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， 將現代焊接數值仿真技術應用于傳 統的焊接工藝，利用先進的計算機數 值模擬技術改造傳統的焊接工藝，對 加速我國焊接信息化與工業化的進 程有著非常重要的意義。

 

焊接模擬技術現狀

焊接數值模擬技術的發展是隨著焊接實踐經驗的積累，有限元數值 模擬技術、計算機技術等的發展而逐 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，優化焊接 順序等工藝過程。傳統焊接質量的 好壞非常依賴于焊接工人的經驗，而 焊接數值模擬技術就是利用數值模 擬方法找到優化的焊接工藝參數，例 如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊 接順序等。 

目前，焊接領域數值模擬的對象 大致有以下幾個方面：
1） 焊接溫度場的數值模擬。其 中包括焊接傳熱過程、熔池 形成和演變、電弧物理現象 等。 
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） 焊接應力與變形的 數值模擬。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） 焊接接頭的力學行為和性 能的數值模擬。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） 焊縫質量評估的數值模擬。 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及 預測。 
6） 具體焊接工藝的數值模擬。 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 過多年的發展，有限元數值模擬技術已經成為焊接數值仿真的主流方法， 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, ABAQUS, ANSYS 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 通用軟件有很深的應用功底和較強 的專業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 SYSWELD。專業 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，即可得到需要的 結果，這就明顯地加速了焊接模擬技 術發展的進程。

 

焊接工藝數值仿真涉及的學科 

對工業部門來說，焊接工程可以 分為 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）變形工程。 
主要是控制并使變形最 小。通過優化裝配工藝，降 低制造成本，降低縫隙閉合 力，減小夾具力的偏差。 
2）焊接質量工程。
主要是提高焊接質量， 優化服役特性。主要通過下 面兩個方面來進行控制： 

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； 
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）應力工程。 
主要是兩個方面的工作： 

控制圍繞連接處局部的殘余應 力； 
控制所設計的焊接結構整體應 力。
進行應力控制能夠實現以下功 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 源和核工業中須控制多道焊接的殘 余應力。 
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。

焊接工藝數值仿真的典型應用 

焊接過程數值模擬中，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 、焊接溫度場的模擬 
溫度場的模擬是對焊接應力、應 變場及焊接過程其他現象進行模擬 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 設置恰當等。與通用軟件相 比，專業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 SYSWELD 中設有多種焊接熱源模型可 供使用者選擇：雙橢球（Goldak）熱 源模型適于 TIG，MIG 焊接，圓錐 （Conical）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 、焊接應力與變形的仿真

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）改進了計算方法的效率和 穩定性，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）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，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，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、 焊接工藝的優化
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 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 接數值仿真的焊接結構設計將發揮重要的作用。

焊接數值模擬技術的未來發展趨勢

焊接數值模擬軟件朝著集成化、 專業化、工程化等方向發展。
所謂集成化，是指焊接數值模擬 將結合焊接工藝庫、專家經驗與知識 庫、材料數據庫，功能變得越來越豐 富和強大，仿真能力更強，使用也更 加方便。 

所謂專業化，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 方便為工程實際所應用。通過焊接 仿真，找到優化的焊接工藝參數和焊 接順序，選擇合適的焊接材料，融入 更多焊接實際工程經驗，包括積累的 材料數據庫等。 

焊接是一門傳統的制造工藝，但 是具體的焊接方法卻仍然在不斷發 展更新，相應地，焊接數值模擬方法 也會隨之不斷發展完善。相信基于 焊接數值仿真的焊接結構設計在國 內將會有越來越多的應用。

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