六西格玛在汽车排气系统焊接质量改进中的应用

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某公司专门从事生产高端车型的排气系统，原材料从德国进口，该公司负责焊接总成工作。目前，该公司采用智能化程度较高的工业机器人焊接系统，焊接方式有焊丝的氩桓和二氧化碳气体保护焊。即便是工业机器人焊接，在焊接过程中依然存在着很多质量问题，致使企业的绩效水平不高，所以必须采取积极有效的措施减少焊接产品的缺陷。

六西格玛是-套系统的业务改进方法体系和管理模式，通过持续改进企业业务流程，可增强客户满意度，提高企业竞争力。六西格玛项 目的实施步骤简称为 DMAIC，其具体含义依次为：定义过程的问题(Define)；测量过程的性能(Measure)；分析过程的原因(Analyze)；改进过程，降低分散程度或减少非增值的活动(Improve)；控制过程，使得同样的问题不再发生(Contro1) 。本文从 DMAIC模型出发，对六西格玛在汽车排气系统质量控制中的应用进行研究，以期提高焊接合格率。

1 六西格玛在汽车排气系统焊接质量改进中的具体应用1.1 定义阶段定义阶段的任务是确定客户的关键需求，识别需要改进的产品或流程，将设定 目标界定在合理的范围内。

项目描述：该公司负责排气系统部件的焊接总成工作，主要包括芯体焊接、尾管焊接及连接管焊接等工序，其焊接总成流程如图1所示。但在焊接过程中，易出现漏焊、焊道不均匀、咬边、裂纹、焊偏、虚焊、气国家社会科学基金十二五”规划国家-般课题子课题项目(BCA110020)；大连海洋大学机械与动力工程学院教改项 目552013年第 6期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)孔和渗透等问题。其缺陷率较高，严重地削弱了企业的竞争力，为此，笔者针对产品的焊接工序展开六西格玛改进项目研究。

图 1 汽车排气系统焊接总成流程改进机会：目前企业焊接合格率为98%，缺陷水平为20ooo/百万个(parts per milion，ppm)；样品的平均不合格品率P2%。

改进 目标：通过改进焊接工艺参数，将焊接合格率提高为99.5%，缺陷水平降为 5 000ppm。

项 目范围：焊接总成工作过程即该项 目起始于芯体焊接，结束于连接管焊接。

1.2 测量阶段测量阶段的任务是对需要的数据进行准确的测量和评估。为了调查影响焊接缺陷的所有因素，本阶段采用了帕累托图、工序能力分析方法。

技术人员在三个月内选取了60个样本，每个样本容量为200，共计12 000件焊接产品，测量得到总缺陷品240件，统计缺陷产品的类型，并应用 Minitab软件生成缺陷类型排列图，如图2所示。图2所示表明，属于A类缺陷的是气孔和咬边，分别占缺陷品的47.5%和37.9%，属于 B类缺陷的是焊道不均匀饱满和焊偏，分别占7.1%、2.5%，其他缺陷占5%。

下面计算 当前 的工序能力。根据项 目的 目标--合格率达到99.5%的要求，即以200件为每个56籁缺频数百分比/%累积/%91 17 6 1237.9 7.1 2.5 5.085.4 92.5 95.0 100.0主要缺陷类型的排列图lOO8O60墓1皿402OO样本容量的样本中，允许出现的焊接缺陷数上限为 1，其工序能力 c 为：Cp d -np 1-200×0. 023 (1-五)3/-200 x-0.02(1-0。02) -0.51式中：d 为允许出现的焊接缺陷数上限；n为样本容量；p为样本的平均不合格品率。

