Численное моделирование лазерной сварки-пайки внахлест пластин из титана и алюминия

Аннотация

Разработанная математическая модель для численного исследования теплофизических процессов лазерной сварки применена к моделированию сварки внахлест пластин из титана и алюминия. Исследовано влияние мощности лазера и скорости сварки на распределение температуры в расчетной области и осуществлен поиск оптимальных режимов сварки. Для получения количественных характеристик процесса использован многократно опробованный численный метод коллокации и наименьших квадратов решения дифференциальных и интегральных уравнений, реализованный в программном комплексе Laser Welding3D. Задача решена в трехмерной постановке с учетом теплообмена с окружающей средой и образования парогазового канала в зоне сварки. Моделирование проведено для различного порядка расположения пластин в широком диапазоне значений мощности лазера и скорости перемещения пластин относительно лазерного луча. Показано, что выбор порядка расположения пластин влияет на характеристики полученного соединения. Определен диапазон режимов, при которых достигается оптимальный режим сварки-пайки титана и алюминия, когда температура в зоне контакта превышает температуру плавления алюминия, но меньше температуры плавления титана. Такой режим позволяет получить неразъемное соединение без хрупких интерметаллидных фаз, ухудшающих качество соединения. Выполнено сравнение с экспериментом. Результаты могут быть использованы для разработки эффективной технологии получения нахлесточного соединения пластин из титана и алюминия с использованием лазерной сварки

Работа выполнена в рамках государственного задания ИТПМ СО РАН (№ 124021400039-8)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Шмагунов О.А., Шапеев В.П. Численное моделирование лазерной сварки-пайки внахлест пластин из титана и алюминия. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2026, № 3 (126), с. 24--39. EDN: VHPNNG

Литература

[1] Zhou X., Duan J., Zhang F., et al. The study on mechanical strength of titanium--aluminum dissimilar butt joints by laser welding-brazing process. Materials, 2019, vol. 12, no. 5, art. 712. DOI: https://doi.org/10.3390/ma12050712

[2] Chen X., Lei Z.L., Chen Y.B., et al. Effect of laser beam oscillation on laser welding-brazing of Ti/Al dissimilar metals. Materials, 2019, vol. 12, no. 24, art. 4165. DOI: https://doi.org/10.3390/ma12244165

[3] Chen X., Jiang M., Chen Y., et al. Laser welding--brazing under temporal and spatial power modulation for dissimilar materials AA6061 to Ti6Al4V joints. Manuf. Lett., 2021, vol. 29, pp. 70--73. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.07.004

[4] Zhao X., Yang Z., Huang Y., et al. Laser-MIG hybrid welding--brazing characteristics of Ti/Al butt joints with different groove shapes. Metals, 2025, vol. 15, no. 6, art. 625. DOI: https://doi.org/10.3390/met15060625

[5] 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

[6] Носков Ф.М., Квеглис Л.И., Мали В.И. и др. Исследование неравновесных фаз, образующихся при сварке взрывом титана и алюминия. Вестник СибГАУ, 2017, т. 18, № 1, с. 205--210. EDN: YKKDJN

[7] Kalinenko A., Dolzhenko P., Borisova Y., et al. Tailoring of dissimilar friction stir lap welding of aluminum and titanium. Materials, 2022, vol. 15, no. 23, art. 8418. DOI: https://doi.org/10.3390/ma15238418

[8] Курынцев С.В., Шиганов И.Н. Лазерная сварка разнородных металлов. Обзор. Часть 2. Фотоника, 2021, т. 15, № 1, с. 30--45. DOI: https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.30.44

[9] Евлампьев А.В., Курынцев С.В. Методы лазерной сварки титановых сплавов с алюминиевыми сплавами, микроструктура и свойства. Современные достижения в области создания перспективных легких сплавов и покрытий для авиационной и космической техники. III Всерос. науч.-техн. конф. М., ВИАМ, 2022, с. 97--105. EDN: GOGYVJ

[10] Xue X., Pereira A., Vincze G., et al. Interfacial characteristics of dissimilar Ti6Al4V/AA6060 lap joint by pulsed Nd:YAG laser welding. Metals, 2019, vol. 9, no. 1, art. 71. DOI: https://doi.org/10.3390/met9010071

[11] Курынцев С.В., Шиганов И.Н., Морушкин А.Е. Сварка разнородных сплавов на основе титана и алюминия лазерным излучением. Сварочное производство, 2019, № 2, с. 16--21. EDN: HWRIJG

[12] Kuryntsev S.V. Microstructure, mechanical and electrical properties of laser-welded overlap joint of CP Ti and AA2024. Opt. Lasers Eng., 2019, vol. 112, pp. 77--86. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.008

[13] Курынцев С.В. Исследование распределения химических элементов в соединении титана и алюминия, полученных лазерной сваркой. Сварка и диагностика, 2019, № 2, с. 28--31. EDN: EBYCGF

[14] Zhou X., Cao X., Zhang F., et al. Effects of AlSi12 interlayer on microstructure and mechanical properties of laser welded 5A06/Ti6Al4V joints. Weld. World, 2021, vol. 65, no. 7, pp. 1389--1402. DOI: https://doi.org/10.1007/s40194-021-01129-9

[15] Leo P., D’Ostuni S., Casalino G. Low temperature heat treatments of AA5754-Ti6Al4V dissimilar laser welds: microstructure evolution and mechanical properties. Opt. Laser Technol., 2018, vol. 100, pp. 109--118. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.09.039

[16] 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/jj.ijheatmasstransfer.2016.04.019

[17] Cherepanov A.N., Shapeev V.P., Isaev V.I. Simulation of heat transfer processes in laser welding of dissimilar metals with an insert. High Temp., 2015, vol. 53, no. 6, pp. 841--846. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X15050089

[18] 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

[19] Курынцев С.В. Способ сварки-пайки разнородных металлических сплавов лазерным лучом. Патент РФ 2732303. Заявл. 27.04.2020, опубл. 15.09.2020.

[20] Shmagunov O.A. Dissolution of titanium carbide in nanomodified titanium melt during laser surfacing. In: XII All Russian Scientific Conference on Current Issues of Continuum Mechanics and Celestial Mechanics. Springer, 2024, pp. 309--314. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-97-1872-6_42