特殊過程確認在金屬熱加工行業(yè)的應用與實踐

劉 磊，吳 鑫，馮文靜，尹拽拽

（山西柴油機工業(yè)有限責任公司，山西 大同 037000）

2021年是我國“十四五”規(guī)劃的開局之年，“十四五”期間我國熱加工行業(yè)將迎來結(jié)構(gòu)性調(diào)整，也帶來了格局的大變化。隨著熱加工行業(yè)在市場中優(yōu)勝劣汰、大浪淘沙，行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈擴張速度趨于穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)鏈配套水平獲得整體提升，基于數(shù)值模擬和物理模擬對技術(shù)優(yōu)化的支撐作用明顯增強。但從全球熱加工行業(yè)看，美國、德國等發(fā)達國家仍然占據(jù)著高端制造市場，要想與發(fā)達國家在熱加工行業(yè)競爭乃至取得優(yōu)勢，只能從“拼價格”向“強技術(shù)、比質(zhì)量、優(yōu)服務”轉(zhuǎn)型，逐步形成“小核心、大協(xié)作”的“內(nèi)循環(huán)”產(chǎn)業(yè)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(chǎn)基地，具有強大的系列產(chǎn)品研發(fā)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(chǎn)業(yè)提升的需要以及動力指標提升的需求，柴油機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復雜，功率需求大幅度提升，且需要經(jīng)受更加惡劣的服役環(huán)境考驗，如何保證這些產(chǎn)品質(zhì)量水平高、可靠性強是當前裝備制造過程的發(fā)力點，也是在國內(nèi)乃至國外市場立于不敗之地的關(guān)鍵因素。而熱加工行業(yè)恰恰是提高材料性能、挖掘材料潛力的核心行業(yè)，隨著熱加工核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和應用，熱加工領(lǐng)域?qū)⒃谖磥硌b備制造行業(yè)中發(fā)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(jié)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(chǎn)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(yè)中各領(lǐng)域的特點不盡相同，在體系建立前，還需要根據(jù)各種加工方式對產(chǎn)品最終性能、質(zhì)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(nèi)進行控制和確認。

鑄造過程是將液態(tài)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(nèi)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(nèi)在關(guān)系。

鍛造過程是利用鍛壓設備對加熱到一定溫度區(qū)間內(nèi)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(chǎn)生的鑄態(tài)疏松缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，滿足整體一致性要求。

熱處理過程是固態(tài)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(chǎn)品的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)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(guī)律是其關(guān)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(jié)合的加工方法，焊接產(chǎn)品最終質(zhì)量的高低，除了需關(guān)注焊接強度、焊縫熱影響區(qū)的性能以外，還嚴重受制于操作人員的操作水平和技術(shù)能力，是一個相對比較特殊的技術(shù)領(lǐng)域。

除了上述基礎(chǔ)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(yè)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(chǎn)品質(zhì)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(shù)以及影響參數(shù)流動的各種因素進行控制，來確認過程最終結(jié)果的優(yōu)劣。

2 特殊過程確認體系建立

特殊過程是指輸出結(jié)果不能由后續(xù)的監(jiān)視和測量加以驗證，應對生產(chǎn)和服務提供過程實現(xiàn)策劃結(jié)果的能力進行確認，并定期再確認。隨著國家制造行業(yè)新的發(fā)展戰(zhàn)略，國家標準在制定過程中也重點關(guān)注和把握了這一轉(zhuǎn)變點，將特殊過程更名為生產(chǎn)和服務提供過程，更加強調(diào)對生產(chǎn)和服務過程的控制，概念更加明確、具體，但由于行業(yè)內(nèi)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(guī)定，內(nèi)容包括過程評審和批準的準則，設備認可和人員資質(zhì)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(guān)鍵，但“何時做、做什么、怎么做”始終是一個難點[2]。

根據(jù)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(chǎn)的鑄件、鍛件以及產(chǎn)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(chǎn)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(huán)節(jié)和過程進行控制和確認，來滿足最終產(chǎn)品使用要求。

