基于DMADOV的12Cr1MoV異質(zhì)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(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院,武漢 430074;3.昆明鍋爐有限責(zé)任公司,昆明 650217）

基于DMADOV的12Cr1MoV異質(zhì)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(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院,武漢 430074;3.昆明鍋爐有限責(zé)任公司,昆明 650217）

通過(guò)對(duì)12Cr1MoV異質(zhì)接頭進(jìn)行分析，運(yùn)用DMADOV流程來(lái)提高焊接質(zhì)量，對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行分析，確定了焊接工藝優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)焊接過(guò)程的主要缺陷類型進(jìn)行定性、定量分析，運(yùn)用有限元法對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行焊接模擬，對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)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(shù)的設(shè)置，通過(guò)對(duì)焊接工藝參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化可以提高焊接質(zhì)量，其中焊接過(guò)程中是否進(jìn)行焊前焊后熱處理以及焊接過(guò)程中的管理水平也非常重要。

12Cr1MoV異質(zhì)接頭；DMADOV；焊接工藝參數(shù)；焊接缺陷；有限元法

12Cr1MoV異質(zhì)接頭廣泛應(yīng)用于鍋爐壓力容器設(shè)備當(dāng)中，由于其母材及焊材金屬性能的不同，會(huì)導(dǎo)致12Cr1MoV異質(zhì)接頭產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。因此，研究并建立一套焊接缺陷參數(shù)質(zhì)量控制優(yōu)化體系，可提高鍋爐壓力容器的焊接質(zhì)量，降低焊接缺陷率，提高鍋爐壓力容器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的安全效率，對(duì)特種設(shè)備行業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。本研究采用DMADOV模型把影響焊接參數(shù)的關(guān)鍵因素的設(shè)置結(jié)合到整個(gè)設(shè)計(jì)流程過(guò)程中，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生命周期成本?；贒MADOV的12Cr1MoV異質(zhì)接頭焊接缺陷分析方法，結(jié)合有限元法對(duì)實(shí)際焊接環(huán)境進(jìn)行模擬，并對(duì)焊接缺陷進(jìn)行再優(yōu)化是傳統(tǒng)6σ方法所不具有的[1-2]。

應(yīng)用DMADOV方法對(duì)鍋爐壓力容器的焊接質(zhì)量進(jìn)行管理并監(jiān)測(cè)，能減少缺陷并尋求發(fā)生缺陷的原因，根據(jù)缺陷反饋優(yōu)化工藝，通過(guò)不斷地度量、分析、優(yōu)化和改進(jìn)，達(dá)到控制焊接缺陷率的目的[3]。采用DMADOV方法對(duì)在鍋爐壓力容器上的12Cr1MoV異質(zhì)接頭的熱加工工序進(jìn)行優(yōu)化和質(zhì)量控制，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和有限元模擬，體現(xiàn)該方法對(duì)提高12Cr1MoV異質(zhì)接頭焊接質(zhì)量的有效性。

1 焊接缺陷界定與測(cè)量

為了驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)的有效性，通過(guò)隨機(jī)抽樣的方式選取某全年生產(chǎn)的60 000個(gè)焊件的1%，共600個(gè)缺陷試樣作為樣本進(jìn)行檢測(cè)性試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)分析結(jié)果如圖1所示，這些缺陷主要通過(guò)目視和探傷工具進(jìn)行檢測(cè)。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)方案，采用參數(shù)估計(jì)方法對(duì)600個(gè)缺陷試樣中的兩個(gè)最具代表性的焊接試樣作為參考樣本，并參考實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)制取12Cr1MoV異質(zhì)接頭試樣，制取試樣時(shí)，使該兩組參數(shù)只有電壓設(shè)置不同：第1組電壓設(shè)置為30V，第2組設(shè)置為20V。第1組焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。之后對(duì)兩組試樣進(jìn)行X探傷，探傷結(jié)果如圖2所示。由圖2可以得出，對(duì)于單個(gè)試樣、單條焊縫而言，焊接電壓設(shè)置較高一組的焊接缺陷明顯比電壓設(shè)置較低的一組的缺陷數(shù)多。由于鍋爐壓力容器上的12Cr1MoV異質(zhì)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(guò)焊接制取的試樣內(nèi)部缺陷（鋼體中氣泡）具有Poisson分布的特征[4-5]。接下來(lái)采用Poisson能力分析來(lái)評(píng)估和比較參數(shù)設(shè)置的差距對(duì)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(shù)（未優(yōu)化）

