“人機(jī)料法環(huán)測”在焊接質(zhì)量控制中的應(yīng)用

王 琴 王銳平 繆亞軍

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 214500）

0 引言

在軌道交通制造業(yè)中，焊接加工是一種應(yīng)用普遍的加工方式，具有高強(qiáng)度、少用料、易成型、高性價(jià)比等優(yōu)勢。而鋁合金焊接還具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)，這就使鋁合金焊接在軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在鋁合金焊接中也會(huì)存在氣孔、裂紋等各種缺陷，對(duì)焊接產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)量成本上升，客戶滿意度下降，違背了質(zhì)量為本的企業(yè)文化。

本文主要從“人機(jī)料法環(huán)測”要素管理模式入手，對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制。

1 “人機(jī)料法環(huán)測”簡介

“人機(jī)料法環(huán)測”是對(duì)全面質(zhì)量管理理論中六個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱。人，指制造產(chǎn)品的人員；機(jī)，指制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；環(huán)，指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境；測，指測量時(shí)采取的方法。

2 常見鋁合金焊接缺陷

根據(jù)《鐵路應(yīng)用——軌道機(jī)車車輛以及軌道機(jī)車車輛部件的焊接第三部分：設(shè)計(jì)規(guī)定》（EN 15085-3），軌道交通行業(yè)規(guī)定了車門系統(tǒng)鋁焊部件的主要焊縫質(zhì)量等級(jí)為CPC2，對(duì)應(yīng)《鋁及鋁合金的弧焊接頭缺欠質(zhì)量分級(jí)指南》（ISO 10042）中評(píng)定等級(jí)C，如表1所示。該評(píng)定等級(jí)下主要缺陷包括裂紋、氣孔等。

表1 常用焊縫質(zhì)量等級(jí)

2.1 氣孔缺陷

氣孔是一種較為常見的焊接缺陷，在焊縫的每一處都會(huì)出現(xiàn)氣孔，圖1所示為鏈狀氣孔缺陷。在鋁合金焊接過程中，產(chǎn)生氣孔的氣體以氫為主，而氫氣是由電弧附近的空氣因母材、焊絲等雜質(zhì)燃燒分解而來。在鋁合金焊接過程中，氣孔是最常見的體積缺陷，其產(chǎn)生的空洞會(huì)減小接頭受力部分，一些針狀空洞會(huì)導(dǎo)致焊縫的松散，從而造成接頭強(qiáng)度下降，同時(shí)機(jī)械性能也會(huì)下降。造成氣孔的原因有很多，例如防護(hù)氣的傳輸中斷和不能覆蓋焊區(qū)，在焊接時(shí)，車間的門窗都是敞開的，使得室內(nèi)的氣流加速，造成了氣體防護(hù)的不利；還有焊縫處的能量偏低，水分含量過高；焊接前準(zhǔn)備工作不到位，導(dǎo)致焊件和焊絲受到污染，或有雜質(zhì)殘余；電弧電壓過高或運(yùn)線速度過快，導(dǎo)致焊接距離過長。針對(duì)氣孔缺陷，應(yīng)根據(jù)圖紙、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程中所規(guī)定的等級(jí)，對(duì)不合格的焊縫進(jìn)行拋光，去除氣孔；對(duì)過大的氣孔，要徹底刨掉，然后再進(jìn)行焊接。在拋光去除瑕疵時(shí)，要留意拋光深度，避免為了消除瑕疵而拋光過度，導(dǎo)致缺陷檢出率下降，從而產(chǎn)生安全隱患。

