山东电力工程咨询院有限公司 山东济南 250013
摘要：焊接工艺是一种传统工艺，焊接技术的应用促进制造业的长足发展。然而焊接工艺在实际应用中仍存在应力集中、焊件变形等方面问题。利用现代计算机仿真技术可以有效解决焊接工艺中存在的问题。本文对焊接过程中存在的问题进行阐述，分析和探索焊接仿真技术的实际应用，对焊接仿真技术的发展趋势提出几点看法，以期促进焊接仿真技术的应用和现代制造业的发展。
关键词：焊接工艺；仿真技术；制造业
焊接是用于材料连接的途径之一，涵盖手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等多种方式，是现代制造业中不可或缺的制造工艺。然而在焊接过程中由于焊接材质、焊接结构和焊接性能的不同，致使实际制造过程存在焊接后应力集中造成的脱焊、焊件严重变形、焊接温度过高造成焊件报废等问题，阻碍了现代制造工业的发展，不利于现代制造业的蓬勃发展。为了解决焊接过程中的问题，应结合现代计算机技术，运用焊接仿真技术，将焊接过程中存在的问题进行分析，并对相关问题找出相应的解决策略，以促进制造业的发展和工业化的进程。
一、传统焊接工艺存在的缺陷及问题
焊接问题产生的原因来自于多个方面，主要原因是因为焊接工艺不够完善，不能将焊接过程中存在的问题进行预估，从而不能针对存在的问题采取有效的措施。由于焊接材质不同，焊接温度、焊接方式也不同，这就使得焊接工艺过程比较繁琐和复杂，必须要考虑多种因素，才能最终提高焊接性能[1]。传统的焊接方式包括手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等多种方式，其焊接过程中存在问题主要体现在以下几个方面。
（一）尺寸偏差。焊接后尺寸偏差对焊接产生影响，一方面，焊接尺寸过小，强度降低；一方面，焊接尺寸过大，应力集中，疲劳强度降。
（二）裂纹。焊接后金属的焊缝处存在连续的裂纹，裂纹尖端存在一定程度的应力集中，在承受交变或冲击载荷时，裂纹迅速扩展，导致焊接的焊缝断裂。
（三）气孔。焊接后金属内部产生气孔，减小焊缝有效截面，降低接头致密性，减小接头承载能力和疲劳强度。
（四）应力集中。焊接后金属连接部位存在残余应力，在金属承受外力时，应力的产生导致金属承载能力降低。
二、仿真技术在电力建设领域中的应用
电力领域有着高技术密集性、高投入性以及高复杂性等特点，为了确保电力站的安全、经济、高效运行，仿真技术已经被广泛应用于电力调试和运行领域。利用虚拟现实与虚拟仿真技术，可以有效解决电力建设过程中的很多问题。比如利用虚拟仿真技术可以呈现出变电站及各个部分的操作环境，并且具有高度的沉浸性。在该环境中，操作人员能够在感觉、操作以及行动处理上会表现出与实际电力站一直的反应，进而实现分析环境、培训考核受训人员的目的。但目前国内电力建设行业中，焊接仿真技术伤未得到推广。
三、焊接仿真技术的应用
随着科技的发展，计算机技术也逐渐应用到各个领域中，利用计算机技术对焊接进行仿真分析，是完善和改进传统焊接工艺的有效途径。焊接仿真技术解决焊接温度场、残余应力、变形等方面的问题，避免不良现象出现，旨在提升焊接的效率和质量，优化焊接顺序等工艺过程。
（一）焊接温度场的模拟
对焊件的温度场分布进行模拟是焊接变形模拟、残余应力、交变载荷应变场及其他焊接问题的前提和保障，通过对焊件温度场分布的模拟和仿真可以界定金属的固相和液相，亦能预估焊件的熔池状态[2]。对焊件的温度场分布进行精准仿真和模拟的前提是要输入焊件的材料属性，可以通过调用仿真软件中材料库的材料实现，如可以调用钢的材料属性，从而对钢焊件的温度场分布进行仿真和模拟。如对两块厚钢板的焊接进行温度场分布的模拟，钢板的具体属性及焊接条件见表1。对两块钢板的焊接进行模拟，其焊接示意图见图2，利用ADINA仿真软件进行模拟后的温度场分布情况见图3。
图3 仿真后的温度场分布
（二）焊接应力与变形的仿真
焊接工艺中的应力与变形问题体现在两个方面，第一，焊接过程中的瞬态应力应变分析；第二，焊接后的残余应力与应变计算。实际操作中通常对第二种进行分析和计算，其目的是为了减少残余应力，防止变形，提高焊件强度和刚度。经过相关研究者的努力，相关仿真软件对焊件的应力和变形的计算趋于成熟，其仿真的精准性有很大的进步。一方面提升了模拟计算的效率和策略，计算速度更快，对焊接的有限元分析也比较精确；一方面，相关研究者深入探索和分析焊件在焊接过程中的影响应力与变形的原因，如焊件的材料属性随温度而变化，焊接接头几何形状，焊缝道数，不同的焊接方法等。综合考虑了以上影响焊件焊接性能的外部因素，运用仿真软件对焊件进行模拟分析。如对两块厚钢板的焊接进行变形与应力的模拟，模拟后的残余应力分布见图4，模拟后的焊件变形趋势见图5。图4表明，焊件焊接后应力主要集中在焊缝周围，图5表明，焊件焊接后在焊缝周围容易产生局部变形。
四、焊接仿真技术的未来发展趋势
焊接仿真技术的应用不仅改进和完善了传统焊接工艺的缺陷和不足，而且促进制造工业的发展。随着社会的发展和科技的进步，焊接仿真技术的应用领域会越来越广泛，如焊接仿真可以运用到汽车制造领域、航空领域、机械领域和电力建设领域等，同时焊接仿真技术还可以与机器人焊接、激光焊接等技术相结合，共同促进制造业的展和工业化的进程。焊接仿真技术未来会朝着集成化、专业化和工程化的方向发展[3]。相信基于焊接仿真技术的焊接结构设计在众多领域会有越来越多的应用。
结语
焊接是用于焊件连接的传统工艺技术，传统模式下的焊接工艺存在尺寸偏差、裂纹、气孔、残余应力集中、焊件变形等问题，严重影响焊接的质量和效率，亦对现代制造工艺的发展产生阻碍作用。利用计算机仿真技术对焊件的温度场分布、残余应力分布和焊件变形等进行模拟分析，可以有效避免焊接中存在问题，亦可以提升焊接的效率和质量，从而促进现代制造业的发展和工业化进程。
参考文献
[1]任小康.汽车焊装中机器人焊接仿真技术的应用进展[J].山东工业技术,2015,(9):8.
[2]张伟,任晋宇.基于有限元软件T型结构焊接技术应用研究[J].造船技术,2015,(5):88-90,100.
[3]陈伟强.计算机技术在焊接课程中的应用[J].读写算（教研版）, 2014,(13):324-324.
论文作者:齐继玄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年2月上
论文发表时间:2017/6/9
标签：仿真技术论文; 应力论文; 残余论文; 过程中论文; 焊接工艺论文; 制造业论文; 领域论文; 《建筑学研究前沿》2017年2月上论文;