提升閥控鉛酸蓄電池內(nèi)化成一次容檢合格率的方法

黃兆云，李佳佳，劉好利，周亞成，劉春，張建華

（理士國際技術有限公司（江蘇理士），江蘇 淮安 211600）

0 引言

早在十多年前，《鉛蓄電池行業(yè)準入條件》中第四點第八條明確規(guī)定“2012 年 12 月 31 日后新建、改擴建項目禁止采用外化成工藝”[1]，各鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠家逐步實施了鉛酸蓄電池的內(nèi)化成工藝。然而，12 V 6 Ah 小型鉛酸蓄電池內(nèi)化成工藝的一次容檢合格率始終沒有達到以往外化成電池一次容檢合格率水平。因此，通過對內(nèi)化成工藝一次容檢不良率產(chǎn)生的各個因素進行了分析和探討，如內(nèi)化成生極板成分分析、注酸機測量系統(tǒng)分析、充電機測量系統(tǒng)分析、注酸條件等，并采用 DOE 實驗響應優(yōu)化器得出最優(yōu)方案。

1 項目定義階段（Define）

統(tǒng)計 2022 年 1 月至 2022 年 5 月生產(chǎn)的 12 V 6 Ah鉛酸蓄電池的內(nèi)化成一次容檢合格率得出，這種小型密封鉛酸蓄電池的內(nèi)化成一次容檢合格率只有94.88 %。雖然可以對剩下的占比為 5.12 % 的一次容檢不合格的蓄電池，進行二次補酸、補電、重新容檢，使容檢合格率達到 99.9 % 以上，但是二次容檢過程耗時耗工，會增加生產(chǎn)成本，并導致生產(chǎn)不順暢，影響產(chǎn)品及時交付。

提升閥控鉛酸蓄電池 12 V 6 Ah 內(nèi)化成一次容檢合格率，啟動六西格瑪改善綠帶項目。通過分析供應商（Supplier）、輸入（Input）、過程（Process）、輸出（Output）、客戶（Customer），確定過程中的原材料、極板、組裝、加酸、充電容檢為關鍵過程。對 12 V 6 Ah 內(nèi)化成一次容檢合格率Y以及導致不合格的各種原因y進行定義。Y=1- (y1+y2+y3+y4)。y1表示一次容檢不合格率，是指電池 20 小時率容量檢測終止電壓小于 10.8 V或工藝標準值時，不符合工藝要求的電池數(shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。此數(shù)據(jù)由充電機篩選得出。y2表示酸量不合格率，是指電池加酸后，人工發(fā)現(xiàn)酸量或多或少的電池數(shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。酸量不合格的電池數(shù)量由人工統(tǒng)計。y3表示開機不合格率，是指電池加酸后由于短路、斷路而不能開機的電池數(shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。開機不合格的電池數(shù)量由充電工人統(tǒng)計。y4表示過程不合格率，是指由于操作失誤、巡檢線掉落等原因數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的電池數(shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。過程不合格的電池數(shù)量由充電工人統(tǒng)計。

2 測量階段（Measuremen）

六西格瑪管理測量階段（M 階段）的路徑包括：①關鍵輸出的測量系統(tǒng)分析?？蛇x用的工具包括計量型測量系統(tǒng)分析、計數(shù)型測量系統(tǒng)分析、破壞性測量系統(tǒng)分析。②關鍵輸出的當前表現(xiàn)?？蛇x用工具為統(tǒng)計過程控制、計量型過程能力分析。③初步尋找原因并識別快贏機會?？蛇x用工具為頭腦風暴法、魚骨頭、詳細流程圖、因果矩陣圖、潛在失效模式及后果分析、控制計劃等。

