药芯焊丝电弧焊（FCAW）是一种广泛用于制造高强度低合金钢（HSLA钢）焊接接头的焊接工艺。采用该工艺后，焊接接头的拉伸残余应力较高，对结构的机械性能不利。前人的研究表明，焊后热处理（PWHT）期间的应变弛豫行为对优化PWHT工艺而言至关重要。本研究旨在明确HSLA钢焊缝PWHT过程中，保温时间对应变弛豫行为的影响，从而优化保温时间。这样可以大量节省压力容器和管网建设的能源成本。
1 原位中子衍射
用原位中子衍射来评估三种不同PWHT布局（保温时间为0.5h、1h和3h）下，纵向上的残余应变弛豫随时间的变化情况。记录了三次试验中PWHT期间的无应力焊接接头d0的变化。
三种保温时间安排的d0数据是一致的，因此根据以下公式，采用线性回归拟合来计算各自温度的d0值：
d0（T）=mT+c （1）
式中，T是温度，℃；m和c是由数据的线性回归拟合得出的常数。然后，使用从公式（1）中获得的d0值，按照式（2），计算所有应力消除焊接接头的应变。
图1显示，对于所有这三种热处理安排，在再加热直至600℃的过程中，残余应变随着高应变弛豫率而大幅降低。保温时间为3h的试样，其初始应变值略低于其他两个试样。初始应变值的差异，特别是对于保温时间为3h的试样，可能源于焊接过程中的某些变化（例如较高的道次间温度或较低的焊接速度）或回火效应，它们可能发生于该特定焊接位置，导致拉伸残余应力降低。
此外，再加热阶段的应变消除明显比保温时间的高；0.5h、1h和3h保温时间的试样，其应变弛豫率分别为1324με/h、1272με/h和948με/h。对于0.5h、1h和3h保温时间的试样，可以发现保温期间的应变消除率较低且相对稳定，平均为236με/h、315με/h和95με/h。对于0.5h、1h和3h的热处理试样，三种不同配置的保温期间的总弛豫应变为125±138με，315±118με和285±125με。数据明确表明，应变弛豫主要发生于再加热阶段至均热温度期间，而保温时间对所有三个试验的影响是最小的（3h保温时间的弛豫最大，为13%）。
值得一提的是，0.5h、1h和3h试样冷却期结束时的残余应变约为560±120με、60±95με和110±105με。可以看出，这些数值与再加热阶段结束时和均热时间开始时的应变值相差不大。这进一步表明，均热时间对成功去除焊接过程中产生的残余应力的PWHT来说并不关键。
2 PWHT前后的残余应力测量（非原位中子衍射）
测量了不同保温时间（0.5、1和3h）的PWHT前后的残余应力，如图2和图3所示。从图中可以看到，可用测得的焊接状态试样在PWHT前的残余应力来确定最大残余应力的区域，并提供残余应力分布的总体描述。还可以看出，残余应力在焊缝中心线的两侧是对称的，且在热影响区和焊缝金属中呈拉伸模式。在母材中可见平衡压应力，离热影响区更远。在板的顶表面以下3mm深的纵向（与焊缝平行）上发现了残余应力的峰值，其大小为650±15MPa，比母材和焊缝金属的屈服强度高85-100MPa左右（图2（a））。该区域内的拉伸残余应力之所以高是因为最终焊道的回火效应最小。值得一提的是，残余应力在一定程度上得到了缓解（图2（c-e）），特别是在初始焊道和焊接金属的中间（尤其是从板的中厚处向板的底部）。这可以用终焊道对前焊道的回火作用，以及焊缝中部的排热率比热影响区的更低解释。
在PWHT后也测量了残余应变/应力以观察各种保温时间安排对缓和拉伸残余应力的效果。图3（a-c）示出了不同PWHT配置（0.5、1和3h保温时间）下，板顶面下3mm的三个方向的PWHT后残余应力分布。这些数据显然与原位中子衍射的结果一致。对于保温时间为0.5h的热处理试样，采用PWHT后，残余应力显著降低，最大为178MPa，约为焊缝金属屈服强度的32%。
还用彩虹码测出了Kernal平均取向差（KAM），其中蓝色和红色代表最低和最高的残余应变或塑性变形，从而对焊接状态和PWHT试样的应变分布做出定性描述。将每个像素点及其最邻近其他像素点取向差进行指数化和平均化（超过5°的取向差被排除在计算之外以便忽略高角度晶界的作用），计算出KAM。本研究选择第二近邻来定义Kernal。图4是焊接状态和各种PWHT布局下，FGHAZ（细晶粒热影响区）、CGHAZ（粗晶粒热影响区）和焊缝金属WM（板中间厚度）的KAM图（带KAM平均值）。代表显微结构（FGHAZ和焊缝金属）内的低应变区域的蓝色区域群表示残余应变的释放。就这些区域而言，PWHT之后焊接状态试样内的残余应变降低。这种降低在1h保温时间的热处理试样焊缝金属中尤为明显。在0.5h和1h保温的试样的CGHAZ中也观察到了类似的趋势。然而，保温时间为3h的试样，其蓝色群范围显示的应力消除区域比其他试样的少，这可能是拉伸减少的过程中，冷却速率更高造成的（保温时间后去除加热毯）。
3 机械性能
对不同热处理条件的试样进行了硬度测量。在焊缝顶面下3mm处，对整个焊缝进行测量，所取区域与原位和非原位中子衍射测量的类似。硬度值有一些波动，特别是焊接状态和保温1h的试样，与焊缝金属相比，热影响区的硬度值更高。不过，经过长时间热处理（保温时间为3h）的试样，其硬度值更低，这就证明该试样的屈服强度降低。这一趋势亦与PWHT引起的包括更细小铁素体显微结构（即贝氏体和魏氏体铁素体）转变为粗大等轴多边形铁素体在内的显微结构变化一致。
除了硬度试验外，还进行了夏比冲击和拉伸试验以充分研究保温时间对各种机械性能的影响。结果表明，与焊接状态时的情况相反，屈服强度和拉伸强度都下降，而延伸率（延性）提高。然而，在PWHT试样中，与0.5h和1h的保温时间相比，保温时间最长的试样（3h）的强度和延性最低（见表1）。在夏比冲击试验中也观察到了类似的结果，保温时间延长（1h和3h保温时间）的试样，其吸收能减少。
本文采用原位中子衍射技术，研究了保温时间对残余应变弛豫的影响，可以得出以下结论：
1）在所有三个保温时间中，大部分应变弛豫发生在PWHT的再加热阶段，其中约80%的应变得以缓解。保温时间内最高的应变弛豫量约为13%（保温时间3h）。
2）非原位中子衍射证实了原位中子衍射的结果，在保温时间为0.5h的试样中测得的残余应力值略高。
3）机械性能结果也证实，延长保温时间对焊件没有好处，且会使焊接接头中的此类性能恶化。
4）因PWHT而发生，包括亚晶粒多边形化和形成的显微结构变化，也证明了蠕变型软化机制是造成PWHT期间应变弛豫的原因。（刘成）
《世界金属导报》
2023年第三期 B12、B13
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