143, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4985-9
Рассмотрены сварка композиционных материалов и гибридные лазерные технологии 
сварки. Особое внимание уделено сварке концентрированными источниками 
энергии металлических композиционных материалов, упрочненных частицами, а 
также гибридной лазерно-дуговой и лазерно-плазменной сварке.

Для студентов, обучающихся по специальности 15.05.01 «Проектирование техно-

логических машин и комплексов» по специализации специалистов «Проектирование 
промышленных технологических комплексов с использованием высококонцентри-
рованных потоков энергии».

УДК 621.7(075.8)
ББК 34.441

Учебное издание

Шиганов Игорь Николаевич

Специальные лазерные технологии

Редактор О.М. Королева. Художник Э.Ш. Мурадова. Корректор Ю.Н. Морозова.
Компьютерная графика А.Н. Ивлевой. Компьютерная верстка Н.Ф. Бердавцевой

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 28.01.2019. Формат 70×100/16.

Усл. печ. л. 11, . Тираж 100 экз. Изд. № 366-2018. Заказ
7

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. press@bmstu.ru      www.baumanpress.ru

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com

Посвящается профессору 
доктору технических наук 
Михаилу Аркадьевичу Комарову

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисципли-
ну «Специальные лазерные технологии», обучающихся по специальности 
15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов» по специ-
ализации специалистов «Проектирование промышленных технологических 
комплексов с использованием высококонцентрированных потоков энергии». 
В пособии представлена сконцентрированная информация о современ-
ных нетрадиционных технологических процессах с применением лазерного 
излучения. Пособие построено по модульному принципу и включает модуль 1 
«Сварка композиционных материалов» и модуль 2 «Гибридные лазерные тех-
нологии сварки». Учебное пособие является дополнением к лекциям, читае-
мым студентам в аудитории.
Модуль 1 охватывает круг вопросов, связанных со сваркой металличе-
ских композиционных материалов. Дана классификация этих материалов, 
рассмотрены области их применения. Подробно описаны физические ос-
новы, особенности сварки и свойства сварных соединений металлических 
композиционных материалов, упрочненных частицами, методы лазерной, 
электронно-лучевой и аргонодуговой сварки.
Модуль 2 посвящен особенностям процессов гибридной лазерной свар-

ки, т. е. совмещения лазерного излучения с другими источниками. Подробно 
описаны физические основы и технологические особенности таких процес-
сов, как лазерно-дуговая сварка, лазерно-плазменная сварка, сварка двумя 
лазерными лучами, лазерно-световая сварка и специальные гибридные тех-
нологии.
На лекциях рассматриваются ключевые, базовые положения каждого 
раздела дисциплины. Изучая соответствующие разделы пособия, указанные 
преподавателем, студент самостоятельно прорабатывает их более подробно, 
расширяет свои знания в результате поиска, анализа, структурирования и 
представления в компактном виде современной информации, использует 
основную и дополнительную литературу, приведенную в конце пособия, а 
также другие доступные источники. Полученные знания проверяются пре-
подавателем при рубежном контроле и на зачете, для подготовки к которым 
студент отвечает на контрольные вопросы, представленные в конце каждого 
раздела модулей.
Учебной целью пособия является реализация компетентностного подхо-
да к освоению дисциплин, входящих в вариативную часть блока 1 по направ-
лению подготовки специальности 15.05.01 «Проектирование технологических 
машин и комплексов». Освоение учебной дисциплины связано с формиро-

ванием компетенций с учетом матрицы компетенций. В частности, ставится 
цель формирования у студентов профессионально значимых компетенций 
в области инновационных технологий, таких как лазерные и гибридные. 
Дисциплина развивает у студента способность ориентироваться в методах 
сварки композиционных материалов и гибридных методах сварки. Кроме 
того, вырабатывается способность выбрать те или иные технологические 
режимы и оборудование, а также оценить качество получаемых материалов 
и изделий. В результате обучения студент получает знания в области специальных 
лазерных технологий, необходимые ему для выполнения курсовых 
и дипломных работ, проведения научно-исследовательских работ и защиты 
дипломной работы. 
Рассмотренные в пособии результаты использования новейших научных 
исследований, передовых технологий и оборудования позволяют обеспечить 
формирование востребованного современностью специалиста.
Для освоения дисциплины студенту необходимо знать такие предметы, 
как физика, материаловедение, детали машин, электротехника, а также об-
щие вопросы технологии машиностроения.
Пособие может быть использовано студентами специалитета и маги-
странтами для изучения курcа «Специальные лазерные технологии», при 
выполнении курсовых и дипломных проектов, а также преподавателями и 
инженерно-техническими работниками, специализирующимися в области 
лазерных технологий, машиностроительных технологий и промышленных 
производств.
Лазерные технологии характеризуются быстрым развитием, что требу-
ет постоянного изучения различных источников. Для получения студентом 
актуальной информации рекомендуется регулярное ознакомление с пери-
одическими научно-техническими изданиями, сведениями из Интернета, 
результатами научно-технических конференций.

