基于DMADOV的12Cr1MoV异质接头焊接缺陷分析*

张胜跃，卿 黎，张宇栋，冯秋霞，牛 犇

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院,昆明 650093;2.中国地质大学（武汉）工程学院,武汉 430074;3.昆明锅炉有限责任公司,昆明 650217）

基于DMADOV的12Cr1MoV异质接头焊接缺陷分析*

张胜跃1，卿 黎1，张宇栋1，冯秋霞2，牛 犇3

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院,昆明 650093;2.中国地质大学（武汉）工程学院,武汉 430074;3.昆明锅炉有限责任公司,昆明 650217）

通过对12Cr1MoV异质接头进行分析，运用DMADOV流程来提高焊接质量，对焊接过程中产生缺陷的原因进行分析，确定了焊接工艺优化方案，并对其进行验证。对焊接过程的主要缺陷类型进行定性、定量分析，运用有限元法对焊接过程进行焊接模拟，对相关的工艺参数进行优化改进。结果表明，焊接缺陷的成因是多方面的，焊接缺陷最主要的影响因素是焊接工艺参数的设置，通过对焊接工艺参数设置的优化可以提高焊接质量，其中焊接过程中是否进行焊前焊后热处理以及焊接过程中的管理水平也非常重要。

12Cr1MoV异质接头；DMADOV；焊接工艺参数；焊接缺陷；有限元法

12Cr1MoV异质接头广泛应用于锅炉压力容器设备当中，由于其母材及焊材金属性能的不同，会导致12Cr1MoV异质接头产生较大的焊接残余应力。因此，研究并建立一套焊接缺陷参数质量控制优化体系，可提高锅炉压力容器的焊接质量，降低焊接缺陷率，提高锅炉压力容器在实际运行过程中的安全效率，对特种设备行业的健康发展具有重要意义。本研究采用DMADOV模型把影响焊接参数的关键因素的设置结合到整个设计流程过程中，从而确保产品质量，降低产品生命周期成本。基于DMADOV的12Cr1MoV异质接头焊接缺陷分析方法，结合有限元法对实际焊接环境进行模拟，并对焊接缺陷进行再优化是传统6σ方法所不具有的[1-2]。

应用DMADOV方法对锅炉压力容器的焊接质量进行管理并监测，能减少缺陷并寻求发生缺陷的原因，根据缺陷反馈优化工艺，通过不断地度量、分析、优化和改进，达到控制焊接缺陷率的目的[3]。采用DMADOV方法对在锅炉压力容器上的12Cr1MoV异质接头的热加工工序进行优化和质量控制，并通过试验数据分析和有限元模拟，体现该方法对提高12Cr1MoV异质接头焊接质量的有效性。

1 焊接缺陷界定与测量

为了验证该测量系统的有效性，通过随机抽样的方式选取某全年生产的60 000个焊件的1%，共600个缺陷试样作为样本进行检测性试验，统计出焊接缺陷类型为气孔、表面缺陷、裂纹、夹渣、未焊透和未熔合、组织缺陷和其他类型的缺陷[6-8]，测量系统分析结果如图1所示，这些缺陷主要通过目视和探伤工具进行检测。为了简化试验方案，采用参数估计方法对600个缺陷试样中的两个最具代表性的焊接试样作为参考样本，并参考实际生产过程中的焊接工艺参数制取12Cr1MoV异质接头试样，制取试样时，使该两组参数只有电压设置不同：第1组电压设置为30V，第2组设置为20V。第1组焊接工艺参数见表1。之后对两组试样进行X探伤，探伤结果如图2所示。由图2可以得出，对于单个试样、单条焊缝而言，焊接电压设置较高一组的焊接缺陷明显比电压设置较低的一组的缺陷数多。由于锅炉压力容器上的12Cr1MoV异质接头大多由高韧性淬火回火低合金铁素体钢制造，所以通过焊接制取的试样内部缺陷（钢体中气泡）具有Poisson分布的特征[4-5]。接下来采用Poisson能力分析来评估和比较参数设置的差距对焊接缺陷的影响程度。

