特殊過程確認在金屬熱加工行業的應用與實踐

劉 磊，吳 鑫，馮文靜，尹拽拽

（山西柴油機工業有限責任公司，山西 大同 037000）

2021年是我國“十四五”規劃的開局之年，“十四五”期間我國熱加工行業將迎來結構性調整，也帶來了格局的大變化。隨著熱加工行業在市場中優勝劣汰、大浪淘沙，行業產業鏈擴張速度趨于穩定，產業鏈配套水平獲得整體提升，基于數值模擬和物理模擬對技術優化的支撐作用明顯增強。但從全球熱加工行業看，美國、德國等發達國家仍然占據著高端制造市場，要想與發達國家在熱加工行業競爭乃至取得優勢，只能從“拼價格”向“強技術、比質量、優服務”轉型，逐步形成“小核心、大協作”的“內循環”產業格局。以我公司為例，我公司是我國大功率柴油機動力的生產基地，具有強大的系列產品研發能力及鑄造、鍛造、熱處理、機加、裝配等綜合制造能力。但隨著產業提升的需要以及動力指標提升的需求，柴油機產品結構更加復雜，功率需求大幅度提升，且需要經受更加惡劣的服役環境考驗，如何保證這些產品質量水平高、可靠性強是當前裝備制造過程的發力點，也是在國內乃至國外市場立于不敗之地的關鍵因素。而熱加工行業恰恰是提高材料性能、挖掘材料潛力的核心行業，隨著熱加工核心關鍵技術的研發和應用，熱加工領域將在未來裝備制造行業中發揮著舉足輕重的作用[1]。

1 熱加工工藝過程分析

所謂熱加工，通常指金屬材料在高于再結晶溫度的條件下成形、變形以及改性的加工方法，如鑄造、鍛造、熱處理、焊接等，但廣義的講，凡是通過使金屬材料產生相變的手段，以達到材料改性為目標的加工工藝，均屬于熱加工范疇，如深冷處理等。

由于熱加工行業中各領域的特點不盡相同，在體系建立前，還需要根據各種加工方式對產品最終性能、質量和壽命的設計要求和不同影響程度，分別對各種加工過程進行分析，用于判斷是否納入體系范圍內進行控制和確認。

鑄造過程是將液態金屬澆注到模具中，凝固后獲得一定形狀鑄件的加工方法，主要要求鑄件外形完好、內部致密，鑄造性能和使用性能符合要求，需要熟練掌握化學成分配比、冷卻凝固順序與鑄件本體金相組織和性能之間的內在關系。

鍛造過程是利用鍛壓設備對加熱到一定溫度區間內的金屬坯料施加壓力，通過塑性變形來獲得具有一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，主要用以消除金屬坯料在凝固過程中產生的鑄態疏松缺陷，優化微觀組織結構，滿足整體一致性要求。

熱處理過程是固態金屬材料通過加熱、保溫和冷卻的手段，獲得預期組織和性能的一種加工方法，主要用于改變產品的內部組織結構和性能，而摸索和掌握金屬材料在不同加熱和冷卻條件下的組織變化規律是其關鍵點，也是難點所在。

焊接過程是一種以加熱、高溫或高壓的方式使金屬結合的加工方法，焊接產品最終質量的高低，除了需關注焊接強度、焊縫熱影響區的性能以外，還嚴重受制于操作人員的操作水平和技術能力，是一個相對比較特殊的技術領域。

除了上述基礎加工方式以外，熱切割、熱噴涂、激光熔覆等加工方式具備相同的工藝特點，本文不再一一贅述。但是通過以上分析可以歸納出，熱加工行業的特殊性主要在于加工過程中材料相變過程以及對最終產品質量的影響無法做到定量分析，只能通過對熱加工過程的加工參數以及影響參數流動的各種因素進行控制，來確認過程最終結果的優劣。

