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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-04-22 09:55
在制定PFMEA時，是否將考慮工藝參數(shù)的合理性？具體來說，就是工藝參數(shù)規(guī)定的合不合理是否應(yīng)作為失效模式的起因？
這個問題在一些工藝參數(shù)為主要過程變量的特殊工藝，如焊接、注塑、熱處理中，顯得尤為突出，在業(yè)界一直是一個有爭議的話題，當然，對于一般性的制造過程，也同樣如此，如機加工過程。
在缺乏具體的實踐和嘗試之前，任何建立在主觀和經(jīng)驗上的推論，都不足為據(jù)。因此，作者將決定從平時的焊接技術(shù)和FMEA實踐案例中探尋它們的關(guān)系和最佳的實踐路徑。
下面我們就試做一下。先從焊接工藝步驟和參數(shù)的開發(fā)過程入手，從中探討是否需要用到PFMEA的邏輯和方法；然后再做焊接過程的PFMEA（部分），把工藝參數(shù)作為其中的失效起因，看PFMEA是否可以對工藝步驟和工藝參數(shù)的開發(fā)和定義有實質(zhì)性的貢獻；最后總結(jié)二者的相互關(guān)系。
一、焊接工藝規(guī)程（WPS）的制定與評定
現(xiàn)在假設(shè)一個新產(chǎn)品的概念設(shè)計已經(jīng)完成了，也已經(jīng)進行過了DFM，也就是說，設(shè)計已經(jīng)沒有問題了，但是結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格和材質(zhì)，以及工況均與現(xiàn)有的產(chǎn)品不同，即現(xiàn)有的焊接工藝規(guī)程（WPS）用不上了，需要開發(fā)一套專屬的焊接工藝。
用于工藝開發(fā)的設(shè)計輸出信息及工藝開發(fā)的思路如下：
1) 了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)：它是一個用于卡車的傳動軸，如下圖所示，共有三條焊縫：
2) 確定焊接順序：了解了結(jié)構(gòu)及焊縫的數(shù)量和位置后，需要制定合理的焊接順序。焊接順序的制定，需要考慮：裝配的可實現(xiàn)性、效率等，還要考慮焊接應(yīng)力和焊接變形的最小化要求等。該結(jié)構(gòu)的焊接順序如下：
在本文后續(xù)的探討中，我們以中間這條焊縫為例，它是花鍵套與軸管的焊接，焊接前是采用徑向過盈壓裝進行裝配的，但需要預(yù)留1~1.5mm的焊縫根部間隙，否則會產(chǎn)生根部未熔合缺陷，因此，設(shè)計的接頭型式如下：
其中，軸管的壁厚為6mm。
接頭型式是產(chǎn)品設(shè)計的輸出之一，然而現(xiàn)實中絕大部分設(shè)計工程師，對于根部能不能熔合是沒有概念的，即這些接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)最好聽取焊接工程師的建議。當然，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，也可以查尋相關(guān)的焊接接頭設(shè)計標準，如ISO9692。但上圖的型式，一般標準中是沒有的。
3) 材質(zhì)的焊接性分析：產(chǎn)品材質(zhì)如上圖所示，花鍵套的材質(zhì)為40Cr，是典型的軸類材質(zhì)，它是碳當量（IIW公式）為Ceq =0.61-0.79% （按成份標準范圍的下上限計算）的低合金高強鋼，軸管材質(zhì)為B480QZR-Q，它是一種以寶山鋼鐵公司企業(yè)標準命名的低合金高強鋼，Ceq=0.46%（按成份范圍的中值計算）。總體上來說，母材在焊后空冷（自然冷卻）條件下出現(xiàn)淬硬組織及冷裂紋的傾向是比較高的。
