焊接虚拟仿真技术应用分析*

程雨潇，朱玉斌，刘崇尧，孙晓凯

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的制造工艺。因此，在进行零件连接时，焊接技术具有独一无二的关键作用和重要地位，焊接制造工艺是衡量机械加工和金属制造业发展水平的一项关键技术。近年来，随着“中国制造2025”中相关扶持政策的实施，中国制造业对人才的需求越来越大，而焊接技术人才一直处于供不应求的状态。对于焊接技术性专业人才的培养往往需要大量的时间和资金的投入，但是由于现有传统的焊接模拟作业环境恶劣，劳动强度大，导致焊接人才越来越少，焊接技术的成本也越来越高。为了节约成本，改善制造环境，解决现实生活中的各种焊接问题，焊接有限元虚拟仿真技术应运而生。

1 焊接虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是对具体的现实对象抽取出其特有的数学模型，然后用数值分析等一系列的方法，利用计算机求解，从而进行焊接的模拟[1]。比如，在焊接工艺中，手工电弧焊是最基础的一种焊接工艺。在实际实训教学中，利用了虚拟现实VR 技术、微机测控技术、声音仿真技术、计算机影像实时制作技术[2]，在不必使用真实焊机的安全工作环境下，通过自动仿真操作系统来操控一把焊枪，并通过跟踪系统确定焊枪的位置，对操作过程中焊枪的所有位置、角度和加工速度进行实时采集，从而制作出来焊缝，使得操作者能够具有真实的模拟操作体验，并且可以记录模拟操作过程中产生的参数。不仅如此，焊接模拟可以对焊接过程复杂或者不方便观察的现象进行定量分析。针对极端情况，焊接模拟还可以利用计算机进行推测和预判，从而实现对复杂焊接现象的模拟，提高焊接接头的质量。

2 焊接虚拟仿真技术应用前景

2.1 焊接虚拟仿真技术应用于新能源行业

除了将焊接的虚拟仿真技术应用在传统的机械加工行业中，在越来越多的新兴领域中，焊接虚拟仿真技术也发挥着重要的作用，比如将焊接虚拟仿真技术应用于新能源汽车制造中。目前传统燃油车带来了二氧化碳等温室气体的严重污染，电动汽车已成为未来技术发展的一种主流趋势。而动力电池模组是其设计的关键，动力电池模组一般位于电动汽车的车身底板下方，但是此位置工作环境恶劣，因此目前对动力电池模组的设计也在向轻量化的方向发展，一般使用铝合金材料。但是，铝合金的膨胀系数大，所以对焊接动力电池组的要求特别高，而利用焊接模拟技术可以对动力电池组的焊接加工进行模拟，通过优化工艺参数来保证加工质量。以6005A 铝型材的850 型为例，利用虚拟仿真的方法来对动力电池箱MIG 焊进行模拟[3]。研究人员先对实体进行实际测量和观察，在有限元软件中建立边角焊缝、长边焊缝和短边焊缝三种几何模型，再根据实际焊接过程的热源变化情况设计符合实际的焊接热源模型，并对其进行校核，继而利用有限元模拟软件对几何模型进行网格划分，再根据铝合金性能参数来对材料参数进行定义。此后，便可对几何模型的焊接进行模拟，得到模拟的焊缝温度场和应力应变场。在此仿真基础上，通过调整焊缝焊接顺序优化焊接质量，保证动力电池箱在恶劣工况下的正常工作。

2.2 焊接虚拟仿真技术应用于不同焊接工艺

焊接有限元虚拟仿真所覆盖的焊接工艺种类几乎覆盖了所有的焊接工艺。比如在实际工业生产中，激光焊接工艺也利用虚拟仿真技术[4]。研究人员利用激光焊接装置对6061 铝合金焊材进行实际焊接实验。在CATIA 软件中，对焊材建立几何模型，并对模型进行合理的网格划分，然后根据铝合金的实际属性，对模型的材料属性进行定义。再对几何模型的边界条件进行设定，选择和实际焊接实验一样的装夹方式进行焊接虚拟仿真，最后选择符合激光焊接实际情况的高斯旋转体热源进行模拟。通过软件模拟不同工艺参数下的焊接过程，得到不同激光功率和不同焊接速度时的焊件焊接处的温度场和应力应变场，并将模拟结果与现实中真实焊接所测得的温度场和应力应变场进行对比，发现两者的数据基本吻合，以此来说明焊接模拟的可靠性。

除了将虚拟仿真技术应用于激光焊接外，现在很多研究都将重点放在搅拌摩擦焊的虚拟仿真上。比如，研究人员建立铝-镁异种合金搅拌摩擦焊的数值模型[5]。采用耦合欧拉-拉格朗日方法对铝-镁合金焊接过程中的温度、残余应力、材料流动和焊接缺陷进行预测。模拟的结果表明，在焊接过程中，Al 侧的温度及其梯度都略高于Mg 侧，发现最高温度出现在轴肩热影响区，达到了626 ℃，并且随着搅拌摩擦焊的转速增加，纵向和横向残余应力会相应地减小，并且纵向的减小程度明显大于横向的减小程度。另外，通过搅拌摩擦焊的模拟结果也发现，材料流动速度会对焊接缺陷有着明显影响，虚拟仿真的模型能够准确预测孔洞缺陷的产生。

