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焊接是被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過(guò)加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程。焊接是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程，描述焊接過(guò)程的變量數(shù)目繁多，憑積累工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)了解和控制焊接過(guò)程，既不切實(shí)際又成本昂貴和費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬方法為焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

焊接熱過(guò)程貫穿整個(gè)焊接過(guò)程的始終，可以說(shuō)一切焊接物理化學(xué)過(guò)程都是在熱過(guò)程中發(fā)生和發(fā)展的。焊接熱過(guò)程是局部的，加熱極不均勻，具有瞬時(shí)性，復(fù)雜性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)。焊接溫度場(chǎng)決定了焊接應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，它還與冶金，結(jié)晶，相變有著不可分割的聯(lián)系，使之成為影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一。焊接熱過(guò)程的準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量是進(jìn)行焊接冶金分析，焊接應(yīng)力應(yīng)變分析和對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制的前提。

SYSWELD的開(kāi)發(fā)最初源于核工業(yè)領(lǐng)域的焊接工藝模擬，當(dāng)時(shí)核工業(yè)需要揭示焊接工藝中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，以便提前預(yù)測(cè)裂紋等重大危險(xiǎn)。隨著應(yīng)用的發(fā)展，SYSWELD 逐漸擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，并迅速被汽車(chē)工業(yè)、航空航天、國(guó)防和重型工業(yè)所采用。

(資料圖)

SYSWELD簡(jiǎn)介

SYSWELD完全實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的耦合計(jì)算，允許考慮晶相轉(zhuǎn)變及同一時(shí)間晶相轉(zhuǎn)變潛熱和晶相組織對(duì)溫度的影響。在具體計(jì)算中，分兩步進(jìn)行，首先實(shí)現(xiàn)溫度和晶相組織的計(jì)算，然后進(jìn)行機(jī)械力的計(jì)算。在機(jī)械的力計(jì)算中，已經(jīng)充分考慮了第一步計(jì)算的結(jié)果，如殘余應(yīng)力和應(yīng)變的影響。SYSWELD的電磁模型允許模擬點(diǎn)焊和感應(yīng)加熱，并可實(shí)現(xiàn)能量損失和熱源加載的計(jì)算模擬。SYSWELD擴(kuò)散與析出模型可實(shí)現(xiàn)滲碳、滲氮、碳氮共滲模擬，先計(jì)算化學(xué)元素的擴(kuò)散和沉積，然后再考慮對(duì)熱和機(jī)械性能的影響。SYSWELD的氫擴(kuò)散模型能計(jì)算模擬氫的濃度，預(yù)測(cè)冷裂紋的嚴(yán)重危害。

焊接殘余應(yīng)力是焊接過(guò)程中影響構(gòu)件強(qiáng)度和壽命的主要因素之一，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析可準(zhǔn)確分析焊接時(shí)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，焊接時(shí)構(gòu)件的變形情況[10－11]。利用SYSWELD 對(duì)某零件進(jìn)行激光焊接仿真分析可得出一些結(jié)果云圖，由這些云圖能夠判斷構(gòu)件在焊接過(guò)程中瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變化情況、構(gòu)件中的應(yīng)力以及焊接完成后殘余應(yīng)力的分布情況。最重要的是利用SYSWELD 軟件能夠方便準(zhǔn)確地分析焊接過(guò)程中材料金相組織的轉(zhuǎn)化情況，為激光動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程數(shù)值仿真提供理論基礎(chǔ)。