4) 確定基本的焊接步驟：由于母材出現(xiàn)淬硬組織和冷裂紋的傾向較高，因此，需要如下基本的步驟：清洗+壓裝+預(yù)熱+焊接+后熱。
清洗，就是通過超聲波清洗或飽和蒸汽清洗的方法，將零件表面上的油、銹、灰等去除，并充分烘干，以防焊接時出現(xiàn)氣孔、氫致延遲裂紋等缺陷。
預(yù)熱，就是在焊前對工件（或焊接區(qū)）進行加熱，以降低冷卻速度，避免在焊后冷卻過程中出現(xiàn)淬硬組織（馬氏體或下貝氏體）。預(yù)熱溫度和層間溫度按碳當量較高的40Cr：150±50°C。
有人會問：這個參數(shù)是怎么來的？可以通過碳當量、母材厚度的經(jīng)驗公式進行推斷，也可以通過電弧焊線圖進行推算，最精確的理論依據(jù)是母材的CCT圖（連續(xù)冷卻曲線圖），此處為異種材料相焊，應(yīng)按焊接性較差一側(cè)的材質(zhì)來確定。
后熱，就是在焊接后進行加熱和保溫，以使進入焊縫的氫有機會在焊縫凝固后還能逸出，避免出現(xiàn)氫致裂紋，后熱參數(shù)為：320±20°C/保溫45±5min。
后熱的參數(shù)是怎么來的？這是經(jīng)過業(yè)界驗證的工藝數(shù)據(jù)，比較成熟和固定。
5) 焊接工藝方法及工裝形式：根據(jù)材質(zhì)及焊接效率及成本的要求，可采用GMAW（熔化極氣體保護焊）方法，具體為MAG焊，保護氣體CO2-Ar比例為典型的20%-80%。由于工件為回轉(zhuǎn)體，因此可以采用回轉(zhuǎn)形式的工裝，屬于焊接專機，如下圖所示：
6) 確定焊縫的填充金屬：由于所焊部件為軸類，它需要滿足綜合力學(xué)性能的要求，包括：強度、塑性、韌性，也就是說不能只考慮強度指標。當然，在焊絲實際選用時，要據(jù)“等強度”原則。至于塑性和韌性，需要通過控制焊后冷卻后生成的顯微組織來保證的。對于合金元素種類更多、含量更高的合金鋼，還要通過焊后熱處理來調(diào)整和保證顯微組織和力學(xué)性能指標。由于B480QZR-Q的屈服強度為480~580MPa，40Cr強度為835MPa（均值），為在本案例中，焊絲按較低強度母材選擇，使用ER49-1（550-600MPa）。通常情況下，焊絲的成分或牌號是由產(chǎn)品設(shè)計人員選擇的，屬于設(shè)計輸出之一，而焊絲直徑是由工藝人員確定的。
7) 焊接層次及參數(shù)：由于較薄件軸管的壁厚為6mm，為了實現(xiàn)射流過渡，焊絲直徑為Φ1.0mm，且焊縫余高要求不大于1.5mm，因此，需要焊接兩層，每層的參數(shù)如下：
8) 其他參數(shù)：干伸長度為15±3mm，導(dǎo)電嘴-工件距為17±3mm。
上述各步驟中的參數(shù)值來源于：焊接領(lǐng)域中的一些手冊、規(guī)范、相似產(chǎn)品或工藝評定報告的數(shù)據(jù)、焊接工程師個人的經(jīng)驗積累等，這些都是待評定和驗證的。
至此，作為工藝的設(shè)計的第一步就完成了，接下來，我們要進行焊接工藝評定，待評定的焊接工藝規(guī)程叫做PWPS（預(yù)焊接工藝規(guī)程）。
9) 焊接工藝評定（WPQ）：焊接工藝評定是指按照行業(yè)標準，評定PWPS是否滿足所有要求，它是一套標準而嚴謹?shù)某绦蚝头椒ǎ呛附庸に囬_發(fā)的必備步驟，除非所設(shè)計的工藝屬于工藝評定標準所覆蓋的范圍。WPQ的基本程序如下圖所示：
不同行業(yè)中也有不同的WPQ標準，如一般性的ISO15614、鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的AWS D1.1、國內(nèi)壓力容器和壓力管道行業(yè)的NB∕T47014等等，但是它們的基本步驟和程序都如上圖所示。在本文中就不再進行展開了。