图1 缺陷类型的Pareto图

表1 第1组焊接工艺参数（未优化）

图2 焊接缺陷X射线探伤结果

运用Pareto运行图可以将导致焊接缺陷类型的原因主要集中在造成测量系统变异的根本原因上，比如测量的设备或（和）操作员。运行图可以识别出测量值中的不同模式，从而提供辨明测量设备或操作员相关问题的实质能力。从图1中可以清楚地了解到该批次最主要的焊接缺陷类型为气孔，占到总缺陷类型的42.1%，其次为表面缺陷和裂纹，分别占缺陷类型的17.1%和14.6%，这3种焊接缺陷类型占总的焊接缺陷的73.8%，下面主要针对这3种焊接缺陷类型进行分析。

2 主要焊接缺陷分析

2.1 定性分析

制取12Cr1MoV异质接头时，若采取的焊接工艺不当，致使焊接操作过程中产生焊接缺陷，这是接头寿命降低、甚至失效的直接原因[6-10]。为此，必须准确分析数据，建立数学模型，并核查解决焊接缺陷方案的有效性。首先建立因果，经过筛选有6种主要因素保留下来，并输入原因和结果作进一步分析，如图3所示。

图3 缺陷类型因果图

2.2 定量分析

对缺陷数进行分析，确定影响焊接质量的关键因素，并对测量阶段的数据进行了分析。可以看出，各阶段缺陷种类的数量不尽相同，按焊接工艺对以前的装配过程采集了100组样本数据，并采用Poisson能力分析来评估和比较样本分布（如图4所示）。从图4可以看出，U控制图说明在生成报告时过程处于受控状态；累积DPU均值控制图（每个单位的缺陷数）说明已收集的数据来自足以稳定估计均值的样本；DPU直方图显示来自收集的样本中每单位缺陷数的整体分布。结合图4和图1可知，缺陷图（当子组大小不是常量时）说明Poisson分布的假设DPU不受抽样项目大小的影响，或Poisson图（当子组大小为常量时）通过绘制预期缺陷数与实际观测缺陷数的对比图证实Poisson分布是否合理。

图4 焊接缺陷数的Poisson能力分析

3 设计与优化

3.1 采用正交试验设计出最优工艺参数

用数理统计方法设计出的因素水平见表2。对常用的12Cr1MoV异质接头制取试样，规格为300 mm×150 mm×12 mm，切割成V形坡口槽，采用钨极氩弧焊接工艺并用混合气体作为保护焊（20%CO2＋80%Ar），焊丝直 径为2mm，采 用6道焊接工艺，用正交设计并作相应的统计分析，焊接残余应力用Sigmar ASDM2-16型8路应变同步采集系统和Sigmar综合测试平台测得，见表3。

从表3可看出，第3组水平搭配中当焊接电压设置为20 V，焊接电流设置为150 A，焊前预热温度为300℃时，焊接残余应力测得最小值98 MPa。

表2 因素水平

表3 试验方案

3.2 利用有限元法对最优工艺参数进行优化

有限元软件模拟焊接的最大特点是动态模拟焊接全过程，焊接过程中，温度场与应力应变场是双向耦合的。以上正交设计只对12Cr1MoV异质接头焊接过程中最关键的3个影响因素进行了分析，为了节省成本，其他参数如焊接速度和焊接路径的选取则在有限元软件中进行分析，最后求解出焊接残余应力[11-12]。本研究利用有限元焊接软件Simufact.welding进行分析，建立的12Cr1MoV异质接头有限元模型如图5所示。设置并使有限元焊接工艺参数与正交试验设计的焊接工艺参数保持一致。焊接过程中焊接速度和焊接路径的选取也对焊接残余应力有影响[13-14]，因此，在这个过程中应分析各个参数与焊接残余应力之间的耦合关系，并综合考虑各个参数之间的关系，从而优化出最佳焊接工艺。

图5 对接接头有限元模型

通过有限元分析软件，运用效果对比方法最终设置的焊接工艺参数见表4，并采用双椭球高斯热源作为热源模型进行模拟焊接残余应力。采用表4和表1工艺参数模拟的焊接残余应力如图6所示。对比可知，经过焊接工艺参数设置优化的焊接残余应力明显减少。

