在制定PFMEA時，是否將考慮工藝參數的合理性？具體來說，就是工藝參數規定的合不合理是否應作為失效模式的起因？

 

這個問題在一些工藝參數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驗上的推論，都不足為據。因此，作者將決定從平時的焊接技術和FMEA實踐案例中探尋它們的關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的開發過程入手，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的開發和定義有實質性的貢獻；最后總結二者的相互關系。

 

一、焊接工藝規程（WPS）的制定與評定

 

現在假設一個新產品的概念設計已經完成了，也已經進行過了DFM，也就是說，設計已經沒有問題了，但是結構形式、規格和材質，以及工況均與現有的產品不同，即現有的焊接工藝規程（WPS）用不上了，需要開發一套專屬的焊接工藝。

 

用于工藝開發的設計輸出信息及工藝開發的思路如下：

 

1) 了解產品的結構：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：了解了結構及焊縫的數量和位置后，需要制定合理的焊接順序。焊接順序的制定，需要考慮：裝配的可實現性、效率等，還要考慮焊接應力和焊接變形的最小化要求等。該結構的焊接順序如下：

 

在本文后續的探討中，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，但需要預留1~1.5mm的焊縫根部間隙，否則會產生根部未熔合缺陷，因此，設計的接頭型式如下：

 

其中，軸管的壁厚為6mm。

 

接頭型式是產品設計的輸出之一，然而現實中絕大部分設計工程師，對于根部能不能熔合是沒有概念的，即這些接頭結構參數最好聽取焊接工程師的建議。當然，作為結構設計工程師，也可以查尋相關的焊接接頭設計標準，如ISO9692。但上圖的型式，一般標準中是沒有的。

 

3) 材質的焊接性分析：產品材質如上圖所示，花鍵套的材質為40Cr，是典型的軸類材質，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，軸管材質為B480QZR-Q，它是一種以寶山鋼鐵公司企業標準命名的低合金高強鋼，Ceq=0.46%（按成份范圍的中值計算）?？傮w上來說，母材在焊后空冷（自然冷卻）條件下出現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，以防焊接時出現氣孔、氫致延遲裂紋等缺陷。

 

預熱，就是在焊前對工件（或焊接區）進行加熱，以降低冷卻速度，避免在焊后冷卻過程中出現淬硬組織（馬氏體或下貝氏體）。預熱溫度和層間溫度按碳當量較高的40Cr：150±50°C。

 

有人會問：這個參數是怎么來的？可以通過碳當量、母材厚度的經驗公式進行推斷，也可以通過電弧焊線圖進行推算，最精確的理論依據是母材的CCT圖（連續冷卻曲線圖），此處為異種材料相焊，應按焊接性較差一側的材質來確定。

 

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，避免出現氫致裂紋，后熱參數為：320±20°C/保溫45±5min。

 

后熱的參數是怎么來的？這是經過業界驗證的工藝數據，比較成熟和固定。

 

5) 焊接工藝方法及工裝形式：根據材質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%。由于工件為回轉體，因此可以采用回轉形式的工裝，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“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整和保證顯微組織和力學性能指標。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品設計人員選擇的，屬于設計輸出之一，而焊絲直徑是由工藝人員確定的。

 

7) 焊接層次及參數：由于較薄件軸管的壁厚為6mm，為了實現射流過渡，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，每層的參數如下：

 

8) 其他參數：干伸長度為15±3mm，導電嘴-工件距為17±3mm。

 

上述各步驟中的參數值來源于：焊接領域中的一些手冊、規范、相似產品或工藝評定報告的數據、焊接工程師個人的經驗積累等，這些都是待評定和驗證的。

 

至此，作為工藝的設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程叫做PWPS（預焊接工藝規程）。

 

9) 焊接工藝評定（WPQ）：焊接工藝評定是指按照行業標準，評定PWPS是否滿足所有要求，它是一套標準而嚴謹的程序和方法，是焊接工藝開發的必備步驟，除非所設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：

 

 

不同行業中也有不同的WPQ標準，如一般性的ISO15614、鋼結構行業的AWS D1.1、國內壓力容器和壓力管道行業的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，工藝開發就基本完成了。

 

10) 工藝參數的進一步優化：只基于1~3個試件的WPQ試驗所確定的工藝參數往往是不夠可靠的。WPQ中驗證的工藝參數是入門級的，只是可以進入到“可用”的門檻，而當大批量生產時，如果要使焊接過程輸出的產品特性，如熔深、強度等，持續滿足我們的目標值，還需要更加深入地優化。如果所出現的問題在根因分析的基礎上確定與工藝參數有關，那么就需要對關鍵的工藝參數進行優化。這時DOE工具就有用武之地了，它是焊接過程的參數優化工具之一，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化得來的，它反映了一家企業的工藝技術的水平和底蘊！好在當前的焊接設備越來越高端、輸出的參數越來越穩定、設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制定時的問題，但是一般檔次的焊設備還是有較大的問題的。

 

小結：

 

從以上焊接工藝開發和優化的過程可以看出，我們實際上進行了失效分析和風險分析，見上述內容中的紅色部分，只是不按照PFMEA的具體格式，工藝中只體現優化的預防措施，而不體現探測措施。更進一步說，當接手一個工藝開發的任務時，我們應當拋棄經驗主義和條件反射的方式去復制曾經的一些東西，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為“正向設計”與“逆向設計”兩條工藝設計路徑。

