【摘 要】对焊接接头残余应力的研究，以往是通过试验的方法获得其力学性能，随着计算机科学的发展，数值模拟技术已经广泛应用各个领域。焊接过程的数值模拟技术的实现，对优化焊接工艺、减少研究工作量、节省研究经费有着不可代替的作用。本文着重介绍硬质合金钎焊的ANSYS模拟过程及焊接数值模拟的发展。
【关键词】硬质合金 钎焊 数值模拟 影响因素 参数优化
将现代焊接数值模拟技术应用于传统的焊接工艺，利用计算机的数值模拟技术改善传统的焊接工艺，优化焊接工艺中的各种参数，对我国焊接技术的发展有着十分重要的意义。
一、焊接的ANSYS数值模拟过程
ANSYS软件是一个大型的、通用的有限元软件，以其多物理场耦合分析的先进技术和理念，在工业领域和研究工作中都得到了广泛的应用。它具有分析结构、流体、热、电磁及其相互耦合的功能。焊接温度场和应力场的模拟就是运用其热-结构的耦合分析功能进行计算的。
在ANSYS软件中，计算焊接温度场和应力场的方法分为直接法和间接法。直接法时使用具有温度和位移自由的耦合单元，同时分析得到热分析和结构应力分析的结果。但由于多种的原因，造成直接法计算周期长、不够灵活。间接法是先进行温度场分析，温度场模拟准确后，保存温度场结果，再分析用力应变，如果应力分析结果不理想也不必再进行温度场分析，而再进行应力场分析即可。这样就可以节省大量的时间。所以，用间接法对焊接过程进行分析计算较为合理、高效。
一般应用ANSYS进行数值模拟计算主要有三个步骤：
1.前处理阶段。包括定义单元类型、输入材料属性、创立几何模型、设定网个单元划分单元格、生成有限元模型。
2.加载求解阶段。就焊接数值模拟来说，此阶段包括定义分析类型、获得瞬态热分析的初始条件、设定载荷步选项、求解运算等。
3.后处理阶段。ANSYS软件提供两种后处理方式，一种是通用后处理
5.后处理。完成计算后，通过程序的后处理功能查看结果。在硬质合金与钢基体钎焊接头中，破坏和断裂主要发生在硬质合金与钎料一侧，因此，可以主要针对硬质合金与钎料的残余应力的进行重点分析。
三、焊接数值模拟技术的发展
1.焊接有限元模拟的研究历史与发展
焊接数值模拟技术的应用始于20世纪60年代，Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，Iwaki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序。我国焊接界有限元模拟研究起步于20世纪80年代，模拟的内容是以二维温度场或薄版准稳态温度场为主，90年代，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。与此同时，焊接有限元模拟的领域已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊接接头的性能等各方面。
2.焊接数值模拟技术主要研究对象与目的
焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术、计算机技术等的发展而逐步开始的。焊接工艺的数值模拟主要是针对焊接温度场、应力场和变形等几个方面，旨在提高焊接构件的性能，优化焊接工艺和参数等。
（1）焊接数值模拟的主要研究对象
目前，焊接领域数值模拟的对象大致分为以下方面：①焊接温度场的模拟，②焊接金属学和物理过程的模拟，③焊接应力和应变的数值模拟，④焊接接头的力学行为和性能的数值模拟，⑤焊缝质量评估的数值模拟，⑥具体焊接工艺的数值模拟。
（2）焊接数值模拟的目的
焊接数值模拟的主要目的是分析焊接的影响因素、优化焊接工艺及参数。
焊接影响因素的分析是焊接有限元模拟的一个重要方面。研究发现，焊接过程中，许多因素都会对焊接接头的性能，焊接构件的质量造成很大的影响，其中包括，焊接速度、冷却速度、热源分布、焊接温度、预热情况、构件尺寸、焊缝厚度、边界条件等。对这些因素进行研究，不仅有助于提高焊接质量和焊接接头性能，而且对优化焊接工艺和参数有重要意义。
焊接工程需要解决的一个重要问题就是对焊接参数进行优化，所以焊接数值模拟的另一个目的就是通过研究分析，优化工艺参数。一般而言，焊接条件由焊接工程师靠经验或者准则确定，所以，在许多焊接工艺中都存在许多不合理或尚待改善的地方，现在许多焊接过程已经开始机械化和自动化，各种优化焊接参数的数学方法也被用于焊接过程的控制，研究中得到的各种优化参数也被用于实际生产当中。当前，将有限元分析用于焊接影响因素及参数优化的研究尚处于开拓阶段，还需不断地进行探索研究。
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(作者单位：西安工业大学建工系)
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