SYSWELD的發(fā)展歷程

法國(guó)的J.B.Leblcn對(duì)相變時(shí)的鋼的塑性行為進(jìn)行了理論和數(shù)值研究,在研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了SYSWELD軟件。SYSWELD的開(kāi)發(fā)最初源于核工業(yè)領(lǐng)域的焊接工藝模擬，當(dāng)時(shí)核工業(yè)需要揭示焊接工藝中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，以便提前預(yù)測(cè)裂紋等重大危險(xiǎn)，在這種背景下，1980年，法國(guó)法碼通公司和ESI公司共同開(kāi)展了SYSWELD的開(kāi)發(fā)工作.由于熱處理工藝中同樣存在和焊接工藝相類(lèi)似的多相物理現(xiàn)象,所以SYSWELD很快也被應(yīng)用到熱處理領(lǐng)域中并不斷增強(qiáng)和完善。隨著應(yīng)用的發(fā)展，SYSWELD逐漸擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，并迅速被汽車(chē)工業(yè)、航空航天、國(guó)防和重型工業(yè)所采用。1997年，SYSWELD正式加入ESI集團(tuán)，法碼通成為SYSWELD在法國(guó)最大的用戶并繼續(xù)承擔(dān)軟件的理論開(kāi)發(fā)與工業(yè)驗(yàn)證工作。

SYSWELD的應(yīng)用的廣泛性

在焊接中，熱膨脹與收縮伴隨著金相轉(zhuǎn)變而發(fā)生，從而導(dǎo)致焊接過(guò)程和焊后焊件的結(jié)構(gòu)變形。在SYSWELD中這些因素都可以進(jìn)行模擬；焊接過(guò)程的熱效應(yīng)引發(fā)熱應(yīng)力(結(jié)構(gòu)膨脹與收縮)，同樣可以利用SYSWELD 進(jìn)行評(píng)估；通過(guò)SYSWELD，可以對(duì)焊接的內(nèi)應(yīng)力和金相結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將這些結(jié)果直接應(yīng)用于產(chǎn)品壽命計(jì)算與分析。在許多工業(yè)上，經(jīng)常將等厚或不等厚的材料焊接在一起后進(jìn)行沖壓，這些材料可以相同也可以不同。采用SYSWELD 把焊接模擬的內(nèi)應(yīng)力和冶金特性作為初始條件加載到?jīng)_壓模擬軟件中，如PAM－STAMP 就是專業(yè)的沖壓模擬軟件。

SYSWELD的數(shù)據(jù)導(dǎo)入

SYSWELD的操作環(huán)境SYSWORLD也可直接建立幾何模型和生成各種網(wǎng)格。配合GEOMESH幾何網(wǎng)格工具，SYSWELD可以直接讀取UG、CATIA的數(shù)據(jù)和接受各種標(biāo)準(zhǔn)交換文件（STL、IGES、VDA、STEP、ACIS等）。SYSWELD能兼容大部分CAE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。如NASTRAN、IDEAS、PAM-SYSTEM、HYPERMESH等。

SYSWELD的工藝向?qū)?/strong>

獨(dú)有的向?qū)Ъ夹g(shù)是SYSWELD迅速工業(yè)化的成功秘訣。簡(jiǎn)潔、易用而有條理的向?qū)е甘荆徊揭徊降匾龑?dǎo)用戶完成復(fù)雜的熱物理模擬過(guò)程。模擬向?qū)芨鶕?jù)不同的工藝特征，自動(dòng)智能化的選擇求解器進(jìn)行物理分析，系統(tǒng)主要功能模塊和模擬向?qū)В簾崽幚硐驅(qū)?、焊接向?qū)?、裝配模擬向?qū)А?/p>

SYSWELD的模擬工具和模型設(shè)置

SYSWELD內(nèi)置了一系列非常有效的工具軟件，用于獲取和校驗(yàn)熱物理模擬的物理數(shù)據(jù)，如熱傳導(dǎo)系數(shù)校驗(yàn)工具，焊接熱源校驗(yàn)工具，材料CCT曲線校驗(yàn)工具，材料冷卻曲線校驗(yàn)工具等等。采用工具軟件，能準(zhǔn)確地獲取模擬所需要的物理數(shù)據(jù)。

高效友好的用戶界面，用戶能將精力集中于物理問(wèn)題，而非耗散在軟件使用上；獨(dú)特的工藝向?qū)Ъ夹g(shù)（Advisor）將復(fù)雜的物理問(wèn)題簡(jiǎn)單化，條理

