智能制造的重要支撑
——自主可控智能化焊接仿真软件“悟焊”的诞生
任晓军 魏从源
在现代制造业体系中，焊接无处不在。大型船舶的船体分段、航空航天的钛合金部件、轨道交通的钢结构、汽车车身的点焊工艺，几乎每一个高端装备行业都离不开焊接工艺。焊接不仅是连接零部件的手段，更决定了装备的安全性、寿命与性能。随着人工智能技术的发展，智能化已经成为焊接工艺发展的必然趋势，成为智能化制造的重要组成和支撑。
一、世界焊接仿真的发展态势
焊接过程的复杂性在于其多物理场耦合特征。高温热源作用下，焊缝区域的温度场瞬息万变，伴随材料组织的快速转变，残余应力和变形不可避免地产生，往往还会埋下缺陷隐患。长期以来，工程师依靠经验和大量试焊实验来摸索焊接工艺，这种方式成本高昂、周期冗长，已经难以满足当今智能制造业对高效、精准和低成本的生产需求。
焊接仿真由此应运而生。通过软件模拟仿真，可以在虚拟环境中数字化重现焊接全过程，预测温度场分布、残余应力变化和焊接变形，帮助工程师在试焊之前就有效制定焊接工艺规范WPS（Welding Procedure Specification）, 优化工艺参数，降低风险与成本。正因如此，焊接仿真已成为发达国家先进制造的重要工具。法国的 Sysweld， 瑞典的 Simufact等软件，长期占据全球市场主导地位，为欧洲和北美的航空、造船、核工业，机械工程，汽车工业提供了重要支持。
国外软件价格高昂，功能多为封闭式设计，用户无法调整内核算法；在中国典型的工艺场景，如厚板焊接、多焊枪协同等条件下，仿真结果往往与实际差距明显。这意味着我国制造业在焊接数字化和工艺智能化环节长期受制于人。
二、中国制造发展的迫切需求
进入新时代，我国制造业正面临双重压力。一方面，国际竞争日趋激烈，高端装备对焊接质量提出了更高要求；另一方面，国内企业在成本控制和研发效率上承受着巨大的挑战。尤其是在工业核心软件领域，国外软件不仅价格高昂，而且往往对中国用户设置壁垒，有的限制销售，有的即便卖给我们也只开放部分功能，核心算法始终不可控。这种“卡脖子”的局面使我国在关键工艺数字化环节长期受制于人。如何以更低的代价、更快的速度实现更高质量的焊接，成为摆在行业面前的核心问题。
以船舶工业为例，大型船体焊接涉及上万米焊缝，残余应力和焊接变形直接关系到船体寿命和安全。如果仅靠传统方法，工艺开发往往需要反复十几次试焊，不仅费时费力，还会浪费大量材料。在航空航天领域，钛合金等高端材料的焊接窗口极为狭窄，一旦控制不当就可能产生裂纹甚至报废整件构件，对飞行器的安全构成严重威胁。汽车工业则追求大规模生产的稳定性和一致性，但点焊质量波动始终困扰着制造环节，给整车性能带来不可忽视的风险。
这些产业痛点共同指向一个事实：中国制造业迫切需要一种真正适合本土应用的焊接仿真工具。它不仅要价格合理、易于使用，更要能够为中国企业的典型工艺场景提供安全可靠的仿真结果。
值得注意的是，这一需求也得到了国家层面的高度关注。近年来，《中国制造2025》《“十四五”智能制造发展规划》等政策文件频频强调，要在高端制造领域实现核心工业软件的自主可控。焊接作为基础性、战略性的制造工艺，正是工业软件国产化的重点环节之一。与此同时，国家工信部、科技部等部门陆续启动了智能制造示范工程、重大专项等，鼓励企业和科研机构联合攻关，推动仿真软件在航空航天、船舶海工、汽车装备等关键产业中的应用落地。
政策的支持与市场需求的倒逼，共同形成了焊接智能化发展的强烈驱动力。对中国制造业而言，一款国产化、自主可控、贴近产业需求的焊接仿真软件，已不再是“可有可无”的选项，而是产业发展的必然选择，更是迈向制造强国的重要基石。
三、“悟焊”研发的技术逻辑
在这样的背景下，国产焊接仿真软件 “悟焊” 应运而生。该软件由广州大学/上海兴广泰焊接技术有限公司的杨春生院士团队牵头研发，周建国博士担任技术负责人。
杨春生院士是加拿大工程院院士，长期从事焊接数值模拟与结构工程研究。他在国际焊接仿真领域提出过智能化数字焊接仿真技术，推动了焊接全过程的可视化和预测化，并曾获得加拿大国家研究院最佳产业化奖。这些成果被应用于航空航天和造船工程，显著提升了焊接结构的安全性和可靠性。在长期的学术积累和产业经验基础上，他提出要打造一款真正服务中国制造业的自主软件。
在杨春生院士的指导推动下，周建国博士带领研发团队从底层技术入手，逐步完成核心算法、软件架构与应用模块的开发。周博士强调，“悟焊”的目标并不是简单模仿国外软件，而是要解决本土企业的实际问题。为此，团队在研发过程中始终坚持两大原则：一是完全自主可控，避免“卡脖子”；二是紧贴产业需求，确保仿真结果能够直接服务焊接工艺优化。
