4/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

30

ZASTOSOWANIE METODYKI SIX SIGMA W PROCESIE SPAWANIA ŁOPATEK TURBIN NISKIEGO CIŚNIENIA

Dorota STADNICKA, Wojciech HAŁOŃ

S t r e s z c z e n i eWpracyprzedstawionometodykęDMAICwrealizacjiprojektówSixSigma,anastępniezastosowanojądoanalizyprocesuspawaniałopatekturbinniskiegociśnienia.Wramachpracyzidentyfikowanoczynniki,którepotencjalniemogąmiećwpływnarealizacjęprocesu,zidentyfikowanopunktykontrolne,dokonanoocenysystemupomiarowego,anastępnieprzeprowadzonoanalizędanychzebranychzrealizacjiprocesuspawania.Daneprzeanalizowano,stosującanalizystatystycznewceluidenty-fikacjitychczynników,któremająrzeczywistywpływnaproces.Przedstawionorównieżdziałania,którezostaływprowadzonedlapoprawyprocesuspawaniaorazichefekty.

S ł o w a k l u c z o w eSixSigma,DMAIC,ocenasystemupomiarowego

Wprowadzenie

MetodykaSixSigmastosowanajestodwielulat,ajejgłównymcelemjestidentyfikowaniemożliwościpoprawyprocesów,zmniejszenieliczbywadidążeniedopoziomu6σ, czyli 3,4wady namilionmożliwości [1, 2].W cza-sach,gdyjakośćjestjednymzpodstawowychkryteriówsukcesufirmynarynku,przedsiębiorstwawdrażająróżnemetodyinarzędziamającenacelupoprawęizapewnie-niejakościprodukcji.Metodyte,takjakFMEA,stosowa-nemogąbyćjużnaetapieprojektowaniawyrobów,czyprojektowaniaprocesówlubteż, tak jakSixSigma,byćwykorzystywanenaetapierealizacjiprocesówdoidenty-fikowaniaieliminowanianiekorzystnychczynnikówwpły-wającychnegatywniena jakośćprodukcji.Procesy, dlaktórych jest jużniemożliwe lubpoprostuekonomicznienieopłacalne realizowanie poprawy, powinny być prze-projektowanenp.zwykorzystywaniemmetodykiDesignforSixSigma [3],aby jużnaetapieprojektowaniapro-cesu zapewnić nieprzekraczanie określonego poziomubraków.

Metodyka Six Sigma – model DMAIC

WrealizacjiprojektówSixSigmanajczęściejwykorzy-stywanymmodelemjestmodelDMAIC,którydzielipro-jektnanastępującefazy[4,5,6]:

Faza definiowania (D – Define) dotyczy przedewszystkim zidentyfikowania problemu, który jest głów-nym powodem uruchomienia projektu. Na tym etapieokreślanesąCTQ(ang.Critical to Quality),czylicechykrytycznedla jakości istotne z punktuwidzenia klienta,którywcześniejpowinienbyćjasnookreślony.Ustalanesąrównieżceleprojektuorazdobieranyjestzespół,którybędziezaangażowanywrealizacjęprojektu.Każdypro-jektpowinienmiećswojemerytoryczneoraz finansoweuzasadnienie, które przekona kierownictwo firmy do fi-nansowania prac.

Faza mierzenia (M–Measure)związana jestzpro-cesemzbieraniawiarygodnychdanych,którebędąpod-stawądalszychanaliz.Ztegoteżwzględujednymzklu-czowych zadań na tymetapie jest ocena stosowanychsystemówpomiarowychwcelupotwierdzeniaichzdolno-ścidowskazywaniawiarygodnychwyników.Wprzypad-kubrakumożliwościzaakceptowaniaobecnegosystemupomiarowego należy wprowadzić w nim usprawnienia,zanimzostanieonwykorzystanywprocesiegromadze-niadanych.Danezebranenaetapiemierzeniapozwoląokreślićróżnicęmiędzyobecnympoziomemjakościpro-dukcjiapoziomemoczekiwanym.

Faza analiz (A–Analyse)dotyczyprzeprowadzeniaanaliz zebranych danych, w tym również analiz staty-stycznych [7], które pozwolą na zidentyfikowanie nie-zauważalnychnapierwszyrzutokaprzyczynzłejjakościprodukcjiwanalizowanymprocesie.Wynikianalizbędąpodstawądoustalaniadziałańusprawniającychproces.

Faza doskonalenia (I – Improve) polega na przed-stawieniupropozycjiusprawnień,którychwprowadzeniepozwoli na poprawę jakości procesu. Powinien zostaćprzygotowanyplanwdrażaniausprawnieńzokreśleniemśrodków i odpowiedzialności związanych z realizacjąokreślonychzadań.