一般情況下，當通過WPQ后，工藝開發(fā)就基本完成了。
10) 工藝參數(shù)的進一步優(yōu)化：只基于1~3個試件的WPQ試驗所確定的工藝參數(shù)往往是不夠可靠的。WPQ中驗證的工藝參數(shù)是入門級的，只是可以進入到“可用”的門檻，而當大批量生產(chǎn)時，如果要使焊接過程輸出的產(chǎn)品特性，如熔深、強度等，持續(xù)滿足我們的目標值，還需要更加深入地優(yōu)化。如果所出現(xiàn)的問題在根因分析的基礎(chǔ)上確定與工藝參數(shù)有關(guān)，那么就需要對關(guān)鍵的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。這時DOE工具就有用武之地了，它是焊接過程的參數(shù)優(yōu)化工具之一，而且是最佳工具。
可以說，一個可靠的焊接工藝是不容易的，它是長期試驗探索和優(yōu)化得來的，它反映了一家企業(yè)的工藝技術(shù)的水平和底蘊！好在當前的焊接設(shè)備越來越高端、輸出的參數(shù)越來越穩(wěn)定、設(shè)備的輸出精度和能力較高、變差較小，這在一定程度上可以彌補焊接工藝參數(shù)制定時的問題，但是一般檔次的焊設(shè)備還是有較大的問題的。
小結(jié)：
從以上焊接工藝開發(fā)和優(yōu)化的過程可以看出，我們實際上進行了失效分析和風(fēng)險分析，見上述內(nèi)容中的紅色部分，只是不按照PFMEA的具體格式，工藝中只體現(xiàn)優(yōu)化的預(yù)防措施，而不體現(xiàn)探測措施。更進一步說，當接手一個工藝開發(fā)的任務(wù)時，我們應(yīng)當拋棄經(jīng)驗主義和條件反射的方式去復(fù)制曾經(jīng)的一些東西，而是主動去擁抱先進的工具方法和理念，在這里我們將其總結(jié)為“正向設(shè)計”與“逆向設(shè)計”兩條工藝設(shè)計路徑。
正向設(shè)計：如何實現(xiàn)和滿足零件的功能要求，如強度、熔深、焊喉尺寸等。
如，為了滿足坡口的填充及焊縫余高小于1.5mm的要求、強度要求，以及為了實現(xiàn)MAG焊最優(yōu)的熔滴過渡形式-射流過渡，特使用Φ1.0mm、ER49-1焊絲，焊接兩層，即工件在工裝上旋轉(zhuǎn)兩圈，詳細參數(shù)見7）或上述附件中的完整案例。
逆向設(shè)計：在這里不是指測繪式的設(shè)計-拿個實物來進行測量，照葫蘆畫瓢式的設(shè)計，而是風(fēng)險思維，即如何避免出現(xiàn)不滿足要求的問題，采用“功能及性能要求-可能出現(xiàn)的問題-預(yù)防的工藝措施”的思路。
如，當采用第2）條中所示的接頭型式時，零件壓裝根部可能存在未熔合缺陷，特使用Φ1.0mm焊絲，以及在WPS的橫切面圖中標出根部間隙為1mm （通常公差為0~0.5mm）；由于母材40Cr的碳當量大于0.6%，有較高的冷淬和冷裂的傾向，因此，需要增加焊前預(yù)熱和后熱的步驟。
在工藝設(shè)計時，風(fēng)險思維應(yīng)當是有意而為之的，應(yīng)當是被當做流程式的步驟來對待。
二、焊接過程PFMEA（片段）
我們使用上述同樣的素材來制定一個PFMEA，從中特意引用工藝參數(shù)的內(nèi)容作為失效起因進行分析，看PFMEA是否能夠輸出更有意義的信息。
我們基于新版AIAG-VDA FMEA參考手冊的格式，且簡化，只顯示失效分析、風(fēng)險分析、優(yōu)化措施3個步驟。
關(guān)于工藝步驟與PFMEA：
