焊接仿真技術應用與未來發(fā)展

1、焊接仿真技術應用與未來發(fā)展焊接是一種歷史悠久的制造工藝，同時也是應用最廣泛的材料連接方式之一。我國是鋼鐵產銷大國，同樣也是焊接應用大國。當前的焊接應用中還存在很多落后的工藝方式，將現(xiàn)代焊接數(shù)值仿真技術應用于傳統(tǒng)的焊接工藝，利用先進的計算機數(shù)值模擬技術改造傳統(tǒng)的焊接工藝，對加速我國焊接信息化與工業(yè)化的進程有著非常重要的意義。01焊接模擬技術現(xiàn)狀焊接數(shù)值模擬技術的發(fā)展是隨著焊接實踐經驗的積累，有限元數(shù)值模擬技術、計算機技術等的發(fā)展而逐步開始的。焊接工藝的仿真，主要是針對焊接溫度場、殘余應力、變形等 幾個方面，旨在改善焊接部件的制造質量，提高產品服役性能，優(yōu)化焊接 順序等工藝過程。傳統(tǒng)焊接質量的好壞

2、非常依賴于焊接工人的經驗，而焊接數(shù)值模擬技術就是利用數(shù)值模擬方法找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，例如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊接順序等。目前，焊接領域數(shù)值模擬的對象大致有以下幾個方面：（1 1） 焊接溫度場的數(shù)值模擬。其中包括焊接傳熱過程、熔池形成和演變、電弧物理現(xiàn)象等。（2 2） 焊接金屬學和物理過程的模擬。包括熔化、凝固、組織變化、成分變化、晶粒的長大、氫擴散等。（3 3）焊接應力與變形的數(shù)值模擬。包括焊接過程中應力、應變的變化和殘余應力、殘余 應變等。（4 4） 焊接接頭的力學行為和性能的數(shù)值模擬。包括斷裂、疲勞、力學不均勻性、幾何不均勻性及組織、結構、力學性能等。（5 5） 焊縫質量評估

3、的數(shù)值模擬。 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及預測。（6 6） 具體焊接工藝的數(shù)值模擬。 例如電子束焊接、激光焊接、離子弧焊接、電阻焊等。常用的焊接數(shù)值模擬方法有：差分法、有限元法和蒙特卡洛法。經過多年的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術已經成為焊接數(shù)值仿真的主流方法，因為焊接最為關心的是變形和殘余應力的控制，而有限元方法在這方面有著明顯的優(yōu)勢。目前焊接仿真軟件有兩類。一類是通用結構有限元軟件，例如MARC,MARC, ABAQUS,ABAQUS,ANSYSANSYS 等， 主要是考慮焊接的熱物理過程，進行熱-結構耦合分析，得到變形和殘余應力結果。對于焊接研究者來說，需要控制和定義的內容很多，因此需對通

4、用軟件有很深的應用功底和較強的專業(yè)知識才能更好地把握結果的精度和意義；另一類就是焊接專用有限元軟件，例如 SYSWELDSYSWELD。專業(yè)焊接軟件的特點是針對性更強，專門 設有針對焊接工藝的界面和模型，比較方便定義焊接路徑和熱源模型，并且結果精度會更高一些，對于焊接研究者來說，比較容易學習和使用。總之，這些軟件大都可以進行二維和三維的電、磁、熱、力等各方面線性和非線性的有限元分析，有較強的模型處理和網格劃分能力，并且具有比較直觀而強大的后處理功能。因而，焊接工作者可以充分利用上述軟件而無需自己從頭編制模擬軟件，必要時加上二次開發(fā)，即可得到需要的結果，這就明顯地加速了焊接模擬技術發(fā)展的進程。0

5、2焊接工藝數(shù)值仿真涉及的學科對工業(yè)部門來說，焊接工程可以分為 4 4 個主要的應用學科：變形工程、焊接質量工程、應力工程 和溫度控制工程。(1 1 )變形工程。主要是控制并使變形最小。通過優(yōu)化裝配工藝，降低制造成本，降低縫隙閉合力,減小夾具力的偏差。(2 2 )焊接質量工程。主要是提高焊接質量，優(yōu)化服役特性。主要通過下面兩個方面來進行控制：1.1.控制冷卻速率、微觀組織和硬度對整體材料和結構特性的影響；2.2.控制氫的擴散。例如，對再結晶鋼，需要控制最大和最小冷卻速率。過高的冷卻速 率會導致過多的馬氏體，過低的冷卻速率又將導致晶粒粗糙，過高的硬度可能導致裂紋和服役失效。(3)(3) 應力工程。

