焊接虛擬仿真技術應用分析*

程雨瀟，朱玉斌，劉崇堯，孫曉凱

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

焊接是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程。焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝。因此，在進行零件連接時，焊接技術具有獨一無二的關鍵作用和重要地位，焊接制造工藝是衡量機械加工和金屬制造業發展水平的一項關鍵技術。近年來，隨著“中國制造2025”中相關扶持政策的實施，中國制造業對人才的需求越來越大，而焊接技術人才一直處于供不應求的狀態。對于焊接技術性專業人才的培養往往需要大量的時間和資金的投入，但是由于現有傳統的焊接模擬作業環境惡劣，勞動強度大，導致焊接人才越來越少，焊接技術的成本也越來越高。為了節約成本，改善制造環境，解決現實生活中的各種焊接問題，焊接有限元虛擬仿真技術應運而生。

1 焊接虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是對具體的現實對象抽取出其特有的數學模型，然后用數值分析等一系列的方法，利用計算機求解，從而進行焊接的模擬[1]。比如，在焊接工藝中，手工電弧焊是最基礎的一種焊接工藝。在實際實訓教學中，利用了虛擬現實VR 技術、微機測控技術、聲音仿真技術、計算機影像實時制作技術[2]，在不必使用真實焊機的安全工作環境下，通過自動仿真操作系統來操控一把焊槍，并通過跟蹤系統確定焊槍的位置，對操作過程中焊槍的所有位置、角度和加工速度進行實時采集，從而制作出來焊縫，使得操作者能夠具有真實的模擬操作體驗，并且可以記錄模擬操作過程中產生的參數。不僅如此，焊接模擬可以對焊接過程復雜或者不方便觀察的現象進行定量分析。針對極端情況，焊接模擬還可以利用計算機進行推測和預判，從而實現對復雜焊接現象的模擬，提高焊接接頭的質量。

2 焊接虛擬仿真技術應用前景

2.1 焊接虛擬仿真技術應用于新能源行業

除了將焊接的虛擬仿真技術應用在傳統的機械加工行業中，在越來越多的新興領域中，焊接虛擬仿真技術也發揮著重要的作用，比如將焊接虛擬仿真技術應用于新能源汽車制造中。目前傳統燃油車帶來了二氧化碳等溫室氣體的嚴重污染，電動汽車已成為未來技術發展的一種主流趨勢。而動力電池模組是其設計的關鍵，動力電池模組一般位于電動汽車的車身底板下方，但是此位置工作環境惡劣，因此目前對動力電池模組的設計也在向輕量化的方向發展，一般使用鋁合金材料。但是，鋁合金的膨脹系數大，所以對焊接動力電池組的要求特別高，而利用焊接模擬技術可以對動力電池組的焊接加工進行模擬，通過優化工藝參數來保證加工質量。以6005A 鋁型材的850 型為例，利用虛擬仿真的方法來對動力電池箱MIG 焊進行模擬[3]。研究人員先對實體進行實際測量和觀察，在有限元軟件中建立邊角焊縫、長邊焊縫和短邊焊縫三種幾何模型，再根據實際焊接過程的熱源變化情況設計符合實際的焊接熱源模型，并對其進行校核，繼而利用有限元模擬軟件對幾何模型進行網格劃分，再根據鋁合金性能參數來對材料參數進行定義。此后，便可對幾何模型的焊接進行模擬，得到模擬的焊縫溫度場和應力應變場。在此仿真基礎上，通過調整焊縫焊接順序優化焊接質量，保證動力電池箱在惡劣工況下的正常工作。

2.2 焊接虛擬仿真技術應用于不同焊接工藝

焊接有限元虛擬仿真所覆蓋的焊接工藝種類幾乎覆蓋了所有的焊接工藝。比如在實際工業生產中，激光焊接工藝也利用虛擬仿真技術[4]。研究人員利用激光焊接裝置對6061 鋁合金焊材進行實際焊接實驗。在CATIA 軟件中，對焊材建立幾何模型，并對模型進行合理的網格劃分，然后根據鋁合金的實際屬性，對模型的材料屬性進行定義。再對幾何模型的邊界條件進行設定，選擇和實際焊接實驗一樣的裝夾方式進行焊接虛擬仿真，最后選擇符合激光焊接實際情況的高斯旋轉體熱源進行模擬。通過軟件模擬不同工藝參數下的焊接過程，得到不同激光功率和不同焊接速度時的焊件焊接處的溫度場和應力應變場，并將模擬結果與現實中真實焊接所測得的溫度場和應力應變場進行對比，發現兩者的數據基本吻合，以此來說明焊接模擬的可靠性。

除了將虛擬仿真技術應用于激光焊接外，現在很多研究都將重點放在攪拌摩擦焊的虛擬仿真上。比如，研究人員建立鋁-鎂異種合金攪拌摩擦焊的數值模型[5]。采用耦合歐拉-拉格朗日方法對鋁-鎂合金焊接過程中的溫度、殘余應力、材料流動和焊接缺陷進行預測。模擬的結果表明，在焊接過程中，Al 側的溫度及其梯度都略高于Mg 側，發現最高溫度出現在軸肩熱影響區，達到了626 ℃，并且隨著攪拌摩擦焊的轉速增加，縱向和橫向殘余應力會相應地減小，并且縱向的減小程度明顯大于橫向的減小程度。另外，通過攪拌摩擦焊的模擬結果也發現，材料流動速度會對焊接缺陷有著明顯影響，虛擬仿真的模型能夠準確預測孔洞缺陷的產生。

