基于DMADOV的12Cr1MoV異質接頭焊接缺陷分析*

張勝躍，卿 黎，張宇棟，馮秋霞，牛 犇

（1.昆明理工大學 國土資源工程學院,昆明 650093;2.中國地質大學（武漢）工程學院,武漢 430074;3.昆明鍋爐有限責任公司,昆明 650217）

基于DMADOV的12Cr1MoV異質接頭焊接缺陷分析*

張勝躍1，卿 黎1，張宇棟1，馮秋霞2，牛 犇3

（1.昆明理工大學 國土資源工程學院,昆明 650093;2.中國地質大學（武漢）工程學院,武漢 430074;3.昆明鍋爐有限責任公司,昆明 650217）

通過對12Cr1MoV異質接頭進行分析，運用DMADOV流程來提高焊接質量，對焊接過程中產生缺陷的原因進行分析，確定了焊接工藝優化方案，并對其進行驗證。對焊接過程的主要缺陷類型進行定性、定量分析，運用有限元法對焊接過程進行焊接模擬，對相關的工藝參數進行優化改進。結果表明，焊接缺陷的成因是多方面的，焊接缺陷最主要的影響因素是焊接工藝參數的設置，通過對焊接工藝參數設置的優化可以提高焊接質量，其中焊接過程中是否進行焊前焊后熱處理以及焊接過程中的管理水平也非常重要。

12Cr1MoV異質接頭；DMADOV；焊接工藝參數；焊接缺陷；有限元法

12Cr1MoV異質接頭廣泛應用于鍋爐壓力容器設備當中，由于其母材及焊材金屬性能的不同，會導致12Cr1MoV異質接頭產生較大的焊接殘余應力。因此，研究并建立一套焊接缺陷參數質量控制優化體系，可提高鍋爐壓力容器的焊接質量，降低焊接缺陷率，提高鍋爐壓力容器在實際運行過程中的安全效率，對特種設備行業的健康發展具有重要意義。本研究采用DMADOV模型把影響焊接參數的關鍵因素的設置結合到整個設計流程過程中，從而確保產品質量，降低產品生命周期成本。基于DMADOV的12Cr1MoV異質接頭焊接缺陷分析方法，結合有限元法對實際焊接環境進行模擬，并對焊接缺陷進行再優化是傳統6σ方法所不具有的[1-2]。

應用DMADOV方法對鍋爐壓力容器的焊接質量進行管理并監測，能減少缺陷并尋求發生缺陷的原因，根據缺陷反饋優化工藝，通過不斷地度量、分析、優化和改進，達到控制焊接缺陷率的目的[3]。采用DMADOV方法對在鍋爐壓力容器上的12Cr1MoV異質接頭的熱加工工序進行優化和質量控制，并通過試驗數據分析和有限元模擬，體現該方法對提高12Cr1MoV異質接頭焊接質量的有效性。

1 焊接缺陷界定與測量

為了驗證該測量系統的有效性，通過隨機抽樣的方式選取某全年生產的60 000個焊件的1%，共600個缺陷試樣作為樣本進行檢測性試驗，統計出焊接缺陷類型為氣孔、表面缺陷、裂紋、夾渣、未焊透和未熔合、組織缺陷和其他類型的缺陷[6-8]，測量系統分析結果如圖1所示，這些缺陷主要通過目視和探傷工具進行檢測。為了簡化試驗方案，采用參數估計方法對600個缺陷試樣中的兩個最具代表性的焊接試樣作為參考樣本，并參考實際生產過程中的焊接工藝參數制取12Cr1MoV異質接頭試樣，制取試樣時，使該兩組參數只有電壓設置不同：第1組電壓設置為30V，第2組設置為20V。第1組焊接工藝參數見表1。之后對兩組試樣進行X探傷，探傷結果如圖2所示。由圖2可以得出，對于單個試樣、單條焊縫而言，焊接電壓設置較高一組的焊接缺陷明顯比電壓設置較低的一組的缺陷數多。由于鍋爐壓力容器上的12Cr1MoV異質接頭大多由高韌性淬火回火低合金鐵素體鋼制造，所以通過焊接制取的試樣內部缺陷（鋼體中氣泡）具有Poisson分布的特征[4-5]。接下來采用Poisson能力分析來評估和比較參數設置的差距對焊接缺陷的影響程度。

圖1 缺陷類型的Pareto圖

表1 第1組焊接工藝參數（未優化）

圖2 焊接缺陷X射線探傷結果

運用Pareto運行圖可以將導致焊接缺陷類型的原因主要集中在造成測量系統變異的根本原因上，比如測量的設備或（和）操作員。運行圖可以識別出測量值中的不同模式，從而提供辨明測量設備或操作員相關問題的實質能力。從圖1中可以清楚地了解到該批次最主要的焊接缺陷類型為氣孔，占到總缺陷類型的42.1%，其次為表面缺陷和裂紋，分別占缺陷類型的17.1%和14.6%，這3種焊接缺陷類型占總的焊接缺陷的73.8%，下面主要針對這3種焊接缺陷類型進行分析。

