“人機料法環測”在焊接質量控制中的應用

王 琴 王銳平 繆亞軍

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 214500）

0 引言

在軌道交通制造業中，焊接加工是一種應用普遍的加工方式，具有高強度、少用料、易成型、高性價比等優勢。而鋁合金焊接還具有耐腐蝕、導熱性和導電性良好等特點，這就使鋁合金焊接在軌道交通領域得到了廣泛應用。但在鋁合金焊接中也會存在氣孔、裂紋等各種缺陷，對焊接產品的質量產生嚴重的不良影響，進而導致質量成本上升，客戶滿意度下降，違背了質量為本的企業文化。

本文主要從“人機料法環測”要素管理模式入手，對焊接產品質量進行控制。

1 “人機料法環測”簡介

“人機料法環測”是對全面質量管理理論中六個影響產品質量的主要因素的簡稱。人，指制造產品的人員；機，指制造產品所用的設備；料，指制造產品所使用的原材料；法，指制造產品所使用的方法；環，指產品制造過程中所處的環境；測，指測量時采取的方法。

2 常見鋁合金焊接缺陷

根據《鐵路應用——軌道機車車輛以及軌道機車車輛部件的焊接第三部分：設計規定》（EN 15085-3），軌道交通行業規定了車門系統鋁焊部件的主要焊縫質量等級為CPC2，對應《鋁及鋁合金的弧焊接頭缺欠質量分級指南》（ISO 10042）中評定等級C，如表1所示。該評定等級下主要缺陷包括裂紋、氣孔等。

表1 常用焊縫質量等級

2.1 氣孔缺陷

氣孔是一種較為常見的焊接缺陷，在焊縫的每一處都會出現氣孔，圖1所示為鏈狀氣孔缺陷。在鋁合金焊接過程中，產生氣孔的氣體以氫為主，而氫氣是由電弧附近的空氣因母材、焊絲等雜質燃燒分解而來。在鋁合金焊接過程中，氣孔是最常見的體積缺陷，其產生的空洞會減小接頭受力部分，一些針狀空洞會導致焊縫的松散，從而造成接頭強度下降，同時機械性能也會下降。造成氣孔的原因有很多，例如防護氣的傳輸中斷和不能覆蓋焊區，在焊接時，車間的門窗都是敞開的，使得室內的氣流加速，造成了氣體防護的不利；還有焊縫處的能量偏低，水分含量過高；焊接前準備工作不到位，導致焊件和焊絲受到污染，或有雜質殘余；電弧電壓過高或運線速度過快，導致焊接距離過長。針對氣孔缺陷，應根據圖紙、執行標準和工藝規程中所規定的等級，對不合格的焊縫進行拋光，去除氣孔；對過大的氣孔，要徹底刨掉，然后再進行焊接。在拋光去除瑕疵時，要留意拋光深度，避免為了消除瑕疵而拋光過度，導致缺陷檢出率下降，從而產生安全隱患。

圖1 氣孔缺陷

2.2 裂紋缺陷

在焊接過程中，金屬分子之間的鍵斷裂，從而形成新的界面，就會出現裂紋，如圖2所示。裂紋是焊縫的應力或其他易造成裂紋的原因所致，大部分裂紋都是很小的，肉眼根本看不見。針對裂紋缺陷，應通過衰減控制來減小冷卻速率，合理填充弧坑，并使用弧板將弧形和收弧點擴展至焊縫外側；焊接順序要合理，控制好層間溫度，有條件的話要提前加熱，焊接后用木槌對焊縫和周邊部位進行沖擊，以消除應力；對裂紋的修復，要在完全消除缺陷之后，根據規定進行補焊；補焊區最多只能進行兩次修復，多次修復會使補焊區溫度不均勻，造成補焊區的機械性能與未補焊區相比有很大差異，從而對補焊區的使用性能產生一定影響；補焊完畢后，必須等待溫度低于50 ℃再進行滲透劑的噴涂，以免在補焊區域出現冷卻開裂。

