基于六西格瑪的座圈焊接質量影響因子研究*

杜小濤 孫鳳芹

(華北理工大學管理學院 河北 唐山 063000)

1 研究背景

中國的一些中小企業已經隨著經濟的發展和戰略迅速地發展,六西格瑪管理越來越被更多的企業及管理人學習和應用,這使得他們的產品的生產效率和質量得到極大的提高,改善了企業的經營狀況[1]。企業推行六西格瑪管理的最終目標,是幫助企業順利建立一個可持續發展的管理模型,形成企業自己的核心競爭力[2]。智能衛浴作為某公司的主營產品,由于產品質量不穩定,造成市場出現大量顧客投訴,給公司帶來極大的售后換修成本損失,給售后服務造成巨大壓力,對公司品牌形象造成不良影響,嚴重影響公司經營戰略目標的達成。A 型智能坐便器作為公司主打產品,是市場投訴重災區,通過連續3個月對A 型智能坐便器市場投訴問題進行收集整理,形成帕累托圖如圖1所示。

從圖1可以看出,發現座圈斷裂問題發生609次,占投訴總量的63.90%,是主要的客戶投訴質量問題,亟需改善。

圖1 A 型號智能坐便器客戶投訴問題帕累托圖

按卡諾模型,根據顧客需求的滿足程度與產品績效之間的關系將質量要素屬性分為5類[3],分別是魅力質量要素、必備質量要素、一元質量要素、無差異質量要素和逆向質量要素。以質量功能展開作為分析工具,結合卡諾模型對A 產品功能進行劃分和評價:產品安全、耐用是必備質量要素,是理所應當得到滿足的要求,顧客不會對達到要求表現出極大的滿足,但如果要求沒有達到顧客的期望,顧客就會非常不滿意。座圈作為人機交互的主要部件之一,是溝通產品與顧客的重要部分,是產品安全、耐用要求的重要承接者,所以對座圈開裂問題實施改善,對降低外部質量損失、提升顧客滿意度、維護品牌形象方面有著不可替代的重要意義。

座圈通過鉸接形式安裝在基座上,其主體結構主要包括:座蓋、座襯和緩沖墊。座蓋內表面粘接與座蓋曲面形狀匹配的發熱模塊(含發熱電阻、溫度傳感器、連接線束、線束護套等),與座襯焊接為一體,座襯上安裝有緩沖墊,緩沖墊與陶瓷體接觸,起到緩沖與支撐的作用。

市場反饋問題是座圈開裂,經核查產品開裂位置及狀態,判定問題因焊接不當導致,座蓋與座襯焊縫為兩道環型近平縫,通過摩擦焊接工藝完成焊接。

2 工藝研究

摩擦焊接是通過設備將一定頻率的線性振動傳遞到焊接面,在壓力的作用下使焊接面產生往復摩擦力,通過熱能將焊接面融化并完成連接的工藝[4]。摩擦焊接原理見圖2。

圖2 摩擦焊接原理

焊接過程依照焊縫狀態可分為4個階段:初期摩擦階段、不穩定熔融階段、穩定熔融階段和固化階段[5],振動摩擦過程見圖3。

圖3 振動摩擦過程圖

(1)初期摩擦階段。在摩擦力的作用下,焊接面的材料溫度升高至熔點,溫度升高的時間與材料特性、設備振動頻率、振幅和壓力有關。

(2)不穩定熔融階段。在溫度作用下,焊接面由固體狀態轉化為熔融狀態,焊接面之間的作用力是由固體接觸面之間的摩擦力轉化為熔融層之間的剪切應力。在剪切應力的作用下,熔融層逐漸增厚,在壓力作用下熔融層材料側向流動,熔接深度增加。

(3)穩定熔融階段。熔融層材料擠出速率逐漸增大至與產生速率相等,材料持續擠出持續產生,到達指定熔接深度之后,設備停止振動。

(4)固化階段。維持設備焊接壓力,直至產品焊縫冷卻凝固,完成產品焊接。

通過對A 產品座圈焊接參數進行記錄,形成A 產品振動摩擦焊接過程參數變化圖(見圖4)。在振動停止后的保壓時間內,焊接深度存在浮動,但并未增加,可以認定保壓是為防止產品回彈變形而展開的措施,第四階段不增加焊接深度,焊接深度主要在前3個階段形成。

圖4 A 產品振動摩擦焊接過程參數變化圖

焊接深度H 是焊接強度最重要的決定因素。H要求為1.4±0.1 mm,實際統計焊接深度數據,利用Minitab軟件進行過程能力分析,結果如圖5所示。

圖5 焊接深度過程能力分析圖

平均焊接深度1.37 mm,核算焊接過程能力C PK=0.66,依核算結果C PK＜1,可知現場焊接過程能力不足,需要進行改進。

3 測量系統分析

振動摩擦焊接機型號為630E,配置測量裝置為線性深度傳感器。因為是數字顯示,測量員差別基本上不用考慮,現考慮可能造成測量誤差的2方面原因:一是不同的測量時刻是否會造成測量誤差;二是每次將樣件裝置于測量底架時的裝上卸下的循環是否會造成測量誤差。現選用60 mm 鐵塊作為測量對象,在8∶00、14∶00、18∶00這3個不同時刻,各進行裝上卸下的3次循環,每次循環中重復測量兩次尺寸。數據測量結果見表1。

