焊接工艺在工业制造中变得越来越重要，因为增加具有良好焊接质量要求的组件的产量，如更少的变形，更深的熔透和更低的HAZ。同时，减少消费和可持续性是应对气候变化的共同目标，也是任何人类活动的指标。

因此，有必要了解和控制影响焊接区域的主要工艺参数并选择正确的设置，避免任何试验，以获得具有最佳性能的组件。开发预测数值模型是提高可靠性、生产力和性能产品的工业和学术需求。该场景证明了数值建模作为焊接调查和分析的有效工具的应用。

围绕这一概念，提出了几项研究，表明人们对焊接过程的热机械方面及其对连接部件的影响的建模越来越感兴趣开发了一个有限元模型来研究 Usibor1500/DP600 异种电阻点焊缝的变形和断裂行为。将其与改变焊缝尺寸、薄板厚度和载荷类型的 24 个实验进行了比较，从而更好地了解了影响焊缝行为的几个方面。

良好的数值结果表明，在汽车行业中，优化的非构组件设计具有更轻量化的优势。通过基于欧拉的计算固体力学模型实现了搅拌摩擦焊接工艺。通过分析对应力、工艺温度、等效塑性应变和材料流动的影响，并将所提出的模型与传统库仑摩擦模型进行比较，作者通过比较实验结果和文献证明了其程序的鲁棒性。该模型是传统椭球体形状的高级版本，具有非对称的能量分布和前后轴长度不等。

通过对钨极气体保护焊和埋弧焊进行基于有限元的传热分析，验证了所开发的热源模型。与相应实验结果吻合较好，表明了新热源模型的准确性及其在不同熔焊缝分析中的灵活性进程。焊接，无论是HAZ还是熔合区，都需要进行详细的研究，以全面了解过程中发生的热机械现象，因为它们对部件的机械响应和质量有重大影响。

因此开发稳健的数值模型仍然吸引着工业和学术研究的相关兴趣。出于这个原因，为了在这个方向上做出贡献，在这项工作中，通过商业软件代码SYSWELD和SFTC DEFORM-19D进行非耦合3D热机械分析。对AISI 441的单珠GMAW进行了建模。

对电弧焊工艺的兴趣还在于这种焊接技术在连接先进材料时的几个优点：控制恢复，再结晶和晶粒生长，提高抗拉强度，提高材料延展性和抗疲劳性，对焊缝开裂敏感性的显着发生率。通过结合两种软件在数值建模方面的优势，对上述电弧焊工艺进行了研究。

在SFTC DEFORM-3D中开发并实施了两个定制的用户子程序，用于预测晶粒生长和硬度变化。展示了所提出的程序在测量和控制残余应力和应变、变形、晶粒尺寸演变和硬度变化方面的有效性。

AISI 441铁素体不锈钢通过GMAW程序通过全自动割炬运动加入。焊接是在两块厚度为 1.5 毫米、248 HV 的板上进行的0.01硬度，以及图中显示的几何形状、夹紧设置和坐标系。焊接工艺参数为220 A电流，11.9 V电压，800 mm/min焊接速度和12.2 m/min填充材料速度沉积。纯氩气用作保护气体，流速为15升/分钟。

分析了八种配置重复性为30次，共1次测试。焊接后，长度为92 mm的样品分别安装到树脂支架上进行微观结构研究。金相制备包括使用凯勒试剂（2ml蒸馏水，2ml硝酸，3ml盐酸和<>ml氢氟酸）进行机械抛光和蚀刻。通过光学显微镜分析焊接部件的横截面，以研究焊缝的几何形状，HAZ延伸和晶粒尺寸变化。

基材（未受影响区）和HAZ之间的晶粒尺寸变化。平均晶粒尺寸为35 μm的母材。与贱金属相比，由于触发晶粒生长的温度升高，晶粒尺寸更粗糙：当将贱金属与HAZ进行比较时，观察到晶粒尺寸增加了70%以上。在所有研究的样品中，晶粒保持等轴形状，具有主要的粗粒。