2 特殊過程確認體系建立

特殊過程是指輸出結果不能由后續的監視和測量加以驗證，應對生產和服務提供過程實現策劃結果的能力進行確認，并定期再確認。隨著國家制造行業新的發展戰略，國家標準在制定過程中也重點關注和把握了這一轉變點，將特殊過程更名為生產和服務提供過程，更加強調對生產和服務過程的控制，概念更加明確、具體，但由于行業內的稱呼習慣，本文依然沿用舊時稱呼。同時，在新版標準中又進行了補充規定，內容包括過程評審和批準的準則，設備認可和人員資質鑒定，特定的方法和程序的使用和記錄的要求。所以，建立特殊過程確認體系并應作為一條主線并貫穿加工過程始末，是做好熱加工工作的核心和關鍵，但“何時做、做什么、怎么做”始終是一個難點[2]。

根據對熱加工工藝過程進行分析后不難看出，通過熱加工工藝方法生產的鑄件、鍛件以及產生強化或改性作用的中間工序均有一個共同點，就是難以或不能做到對產品的百分之百檢驗來驗證過程的有效性，難以進行百分之百檢驗指的是雖然擁有檢測手段，但需要的周期長、檢測成本高，只能抽查卻難以全覆蓋，不能進行百分之百檢驗是指那些對本體性能有要求，只能通過破壞性試驗來驗證其過程的有效性。所以說，特殊過程的核心思路就是通過對各個環節和過程進行控制和確認，來滿足最終產品使用要求。

在體系建立之前，還應對生產的產品類型進行分析，由于熱加工行業普遍存在的另一個顯著特點，即生產模式多為“多品種、小批量”的類型，還應該針對該種模式，將操作人員、使用設備、工藝參數均相同的過程歸納為一類過程進行控制和確認，對于外部協作產品同樣適用建立的確認體系。

（1）過程的識別。過程識別應遵循的原則為該過程是否形成產品的最終質量特性或對該質量特性有重大影響，且對于該質量特性難以或不能做到百分之百檢查和驗證，然后根據加工方法、原理的不同識別鑄造、熱處理、焊接、鍛造等一級過程，再根據材料牌號、工藝參數、設備、人員、環境等因素的不同綜合分析、識別出二級過程。

過程確認的時機應處于科研試制階段，在編制完成相應試制工藝規程后進行試加工，通過綜合檢驗和驗證合格后，則對該產品工藝試驗或試制過程中的人員、設備、工藝參數、材料、檢測結果等內容進行確認。產品處于定型階段，如人員、設備、材料、工藝參數、工作環境、測試方法中一項或多項同試制階段相比發生變化時，則應重新進行確認。

（2）實施過程確認前的控制。在編制工藝文件應按規定履行審批程序，工藝規程應對材料的牌號、設備、儀器、儀表、工裝、工藝方法、工序、工藝參數和檢驗項目等內容作出明確的規定。產品定型前，編制試制工藝規程，并執行工藝評審程序。產品定型后，編制正式工藝規程，對產品工藝安全性和質量影響較大的生產和服務提供過程應編制作業指導書。

過程中涉及的操作人員和檢驗人員必須經過專業技術培訓，經考試、考核合格，取得操作合格證后，方可上崗操作。操作人員要掌握工藝規程及操作技能，熟悉設備、工藝裝置的使用方法。技術人員要深入一線指導操作，對存在的問題開展技術攻關。操作者要做好受控參數的實測記錄，以證實其過程持續滿足預期結果的能力。不同等級產品的焊接人員必須取得國家權威部門頒發的資格證書。

過程所用設備要定期進行鑒定，如熱處理設備爐溫均勻性指標等，設備配套的儀表、工藝過程要求使用的計量器具和儀表均在有效期內。涉及使用到的模具應按照毛坯圖紙要求進行制造。模具制造后，還需要經專業人員檢驗，并簽發合格證后方可調試和生產，待產品鑒定合格后，方可最終驗收，投放于正式生產使用。

過程中所用到的原材料、輔助材料和相關工作介質，要符合工藝技術文件和國家標準的要求，需要時按規定進行檢驗或復驗，合格后方可使用，并對檢驗和復驗的結果進行記錄。原材料、輔助材料和相關工作介質在生產過程中，成分波動應保持在規定范圍內，發生異常應立即停止使用直到查找出原因為止。

