基于六西格瑪方法的高溫合金焊接工藝改進技術研究

李揚　丁順玉　許猛　馬博釗　何月杰　康景麟

摘要：針對高溫合金支架焊接合格率低的問題，開展了六西格瑪項目，通過定義、測量、分析、改善和控制5個階段，分析焊接工藝過程流程，確定了影響焊縫質量的潛在因子，并通過雙比率檢驗和卡方檢驗兩種方法確定了關鍵因子。最后通過設計試驗，對關鍵工藝參數進行優化，確定最優工藝參數。將改進后的工藝方案應用于實際生產中，焊接合格率由35%提升到95.8%，年節省報廢和返修成本62.7萬元。該改進方法在取得顯著經濟效益的同時，證明了六西格瑪方法在焊接領域應用的可行性，為類似產品的生產、改進提供參考價值。

關鍵詞：六西格瑪;高溫合金;焊接;工藝改進

中圖分類號：TG457文獻標志碼：B文章編號：1001-2303（2020）03-0102-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.19

0 前言

高溫合金支架是安裝于航天發動機的前封頭，用來支撐并約束發動機內的導管。支架表面工作時受到發動機噴出火焰產生極高溫度熱流的直接沖刷和燃氣介質的熱腐蝕作用。因此，為避免支架斷裂使導管散落影響發動機正常工作，對支架的強度和焊縫質量提出了較高的要求。

六西格瑪是一種注重流程、基于事實和數據、追求完美的質量管理方法，本文針對高溫合金支架生產過程中焊縫合格率低的問題，采用六西格瑪方法開展項目研究，通過定義、測量、分析、改善和控制5個階段，提升了高溫合金支架焊接工藝能力和控制保證措施，顯著減少了支架焊縫缺陷數，經濟效益明顯[1-3]。

1 定義階段

1.1 產品及工藝方法簡介

高溫合金支架采用冷軋鋼板形式的高溫合金GH1131材料，支架厚度2 mm，形狀對稱。支架整體呈彎折梯形狀，彎折角度24°，彎折處有一處三角形缺口。焊接時將填料與缺口對接組合，沿對接處焊接，如圖1所示。產品焊縫質量要求為Ⅰ極，需對焊縫外觀質量進行目視檢查和焊縫內部質量進行X光檢查。

高溫合金支架焊接的主要工藝方法為手工氬弧焊，根據支架結構與焊縫質量要求高溫合金支架焊接工藝流程如圖2所示。首先對焊接零件進行清理、定位，然后進行氬弧焊接，焊后進行目視檢查和內部X光檢測，并根據檢查情況通過補焊等方法排除缺陷，最終檢測無誤后交付使用。

1.2 缺陷分析及目標定義

對近期生產的兩批共20件高溫合金支架、80條焊縫進行統計，焊縫不合格率為90%和40%。統計缺陷種類發現，一次焊接后高溫合金支架焊接合格率僅為35%，缺陷類型以裂紋和未焊透為主，如表1所示。

對本項目進行關鍵質量分析，外部客戶需求VOC為：下游單位投訴產品質量穩定性差，產品加工周期過長;內部業務需求VOB為：焊接質量不合格導致產品報廢，浪費大量成本，質量穩定性差影響了單位品質聲譽。最終得出品質關鍵點CTQ為：提高高溫合金支架焊縫合格率。因此定義焊縫合格率為項目目標Y值：

焊縫合格率Y=×100%

對高溫合金支架生產過程進行SIPOC流程分析，如圖3所示，確定X光檢查為Y數據搜集點。并制定項目資格線為90%合格率，目標線為95%合格率。

2 測量階段

測量階段是六西格瑪方法以事實和數據驅動的具體體現，本階段將通過數據分析對測量系統予以評價，使用過程能力分析明確改進前的流程能力，并通過頭腦風暴、因果矩陣及缺陷模式和影響分析等手段找出本項目要分析改善的關鍵因子。