圖2 裂紋缺陷

3 焊接質量控制

基于“人機料法環測”要素管理模式對焊接質量進行控制。

3.1 人的分析

鋁合金焊接中，焊工的操作技能和謹慎的工作態度對保證焊接質量至關重要。

3.1.1 焊工的操作習慣

焊接過程中，為預防未按規定打磨鎢針形狀，清潔噴嘴內部，地線夾持、點固焊的位置、長度、質量、焊后處理不符合要求，起收弧無停頓送絲，角焊縫未包邊延長等現象出現，就需要建立質量責任制，并加強對焊工的質量意識教育，規范焊工操作習慣，提高其責任心，使其養成一絲不茍的工作作風。

3.1.2 焊工的工作態度

加強焊工對圖紙工藝規程的執行力，比如焊縫的位置、長度，起收弧的修磨需符合規程要求；焊接過程需嚴格依據WPS規定的參數進行，并且按《焊接過程記錄表》項點進行記錄確認，保證產品質量的可追溯性。生產中要求焊工嚴格執行焊接工藝規程，加強焊接工序的自檢與專職檢驗人員的檢查。焊工實行自互檢時，除了關注圖紙公差的檢查外，還需將焊縫質量的檢查落實到位，避免不合格產品流入下道工序。

3.1.3 焊工的操作技術

定期對焊工進行崗位培訓，使其從理論上掌握工藝規程，從實踐上提高操作技能水平。認真執行焊工考試制度，堅持焊工持證上崗，建立焊工技術檔案。焊工技能與焊工證書符合性需進行評估確認，按期組織相關考核。并非所有焊工都具備特殊接頭焊接技能，故而在焊接人員資源的分配上，高危及關鍵焊縫需指定專人專崗。

3.1.4 焊接專檢人員配置

焊接專檢人員需按照策劃文件要求進行100%目視檢查，且打磨前后均有檢驗要求。保證焊接專檢人員配置充足，也可將滲透檢驗工序委外，委托相關方派遣取得ISO 9712資質的檢驗人員進行檢驗。

3.2 機的分析

焊接設備的性能及其穩定性與可靠性直接影響焊接質量。

3.2.1 焊接設備的選型

設備結構越復雜，機械化、自動化程度越高，依賴性也就越高。所以，需要選擇合適的焊接設備。焊機選型時還需注意，機器人MIG送絲需均勻，避免出現燒穿、角焊縫厚度不足、起收弧缺陷等問題。對焊接設備，在使用前必須進行檢查和試用，選定能符合工藝的參數，采用首件檢驗，確定相關調整。

3.2.2 焊接設備及工裝的保養

現場焊接工裝易存在油污、電弧擦傷等問題，發現損壞需及時更換。要加強焊機的維護和保養，定期檢測焊機的關鍵精度和性能項點，并建立焊機關鍵部位日點檢制度，對工序質量控制點的設備進行重點控制。定期校驗焊接設備上的電流表、電壓表、氣體流量計等各種儀表，以保證生產時計量準確。同時，建立焊接設備狀況的維護檔案，為后續分析、解決問題提供思路。

3.3 料的分析

焊接生產所使用的原材料包括母材、焊接材料（焊條、焊絲、焊劑、保護氣體）等，這些材料的自身質量是保證焊接產品質量的基礎。

3.3.1 原材料公差控制

對焊接來說，原材料公差控制不到位，母材組對后間隙超差，可能導致焊縫開裂。因而在原材料采購合同中需明確規定滿足圖紙所需公差要求。

3.3.2 原材料質量控制

鋁件氧化膜易吸附水汽，在濕度較高時（相對濕度40%～50%），不處理氧化膜的焊縫有氣孔產生[1]，需評估前處理方案，整體去除氧化皮。部分母材來料腔內存在鋁屑，加工截面有油污毛刺，部分線切割材料端口氧化嚴重等現象均需避免。加強原材料的進廠檢驗和廠內自制零部件的工序和成品檢驗，實行在生產中焊接原材料標記運行制度，以實現對焊接原材料質量的追蹤控制。同時對供應商焊接提需求，要求落實并可監測，供方焊接產品需留存相應的焊接記錄，需要時可隨時調取。搞好協作廠間的協作關系，督促、幫助供應商做好質量控制和質量保證工作。

3.4 法的分析

焊接質量對工藝方法的依賴性很強，在影響焊接工序質量的諸多因素中占有非常突出的地位。工藝方法對焊接質量的影響主要來自兩個方面：一方面是工藝制訂的合理性，另一方面是執行工藝的嚴格性。