圖2 焊接缺陷X射線探傷結(jié)果

運(yùn)用Pareto運(yùn)行圖可以將導(dǎo)致焊接缺陷類型的原因主要集中在造成測(cè)量系統(tǒng)變異的根本原因上，比如測(cè)量的設(shè)備或（和）操作員。運(yùn)行圖可以識(shí)別出測(cè)量值中的不同模式，從而提供辨明測(cè)量設(shè)備或操作員相關(guān)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)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?cè)毕蓊愋偷?2.1%，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(duì)這3種焊接缺陷類型進(jìn)行分析。

2 主要焊接缺陷分析

2.1 定性分析

制取12Cr1MoV異質(zhì)接頭時(shí)，若采取的焊接工藝不當(dāng)，致使焊接操作過(guò)程中產(chǎn)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(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，并核查解決焊接缺陷方案的有效性。首先建立因果，經(jīng)過(guò)篩選有6種主要因素保留下來(lái)，并輸入原因和結(jié)果作進(jìn)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(duì)缺陷數(shù)進(jìn)行分析，確定影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并對(duì)測(cè)量階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析?？梢钥闯?，各階段缺陷種類的數(shù)量不盡相同，按焊接工藝對(duì)以前的裝配過(guò)程采集了100組樣本數(shù)據(jù)，并采用Poisson能力分析來(lái)評(píng)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(shuō)明在生成報(bào)告時(shí)過(guò)程處于受控狀態(tài)；累積DPU均值控制圖（每個(gè)單位的缺陷數(shù)）說(shuō)明已收集的數(shù)據(jù)來(lái)自足以穩(wěn)定估計(jì)均值的樣本；DPU直方圖顯示來(lái)自收集的樣本中每單位缺陷數(shù)的整體分布。結(jié)合圖4和圖1可知，缺陷圖（當(dāng)子組大小不是常量時(shí)）說(shuō)明Poisson分布的假設(shè)DPU不受抽樣項(xiàng)目大小的影響，或Poisson圖（當(dāng)子組大小為常量時(shí)）通過(guò)繪制預(yù)期缺陷數(shù)與實(shí)際觀測(cè)缺陷數(shù)的對(duì)比圖證實(shí)Poisson分布是否合理。

圖4 焊接缺陷數(shù)的Poisson能力分析

3 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出最優(yōu)工藝參數(shù)

用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的因素水平見(jiàn)表2。對(duì)常用的12Cr1MoV異質(zhì)接頭制取試樣，規(guī)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(hù)焊（20%CO2＋80%Ar），焊絲直 徑為2mm，采 用6道焊接工藝，用正交設(shè)計(jì)并作相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，焊接殘余應(yīng)力用Sigmar ASDM2-16型8路應(yīng)變同步采集系統(tǒng)和Sigmar綜合測(cè)試平臺(tái)測(cè)得，見(jiàn)表3。

從表3可看出，第3組水平搭配中當(dāng)焊接電壓設(shè)置為20 V，焊接電流設(shè)置為150 A，焊前預(yù)熱溫度為300℃時(shí)，焊接殘余應(yīng)力測(cè)得最小值98 MPa。

表2 因素水平

表3 試驗(yàn)方案

3.2 利用有限元法對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

有限元軟件模擬焊接的最大特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)模擬焊接全過(guò)程，焊接過(guò)程中，溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是雙向耦合的。以上正交設(shè)計(jì)只對(duì)12Cr1MoV異質(zhì)接頭焊接過(guò)程中最關(guān)鍵的3個(gè)影響因素進(jìn)行了分析，為了節(jié)省成本，其他參數(shù)如焊接速度和焊接路徑的選取則在有限元軟件中進(jìn)行分析，最后求解出焊接殘余應(yīng)力[11-12]。本研究利用有限元焊接軟件Simufact.welding進(jìn)行分析，建立的12Cr1MoV異質(zhì)接頭有限元模型如圖5所示。設(shè)置并使有限元焊接工藝參數(shù)與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的焊接工藝參數(shù)保持一致。焊接過(guò)程中焊接速度和焊接路徑的選取也對(duì)焊接殘余應(yīng)力有影響[13-14]，因此，在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)分析各個(gè)參數(shù)與焊接殘余應(yīng)力之間的耦合關(guān)系，并綜合考慮各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，從而優(yōu)化出最佳焊接工藝。

