在制定PFMEA时，是否将考虑工艺参数的合理性？具体来说，就是工艺参数规定的合不合理是否应作为失效模式的起因？

 

这个问题在一些工艺参数为主要过程变量的特殊工艺，如焊接、注塑、热处理中，显得尤为突出，在业界一直是一个有争议的话题，当然，对于一般性的制造过程，也同样如此，如机加工过程。

 

在缺乏具体的实践和尝试之前，任何建立在主观和经验上的推论，都不足为据。因此，作者将决定从平时的焊接技术和FMEA实践案例中探寻它们的关系和最佳的实践路径。

 

下面我们就试做一下。先从焊接工艺步骤和参数的开发过程入手，从中探讨是否需要用到PFMEA的逻辑和方法；然后再做焊接过程的PFMEA（部分），把工艺参数作为其中的失效起因，看PFMEA是否可以对工艺步骤和工艺参数的开发和定义有实质性的贡献；最后总结二者的相互关系。

 

一、焊接工艺规程（WPS）的制定与评定

 

现在假设一个新产品的概念设计已经完成了，也已经进行过了DFM，也就是说，设计已经没有问题了，但是结构形式、规格和材质，以及工况均与现有的产品不同，即现有的焊接工艺规程（WPS）用不上了，需要开发一套专属的焊接工艺。

 

用于工艺开发的设计输出信息及工艺开发的思路如下：

 

1) 了解产品的结构：它是一个用于卡车的传动轴，如下图所示，共有三条焊缝：

 

2) 确定焊接顺序：了解了结构及焊缝的数量和位置后，需要制定合理的焊接顺序。焊接顺序的制定，需要考虑：装配的可实现性、效率等，还要考虑焊接应力和焊接变形的最小化要求等。该结构的焊接顺序如下：

 

在本文后续的探讨中，我们以中间这条焊缝为例，它是花键套与轴管的焊接，焊接前是采用径向过盈压装进行装配的，但需要预留1~1.5mm的焊缝根部间隙，否则会产生根部未熔合缺陷，因此，设计的接头型式如下：

 

其中，轴管的壁厚为6mm。

 

接头型式是产品设计的输出之一，然而现实中绝大部分设计工程师，对于根部能不能熔合是没有概念的，即这些接头结构参数最好听取焊接工程师的建议。当然，作为结构设计工程师，也可以查寻相关的焊接接头设计标准，如ISO9692。但上图的型式，一般标准中是没有的。

 

3) 材质的焊接性分析：产品材质如上图所示，花键套的材质为40Cr，是典型的轴类材质，它是碳当量（IIW公式）为Ceq =0.61-0.79% （按成份标准范围的下上限计算）的低合金高强钢，轴管材质为B480QZR-Q，它是一种以宝山钢铁公司企业标准命名的低合金高强钢，Ceq=0.46%（按成份范围的中值计算）。总体上来说，母材在焊后空冷（自然冷却）条件下出现淬硬组织及冷裂纹的倾向是比较高的。

 

4) 确定基本的焊接步骤：由于母材出现淬硬组织和冷裂纹的倾向较高，因此，需要如下基本的步骤：清洗+压装+预热+焊接+后热。

 

清洗，就是通过超声波清洗或饱和蒸汽清洗的方法，将零件表面上的油、锈、灰等去除，并充分烘干，以防焊接时出现气孔、氢致延迟裂纹等缺陷。

 

预热，就是在焊前对工件（或焊接区）进行加热，以降低冷却速度，避免在焊后冷却过程中出现淬硬组织（马氏体或下贝氏体）。预热温度和层间温度按碳当量较高的40Cr：150±50°C。

 

有人会问：这个参数是怎么来的？可以通过碳当量、母材厚度的经验公式进行推断，也可以通过电弧焊线图进行推算，最精确的理论依据是母材的CCT图（连续冷却曲线图），此处为异种材料相焊，应按焊接性较差一侧的材质来确定。

 

后热，就是在焊接后进行加热和保温，以使进入焊缝的氢有机会在焊缝凝固后还能逸出，避免出现氢致裂纹，后热参数为：320±20°C/保温45±5min。

 

