Численное моделирование лазерной сварки-пайки сплавов на основе титана и алюминия

Аннотация

Проведено численное исследование режимов лазерной сварки-пайки тонких прямоугольных пластин из сплавов титана и алюминия без применения припоя. В процессе пайки пластины находились в плотном контакте узкими гранями, а лазерный луч, направленный перпендикулярно поверхности титановой пластины, перемещался с постоянной скоростью параллельно плоскости поверхностей контакта пластин на некотором от нее расстоянии. В зависимости от этого расстояния значения мощности лазера и скорости перемещения луча подбирают так, чтобы титановая пластина проплавлялась по всей толщине, а паровой канал, образующийся в сварочной ванне, не достигал нижней поверхности титановой пластины. Более низкоплавкий металл (сплав алюминия) за счет теплопроводности титана нагревается выше температуры плавления алюминия, взаимодействует с его твердой поверхностью, образуя при дальнейшем охлаждении неразъемное паянное соединение с титаном. На основе предложенной теплофизической модели проведены расчеты параметров процесса для двух вариантов, обеспечивающих пайку пластин. В первом --- при заданной мощности и скорости перемещения лазерного луча найдено расстояние от оси луча до поверхности контакта. Во втором --- при фиксированном расстоянии рассчитана мощность и скорость лазерного луча, необходимые для пайки разнородных пластин

Работа выполнена в рамках государственного задания (номер госрегистрации 121030500137-5 и АААА-А19-119051590004-5)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Исаев В.И., Шапеев В.П., Черепанов А.Н. Численное моделирование лазерной сварки-пайки сплавов на основе титана и алюминия. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 5 (116), с. 15--32. EDN: OAHCDR

Литература

[1] Martukanitz R.P. A critical review of laser beam welding. Proc. SPIE, 2005, vol. 5706, pp. 11--24. DOI: https://doi.org/10.1117/12.601655

[2] Auwal S.T., Ramesh S., Yusof F., et al. A review on laser beam welding of titanium alloys. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2018, vol. 97, no. 1-4, pp. 1071--1098. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-018-2030-x

[3] Fang Y., Jiang X., Mo D., et al. A review on dissimilar metals’ welding methods and mechanisms with interlayer. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2019, vol. 102, no. 9-12, pp. 2845--2863. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-019-03353-6

[4] Vaidya W.V., Horstmann M., Ventzke V., et al. Improving interfacial properties of a laser beam welded dissimilar joint of aluminium AA6056 and titanium Ti6Al4V for aeronautical applications. J. Mater. Sci., 2010, vol. 45, no. 22, pp. 6242--6254. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-010-4719-6

[5] Chen S., Li L., Chen Y., et al. Improving interfacial reaction nonhomogeneity during laser welding-brazing aluminum to titanium. Mater. Des., 2011, vol. 32, iss. 8-9, pp. 4408--4416. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.03.074

[6] Li H., Cao H., Zhu Q., et al. Influence of welding process on microstructure and properties of laser welding of SiCp/6061 Al matrix composite. Front. Mater., 2021, vol. 8. DOI: https://doi.org/10.3389/fmats.2021.779324

[7] Cherepanov A.N., Mali V.I., Maliutina Iu.N., et al. Laser welding of stainless steel to titanium using explosively welded composite inserts. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2017, vol. 90, no. 9-12, pp. 3037--3043. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-016-9657-2

[8] Baqer Y.M., Ramesh S., Yusof F. Challenges and advances in laser welding of dissimilar light alloys: Al/Mg, Al/Ti, and Mg/Ti alloys. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2018, vol. 95, no. 5, pp. 4353--4369. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-017-1565-6

[9] Martinsen K., Hu S.J., Carlson B.E. Joining of dissimilar materials. CIRP Annals, 2015, vol. 64, iss. 2, pp. 679--699. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.05.006

[10] Malikov A., Vitoshkin I., Orishich A., et al. Microstructure and mechanical properties of laser welded joints of Al--Cu--Li and Ti--Al--V alloys. J. Manuf. Proc., 2020, vol. 53, pp. 201--212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.02.010

[11] Lee S.J., Nakamura H., Kawahito Y., et al. Microstructural characteristics and mechanical properties of single-mode fiber laser lap-welded joint in Ti and Al dissimilar metals. Trans. JWRI, 2013, vol. 42, pp. 17--21.

[12] Casalino G., D’Ostuni S., Guglielmi P., et al. Off-set and focus effects on grade 5 titanium to 6061 aluminum alloy fiber laser weld. Materials, 2018, vol. 11, iss. 11, art. 2337. DOI: https://doi.org/10.3390/ma11112337

[13] Маликов А.Г., Оришич А.М., Витошкин И.Е. и др. Лазерная сварка разнородных материалов на основе титанового сплава ВТ20 и алюминиевого сплава В-1461. Прикладная механика и техническая физика, 2020, т. 61, № 2, с. 175--186. DOI: https://doi.org/10.15372/PMTF20200218

[14] Petkovic D. Prediction of laser welding quality by computational intelligence approaches. Optik, 2017, vol. 140, pp. 597--600. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.04.088

[15] Olabi A.G., Casalino G., Benyounis K.Y., et al. An ANN and Taguchi algorithms integrated approach to the optimization of CO₂ laser welding. Adv. Eng. Softw., 2006, vol. 37, iss. 10, pp. 643--648. DOI: https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2006.02.002

[16] Olabi A.G., Alsinani F.O., Alabdulkarim A.A., et al. Optimizing the CO₂ laser welding process for dissimilar materials. Opt. Lasers Eng., 2013, vol. 51, iss. 7, pp. 832--839. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2013.01.024

[17] Черепанов А.Н., Шапеев В.П., Исаев В.И. Моделирование процессов теплопереноса при лазерной сварке разнородных металлов с использованием промежуточной вставки. ТВТ, 2015, т. 53, № 6, с. 885--890. EDN: UVERDT. DOI: https://doi.org/10.7868/S0040364415050087

[18] Isaev V.I., Cherepanov A.N., Shapeev V.P. Numerical study of Heat Modes of laser welding of dissimilar metals with an intermediate insert. Int. J. Heat Mass Transfer, 2016, vol. 99, pp. 711--720. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.019

[19] Isaev V.I., Shapeev V.P. High accuracy versions of the collocations and least squares method for the numerical solution of the Navier --- Stokes equations. Comput. Math. and Math. Phys., 2010, vol. 50, no. 10, pp. 1670--1681. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965542510100040

[20] Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М., Машиностроение, 1989.