圖1 氣孔缺陷

2.2 裂紋缺陷

在焊接過程中，金屬分子之間的鍵斷裂，從而形成新的界面，就會(huì)出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。裂紋是焊縫的應(yīng)力或其他易造成裂紋的原因所致，大部分裂紋都是很小的，肉眼根本看不見。針對(duì)裂紋缺陷，應(yīng)通過衰減控制來減小冷卻速率，合理填充弧坑，并使用弧板將弧形和收弧點(diǎn)擴(kuò)展至焊縫外側(cè)；焊接順序要合理，控制好層間溫度，有條件的話要提前加熱，焊接后用木槌對(duì)焊縫和周邊部位進(jìn)行沖擊，以消除應(yīng)力；對(duì)裂紋的修復(fù)，要在完全消除缺陷之后，根據(jù)規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)焊；補(bǔ)焊區(qū)最多只能進(jìn)行兩次修復(fù)，多次修復(fù)會(huì)使補(bǔ)焊區(qū)溫度不均勻，造成補(bǔ)焊區(qū)的機(jī)械性能與未補(bǔ)焊區(qū)相比有很大差異，從而對(duì)補(bǔ)焊區(qū)的使用性能產(chǎn)生一定影響；補(bǔ)焊完畢后，必須等待溫度低于50 ℃再進(jìn)行滲透劑的噴涂，以免在補(bǔ)焊區(qū)域出現(xiàn)冷卻開裂。

圖2 裂紋缺陷

3 焊接質(zhì)量控制

基于“人機(jī)料法環(huán)測”要素管理模式對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。

3.1 人的分析

鋁合金焊接中，焊工的操作技能和謹(jǐn)慎的工作態(tài)度對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

3.1.1 焊工的操作習(xí)慣

焊接過程中，為預(yù)防未按規(guī)定打磨鎢針形狀，清潔噴嘴內(nèi)部，地線夾持、點(diǎn)固焊的位置、長度、質(zhì)量、焊后處理不符合要求，起收弧無停頓送絲，角焊縫未包邊延長等現(xiàn)象出現(xiàn)，就需要建立質(zhì)量責(zé)任制，并加強(qiáng)對(duì)焊工的質(zhì)量意識(shí)教育，規(guī)范焊工操作習(xí)慣，提高其責(zé)任心，使其養(yǎng)成一絲不茍的工作作風(fēng)。

3.1.2 焊工的工作態(tài)度

加強(qiáng)焊工對(duì)圖紙工藝規(guī)程的執(zhí)行力，比如焊縫的位置、長度，起收弧的修磨需符合規(guī)程要求；焊接過程需嚴(yán)格依據(jù)WPS規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行，并且按《焊接過程記錄表》項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行記錄確認(rèn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。生產(chǎn)中要求焊工嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，加強(qiáng)焊接工序的自檢與專職檢驗(yàn)人員的檢查。焊工實(shí)行自互檢時(shí)，除了關(guān)注圖紙公差的檢查外，還需將焊縫質(zhì)量的檢查落實(shí)到位，避免不合格產(chǎn)品流入下道工序。

3.1.3 焊工的操作技術(shù)

定期對(duì)焊工進(jìn)行崗位培訓(xùn)，使其從理論上掌握工藝規(guī)程，從實(shí)踐上提高操作技能水平。認(rèn)真執(zhí)行焊工考試制度，堅(jiān)持焊工持證上崗，建立焊工技術(shù)檔案。焊工技能與焊工證書符合性需進(jìn)行評(píng)估確認(rèn)，按期組織相關(guān)考核。并非所有焊工都具備特殊接頭焊接技能，故而在焊接人員資源的分配上，高危及關(guān)鍵焊縫需指定專人專崗。

3.1.4 焊接專檢人員配置

焊接專檢人員需按照策劃文件要求進(jìn)行100%目視檢查，且打磨前后均有檢驗(yàn)要求。保證焊接專檢人員配置充足，也可將滲透檢驗(yàn)工序委外，委托相關(guān)方派遣取得ISO 9712資質(zhì)的檢驗(yàn)人員進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 機(jī)的分析

焊接設(shè)備的性能及其穩(wěn)定性與可靠性直接影響焊接質(zhì)量。

3.2.1 焊接設(shè)備的選型

設(shè)備結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，機(jī)械化、自動(dòng)化程度越高，依賴性也就越高。所以，需要選擇合適的焊接設(shè)備。焊機(jī)選型時(shí)還需注意，機(jī)器人MIG送絲需均勻，避免出現(xiàn)燒穿、角焊縫厚度不足、起收弧缺陷等問題。對(duì)焊接設(shè)備，在使用前必須進(jìn)行檢查和試用，選定能符合工藝的參數(shù)，采用首件檢驗(yàn)，確定相關(guān)調(diào)整。

3.2.2 焊接設(shè)備及工裝的保養(yǎng)

