数值模拟在焊接领域的现状和发展前景

数值模拟在焊接领域的现状和发展前景

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法，很难准确的解决生产实际问题。因此，在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，其模式为“理论—试验—生产”，但大量的焊接试验增加了生产的成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，引发了虚拟制造技术的热潮，这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现，为焊接生产朝“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。

焊接数值模拟，是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来代替原尺寸形状的实物研究。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作为数值模拟的必要补充。

数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机求解。经过几十年的发展，开发了许多不同的科学方法，其中有：（1）差分法法；（2）有限元法；（3）数值积分法；（4）蒙特卡洛法。

目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容有：（1）焊接热传导分析；（2）焊接熔池流体动力学；（3）电弧物理；（4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测；（5）焊接应力与变形；（6）焊接过程中的氢扩散；（7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等；（8）焊接接头的力学行为。

焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量。

我国焊接界数值模拟研究起步于80年代初，近年来很多的科研单位和个人投入到了这项研究中，并取得了积极的进展。国内也开发了不少焊接应用软件，包括焊接专家系统。所谓专家系统就是把某一领域的人类专家知识，存储在计算机的知识库中，通过系统进行推理，使计算机能够以和人类专家相近的水平解决该领域的问题。如清华大学开发的通用型弧焊工艺专家系统、哈工大和哈锅开发的焊接工程数据库及专家系统、太原重机厂研制的焊接工艺规程设计CAPP系统等。此外，一些高等院校和企业还开发了焊接裂纹预测系统、焊接变形预测系统、焊条配方优化设计系统、有缺陷焊接结构计算机辅助可靠性评定系统等。

计算机具有非常强大的数学计算和逻辑推理能力，可以模拟各种复杂现象的再现。通过数值模拟，可以部分代替大量的试验工作，具有很大的优越性和高的效益。焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。近20年来，国内外都对焊接预测理论和数值模拟技术进行了许多研究，取得了不少成果。

焊接过程模拟包括焊接熔池模拟和焊接电弧传热传质过程模拟等。关于焊接熔池中的流体流动和传热过程，国内外已做了不少研究工作。认为影响熔池流动的主要因素有：电磁力、表面张力和自然对流等。德国 Aachen大学ISF焊接研

究所对薄板气体保护弧焊焊接熔池进行了计算机模拟，分析了电磁、热力学和流体动力学对气体保护弧焊过程的影响。该模拟程序可计算焊缝形状和各点的热循环，并可根据焊缝的形状来确定焊接参数。

关于焊接变形和应力数值分析的研究，内容十分丰富，目前已发展为一门新的专门学科计算焊接力学，国内在80年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作。90年代上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，发展了有关的三维焊接分析程序并有不少成功的应用实例。近年来清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟。此外在焊接接头力学行为分析方面，数值模拟也是一个重要的工具。多年来，我们从事焊接力学数值模拟领域的研究，进行了较广泛的国际合作，取得以下主要成果:

a.研制了适合于各种焊接热输入条件下的焊接传热有限元分析方法和相应的计算机程序，解决了震荡等问题，提高了计算精度。

b.研究了提高三维焊接热弹塑性有限元计算精度和稳定性的有效方法并研制了相应的计算机程序，且在若干三维复杂焊接结构的分析以及失稳变形分析中得到成功的应用。

c.成功地进行了考虑相变的动态和残余应力的分析研究。

d.引入考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元方法，对局部焊后热处理的评定准则进行了全面的研究，提出了新的评定方法，受到国际上广泛重视。

e.提出和发展了基于弹性计算的预测焊接变形的残余塑变有限元方法，包括采用三维、板壳单元和考虑大变形，为大型复杂焊接结构的分析提供了强有力的工具。该项技术为实际工程应用带来了突破性的进展。

f.成功建立了若干特种焊接和连接方法的数学模型，如陶瓷金属扩散连接的残余应力和过渡层的优化选择，镀锌钢板的电阻点焊，胀管连接模型，水火弯板，搅拌摩擦焊接的传热和力学模型等，均取得很好的效果。

近10年来，焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展，研究工作已普遍由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的旨在预测宏观尺度的模拟进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段；由单一的温度场、电场、流场、应力应变场、组织模拟进入到耦合集成阶段；由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题，包括解决特种焊接模拟及工艺优化问题，解决焊接缺陷消除等问题；由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分。

经过多年研究，中国已经形成了一批较成熟的准商品化的软件，但与发达国家相比，有较大差距。应尽量以国外成熟商业软件为基础，将改进提高与普及应用相结合，加快数值模拟软件开发。要在工厂及科研单位普及这项技术，使之成为优化工艺设计、科技攻关、技术创新的重要手段；要重视与物理模拟和测试技术的配合使用，提高数值模拟的精度和速度；要加强焊接数值模拟基础理论及缺陷形成原理的研究；要多渠道集资，支持数值模拟研究工作；另外，中国目前的研究工作，有一些已接近或达到国际先进水平，应瞄准目标，集中优势力量，争取做出更大的成绩。

在发展焊接数值模拟技术和建立数学模型的过程中，应十分重视实验验证工作和充分考虑有关现象的所有知识，使数学模型能反映真实现象的本质和规律。只有这样才能使焊接数值模拟技术得到真正的发展和成功的应用。目前存在的一个重要问题是材料性能，特别是高温时的性能数据还很不足，给焊接过程数