显然，由于 C <0，所以过程能力严重不足，故本文将分析其导致的原因并加以改进。

1.3 分析阶段分析阶段的任务是找出造成焊接产品主要缺陷的原因，识别其中的主要原因，对主要原因进行具体深入的分析，找到解决问题的方法。

1.3.1 焊接工艺的潜在失效模式及后果分析运用潜在失效模式分析(FMEA)法，目的是在最大范围内保证已充分地考虑到并指明潜在失效模式及与其相关的起因和机理，帮助技术人员发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据 ]。首先针对气孔和咬边两种主要焊接失效模式制定接受标准，如表 1所示。

然后针对焊接工艺的潜在失效模式进行后果分析，如表2所示。表 2中，严重度的评估分为 1到 l0个等级；潜在失效起因/机理出现频度的评估分为 1到 10个等级；不易探测度表示现行控制方法发现失效原因的可能性大小，分为 1到 10个等级。严重度、频度和不易探测度的等级均通过专家和技术人员打分获得 ；事先风险数为严重度、频度和不易探贝0度的乘积，事先风险数高意味着潜在风险大，必须重点采取纠正和预防措施。

从表 2中可以看出，从准备到工序完成的整个工艺过程中，焊接的事先风险数最大，即可能造成的缺陷率较高，因此需要对焊接工序的人、机器 、材料、工图慕光宇 ，等：六西格玛在汽车排气系统焊接质量改进中的应用 2013年第6期表 1 焊接失效模式及接受标准序号 失效模式 不合格样品 合格样品 接受标准i补充焊接每-个气孔群或打磨掉每-个1 气孔 - 气孔群重新焊接Z -1l 嘲 2 咬边 不接受蕊r 。

表 2 焊接工艺的潜在失效模式及后果分析艺方法，以及环境等方面进行详细的调查与分析。

1.3.2 气孔缺陷分析项 目组对产品产生缺陷最多的气孔缺陷进行仔细观察 ，对焊接工序造成气孔缺陷的因素进行 了整理，从人、机器、材料、工艺方法、环境和测量六个角度具体分析 ，并绘制了造成气孔缺陷的因果图 ，如图 3所示。

通过对各因素的分析，初步判断风速大孝焊丝测量 l l 材料检具尺度参数异常--气体流量计倾辱阳光直射-风速过大 - - 焊丝不干狰 -工件表面不干净 - -焊嘴倾斜 焊丝粗细不均长度 ，以及气流量大猩能是造成气孔缺陷的主要因素。下面进行试验，分别调整风速、焊丝长度以及气 流量 的大 小，观察 这 些 因素对 气孑L缺 陷的影 响。

1)风速大小与气孔缺陷试验分析。项 目组在不同的风速条件下进行焊接试验，得出气孔缺陷的缺陷率，从而验证风速大小与气孔缺陷率之间的关系，如表 3所示 。

人业务技能差-员工操作不当 /操作习惯不好- 保护气体未匹配好质量意识淡薄 工艺执行不严谨- 纪律差- - - - -l焊接出现气孔l......... .... .......-j- - 设备故障- 夹具夹紧力不足设备陈旧模具尺寸参数变化～ 混料超负荷工作- 夹具瘪不-气瓶压力变化影响- -方法 1 机器图3 造成气孔缺陷的因果图572013年第 6期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)表 3 风速与气孔缺陷率的关系从表3中的数据可以看出，在-定范围内，随着风速的减小，气孔缺陷率明显降低，二者成明显的正比关系，其关系如图4所示。