現(xiàn)場焊接工裝易存在油污、電弧擦傷等問題，發(fā)現(xiàn)損壞需及時(shí)更換。要加強(qiáng)焊機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)，定期檢測焊機(jī)的關(guān)鍵精度和性能項(xiàng)點(diǎn)，并建立焊機(jī)關(guān)鍵部位日點(diǎn)檢制度，對(duì)工序質(zhì)量控制點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)控制。定期校驗(yàn)焊接設(shè)備上的電流表、電壓表、氣體流量計(jì)等各種儀表，以保證生產(chǎn)時(shí)計(jì)量準(zhǔn)確。同時(shí)，建立焊接設(shè)備狀況的維護(hù)檔案，為后續(xù)分析、解決問題提供思路。

3.3 料的分析

焊接生產(chǎn)所使用的原材料包括母材、焊接材料（焊條、焊絲、焊劑、保護(hù)氣體）等，這些材料的自身質(zhì)量是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。

3.3.1 原材料公差控制

對(duì)焊接來說，原材料公差控制不到位，母材組對(duì)后間隙超差，可能導(dǎo)致焊縫開裂。因而在原材料采購合同中需明確規(guī)定滿足圖紙所需公差要求。

3.3.2 原材料質(zhì)量控制

鋁件氧化膜易吸附水汽，在濕度較高時(shí)（相對(duì)濕度40%～50%），不處理氧化膜的焊縫有氣孔產(chǎn)生[1]，需評(píng)估前處理方案，整體去除氧化皮。部分母材來料腔內(nèi)存在鋁屑，加工截面有油污毛刺，部分線切割材料端口氧化嚴(yán)重等現(xiàn)象均需避免。加強(qiáng)原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)和廠內(nèi)自制零部件的工序和成品檢驗(yàn)，實(shí)行在生產(chǎn)中焊接原材料標(biāo)記運(yùn)行制度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接原材料質(zhì)量的追蹤控制。同時(shí)對(duì)供應(yīng)商焊接提需求，要求落實(shí)并可監(jiān)測，供方焊接產(chǎn)品需留存相應(yīng)的焊接記錄，需要時(shí)可隨時(shí)調(diào)取。搞好協(xié)作廠間的協(xié)作關(guān)系，督促、幫助供應(yīng)商做好質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工作。

3.4 法的分析

焊接質(zhì)量對(duì)工藝方法的依賴性很強(qiáng)，在影響焊接工序質(zhì)量的諸多因素中占有非常突出的地位。工藝方法對(duì)焊接質(zhì)量的影響主要來自兩個(gè)方面：一方面是工藝制訂的合理性，另一方面是執(zhí)行工藝的嚴(yán)格性。

3.4.1 焊接要求輸入的合理性

對(duì)客戶焊接要求組織評(píng)審，識(shí)別焊縫等級(jí)要求等，對(duì)特殊要求進(jìn)行專項(xiàng)控制。軌道車輛及其部件的焊接設(shè)計(jì)必須遵守EN 15085-3和《焊接設(shè)計(jì)要求》，焊縫承載進(jìn)行必要的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證（認(rèn)可已有的經(jīng)驗(yàn)），以作為評(píng)審輸入，應(yīng)全面審核焊接圖紙。

根據(jù)常用結(jié)構(gòu)及焊接工藝評(píng)定覆蓋范圍，整理焊縫接頭數(shù)據(jù)庫，盡量選用數(shù)據(jù)庫中的優(yōu)選焊接接頭，梳理不合理接頭，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以規(guī)避。多數(shù)焊縫背透均在型材腔內(nèi)，為有效觀察型材內(nèi)焊縫焊透、熔合情況，需在密封型材的合適位置開觀察孔。

3.4.2 工藝規(guī)程嚴(yán)謹(jǐn)性

工藝規(guī)程中的各種工藝參數(shù)是指導(dǎo)施焊的依據(jù)，它是根據(jù)模擬相似的生產(chǎn)條件所做的試驗(yàn)和長期積累的經(jīng)驗(yàn)以及產(chǎn)品的具體技術(shù)要求編制而成，是保證焊接質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，它具有規(guī)定性、嚴(yán)肅性、慎重性和連續(xù)性的特點(diǎn)。針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，工藝中需著重體現(xiàn)，如對(duì)起收弧位置進(jìn)行修磨、前處理、是否進(jìn)行焊前預(yù)熱等有具體要求，且工藝規(guī)程給定的工時(shí)需合理，在此基礎(chǔ)上確保貫徹執(zhí)行工藝方法的嚴(yán)格性，在沒有充足根據(jù)的情況下不得隨意變更工藝參數(shù)，即使確需改變，也得履行一定的程序和手續(xù)。