圖5 對(duì)接接頭有限元模型

通過(guò)有限元分析軟件，運(yùn)用效果對(duì)比方法最終設(shè)置的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4，并采用雙橢球高斯熱源作為熱源模型進(jìn)行模擬焊接殘余應(yīng)力。采用表4和表1工藝參數(shù)模擬的焊接殘余應(yīng)力如圖6所示。對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)焊接工藝參數(shù)設(shè)置優(yōu)化的焊接殘余應(yīng)力明顯減少。

表4 焊接工藝參數(shù)（已優(yōu)化）

圖6 兩種焊接工藝參數(shù)下模擬的焊接殘余應(yīng)力比較

4 優(yōu)化后焊接工藝的驗(yàn)證

4.1 對(duì)焊接缺陷的可控水平進(jìn)行驗(yàn)證

對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程的優(yōu)化就是對(duì)其缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)缺陷數(shù)量進(jìn)行控制，進(jìn)而提高其可靠性的過(guò)程。有效控制影響響應(yīng)輸出的關(guān)鍵影響因子，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量控制[15-16]。Xbar-S控制圖對(duì)那些需要解決的問(wèn)題的變異性提出了警告并進(jìn)行了更改。Xbar-S控制圖可以確定（或否定）這種穩(wěn)定性的趨勢(shì)[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(chǎn)品質(zhì)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(jī)因素和系統(tǒng)因素。盡管控制圖具有多種特征，其構(gòu)造的基本特征是一樣的，大都是基于正態(tài)分布的3σ原理。

假設(shè)在焊接過(guò)程中不存在系統(tǒng)因素的影響，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

則有

若在焊接過(guò)程中僅僅受隨機(jī)因素的影響，則X的變化趨勢(shì)是穩(wěn)定的。圖7為運(yùn)用Xbar-S控制圖對(duì)焊接工藝參數(shù)重新設(shè)置后的15個(gè)月內(nèi)的焊接缺陷類型進(jìn)行的分析，年產(chǎn)60 000個(gè)12Cr1MoV異質(zhì)接頭的鍋爐管板，其焊接缺陷數(shù)在80個(gè)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(shuō)明這15個(gè)月內(nèi)焊接缺陷的質(zhì)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(jìn)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(yù)熱300℃，焊后不進(jìn)行熱處理的試樣斷口；B組為焊前預(yù)熱300℃，焊后進(jìn)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(xiàn)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(qū)，宏觀形貌表面具有發(fā)亮的小顆粒，斷口呈平直發(fā)亮型，電鏡掃描形貌存在部分解理臺(tái)階狀花紋，且有撕裂棱，屬于準(zhǔn)解理斷裂。微觀方面用金相檢驗(yàn)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(shuō)明焊前焊后是否進(jìn)行熱處理對(duì)焊接質(zhì)量有影響。

圖8 斷口宏觀形貌

圖9 斷口微觀組織形貌

5 結(jié) 論

（1）基于DMADOV模型，在融入有限元分析之后，將更有效地設(shè)計(jì)出高質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，使12Cr1MoV異質(zhì)接頭焊接殘余應(yīng)力通過(guò)優(yōu)化設(shè)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(chǎn)生。通過(guò)DMADOV流程進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)，使得焊接缺陷的水平由6.00%下降至0.13%左右。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)焊接工藝參數(shù)可以減小焊后殘余應(yīng)力的影響。

（2）從管理學(xué)角度構(gòu)建了焊接過(guò)程缺陷的控制流程，即定義、測(cè)量、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證，有利于對(duì)整個(gè)流程模塊化管理，一般情況下焊接質(zhì)量控制優(yōu)化是通過(guò)焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)和控制點(diǎn)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，還需要綜合考慮其生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、作業(yè)環(huán)境、操作人員和相關(guān)流程法規(guī)等因素。

