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在制定PFMEA時(shí)，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(gè)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(gè)有爭議的話題，當(dāng)然，對(duì)于一般性的制造過程，也同樣如此，如機(jī)加工過程。

 

在缺乏具體的實(shí)踐和嘗試之前，任何建立在主觀和經(jīng)驗(yàn)上的推論，都不足為據(jù)。因此，作者將決定從平時(shí)的焊接技術(shù)和FMEA實(shí)踐案例中探尋它們的關(guān)系和最佳的實(shí)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(duì)工藝步驟和工藝參數(shù)的開發(fā)和定義有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)；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(píng)定

 

現(xiàn)在假設(shè)一個(gè)新產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了，也已經(jīng)進(jìn)行過了DFM，也就是說，設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)用于卡車的傳動(dòng)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(shí)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(jìn)行裝配的，但需要預(yù)留1~1.5mm的焊縫根部間隙，否則會(huì)產(chǎn)生根部未熔合缺陷，因此，設(shè)計(jì)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(jì)的輸出之一，然而現(xiàn)實(shí)中絕大部分設(shè)計(jì)工程師，對(duì)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(dāng)然，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，也可以查尋相關(guān)的焊接接頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO9692。但上圖的型式，一般標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)量（IIW公式）為Ceq =0.61-0.79% （按成份標(biāo)準(zhǔn)范圍的下上限計(jì)算）的低合金高強(qiáng)鋼，軸管材質(zhì)為B480QZR-Q，它是一種以寶山鋼鐵公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命名的低合金高強(qiáng)鋼，Ceq=0.46%（按成份范圍的中值計(jì)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(shí)出現(xiàn)氣孔、氫致延遲裂紋等缺陷。

 

預(yù)熱，就是在焊前對(duì)工件（或焊接區(qū)）進(jìn)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(dāng)量較高的40Cr：150±50°C。

 

有人會(huì)問：這個(gè)參數(shù)是怎么來的？可以通過碳當(dāng)量、母材厚度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推斷，也可以通過電弧焊線圖進(jìn)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(jìn)行加熱和保溫，以使進(jìn)入焊縫的氫有機(jī)會(huì)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(yàn)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(hù)焊）方法，具體為MAG焊，保護(hù)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(jī)，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(qiáng)度、塑性、韌性，也就是說不能只考慮強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)然，在焊絲實(shí)際選用時(shí)，要據(jù)“等強(qiáng)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(duì)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(biāo)。由于B480QZR-Q的屈服強(qiáng)度為480~580MPa，40Cr強(qiáng)度為835MPa（均值），為在本案例中，焊絲按較低強(qiáng)度母材選擇，使用ER49-1（550-600MPa）。通常情況下，焊絲的成分或牌號(hào)是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員選擇的，屬于設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)、規(guī)范、相似產(chǎn)品或工藝評(píng)定報(bào)告的數(shù)據(jù)、焊接工程師個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)積累等，這些都是待評(píng)定和驗(yàn)證的。

 

至此，作為工藝的設(shè)計(jì)的第一步就完成了，接下來，我們要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，待評(píng)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(píng)定（WPQ）：焊接工藝評(píng)定是指按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定PWPS是否滿足所有要求，它是一套標(biāo)準(zhǔn)而嚴(yán)謹(jǐn)?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(jì)的工藝屬于工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行展開了。

 

一般情況下，當(dāng)通過WPQ后，工藝開發(fā)就基本完成了。

 

10) 工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化：只基于1~3個(gè)試件的WPQ試驗(yàn)所確定的工藝參數(shù)往往是不夠可靠的。WPQ中驗(yàn)證的工藝參數(shù)是入門級(jí)的，只是可以進(jìn)入到“可用”的門檻，而當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)，如果要使焊接過程輸出的產(chǎn)品特性，如熔深、強(qiáng)度等，持續(xù)滿足我們的目標(biāo)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(duì)關(guān)鍵的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這時(shí)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(gè)可靠的焊接工藝是不容易的，它是長期試驗(yàn)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(yùn)！好在當(dāng)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(bǔ)焊接工藝參數(shù)制定時(shí)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(shí)際上進(jìn)行了失效分析和風(fēng)險(xiǎn)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(cè)措施。更進(jìn)一步說，當(dāng)接手一個(gè)工藝開發(fā)的任務(wù)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)拋棄經(jīng)驗(yàn)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(dòng)去擁抱先進(jìn)的工具方法和理念，在這里我們將其總結(jié)為“正向設(shè)計(jì)”與“逆向設(shè)計(jì)”兩條工藝設(shè)計(jì)路徑。

 

正向設(shè)計(jì)：如何實(shí)現(xiàn)和滿足零件的功能要求，如強(qiáng)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(qiáng)度要求，以及為了實(shí)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(xì)參數(shù)見7）或上述附件中的完整案例。

 

逆向設(shè)計(jì)：在這里不是指測(cè)繪式的設(shè)計(jì)-拿個(gè)實(shí)物來進(jìn)行測(cè)量，照葫蘆畫瓢式的設(shè)計(jì)，而是風(fēng)險(xiǎn)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(dāng)采用第2）條中所示的接頭型式時(shí)，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(biāo)出根部間隙為1mm （通常公差為0~0.5mm）；由于母材40Cr的碳當(dāng)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(jì)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)思維應(yīng)當(dāng)是有意而為之的，應(yīng)當(dāng)是被當(dāng)做流程式的步驟來對(duì)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(gè)PFMEA，從中特意引用工藝參數(shù)的內(nèi)容作為失效起因進(jìn)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(cè)的格式，且簡化，只顯示失效分析、風(fēng)險(xiǎn)分析、優(yōu)化措施3個(gè)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(gè)步驟是在工藝開發(fā)時(shí)識(shí)別和確定了的。有人會(huì)講：如果在工藝開發(fā)時(shí)沒有想到，但在焊接失效起因的分析時(shí)可能會(huì)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(shí)想到了這3個(gè)步驟。在這種情況下，就會(huì)倒回去更新流程圖去增加上這個(gè)3個(gè)步驟。