2.1 測量系統分析

以某批次生產已知結果的10件高溫合金支架的40條焊縫為分析對象。對各焊縫X光片進行編號后，要求兩個檢驗員分別獨立地對每條焊縫的X光片進行判別，并且無序的重復兩次。焊縫無缺陷即為合格，依次記錄檢驗結果，合格打“√”，不合格打“×”。兩名檢驗員的檢測記錄結果如表2所示。

使用Minitab軟件對表2數據進行一致性分析，結果如圖4所示。由分析結果可知，兩名檢驗員自身的評估一致性及分別與真值的評估一致性均遠大于0.7，因此該測量系統可以作為本項目的評判標準。

2.2 目標過程能力分析

使用Poisson分布對改進前高溫合金支架的焊縫控制水平進行過程能力分析，按焊縫位置分組，數據如表3所示。分析結果顯示每20條焊縫在95%置信區間內，均值缺陷為15.5，下限為11.88，上限為19.87，如圖5所示。

2.3 找出關鍵因子

首先梳理焊接工藝流程，流程變量如圖6所示，并通過頭腦風暴法對分析人、機、料、法、環、測各環節，確定影響焊縫質量的因子14個[4-6]。

然后通過因果矩陣對14個因子打分。利用帕累托圖排序、篩選出累計影響占比前80%的9個因子，如圖7、圖8所示。

再次使用過程缺陷模式和影響分析進行打分，數據如圖9所示。運用帕累托圖排序（見圖10）、篩選出對焊縫質量影響最大的5個潛在關鍵因子，依次為：焊接冷卻時間、起弧位置、焊接坡口、焊接濕度、焊接溫度，待后續階段分析改善。

3 分析階段

分析階段在整個項目中起到承上啟下的作用，同時也是最難預見的階段。通過仔細研究問題與數據的特點，采用相應的假設檢驗方法對測量階段確定的潛在關鍵因子逐一驗證，對顯而易見的問題和對目標值無顯著影響的問題，根據數據趨勢通過快速簡單的方法予以改善，對于復雜的和對目標影響顯著的因子留待改善階段分析改善。

3.1 制定分析檢驗計劃

根據測量階段確定的5個潛在關鍵因子的數據類型選擇相應的分析檢驗工具，并分別通過40條焊縫的試驗數據進行分析，具體檢驗計劃如表4所示。

3.2 各因子具體分析

3.2.1 焊接冷卻時間分析

使用雙比率檢驗對焊接冷卻時間進行對比分析，采用相同焊接環境、起弧位置和焊接坡口，冷卻時間通過是否使用石棉保溫控制。試驗結果表5所示。

采用Minitab軟件分析試驗數據，結果如圖11所示。拒絕原假設概率P=0，因此焊接冷卻時間具有統計顯著性，是關鍵因子，且得知使用石棉延長冷卻時間有利于提高焊縫質量。

3.2.2 起弧位置分析

使用雙比率檢驗對起弧位置進行對比分析，采用相同焊接環境、焊接坡口狀態和焊接后冷卻時間，通過是否增加引弧板控制起弧位置。試驗結果表6所示。

使用Minitab軟件分析試驗數據，結果如圖12所示。拒絕原假設概率P=0.001，因此起弧位置具有統計顯著性，是關鍵因子，且得知增加起弧板有利于提高焊縫質量。

3.2.3 焊接坡口分析

使用雙比率檢驗對焊接坡口進行對比分析，采用相同焊接環境、起弧位置和焊接后冷卻時間，由于支架厚度為2 mm，對于GH1311材料而言偏厚不易焊透，因此在一組試驗中設置1 mm的焊接坡口[7]。試驗結果表7所示。

使用Minitab軟件分析試驗數據，結果如圖13所示。拒絕原假設概率P=0，焊接坡口具有統計顯著性，是關鍵因子，且得知設置焊接坡口有利于提高焊縫質量。

3.2.4 焊接溫度分析

使用卡方檢驗對焊接溫度進行對比分析，采用相同焊接濕度、起弧位置、焊接坡口狀態和焊接后冷卻時間，在不同焊接溫度下進行試驗。試驗結果表8所示。

使用Minitab軟件分析試驗數據，結果如圖14所示。拒絕原假設概率P=0.760，遠大于0.05，因此焊接溫度對目標值Y無顯著影響，焊接溫度不是關鍵因子。但是從試驗數據可知，溫度越高，焊縫合格率越高，所以應嚴格控制施工環境溫度不低于20 ℃。