表4 焊接工艺参数（已优化）

图6 两种焊接工艺参数下模拟的焊接残余应力比较

4 优化后焊接工艺的验证

4.1 对焊接缺陷的可控水平进行验证

对整个焊接过程的优化就是对其缺陷进行统计，并对缺陷数量进行控制，进而提高其可靠性的过程。有效控制影响响应输出的关键影响因子，实现焊接质量控制[15-16]。Xbar-S控制图对那些需要解决的问题的变异性提出了警告并进行了更改。Xbar-S控制图可以确定（或否定）这种稳定性的趋势[17-18]，如图7所示。

图7 焊接缺陷Xbar-S控制图

由于同一批次的产品质量总是存在差异，而引起这种差异的因素大致可以分为两大类：随机因素和系统因素。尽管控制图具有多种特征，其构造的基本特征是一样的，大都是基于正态分布的3σ原理。

假设在焊接过程中不存在系统因素的影响，产品质量指标

则有

若在焊接过程中仅仅受随机因素的影响，则X的变化趋势是稳定的。图7为运用Xbar-S控制图对焊接工艺参数重新设置后的15个月内的焊接缺陷类型进行的分析，年产60 000个12Cr1MoV异质接头的锅炉管板，其焊接缺陷数在80个左右，缺陷率为0.13%。从图7可以看出，落在两条虚线之外的概率就非常小，说明这15个月内焊接缺陷的质量水平是可控的。

4.2 宏观检查和微观检查

把制取的12Cr1MoV焊接试样分为A和B两组，然后进行宏观检查和微观检查。A组和B组试样断口宏观形貌如图8所示。其中A组为焊前预热300℃，焊后不进行热处理的试样断口；B组为焊前预热300℃，焊后进行670～700℃高温回火热处理的试样断口。A组断口位于母材，宏观形貌呈倾斜剪切面，具有颈缩现象且有较大残余变形，断口呈灰色纤维状，属于微孔聚集型断裂模式，电镜扫描形貌呈韧窝花样，由一些大小不等的圆形或椭圆形凹坑组成，是典型的韧性断裂。B组断口位于焊缝区，宏观形貌表面具有发亮的小颗粒，断口呈平直发亮型，电镜扫描形貌存在部分解理台阶状花纹，且有撕裂棱，属于准解理断裂。微观方面用金相检验扫描图检查，如图9所示。从图9可以看出，A组的晶间裂纹比B组的晶间裂纹多，说明焊前焊后是否进行热处理对焊接质量有影响。

图8 断口宏观形貌

图9 断口微观组织形貌

5 结 论

（1）基于DMADOV模型，在融入有限元分析之后，将更有效地设计出高质量可靠的产品，使12Cr1MoV异质接头焊接残余应力通过优化设置之后从最高的217 MPa减小到了98 MPa，效果明显，从而防止了焊缝组焊裂纹和其他缺陷的产生。通过DMADOV流程进行系统性改进，使得焊接缺陷的水平由6.00%下降至0.13%左右。同时，通过改进焊接工艺参数可以减小焊后残余应力的影响。

（2）从管理学角度构建了焊接过程缺陷的控制流程，即定义、测量、分析、设计、优化和验证，有利于对整个流程模块化管理，一般情况下焊接质量控制优化是通过焊接质量控制系统的控制环节和控制点的控制来实现的，还需要综合考虑其生产工艺、生产设备、作业环境、操作人员和相关流程法规等因素。

（3） 结合有限元分析和先进的质量管理流程构建了二位一体的质量控制平台，集成了防止人的不安全行为和管理不到位的问题，实现了焊接缺陷质量控制水平的合理定义、检验分析、优化验证等功能，有利于对焊接过程实时监控，并及时反馈进行再设计和优化焊接参数设置。

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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

云南省教育厅科学研究基金重点项目“锅炉压力容器焊接缺陷及焊接接头疲劳分析”（项目号KKJD201521001）;昆明理工大学自然科学研究基金资助项目“锅炉焊接缺陷的分析与安全评定”（项目号KKSY201321083）。

张胜跃（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为焊接结构可靠性。

2015-07-12

罗 刚