焊接是一種歷史悠久的製造工藝，同時也是應用最廣泛的材料連接方式之一。我國是鋼鐵產銷大國，同樣也是焊接應用大國。為了改進當下焊接應用中還存在很多落後的工藝方式，將現代焊接數值仿真技術應用於傳統的焊接工藝，利用先進的計算機數值模擬技術改造傳統的焊接工藝，對加速我國焊接信息化與工業化的進程有著非常重要的意義。
焊接模擬技術現狀
焊接數值模擬技術的發展是隨著焊接實踐經驗的積累，有限元數值模擬技術、計算機技術等的發展而逐步開始的。焊接工藝的仿真，主要是針對焊接溫度場、殘餘應力、變形等幾個方面，旨在改善焊接部件的製造質量，提高產品服役性能，優化焊接順序等工藝過程。傳統焊接質量的好壞非常依賴於焊接工人的經驗，而焊接數值模擬技術就是利用數值模擬方法找到優化的焊接工藝參數，例如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊接順序等。
目前，焊接領域數值模擬的對象大致有以下幾個方面：
（1）焊接溫度場的數值模擬。其中包括焊接傳熱過程、熔池形成和演變、電弧物理現象等。
（2）焊接金屬學和物理過程的模擬。包括熔化、凝固、組織變化、成分變化、晶粒的長大、氫擴散等。
（3）焊接應力與變形的數值模擬。包括焊接過程中應力、應變的變化和殘餘應力、殘餘應變等。
（4）焊接接頭的力學行為和性能的數值模擬。包括斷裂、疲勞、力學不均勻性、幾何不均勻性及組織、結構、力學性能等。
（5）焊縫質量評估的數值模擬。包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及預測。
（6）具體焊接工藝的數值模擬。例如電子束焊接、雷射焊接、離子弧焊接、電阻焊等。
常用的焊接數值模擬方法有：差分法、有限元法和蒙特卡洛法。經過多年的發展，有限元數值模擬技術已經成為焊接數值仿真的主流方法，因為焊接最為關心的是變形和殘餘應力的控制，而有限元方法在這方面有著明顯的優勢。
目前焊接仿真軟體有兩類。一類是通用結構有限元軟體，例如MARC,ABAQUS,ANSYS等，主要是考慮焊接的熱物理過程，進行熱－結構耦合分析，得到變形和殘餘應力結果。對於焊接研究者來說，需要控制和定義的內容很多，因此需對通用軟體有很深的應用功底和較強的專業知識才能更好地把握結果的精度和意義；另一類就是焊接專用有限元軟體，例如SYSWELD。專業焊接軟體的特點是針對性更強，專門設有針對焊接工藝的界面和模型，比較方便定義焊接路徑和熱源模型，並且結果精度會更高一些，對於焊接研究者來說，比較容易學習和使用。
北京翔博科技開發的Semweld焊接仿真軟體，充分考慮到焊接仿真、技術、工藝人員的實際需求，針對不同複雜程度結構件，實現使用不同仿真方法來進行仿真的目的，相較於現行焊接仿真軟體，具有操作便捷、計算結果精準等優點。
優勢：
仿真方法多樣，不同複雜程度結構件不同處理，使用更加人性化；
豐富的熱源類型，選擇更多；
材料數據齊全，調用簡單；
參數化建模，流程化仿真引導，操作便捷；
圖 周向典型焊接試板仿真殘餘應力分布及與檢測結果對比
焊接工藝數值仿真涉及的學科
對工業部門來說，焊接工程可以分為4個主要的應用學科：變形工程、焊接質量工程、應力工程和溫度控制工程。
（1）變形工程。
主要是控制並使變形最小。通過優化裝配工藝，降低製造成本，降低縫隙閉合力，減小夾具力的偏差。
（2）焊接質量工程。
主要是提高焊接質量，優化服役特性。主要通過下面兩個方面來進行控制：
·控制冷卻速率、微觀組織和硬度對整體材料和結構特性的影響；
·控制氫的擴散。例如，對再結晶鋼，需要控制最大和最小冷卻速率。過高的冷卻速率會導致過多的馬氏體，過低的冷卻速率又將導致晶粒粗糙，過高的硬度可能導致裂紋和服役失效。