2.1 Y 的表現(xiàn)（過程能力）

12 V 6 Ah 電池內(nèi)化成的過程影響首要是檢驗極板成分、厚度、質(zhì)量等是否符合工藝標準的要求。抽取正生極板做 XRD 成分分析，觀察其中的 3BS與 4BS 的比例是否有利于一次初始容量形成。圖1顯示，正生極板中 PbO 的質(zhì)量分數(shù)為 31.1 %，3BS的質(zhì)量分數(shù)為 62.4 %，4BS 的質(zhì)量分數(shù)為 5.3 %。3BS 的含量達到預期值 60 % 以上，有利于初始容量的形成[2]。由圖2 可見，正極板中尺寸為 10 μm 的晶體表現(xiàn)正常，尺寸為 100 μm 的晶體表現(xiàn)均勻。

圖1 正生板鉛膏 XRD 成分分析圖

圖2 正極板鉛膏 SEM 掃描電鏡圖片

2.2 注酸機測量系統(tǒng)分析

測量設備為 MTL-FCK200×12 型（單格容量200 mL，12 管）真空注酸機。測量對象為注酸量。該注酸機配有稱量系統(tǒng)，可自動采集前、后兩稱的電池質(zhì)量，并錄入系統(tǒng)，自動計算酸量，然后繪制Xbar–R 控制圖。12 V 6 Ah 內(nèi)化成電池注酸量單格89 g，總酸量 534 g ± 5 g。在一臺加酸機上連續(xù)加酸 125 只電池。表1 顯示，極差控制上限為 14.595 g，已經(jīng)超出規(guī)格上下限極差 10 g 的范圍。過程能力指數(shù)Cpk為 0.554，過程性能指數(shù)Ppk為 0.465。二者均小于 0.67，表明過程能力嚴重不足，因此需要立即采取全檢措施，必要時可進行停工整頓[3]。

表1 加酸機酸量 Xbar-R 數(shù)據(jù)表

2.3 充電機測量系統(tǒng)分析

所選測量設備為 μc-3000SH 型微電腦充電機（技術指標：輸出電壓 320 V，輸出電流 10 A，24 回路，穩(wěn)流穩(wěn)壓精度±0.5 % FS）。測量對象為電流，測量人員有 3 人。量具重復性和再現(xiàn)性研究（R&R 研究）采用 Xbar-R 法。樣本數(shù)量取10 只，重復測量 3 次。量具用外校萬用表，公差0.001。經(jīng)過計算，%R&R = P/TV = 4.29% ≤10%，P/T = 2.68% ≤10%，ndc = 32 ≥ 5。此結果表明，充電機測量系統(tǒng)工作正常。

2.4 原因篩選

為了研究哪些因素對內(nèi)化成工藝一次容檢不合格率（Y）有影響，梳理工藝流程圖中的來料極板、極群配組、焊接、加酸、充電/容檢等過程，通過因果矩陣圖篩選出對容檢不合格率影響因素有極板厚度、極板質(zhì)量、裝配壓力、隔板厚度、工人的操作手法、焊接厚度、真空壓力、注酸機的穩(wěn)定性、充電機的電流和充電電池的溫度。通過初始FMEA（失效模式與后果分析）的嚴重度（S）、發(fā)生率（O）、探測度（D）的分值相乘得出 rpn（風險優(yōu)先系數(shù)），對 rpn 值較高的注酸機穩(wěn)定性、裝配壓力、充電機電流、極板質(zhì)量展開初步分析，得出影響一次容檢合格率的關鍵因子 X。

3 分析階段（Analyze）

對上述篩選得出的 4 個初步關鍵因子 X，通過潛在的關鍵原因進行識別出根本原因。在 Minitab軟件協(xié)助下，可以采用箱型圖、散點圖、交互作用圖、方差分析、等方差檢驗、相關性及回歸分析等方法來驗證這些因子是否為根因。

