焊接虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用分析*

程雨瀟，朱玉斌，劉崇堯，孫曉凱

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

焊接是一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)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(jìn)行零件連接時(shí)，焊接技術(shù)具有獨(dú)一無(wú)二的關(guān)鍵作用和重要地位，焊接制造工藝是衡量機(jī)械加工和金屬制造業(yè)發(fā)展水平的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”中相關(guān)扶持政策的實(shí)施，中國(guó)制造業(yè)對(duì)人才的需求越來(lái)越大，而焊接技術(shù)人才一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。對(duì)于焊接技術(shù)性專業(yè)人才的培養(yǎng)往往需要大量的時(shí)間和資金的投入，但是由于現(xiàn)有傳統(tǒng)的焊接模擬作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致焊接人才越來(lái)越少，焊接技術(shù)的成本也越來(lái)越高。為了節(jié)約成本，改善制造環(huán)境，解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種焊接問題，焊接有限元虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 焊接虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是對(duì)具體的現(xiàn)實(shí)對(duì)象抽取出其特有的數(shù)學(xué)模型，然后用數(shù)值分析等一系列的方法，利用計(jì)算機(jī)求解，從而進(jìn)行焊接的模擬[1]。比如，在焊接工藝中，手工電弧焊是最基礎(chǔ)的一種焊接工藝。在實(shí)際實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，利用了虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)、微機(jī)測(cè)控技術(shù)、聲音仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)影像實(shí)時(shí)制作技術(shù)[2]，在不必使用真實(shí)焊機(jī)的安全工作環(huán)境下，通過自動(dòng)仿真操作系統(tǒng)來(lái)操控一把焊槍，并通過跟蹤系統(tǒng)確定焊槍的位置，對(duì)操作過程中焊槍的所有位置、角度和加工速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而制作出來(lái)焊縫，使得操作者能夠具有真實(shí)的模擬操作體驗(yàn)，并且可以記錄模擬操作過程中產(chǎn)生的參數(shù)。不僅如此，焊接模擬可以對(duì)焊接過程復(fù)雜或者不方便觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。針對(duì)極端情況，焊接模擬還可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行推測(cè)和預(yù)判，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬，提高焊接接頭的質(zhì)量。

2 焊接虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用前景

2.1 焊接虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于新能源行業(yè)

除了將焊接的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)械加工行業(yè)中，在越來(lái)越多的新興領(lǐng)域中，焊接虛擬仿真技術(shù)也發(fā)揮著重要的作用，比如將焊接虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車制造中。目前傳統(tǒng)燃油車帶來(lái)了二氧化碳等溫室氣體的嚴(yán)重污染，電動(dòng)汽車已成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一種主流趨勢(shì)。而動(dòng)力電池模組是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，動(dòng)力電池模組一般位于電動(dòng)汽車的車身底板下方，但是此位置工作環(huán)境惡劣，因此目前對(duì)動(dòng)力電池模組的設(shè)計(jì)也在向輕量化的方向發(fā)展，一般使用鋁合金材料。但是，鋁合金的膨脹系數(shù)大，所以對(duì)焊接動(dòng)力電池組的要求特別高，而利用焊接模擬技術(shù)可以對(duì)動(dòng)力電池組的焊接加工進(jìn)行模擬，通過優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)保證加工質(zhì)量。以6005A 鋁型材的850 型為例，利用虛擬仿真的方法來(lái)對(duì)動(dòng)力電池箱MIG 焊進(jìn)行模擬[3]。研究人員先對(duì)實(shí)體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和觀察，在有限元軟件中建立邊角焊縫、長(zhǎng)邊焊縫和短邊焊縫三種幾何模型，再根據(jù)實(shí)際焊接過程的熱源變化情況設(shè)計(jì)符合實(shí)際的焊接熱源模型，并對(duì)其進(jìn)行校核，繼而利用有限元模擬軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再根據(jù)鋁合金性能參數(shù)來(lái)對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行定義。此后，便可對(duì)幾何模型的焊接進(jìn)行模擬，得到模擬的焊縫溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。在此仿真基礎(chǔ)上，通過調(diào)整焊縫焊接順序優(yōu)化焊接質(zhì)量，保證動(dòng)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(shù)應(yīng)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，激光焊接工藝也利用虛擬仿真技術(shù)[4]。研究人員利用激光焊接裝置對(duì)6061 鋁合金焊材進(jìn)行實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)。在CATIA 軟件中，對(duì)焊材建立幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)鋁合金的實(shí)際屬性，對(duì)模型的材料屬性進(jìn)行定義。再對(duì)幾何模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，選擇和實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)一樣的裝夾方式進(jìn)行焊接虛擬仿真，最后選擇符合激光焊接實(shí)際情況的高斯旋轉(zhuǎn)體熱源進(jìn)行模擬。通過軟件模擬不同工藝參數(shù)下的焊接過程，得到不同激光功率和不同焊接速度時(shí)的焊件焊接處的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)中真實(shí)焊接所測(cè)得的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)基本吻合，以此來(lái)說(shuō)明焊接模擬的可靠性。