Faza kontroli (C –Control) związana jest z ocenąskuteczności wprowadzonych działań doskonalących.Poleganazebraniudanychzprocesu i ichoceniepodwzględemstopniaosiągnięciazałożonychcelówprojektuSix Sigma.

Cel i uzasadnienie pracy

CelemprojektuSixSigmabędącegoprzedmiotemni-niejszegoartykułubyłapoprawajakościprocesuspawa-nia łopatekturbinniskiegociśnienia.Projektzostałuru-chomionyzewzględunadużą liczbępojawiającychsięwyrobówniezgodnychwprocesiespawania.WcześniejpodejmowanychbyłowieleprojektówKaizen,mających

TiAM_4_2013.indd 30 2013-11-18 09:16:06

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu4/2013

31

na celu usprawnianie procesu. Zostały wyeliminowa-ne przyczyny specjalne i aby dalej obniżać brakowośćprodukcji, należało uruchomić projektSixSigma.Dane zokresuod01.01.2012do31.05.2012wskazująnawy-stępowanie różnych wad spawalniczych w analizowa-nychłopatkach.Spowodowałyonewystąpieniekosztów,których wysokość skłoniła do rozpoczęcia niniejszegoprojektu.

Zakres projektu oraz harmonogram prac

Zakresemprojektuobjętotrzytypyłopatek(tabela1).ŁopatkitestosowanesąwturbinachsilnikówsamolotówBoeing757,BoeingC-17orazAirbusA380.Wanalizo-wanymprocesiespawaniadozamka łopatkiprzymoco-wywanajestpłytkazamykająca,któramazapobiegaćza-

wirowaniom powietrzawewnątrz łopatki podczas pracysilnika.Charakterystykępłytekprzedstawionowtabeli2.

Pracerealizowanebyływedługnastępującegoharmo-nogramu:Definiowanieprojektu–01.06.2012–11.06.2012Mierzenie–12.06.2012–28.06.2012Analiza–29.06.2012–04.07.2012Doskonalenie–05.07.2012–31.08.2012Sprawdzanie–01.09.2012–31.12.2012

Opracowanie diagramu SIPOC

Opracowano diagram SIPOC oraz zidentyfikowanoczynniki, któremogąmiećpotencjalnywpływna liczbępojawiających sięwyrobówwadliwychw procesie spa-wania(rys.1).

Tabela1.CharakterystykałopatekobjętychprojektemTable1.Characteristicsofbladesincludedintheproject

Symbol łopatki Rodzaj łopatki Materiał Skład chemiczny

W1monokrystalicznełopatkiwirującedoturbinniskociśnieniowych

wysokotemperaturowystopniklu

ok.10%Cr;ok.5%Co;ok.4%W; ok.1,5%Ti;ok.12%Ta;ok.5%Al

W2polikrystalicznełopatkiwirującedoturbinniskociśnieniowych

wysokotemperaturowystopniklu

ok.5%Al;ok.10%Co;ok.8%Cr;ok.3%Ta;ok.1%Ti;ok.1,5%Hf;ok.10%W

W3łopatkiwirującedoturbinniskoci-śnieniowych–odlewyprecyzyjne

wysokotemperaturowystopniklu

ok.6%Al;ok.10%Co;ok.8%Cr; ok.6%Mo;ok.4%Ta;ok.1%Ti

Tabela2.CharakterystykapłytekmocowanychdołopatekTable2.Characteristicsofplatesweldedtoblades

Symbol łopatki Materiał Skład chemicznyW1W2

stopnikluantykorozyjnyiżaroodporny ok.62%Ni;ok.21%Cr;ok.9%Mo;ok.4%Cb(Nb)

W3 wysokotemperaturowystopniklu ok.2%Co;ok.22%Cr;ok.19%Fe;ok.9%Mo

Rys.1.DiagramSIPOCFig1.TheSIPOCdiagram

TiAM_4_2013.indd 31 2013-11-18 09:16:06

4/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

32

ZaCTQprzyjętowyróbbezwad,czyliłopatkęzprzy-spawaną płytką bez wad spawalniczych. Dostawcą doprocesu spawania jest proces poprzedni, klientem na-tomiastproceskolejny.Wejściemdoprocesujestłopat-ka,któramożebyćróżnegotypu(W1,W2lubW3)orazmożewymagaćzaczyszczaniabądźnie.