（3）應力工程。
主要是兩個方面的工作：
·控制圍繞連接處局部的殘餘應力；
·控制所設計的焊接結構整體應力。
進行應力控制能夠實現以下功能：減重；增強焊接結構疲勞性能；改善焊接質量；減少昂貴的服務問題。例如，為了避免裂紋和失效，能源和核工業中須控制多道焊接的殘餘應力。
（4）溫度控制工程。
控制易損敏感設備的溫度場，避免由於焊接熱效應而導致設備的失效。
焊接工藝數值仿真的典型應用
焊接過程數值模擬中，熱源擬合、溫度場的模擬是最基本的工作，然後就是應力和變形的模擬。溫度場的模擬起步較早，也積累了比較豐富的經驗，在實際生產中得到了一定的應用。
1、焊接溫度場的模擬
溫度場的模擬是對焊接應力、應變場及焊接過程其他現象進行模擬的基礎，通過溫度場的模擬我們可以判斷固相和液相的分界，能夠得出焊接熔池形狀。焊接溫度場準確模擬的關鍵在於提供準確的材料屬性，熱源模型與實際熱源的擬合程度，熱源移動路徑的準確定義，邊界條件是否設置恰當等。與通用軟體相比，專業焊接軟體使用起來更加方便，減少了通用軟體很多操作時間。例如北京翔博科技開發的Semweld焊接仿真軟體，不僅設有SYSWELD的三種熱源模型，還提供了柱狀熱源以及複合熱源的選擇使用，使熱源的擬合儘可能與實際情況相吻合。
2、焊接應力與變形的仿真
焊接應力與變形問題可以分為兩類：一是焊接過程中的瞬態應力應變分析；二是焊接後的殘餘應力與應變計算。對後者進行分析計算的較多，主要是為了減少殘餘應力，控制變形，防止缺陷的產生。經過幾十年的發展，應力與變形的計算日益成熟，結果的精度也在不斷提高。
（1）改進了計算方法的效率和穩定性，計算速度更快，收斂性更好。有很多程序應用了並行計算功能，進一步提升了計算速度，模型也考慮得更加精細。
（2）深入研究了焊接應力與變形的影響因素。例如材料屬性隨溫度變化，焊接接頭幾何形狀，焊縫道數，不同的焊接方法等。
對於焊接局部模型，存在非常強烈的非線性特徵，材料經過高溫、相變、冷卻後會有殘餘應力，因此需要對局部進行詳細模擬。而對於整體結構而言，可能又體現為彈性變形，所以線彈性分析就夠了。對於多道焊接問題，採用先局部，再整體，將局部模型的內力映射到總體模型上的方法具有很大優勢，能夠快速得到整體模型的應力和變形結果。如果對應整體模型完全按照局部模型的細節進行仿真，可能計算量會大得無法承受，事實上也沒有必要。
3、焊接工藝的優化
合適的焊接工藝非常有助於減少焊接結構的變形和殘餘應力，因此選擇合適的焊接材料、夾具條件、焊接順序、冷卻速率控制等，就可以優化焊接結構，提高焊接質量，延長結構服役壽命，降低成本。因此基於焊接數值仿真的焊接結構設計將發揮重要的作用
焊接數值模擬技術的未來發展趨勢
焊接數值模擬軟體朝著集成化、專業化、工程化等方向發展。
所謂集成化，是指焊接數值模擬將結合焊接工藝庫、專家經驗與知識庫、材料資料庫，功能變得越來越豐富和強大，仿真能力更強，使用也更加方便。
所謂專業化，是指焊接模擬軟體不斷細化，將各種類型的焊接仿真技術模塊化，形成適於各種類型焊接工藝的模板庫。例如點焊工具、雷射焊工具、電子束焊接工具、釺焊工具、攪拌摩擦焊工具等。
所謂工程化，是指仿真的結果更方便為工程實際所應用。通過焊接仿真，找到優化的焊接工藝參數和焊接順序，選擇合適的焊接材料，融入更多焊接實際工程經驗，包括積累的材料資料庫等。
焊接是一門傳統的製造工藝，但是具體的焊接方法卻仍然在不斷發展更新，相應地，焊接數值模擬方法也會隨之不斷發展完善。相信基於焊接數值仿真的焊接結構設計在國內將會有越來越多的應用。