除了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于激光焊接外，現(xiàn)在很多研究都將重點(diǎn)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(shù)值模型[5]。采用耦合歐拉-拉格朗日方法對(duì)鋁-鎂合金焊接過程中的溫度、殘余應(yīng)力、材料流動(dòng)和焊接缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)。模擬的結(jié)果表明，在焊接過程中，Al 側(cè)的溫度及其梯度都略高于Mg 側(cè)，發(fā)現(xiàn)最高溫度出現(xiàn)在軸肩熱影響區(qū)，達(dá)到了626 ℃，并且隨著攪拌摩擦焊的轉(zhuǎn)速增加，縱向和橫向殘余應(yīng)力會(huì)相應(yīng)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(jié)果也發(fā)現(xiàn)，材料流動(dòng)速度會(huì)對(duì)焊接缺陷有著明顯影響，虛擬仿真的模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)孔洞缺陷的產(chǎn)生。

2.3 焊接虛擬仿真技術(shù)能優(yōu)化工藝參數(shù)

通過焊接虛擬仿真相關(guān)工作，可以優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，使得焊接后工件的性能更加優(yōu)異。李敏等[6]依據(jù)工作實(shí)際，建立150 mm×300 mm×30 mm 的Q355 平板網(wǎng)格模型作為焊接虛擬仿真對(duì)象，利用ANSYS 的熱結(jié)構(gòu)耦合分析法，對(duì)焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過分析模擬結(jié)果，成功預(yù)測(cè)U 型坡口焊條電弧焊的溫度場(chǎng)、焊接殘余應(yīng)力的分布，并且得出了一系列定性的結(jié)論。比如，焊接后最大殘余應(yīng)力都小于母材、焊材的屈服極限，而這一結(jié)論為U 型坡口焊條電弧焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。不僅如此，還針對(duì)不同的焊接速度參數(shù)進(jìn)行了全面的模擬，得到了適當(dāng)提高焊接速度，可以在一定程度上減少工件變形和殘余應(yīng)力這一結(jié)論。

2.4 焊接虛擬仿真技術(shù)模擬微觀組織變化過程

焊接虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)不限于模擬常規(guī)焊接過程中溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)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(jù)實(shí)際焊接試驗(yàn)中TC4 鈦合金板的尺寸大小、形狀、泊松比等參數(shù)，通過有限元軟件ABAQUS 對(duì)焊件建立幾何模型，并對(duì)其材料屬性進(jìn)行定義，再設(shè)定焊接板材模型的邊界條件，最后選擇合適的熱源模型進(jìn)行模擬。利用有限元軟件模擬的溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)變化，制作形核模型和生長(zhǎng)模型，對(duì)焊接熔池凝固時(shí)鈦合金的狀態(tài)變化進(jìn)行模擬，模擬晶粒的生長(zhǎng)和晶粒的轉(zhuǎn)變。