后热的参数是怎么来的？这是经过业界验证的工艺数据，比较成熟和固定。

 

5) 焊接工艺方法及工装形式：根据材质及焊接效率及成本的要求，可采用GMAW（熔化极气体保护焊）方法，具体为MAG焊，保护气体CO2-Ar比例为典型的20%-80%。由于工件为回转体，因此可以采用回转形式的工装，属于焊接专机，如下图所示：

 

6) 确定焊缝的填充金属：由于所焊部件为轴类，它需要满足综合力学性能的要求，包括：强度、塑性、韧性，也就是说不能只考虑强度指标。当然，在焊丝实际选用时，要据“等强度”原则。至于塑性和韧性，需要通过控制焊后冷却后生成的显微组织来保证的。对于合金元素种类更多、含量更高的合金钢，还要通过焊后热处理来调整和保证显微组织和力学性能指标。由于B480QZR-Q的屈服强度为480~580MPa，40Cr强度为835MPa（均值），为在本案例中，焊丝按较低强度母材选择，使用ER49-1（550-600MPa）。通常情况下，焊丝的成分或牌号是由产品设计人员选择的，属于设计输出之一，而焊丝直径是由工艺人员确定的。

 

7) 焊接层次及参数：由于较薄件轴管的壁厚为6mm，为了实现射流过渡，焊丝直径为Φ1.0mm，且焊缝余高要求不大于1.5mm，因此，需要焊接两层，每层的参数如下：

 

8) 其他参数：干伸长度为15±3mm，导电嘴-工件距为17±3mm。

 

上述各步骤中的参数值来源于：焊接领域中的一些手册、规范、相似产品或工艺评定报告的数据、焊接工程师个人的经验积累等，这些都是待评定和验证的。

 

至此，作为工艺的设计的第一步就完成了，接下来，我们要进行焊接工艺评定，待评定的焊接工艺规程叫做PWPS（预焊接工艺规程）。

 

9) 焊接工艺评定（WPQ）：焊接工艺评定是指按照行业标准，评定PWPS是否满足所有要求，它是一套标准而严谨的程序和方法，是焊接工艺开发的必备步骤，除非所设计的工艺属于工艺评定标准所覆盖的范围。WPQ的基本程序如下图所示：

 

 

不同行业中也有不同的WPQ标准，如一般性的ISO15614、钢结构行业的AWS D1.1、国内压力容器和压力管道行业的NB∕T47014等等，但是它们的基本步骤和程序都如上图所示。在本文中就不再进行展开了。

 

一般情况下，当通过WPQ后，工艺开发就基本完成了。

 

10) 工艺参数的进一步优化：只基于1~3个试件的WPQ试验所确定的工艺参数往往是不够可靠的。WPQ中验证的工艺参数是入门级的，只是可以进入到“可用”的门槛，而当大批量生产时，如果要使焊接过程输出的产品特性，如熔深、强度等，持续满足我们的目标值，还需要更加深入地优化。如果所出现的问题在根因分析的基础上确定与工艺参数有关，那么就需要对关键的工艺参数进行优化。这时DOE工具就有用武之地了，它是焊接过程的参数优化工具之一，而且是最佳工具。

 

可以说，一个可靠的焊接工艺是不容易的，它是长期试验探索和优化得来的，它反映了一家企业的工艺技术的水平和底蕴！好在当前的焊接设备越来越高端、输出的参数越来越稳定、设备的输出精度和能力较高、变差较小，这在一定程度上可以弥补焊接工艺参数制定时的问题，但是一般档次的焊设备还是有较大的问题的。

 

小结：

 

从以上焊接工艺开发和优化的过程可以看出，我们实际上进行了失效分析和风险分析，见上述内容中的红色部分，只是不按照PFMEA的具体格式，工艺中只体现优化的预防措施，而不体现探测措施。更进一步说，当接手一个工艺开发的任务时，我们应当抛弃经验主义和条件反射的方式去复制曾经的一些东西，而是主动去拥抱先进的工具方法和理念，在这里我们将其总结为“正向设计”与“逆向设计”两条工艺设计路径。

 

正向设计：如何实现和满足零件的功能要求，如强度、熔深、焊喉尺寸等。

 