（3）特殊過程的確認。針對識別出的過程，按照相關工藝規程、圖紙、作業指導書等技術文件的要求，進行工藝試驗驗證，確定適宜的工藝參數范圍。試制或定型生產中對工藝參數進行連續控制，并在該工藝參數范圍內選取參數進行確認。后續生產進程中，在保證工藝參數在確定的區間范圍內運行的前提下，將生產記錄和檢驗結果作為對該過程確認的延伸和補充，保證過程確認的有效性和全面性。

鑄造過程應確認的工藝參數內容主要包括熔化過程中的合金成分、熔化溫度、熔化時間，重力澆注過程中的澆注溫度，低壓澆注過程中的澆注溫度、充型時間、充型壓力、保壓時間。

熱處理過程應確認的工藝參數內容主要包括淬火、回火過程中的溫度、保溫時間、冷卻介質，滲碳過程中的溫度、保溫時間、碳勢，氮化過程中的溫度、保溫時間、氨流量，中頻淬火過程中的電壓、電流、頻率、冷卻介質、加熱時間、冷卻時間，高頻淬火過程中的電壓、電流、冷卻介質、加熱時間、冷卻時間。

焊接過程應確認的工藝參數內容主要包括電弧焊過程中的焊條直徑、電流強度，感應釬焊過程中的焊劑類型、焊絲直徑、電流強度、時間，火焰釬焊過程中的焊劑類型、氣壓、焊絲直徑，二氧化碳氣體保護焊過程中的電流強度、電壓、氣流量、焊絲直徑，氬弧焊過程中的電流強度、氬氣流量、焊絲直徑，堆焊過程中的預熱溫度、預熱時間、送粉量、焊接電流、轉臺轉速、焊后保溫溫度、保溫時間。

鍛造過程應確認的工藝參數內容主要包括鍛造過程中的始鍛溫度、終鍛溫度，鍛件熱處理中的溫度、保溫時間、冷卻介質。

（4）過程確認結果的抽樣和判定方案。在對過程進行確認后，為了進一步驗證結果的全面性和準確性，還應按照產品數量制定相應的抽樣方案，如表1所示為某產品過程確認抽樣方案，根據產品重要程度可進行適當調整。按要求抽取出一定數量的產品，如果檢查和驗證項目不合格數量超出表2要求為不合格，則代表該過程需要重新進行確認。

表1 過程確認抽樣方案

表2 結果判定方案

（5）特殊過程確認的驗證。過程確認的驗證，應嚴格執行相關工藝規程、圖紙、驗收技術條件等技術文件的規定，以滿足產品最終質量特性要求為目的，還應開展外觀檢查、試樣機械性能、試樣金相組織、試樣層深、淬火液濃度、油料粘稠度、型砂發氣量、探傷、鍍層厚度等一般檢測項目。

對鑄造過程進行確認，除進行外觀檢查、機械性能等常規檢驗外，還需要檢查內部尺寸和表面質量，取樣進行強度、氣孔、砂眼、縮松、偏析等項目的檢測。對鍛造過程進行確認，除進行外形尺寸、硬度等常規檢驗外，還需要增加對鍛件過熱、過燒組織以及模鍛件流線項目的檢測。對熱處理過程進行確認，除進行機械性能、層深等常規檢驗外，還需要增加對金相組織等項目的檢測。對表面處理過程進行確認，除進行鍍層厚度等常規檢驗外，還需要增加對鍍層結合強度、膜重等項目的檢測。對焊接過程進行確認，除進行焊縫質量的常規目測及無損檢測外，還需要增加對二氧化碳氣體保護焊、電弧焊、氬弧焊、火焰釬焊、感應釬焊的焊縫強度的檢測，以及堆焊基體和堆焊層金相組織的檢測。

3 結論

通過特殊過程確認體系的建立以及在金屬熱加工行業的應用和實踐，進一步提升了熱加工過程中技術和管理人員的專業技術知識和管理思維，避免了不必要的過程以及重復的工作流程，節約了大量的人力、物力和檢測資源，又保證了過程確認的完整性和準確性，加強了基礎制造工藝技術積累，為持續進行技術創新、二次技術開發、技術應用研究奠定了堅實的基礎。