2 主要焊接缺陷分析

2.1 定性分析

制取12Cr1MoV異質接頭時，若采取的焊接工藝不當，致使焊接操作過程中產生焊接缺陷，這是接頭壽命降低、甚至失效的直接原因[6-10]。為此，必須準確分析數據，建立數學模型，并核查解決焊接缺陷方案的有效性。首先建立因果，經過篩選有6種主要因素保留下來，并輸入原因和結果作進一步分析，如圖3所示。

圖3 缺陷類型因果圖

2.2 定量分析

對缺陷數進行分析，確定影響焊接質量的關鍵因素，并對測量階段的數據進行了分析。可以看出，各階段缺陷種類的數量不盡相同，按焊接工藝對以前的裝配過程采集了100組樣本數據，并采用Poisson能力分析來評估和比較樣本分布（如圖4所示）。從圖4可以看出，U控制圖說明在生成報告時過程處于受控狀態；累積DPU均值控制圖（每個單位的缺陷數）說明已收集的數據來自足以穩定估計均值的樣本；DPU直方圖顯示來自收集的樣本中每單位缺陷數的整體分布。結合圖4和圖1可知，缺陷圖（當子組大小不是常量時）說明Poisson分布的假設DPU不受抽樣項目大小的影響，或Poisson圖（當子組大小為常量時）通過繪制預期缺陷數與實際觀測缺陷數的對比圖證實Poisson分布是否合理。

圖4 焊接缺陷數的Poisson能力分析

3 設計與優化

3.1 采用正交試驗設計出最優工藝參數

用數理統計方法設計出的因素水平見表2。對常用的12Cr1MoV異質接頭制取試樣，規格為300 mm×150 mm×12 mm，切割成V形坡口槽，采用鎢極氬弧焊接工藝并用混合氣體作為保護焊（20%CO2＋80%Ar），焊絲直 徑為2mm，采 用6道焊接工藝，用正交設計并作相應的統計分析，焊接殘余應力用Sigmar ASDM2-16型8路應變同步采集系統和Sigmar綜合測試平臺測得，見表3。

從表3可看出，第3組水平搭配中當焊接電壓設置為20 V，焊接電流設置為150 A，焊前預熱溫度為300℃時，焊接殘余應力測得最小值98 MPa。

表2 因素水平

表3 試驗方案

3.2 利用有限元法對最優工藝參數進行優化

有限元軟件模擬焊接的最大特點是動態模擬焊接全過程，焊接過程中，溫度場與應力應變場是雙向耦合的。以上正交設計只對12Cr1MoV異質接頭焊接過程中最關鍵的3個影響因素進行了分析，為了節省成本，其他參數如焊接速度和焊接路徑的選取則在有限元軟件中進行分析，最后求解出焊接殘余應力[11-12]。本研究利用有限元焊接軟件Simufact.welding進行分析，建立的12Cr1MoV異質接頭有限元模型如圖5所示。設置并使有限元焊接工藝參數與正交試驗設計的焊接工藝參數保持一致。焊接過程中焊接速度和焊接路徑的選取也對焊接殘余應力有影響[13-14]，因此，在這個過程中應分析各個參數與焊接殘余應力之間的耦合關系，并綜合考慮各個參數之間的關系，從而優化出最佳焊接工藝。

圖5 對接接頭有限元模型

通過有限元分析軟件，運用效果對比方法最終設置的焊接工藝參數見表4，并采用雙橢球高斯熱源作為熱源模型進行模擬焊接殘余應力。采用表4和表1工藝參數模擬的焊接殘余應力如圖6所示。對比可知，經過焊接工藝參數設置優化的焊接殘余應力明顯減少。

表4 焊接工藝參數（已優化）

圖6 兩種焊接工藝參數下模擬的焊接殘余應力比較

4 優化后焊接工藝的驗證

4.1 對焊接缺陷的可控水平進行驗證

對整個焊接過程的優化就是對其缺陷進行統計，并對缺陷數量進行控制，進而提高其可靠性的過程。有效控制影響響應輸出的關鍵影響因子，實現焊接質量控制[15-16]。Xbar-S控制圖對那些需要解決的問題的變異性提出了警告并進行了更改。Xbar-S控制圖可以確定（或否定）這種穩定性的趨勢[17-18]，如圖7所示。