3.2.5 焊接濕度分析

使用卡方檢驗對比分析焊接濕度，采用相同焊接溫度、起弧位置、焊接坡口狀態和焊接后冷卻時間，在不同焊接濕度下進行試驗。試驗結果如表9所示。

使用Minitab軟件分析實驗數據，結果如圖15所示。拒絕原假設概率P=0.791，遠大于0.05，因此焊接濕度對目標值Y無顯著影響，焊接濕度不是關鍵因子。但是從試驗數據可知，濕度越小焊縫合格率越高，所以應嚴格控制施焊環境濕度不高于70%。

3.3 分析總結

經過以上分析，確定出焊接冷卻時間、起弧位置、焊接坡口是關鍵因子，將進入改善階段進行改善。焊接溫度和濕度不是關鍵因子，進行快贏改善，明確了應嚴格控制在符合要求的環境下進行焊接施工。具體分析情況如表10所示。

4 改善階段

通過前三個階段的分析研究，對于高溫合金支架焊縫合格率低問題產生的根本原因已經有了相對準確的認識，改善階段的主要目標是通過試驗方法形成針對各關鍵影響因子的最優工藝方案，實現提高焊縫合格率的目標值。

4.1 試驗設計

根據分析階段的分析結果，影響焊縫合格的關鍵因子為焊接冷卻時間、起弧點與焊縫距離、坡口處材料厚度。因此采取每個因素選取2水平加1中心點的試驗設計方案，具體參數設置如表11所示。

4.2 試驗結果及分析

基于隨機、重復、區組化的原則，使用Minitab軟件對試驗設置及運行順序進行排列，每種參數設置16條焊縫進行試驗，結果如表12所示。

根據DOE因子設計及結果生成不合格數殘差圖，如圖16、圖17所示。結果顯示各因子及其交互作用的P值均小于0.05，因此具有統計顯著性。但是設計結果彎曲P值為0，說明有嚴重的彎曲存在，需對不合格參數進行響應曲面試驗設計。

對項目進行DOE響應曲面設計，參數設置及試驗結果如表13所示，同樣繪制殘差圖，如圖18所示，分析數據顯示，P值均小于0.05，具有統計顯著性，并且回歸模型誤差占總誤差的93.85%，說明試驗擬合較好，影響因素顯著。

最后通過響應優化器進行優化分析，如圖19所示，得出最優解：根據實際條件和成本考慮，設定起弧點距焊縫距離為32 mm，冷卻時間40 min，坡口厚度0.9 mm。采用最優參數施焊，16條焊縫不合格品擬合數為0.523，95%置信區間為（0.040，1.006）。

5 控制階段

控制階段是項目維持改進成果的重要階段，也是六西格瑪方法中持續改進、追求零缺陷理念的體現。基于以上4個階段的改進成果，后續焊接的3批各40條焊縫的缺陷數分別為2、2、1，焊縫合格率Y值為95.8%，已經達到目標值95%。

項目在將改進參數標準化，固化到工藝文件及生產中的同時，還制定了控制計劃，每批次100%檢查三個關鍵因子，并通過控制圖進行分析控制，持續改進。經統計，隨著焊縫合格率的提升，僅1年時間內，在減少返修和報廢等方面節省的成本就達到了62.7萬元，經濟收益和社會效益明顯。

6 結論

通過開展六西格瑪項目的方式研究了某高溫合金支架焊接合格率低的問題，通過流程梳理、試驗研究、數據分析等方法，確定焊接冷卻時間、起弧位置和焊接坡口尺寸是影響高溫合金支架焊接質量的關鍵因素。通過設計試驗工藝優化得到了最優焊接工藝參數，有效提高了高溫合金支架的焊接合格率，為生產過程帶來顯著的經濟效益。

同時本研究方法也體現了六西格瑪方法在質量改進領域的科學性、嚴謹性，證明了六西格瑪方法在焊接領域應用的可行性，為后續類似產品的生產、改進提供了新思路。

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