1、数值计算在焊接中的应用

随着数字化的发展，数值计算在各领域的发展都十分强劲。从1972年国际焊接学会第10委员会建立了“由焊接产生的应力、应变与其它后果的数值分析组”后，数值分析在焊接中的应用取得了不少进展。在国内，上海交通大学焊接研究室以及西安交通大学等单位，近年来也开展了这方面的研究工作，并取得了一些成果。研究表明，对于分析焊接过程的复杂现象，数值分析是颇有成效的。同时计算机在焊接领域里的应用也在不断扩大。例如焊接过程的自动控制，采用计算机控制系统可以提高焊接质量。为了弥补实验方法的局限性，模拟技术已广泛应用于焊接过程的研究。对GMAW的温度曲线，流体流量和应力的数值模拟进行了大量的工作，但是关于SA-NG-GMAW的建模研究很少。计算机模拟广泛应用于焊接工作。为了得到一个高质量的焊接结构，必须对焊接过程中的各种现象加以控制。一旦实现用计算机模拟各种焊接现象，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种材料的最佳焊接参数。自动化焊接的范围在很大程度上亦决定于能够模拟焊接现象的程度。计算机还能用于分析焊接结构使用过程中的强度和性能等问题。

在计算机模拟焊接现象以及焊接参数最优化的研究中，数值分析方法是最主要的武器。目前国内外用数值分析方法进行研究的课题有焊接热过程分析、焊接冶金分析、焊接应力与变形、焊接构件使用性能分析等。由于数值分析方法可以通过少量的实验来验证该方法在某些问题上的适用性，这样可以大大节约时间，人力和物力，能够创造更大的经济效益。

2、国内外摇动电弧窄间隙GMAW数值模拟的研究现状

以前对SA-NG-GMAW的研究主要集中在基于实验方法的焊接过程中。Wang等人[12,13]通过实验研究了焊缝形成特征，并在平坦和垂直位置开发了SA-NG-GMAW焊接参数和焊缝尺寸之间的关系。Xu等[14]提出了基于实验结果的振荡弧窄间隙GMAW中焊缝的统计模型。黎文航等[15]对旋转电弧窄间隙焊温度场和侧壁熔深的数值模拟进行了相关研究，用Ansys软件对窄间隙的温度场进行了数值分析，通过建立有限元的模型，进而实现了三维焊接温度场数值模型，同时还研究了焊缝成形的影响因素，为未来的实际焊接提供参考；姬书得等[16]与胡军峰[17]分别建立了模拟摆动电弧的串状与带状模型，但两类模型仅能粗略反映电弧的摆动特性，计算精度较低，无法准确合理反映焊接热场的分布特征。张华军等[18]根据摆动电弧速度和方向的变化规律，建立了相应的摆动过程中的热源模型，由此得到模拟的温度场的结果和实验的结果是一致的，并且和普通的窄间隙焊相比，他们的温度曲线是不同的，摇动电弧焊的温度场曲线是呈现出三峰结构。兰虎等[19]采用类似原理建立了摇动电弧窄间隙GMAW焊热源模型，其模型还考虑了电极旋转对热源中心轨迹的影响，并利用该模型对摆动电弧NG-GMAW立焊温度场进行了数值分析。与常规无电弧摇动焊接热循环曲线不同，NG-MAG立焊摇动电弧热循环曲线呈“多峰”现象，主要原因是热源在移动过程中先近后远。虽然该类模型能够较好地反映电弧热源中心的移动轨迹及热源行进方向，但并未考虑接头几何特征与焊缝表面形状对电弧热流分布的影响，从而限制了其应用范围。上海交通大学对摇动电弧横焊窄间隙进行了研究，发现摇动电弧能够有效的控制横焊焊缝成形，增大摇动角度和摇动频率能够有效的改善横焊焊缝成形，对于熔池流动具有一定的抑制作用[20]。Traidia等[21]提出了一种二维和三维熔池模型，研究了水平位置上非旋转弧窄间隙GMAW中重力对流体流动的影响。徐等[22]开发了一种三维模型，研究了弧形窄间隙垂直向上GMAW中的熔池行为和焊缝形成，发现仅在积聚在熔池中心的液态金属和摇动电弧可以减少凸面有效焊接程度。但他们的研究主要集中在形成焊缝横截面。除此之外，该模型没有考虑电弧剪切应力和导电棒弯曲角对电弧压力的影响，这也可以大大影响垂直焊接中的流体流动。因此，目前在摇动电弧窄间隙焊接物理过程中仍然缺乏信息。