圖7 焊接缺陷Xbar-S控制圖

由于同一批次的產品質量總是存在差異，而引起這種差異的因素大致可以分為兩大類：隨機因素和系統因素。盡管控制圖具有多種特征，其構造的基本特征是一樣的，大都是基于正態分布的3σ原理。

假設在焊接過程中不存在系統因素的影響，產品質量指標

則有

若在焊接過程中僅僅受隨機因素的影響，則X的變化趨勢是穩定的。圖7為運用Xbar-S控制圖對焊接工藝參數重新設置后的15個月內的焊接缺陷類型進行的分析，年產60 000個12Cr1MoV異質接頭的鍋爐管板，其焊接缺陷數在80個左右，缺陷率為0.13%。從圖7可以看出，落在兩條虛線之外的概率就非常小，說明這15個月內焊接缺陷的質量水平是可控的。

4.2 宏觀檢查和微觀檢查

把制取的12Cr1MoV焊接試樣分為A和B兩組，然后進行宏觀檢查和微觀檢查。A組和B組試樣斷口宏觀形貌如圖8所示。其中A組為焊前預熱300℃，焊后不進行熱處理的試樣斷口；B組為焊前預熱300℃，焊后進行670～700℃高溫回火熱處理的試樣斷口。A組斷口位于母材，宏觀形貌呈傾斜剪切面，具有頸縮現象且有較大殘余變形，斷口呈灰色纖維狀，屬于微孔聚集型斷裂模式，電鏡掃描形貌呈韌窩花樣，由一些大小不等的圓形或橢圓形凹坑組成，是典型的韌性斷裂。B組斷口位于焊縫區，宏觀形貌表面具有發亮的小顆粒，斷口呈平直發亮型，電鏡掃描形貌存在部分解理臺階狀花紋，且有撕裂棱，屬于準解理斷裂。微觀方面用金相檢驗掃描圖檢查，如圖9所示。從圖9可以看出，A組的晶間裂紋比B組的晶間裂紋多，說明焊前焊后是否進行熱處理對焊接質量有影響。

圖8 斷口宏觀形貌

圖9 斷口微觀組織形貌

5 結 論

（1）基于DMADOV模型，在融入有限元分析之后，將更有效地設計出高質量可靠的產品，使12Cr1MoV異質接頭焊接殘余應力通過優化設置之后從最高的217 MPa減小到了98 MPa，效果明顯，從而防止了焊縫組焊裂紋和其他缺陷的產生。通過DMADOV流程進行系統性改進，使得焊接缺陷的水平由6.00%下降至0.13%左右。同時，通過改進焊接工藝參數可以減小焊后殘余應力的影響。

（2）從管理學角度構建了焊接過程缺陷的控制流程，即定義、測量、分析、設計、優化和驗證，有利于對整個流程模塊化管理，一般情況下焊接質量控制優化是通過焊接質量控制系統的控制環節和控制點的控制來實現的，還需要綜合考慮其生產工藝、生產設備、作業環境、操作人員和相關流程法規等因素。

（3） 結合有限元分析和先進的質量管理流程構建了二位一體的質量控制平臺，集成了防止人的不安全行為和管理不到位的問題，實現了焊接缺陷質量控制水平的合理定義、檢驗分析、優化驗證等功能，有利于對焊接過程實時監控，并及時反饋進行再設計和優化焊接參數設置。

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Analysis of 12Cr1MoV Heterogenic Joint Welding Defects Based on DMADOV

ZHANG Shengyue1,QING Li1,ZHANG Yudong1,FENG Qiuxia2,NIU Ben3
（1.Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences（Wuhan）,Wuhan 430074,China;3.Kunming Boiler Co.,Ltd.,Kunming 650217,China）

Through analysis of 12Cr1MoV heterogenic joint,the welding quality was improved by using the DMADOV process.The causes of welding defects were analyzed,and then the optimization scheme of welding process was determined and verified.The welding defects were qualitatively and quantitatively analyzed,at the same time,using the finite element method to simulate welding and improve related process parameters.The results showed that the causes of welding defects are various;the welding defects are mainly affected by the welding process parameters.The welding quality level can be enhanced through the setting optimization of the welding process parameters.In the process of welding,the welding management level and the heat treatment after or before welding are also very important.

12Cr1MoV heterogenic joint;DMADOV;welding process parameters;welding defects;finite element method

TG441.7

A

1001－3938（2015）12-0001-06

云南省教育廳科學研究基金重點項目“鍋爐壓力容器焊接缺陷及焊接接頭疲勞分析”（項目號KKJD201521001）;昆明理工大學自然科學研究基金資助項目“鍋爐焊接缺陷的分析與安全評定”（項目號KKSY201321083）。

張勝躍（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為焊接結構可靠性。

2015-07-12

羅 剛