Предисловие

Оглавление

Предисловие . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .
3

Введение .
 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .
6

Модуль 1. Сварка композиционных металлических материалов . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .
7

 .
1 .1 . .Определение .и .признаки .композиционного .материала .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .
7

 .
1 .2 . .Методы .производства .металлических .композиционных .материалов, . .

 . .  .
упрочненных .частицами . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 11

 .
 .
1 .2 .1 . .Метод .порошковой .металлургии . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 12

 .
 .
1 .2 .2 . .Методы, .основанные .на .подавлении .ликвации .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 12

 .
 .
1 .2 .3 . .Метод .контактного .легирования . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 15

 .
1 .3 . .Классификация .металлических .композиционных .материалов, . .

 . .  .
упрочненных .частицами, .по .межфазному .взаимодействию .компонентов .

 . .  .
при .сварке .плавлением .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 16

 .
1 .4 . .Основные .механические .и .технологические .свойства .промышленных . .

 . .  .
металлических .композиционных .материалов, .упрочненных .частицами . . . . . . . . . 20

 .
 .
1 .4 .1 . .Материалы .на .основе .систем .Al .— .Be .и .Al .— .Be .— .Mg . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 21

 .
 .
1 .4 .2 . .Материалы .на .основе .систем .Fe .— .Cu, .Fe .— .Cu .— .Pb, . .

 . .  .
 .
Fe .— .Cu .— .Pb .— .Sn, .Fe .— .Pb . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 23

 .
 .
1 .4 .3 . .Материалы .на .основе .систем .Al .— .Pb, .Al .— .Pb .— .Sn .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 24

 .
1 .5 . .Структурные .превращения .в .околошовной .зоне .при .сварке .плавлением .

 . .  .
металлических .композиционных .материалов, .упрочненных .частицами . . . . . . . . . 25

 .
1 .6 . .Особенности .структурных .изменений .в .металле .шва .при .сварке . .

 . .  .
плавлением .металлических .композиционных .материалов, .упрочненных .

 . .  .
частицами . . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 33

 .
1 .7 . .Особенности .физических .процессов .формирования .сварных .соединений .

 . .  .
металлических .композиционных .материалов, .упрочненных .частицами . . . . . . . . . 46

 .
1 .8 . .Технологические .особенности .аргонодуговой .сварки .металлических . .

 . .  .
композиционных .материалов, .упрочненных .частицами .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 53

 .
1 .9 . .Особенности .и .технология .электронно-лучевой .сварки .металлических . .

 . .  .
композиционных .материалов, .упрочненных .частицами . . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 63

 .
1 .10 . .Особенности .лазерной .сварки .металлических .композиционных . .

 . .  .
материалов, .упрочненных .частицами . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 73

 .
1 .11 . .Алгоритм .технологического .процесса .сварки .металлических . .

 . .  .
композиционных .материалов, .упрочненных .частицами .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 80

 .
Контрольные .вопросы .и .задания .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 82

Модуль 2. Технологии гибридной лазерной сварки .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 84

 .
2 .1 . .Особенности .лазерной .сварки .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 84

 .
2 .2 . .Гибридная .лазерно-дуговая .сварка .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . . 92

 .
2 .3 . .Гибридная .лазерно-плазменная .сварка  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .110 .

 .
2 .4 . .Гибридная .светолазерная .сварка .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .119

 .
2 .5 . .Гибридная .двухлучевая .лазерная .сварка . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .128

 .
2 .6 . .Специальные .методы .гибридной .лазерной .сварки . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .137

 .
 .
2 .6 .1 . .Гибридная .лазерно-индукционная .сварка .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .137

 .
 .
2 .6 .2 . .Гибридная .лазерно-ультразвуковая .сварка . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .139

 .
Контрольные .вопросы .и .задания .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .143

Литература . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .144

Введение

Лазерные технологии охватывают большой круг процессов обработки 
материалов при изготовлении различных деталей машин. В настоящее время 
многие технологии, такие как сварка, наплавка, резка, термическая обра-
ботка, уже широко применяются в различных отраслях промышленности. 
Однако постоянное увеличение областей использования лазерных технологий 
требует разработки новых технологий, обработки новых материалов, в том 
числе и композиционных. 
Модуль 1 пособия относится к сварке композиционных материалов (КМ). 