PFMEA是基于確定好的過程步驟和功能要求，在第一節(jié)中，清洗、預(yù)熱、后熱這3個步驟是在工藝開發(fā)時識別和確定了的。有人會講：如果在工藝開發(fā)時沒有想到，但在焊接失效起因的分析時可能會想到要有這樣的步驟，或者說還沒有著手開發(fā)焊接工藝就開始做PFEMA，這樣在PFMEA分析時想到了這3個步驟。在這種情況下，就會倒回去更新流程圖去增加上這個3個步驟。
請問，這樣做符合PFMEA的步驟和邏輯要求嗎？
答案當然是：不！
要做PFEMA，就要有確定好了的流程圖，這就需要有堅實的工藝知識做為基礎(chǔ)，這樣才可以進行結(jié)構(gòu)分析，進而進行功能分析和失效分析。由此可見，至少是對焊接過程來說，應(yīng)當是先開發(fā)焊接工藝，這里主要是指工藝步驟、焊接順序和焊接工藝參數(shù)，一旦工藝開發(fā)和驗證完畢，我們在分析PFMEA時就要認為這個工藝是沒有問題的。
關(guān)于工藝參數(shù)與PFMEA：
在這里，我們把工藝參數(shù)分為兩個層面來理解：第一個層面是定義，也就是在工藝開發(fā)時制定和驗證的參數(shù)大小和范圍；第二個層面是執(zhí)行，這里的執(zhí)行包括人員的執(zhí)行，以及機器的“執(zhí)行”（輸出）。
那么，下面我們就直接上案例，來針對當前業(yè)界經(jīng)常出現(xiàn)的幾種模糊不清的地方進行剖析。請注意，為了突出要討論的話題，在此不展示完整的PFMEA結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，盡管如此，這個案例表格的內(nèi)容也是較多的，因此特將案例以附件的形式展示，對于該案例，我們分如下三個方面進行解讀：
1、工藝參數(shù)的合理性：如果在PFMEA的失效起因中討論某個參數(shù)的合理性，這樣能做到什么程度呢？參數(shù)定義得過高或過低所對應(yīng)的優(yōu)化措施，無非是進行WPQ、DOE，做不做WPQ、DOE，這屬于工作流程和步驟的范疇。PFMEA中的建議措施應(yīng)當是技術(shù)、防錯、過程控制方面的，而不是流程、體系、人員管理方面的內(nèi)容，PFMEA不能大包大攬！PFMEA是一個用于“制造過程”策劃的工具，僅此而已！當然，我們也不妨把FMEA推廣到體系、管理層面，即“工作過程”的策劃和風(fēng)險分析，這需要另一個話題來探討。
由于在工藝開發(fā)時已經(jīng)進行了工藝評定的試驗驗證，WPQ是工藝開發(fā)的必備步驟，在進行PFMEA分析時，我們就不用再懷疑參數(shù)的合理性了。
2、參數(shù)執(zhí)行中的執(zhí)行-“機”：在焊接過程中（包括一些其他過程），有的參數(shù)的輸出與定義及設(shè)置的相比，會發(fā)生較大的波動和偏移，如下圖所示。
這通常是一些電參數(shù)以及受到多種因素影響的參數(shù)，如焊接電流、功率、電壓、壓力等，對應(yīng)的措施是與之相關(guān)部位/元件的預(yù)防性維護（要具體，切忌籠統(tǒng)）、對參數(shù)的輸出精度進行定期校準等預(yù)防控制措施，以及對參數(shù)的輸出進行實時監(jiān)控并報警、停機等探測控制措施和反應(yīng)措施。而像時間、數(shù)量等參數(shù)通常是穩(wěn)定輸出的，轉(zhuǎn)速也一般是穩(wěn)定的。
在此補充說明一下，上述PFMEA案例中，我們舉的是焊接電源的例子，而對于導(dǎo)致電流和電壓發(fā)生偏離和波動的部件和元件，一般焊接電源的使用廠家是難以進行預(yù)防性維護的，要維護也是要通過設(shè)備廠家來進行，因此，在本案例中可以不寫與電流與電壓相關(guān)的預(yù)防性維護，當然，如果已經(jīng)在采購談判時與設(shè)備廠家達成了年度售后維護的協(xié)議和內(nèi)容，是可以寫到PFMEA中的。不能只是簡單地寫“預(yù)防性維護”，這樣太籠統(tǒng)，要寫維護什么地方，因為還要輸出具體的維護計劃。