表1 線性深度傳感器測量鐵塊數據表

利用Minitab中的完全嵌套方差分析測量數據,得到方差分量結果見表2。

表2 方差分量

同時間、同循環下的波動就是重復性方差:

時間的方差及循環的方差這2個原因構成了再現性方差:

測量系統波動方差:

測量系統波動標準差:

由圖5計算結果生產過程實際標準差:

過程整體波動方差:

綜上核算:

重復性、再現性(R&R)和測量系統異變對零件公差所占百分比(P/T)值均小于30%,說明測量能力處于可接受狀態。

4 實驗設計與因子分析

測量系統已滿足測試要求,本次以A 產品為研究對象,將產品專用治具安裝完畢后進行自動頻率諧振,確定焊接參數頻率f為216.25 Hz。受焊接面尺寸限制,振幅A 為1.7 mm。以焊接壓力P、焊接時間T 為可變量,各設置3水平,測量焊接深度。焊接深度數據見表3。

表3 焊接深度數據表

從表3 可以看出,隨焊接時間延長,焊接深度增加;隨焊接壓力增大,焊接深度也會增加。運用Minitab進行一般線性模型方差分析,得到的結果見表4。

表4 因子方差分析表

焊接時間P值=0.001＜0.05,焊接壓力P值=0.000＜0.05,說明焊接時間因子、焊接壓力因子均對焊接深度影響顯著;焊接時間與焊接壓力的交互作用。

5 回歸模型分析

從基本研究中可知,焊接參數中的頻率f由設備自動諧振確定,振幅A 受焊接尺寸限制取1.7 mm,從因子分析可以了解,焊接深度H 與焊接壓力P、焊接時間T 正相關。運用回歸分析得到結果見表5。

表5 焊接深度與焊接壓力,焊接時間回歸分析表

焊接時間 0.058 333 0.004 681 12.46 0.000 S=0.011 466 5 R-Sq=98.9% R-Sq(調整)=98.5%來源 自由度 SS MS F P回歸 2 0.070 833 0.035417 269.37 0.000殘差誤差 6 0.000 789 0.000131合計 8 0.071 622來源 自由度 Seq SS焊接壓力 1 0.050 417焊接時間 1 0.020 417

分析回歸方程總的顯著性檢驗結果,由于P=0.000＜0.05,說明在顯著性水平下α=0.05,線性回歸方程總效果是顯著的。回歸模型顯著性的度量指標RSq與R-Sq(調整)接近,模型較好。進行殘差分析,考查殘差圖如圖6所示。

(1)殘差與觀測值順序圖(見圖6(d)),此圖正常,殘差對于觀測值順序隨機分布;

圖6 殘差圖

(2)殘差與擬合值圖(見圖6(b)),此圖正常,未見喇叭口形狀分布,說明線性模擬是可以接受的;

(3)殘差的正態概率圖(見圖6(a)),此圖正常,數據點基本在一條只顯示,即可以認為殘差服從正太分布,殘差的直方圖(見圖6(c))也顯示了殘差的正態性,對殘差數據進行正態性檢驗,得到p值=0.324＞0.05。

(4)殘差與自變量焊接時間、殘差與自變量焊接壓力,都顯示正常。

通過商戶回歸結果分析H=0.424+0.0917×P+0.0583×T,其中焊接壓力6 kN≤P≤8 kN,焊接時間5s≤T≤7s。

6 結語

本次研究以六西格瑪思想為主導,以Minitab作為數據分析工具,結合產品特點,以可變參數焊接時間、焊接壓力為影響因子設計本次摩擦焊接測試方案。通過因子方差分析、回歸分析建立回歸方程,并通過殘差分析完成回歸方程顯著性驗證,得到A 型智能坐便器座圈焊接深度回歸方程為:

H=0.424+0.0917×P+0.0583×T

確定焊接深度與焊接壓力、焊接時間正相關,為焊接不良問題改善與焊接工藝參數優化提供理論依據。

本次研究僅針對工藝參數對產品焊接質量影響進行了研究,對于工裝治具的微小差異、作業環境的輕微浮動等因素未展開探討。對于焊接生產過程之外可能引起座圈開裂問題的其他因素:如陶瓷體表面變形尺寸、原材料的一致性、座蓋與陶瓷體安裝后的翹曲尺寸等,這些因素雖都在符合策劃的質量控制要求范圍內,但其對便蓋開裂問題帶來的風險程度仍需要進一步量化評估。