当谈到坦克的设计和技术，很多人关注的是火炮的威力，火力控制的准确性，装甲的厚度，或发动机的功率。但实际上，坦克制造也是检验钢板焊接等基础工业技术的一种手段。历史上就有因焊接工艺不到位，导致坦克开裂的事件。

400辆坦克钢板开裂背后

二战结束后，各国钢板焊接技术不断创新，大型机械焊接方法迅速普及。在此期间，俄罗斯生产了一款46吨重、名为JS3的坦克。为了获得更好的保护，JS3采用全焊接结构。其中，车体前部为立体，结构复杂，呈多面结构，前板厚度达到110毫米，对焊接工艺提出了较高的要求，已经接近俄罗斯技术的极限。

到1945年秋季，这批坦克量产400辆。但接应部队发现，这些新车刚刚下线，不久就开始出现各种钢板裂纹。裂纹主要集中在焊缝附近，甚至整个焊缝都有裂纹。

保卫军第60团某重型坦克JS3甚至创造了一项纪录：整车出现大小裂纹100余条，发动机支架完全断裂。有些钢板中心部位甚至出现裂纹，说明焊接工艺和钢板制造工艺均未达标。

随后，JS3被紧急关闭，400辆坦克全部回收修理。其中50多辆车由于裂缝过大而失去了保养价值，被宣布报废。

事故造成总损失为500万卢布，大致相当于当时的1200万美元。如果按购买力换算，相当于今天的近2亿美元(超过12亿人民币)。为此，60多名负责人被逮捕和监禁。

焊接制造技术应用

该事故的发生，一方面是受当时钢材材料所限，另一方面则是焊接工艺问题。从二战结束到今天，钢材质量已经得到极大保障，而焊接技术却仍是制造业一大难题。

焊接是一种历史悠久的制造工艺，同时也是应用最广泛的材料连接方式之一。它从单一的加工工艺发展成为现代科技多学科互相交融的综合工程技术，被广泛应用于兵器装备、航空航天等领域，在推动工业的发展和产品技术进步发挥着重要作用。焊接工艺的定型使用，特别是一种新的焊接工艺从研究—试验—定型经过了不断的试错与迭代，这个过程往往需要经过较长的时间和较高的成本，因此如何提高生产效率、降低生产成本显得尤为重要。

近年来，随着计算机技术的发展与计算效率的不断提高，有限元分析在工程设计制造中得到了广泛的重视，已经成为解决复杂工程问题的有效工具。将现代焊接数值仿真技术应用于传统的焊接工艺，利用先进的计算机数值模拟技术改造传统的焊接工艺，对加速我国焊接信息化与工业化的进程有着非常重要的意义。

焊接仿真技术现状

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。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。传统焊接质量的好坏非常依赖于焊接工人的经验，而焊接数值模拟技术就是利用数值模拟方法找到优化的焊接工艺参数，例如焊接材料、温控条件、夹具条件、焊接顺序等。

目前，焊接领域数值模拟的对象大致有以下几个方面：

• (1)焊接温度场的数值模拟。其中包括焊接传热过程、熔池形成和演变、电弧物理现象等。
• (2)焊接金属学和物理过程的模拟。包括熔化、凝固、组织变化、成分变化、晶粒的长大、氢扩散等。
• (3)焊接应力与变形的数值模拟。包括焊接过程中应力、应变的变化和残余应力、残余应变等。
• (4)焊接接头的力学行为和性能的数值模拟。包括断裂、疲劳、力学不均匀性、几何不均匀性及组织、结构、力学性能等。
• (5)焊缝质量评估的数值模拟。包括裂缝、气孔等各种缺陷的评估及预测。
• (6)具体焊接工艺的数值模拟。例如电子束焊接、激光焊接、离子弧焊接、电阻焊等。

常用的焊接数值模拟方法有：差分法、有限元法和蒙特卡洛法。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。

焊接仿真软件现状

目前焊接仿真软件有两类。一类是通用结构有限元软件，例如MARC、ABAQUS、ANSYS等，主要是考虑焊接的热物理过程，进行热-结构耦合分析，得到变形和残余应力结果。对于焊接研究者来说，需要控制和定义的内容很多，因此需对通用软件有很深的应用功底和较强的专业知识才能更好地把握结果的精度和意义。

另一类就是焊接专用有限元软件，例如SYSWELD。专业焊接软件的特点是针对性更强，专门设有针对焊接工艺的界面和模型，比较方便定义焊接路径和热源模型，并且结果精度会更高一些。

除此之外，还有一些基于上述软件进行二次开发的焊接工艺仿真软件，不仅具有传统仿真软件直观而强大的处理功能，而且使用上更加便捷，对于焊接研究者来说，比较容易学习和使用。

例如北京翔博科技开发的Semweld焊接工艺仿真软件，充分考虑到焊接仿真、技术、工艺人员的实际需求，针对不同复杂程度结构件，实现使用不同仿真方法来进行仿真的目的。相较于现行焊接软件，具有操作便捷、计算结果精准等优点。

拿建模来说，相较于其他焊接仿真软件繁琐的功能设置以及复杂的建模过程，Semweld采用流程化仿真引导，每一步只要按需进行数值填写或操作，即使是不精通CAE软件的技术人员，也可轻松实现模型建立、工艺及热源管理、网格划分、装卡位置选取、CAE模型生成、计算解析等仿真全过程。

目前，Semweld正式对外免费试用，您只需关注“应力与变形控制”公众号，在菜单栏处提交试用申请。申请审核通过后，我们将通过光盘刻录的形式把软件寄送到您的手中。

焊接数值模拟技术的未来发展趋势

焊接数值模拟软件朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。

所谓集成化，是指焊接数值模拟将结合焊接工艺库、专家经验与知识库、材料数据库，功能变得越来越丰富和强大，仿真能力更强，使用也更加方便。

所谓专业化，是指焊接模拟软件不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。例如点焊工具、激光焊工具、电子束焊接工具、钎焊工具、搅拌摩擦焊工具等。

所谓工程化，是指仿真的结果更方便为工程实际所应用。通过焊接仿真，找到优化的焊接工艺参数和焊接顺序，选择合适的焊接材料，融入更多焊接实际工程经验，包括积累的材料数据库等。

焊接是一门传统的制造工艺，但是具体的焊接方法却仍然在不断发展更新，相应的焊接数值模拟方法也会随之不断发展完善。相信基于焊接数值仿真的焊接结构设计在国内将会有越来越多的应用。