6、主要是兩個方面的工作：1.1.控制圍繞連接處局部的殘余應力;2.2.控制所設計的焊接結構整體應力。進行應力控制能夠實現(xiàn)以下功能:減重；增強焊接結構疲勞性能；改善焊接質量；減少昂貴的服務問題。例如，為了避免裂紋和失效，能源和核工業(yè)中須控制多道焊接的殘余應力。(4(4 )溫度控制工程。控制易損敏感設備的溫度場，避免由于焊接熱效應而導致設備的失效。03焊接工藝數(shù)值仿真的典型應用焊接過程數(shù)值模擬中，熱源擬合、溫度場的模擬是最基本的工作，然后就是應力和變形的模擬。溫度場的模擬起步較早，也積累了比較豐富的經驗，在實際生產中得到了一定的應用。1 1 焊接溫度場的模擬溫度場的模擬是對焊接應力、應變場及焊接過程

7、其他現(xiàn)象進行模擬的基礎，通過溫度場的模擬我們可以判斷固相和液相的分界，能夠得出焊接熔池形狀。焊接溫度場準 確模擬的關鍵在于提供準確的材料屬性，熱源模型與實際熱源的擬合程度，熱源移動路 徑的準確定義，邊界條件是否設置恰當?shù)?。與通用軟件相比，專業(yè)焊接軟件使用起來更加方便，減少了通用軟件很多操作時間。例如SYSWELDSYSWELD 中設有多種焊接熱源模型可供使用者選擇：雙橢球(GoldakGoldak )熱 源模型適于 TIGTIG , MIGMIG焊接，圓錐 (ConicalConical )熱源模型適于激光、電子束等焊接；并且具有熱源校準功能， 使熱源的擬合盡可能與實際情況相吻合。2 2 焊接

8、應力與變形的仿真焊接應力與變形問題可以分為兩類：一是焊接過程中的瞬態(tài)應力應變分析；二是焊接后的殘余應力與應變計算。對后者進行分析計算的較多，主要是為了減少殘余應力， 控制變形，防止缺陷的產生。經過幾十年的發(fā)展，應力與變形的計算日益成熟，結果的精度也在不斷提高。（1 1 ）改進了計算方法的效率和穩(wěn)定性，計算速度更快，收斂性更好。有很多程序應用了并行計算功能，進一步提升了計算速度，模型也考慮得更加精細。（2 2）深入研究了焊接應力與變形的影響因素。例如材料屬性隨溫度變化，焊接接頭幾何形狀，焊縫道數(shù)，不同的焊接方法等。對于焊接局部模型，存在非常強烈的非線性特征，材料經過高溫、相變、冷卻后會有殘余應力

9、，因此需要對局部進行詳細模擬。而對于整體結構而言，可能又體現(xiàn)為彈性變形，所以線彈性分析就夠了。對于多道焊接問題，采用先局部，再整體，將局 部模型的內力映射到總體模型上的方法具有很大優(yōu)勢，能夠快速得到整體模型的應力和變形結果。如果對應整體模型完全按照局部模型的細節(jié)進行仿真，可能計算量會大得無法 承受，事實上也沒有必要。3 3 焊接工藝的優(yōu)化合適的焊接工藝非常有助于減少焊接結構的變形和殘余應力，因此選擇合適的焊接材料、夾具條件、焊接順序、冷卻速率控制等，就可以優(yōu)化焊接結構，提高焊接質量，延長結 構服役壽命，降低成本。因此基于焊接數(shù)值仿真的焊接結構設計將發(fā)揮重要的作用04焊接數(shù)值模擬技術的未來發(fā)展趨勢焊接數(shù)值模擬軟件朝著集成化、所謂集成化，是指焊接數(shù)值模擬專業(yè)化、工程化等方向發(fā)展。將結合焊接工藝庫、專家經驗與知識庫、材料數(shù)據(jù)庫，功能變得越來越豐富和強大，仿真能力更強，使用也更所謂專業(yè)化，是指焊接模擬軟件不斷細化，將各種類型的焊接仿真技術模塊化，形成適于各種類型焊接工藝的模板庫。例如點焊工具、激光焊工具、電子束焊接工具、釬焊工具、攪 拌摩擦焊工具等。所謂工程化，是指仿真的結果更方便為工程實際所