 

正向設計：如何實現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MAG焊最優的熔滴過渡形式-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兩圈，詳細參數見7）或上述附件中的完整案例。

 

逆向設計：在這里不是指測繪式的設計-拿個實物來進行測量，照葫蘆畫瓢式的設計，而是風險思維，即如何避免出現不滿足要求的問題，采用“功能及性能要求-可能出現的問題-預防的工藝措施”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，需要增加焊前預熱和后熱的步驟。

 

在工藝設計時，風險思維應當是有意而為之的，應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的內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、風險分析、優化措施3個步驟。

 

關于工藝步驟與PFMEA：

 

PFMEA是基于確定好的過程步驟和功能要求，在第一節中，清洗、預熱、后熱這3個步驟是在工藝開發時識別和確定了的。有人會講：如果在工藝開發時沒有想到，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，這樣才可以進行結構分析，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，應當是先開發焊接工藝，這里主要是指工藝步驟、焊接順序和焊接工藝參數，一旦工藝開發和驗證完畢，我們在分析PFMEA時就要認為這個工藝是沒有問題的。

 

關于工藝參數與PFMEA：

 

在這里，我們把工藝參數分為兩個層面來理解：第一個層面是定義，也就是在工藝開發時制定和驗證的參數大小和范圍；第二個層面是執行，這里的執行包括人員的執行，以及機器的“執行”（輸出）。

 

那么，下面我們就直接上案例，來針對當前業界經常出現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結構和內容，盡管如此，這個案例表格的內容也是較多的，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、工藝參數的合理性：如果在PFMEA的失效起因中討論某個參數的合理性，這樣能做到什么程度呢？參數定義得過高或過低所對應的優化措施，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中的建議措施應當是技術、防錯、過程控制方面的，而不是流程、體系、人員管理方面的內容，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”的策劃和風險分析，這需要另一個話題來探討。

 

由于在工藝開發時已經進行了工藝評定的試驗驗證，WPQ是工藝開發的必備步驟，在進行PFMEA分析時，我們就不用再懷疑參數的合理性了。

 

2、參數執行中的執行-“機”：在焊接過程中（包括一些其他過程），有的參數的輸出與定義及設置的相比，會發生較大的波動和偏移，如下圖所示。

 

這通常是一些電參數以及受到多種因素影響的參數，如焊接電流、功率、電壓、壓力等，對應的措施是與之相關部位/元件的預防性維護（要具體，切忌籠統）、對參數的輸出精度進行定期校準等預防控制措施，以及對參數的輸出進行實時監控并報警、停機等探測控制措施和反應措施。而像時間、數量等參數通常是穩定輸出的，轉速也一般是穩定的。

 

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，而對于導致電流和電壓發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防性維護的，要維護也是要通過設備廠家來進行，因此，在本案例中可以不寫與電流與電壓相關的預防性維護，當然，如果已經在采購談判時與設備廠家達成了年度售后維護的協議和內容，是可以寫到PFMEA中的。不能只是簡單地寫“預防性維護”，這樣太籠統，要寫維護什么地方，因為還要輸出具體的維護計劃。

 

3、工藝參數的執行-“人”：它又分為幾種情況：

 

1) 不知道要求。這屬于培訓與資質管理的問題，不屬于PFMEA的范疇。

 

2) 在主觀意識上不執行要求，即定義好了中值、上限、下限，但是操作者會有意不遵守，這多數是利益驅使或習慣導致，如計件薪酬，提高焊接電流和速度會提高產量，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是假設員工遵守工藝紀律的。

 

3) 因技能不足而不能正確執行要求，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。這屬于培訓與資質管理的問題，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手段，這屬于PFMEA的范疇，也可以通過管理優化的方式，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，我們發現，對于參數的“人”-執行這一方面，只有在手工操作，且存在精力、體力不濟的狀態下，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，主要參數包括：電流、電壓、焊速、導電嘴-工件距、干伸長度、保護氣體流量等，其中只有導電嘴-工件距、焊速是受操作者的狀態影響的，而焊接PFMEA能對此有哪些預防控制措施呢？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拍、減少一個班次的工作時長、增加信息的次數等管理類措施來克服。

 

總結與結論：

 

本文至此已經分別展示了焊接工藝的開發、優化，以及焊接過程的PFMEA的分析過程，現在我們總結一下：

 

工藝開發與PFMEA有什么關系？

 

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已確定，有一套獨立的工藝開發及評定系統，失效起因分時不再質疑它們的合理性。

 

3、工藝開發時也可以采用失效分析的思路，即正向設計與逆向設計（不同于將實物數字化的那種逆向設計的概念）相結合。

 

4、工藝參數分為兩個層面來認識：定義與執行，定義是在工藝開發時完成的，執行包括人的執行和機器的“執行”（輸出）。

 

5、PFMEA分析時所涉及到的工藝參數，是指“人”與“機”的執行方面的原因。

 

6、在PFMEA中分析的人的執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、機的參數執行，主要指有的參數會在設置到機器上后，由于機器的狀態問題，輸出時發生過大的波動或偏離，這需要校準、預防性維護、實時監控、報警、自動停機等措施，屬于PFMEA要研究的內容。