如，为了满足坡口的填充及焊缝余高小于1.5mm的要求、强度要求，以及为了实现MAG焊最优的熔滴过渡形式-射流过渡，特使用Φ1.0mm、ER49-1焊丝，焊接两层，即工件在工装上旋转两圈，详细参数见7）或上述附件中的完整案例。

 

逆向设计：在这里不是指测绘式的设计-拿个实物来进行测量，照葫芦画瓢式的设计，而是风险思维，即如何避免出现不满足要求的问题，采用“功能及性能要求-可能出现的问题-预防的工艺措施”的思路。

 

如，当采用第2）条中所示的接头型式时，零件压装根部可能存在未熔合缺陷，特使用Φ1.0mm焊丝，以及在WPS的横切面图中标出根部间隙为1mm （通常公差为0~0.5mm）；由于母材40Cr的碳当量大于0.6%，有较高的冷淬和冷裂的倾向，因此，需要增加焊前预热和后热的步骤。

 

在工艺设计时，风险思维应当是有意而为之的，应当是被当做流程式的步骤来对待。

 

二、焊接过程PFMEA（片段）

 

我们使用上述同样的素材来制定一个PFMEA，从中特意引用工艺参数的内容作为失效起因进行分析，看PFMEA是否能够输出更有意义的信息。

 

我们基于新版AIAG-VDA FMEA参考手册的格式，且简化，只显示失效分析、风险分析、优化措施3个步骤。

 

关于工艺步骤与PFMEA：

 

PFMEA是基于确定好的过程步骤和功能要求，在第一节中，清洗、预热、后热这3个步骤是在工艺开发时识别和确定了的。有人会讲：如果在工艺开发时没有想到，但在焊接失效起因的分析时可能会想到要有这样的步骤，或者说还没有着手开发焊接工艺就开始做PFEMA，这样在PFMEA分析时想到了这3个步骤。在这种情况下，就会倒回去更新流程图去增加上这个3个步骤。

 

请问，这样做符合PFMEA的步骤和逻辑要求吗？

 

答案当然是：不！

 

要做PFEMA，就要有确定好了的流程图，这就需要有坚实的工艺知识做为基础，这样才可以进行结构分析，进而进行功能分析和失效分析。由此可见，至少是对焊接过程来说，应当是先开发焊接工艺，这里主要是指工艺步骤、焊接顺序和焊接工艺参数，一旦工艺开发和验证完毕，我们在分析PFMEA时就要认为这个工艺是没有问题的。

 

关于工艺参数与PFMEA：

 

在这里，我们把工艺参数分为两个层面来理解：第一个层面是定义，也就是在工艺开发时制定和验证的参数大小和范围；第二个层面是执行，这里的执行包括人员的执行，以及机器的“执行”（输出）。

 

那么，下面我们就直接上案例，来针对当前业界经常出现的几种模糊不清的地方进行剖析。请注意，为了突出要讨论的话题，在此不展示完整的PFMEA结构和内容，尽管如此，这个案例表格的内容也是较多的，因此特将案例以附件的形式展示，对于该案例，我们分如下三个方面进行解读：

 

1、工艺参数的合理性：如果在PFMEA的失效起因中讨论某个参数的合理性，这样能做到什么程度呢？参数定义得过高或过低所对应的优化措施，无非是进行WPQ、DOE，做不做WPQ、DOE，这属于工作流程和步骤的范畴。PFMEA中的建议措施应当是技术、防错、过程控制方面的，而不是流程、体系、人员管理方面的内容，PFMEA不能大包大揽！PFMEA是一个用于“制造过程”策划的工具，仅此而已！当然，我们也不妨把FMEA推广到体系、管理层面，即“工作过程”的策划和风险分析，这需要另一个话题来探讨。

 

由于在工艺开发时已经进行了工艺评定的试验验证，WPQ是工艺开发的必备步骤，在进行PFMEA分析时，我们就不用再怀疑参数的合理性了。

 

2、参数执行中的执行-“机”：在焊接过程中（包括一些其他过程），有的参数的输出与定义及设置的相比，会发生较大的波动和偏移，如下图所示。

 