在體系建立之前，還應對生產(chǎn)的產(chǎn)品類型進行分析，由于熱加工行業(yè)普遍存在的另一個顯著特點，即生產(chǎn)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(shù)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(xié)作產(chǎn)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(chǎn)品的最終質(zhì)量特性或?qū)υ撡|(zhì)量特性有重大影響，且對于該質(zhì)量特性難以或不能做到百分之百檢查和驗證，然后根據(jù)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(jù)材料牌號、工藝參數(shù)、設備、人員、環(huán)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(guī)程后進行試加工，通過綜合檢驗和驗證合格后，則對該產(chǎn)品工藝試驗或試制過程中的人員、設備、工藝參數(shù)、材料、檢測結(jié)果等內(nèi)容進行確認。產(chǎn)品處于定型階段，如人員、設備、材料、工藝參數(shù)、工作環(huán)境、測試方法中一項或多項同試制階段相比發(fā)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(guī)定履行審批程序，工藝規(guī)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(shù)和檢驗項目等內(nèi)容作出明確的規(guī)定。產(chǎn)品定型前，編制試制工藝規(guī)程，并執(zhí)行工藝評審程序。產(chǎn)品定型后，編制正式工藝規(guī)程，對產(chǎn)品工藝安全性和質(zhì)量影響較大的生產(chǎn)和服務提供過程應編制作業(yè)指導書。

過程中涉及的操作人員和檢驗人員必須經(jīng)過專業(yè)技術(shù)培訓，經(jīng)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(guī)程及操作技能，熟悉設備、工藝裝置的使用方法。技術(shù)人員要深入一線指導操作，對存在的問題開展技術(shù)攻關(guān)。操作者要做好受控參數(shù)的實測記錄，以證實其過程持續(xù)滿足預期結(jié)果的能力。不同等級產(chǎn)品的焊接人員必須取得國家權(quán)威部門頒發(fā)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(nèi)。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(jīng)專業(yè)人員檢驗，并簽發(fā)合格證后方可調(diào)試和生產(chǎn)，待產(chǎn)品鑒定合格后，方可最終驗收，投放于正式生產(chǎn)使用。

過程中所用到的原材料、輔助材料和相關(guān)工作介質(zhì)，要符合工藝技術(shù)文件和國家標準的要求，需要時按規(guī)定進行檢驗或復驗，合格后方可使用，并對檢驗和復驗的結(jié)果進行記錄。原材料、輔助材料和相關(guān)工作介質(zhì)在生產(chǎn)過程中，成分波動應保持在規(guī)定范圍內(nèi)，發(fā)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(guān)工藝規(guī)程、圖紙、作業(yè)指導書等技術(shù)文件的要求，進行工藝試驗驗證，確定適宜的工藝參數(shù)范圍。試制或定型生產(chǎn)中對工藝參數(shù)進行連續(xù)控制，并在該工藝參數(shù)范圍內(nèi)選取參數(shù)進行確認。后續(xù)生產(chǎn)進程中，在保證工藝參數(shù)在確定的區(qū)間范圍內(nèi)運行的前提下，將生產(chǎn)記錄和檢驗結(jié)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(shù)內(nèi)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(shù)內(nèi)容主要包括淬火、回火過程中的溫度、保溫時間、冷卻介質(zhì)，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(zhì)、加熱時間、冷卻時間，高頻淬火過程中的電壓、電流、冷卻介質(zhì)、加熱時間、冷卻時間。

焊接過程應確認的工藝參數(shù)內(nèi)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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速、焊后保溫溫度、保溫時間。

鍛造過程應確認的工藝參數(shù)內(nèi)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(zhì)。

（4）過程確認結(jié)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(jié)果的全面性和準確性，還應按照產(chǎn)品數(shù)量制定相應的抽樣方案，如表1所示為某產(chǎn)品過程確認抽樣方案，根據(jù)產(chǎn)品重要程度可進行適當調(diào)整。按要求抽取出一定數(shù)量的產(chǎn)品，如果檢查和驗證項目不合格數(shù)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(jié)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(zhí)行相關(guān)工藝規(guī)程、圖紙、驗收技術(shù)條件等技術(shù)文件的規(guī)定，以滿足產(chǎn)品最終質(zhì)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(fā)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(guī)檢驗外，還需要檢查內(nèi)部尺寸和表面質(zhì)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(guī)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(guī)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(guī)檢驗外，還需要增加對鍍層結(jié)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(zhì)量的常規(guī)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(jié)論

通過特殊過程確認體系的建立以及在金屬熱加工行業(yè)的應用和實踐，進一步提升了熱加工過程中技術(shù)和管理人員的專業(yè)技術(shù)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(jié)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(chǔ)制造工藝技術(shù)積累，為持續(xù)進行技術(shù)創(chuàng)新、二次技術(shù)開發(fā)、技術(shù)應用研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。