400輛新坦克剛出廠就鋼板開裂！12億元沒了，60名責(zé)任人被抓！
發(fā)布時(shí)間：2021/06/22
當(dāng)談到坦克的設(shè)計(jì)和技術(shù)，很多人關(guān)注的是火炮的威力，火力控制的準(zhǔn)確性，裝甲的厚度，或發(fā)動機(jī)的功率。但實(shí)際上，坦克制造也是檢驗(yàn)鋼板焊接等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的一種手段。歷史上就有因焊接工藝不到位，導(dǎo)致坦克開裂的事件。
400輛坦克鋼板開裂背后
二戰(zhàn)結(jié)束后，各國鋼板焊接技術(shù)不斷創(chuàng)新，大型機(jī)械焊接方法迅速普及。在此期間，俄羅斯生產(chǎn)了一款46噸重、名為JS3的坦克。為了獲得更好的保護(hù)，JS3采用全焊接結(jié)構(gòu)。其中，車體前部為立體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈多面結(jié)構(gòu)，前板厚度達(dá)到110毫米，對焊接工藝提出了較高的要求，已經(jīng)接近俄羅斯技術(shù)的極限。
到1945年秋季，這批坦克量產(chǎn)400輛。但接應(yīng)部隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些新車剛剛下線，不久就開始出現(xiàn)各種鋼板裂紋。裂紋主要集中在焊縫附近，甚至整個(gè)焊縫都有裂紋。
保衛(wèi)軍第60團(tuán)某重型坦克JS3甚至創(chuàng)造了一項(xiàng)紀(jì)錄：整車出現(xiàn)大小裂紋100余條，發(fā)動機(jī)支架完全斷裂。有些鋼板中心部位甚至出現(xiàn)裂紋，說明焊接工藝和鋼板制造工藝均未達(dá)標(biāo)。
隨后，JS3被緊急關(guān)閉，400輛坦克全部回收修理。其中50多輛車由于裂縫過大而失去了保養(yǎng)價(jià)值，被宣布報(bào)廢。
事故造成總損失為500萬盧布，大致相當(dāng)于當(dāng)時(shí)的1200萬美元。如果按購買力換算，相當(dāng)于今天的近2億美元(超過12億人民幣)。為此，60多名負(fù)責(zé)人被逮捕和監(jiān)禁。
焊接制造技術(shù)應(yīng)用
該事故的發(fā)生，一方面是受當(dāng)時(shí)鋼材材料所限，另一方面則是焊接工藝問題。從二戰(zhàn)結(jié)束到今天，鋼材質(zhì)量已經(jīng)得到極大保障，而焊接技術(shù)卻仍是制造業(yè)一大難題。
焊接是一種歷史悠久的制造工藝，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的材料連接方式之一。它從單一的加工工藝發(fā)展成為現(xiàn)代科技多學(xué)科互相交融的綜合工程技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于兵器裝備、航空航天等領(lǐng)域，在推動工業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。焊接工藝的定型使用，特別是一種新的焊接工藝從研究—試驗(yàn)—定型經(jīng)過了不斷的試錯(cuò)與迭代，這個(gè)過程往往需要經(jīng)過較長的時(shí)間和較高的成本，因此如何提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本顯得尤為重要。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算效率的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)制造中得到了廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程問題的有效工具。將現(xiàn)代焊接數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的焊接工藝，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)改造傳統(tǒng)的焊接工藝，對加速我國焊接信息化與工業(yè)化的進(jìn)程有著非常重要的意義。
焊接仿真技術(shù)現(xiàn)狀
焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展是隨著焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，有限元數(shù)值模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展而逐步開始的。焊接工藝的仿真，主要是針對焊接溫度場、殘余應(yīng)力、變形等幾個(gè)方面，旨在改善焊接部件的制造質(zhì)量，提高產(chǎn)品服役性能，優(yōu)化焊接順序等工藝過程。傳統(tǒng)焊接質(zhì)量的好壞非常依賴于焊接工人的經(jīng)驗(yàn)，而焊接數(shù)值模擬技術(shù)就是利用數(shù)值模擬方法找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，例如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊接順序等。
目前，焊接領(lǐng)域數(shù)值模擬的對象大致有以下幾個(gè)方面：
