基于六西格玛在高温合金焊接工艺改进技术研究

本文针对高温合金支架生产过程中焊缝合格率低的问题，采用六西格玛方法进行项目研究，通过定义、测量、分析、改进和控制五个阶段，提高高温合金支架的焊接工艺能力和能力。

1.定义阶段

1.1产品和工艺方法介绍

高温合金支架采用高温合金GH1131材料，采用冷轧钢板形式，厚度2mm，形状对称。整个支架呈弯曲角度为24°的弯曲梯状，弯曲点有一个三角形缺口。焊接时，填料和槽口对接在一起，沿对接处焊接，如图1所示。产品的焊缝质量要求为玉杆，要求目视检查焊缝外观质量和X射线检查焊缝内部质量。

高温合金支架的主要焊接工艺是手工氩弧焊。根据支架结构和焊接质量的要求，高温合金支架的焊接工艺如图2所示。首先对焊接部位进行清洗和定位，然后进行氩弧焊。焊接后进行外观检查和内部x光检查，根据检查情况采用补焊等方法消除缺陷，检查无误后最终交付使用。

1.2缺陷分析和目标定义

根据最近两批生产的20件高温合金支架和80条焊缝的统计，焊缝的不合格率分别为90%和40%。根据缺陷类型统计，发现高温合金支架一次焊接后的焊接合格率仅为35%，主要缺陷类型为裂纹和未焊透，如表1所示。

根据本项目关键质量分析，外部客户的VOC为:下游单位投诉产品质量稳定性差，产品加工周期过长；VOB内部业务需求是:焊接质量不合格导致产品报废，浪费大量成本，质量稳定性差影响单位质量声誉。最后得出结论，CTQ的关键质量点是:提高高温合金支架的焊接合格率。因此，将焊接合格率定义为项目目标Y值:

对高温合金支架的生产工艺进行SIPOC工艺分析，如图3所示，确定X射线检测为Y数据采集点，项目合格率线为90%合格率，目标线为95%合格率。

2.测量阶段

测量阶段是事实和数据驱动的六西格玛方法的具体体现。在这一阶段，将通过数据分析对测量系统进行评估，通过过程能力分析定义改进前的过程能力，并通过头脑风暴、因果矩阵、缺陷模式和影响分析找出本项目中需要分析和改进的关键因素。

2.1测量系统分析

以批量生产的已知结果的10个高温合金支架的40个焊缝为分析对象。对每条焊缝的x光片进行编号后，要求两名检查人员独立区分每条焊缝的x光片，并无序重复两次。如果焊缝没有缺陷，则为合格。依次记录检查结果，合格标“√”，不合格标“×”。两位检验人员的检验记录见表2。

使用Minitab软件分析表2中数据的一致性，结果如图4所示。从分析结果可以看出，两个检验人员自身的评价一致性以及两个检验人员与真值的评价一致性都远远大于0.7，因此测量系统可以作为本项目的评价标准。

2.2目标过程能力分析

泊松分布用于分析高温合金支架改进前焊接控制水平的过程能力，按焊接位置分组。数据如表3所示。分析结果显示，每20条焊缝在95%置信区间内，平均缺陷为15.5，下限为11.88，上限为19.87，如图5所示。

2.3找出关键因素

首先梳理焊接工艺流程，工艺变量如图6所示，采用头脑风暴法分析人、机、料、法、环境、测量等环节，确定影响焊接质量的14个因素[4-6]。

然后用因果矩阵对14个因素进行评分，用帕累托图对累计影响占前者80%的9个因素进行排序，如图7、图8所示。

再次使用过程缺陷模式和影响分析进行评分，数据如图9所示。利用帕累托图排序(见图10)，筛选出对焊缝质量影响最大的5个潜在关键因素，依次为:焊接冷却时间、起弧位置、焊接坡口、焊接湿度和焊接温度，下一阶段将对其进行分析和改进。

3.分析阶段

分析阶段在整个项目中起着承上启下的作用，也是最不可预测的阶段。通过仔细研究问题和数据的特点，利用相应的假设检验方法，对测量阶段识别出的潜在关键因素进行逐一验证。对于明显的问题和对目标值没有重大影响的问题，可以根据数据趋势采用快速简单的方法进行改进，而对于复杂重大的因素，可以留待改进阶段进行分析和改进。

3.1制定分析和检查计划

根据测量阶段确定的五个潜在关键因素的数据类型，选择相应的分析检验工具，分别通过40个焊缝的试验数据进行分析。具体检验计划见表4。

3.2各因素的具体分析

3.2.1焊接冷却时间分析

通过双比值试验对焊接冷却时间进行了对比分析。采用相同的焊接环境、起弧位置和焊接坡口，冷却时间由是否使用石棉绝缘控制。测试结果如表5所示。

测试数据由Minitab软件进行分析，结果如图12所示。拒绝原假设的概率为P=0.001，因此起弧位置具有统计学意义，是关键因素，已知增加起弧板有利于提高焊缝质量。

3.2.3焊接坡口分析

通过双比值试验对焊接坡口进行了对比分析。在焊接环境、起弧位置、焊后冷却时间相同的情况下，由于支架厚度为2mm，不易被GH1311材料穿透，因此在一组试验中设置了1 mm的焊接坡口[7]。测试结果如表7所示。

测试数据由Minitab软件进行分析，结果如图13所示。拒绝原假设P=0的概率，焊接坡口有统计学意义，这是关键因素。众所周知，设置焊接坡口有利于提高焊接质量。

3.2.3 焊接坡口分析

使用双比率检验对焊接坡口进行对比分析,采用相同焊接环境、起弧位置和焊接后冷却时间,由于支架厚度为2mm,对于GH1311材料而言偏厚不易焊透,因此在一组试验中设置1 mm的焊接坡口[7].试验结果表7所示.