化，事半功倍；對(duì)于工業(yè)用戶，向?qū)０蹇梢越鉀Q超過(guò)95%的工業(yè)問(wèn)題；對(duì)于高級(jí)用戶，高級(jí)模塊（Expert User）可以滿足各種獨(dú)特的需求，內(nèi)置的SIL語(yǔ)言可實(shí)現(xiàn)無(wú)限的用戶接口和軟件客戶化。

SYSWELD的模擬仿真功能

熱處理是金屬產(chǎn)品制造必不可少的一個(gè)步驟，尤其是在汽車(chē)和航空

航天工業(yè)領(lǐng)域。熱處理成功的關(guān)鍵因素在于過(guò)程安全、部件變形最小并

且能夠改善耐久性。

SYSWELD是一個(gè)強(qiáng)大的工具,能夠用于評(píng)價(jià)真實(shí)幾何部件的熱處理工藝,可以快速提供下列基本問(wèn)題的答案:熱處理工藝是否可行？所選擇的鋼種是否可行？淬火介質(zhì)是否合適？與工藝容差相比，工藝視窗是否安全。部件何處硬度需要

更高？在工藝過(guò)程中是否有出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)？獲得的變形是否可以接受？殘余壓應(yīng)力是否足夠高并且位置分布合理？

熱處理鋼的熱、冶金、機(jī)械性能相當(dāng)復(fù)雜, 且依賴于溫度、相和碳含量。

SYSWELD有一個(gè)熱處理顧問(wèn),能夠幫助用戶快速進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。但這并不意味著仿真是簡(jiǎn)單的, 實(shí)際上熱處理背后的物理現(xiàn)象是非常復(fù)雜的。利用SYSWELD可以非常直觀而高效地進(jìn)行熱處理仿真。SYSWELD的綜合材料數(shù)據(jù)庫(kù)包括了主要的鋼種, 可用于滲碳、表面硬化處理和穿透硬化。

SYSWELD可以計(jì)算并優(yōu)化下列熱處理工藝：表面硬化處理的奧氏體化、穿透硬化的奧氏體化、淬火、等溫淬火、麻回火處理和回火。

SYSWELD能夠模擬下列熱處理工藝：

（1）表面硬化、感應(yīng)、激光、電子束等；

（2）穿透硬化、直接、等溫淬火、麻回火處理等；

（3）熱化學(xué)熱處理、滲碳、滲氮、碳氮共滲等；

（4）回火。

熱處理的主要作用包括：

（1）使成本、重量和變形最小化；

（2）防止裂紋、疲勞失效和硬度不足；

（3）在早期使產(chǎn)品安全性最大化；

（4）優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程；

（5）理解加熱、冷卻、轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)特性；

（6）理解并可視化物理效應(yīng)對(duì)硬化、變形和殘余應(yīng)力的影響, 包括加熱特性、冷卻特性、轉(zhuǎn)變特性和結(jié)構(gòu)特性；

（7）產(chǎn)品和工藝相關(guān)控制, 包括部件的形狀、加熱過(guò)程及加熱介質(zhì)、冷卻過(guò)程及冷卻介質(zhì)、回火過(guò)程和增加碳的含量；

（8）工程驅(qū)動(dòng)的敏感性分析。

SYSWELD用于焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展展望

現(xiàn)今焊接數(shù)值模擬技術(shù)正進(jìn)入到溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、組織模擬的耦合集成階段，它可以解決現(xiàn)在難度較大的專用特性問(wèn)題，解決焊接缺陷問(wèn)題。SYSWELD軟件正是體現(xiàn)了這些特點(diǎn)的應(yīng)用軟件。

數(shù)值模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，各有特點(diǎn)，應(yīng)在不同場(chǎng)合發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展使焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)、由定性到定量的飛躍。焊接值模擬技術(shù)及進(jìn)一步發(fā)展的虛擬制造技術(shù)必將廣泛地應(yīng)用到焊接技術(shù)的研究及生產(chǎn)中，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，推動(dòng)生產(chǎn)制造的科學(xué)化、現(xiàn)代化、自動(dòng)化進(jìn)程。