Numerical Simulation Study on Laser Welding of Titanium Steel Heterogeneous Material T-joint

ZHANG He; SUN Pengfei; ZHANG Da; SUN Jianbo; ZHAN Lan

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.08.10

Welding Technology | Views : 0 下载量: 354 CSCD: 0

PDF
Export
Share
Collection
Album

Numerical Simulation Study on Laser Welding of Titanium Steel Heterogeneous Material T-joint
Vol. 55, Issue 8, Pages: 90-99(2025)
Received：08 April 2025，

Revised：2025-04-21，

Published：20 August 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.08.10
稿件说明：

移动端阅览

张鹤，孙鹏飞，张达，等.钛-钢异质材料T型接头激光焊接数值模拟研究［J］.电焊机，2025，55（8）：90-99. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.08.10.

ZHANG He, SUN Pengfei, ZHANG Da, et al.Numerical Simulation Study on Laser Welding of Titanium Steel Heterogeneous Material T-joint[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(8): 90-99. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.08.10.

摘要

为了揭示性能存在显著差异的异种材料其T型激光焊接接头残余应力的分布特点及演化趋势。本文基于ABAQUS有限元模拟平台，建立了钛-钢异质材料T型接头的激光焊热力耦合模型，通过焊接接头应力曲线，分析焊接功率、焊接速度对焊接温度场、残余应力及变形的影响规律，并创新性引入激光偏束策略优化应力分布。结果表明：焊接速度过快（超过10 mm/s）会导致熔池温度不足，引发未焊透、未熔合等缺陷；顺序焊接T型接头两侧焊缝时，钛合金与焊缝交界处残余应力最大，残余应力随焊接速度增加而增大（最高达198.6 MPa），而变形量则随速度增大而减小；焊接功率对残余应力和变形量的影响可忽略不计。研究提出的焊前预热与焊后消应力退火工艺，为抑制裂纹与变形提供了理论依据，也为异质材料复杂接头的激光焊接工艺优化提供了新思路。

Abstract

In order to reveal the distribution characteristics and evolution trends of residual stress in T-type laser welding joints of dissimilar materials with significant differences in performance

this paper establishes a thermo-mechanical coupling model of titanium-steel dissimilar material T-type joints based on the ABAQUS finite element simulation platform. By analyzing the stress curves of welding joints

the effects of welding power and welding speed on the welding temperature field

residual stress

and deformation are investigated

and the laser bias strategy is innovatively introduced to optimize the stress distribution. The results show that excessive welding speed (over 10 mm/s) will lead to insufficient molten pool temperature

causing defects such as incomplete penetration and incomplete fusion; when welding the two sides of the T-type joint in sequence

the residual stress at the interface between titanium alloy and the weld seam is the largest

and the residual stress increases with the increase of welding speed (up to 198.6 MPa)

while the deformation decreases with the increase of speed; the effect of welding power on residual stress and deformation can be ignored. The pre-welding preheating and post-welding stress relief annealing processes proposed in this study provide a theoretical basis for suppressing cracks and deformation

and also provide new ideas for optimizing the laser welding process of complex joints of dissimilar materials.

关键词

Keywords

references

刘世锋，宋玺，薛彤，等 . 钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展［J］. 航空材料学报， 2020 ， 40 （ 03 ）： 77 - 94 .

LIU S F ， SONG X ， XUE T ， et al . Application and Development of Titanium Alloys and Titanium Based Composite Materials in Aerospace Industry ［J］. Journal of Aeronautical Materials ， 2020 ， 40 （ 03 ）： 77 - 94 .

杨彪，王平，龚云柏，等 . 油气行业用钛合金油井管生产与研究应用进展［J］. 材料热处理学报， 2021 ， 42 （ 09 ）： 12 - 21 .

YANG B ， WANG P ， GONG Y B ， et al . Progress in Production， Research and Application of Titanium Alloy Oil Well Tubes for Oil and Gas Industry ［J］. Journal of Materials Heat Treatment ， 2021 ， 42 （ 09 ）： 12 - 21 .

卢云飞，郭倩，段国庆，等 . 钛合金在舰船领域应用的氢脆风险分析［J］. 材料保护， 2022 ， 55 （ 09 ）： 190 - 194 .

LU Y F ， GUO J ， DUAN G Q ， et al . Risk Analysis of Hydrogen Embrittlement in the Application of Titanium Alloys in the Field of Ships ［J］. Material protection ， 2022 ， 55 （ 09 ）： 190 - 194 .

张永弟，王琮瑜，王琮玮，等 . 增材制造医用多孔钛合金研究与应用现状［J］. 河北科技大学学报， 2021 ， 42 （ 06 ）： 601 - 612 .

ZHANG Y D ， WANG Z Y ， WANG Z W ， et al . Research and Application Status of Additive Manufacturing Medical Porous Titanium Alloy ［J］. Journal of Hebei University of Science and Technology ， 2021 ， 42 （ 06 ）： 601 - 612 .

闫晶，张荣霞，吴为，等 . 航空液压钛合金导管组件制造关键技术应用［J］. 航空制造技术， 2022 ， 65 （ 10 ）： 44 - 51 .

YAN J ， ZHANG R X ， WU W ， et al . Application of Key Technologies in the Manufacturing of Aviation Hydraulic Titanium Alloy Conduit Components ［J］. Aviation Manufacturing Technology ， 2022 ， 65 （ 10 ）： 44 - 51 .

