焊接是一種歷史悠久的制造工 藝，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的材料連接 方式之一。我國(guó)是鋼鐵產(chǎn)銷大國(guó)，同 樣也是焊接應(yīng)用大國(guó)。當(dāng)前的焊接 應(yīng)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(shù)應(yīng)用于傳 統(tǒng)的焊接工藝，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù) 值模擬技術(shù)改造傳統(tǒng)的焊接工藝，對(duì) 加速我國(guó)焊接信息化與工業(yè)化的進(jìn) 程有著非常重要的意義。

01 焊接模擬技術(shù)現(xiàn)狀 

焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展是隨著焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，有限元數(shù)值 模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展而逐 步開始的。焊接工藝的仿真，主要是 針對(duì)焊接溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形等 幾個(gè)方面，旨在改善焊接部件的制造 質(zhì)量，提高產(chǎn)品服役性能，優(yōu)化焊接 順序等工藝過程。傳統(tǒng)焊接質(zhì)量的 好壞非常依賴于焊接工人的經(jīng)驗(yàn)，而 焊接數(shù)值模擬技術(shù)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(lǐng)域數(shù)值模擬的對(duì)象 大致有以下幾個(gè)方面：

（1） 焊接溫度場(chǎng)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） 焊接金屬學(xué)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(zhǎng)大、氫擴(kuò)散等。

（3） 焊接應(yīng)力與變形的 數(shù)值模擬。包括焊接過程中應(yīng)力、應(yīng)變的變化和殘余應(yīng)力、殘余 應(yīng)變等。

（4） 焊接接頭的力學(xué)行為和性 能的數(shù)值模擬。包括斷裂、疲勞、力 學(xué)不均勻性、幾何不均勻性及組織、 結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等。

（5） 焊縫質(zhì)量評(píng)估的數(shù)值模擬。 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評(píng)估及 預(yù)測(cè)。

（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(jīng) 過多年的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為焊接數(shù)值仿真的主流方法， 因?yàn)楹附幼顬殛P(guān)心的是變形和殘余 應(yīng)力的控制，而有限元方法在這方面 有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前焊接仿真軟件有兩類。一 類是通用結(jié)構(gòu)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(jìn)行 熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，得到變形和殘余 應(yīng)力結(jié)果。對(duì)于焊接研究者來說，需 要控制和定義的內(nèi)容很多，因此需對(duì) 通用軟件有很深的應(yīng)用功底和較強(qiáng) 的專業(yè)知識(shí)才能更好地把握結(jié)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(yè) 焊接軟件的特點(diǎn)是針對(duì)性更強(qiáng)，專門 設(shè)有針對(duì)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(jié)果精度會(huì)更高一些，對(duì)于焊接研 究者來說，比較容易學(xué)習(xí)和使用。

總之，這些軟件大都可以進(jìn)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(qiáng)的 模型處理和網(wǎng)格劃分能力，并且具有 比較直觀而強(qiáng)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(shí)加上二次開發(fā)，即可得到需要的 結(jié)果，這就明顯地加速了焊接模擬技 術(shù)發(fā)展的進(jìn)程。

02 焊接工藝數(shù)值仿真 涉及的學(xué)科

對(duì)工業(yè)部門來說，焊接工程可以 分為 4 個(gè)主要的應(yīng)用學(xué)科：變形工程、焊接質(zhì)量工程、應(yīng)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(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）焊接質(zhì)量工程。

主要是提高焊接質(zhì)量， 優(yōu)化服役特性。主要通過下 面兩個(gè)方面來進(jìn)行控制：

1. 控制冷卻速率、微觀組織和硬 度對(duì)整體材料和結(jié)構(gòu)特性的影響；

2. 控制氫的擴(kuò)散。 例如，對(duì)再結(jié)晶鋼，需要控制最 大和最小冷卻速率。過高的冷卻速 率會(huì)導(dǎo)致過多的馬氏體，過低的冷卻 速率又將導(dǎo)致晶粒粗糙，過高的硬度 可能導(dǎo)致裂紋和服役失效。

（3）應(yīng)力工程。

主要是兩個(gè)方面的工作：

·1. 控制圍繞連接處局部的殘余應(yīng) 力；

·2. 控制所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)整體應(yīng) 力。

進(jìn)行應(yīng)力控制能夠?qū)崿F(xiàn)以下功 能：減重；增強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能； 改善焊接質(zhì)量；減少昂貴的服務(wù)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(yīng)力。