CTQkształtowanejestwtrzechprocesach:1. Przygotowaniedospawania,któreskładasięzna-

stępującychdziałań:1.1. Zamontowanie przyrządu na stoliku obrotowym

lasera.1.2.Usunięcieresztektlenkuglinuzpowierzchniłopa-

tektypuW1iW2,zapomocąszczotypolerskiej.1.3. Przemycie powierzchni acetonem.1.4.Sprawdzeniemocylasera.1.5.Sprawdzaniekrągłościwiązkilasera.1.6.Sprawdzanie,czyurządzeniespawalniczeposia-

daaktualnyTPM.1.7. Założenie łopatki na przyrząd i ręczne umiesz-

czeniepłytkinaczolezamka,pośrodkugniazda(szablonu)promieniemdogóry(rys.2).

1.8. Sprawdzenie położenia płytki – sprawdzanychjestpięćzaprogramowanychpozycji,którereje-strująrzeczywistepołożeniekrawędzi(rys.3).

2. Spawanie laserowerealizowanejestnaurządzeniudo spawania Rofin Starweld 90 (Nd:YAG-Laser).Konturspawaniaprzedstawionyjestnarys.4i5.

Processpawaniaskładasięzdwóchetapów:2.1.Spawaniepunktowe,któremanaceluprzymoco-

waniepłytki(rys.6).2.2.Spawanieostateczne(rys.7).

Rys. 2. Sposób ułożenia płytki na łopatce oraz zamocowaniałopatkiwprzyrządzieFig2.Plateplacingmethodandbladeandabladefasteninginadevice

Rys.3.MierzonepozycjepołożeniapłytkinałopatceFig3.Measuredpositionsoftheplate

Rys.4.KonturspawaniapłytkinałopatkachW1iW2Fig4.ContourofplateweldingonthebladesW1andW2

Rys.5.KonturspawaniapłytkinałopatceW3Fig5.ContourofplateweldingonthebladeW3

Rys.6.PłytkaprzymocowanazapomocąspawaniapunktowegoFig6.Platefixedwiththeuseofpointwelding

a)

b)

Rys.7.Łopatkizprzyspawanymipłytkami;a)–łopatkatypuW1,b)–łopatkatypuW3Fig7.Bladeswithweldedplates;a)–blatetypeW1,b)–bladetypeW3

TiAM_4_2013.indd 32 2013-11-18 09:16:07

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu4/2013

33

3. Kontrola spawu jest realizowana według InstrukcjiKontroli Wizualnej przy minimalnym powiększeniu 6razy.Łopatkazwadąmożezostaćpoddananapra-wie,wedługzatwierdzonej technologiinaprawy,aletylko jeden raz.W przypadku pojawienia się wadyponownienatejłopatcejestonazłomowana.Napra-wapoleganacałkowitymusunięciublaszkiiponow-nymprzyspawaniunowejblaszki.Klasyfikacjęwad,które mogą pojawić się w wyrobie, przedstawiono wtabeli3.

WprzypadkuwystąpieniawadyRP, któramożebyćzidentyfikowanapoetapieprzygotowaniaprzezsystemwizyjny,processpawanianiemożezostaćzrealizowany.Należywówczas powtórzyć przygotowanie powierzchnidospawaniaiponowniezamontowaćłopatkęwprzyrzą-dzie.Pozostałewadyprzedstawionewtabeli3mogązo-staćwykrytenaetapiekontrolispawu.Ocenaspawujestoceną wzrokową realizowaną przezoperatora kontroli.

Kontrolamazazadanieocenić,czywyróbjestpoprawny,czylinieposiadawaddyskwalifikującychgo,czyzwadą,czyli posiada co najmniej jedną zwy-mienionychwtabeli3wad.

Ocena systemu pomiarowego

Dlaupewnieniasię,żesystemkon-troli jest zdatny, dokonano oceny sys-temu pomiarowego z wykorzystaniemmetodyKappa.Woceniewzięłoudziałdwóchoperatoróworazekspert.Doko-nano dwukrotnej oceny 50 wyrobów.Zbadanoskutecznośćoperatorów,czę-stośćfałszywegoalarmuorazczęstośćniewychwycenia. Z przeprowadzonejanalizywyciągniętownioski,żesystem

pomiarowyjestakceptowalny.Niebyłowięckonieczno-ścipodejmowaniażadnychdziałańdoskonalących.

Plan zbierania danych oraz analiza danych

Danedoanalizzbieranowokresieod11.06.2012do28.06.2012.Licznośćpróbywynosiła4200sztuk,którychwynikizestawionowodpowiedniejtablicy.Zebranedanew pierwszej kolejności posłużyły do oceny stabilnościprocesu i obliczenia obecnego poziomu sigma.Wynikiobliczeńwykazały,żeprocesznajdowałsięnapoziomie3,3sigma,przypoziomie3,42%wyrobówwadliwych.