Металлические КМ — это особый род материалов, для обработки которых 
требуются нетрадиционные методы, в частности сварка. Использование лазер-
ного излучения (ЛИ) для сварки металлических композиционных материалов 
(МКМ) относится к специальным методам и имеет целый ряд преимуществ 
перед другими источниками энергии. Особенности КМ и процессов ЛИ требу-
ют глубокого научного изучения их взаимодействия в условиях формирования 
сварного шва. Перед исследователями встают такие вопросы, как взаимное 
перемешивание компонентов материала в сварном шве, влияние испарения 
материалов на лазерную плазму и эффективность проплавления, а также кри-
сталлизация шва и околошовной зоны (ОШЗ). 
При изучении модуля 1 студенту понадобятся знания в области метал-
ловедения, технологии сварки металлов, газодинамики и физики. На этих 
науках основано создание технологических вариантов сварки плавлением 
большой группы металлических композиционных материалов, упрочненных 
частицами (МКМЧ). Подобные исследования крайне мало отражены в до-
ступной студенту литературе, поэтому материалы пособия помогут понять и 
применять на практике основные принципы создания технологий, требуемых 
для сварки тех или иных композитов. 
Модуль 2 пособия посвящен сварке металлов гибридными методами. 
Создание гибридных лазерных технологий, объединение двух и более источ-
ников нагрева началось в конце 1970-х годов. Идея совместно использовать 
лазерный пучок и электрическую дугу (ЭД) для сварки и других видов обра-
ботки металлов таким образом, чтобы оба источника теплоты воздействовали 
на изделие в пределах одной зоны нагрева, принадлежит английскому уче-
ному Стину. Он предложил способы сварки, резки, сверления и обработки 
поверхности, при которых на обрабатываемое изделие направляют лазерный 
пучок и одновременно в зоне теплового воздействия ЛИ возбуждают дугу 
между электродом и изделием. Позднее стали использовать в качестве второго 
источника плазму, световой луч (СЛ), индукционный нагрев и некоторые 
другие. Все эти процессы носят название гибридных лазерных технологий. 
В случае применения того или иного источника излучения достигаются 
различные преимущества при сварке материалов. К ним относятся в первую 
очередь снижение стоимости лазерного процесса, расширение его техноло-
гических возможностей и повышение качества сварных соединений. Рассмо-
трение особенностей каждого из процессов гибридной лазерной сварки (ГЛС) 
расширяет кругозор студента в части применимости лазерных технологий в 
различных отраслях для изготовления самых сложных изделий. Все процес-
сы основаны на знании законов физики, электротехники, металловедения, 
технологии сварки металлов и ряда других технических наук. 

Модуль 1

Сварка композиционных металлических материалов

Модуль 1 посвящен сварке плавлением МКМ. На основании классификации МКМ 
выделена группа материалов, свариваемых методами плавления. Описаны обла-
сти применения материалов. Подробно рассмотрены физические основы, осо-
бенности сварки и свойства сварных соединений МКМЧ методами лазерной, 
электронно-лучевой и аргонодуговой сварки.

Ключевые слова: композиционные материалы, дуговая сварка, электронно-луче-
вая сварка, лазерная сварка, свойства и применение сварных соединений.

Планируемые результаты изучения модуля 1 сводятся к знанию групп и соста-
вов КМ, пригодных для сварки плавлением, методов и технологии их сварки, а 
также умению анализировать эффективность применения того или другого 
метода сварки для соединения определенного материала и владению навыками 
выбора оптимальных режимов. 