使用Minitab软件分析试验数据,结果如图13所示.拒绝原假设概率P=0,焊接坡口具有统计显著性,是关键因子,且得知设置焊接坡口有利于提高焊缝质量.

3.2.4焊接温度分析

采用卡方检验对焊接温度进行对比分析，在不同的焊接温度下，采用相同的焊接湿度、起弧位置、焊接坡口状态和焊后冷却时间进行测试。测试结果如表8所示。

使用Minitab软件分析实验数据，结果如图15所示。拒绝原假设的概率P=0.791，远大于0.05，因此焊接湿度对目标值Y没有显著影响，焊接湿度不是关键因素。但从实验数据来看，湿度越低，焊缝合格率越高，因此焊接环境湿度应严格控制不高于70%。

3.2.5 焊接湿度分析

使用卡方检验对比分析焊接湿度,采用相同焊接温度、起弧位置、焊接坡口状态和焊接后冷却时间,在不同焊接湿度下进行试验.试验结果如表9所示.

使用Minitab软件分析实验数据,结果如图15所示.拒绝原假设概率P=0.791,远大于0.05,因此焊接湿度对目标值Y无显著影响,焊接湿度不是关键因子.但是从试验数据可知,湿度越小焊缝合格率越高,所以应严格控制施焊环境湿度不高于70%.

3.3分析和总结

通过以上分析，确定焊接冷却时间、起弧位置、焊接坡口是关键因素，将进入改进阶段进行改进。焊接温度和湿度不是关键因素，所以进行速赢改进，明确焊接施工要严格控制在符合要求的环境中。具体分析见表10。

4.改进阶段

通过前三个阶段的分析研究，我们对高温合金支架焊缝合格率低的根本原因有了较为准确的认识。改进阶段的主要目标是通过试验方法对各关键影响因素形成最优的工艺方案，从而达到提高焊缝合格率的目标值。

4.1测试设计

根据分析阶段的分析结果，影响焊缝质量的关键因素是焊接冷却时间、电弧起点与焊缝的距离以及坡口处的材料厚度。因此，每个因素采用2级加1个中心点的实验设计方案，具体参数设置见表11。

4.2 试验结果及分析

基于随机、重复、区组化的原则,使用Minitab软件对试验设置及运行顺序进行排列,每种参数设置16条焊缝进行试验,结果如表12所示.

根据DOE因子设计及结果生成不合格数残差图,如图16、图17所示.结果显示各因子及其交互作用的P值均小于0.05,因此具有统计显著性.但是设计结果弯曲P值为0,说明有严重的弯曲存在,需对不合格参数进行响应曲面试验设计.

对项目做响应面设计，参数设置及测试结果见表13，并画出残差图。如图18所示，分析数据显示P值均小于0.05，具有统计学意义，回归模型误差占总误差的93.85%，说明检验拟合度较好，影响因素显著。

最后利用响应优化器进行优化分析，如图19所示，得到最优解:根据实际情况和成本考虑，将电弧起点到焊缝的距离设置为32 mm，冷却时间为40 min，坡口厚度为0.9 mm使用最优参数进行焊接，16个焊缝不合格品的拟合数为0.523，95%置信区间为(0.040，1.006)。

5.控制阶段

控制阶段是保持项目改进成果的重要阶段，也是持续改进理念和追求零缺陷在六西格玛方法中的体现。基于以上四个阶段的改进结果，后续三批次焊接的40个焊缝缺陷分别为2个、2个和1个，焊缝合格率为95.8%，达到了95%的目标值。

项目在将改进参数标准化、固化到工艺文件和生产中的同时，还制定了控制计划，对每批次三个关键因素进行100%检查，并通过控制图进行分析和控制，持续改进。据统计，随着焊缝合格率的提高，仅用一个人年时间，减少返修和报废所节约的成本就达到62.7万元，经济效益和社会效益明显。

理论

通过六西格玛项目，研究了某高温合金支架焊接合格率低的问题。通过工艺梳理、实验研究、数据分析等方法，确定焊接冷却时间、起弧位置和焊接坡口尺寸是影响高温合金支架焊接质量的关键因素。通过设计和试验工艺优化，获得了最佳焊接工艺参数，有效提高了高温合金支架的焊接合格率，为生产过程带来了显著的经济效益。

同时，这一研究方法也体现了六西格玛方法在质量改进领域的科学性和严谨性，证明了六西格玛方法在焊接领域应用的可行性，为同类产品的生产和改进提供了新思路。