2.3 焊接虛擬仿真技術能優化工藝參數

通過焊接虛擬仿真相關工作，可以優化焊接工藝參數，使得焊接后工件的性能更加優異。李敏等[6]依據工作實際，建立150 mm×300 mm×30 mm 的Q355 平板網格模型作為焊接虛擬仿真對象，利用ANSYS 的熱結構耦合分析法，對焊接過程進行數值模擬研究。通過分析模擬結果，成功預測U 型坡口焊條電弧焊的溫度場、焊接殘余應力的分布，并且得出了一系列定性的結論。比如，焊接后最大殘余應力都小于母材、焊材的屈服極限，而這一結論為U 型坡口焊條電弧焊接結構設計提供理論支持。不僅如此，還針對不同的焊接速度參數進行了全面的模擬，得到了適當提高焊接速度，可以在一定程度上減少工件變形和殘余應力這一結論。

2.4 焊接虛擬仿真技術模擬微觀組織變化過程

焊接虛擬仿真技術已經不限于模擬常規焊接過程中溫度場及應力場的變化，還能夠模擬微觀組織的變化過程[7-10]。研究人員根據實際焊接試驗中TC4 鈦合金板的尺寸大小、形狀、泊松比等參數，通過有限元軟件ABAQUS 對焊件建立幾何模型，并對其材料屬性進行定義，再設定焊接板材模型的邊界條件，最后選擇合適的熱源模型進行模擬。利用有限元軟件模擬的溫度場以及應力場變化，制作形核模型和生長模型，對焊接熔池凝固時鈦合金的狀態變化進行模擬，模擬晶粒的生長和晶粒的轉變。

3 焊接虛擬仿真技術的優點

焊接模擬可以幫助企業減少在產品或者流程的設計、優化或控制環節中，原型測試的原型數量和測試次數。對于企業和研究機構來說，焊接模擬可降低成本，在激烈的市場競爭中贏得優勢，為研發投入帶來更大的回報。正因如此，近年來越來越多的企業將更多的研發資源投入到焊接模擬中。一旦研究人員能夠利用虛擬仿真技術比較準確地預測實際生產中的焊接過程，就可以大幅改進產品的焊接質量。若應用于教學中，可提升學生學習興趣和教學效果。例如，焊接虛擬仿真技術比較安全環保，不會產生輻射、粉塵、毒物等物理、化學危害因素，設備內部無任何強烈的電磁污染、無任何化學污染、無任何強光高溫損壞，使用焊接虛擬仿真技術可以確保學生的安全，基本上不存在任何安全隱患。通過焊接虛擬仿真技術，學生將自己所學知識和實踐中的操作串聯了起來，與業務和工作環境之間進行了交互，實現了雙向的良性互動，這樣更有利于激發學生對于操作的好奇心，讓學習過程變得更加生動有趣。一般焊接操作訓練需要大量的焊機、焊條（焊絲）、焊接材料、氣體等物資作為訓練材料，前期投入成本極大，并存在耗材污染環境的風險，焊接模擬設備就不需要這些材料，僅需在前一位學員完成模擬試驗后將模擬設備調成原樣即可，相當于焊機和耗材的無限次使用，既節省了耗材成本，也一定程度上保護了環境。

4 焊接虛擬仿真技術的缺點

目前焊接虛擬仿真技術還存在一個局限，即焊接材料性能參數不足，特別是高溫時的性能數據還很不足，給虛擬仿真的結果帶來一定的差異。因此，積累和建立各種基本性能和參數的數據庫也是促進焊接虛擬仿真技術發展的一個重要課題。同時，實際操作和虛擬仿真操作還存在些許差異。因為焊接虛擬仿真無論仿真得多么真實，和真實焊接設備還是存在差異，焊接模擬設備可能無法模擬真實操作中出現的問題。因此，在進行焊接實訓時，應該做到焊接訓練“虛實結合”，虛擬仿真及實訓訓練兩種方法相互影響，相輔相成，應選擇焊接模擬設備和真實焊接設備交互使用，以達到訓練效果。焊接訓練“虛實結合”流程圖如圖1所示。

圖1 焊接訓練“虛實結合”流程圖

5 結語

本研究對焊接虛擬仿真技術可以應用的焊接種類、行業以及該技術發展前景進行了分析，并通過多個實例來證明焊接虛擬仿真的實用性。最后通過比較，對焊接虛擬仿真技術的優勢和不足進行分析，得到如下結論：1）焊接虛擬仿真覆蓋范圍越來越廣，不再是簡單的溫度場、應力場的模擬，可以深入到微觀世界，模擬焊接接頭的微觀組織的變化過程；2）焊接虛擬仿真在各個制造行業中扮演重要角色，如動力電池箱的制造，就是焊接虛擬仿真技術在實際生產中的成功案例；3）焊接虛擬仿真在人才培養方面有較大的優勢；4）焊接虛擬仿真與實際焊接生產還有差距，要正視缺少高溫下材料的性能參數等客觀因素。隨著人們對焊接虛擬仿真技術認識的深入和計算機技術的高速發展，焊接虛擬仿真技術必將發展得越來越好，并具有更加廣闊的應用前景。