李毅，赵永庆，曾卫东 . 航空钛合金的应用及发展趋势［J］. 材料导报， 2020 ， 34 （ S1 ）： 280 - 282 .

LI Y ， ZHAO Y Q ， ZENG W D . Application and Development Trends of Aerospace Titanium Alloys ［J］. Material Introduction ， 2020 ， 34 （ S1 ）： 280 - 282 .

郝海凌，侯红玲，吴浪，等 . 钛合金及其激光加工技术的应用［J］. 激光杂志， 2022 ， 43 （ 06 ）： 1 - 8 .

HAO H L ， HOU H L ， WU L ， et al . Application of Titanium Alloy and Its Laser Processing Technology ［J］. Laser Journal ， 2022 ， 43 （ 06 ）： 1 - 8 .

顾俊，刘钊鹏，徐友钧，等 . 钛合金及其激光加工技术在航空制造中的应用［J］. 应用激光， 2020 ， 40 （ 03 ）： 547 - 555 .

GU J ， LIU Z P ， XU Y J ， et al . Application of Titanium Alloy and Its Laser Processing Technology in Aviation Manufacturing ［J］. Applied Laser ， 2020 ， 40 （ 03 ）： 547 - 555 .

杨长春，徐艳利，佟爽，等 . TC4钛合金光纤激光焊接工艺研究［J］. 应用激光， 2016 ， 36 （ 05 ）： 543 - 546 .

YANG C C ， XU Y L ， TONG S ， et al . Research on TC4 Titanium Alloy Fiber Laser Welding Process ［J］. Applied Laser ， 2016 ， 36 （ 05 ）： 543 - 546 .

Hu Y F ， Wu L B ， Zhou P S ， et al . Fiber Laser Welding of Ti-6Al-4V To Inconel 718 Bimetallic Structure Via Cu/Ta Multi-Interlayer ［J］. Vacuum ， 2021 ， 192 ： 110461 .

Bai Y C ， Zhang J Y ， Zhao C L ， et al . Dual Interfacial Characterization and Property In Multi-Material Selective Laser Melting of 316L Stainless Steel and C52400 Copper Alloy ［J］. Materials Characterization ， 2020 ， 167 ： 110489 .

吕攀，王克鸿，朱和国 . 钛合金与不锈钢异种金属焊接的研究现状［J］. 热加工工艺， 2017 ， 46 （ 13 ）： 26 - 32 .

LV P ， WANG K H ， ZHU H G . Research Status of Dissimilar Metal Welding Between Titanium Alloy and Stainless Steel ［J］. Hot working process ， 2017 ， 46 （ 13 ）： 26 - 32 .

Guerrida S ， Khelfaoui F ， Lemkeddem S ， et al . Calculation of Spatial and Temporal Distributions of Temperature and Velocity of a Weld Pool During Laser Welding ［J］. Welding International ， 2022 ， 36 （ 6 ）： 344 - 354 .

徐洲，李晓延，王小鹏，等 . 组合热源模型在焊接模拟中的应用现状与展望［J］. 材料导报， 2022 ， 36 （ 06 ）： 152 - 157 .

XU Z ， LI X Y ， WANG X P ， et al . Application Status and Prospects of Combined Heat Source Model in Welding Simulation ［J］. Material Introduction ， 2022 ， 36 （ 06 ）： 152 - 157 .

Gery D ， Long H ， Maropoulos P . Effects of Welding Speed， Energy Input and Heat Source Distribution on Temperature Variations in Butt Joint Welding ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2005 ， 167 （ 2 ）： 393 - 401 .

Saliha G ， Fethi K ， Soumaya L ， et al . Calculation of Spatial and Temporal Distributions of Temperature and Velocity of a Weld Pool During Laser Welding ［J］. Welding International ， 2022 ， 36 （ 6 ）： 344 - 345 .

Trupiano S ， Belardi V G ， Fanelli P ， et al . A Semi-Analytical Method for the Calculation of Double-Ellipsoidal Heat Source Parameters in Welding Simulation ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2022 ， 1214 （ 1 ）： 012023 .

Lorin S ， Madrid J ， Sderberg R ， et al . A New Heat Source Model for Keyhole Mode Laser Welding ［J］. Journal Computing and Information Science in Engineering ， 2022 ， 22 （ 1 ）： 011004 .

Zhang K R ， Zhang J X . Temperature Gradient and Heat Conduction of Titanium Alloy during Laser Welding ［J］. Advanced Materials Research ， 2010 ， 154-155 ： 42 - 45 .

Lange F ， Artinov A ， Bachmann M ， et al . Numerical Simulation of the Weld Pool Dynamics During Pulsed Laser Welding Using Adapted Heat Source Models ［J］. Procedia CIRP ， 2018 ， 74 ： 679 - 682 .

Alert me when the article has been cited

提交

Effect of welding sequences on welding residual stress fields of T-joint

Research on Efficient Simulation and Correction Method for Welding Deformation of High-Speed Train Sidewalls

Defect Repair Process for Butt Welds of Small Diameter TA16 Ti Alloy Pipes

Simulation Research of Laser Welding Refined Modeling for Vehicle Seat

Impact of Heat Input on the Structure and Properties of TTS443 Ferrite Stainless Steel Laser Welding Joints