（4）溫度控制工程。

控制易損敏感設(shè)備的溫度場(chǎng)，避 免由于焊接熱效應(yīng)而導(dǎo)致設(shè)備的失 效。

03 焊接工藝數(shù)值仿真的 典型應(yīng)用

焊接過程數(shù)值模擬中，熱源擬 合、溫度場(chǎng)的模擬是最基本的工作， 然后就是應(yīng)力和變形的模擬。溫度 場(chǎng)的模擬起步較早，也積累了比較豐 富的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定 的應(yīng)用。

1 焊接溫度場(chǎng)的模擬

溫度場(chǎng)的模擬是對(duì)焊接應(yīng)力、應(yīng) 變場(chǎng)及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬 的基礎(chǔ)，通過溫度場(chǎng)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(chǎng)準(zhǔn) 確模擬的關(guān)鍵在于提供準(zhǔn)確 的材料屬性，熱源模型與實(shí)際 熱源的擬合程度，熱源移動(dòng)路 徑的準(zhǔn)確定義，邊界條件是否 設(shè)置恰當(dāng)?shù)取Ｅc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(shí)間。例如 SYSWELD 中設(shè)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(zhǔn)功能， 使熱源的擬合盡可能與實(shí)際情況相 吻合。

2 焊接應(yīng)力與變形的仿真 

焊接應(yīng)力與變形問題可以分為 兩類：一是焊接過程中的瞬態(tài)應(yīng)力 應(yīng)變分析；二是焊接后的殘余應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算。對(duì)后者進(jìn)行分析計(jì)算 的較多，主要是為了減少殘余應(yīng)力， 控制變形，防止缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過幾 十年的發(fā)展，應(yīng)力與變形的計(jì)算日益 成熟，結(jié)果的精度也在不斷提高。

（1）改進(jìn)了計(jì)算方法的效率和 穩(wěn)定性，計(jì)算速度更快，收斂性更好。 有很多程序應(yīng)用了并行計(jì)算功能，進(jìn) 一步提升了計(jì)算速度，模型也考慮得 更加精細(xì)。

（2）深入研究了焊接應(yīng)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(duì)于焊接局部模型，存在非常強(qiáng) 烈的非線性特征，材料經(jīng)過高溫、相 變、冷卻后會(huì)有殘余應(yīng)力，因此需要 對(duì)局部進(jìn)行詳細(xì)模擬。而對(duì)于整體 結(jié)構(gòu)而言，可能又體現(xiàn)為彈性變形， 所以線彈性分析就夠了。對(duì)于多道 焊接問題，采用先局部，再整體，將局 部模型的內(nèi)力映射到總體模型上的 方法具有很大優(yōu)勢(shì)，能夠快速得到整 體模型的應(yīng)力和變形結(jié)果。如果對(duì) 應(yīng)整體模型完全按照局部模型的細(xì) 節(jié)進(jìn)行仿真，可能計(jì)算量會(huì)大得無法 承受，事實(shí)上也沒有必要。

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(jié)構(gòu)的變形和殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)，提高焊接質(zhì)量，延長(zhǎng)結(jié) 構(gòu)服役壽命，降低成本。因此基于焊 接數(shù)值仿真的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將發(fā)揮重要的作用

04 焊接數(shù)值模擬技術(shù)的 未來發(fā)展趨勢(shì)

焊接數(shù)值模擬軟件朝著集成化、 專業(yè)化、工程化等方向發(fā)展。

所謂集成化，是指焊接數(shù)值模擬 將結(jié)合焊接工藝庫、專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí) 庫、材料數(shù)據(jù)庫，功能變得越來越豐 富和強(qiáng)大，仿真能力更強(qiáng)，使用也更 加方便。

所謂專業(yè)化，是指焊接模擬軟件 不斷細(xì)化，將各種類型的焊接仿真技 術(shù)模塊化，形成適于各種類型焊接工 藝的模板庫。例如點(diǎn)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(jié)果更 方便為工程實(shí)際所應(yīng)用。通過焊接 仿真，找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)和焊 接順序，選擇合適的焊接材料，融入 更多焊接實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，包括積累的 材料數(shù)據(jù)庫等。

焊接是一門傳統(tǒng)的制造工藝，但 是具體的焊接方法卻仍然在不斷發(fā) 展更新，相應(yīng)地，焊接數(shù)值模擬方法 也會(huì)隨之不斷發(fā)展完善。相信基于 焊接數(shù)值仿真的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國(guó) 內(nèi)將會(huì)有越來越多的應(yīng)用。