3.4.3 首件鑒定

在生產(chǎn)前，要按照焊接工藝規(guī)程做首件鑒定，以驗(yàn)證工藝方法的正確性與合理性。首件鑒定需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)要求，按照首件鑒定檢查表內(nèi)容逐條核實(shí)確認(rèn)，避免質(zhì)量問題發(fā)生于批量生產(chǎn)中。

3.4.4 工藝紀(jì)律檢查

定期進(jìn)行工藝紀(jì)律檢查，確認(rèn)生產(chǎn)現(xiàn)場各項(xiàng)參數(shù)、操作、設(shè)備、環(huán)境滿足工藝規(guī)程要求。

3.5 環(huán)的分析

在特定環(huán)境下，焊接質(zhì)量對(duì)環(huán)境的依賴性也是較大的。應(yīng)嚴(yán)格保證車間溫度＞10 ℃，濕度＜60%，各工位遮蔽良好，無流動(dòng)空氣干擾。焊接保護(hù)氣體流量需穩(wěn)定，不得出現(xiàn)焊接過程中突然斷氣或氣流量不足現(xiàn)象，安裝氣體流量監(jiān)控設(shè)備，及時(shí)預(yù)警。專檢需按照要求執(zhí)行，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境不符合項(xiàng)及時(shí)提出整改要求。

設(shè)立專用合規(guī)的滲透檢驗(yàn)場地、工作試件腐蝕場地，如冬季外部環(huán)境低于10 ℃，PT檢測顯示的有效性就得不到保證。大型工件等特殊情況的滲透，外部環(huán)境達(dá)不到要求，應(yīng)在工作前進(jìn)行試塊Ⅱ的靈敏度驗(yàn)證[2]，在滿足相應(yīng)要求的情況下再進(jìn)行工件檢測。

3.6 測的分析

3.6.1 檢驗(yàn)手段的選擇

針對(duì)不同產(chǎn)品在檢驗(yàn)策劃時(shí)靈活選定檢驗(yàn)手段，如間斷焊可制作樣板進(jìn)行確認(rèn)；對(duì)于焊腳尺寸有要求的焊縫可制作非標(biāo)焊縫檢驗(yàn)工裝進(jìn)行檢查；針對(duì)需要進(jìn)行射線檢測的工件可使用頻譜分析儀器進(jìn)行提前確認(rèn)，后續(xù)可進(jìn)行不定期抽樣檢測，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；內(nèi)部焊透情況無法直接目視的情況下可使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察。

3.6.2 檢驗(yàn)時(shí)機(jī)的選擇

當(dāng)需要射線及超聲波檢測時(shí)，檢測時(shí)機(jī)應(yīng)該定為工件焊縫覆蓋前或影響檢驗(yàn)作業(yè)的工序前[3]，但實(shí)際工作中會(huì)遇到已裝車表面處理完成的工件需要內(nèi)部檢測的情況。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油漆膩?zhàn)訉拥纳渚€吸收率會(huì)對(duì)鋁焊縫射線檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，故射線檢測只能在表面處理前進(jìn)行，如圖3、圖4所示。

圖3 油漆前底片

圖4 油漆后底片

實(shí)際工作中，客戶會(huì)由于特殊原因要求已表面處理件進(jìn)行裝車檢測，在油漆膜厚均勻的情況下油漆不會(huì)對(duì)超聲波檢測（頻譜分析）靈敏度造成影響[4]，表面處理后可選用超聲波進(jìn)行檢查。

4 結(jié)語

在企業(yè)生產(chǎn)制造過程中焊接工序是必不可少的一個(gè)組成部分，焊接工序作為特殊工序，其質(zhì)量需嚴(yán)格把控。根據(jù)本文所述，作為工業(yè)制造企業(yè)管理的六要素，嚴(yán)格控制好“人機(jī)料法環(huán)測”將能有效提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量。