焊接仿真技術(shù)應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展

1、焊接仿真技術(shù)應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展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(kāi)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(guò)程。傳統(tǒng)焊接質(zhì)量的好壞

2、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(guò)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(guò)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(guò)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

3、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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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；

4、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(lái)說(shuō)，比較容易學(xué)習(xí)和使用?？傊?，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(wú)需自己從頭編制模擬軟件，必要時(shí)加上二次開(kāi)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(lái)說(shuō)，焊接工程可以分為4個(gè)主要的應(yīng)用學(xué)科：變形工

5、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(guò)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(guò)下面兩個(gè)方面來(lái)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(guò)高的冷卻速 率會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的馬氏體，過(guò)低的冷卻速率又將導(dǎo)致晶粒粗糙，過(guò)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

6、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(wèn)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?？刂埔讚p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(guò)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(guò)程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，通過(guò)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

7、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(lái)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2焊接應(yīng)力與變形的仿真焊接應(yīng)力與變形問(wèn)題可以分為兩類：一是焊接過(guò)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(guò)幾十年的發(fā)展，應(yīng)力與變形的計(jì)算日益成熟

8、，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(guò)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(wèn)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

9、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(wú)法 承受，事實(shí)上也沒(méi)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)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(jié)合焊接工藝庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)庫(kù)、材料數(shù)據(jù)加方便。庫(kù)，功能變得越來(lái)越豐富和強(qiáng)大，仿真能力更強(qiáng)，使用也更所謂專業(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(kù)。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