3.4.1 焊接要求輸入的合理性

對客戶焊接要求組織評審，識別焊縫等級要求等，對特殊要求進行專項控制。軌道車輛及其部件的焊接設計必須遵守EN 15085-3和《焊接設計要求》，焊縫承載進行必要的理論計算和試驗驗證（認可已有的經驗），以作為評審輸入，應全面審核焊接圖紙。

根據常用結構及焊接工藝評定覆蓋范圍，整理焊縫接頭數據庫，盡量選用數據庫中的優選焊接接頭，梳理不合理接頭，優化結構設計以規避。多數焊縫背透均在型材腔內，為有效觀察型材內焊縫焊透、熔合情況，需在密封型材的合適位置開觀察孔。

3.4.2 工藝規程嚴謹性

工藝規程中的各種工藝參數是指導施焊的依據，它是根據模擬相似的生產條件所做的試驗和長期積累的經驗以及產品的具體技術要求編制而成，是保證焊接質量的重要基礎，它具有規定性、嚴肅性、慎重性和連續性的特點。針對高風險點，工藝中需著重體現，如對起收弧位置進行修磨、前處理、是否進行焊前預熱等有具體要求，且工藝規程給定的工時需合理，在此基礎上確保貫徹執行工藝方法的嚴格性，在沒有充足根據的情況下不得隨意變更工藝參數，即使確需改變，也得履行一定的程序和手續。

3.4.3 首件鑒定

在生產前，要按照焊接工藝規程做首件鑒定，以驗證工藝方法的正確性與合理性。首件鑒定需嚴格執行相關要求，按照首件鑒定檢查表內容逐條核實確認，避免質量問題發生于批量生產中。

3.4.4 工藝紀律檢查

定期進行工藝紀律檢查，確認生產現場各項參數、操作、設備、環境滿足工藝規程要求。

3.5 環的分析

在特定環境下，焊接質量對環境的依賴性也是較大的。應嚴格保證車間溫度＞10 ℃，濕度＜60%，各工位遮蔽良好，無流動空氣干擾。焊接保護氣體流量需穩定，不得出現焊接過程中突然斷氣或氣流量不足現象，安裝氣體流量監控設備，及時預警。專檢需按照要求執行，對生產環境不符合項及時提出整改要求。

設立專用合規的滲透檢驗場地、工作試件腐蝕場地，如冬季外部環境低于10 ℃，PT檢測顯示的有效性就得不到保證。大型工件等特殊情況的滲透，外部環境達不到要求，應在工作前進行試塊Ⅱ的靈敏度驗證[2]，在滿足相應要求的情況下再進行工件檢測。

3.6 測的分析

3.6.1 檢驗手段的選擇

針對不同產品在檢驗策劃時靈活選定檢驗手段，如間斷焊可制作樣板進行確認；對于焊腳尺寸有要求的焊縫可制作非標焊縫檢驗工裝進行檢查；針對需要進行射線檢測的工件可使用頻譜分析儀器進行提前確認，后續可進行不定期抽樣檢測，確保產品質量穩定；內部焊透情況無法直接目視的情況下可使用內窺鏡進行觀察。

3.6.2 檢驗時機的選擇

當需要射線及超聲波檢測時，檢測時機應該定為工件焊縫覆蓋前或影響檢驗作業的工序前[3]，但實際工作中會遇到已裝車表面處理完成的工件需要內部檢測的情況。通過對比實驗發現，油漆膩子層的射線吸收率會對鋁焊縫射線檢測結果產生影響，故射線檢測只能在表面處理前進行，如圖3、圖4所示。

圖3 油漆前底片

圖4 油漆后底片

實際工作中，客戶會由于特殊原因要求已表面處理件進行裝車檢測，在油漆膜厚均勻的情況下油漆不會對超聲波檢測（頻譜分析）靈敏度造成影響[4]，表面處理后可選用超聲波進行檢查。

4 結語

在企業生產制造過程中焊接工序是必不可少的一個組成部分，焊接工序作為特殊工序，其質量需嚴格把控。根據本文所述，作為工業制造企業管理的六要素，嚴格控制好“人機料法環測”將能有效提高焊接產品質量。