四、“悟焊”的技术突破价值
“悟焊”的最大亮点，在于它并不是在现有国外平台上做功能堆叠，而是独立研发了完全自主可控的求解器（见图1）。这是软件的“心脏”，决定了计算的准确性与扩展性。不同于国外软件的黑盒内核，“悟焊”的求解器基于自主算法体系，从理论建模到数值实现都由团队独立完成，可随时根据工艺需求进行定制化优化。这意味着用户不再受制于国外的限制，真正拥有了自主可控、自我进化的核心技术。在此基础上，“悟焊”实现了多方面的技术突破：
首先是计算效率的跨越式提升。传统焊接仿真往往需要数天才能完成一次大型结构的运算，这使得其难以在生产节奏中发挥作用。“悟焊”自研发伊始便引入 GPU 并行架构，通过深度优化算法与负载均衡，大幅提升了计算效率。同时，该软件除了提供瞬态求解仿真功能， 还提供了两种快速求解算法， 亦即实体单元的热循环和壳壳单元固有压力快速求解算法，用于形变分析和趋势估算，原本需要数天的仿真任务，如今不到一小时即可完成，为企业工艺制定节省了宝贵的研发时间，大幅缩短研发周期。
其次是建模方式的革新。有限元仿真对网格划分有极高要求，稍有不慎就会导致收敛失败。为此，“悟焊”团队开发了不共节点网格技术，使建模更灵活，前处理难度显著降低。这一改进不仅提高了计算稳定性，也让更多工程师能够快速上手，把仿真应用到实际工艺设计中。
最后是面向未来的多热源耦合技术。在船舶和航空航天等高端制造场景，多焊枪协同与混合热源焊接已经成为趋势，但国际软件在这一领域仍然存在短板。“悟焊”正在集中力量研发多热源耦合模块，力求突破行业瓶颈，为中国制造提供真正自主的复杂焊接仿真能力。
可以说，正是凭借自主求解器和一系列技术突破，“悟焊”具备了在国际软件林立的环境中脱颖而出的底气。它不仅提升了技术指标，更重要的是切中了企业的实际痛点，让焊接仿真真正从实验室走向了生产现场。
五、“悟焊”应用场景的验证
“悟焊”的价值，最终要通过产业应用来体现（见图2）。
在航空航天领域，钛合金薄板焊接的裂纹控制一直是难题。通过“悟焊”仿真，工程师能够提前识别热输入的敏感区间，并设计合理的工艺参数，从而大幅降低裂纹发生率。
在造船行业，大型船体的焊接变形与残余应力一直困扰着设计与施工。使用“悟焊”后，工程师能够在虚拟环境中预测变形情况，并优化焊接顺序与工艺路径。据某船厂反馈，焊后矫正工作量因此减少了三分之一，带来了显著的成本节约。
在汽车制造中，点焊是最基础却最关键的工艺。过去需要大量试验才能验证焊点强度，如今通过“悟焊”仿真，设计人员就能提前获得焊点性能预测结果，从而快速筛选参数，大幅缩短新车型研发周期。
能源装备制造也从中受益。对于厚板和高强度材料的焊接，“悟焊”提供了多物理场耦合的仿真支持，使工艺优化更加科学可靠。
这些应用表明，“悟焊”不仅停留在科研层面，而是切实进入了产业一线，帮助企业提升了生产效率与质量。
六、“悟焊”诞生的意义与未来发展
“悟焊”的出现，不仅仅是一款软件的问世，更代表了中国在焊接仿真领域的一次自主突破。
首先，它打破了国外软件的长期垄断。焊接仿真是制造业数字化的重要一环，长期依赖国外产品既增加成本，也存在被动风险。“悟焊”的自主可控，使中国制造业在这一环节拥有了话语权。
其次，它推动了制造方式的转型。过去的焊接依赖经验积累，如今通过仿真可以实现数据驱动和智能化优化设计。这一转变不仅提升了工艺水平，也加速了智能制造的进程。
再次，它承载着未来诸多未来发展预期。“悟焊”团队已经提出要打造“数字焊接生态”。未来，软件将与人工智能、工业互联网和云计算结合，构建更广阔的平台服务（见图3）。通过 AI 工艺推荐、云端协同仿真以及教育推广，“悟焊”有望成为科研、产业和人才培养的纽带，真正带动行业的系统性升级。
可以说，“悟焊”不仅是一款软件，更是中国制造业在数字化道路上的缩影。从追随到并跑，再到未来的领跑，它代表了智能化制造的自主创新力量，也昭示着中国制造业走向高质量发展的坚实步伐。
图1： “悟焊”的核心技术1
图2 ：“悟焊”的核心技术2
图3 ：“悟焊”的未来发展规划
（作者：任晓军，广州大学人工智能学院副教授 、魏从源，32228部队21分队工程师。）
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