在这两种情况下，将热源移离焊接区域会导致工艺温度降低，从而导致不同的HAZ长度。事实上，随着Dx的增加，热源从两个板的接触线区域移开，将热通量分布转移到一个以与环境产生主要热量扩散为特征的区域，导致达到的温度降低。同时，S的增加导致热源穿透深度降低，在这种情况下，也会导致工艺温度降低。根据HAZ趋势，显微组织平均晶粒尺寸随S和Dx因子的增加而减小。同样在这种情况下，较低的温度导致晶粒生长的下降趋势，导致硬度变化的相反趋势，：晶粒尺寸越粗越大，硬度越低。

FLIR A655sc红外热像仪记录了历史温度，可以存储与试样整个焊缝表面的热场相关的数据。在FLIR A655sc测量配置中，设置了100 °C至650 °C的可用温度范围采集，从而分析了过程的冷却阶段，该过程的冷却阶段因其长时间被认为是残余应力和应变以及几何变形的主要原因。

根据存储的热数据，可以从位于焊缝起点、中心和末端的三个点分析冷却温度趋势， 温度分析将能够通过反复试错程序校准所研究的两个有限元软件的热源模型参数。

结合显微镜和IRC得到的实验结果，开发并标定了商用代码SYSWELD用于预测残余应力和应变以及畸变的数值模型。特别是，通过SYSWELD对焊接过程进行数值建模需要三个主要步骤：材料定义，零件几何形状和热源配件。材料属性由软件中的材料定义工具实现。三个部件的几何形状在SYSWELD中通过专用模量建模，特别注意正确焊缝形状的宏观图，

数值热机械分析的准确性与热源建模和材料属性数据的正确性有关。校准阶段结束时预测的HAZ与宏观照片之间的比较。数值结果与相应的实验结果之间具有良好的一致性，测试11的最大差异约为1%。此外，将IRC的实验记录温度与数值热历史进行了比较：数值预测的冷却速率与IRC数据一致。

在预测数据和测量数据之间获得的良好结果确认热源形状，尺寸和效率的正确性，材料性能数据的准确性以及所开发的数值模型在预测残余应力，应变和变形方面的鲁棒性。

关于商用有限元软件SFTC DEFORM-3D，将两块板建模为具有 50000 个等参数四面体单元的塑料体，而对于焊缝，则考虑了具有 32000 个单元的塑料模型。

其中 D 是当前晶粒尺寸，D0是初始晶粒尺寸，m是晶粒增长指数，k是动力学常数，t是浸泡时间。晶粒生长动力学常数k可以用阿伦尼乌斯形式表示为温度的函数。

最后，根据H-P关系计算了取决于晶粒尺寸演变的硬度变化。C 的值0和 C1对于每次试验，通过先前测量的HAZ和母材的材料硬度和晶粒尺寸的值来确定

考虑到四个测试的平均值，发现 C 为 167.50和 15.1 对于 C1重新计算每个测试的硬度时，总误差小于4%。

标定和验证阶段已经完成，利用SYSWELD数值模型分析了所研究因素对残余应力和应变以及几何畸变的影响。焊接部件残余应力和应变的变化：每条曲线代表每次测试三次重复的平均值。

本研究建立了441个数值模型，分析了部分因素对AISI 3板GMAW工艺残余应力应变、畸变、晶粒长大和硬度变化的影响。商用有限元软件SYSWELD用于残余应力、应变和变形的数值预测，商用有限元软件SFTC DEFORM-<>D用于晶粒尺寸变化和硬度演变的数值研究，方法是开发两个用户子程序，实现经典动力学理论和 H-P 方程（即硬度降低）。实施了两个软件，以广泛了解所调查过程的几个方面。

HAZ扩展的数值和实验比较之间的良好一致性验证了SYSWELD中热源参数建模的正确性和所开发技术在SFTC DEFORM-3D中的鲁棒性通过热交换窗口对Goldak的双椭球体热源进行建模。此外，通过实验证据对数值结果的验证，验证了所建立的两种数值模型和用户子程序在预测GMAW工艺热现象及相关冶金变化方面的可靠性。

因此，可以实施所示的数值程序来模拟AISI 441钢板的GMAW，从而分析影响焊接产品所需质量输出的宏观和微观结构方面。通过这种方式，通过所提出的方法，可以预测、监测和控制组件所需的微观结构和机械性能及其最终几何公差。