2.3 焊接虚拟仿真技术能优化工艺参数

通过焊接虚拟仿真相关工作，可以优化焊接工艺参数，使得焊接后工件的性能更加优异。李敏等[6]依据工作实际，建立150 mm×300 mm×30 mm 的Q355 平板网格模型作为焊接虚拟仿真对象，利用ANSYS 的热结构耦合分析法，对焊接过程进行数值模拟研究。通过分析模拟结果，成功预测U 型坡口焊条电弧焊的温度场、焊接残余应力的分布，并且得出了一系列定性的结论。比如，焊接后最大残余应力都小于母材、焊材的屈服极限，而这一结论为U 型坡口焊条电弧焊接结构设计提供理论支持。不仅如此，还针对不同的焊接速度参数进行了全面的模拟，得到了适当提高焊接速度，可以在一定程度上减少工件变形和残余应力这一结论。

2.4 焊接虚拟仿真技术模拟微观组织变化过程

焊接虚拟仿真技术已经不限于模拟常规焊接过程中温度场及应力场的变化，还能够模拟微观组织的变化过程[7-10]。研究人员根据实际焊接试验中TC4 钛合金板的尺寸大小、形状、泊松比等参数，通过有限元软件ABAQUS 对焊件建立几何模型，并对其材料属性进行定义，再设定焊接板材模型的边界条件，最后选择合适的热源模型进行模拟。利用有限元软件模拟的温度场以及应力场变化，制作形核模型和生长模型，对焊接熔池凝固时钛合金的状态变化进行模拟，模拟晶粒的生长和晶粒的转变。

3 焊接虚拟仿真技术的优点

焊接模拟可以帮助企业减少在产品或者流程的设计、优化或控制环节中，原型测试的原型数量和测试次数。对于企业和研究机构来说，焊接模拟可降低成本，在激烈的市场竞争中赢得优势，为研发投入带来更大的回报。正因如此，近年来越来越多的企业将更多的研发资源投入到焊接模拟中。一旦研究人员能够利用虚拟仿真技术比较准确地预测实际生产中的焊接过程，就可以大幅改进产品的焊接质量。若应用于教学中，可提升学生学习兴趣和教学效果。例如，焊接虚拟仿真技术比较安全环保，不会产生辐射、粉尘、毒物等物理、化学危害因素，设备内部无任何强烈的电磁污染、无任何化学污染、无任何强光高温损坏，使用焊接虚拟仿真技术可以确保学生的安全，基本上不存在任何安全隐患。通过焊接虚拟仿真技术，学生将自己所学知识和实践中的操作串联了起来，与业务和工作环境之间进行了交互，实现了双向的良性互动，这样更有利于激发学生对于操作的好奇心，让学习过程变得更加生动有趣。一般焊接操作训练需要大量的焊机、焊条（焊丝）、焊接材料、气体等物资作为训练材料，前期投入成本极大，并存在耗材污染环境的风险，焊接模拟设备就不需要这些材料，仅需在前一位学员完成模拟试验后将模拟设备调成原样即可，相当于焊机和耗材的无限次使用，既节省了耗材成本，也一定程度上保护了环境。

4 焊接虚拟仿真技术的缺点

目前焊接虚拟仿真技术还存在一个局限，即焊接材料性能参数不足，特别是高温时的性能数据还很不足，给虚拟仿真的结果带来一定的差异。因此，积累和建立各种基本性能和参数的数据库也是促进焊接虚拟仿真技术发展的一个重要课题。同时，实际操作和虚拟仿真操作还存在些许差异。因为焊接虚拟仿真无论仿真得多么真实，和真实焊接设备还是存在差异，焊接模拟设备可能无法模拟真实操作中出现的问题。因此，在进行焊接实训时，应该做到焊接训练“虚实结合”，虚拟仿真及实训训练两种方法相互影响，相辅相成，应选择焊接模拟设备和真实焊接设备交互使用，以达到训练效果。焊接训练“虚实结合”流程图如图1所示。

图1 焊接训练“虚实结合”流程图

5 结语

本研究对焊接虚拟仿真技术可以应用的焊接种类、行业以及该技术发展前景进行了分析，并通过多个实例来证明焊接虚拟仿真的实用性。最后通过比较，对焊接虚拟仿真技术的优势和不足进行分析，得到如下结论：1）焊接虚拟仿真覆盖范围越来越广，不再是简单的温度场、应力场的模拟，可以深入到微观世界，模拟焊接接头的微观组织的变化过程；2）焊接虚拟仿真在各个制造行业中扮演重要角色，如动力电池箱的制造，就是焊接虚拟仿真技术在实际生产中的成功案例；3）焊接虚拟仿真在人才培养方面有较大的优势；4）焊接虚拟仿真与实际焊接生产还有差距，要正视缺少高温下材料的性能参数等客观因素。随着人们对焊接虚拟仿真技术认识的深入和计算机技术的高速发展，焊接虚拟仿真技术必将发展得越来越好，并具有更加广阔的应用前景。