 

請(qǐng)問，這樣做符合PFMEA的步驟和邏輯要求嗎？

 

答案當(dāng)然是：不！

 

要做PFEMA，就要有確定好了的流程圖，這就需要有堅(jiān)實(shí)的工藝知識(shí)做為基礎(chǔ)，這樣才可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而進(jìn)行功能分析和失效分析。由此可見，至少是對(duì)焊接過程來說，應(yīng)當(dāng)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(yàn)證完畢，我們?cè)诜治鯬FMEA時(shí)就要認(rèn)為這個(gè)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(gè)層面來理解：第一個(gè)層面是定義，也就是在工藝開發(fā)時(shí)制定和驗(yàn)證的參數(shù)大小和范圍；第二個(gè)層面是執(zhí)行，這里的執(zhí)行包括人員的執(zhí)行，以及機(jī)器的“執(zhí)行”（輸出）。

 

那么，下面我們就直接上案例，來針對(duì)當(dāng)前業(yè)界經(jīng)常出現(xiàn)的幾種模糊不清的地方進(jìn)行剖析。請(qǐng)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(gè)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(duì)于該案例，我們分如下三個(gè)方面進(jìn)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(gè)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(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，無非是進(jìn)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(dāng)是技術(shù)、防錯(cuò)、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(gè)用于“制造過程”策劃的工具，僅此而已！當(dāng)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(xiǎn)分析，這需要另一個(gè)話題來探討。

 

由于在工藝開發(fā)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了工藝評(píng)定的試驗(yàn)驗(yàn)證，WPQ是工藝開發(fā)的必備步驟，在進(jìn)行PFMEA分析時(shí)，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(jī)”：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(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)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(duì)應(yīng)的措施是與之相關(guān)部位/元件的預(yù)防性維護(hù)（要具體，切忌籠統(tǒng)）、對(duì)參數(shù)的輸出精度進(jìn)行定期校準(zhǔn)等預(yù)防控制措施，以及對(duì)參數(shù)的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并報(bào)警、停機(jī)等探測(cè)控制措施和反應(yīng)措施。而像時(shí)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(bǔ)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(duì)于導(dǎo)致電流和電壓發(fā)生偏離和波動(dòng)的部件和元件，一般焊接電源的使用廠家是難以進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的，要維護(hù)也是要通過設(shè)備廠家來進(jìn)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(hù)，當(dāng)然，如果已經(jīng)在采購談判時(shí)與設(shè)備廠家達(dá)成了年度售后維護(hù)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(hù)”，這樣太籠統(tǒng)，要寫維護(hù)什么地方，因?yàn)檫€要輸出具體的維護(hù)計(jì)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(shí)上不執(zhí)行要求，即定義好了中值、上限、下限，但是操作者會(huì)有意不遵守，這多數(shù)是利益驅(qū)使或習(xí)慣導(dǎo)致，如計(jì)件薪酬，提高焊接電流和速度會(huì)提高產(chǎn)量，就會(huì)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(jì)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(jì)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(gè)方面都沒有問題，但在手工操作時(shí)因精力、體力不濟(jì)而造成失效的情況，這一般可以通過防錯(cuò)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(gè)班次的工作時(shí)長、增加休息的時(shí)間等，這屬于管理的范疇。

 

通過上述的剖析，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(jì)的狀態(tài)下，通過防錯(cuò)的手段進(jìn)行控制，才屬于PFMEA的范疇。那么在手工焊接操作時(shí)（上述附件的焊接PFMEA案例為自動(dòng)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(hù)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(duì)此有哪些預(yù)防控制措施呢？答案是：與自動(dòng)化焊接相比，防錯(cuò)的成本可能會(huì)更高，也就是說，對(duì)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(cuò)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(gè)班次的工作時(shí)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(duì)“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(dú)立的工藝開發(fā)及評(píng)定系統(tǒng)，失效起因分時(shí)不再質(zhì)疑它們的合理性。

 

3、工藝開發(fā)時(shí)也可以采用失效分析的思路，即正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)（不同于將實(shí)物數(shù)字化的那種逆向設(shè)計(jì)的概念）相結(jié)合。

 

4、工藝參數(shù)分為兩個(gè)層面來認(rèn)識(shí)：定義與執(zhí)行，定義是在工藝開發(fā)時(shí)完成的，執(zhí)行包括人的執(zhí)行和機(jī)器的“執(zhí)行”（輸出）。

 

5、PFMEA分析時(shí)所涉及到的工藝參數(shù)，是指“人”與“機(jī)”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(jì)方面，可能需要防錯(cuò)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(jī)的參數(shù)執(zhí)行，主要指有的參數(shù)會(huì)在設(shè)置到機(jī)器上后，由于機(jī)器的狀態(tài)問題，輸出時(shí)發(fā)生過大的波動(dòng)或偏離，這需要校準(zhǔn)、預(yù)防性維護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)等措施，屬于PFMEA要研究的內(nèi)容。