摘要：焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术、计算机技术等的发展而逐步开始的。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。
关键词：焊接；仿真；应用
引言
模拟仿真技术作为计算机的一项重要应用，现今已逐步走向成熟，这一方面得益于计算机技术的飞速发展，另一方面则由于工程实际对模拟仿真所提出的要求越来越高所致。解决材料科学中实际问题共有三种不同的方法，实验和理论是其中两种，而加工制造过程中的模拟和仿真则是另外一种重要的研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于多学科整合的加工制造模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质5~15倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%~30%，降低人工成本5%~20%，提高投入设备利用率30%~60%，缩短产品设计和试制周期30%~60%等。
1焊接模拟技术现状
焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术、计算机技术等的发展而逐步开始的。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。传统焊接质量的好坏非常依赖于焊接工人的经验，而焊接数值模拟技术就是利用数值模拟方法找到优化的焊接工艺参数，例如焊接材料、温控条件、夹具条件、焊接顺序等。
目前，焊接领域数值模拟的对象大致有以下几个方面：
（1）焊接温度场的数值模拟。其中包括焊接传热过程、熔池形成和演变、电弧物理现象等。
（2）焊接金属学和物理过程的模拟。包括熔化、凝固、组织变化、成分变化、晶粒的长大、氢扩散等。
（3）焊接应力与变形的数值模拟。包括焊接过程中应力、应变的变化和残余应力、残余应变等。
（4）焊接接头的力学行为和性能的数值模拟。包括断裂、疲劳、力学不均匀性、几何不均匀性及组织、结构、力学性能等。
常用的焊接数值模拟方法有：差分法、有限元法和蒙特卡洛法。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。
目前焊接仿真软件有两类。一类是通用结构有限元软件，例如MARC,ABAQUS,ANSYS等，主要是考虑焊接的热物理过程，进行热－结构耦合分析，得到变形和残余应力结果。对于焊接研究者来说，需要控制和定义的内容很多，因此需对通用软件有很深的应用功底和较强的专业知识才能更好地把握结果的精度和意义；另一类就是焊接专用有限元软件，例如SYSWELD。专业焊接软件的特点是针对性更强，专门设有针对焊接工艺的界面和模型，比较方便定义焊接路径和热源模型，并且结果精度会更高一些，对于焊接研究者来说，比较容易学习和使用。
2焊接工艺数值仿真的典型应用
焊接过程数值模拟中，热源拟合、温度场的模拟是最基本的工作，然后就是应力和变形的模拟。温度场的模拟起步较早，也积累了比较丰富的经验，在实际生产中得到了一定的应用。
2.1焊接温度场的模拟
温度场的模拟是对焊接应力、应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础，通过温度场的模拟我们可以判断固相和液相的分界，能够得出焊接熔池形状。焊接温度场准确模拟的关键在于提供准确的材料属性，热源模型与实际热源的拟合程度，热源移动路径的准确定义，边界条件是否设置恰当等。与通用软件相比，专业焊接软件使用起来更加方便，减少了通用软件很多操作时间。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆例如SYSWELD中设有多种焊接热源模型可供使用者选择：双椭球（Goldak）热源模型适于TIG，MIG焊接，圆锥（Conical）热源模型适于激光、电子束等焊接；并且具有热源校准功能，使热源的拟合尽可能与实际情况相吻合。
2.2焊接应力与变形的仿真
焊接应力与变形问题可以分为两类：一是焊接过程中的瞬态应力应变分析；二是焊接后的残余应力与应变计算。对后者进行分析计算的较多，主要是为了减少残余应力，控制变形，防止缺陷的产生。经过几十年的发展，应力与变形的计算日益成熟，结果的精度也在不断提高。
（1）改进了计算方法的效率和稳定性，计算速度更快，收敛性更好。有很多程序应用了并行计算功能，进一步提升了计算速度，模型也考虑得更加精细。
（2）深入研究了焊接应力与变形的影响因素。例如材料属性随温度变化，焊接接头几何形状，焊缝道数，不同的焊接方法等。
2.3焊接工艺的优化
合适的焊接工艺非常有助于减少焊接结构的变形和残余应力，因此选择合适的焊接材料、夹具条件、焊接顺序、冷却速率控制等，就可以优化焊接结构，提高焊接质量，延长结构服役寿命，降低成本。因此基于焊接数值仿真的焊接结构设计将发挥重要的作用。
3焊接数值模拟技术的未来发展趋势
焊接数值模拟软件朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。所谓集成化，是指焊接数值模拟将结合焊接工艺库、专家经验与知识库、材料数据库，功能变得越来越丰富和强大，仿真能力更强，使用也更加方便。
所谓专业化，是指焊接模拟软件不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。例如点焊工具、激光焊工具、电子束焊接工具、钎焊工具、搅拌摩擦焊工具等。
所谓工程化，是指仿真的结果更方便为工程实际所应用。通过焊接仿真，找到优化的焊接工艺参数和焊接顺序，选择合适的焊接材料，融入更多焊接实际工程经验，包括积累的材料数据库等。
结语
焊接是一门传统的制造工艺，但是具体的焊接方法却仍然在不断发展更新，相应地，焊接数值模拟方法也会随之不断发展完善。相信基于焊接数值仿真的焊接结构设计在国内将会有越来越多的应用。
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论文作者:1李松,2杨森森,3姜拓
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：数值论文; 应力论文; 热源论文; 残余论文; 技术论文; 焊接工艺论文; 仿真技术论文; 《基层建设》2019年第14期论文;