- (1)焊接溫度場的數(shù)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(xiàn)象等。
- (2)焊接金屬學(xué)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(kuò)散等。
- (3)焊接應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬。包括焊接過程中應(yīng)力、應(yīng)變的變化和殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變等。
- (4)焊接接頭的力學(xué)行為和性能的數(shù)值模擬。包括斷裂、疲勞、力學(xué)不均勻性、幾何不均勻性及組織、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等。
- (5)焊縫質(zhì)量評估的數(shù)值模擬。包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及預(yù)測。
- (6)具體焊接工藝的數(shù)值模擬。例如電子束焊接、激光焊接、離子弧焊接、電阻焊等。
常用的焊接數(shù)值模擬方法有：差分法、有限元法和蒙特卡洛法。經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為焊接數(shù)值仿真的主流方法，因?yàn)楹附幼顬殛P(guān)心的是變形和殘余應(yīng)力的控制，而有限元方法在這方面有著明顯的優(yōu)勢。
焊接仿真軟件現(xiàn)狀
目前焊接仿真軟件有兩類。一類是通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，例如MARC、ABAQUS、ANSYS等，主要是考慮焊接的熱物理過程，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到變形和殘余應(yīng)力結(jié)果。對于焊接研究者來說，需要控制和定義的內(nèi)容很多，因此需對通用軟件有很深的應(yīng)用功底和較強(qiáng)的專業(yè)知識才能更好地把握結(jié)果的精度和意義。
另一類就是焊接專用有限元軟件，例如SYSWELD。專業(yè)焊接軟件的特點(diǎn)是針對性更強(qiáng)，專門設(shè)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，并且結(jié)果精度會更高一些。
除此之外，還有一些基于上述軟件進(jìn)行二次開發(fā)的焊接工藝仿真軟件，不僅具有傳統(tǒng)仿真軟件直觀而強(qiáng)大的處理功能，而且使用上更加便捷，對于焊接研究者來說，比較容易學(xué)習(xí)和使用。
例如北京翔博科技開發(fā)的Semweld焊接工藝仿真軟件，充分考慮到焊接仿真、技術(shù)、工藝人員的實(shí)際需求，針對不同復(fù)雜程度結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)使用不同仿真方法來進(jìn)行仿真的目的。相較于現(xiàn)行焊接軟件，具有操作便捷、計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。
拿建模來說，相較于其他焊接仿真軟件繁瑣的功能設(shè)置以及復(fù)雜的建模過程，Semweld采用流程化仿真引導(dǎo)，每一步只要按需進(jìn)行數(shù)值填寫或操作，即使是不精通CAE軟件的技術(shù)人員，也可輕松實(shí)現(xiàn)模型建立、工藝及熱源管理、網(wǎng)格劃分、裝卡位置選取、CAE模型生成、計(jì)算解析等仿真全過程。
目前，Semweld正式對外免費(fèi)試用，您只需關(guān)注“應(yīng)力與變形控制”公眾號，在菜單欄處提交試用申請。申請審核通過后，我們將通過光盤刻錄的形式把軟件寄送到您的手中。
焊接數(shù)值模擬技術(shù)的未來發(fā)展趨勢
焊接數(shù)值模擬軟件朝著集成化、專業(yè)化、工程化等方向發(fā)展。
所謂集成化，是指焊接數(shù)值模擬將結(jié)合焊接工藝庫、專家經(jīng)驗(yàn)與知識庫、材料數(shù)據(jù)庫，功能變得越來越豐富和強(qiáng)大，仿真能力更強(qiáng)，使用也更加方便。
所謂專業(yè)化，是指焊接模擬軟件不斷細(xì)化，將各種類型的焊接仿真技術(shù)模塊化，形成適于各種類型焊接工藝的模板庫。例如點(diǎn)焊工具、激光焊工具、電子束焊接工具、釬焊工具、攪拌摩擦焊工具等。
所謂工程化，是指仿真的結(jié)果更方便為工程實(shí)際所應(yīng)用。通過焊接仿真，找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，選擇合適的焊接材料，融入更多焊接實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，包括積累的材料數(shù)據(jù)庫等。
焊接是一門傳統(tǒng)的制造工藝，但是具體的焊接方法卻仍然在不斷發(fā)展更新，相應(yīng)的焊接數(shù)值模擬方法也會隨之不斷發(fā)展完善。相信基于焊接數(shù)值仿真的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國內(nèi)將會有越來越多的應(yīng)用。