（3） 結(jié)合有限元分析和先進(jìn)的質(zhì)量管理流程構(gòu)建了二位一體的質(zhì)量控制平臺(tái)，集成了防止人的不安全行為和管理不到位的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了焊接缺陷質(zhì)量控制水平的合理定義、檢驗(yàn)分析、優(yōu)化驗(yàn)證等功能，有利于對(duì)焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)反饋進(jìn)行再設(shè)計(jì)和優(yōu)化焊接參數(shù)設(shè)置。

［1］邵家駿，伍建軍，韓俊仙.產(chǎn)品全壽命周期開(kāi)發(fā)的六西格瑪解決方案[J].工業(yè)工程與管理，2008，12（4）：73-76.

［2］嚴(yán)曉鳳，孔慶華.六西格瑪在生產(chǎn)線產(chǎn)量提高中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程， 2010， 12（2）：17-22.

［3］王琦，鄭昌文，何曉新，等.6Sigma在系統(tǒng)集成過(guò)程中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程， 2006， 24（12）：111-115.

［4］呂錚.核反應(yīng)堆壓力容器的輻照脆化與壽命評(píng)估[J].金屬學(xué)報(bào)， 2011， 47（7）：777-783.、

［5］劉偉，馬義中.6σ質(zhì)量改進(jìn)的理論基礎(chǔ)研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2005， 35（1）：19-22.

［6］王麗英，李大趙，郭菲.2Cr12NiMo1W1V葉片鋼的高溫力學(xué)行為和組織[J].金屬熱處理，2015，40（3）：72-76.

［7］王者昌，王兆清，李式運(yùn)，等.宇航用鈦合金氣瓶的等離子焊接質(zhì)量分析[J].稀有金屬材料與工程,1982（4）：11-17.

［8］柯浩，張曉昱，歐陽(yáng)杰，等.長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行后高溫再熱器T91鋼管的沖擊韌性[J].機(jī)械工程材料，2013，37（9）：45-48.

［9］鄭楷，趙大軍，張雪蓮.超（超）臨界火電機(jī)組SA335P91鋼與12Cr1MoV鋼焊接能[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（8）：77-80.

［10］韓亞娟.DMAIC流程在AC-pin鉚接質(zhì)量改進(jìn)中的應(yīng)用[J].工業(yè)工程與管理， 2010， 15（2）：122-126.

［11］羅征志，曾京，方華偉.封頭坯料拼焊成形焊接殘余應(yīng)力分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2013， 49（10）：127-133.

［12］李磊.T型與十字型接頭焊接工藝評(píng)定分析[J].核動(dòng)力工程， 2013， 34（S2）：18-22.

［13］鄧德安.退火溫度對(duì)SUS304不銹鋼焊接殘余應(yīng)力計(jì)算精度的影響[J].金屬學(xué)報(bào)， 2014， 50（5）：626-632.

［14］何益海，唐曉青.基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的產(chǎn)品保質(zhì)設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)， 2007， 28（6）：1468-1481.

［15］遲露鑫，孫昭藩，伍光鳳.12Cr1MoV耐熱鋼管焊接溫度場(chǎng)模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（10）：89-92.

［16］ LI B Z， WU S S， YANG J G， et al.An adaptive design for Six Sigma（ADFSS） a simulated annealing and regression analysis mbedded approach[J].Science Direct：Jouma of Donghua Universlty （Eng.Ed）,2011， 28 （5）：491-498.

［17］崔正強(qiáng)，王延峰，趙雙群，等.T91鋼管在600℃長(zhǎng)期時(shí)效后的組織及力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料，2014，38（2）：78-81.

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(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目“鍋爐壓力容器焊接缺陷及焊接接頭疲勞分析”（項(xiàng)目號(hào)KKJD201521001）;昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目“鍋爐焊接缺陷的分析與安全評(píng)定”（項(xiàng)目號(hào)KKSY201321083）。

張勝躍（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)可靠性。

2015-07-12

羅 剛