《Materials Today Communications》：Effect of Welding Sequence on the Thermo-Mechanical Response and Preliminary Fatigue Behavior of Circumferentially Welded HSLA100 Steel
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焊接顺序被作为HSLA100钢管道接头的一种工艺设计变量进行了评估。研究人员建立了一个三维热-力学有限元（thermo-mechanical finite element, FE）模型，并利用热学数据和孔钻法（hole-drilling）数据对其进行了验证。与
焊接顺序被作为HSLA100钢管道接头的一种工艺设计变量进行了评估。研究人员建立了一个三维热-力学有限元（thermo-mechanical finite element, FE）模型，并利用热学数据和孔钻法（hole-drilling）数据对其进行了验证。与传统顺序焊接（Mode 1）相比，同步焊接（Mode 2）使临界拉伸应力降低了23.90%–59.45%，使最大变形降低了40.4%。疲劳试验结果显示出Mode 2强度趋向于更高的初步趋势。研究表明，焊接顺序优化可作为一种改变热分布、控制残余应力和减少变形的有效策略，从而改善HSLA100焊接结构的疲劳可靠性。
高强度低合金（high-strength low-alloy, HSLA）钢以其高强度、优异韧性和疲劳抗力，广泛应用于海洋平台、压力容器和重型装备等关键工程结构。环向焊接接头由于几何不连续、局部冶金转变、焊接残余应力和应力集中效应，往往是结构疲劳失效的控制区域。已有研究表明，焊缝几何形状、缺口位置和强度失配影响疲劳裂纹扩展，而焊接残余应力状态会显著改变平均应力水平和裂纹扩展行为。焊接顺序作为一种能够控制热分布、残余应力和变形而不改变焊接条件的变量，已被证实可影响管道焊接变形和残余应力分布，但对环向HSLA100管道接头中焊接顺序作为集成热管理策略，来优化残余应力再分布、变形演化和疲劳性能的系统研究仍有所欠缺。为此，本研究旨在通过数值模拟和实验验证，建立焊接顺序与热-力学响应、疲劳性能之间的关系。
研究人员在SYSWELD平台建立了HSLA100钢管环向焊接的全三维热-力学有限元模型，网格在焊缝和热影响区（heat-affected zone, HAZ）局部细化，包含约19,224个节点和31,546个单元。模型采用Goldak双椭球移动热源模拟电弧热输入，通过元素生死技术实现焊道逐层填充；材料属性设为温度相关，热边界条件包括对流和辐射。实验部分，采用热电偶和红外测温记录热循环，依据ASTM E837进行孔钻法残余应力测量，并依据ASTM E466制备平板疲劳试样进行高周疲劳试验，应力比R=0.1、0.2、0.5。试验材料为HSLA100钢管（外径68 mm，内径60 mm）和ER110S-G填充焊丝（直径1.2 mm），焊接工艺满足ASME Section IX资格要求。两种焊接策略分别为传统顺序焊接（Mode 1，根焊道完成后填充焊道）和同步焊接（Mode 2，内外焊道同时施焊）。
研究结果如下。
3.1 热场演变（Thermal Field Evolution）：通过提取熔合区节点温度历史和冷却速率，发现Mode 1在熔合区呈现两次连续热循环，Mode 2产生单一主导热循环，表明焊接顺序改变了热输入与散热的时域交互。
3.2 变形行为与热-力学变形（Distortion Behavior and Thermo-Mechanical Deformation）：通过比较不同环向位置的总位移幅值，Mode 1最大变形出现在θ=90°内表面，约为0.349 mm；Mode 2最大变形降至0.208 mm，减少约40.4%，且环向分布更均匀。
3.3 残余应力演变（Residual Stress Evolution）：通过提取θ=0°、90°、180°、270°内外表面应力分量，Mode 1在内表面θ=90°处出现最大残余应力分量约392 MPa；Mode 2在保持拉伸状态的关键位置使临界拉伸应力降低23.90%–59.45%，另有四个位置由拉伸转为压缩，全局最大von Mises应力从682 MPa降至593.9 MPa。
3.4 局部峰值应变与热-力学变形分析（Analysis of Local Peak Strains and Thermo-Mechanical Deformation）：通过对比关键节点总应变分量，Mode 2在多数位置降低了峰值应变幅值，例如θ=180°处最大总应变从0.042降至0.010，θ=270°处从0.013降至4×10
-5，但降低效果依赖于位置和应变分量。
3.5 相变与微观组织影响（Phase Transformation and Microstructural Implications）：通过预测相分布和光学显微镜观察，HAZ内存在贝氏体、马氏体，焊缝金属为针状铁素体和晶界铁素体，并观察到马氏体-奥氏体（martensite-austenite, MA）岛，这些微观特征与焊接热循环和冷却条件密切相关。
3.6 疲劳性能实验评估（Experimental Assessment of Fatigue Performance）：孔钻法实测残余应力与数值预测趋势一致，但数值绝对值偏低。疲劳试验显示Mode 2的疲劳强度在R=0.1、0.2、0.5下均高于Mode 1，分别从327、286、271 MPa升至348、318、298 MPa，因样本量有限，该结果仅视为初步趋势。
3.7 机理讨论（Mechanistic Discussion）：综合热-力学结果，Mode 2的残余应力改善并非源于峰值温度降低，而是由于同步热源改变了材料经历的加热-冷却循环次数和受约束收缩历史，导致不同的塑性应变积累和应力再分布路径。拉伸残余应力的降低为抗疲劳接头提供了更有利的应力状态，但疲劳行为还受几何、微观缺陷和切口效应等影响，残余应力仅是因素之一。
本研究通过数值与实验相结合的方法，证实了焊接顺序优化可作为一种有效的工艺设计策略，在不改变母材、填充金属和焊接设备的情况下，降低临界拉伸残余应力、控制变形并改善HSLA100环向焊接接头的疲劳性能。结论如下：与顺序焊接相比，同步焊接改变了焊道间的热交互和环向热响应；在保持拉伸状态的关键位置，临界拉伸应力降低23.90%–59.45%，部分位置由拉变为压，最大变形减少40.4%；同步焊接降低了局部峰值应变和近焊缝区残余应力梯度；由于拉伸残余应力是疲劳裂纹萌生和扩展的主要驱动力之一，同步焊接所实现的应力降低为抗疲劳接头创造了更有利条件；但疲劳性能受多种因素共同作用，残余应力并非唯一因素；焊接顺序优化可能为控制HSLA100焊接构件的残余应力和变形提供一条实用工艺路线。总体而言，焊接顺序优化可作为一种简单有效的材料加工设计策略，但疲劳测试结果因样本量有限，应视为提示性而非结论性证据。