这通常是一些电参数以及受到多种因素影响的参数，如焊接电流、功率、电压、压力等，对应的措施是与之相关部位/元件的预防性维护（要具体，切忌笼统）、对参数的输出精度进行定期校准等预防控制措施，以及对参数的输出进行实时监控并报警、停机等探测控制措施和反应措施。而像时间、数量等参数通常是稳定输出的，转速也一般是稳定的。

 

在此补充说明一下，上述PFMEA案例中，我们举的是焊接电源的例子，而对于导致电流和电压发生偏离和波动的部件和元件，一般焊接电源的使用厂家是难以进行预防性维护的，要维护也是要通过设备厂家来进行，因此，在本案例中可以不写与电流与电压相关的预防性维护，当然，如果已经在采购谈判时与设备厂家达成了年度售后维护的协议和内容，是可以写到PFMEA中的。不能只是简单地写“预防性维护”，这样太笼统，要写维护什么地方，因为还要输出具体的维护计划。

 

3、工艺参数的执行-“人”：它又分为几种情况：

 

1) 不知道要求。这属于培训与资质管理的问题，不属于PFMEA的范畴。

 

2) 在主观意识上不执行要求，即定义好了中值、上限、下限，但是操作者会有意不遵守，这多数是利益驱使或习惯导致，如计件薪酬，提高焊接电流和速度会提高产量，就会收益更多，这属于员工管理的范畴，而不属于PFMEA的范畴，PFMEA是假设员工遵守工艺纪律的。

 

3) 因技能不足而不能正确执行要求，即操作者知道怎样做，也愿意遵守工艺纪律，但无奈能力不足。这属于培训与资质管理的问题，不属于PFMEA。

 

4) 以上3个方面都没有问题，但在手工操作时因精力、体力不济而造成失效的情况，这一般可以通过防错等技术手段，这属于PFMEA的范畴，也可以通过管理优化的方式，如增加班次、减少每个班次的工作时长、增加休息的时间等，这属于管理的范畴。

 

通过上述的剖析，我们发现，对于参数的“人”-执行这一方面，只有在手工操作，且存在精力、体力不济的状态下，通过防错的手段进行控制，才属于PFMEA的范畴。那么在手工焊接操作时（上述附件的焊接PFMEA案例为自动化），是否存在这种情况呢？我们来分析一下：

 

以手工GMAW为例，主要参数包括：电流、电压、焊速、导电嘴-工件距、干伸长度、保护气体流量等，其中只有导电嘴-工件距、焊速是受操作者的状态影响的，而焊接PFMEA能对此有哪些预防控制措施呢？答案是：与自动化焊接相比，防错的成本可能会更高，也就是说，对于手工焊焊速问题和导电嘴-工件距问题，是没有合适的防错措施的！这说明，即使是属于PFMEA的范畴，也可能没有有效的措施！只能通过减慢工作节拍、减少一个班次的工作时长、增加信息的次数等管理类措施来克服。

 

总结与结论：

 

本文至此已经分别展示了焊接工艺的开发、优化，以及焊接过程的PFMEA的分析过程，现在我们总结一下：

 

工艺开发与PFMEA有什么关系？

 

1、我们所做的PFMEA，具体是针对“制造过程”，而不是“工作过程”。

 

2、PFMEA的分析前提是工艺步骤和参数已确定，有一套独立的工艺开发及评定系统，失效起因分时不再质疑它们的合理性。

 

3、工艺开发时也可以采用失效分析的思路，即正向设计与逆向设计（不同于将实物数字化的那种逆向设计的概念）相结合。

 

4、工艺参数分为两个层面来认识：定义与执行，定义是在工艺开发时完成的，执行包括人的执行和机器的“执行”（输出）。

 

5、PFMEA分析时所涉及到的工艺参数，是指“人”与“机”的执行方面的原因。

 

6、在PFMEA中分析的人的执行仅涉及精力与体力的不济方面，可能需要防错之类的措施，而其他方面的原因与措施，属于管理措施，并非制程PFMEA的范畴。

 

7、机的参数执行，主要指有的参数会在设置到机器上后，由于机器的状态问题，输出时发生过大的波动或偏离，这需要校准、预防性维护、实时监控、报警、自动停机等措施，属于PFMEA要研究的内容。