3.1 注酸機是否為關鍵因子

選取同批次生產(chǎn)的正生極板、負生極板各 125 片，稱量極板的質(zhì)量，做卡方檢驗，目的是排除極板質(zhì)量的干擾。將極板質(zhì)量數(shù)據(jù)輸入 Minitab 軟件中工作表，選擇統(tǒng)計（S）—質(zhì)量工具—運行圖。由圖3 可見，對正生極板的質(zhì)量數(shù)據(jù)中每組 5 個數(shù)據(jù)取平均值運行后，得出檢驗聚類性混合的近似 P 值為 0.151，大于 0.05，表明正太性檢驗無異常[4]。也就是說，正極板質(zhì)量的偏差犯錯概率不高，為影響一次容檢合格率的非關鍵因子。由圖4 可見，對負生極板的質(zhì)量數(shù)據(jù)中每組 5 個數(shù)據(jù)取平均值運行后，得出檢驗聚類性混合的近似 P 值為 0.728，大于 0.05，表明正太性檢驗無異常。也就是，負極板質(zhì)量的偏差犯錯概論不高，為影響一次容檢合格率的非關鍵因子。

圖3 正生板質(zhì)量的運行圖

圖4 負生板質(zhì)量的運行圖

同樣，采用 μc-3000SH 型微電腦充電機作為測量設備。在運行時，預設每個回路的校驗電流后，對充電過程的電流進行監(jiān)測。在這 24 個回路中，每個回路抽查 5 只電池端充電電流，所以共有 120 個數(shù)據(jù)。由圖5 可得，對充電機輸出到電池端電流數(shù)據(jù)中每組 5 個數(shù)據(jù)取平均值運行后，得出檢驗聚類性的混合近似 P 值為 0.982，大于 0.05，表明正太性檢驗無異常。也就是，充電機的輸出到電池端電流的犯錯概率不高，為影響一次容檢合格率的非關鍵因子。

圖5 充電機電流的運行圖

選取同批次極板，采用規(guī)格型號相同的充電機，以及 3 臺同樣規(guī)格、不同機臺的注酸機，收集容檢后產(chǎn)生的電池不合格率數(shù)據(jù)。每臺注酸機給400 只電池注酸。經(jīng)過容檢后，3 臺注酸機對應產(chǎn)生的不合格電池數(shù)量分別為 3 只、11 只、16 只。將數(shù)據(jù)輸入 Minitab 軟件中工作表，選擇統(tǒng)計（S）—表格—卡方檢驗。由表2 可知，經(jīng)過卡方檢驗，P 值為 0.012，小于 0.05，說明注酸機的穩(wěn)定性是影響一次容檢合格率的關鍵因子。

表2 不同注酸機之間的卡方檢驗

3.2 極板質(zhì)量是否為關鍵因子

抽取不同批次的極板組裝成電池，然后在同一注酸機給電池注酸，并采同規(guī)格的充電機給電池充電，收集容檢后產(chǎn)生的一次容檢不合格率。對于第 1 組電池，正極板的質(zhì)量板偏上限，負極板的質(zhì)量偏上限。對于第 2 組電池，正極板的質(zhì)量板偏下限，負極板的質(zhì)量偏下限。兩組極板為極限組合，檢驗極板質(zhì)量是否為關鍵因子。由表3 可知，經(jīng)過卡方檢驗，P 值為 0.410，大于 0.05，說明極板質(zhì)量不是顯著因子。但是，從整體水平來看，第 1 組電池與第 2 組電池相比，20 小時率容量放電時間均值要高出 30 min。

表3 不同批次極板之間的卡方檢驗

3.3 充電機電流是否為關鍵因子

由上述不同質(zhì)量極板生產(chǎn)的電池，在同一臺充電機的 8 個回路上充電、容檢。統(tǒng)計經(jīng)過容檢后的電池不合格率。經(jīng)過卡方分析，P 值為 0.693，大于 0.05，說明充電機電流為影響一次容檢合格率的非關鍵因子。

3.4 裝配壓力是否為關鍵因子

取 125 個極群，采用 WD51-V1000 型極板極群壓力測試儀，測試極群的裝配壓力為 45～55 kPa。有研究表明，閥控式鉛酸蓄電池的裝配壓力在 20～30 kPa 比較適中。當裝配壓力在 70 kPa以上時，電池的 20 小時率容量顯著下降[5]。經(jīng)過卡方檢驗，P 值為 0.204，大于 0.05。因此，極群裝配壓力與容量有關，但非影響一次容檢合格率的關鍵因子。