1.1. Определение и признаки композиционного материала

Композиционным называется искусственно созданный неоднородный 
сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой гра-
ницей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно 
разделить на пластичную матрицу и включенные в нее армирующие ком-
поненты. Матрица служит для создания необходимой формы и размеров 
изделия, скрепления армирующих компонентов, передачи внешних нагрузок 
к ним и обеспечения функционирования материала в целом. Армирующие 
компоненты определяют заданные специальные свойства материала и вос-
принимают внешнюю нагрузку.
Технология создания КМ является одной из древнейших, так как еще на 
заре цивилизации первобытный человек делал слоистые луки, перемешивал 
глину с соломой для изготовления строительного материала и т. д. В природе 
встречаются материалы, которые условно можно отнести к КМ. Это растения, 
почва, камни и др. 
Согласно определению, к КМ можно отнести огромное количество ма-
териалов и сплавов, однако будем рассматривать только те, которые отвечают 
следующим признакам: 

1)  компоненты КМ выбираются и рассчитываются преднамеренно; 
2)  КМ изготовляется искусственно и не встречается в естественном виде; 
3)  КМ содержит по крайней мере две индивидуальные и различные хи-
мические фазы, количество которых должно быть значительным (не менее 
20 % для второй фазы); 

4)  свойства КМ зависят от свойств каждого из компонентов;
5)  компоненты КМ должны располагаться с повторяющейся геометрией 

таким образом, чтобы в достаточно больших объемах материал рассматри-
вался как гомогенный; 

Модуль 1. Сварка композиционных металлических материалов

6) КМ необходимо создавать для того, чтобы новый материал обладал 
полезными свойствами, не присущими отдельным компонентам.
Композиционные материалы классифицируют по следующим признакам:
1) по материалу матрицы и контактирующих элементов (армирующие 

элементы), т. е. 
а) неметаллические (матрица и неметаллический наполнитель);
б) металлическая матрица, неметаллический наполнитель; 
в) неметаллическая матрица и металлический наполнитель; 
г) металлические (матрица и металлический наполнитель);

2) по морфологии составляющих фаз компонентов — волокнистые, сло-
истые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами; 

3) по методу изготовления — прессование, литье, пропитка, сварка, на-
пыление, механическое соединение и др.
В данном модуле будут рассматриваться только МКМ, так как их свар-

ка — наиболее реальный технологический процесс для изготовления деталей 
машиностроения. При этом основные преимущества МКМ проявляются в 
следующем: 

1) повышение или получение принципиально новых механических и 

физических свойств материала; 
2) повышение коррозионной стойкости материала; 
3) повышение жаростойкости; 
4) обеспечение радиационной защиты при низкой плотности материала;
5) повышение антифрикционных свойств при высокой прочности и 
твердости.
Рассмотрим подробнее виды МКМ по морфологии составляющих фаз 
компонентов, с тем чтобы установить, какой из видов подходит для сварки 
наиболее распространенным способом плавления.
Волокнистые МКМ представляют собой матрицу с уложенными в нее 
непрерывными или дискретными волокнами в равномерном или хаотичном 
порядке. Сечение МКМ с непрерывными волокнами показано на рис. 1.1, а, 
а МКМ с дискретными волокнами — на рис. 1.1, б.
Волокнистые МКМ с непрерывными волокнами изготовляют путем 
укладки волокон на листы из материала матрицы, после этого листы спе-
кают или спрессовывают и формируют монослои. Затем монослои спекают 
для получения материала требуемой толщины. Дополнительно после прес-

Рис. 1.1. Строение волокнистого МКМ: 
а — непрерывные волокна; б — дискретные волокна

1.1. Определение и признаки композиционного материала

сования может быть осуществлена прокатка для обеспечения требуемых раз-
меров листа и свойств материала листа. Рабочие свойства такого материала 
распространяются только в одном направлении, вдоль волокна. Эти МКМ 
применяют для повышения жесткости материала, обеспечения прочности 
в продольном направлении, снижения массы и для создания ряда других 
специальных свойств. Детали из таких МКМ чаще всего используют как 
конструктивные элементы.
Волокнистые МКМ с расположенными в хаотичном направлении дис-
кретными волокнами размером от 1,0 до 10,0 мм изготовляют спеканием 
порошков матрицы с волокнами. Полуфабрикаты из таких МКМ могут быть 
подвержены пластической деформации для получения требуемых размеров 
заготовок и свойств материала заготовки. Рабочие свойства в этих МКМ 
распространяются уже трех направлениях. Применение таких МКМ обеспе-
чивает повышение жесткости материала, прочности в трех направлениях, 
снижение массы и создание других специальных свойств. Детали из таких 
МКМ также используют как конструктивные элементы.
Сварка плавлением волокнистых МКМ затруднена или практически 
невозможна. Это связано с тем, что в процессе переплавления волокон на-
рушается морфология МКМ и в месте сварного шва он перестает быть во-
локнистым (рис. 1.2), что снижает основные свойства материала.