3、工藝參數(shù)的執(zhí)行-“人”：它又分為幾種情況：
1) 不知道要求。這屬于培訓(xùn)與資質(zhì)管理的問題，不屬于PFMEA的范疇。
2) 在主觀意識上不執(zhí)行要求，即定義好了中值、上限、下限，但是操作者會有意不遵守，這多數(shù)是利益驅(qū)使或習(xí)慣導(dǎo)致，如計件薪酬，提高焊接電流和速度會提高產(chǎn)量，就會收益更多，這屬于員工管理的范疇，而不屬于PFMEA的范疇，PFMEA是假設(shè)員工遵守工藝紀律的。
3) 因技能不足而不能正確執(zhí)行要求，即操作者知道怎樣做，也愿意遵守工藝紀律，但無奈能力不足。這屬于培訓(xùn)與資質(zhì)管理的問題，不屬于PFMEA。
4) 以上3個方面都沒有問題，但在手工操作時因精力、體力不濟而造成失效的情況，這一般可以通過防錯等技術(shù)手段，這屬于PFMEA的范疇，也可以通過管理優(yōu)化的方式，如增加班次、減少每個班次的工作時長、增加休息的時間等，這屬于管理的范疇。
通過上述的剖析，我們發(fā)現(xiàn)，對于參數(shù)的“人”-執(zhí)行這一方面，只有在手工操作，且存在精力、體力不濟的狀態(tài)下，通過防錯的手段進行控制，才屬于PFMEA的范疇。那么在手工焊接操作時（上述附件的焊接PFMEA案例為自動化），是否存在這種情況呢？我們來分析一下：
以手工GMAW為例，主要參數(shù)包括：電流、電壓、焊速、導(dǎo)電嘴-工件距、干伸長度、保護氣體流量等，其中只有導(dǎo)電嘴-工件距、焊速是受操作者的狀態(tài)影響的，而焊接PFMEA能對此有哪些預(yù)防控制措施呢？答案是：與自動化焊接相比，防錯的成本可能會更高，也就是說，對于手工焊焊速問題和導(dǎo)電嘴-工件距問題，是沒有合適的防錯措施的！這說明，即使是屬于PFMEA的范疇，也可能沒有有效的措施！只能通過減慢工作節(jié)拍、減少一個班次的工作時長、增加信息的次數(shù)等管理類措施來克服。
總結(jié)與結(jié)論：
本文至此已經(jīng)分別展示了焊接工藝的開發(fā)、優(yōu)化，以及焊接過程的PFMEA的分析過程，現(xiàn)在我們總結(jié)一下：
工藝開發(fā)與PFMEA有什么關(guān)系？
1、我們所做的PFMEA，具體是針對“制造過程”，而不是“工作過程”。
2、PFMEA的分析前提是工藝步驟和參數(shù)已確定，有一套獨立的工藝開發(fā)及評定系統(tǒng)，失效起因分時不再質(zhì)疑它們的合理性。
3、工藝開發(fā)時也可以采用失效分析的思路，即正向設(shè)計與逆向設(shè)計（不同于將實物數(shù)字化的那種逆向設(shè)計的概念）相結(jié)合。
4、工藝參數(shù)分為兩個層面來認識：定義與執(zhí)行，定義是在工藝開發(fā)時完成的，執(zhí)行包括人的執(zhí)行和機器的“執(zhí)行”（輸出）。
5、PFMEA分析時所涉及到的工藝參數(shù)，是指“人”與“機”的執(zhí)行方面的原因。
6、在PFMEA中分析的人的執(zhí)行僅涉及精力與體力的不濟方面，可能需要防錯之類的措施，而其他方面的原因與措施，屬于管理措施，并非制程PFMEA的范疇。
7、機的參數(shù)執(zhí)行，主要指有的參數(shù)會在設(shè)置到機器上后，由于機器的狀態(tài)問題，輸出時發(fā)生過大的波動或偏離，這需要校準、預(yù)防性維護、實時監(jiān)控、報警、自動停機等措施，屬于PFMEA要研究的內(nèi)容。
來源：焊接&質(zhì)量實戰(zhàn)分享