Wanalizowanymokresieprocesowispawaniapodda-no4209łopatek,wtym1738łopatekW1,1526łopatekW2oraz945 łopatekW3.Narys.8przedstawionowy-krestrendudladanychołopatkachwadliwych.

WADY NA ETAPIE PRZYGOTOWANIA DO SPAWANIA LASEROWEGO

RP Złystanpowierzchniprzedspawaniemlaserowym–ponowneprzygotowanie

WADY NA ETAPIE KONTROLI PO SPAWANIU LASEROWYM

CLE Pęknięciespawunapromieniupłytkiodstronykrawędzinatarcia

CTE Pęknięciespawunapromieniupłytkiodstronykrawędzispływu

CCC Pęknięciespawunakrawędzipłytkiodstronywklęsłejłopatki

CCX Pęknięciespawunakrawędzipłytkiodstronywypukłejłopatki

LCC Brakspawunakrawędzipłytkiodstronywklęsłejłopatki

LCX Brakspawunakrawędzipłytkiodstronywypukłejłopatki

LLE Brakspawunapromieniupłytkiodstronykrawędzinatarcia

LTE Brakspawunapromieniupłytkiodstronykrawędzispływu

CP Wyrwawspawienakrawędzipłytki

Rys. 8. Wykres trendu dla łopatek wadliwych wyprodukowanych w okresie od11.06.2012do28.06.2012Fig8.Trendchartforfaultybladesmadeintheperiodfrom11.06.2012to28.06.2012

Tabela 3. Rodzaje wad zi-dentyfikowane w procesiespawaniałopatekTable3.The typesof faultsidentifiedinweldingprocess

TiAM_4_2013.indd 33 2013-11-18 09:16:07

4/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

34

Zprzeprowadzonychanalizwynika,żeniewystępująklastry,mieszanki,trendyanioscylacje.Procespodlegarozkładowinormalnemu.

Wdalszej kolejności daneprzeanalizowano zwyko-rzystaniemtestuChi2. Testy wykonano z wykorzystaniem programuMinitab16.Wybranetestowanehipotezyorazwnioskiprzedstawionowtabeli4.

Następniepoddanoanalizierodzajpojawiającychsięwadwspawie.72,2%wszystkichujawnionychpoproce-siespawaniawadtowadytypuCCC,czylipęknięciaspa-wunakrawędzipłytkiodstronywklęsłejłopatki(rys.9).

Zwykresuprzedstawionegonarys.9wyraźniewidać,że70%wadtypuCCCpojawiłosięwłopatkachW3,któ-reniebyłyzaczyszczane.

Wnioski i działania doskonalące

Z przeprowadzonych analiz wyraźnie wynika, że naliczbę pojawiających się wyrobów niezgodnych mająwpływ:czaspracyoperatora,moclaseraorazto,czyło-patka jest zaczyszczana.Wnioski te były podstawą dodalszychanalizipodjęciadziałańdoskonalących.Oprócz

Tabela4.WynikianalizChi2

Table4.ResultsofChi2 analysis

Hipoteza P-value Wnioski

Liczbawadliwychwyrobówzależyodtypułopat-ki.

0,000Typłopatkimawpływnaliczbępojawiającychsięwyro-bówwadliwych.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodtego,czyłopatkajestzaczyszczonaczynie.

0,000Toczyłopatkajestzaczyszczona,mawpływnaliczbępojawiającychsięwyrobówwadliwych.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodtypułopat-ki(analizaczęściW1iW2).

0,051Typłopatkiniemawpływunaliczbępojawiającychsięwyrobówwadliwych.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodoperatora(analizatypuczęściW1iW2).

0,169Operator procesu przygotowania, spawania i kontrolinie ma wpływu na liczbę pojawiających się wyrobówwadliwych.

Liczba wadliwych wyrobów zależy od dnia ty-godnia,wktórymczęścibyłyprzygotowywane,spawaneikontrolowane(analizatypuczęściW1iW2).

0,062Dzieńtygodnia,wktórymłopatkajestprzygotowywana,spawanaikontrolowana,niemawpływunaliczbępoja-wiającychsięwad.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodczasupra-cyszczotypolerskiej,naktórejzaczyszczanesączęści.

0,687Czaspracyszczotypolerskiej,naktórejzaczyszczanesączęści,niemawpływuna liczbępojawiającychsięwyrobówwadliwych.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodmocy la-serapodczasspawania.

0,000Moclaseramawpływnaliczbępojawiającychsięwyro-bówwadliwych.