4 改進階段（Improve）

4.1 初步分析

通過以上分析，得出關鍵因子為注酸機的穩(wěn)定性。加酸機穩(wěn)定性的因子與其工藝過程密切相關。注酸工藝有重力法（自流式）、真空法、增壓推入法[6]。目前車間有真空注酸機 8 臺，加酸工藝主要條件為抽真空的壓力、時間、頻次。在 Minitab 軟件中，選擇統(tǒng)計（S）—DOE—因子，設計三因子兩水平 DOE 實驗。三因子分別為抽真空壓力、時間、頻次。兩水平分別為高、低。按 1 個仿行進行2K 全因子分析[7]。每項選取 100 只電池。實驗設定抽真空壓力的水平為 -90 kPa、-80 kPa，抽真空時間的水平為 15 s、25 s，抽真空頻次水平為 1 次、3 次。對經(jīng)過注酸、充電的電池進行容檢，然后把容檢合格率結果輸入工作表中進行分析。表4 給出了三因子兩水平 DOE 實驗方案的運行結果。其中，合格率為 97 % 就表示 100 只電池有 97 只電池合格。

表4 3 因子兩水平 DOE 實驗結果

4.2 實驗結果分析

在該 DOE 實驗方案中，選擇統(tǒng)計（S）—DOE—因子—分析因子設計，對實驗結果作效應的Pareto 圖，通過圖6 可以看出，代號為 A、C、AB的因子影響較大。代號 A 的因子是抽真空壓力、代號 B 的因子是抽真空時間、代號 C 的因子是抽真空頻次、代號 AB 的因子就是抽真空壓力和抽真空時間。繼而，在該 DOE 實驗方案中，選擇統(tǒng)計（S）—DOE—因子—響應優(yōu)化器，對實驗結果作期望值最大的優(yōu)化設計。通過圖7 分析，得到最大值 98 % 的條件為：抽真空壓力為 -90 kPa，抽真空時間 25 s，抽真空頻次為 3 次。

圖6 效應的 Pareto 圖

圖7 主效應圖

4.3 改善方案

針對車間真空壓力不穩(wěn)定，在 -90～-80 kPa 范圍內(nèi)來回波動的情況，增加 1 個負壓真空泵，將真空壓力穩(wěn)定在 -95～-90 kPa 之間。制定臨時工藝，設定抽真空 3 次，并且根據(jù)電池大小將首次抽真空時間由 15 s（目前電池注酸工藝參數(shù)）調(diào)整為 25 s，其余 2 次抽真空時間為 15 s。

4.4 運行檢驗

按照改善方案的工藝，經(jīng)過 3 個月的運行，電池的一次容檢合格率從之前 94.88 %，提升至 99.63 %，達到了預期目標（即合格率為 99.5 %）。在 Minitab軟件中，選擇統(tǒng)計（S）—基本統(tǒng)計量—雙比率—匯總數(shù)據(jù)，輸入試驗電池數(shù)量，以一次容檢不合格電池數(shù)量作為事件。表5 顯示，通過差值檢驗，P值近似為 0，小于 0.05，說明改善效果顯著[8]。

表5 雙比率檢驗結果

5 控制階段（Control）

上述運行結果經(jīng)過評估，可以形成文件。修訂操作標準書，將注酸工藝中影響注酸機穩(wěn)定性的3 個重要因子，即抽真空時間、抽真空壓力、抽真空頻次，進行系統(tǒng)調(diào)整。并且，召集現(xiàn)場人員對修改后的文件進行培訓，說明前因后果。

6 結束語

通過六西格瑪項目，運用科學的思路和方法，解決錯亂復雜的現(xiàn)場問題，尤其是每一步的邏輯驗證真假，篩選關鍵因子，驗證實驗結果是否為該因子的改善直接結果，并注重財務收益結果。六西格瑪不僅僅是一個形式上的程式或教條，作為一種經(jīng)