3 焊接虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

焊接模擬可以幫助企業(yè)減少在產(chǎn)品或者流程的設(shè)計(jì)、優(yōu)化或控制環(huán)節(jié)中，原型測(cè)試的原型數(shù)量和測(cè)試次數(shù)。對(duì)于企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，焊接模擬可降低成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得優(yōu)勢(shì)，為研發(fā)投入帶來(lái)更大的回報(bào)。正因如此，近年來(lái)越來(lái)越多的企業(yè)將更多的研發(fā)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(shù)比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)中的焊接過程，就可以大幅改進(jìn)產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。若應(yīng)用于教學(xué)中，可提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。例如，焊接虛擬仿真技術(shù)比較安全環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生輻射、粉塵、毒物等物理、化學(xué)危害因素，設(shè)備內(nèi)部無(wú)任何強(qiáng)烈的電磁污染、無(wú)任何化學(xué)污染、無(wú)任何強(qiáng)光高溫?fù)p壞，使用焊接虛擬仿真技術(shù)可以確保學(xué)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(shù)，學(xué)生將自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐中的操作串聯(lián)了起來(lái)，與業(yè)務(wù)和工作環(huán)境之間進(jìn)行了交互，實(shí)現(xiàn)了雙向的良性互動(dòng)，這樣更有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)于操作的好奇心，讓學(xué)習(xí)過程變得更加生動(dòng)有趣。一般焊接操作訓(xùn)練需要大量的焊機(jī)、焊條（焊絲）、焊接材料、氣體等物資作為訓(xùn)練材料，前期投入成本極大，并存在耗材污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，焊接模擬設(shè)備就不需要這些材料，僅需在前一位學(xué)員完成模擬試驗(yàn)后將模擬設(shè)備調(diào)成原樣即可，相當(dāng)于焊機(jī)和耗材的無(wú)限次使用，既節(jié)省了耗材成本，也一定程度上保護(hù)了環(huán)境。

4 焊接虛擬仿真技術(shù)的缺點(diǎn)

目前焊接虛擬仿真技術(shù)還存在一個(gè)局限，即焊接材料性能參數(shù)不足，特別是高溫時(shí)的性能數(shù)據(jù)還很不足，給虛擬仿真的結(jié)果帶來(lái)一定的差異。因此，積累和建立各種基本性能和參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)也是促進(jìn)焊接虛擬仿真技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。同時(shí)，實(shí)際操作和虛擬仿真操作還存在些許差異。因?yàn)楹附犹摂M仿真無(wú)論仿真得多么真實(shí)，和真實(shí)焊接設(shè)備還是存在差異，焊接模擬設(shè)備可能無(wú)法模擬真實(shí)操作中出現(xiàn)的問題。因此，在進(jìn)行焊接實(shí)訓(xùn)時(shí)，應(yīng)該做到焊接訓(xùn)練“虛實(shí)結(jié)合”，虛擬仿真及實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練兩種方法相互影響，相輔相成，應(yīng)選擇焊接模擬設(shè)備和真實(shí)焊接設(shè)備交互使用，以達(dá)到訓(xùn)練效果。焊接訓(xùn)練“虛實(shí)結(jié)合”流程圖如圖1所示。

圖1 焊接訓(xùn)練“虛實(shí)結(jié)合”流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)焊接虛擬仿真技術(shù)可以應(yīng)用的焊接種類、行業(yè)以及該技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了分析，并通過多個(gè)實(shí)例來(lái)證明焊接虛擬仿真的實(shí)用性。最后通過比較，對(duì)焊接虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：1）焊接虛擬仿真覆蓋范圍越來(lái)越廣，不再是簡(jiǎn)單的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)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(gè)制造行業(yè)中扮演重要角色，如動(dòng)力電池箱的制造，就是焊接虛擬仿真技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的成功案例；3）焊接虛擬仿真在人才培養(yǎng)方面有較大的優(yōu)勢(shì)；4）焊接虛擬仿真與實(shí)際焊接生產(chǎn)還有差距，要正視缺少高溫下材料的性能參數(shù)等客觀因素。隨著人們對(duì)焊接虛擬仿真技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，焊接虛擬仿真技術(shù)必將發(fā)展得越來(lái)越好，并具有更加廣闊的應(yīng)用前景。