Liczbawadliwychwyrobówzależyodczasupra-cy operatora.

0,011Czas pracy operatora ma wpływ na liczbę pojawiają-cychsięwyrobówwadliwych.

Rys.9.Wadyspawalniczewróż-nychtypachłopatek

Fig.9.Weldingdefectsofdiffer-entbladetypes

TiAM_4_2013.indd 34 2013-11-18 09:16:07

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu4/2013

35

stosowanejmetodyzaczyszczaniałopatekzwykorzysta-niem szczoty polerskiej wprowadzono piaskowanie dlawszystkich typów łopatek, ponieważ z wyników analizwyciągnięto wnioski, że powierzchnie nie są właściwieprzygotowane, szczególnie te, któreniebyłypoddawa-ne zaczyszczaniu. Następnie poszukiwano przyczyn,któremogły spowodować, żeczaspracyoperatoramaznaczenie.Zanalizwyciągniętownioski,żetonieczaspracyoperatoramaznaczenie,ponieważoperatormożejedynie źle ułożyć płytkę na zamku łopatki, a w takimprzypadkuprocesspawaniawogóleniezostanierozpo-częty.Stwierdzononatomiast,żezczasempracyopera-torazwiązanyjestczaspracyurządzeniaspawalniczego.Dodatkowoinformacjaowpływiemocylaseranaliczbępojawiającychsięwyrobówniezgodnychbyłasygnałemdoanalizypracyurządzeniaspawalniczego.Poprzepro-wadzeniuanaliz jegopracyokazało się, żewprocesieniejestzachowanastabilnośćpracyiurządzeniezostałoprzeznaczonedomodernizacji.

Dodatkowo wyjątkowo częste pojawianie się wadyCCC,czylipęknięciaspawunakrawędzipłytkiodstronywklęsłej łopatki,skłoniłodoprzeanalizowaniaprogramuCNC,którynastępniezostałpoprawiony.

Wprowadzone zmiany dały zmniejszenie wyrobówwadliwychdo2,3%do31.12.2012r.,codaje3,5sigma,a pomodernizacji urządzenia uzyskanodalsze zmniej-szeniewadliwoścido0,77%dokońcamaja2013r.,codaje3,92sigma.

LITERATURA

1. BarneyM.,McCartyT.:Nowa Six Sigma.Wydawnic-twoHelion–Onepress,Gliwice2005.

2. PyzdekT.,KellerP.:The Six Sigma handbook.Wy-dawnictwoTheMcGraw-HillCompanies,Inc.,2010.

3. YangK.,El-HaikS.B.:Design for Six Sigma,Wydaw-nictwoTheMcGraw-HillCompanies,Inc.,2009.

4. BhoteKekiR.:The Power of Ultimate Six Sigma™. AMACOM,NewYork,2003.

5. GołębiowskiM.:DMAIC i DMADV jako metody do-skonalenia jakości. Studia i Prace Wydziału NaukEkonomicznych i Zarządzania, nr 21, 2011, s. 135–141.

6. Wolniak R.: Modele ciągłego doskonalenia stoso-wane w Six Sigma, Problemy Jakości, nr 5, 2005, s.15–20.

7. BassI.:Six Sigma statistics with Excel and Minitab. Wydawnictwo The McGraw-Hill Companies, Inc.,2007.

___________________________Dr inż. Dorota Stadnicka – Politechnika Rzeszowska,Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Odlew-nictwa i Spawalnictwa,Al. PowstańcówWarszawy 12, 35-959Rzeszów,e-mail:dorota.stadnicka@prz.edu.plMgr inż. Wojciech Hałoń – e-mail: halon.wojciech@ gmail.com

USING THE SIX SIGMA METHOD IN WELDING PROCESS OF LOW-PRESSURE TURBINE BLADES

A b s t r a c tThearticlepresentstheDMAICmethodologyinSixSigmaprojects.Themethodologyisusedinaweldingprocessanalysisoflow-pressureturbineblades.Processesthatmighthaveaninfluenceontheweldingprocessandcontrolpointsareidentifiedinthiswork;furthermore,assessmentofcontrolsystemsandanalysisofdatagatheredfromweldingprocessispresentedtoo.Thegathereddataisanalyzedwiththeuseofstatisticalmethodtoidentifyinfluentialfactorsforthisprocess.Allactionsthatwereimplementedtoimproveweldingprocessaredescribedandtheirresultsarepresentedinthisarticle.

K e y w o r d sSixSigma,DMAIC,controlsystemassessment

TiAM_4_2013.indd 35 2013-11-18 09:16:07