2)焊丝长度与气孔缺陷试验分析。在 l2.5-16cm范围内改变焊丝长度进行焊接试验，得出焊丝长度与气孔缺陷率的关系，如表4所示。

从表4中可以看出，在-定范围内增加焊丝长度，气孔缺陷率明显降低，二者成较强的反比关系。

3)按照同样的方法进行不同气流量条件下的焊接试验，得出的结论是，随着气流量的增加，气孔缺陷率明显增大，二者成正比关系。

根据上述试验结果，得出风速大孝焊丝长度以及气流量大小对气孔缺陷的影响规律，在此基础上笔者将进-步研究改进方案，为寻找最优的生产条件提供依据。

·-们 l ·g3.砷 ·： l 02.6 ·I ·2.2 01 1.6 3.2 4.8 6.4 8 9.6 11。2 12.8 14.4 l6 17.6 19.2 20。8 22缺陷率/%图4 风速与气孔缺陷率的关系表4 焊丝长度与气孔缺陷率的关系1.4 改进 阶段改进阶段的任务是利用正交试验设计法，寻找到最佳的焊接工艺参数组合，使气孔缺陷数目达到最少 ]。下面对风速，焊丝长度和气流量三个工艺参数进行三因素、三水平的正交试验，以便确定使气孔缺陷率最低的三个工艺参数值，气孑L缺陷改进因子水平表如表 5所示。

采用L。(3 )正交表安排试验，考核指标为产生气孔缺陷的数量，每组试验进行 10次，取平均值作为试验结果y，气孔缺陷正交试验表如表6所示。

58表5 气孔缺陷改进因子水平表1232.22.42.615.0l5.516.015.O15.115.2利用 Minitab软件对试验数据进行方差分析 ，其结果如表 7所示。从表7中可知，P值越小，说明差异性越显著。因此，方差分析的结果说明：因素 C的不同水平对气孔缺陷影响力最大，因素 A次之，再次0 6 2 2 6 8 6 O 3 6 9 5 8 铝 ∞ ：兮∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞5 5 5 5 5 5 5 5 2 4 6 8 O 2 4 6 2 2 2 2 3 3 3 3 5 1 3 9 5 6 8 4 2 4 l 1 2 3 4 2 5 3 慕光宇，等：六西格玛在汽车排气系统焊接质量改进中的应用 2013年第6期4.54.0嚣2.52.2 2.4 2.6三水平对应的风速/(m )a1因素A4。

15 15.5 16三水平对应的焊丝长度/cmb)因素B三水平对应的气流量/(L·min )C)因素C图5 根据因素各水平产生气孔缺陷的均值主效应图在生产中，-般希望焊接产生的气孔缺陷数量越少越好，对应图5所示的因素各水平产生气孔缺陷试验结果Y的均值主效应图，则为产生气孔缺陷的均值越小越好，即由图5分析得出最佳的工艺参数：气流量为15.1L/min，风速为 2.2m/s，焊丝长度为 16.0cm，根据表 5，对应的最佳生产方案为 C A B 。

1.5 控制阶段为了使改进的结果能够长期保持下去，控制阶段的主要任务是在得到最佳工艺参数组合后，总结经验，形成体制，使成功经验制度化、改进结果体制化 J。

项目组根据改进的结果，重新制定了焊接工艺参数，修改了作业手册，并制订了焊接过程控制计划，用控制图来进行过程控制，以巩固项目组工作的改进结果。

改进后，选取 6o个样本，样本容量为2000，测量每个样本中产生的缺陷产品数量，计算得到样本的不合格品率P，利用Minitab软件进行气孔缺陷的不合格品率控制图分析，由于样本的均值点都在上、下控制限内，所以只截取28个样本，其控制图如图6所示6 J。图6中，UCL为上控制限值，LCL为下控制限值。

O.80.6稃丑 O.4O.20样 本图6 改进后的气孔缺陷不合格品率控制图时间的跟踪发现：排气系统焊接缺陷水平 由先前的20 O00ppm降到4 670ppm，达到了设定的5 O00ppm的目标，在成本降低的同时其产量得到了显著提高，产品的生产周期缩短，客户满意度提高，企业的市澈争力显著提升。

3 结语在提高焊接质量的项目实践过程中，按照六西格玛管理实施流程DMAIC，分析引起汽车排气系统焊接缺陷的原因，针对气孔缺陷问题，综合使用了六西格玛的多种工具加以解决，取得了良好的效果，为六西格玛在其他企业的应用提供-定的借鉴指导作用。