浅谈SYSWELD在焊接中的应用

浅谈SYSWELD在焊接中的应用

摘要：SYSWELD是由法国法码通公司和ESI公司共同开发的一款大型的有限元应用软件。随着应用的发展，SYSWELD系统逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。本文简单介绍了大型有限元软件SYSWELD在焊接中的应用。

关键词：焊接 SYSWELD 有限元应用

1 引言

焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接是一个复杂的物理-化学过程，描述焊接过程的变量数目繁多，凭积累工艺实验数据了解和控制焊接过程，既不切实际又成本昂贵和费时费力。随着计算机技术的发展，计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有利条件。

焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说一切焊接物理化学过程都是在热过程中发生和发展的。焊接热过程是局部的，加热极不均匀，具有瞬时性，复杂性和不稳定性等特点。焊接温度场决定了焊接应力场和应变场，它还与冶金，结晶，相变有着不可分割的联系，使之成为影响焊接质量和生产率的主要因素之一。焊接热过程的准确计算和测量是进行焊接冶金分析，焊接应力应变分析和对焊接过程进行控制的前提。

SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。随着应用的发展，SYSWELD 逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。

2 SYSWELD简介

SYSWELD完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。在具体计算中，分两步进行，首先实现温度和晶相组织的计算，然后进行机械力的计算。在机械的力计算中，已经充分考虑了第一步计算的结果，如残余应力和应变的影响。SYSWELD的电磁模型允许模拟点焊和感应加热，并可实现能量损失和热源加载的计算模拟。SYSWELD扩散与析出模型可实现渗碳、渗氮、碳氮共渗模拟，先计算化学元素的扩散和沉积，然后再考虑对热和机械性能的影响。SYSWELD的氢扩散模型能计算模拟氢的浓度，预测冷裂纹的严重危害。

焊接残余应力是焊接过程中影响构件强度和寿命的主要因素之一，通过计算机仿真分析可准确分析焊接时温度场、应力场的变化规律，焊接时构件的变形情况[10－11]。利用SYSWELD 对某零件进行激光焊接仿真分析可得出一些结果云图，由这些云图能够判断构件在焊接过程中瞬态温度场的变化情况、构件中的应力以及焊接完成后残余应力的分布情况。最重要的是利用SYSWELD 软件能够方便

准确地分析焊接过程中材料金相组织的转化情况，为激光动态焊接过程数值仿真提供理论基础。

3 SYSWELD的发展历程

法国的J.B.Leblcn对相变时的钢的塑性行为进行了理论和数值研究,在研究的基础上发展了SYSWELD软件。SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险，在这种背景下，1980年，法国法码通公司和ESI公司共同开展了SYSWELD 的开发工作.由于热处理工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理现象,所以SYSWELD很快也被应用到热处理领域中并不断增强和完善。随着应用的发展，SYSWELD逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。1997年，SYSWELD正式加入ESI集团，法码通成为SYSWELD在法国最大的用户并继续承担软件的理论开发与工业验证工作。

4 SYSWELD的应用的广泛性

在焊接中，热膨胀与收缩伴随着金相转变而发生，从而导致焊接过程和焊后焊件的结构变形。在SYSWELD 中这些因素都可以进行模拟；焊接过程的热效应引发热应力(结构膨胀与收缩)，同样可以利用SYSWELD 进行评估；通过SYSWELD，可以对焊接的内应力和金相结构进行预测，并将这些结果直接应用于产品寿命计算与分析。在许多工业上，经常将等厚或不等厚的材料焊接在一起后进行冲压，这些材料可以相同也可以不同。采用SYSWELD 把焊接模拟的内应力和冶金特性作为初始条件加载到冲压模拟软件中，如PAM－STAMP 就是专业的冲压模拟软件。

5 SYSWELD的数据导入

SYSWELD的操作环境SYSWORLD也可直接建立几何模型和生成各种网格。配合GEOMESH几何网格工具，SYSWELD可以直接读取UG、CATIA的数据和接受各种标准交换文件（STL、IGES、VDA、STEP、ACIS等）。SYSWELD能兼容大部分CAE系统的数据模型。如NASTRAN、IDEAS、PAM-SYSTEM、HYPERMESH等。

6 SYSWELD的工艺向导

独有的向导技术是SYSWELD迅速工业化的成功秘诀。简洁、易用而有条理的向导指示，一步一步地引导用户完成复杂的热物理模拟过程。模拟向导能根据不同的工艺特征，自动智能化的选择求解器进行物理分析，系统主要功能模块和模拟向导：热处理向导、焊接向导、装配模拟向导。

7 SYSWELD的模拟工具和模型设置

SYSWELD内置了一系列非常有效的工具软件，用于获取和校验热物理模拟的物理数据，如热传导系数校验工具，焊接热源校验工具，材料CCT曲线校验工具，材料冷却曲线校验工具等等。采用工具软件，能准确地获取模拟所需要的物理数据。

高效友好的用户界面，用户能将精力集中于物理问题，而非耗散在软件使用上；独特的工艺向导技术（Advisor）将复杂的物理问题简单化，条理

化，事半功倍；对于工业用户，向导模板可以解决超过95%的工业问题；对于高

级用户，高级模块（Expert User）可以满足各种独特的需求，内置的SIL语言可实现无限的用户接口和软件客户化。

8 SYSWELD的模拟仿真功能

热处理是金属产品制造必不可少的一个步骤，尤其是在汽车和航空

航天工业领域。热处理成功的关键因素在于过程安全、部件变形最小并

且能够改善耐久性。

SYSWELD是一个强大的工具,能够用于评价真实几何部件的热处理工艺,可以快速提供下列基本问题的答案:热处理工艺是否可行？所选择的钢种是否可行？淬火介质是否合适？与工艺容差相比，工艺视窗是否安全。部件何处硬度需要

更高？在工艺过程中是否有出现裂纹的危险？获得的变形是否可以接受？残余压应力是否足够高并且位置分布合理？

热处理钢的热、冶金、机械性能相当复杂, 且依赖于温度、相和碳含量。

SYSWELD有一个热处理顾问,能够帮助用户快速进行数值计算。但这并不意味着仿真是简单的, 实际上热处理背后的物理现象是非常复杂的。利用SYSWELD可以非常直观而高效地进行热处理仿真。SYSWELD的综合材料数据库包括了主要的钢种, 可用于渗碳、表面硬化处理和穿透硬化。

SYSWELD可以计算并优化下列热处理工艺：表面硬化处理的奥氏体化、穿透硬化的奥氏体化、淬火、等温淬火、麻回火处理和回火。

SYSWELD能够模拟下列热处理工艺：

（1）表面硬化、感应、激光、电子束等；

（2）穿透硬化、直接、等温淬火、麻回火处理等；

（3）热化学热处理、渗碳、渗氮、碳氮共渗等；

（4）回火。

热处理的主要作用包括：

（1）使成本、重量和变形最小化；

（2）防止裂纹、疲劳失效和硬度不足；

（3）在早期使产品安全性最大化；

（4）优化产品设计和制造过程；

（5）理解加热、冷却、转变和结构特性；

（6）理解并可视化物理效应对硬化、变形和残余应力的影响, 包括加热特性、冷却特性、转变特性和结构特性；

（7）产品和工艺相关控制, 包括部件的形状、加热过程及加热介质、冷却过程及冷却介质、回火过程和增加碳的含量；