Слоистые МКМ представляют собой чередование слоев металлов, ко-
торые имеют индивидуальное функциональное назначение. Конструкция 
слоистого МКМ показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Конструкция слоисто-
го МКМ
Рис. 1.2. Структура сварного шва волок-
нистого МКМ: 
1 — матрица: 2 — армирующие волокна

Слоистые МКМ изготовляют различными методами, такими как прокат-
ка, спекание листов с последующей прокаткой, волочение или штамповка, 
литейное плакирование, а также формирование покрытий и поверхностных 
слоев методами аддитивных технологий. Рабочие свойства слоистых МКМ 
распространяются только в двух направлениях по плоскости. Эти материалы 
имеют широкие области применения благодаря обеспечению высокой жаро-

Модуль 1. Сварка композиционных металлических материалов

стойкости и коррозионной стойкости, повышенной жесткости и прочности 
в продольно-поперечном направлении. Их используют для конструктивных 
изделий. 
Так же как и волокнистые МКМ, слоистые материалы не могут быть 
сварены методами плавления, поскольку в месте сварного шва происходит 
полное расплавление и перемешивание материала слоев, что нарушает стро-
ение МКМ и снижает его свойства (рис. 1.4). 

Армированные частицами МКМ содержат равномерно распределенные 
в объеме матрицы частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и не 
растворяющиеся в ней. Конструкция МКМЧ показана на рис. 1.5.

Рис. 1.4. Структура сварного соедине-
ния слоистого МКМ
Рис. 1.5. Конструкция МКМЧ

Металлические КМ, упрочненные частицами, представляют собой ма-
трицу с равномерно распределенными в ней армирующими частицами раз-
мером более 1,0 мкм, объем которых составляет более 25 %. Матрица в этих 
материалах является основным элементом, несущим и передающим нагрузку, 
а дисперсные частицы тормозят в ней дислокации, т. е. являются ее упроч-
няющей фазой. 
Изготовляют МКМЧ спеканием порошков, смешением в расплаве, кон-
тактным легированием. Рабочие свойства таких материалов распространяют-
ся в трех направлениях. Эти материалы применяют для повышения жесткости 
материала, снижения массы, обеспечения прочности в продольно-попереч-

Рис. 1.6. Микроструктура сварного шва МКМЧ:
1 — основной металл; 2 — сварной шов

ном направлении и для создания других специальных свойств. Изделия из 
этих материалов используют как конструктивные элементы.
В отличие от других видов МКМ эти материалы могут быть сварены 
методами плавления, так как при их расплавлении не меняется морфология 
материала в сварном шве (рис. 1.6).
Таким образом, как показано выше, для сварки методами плавления 
пригодны только МКМЧ, поскольку при их расплавлении армирующие ча-
стицы не разрушаются, а только изменяют свою форму и размеры, что во 
многих случаях благоприятно влияет на свойства сварного соединения и не 
снижает технических характеристик изделия в целом. В связи с этим в даль-
нейшем будем рассматривать особенности сварки плавлением различными 
методами и свойства полученных соединений только для МКМЧ.

1.2. Методы производства металлических композиционных 
материалов, упрочненных частицами

При производстве МКМЧ необходимо добиться максимальной дисперс-
ности фаз и максимальной однородности их распределения в объеме металла. 
Для изготовления МКМЧ из материалов, которые выделяют фазы в 
процессе плавления с ограниченной растворимостью, применяют обычные 
металлургические методы получения сплавов. Расплавляется смесь материала 
матрицы и армирующих компонентов в тигле с дальнейшим разливом в фор-
мы. Примерами таких МКМЧ могут служить композиции Fe — Cu, Al — Be 
и др. Микроструктура МКМЧ Al — Be, полученного методом переплава, по-
казана на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Микроструктура МКМЧ Al — Be: 
1 — бериллиевые частицы; 2 — алюминиевая матрица

Для материалов, которые практически не растворяются друг в друге или 

имеют ограниченную растворимость, литейные технологии неприменимы, 
так как в большинстве случаев слиток разделяется на две части — нижнюю, 
обогащенную тяжелыми компонентами, и верхнюю, содержащую более легкие 
элементы. В связи с этим для производства подобных МКМЧ разработаны 
специальные методы. 

1.2. Методы производства МКМЧ

Доступ онлайн
1 000 ₽
В корзину