Procesy specjalne - przykłady - spawanie, obróbka cieplna, badania nieniszczące

Procesy Specjalne – czym są oraz po co je wykonujemy

Procesy specjalne – jak zmienić właściwości wyrobu, aby był bardziej niezawodny

Mimo, że towarzyszą nam od setek lat to nie każdy ma świadomość czym właściwie są. Niektóre z nich wykonujemy nawet samodzielnie, jednakże bez tak dużego nadzoru jak to ma miejsce w przypadku firm produkcyjnych. Cel jest jednak zawsze ten sam – zmiana pewnych cech lub właściwości produktu, tak aby zabezpieczyć go przed wystąpieniem różnego rodzaju defektów. W rezultacie staje się on bardziej niezawodny i znacząco wydłuża się jego żywotność. Dalej brzmi tajemniczo? Wyobraźmy sobie zatem metalową barierkę na tarasie. Została ona wykonana ze stali węglowej, która charakteryzuje się wysoką podatnością na korozję. Samą zawartość węgla pomińmy, bowiem nie będzie miała ona aż tak istotnego znaczenia. Dość szybko będziemy mogli zaobserwować pojawienie się rdzawego nalotu. W późniejszym czasie przestanie ona całkowicie spełniać swoje zadanie i konieczna będzie jej wymiana. Co jednak zrobić, aby nie dopuścić do takiej sytuacji? Mamy trzy rozwiązania.

Pierwszym będzie wymiana barierki na taką, która wykonana została ze stali nierdzewnej. Ale, chyba nie taki był nasz cel. Drugim rozwiązaniem będzie ograniczenie występowania czynników zewnętrznych, które powodują powstawanie korozji. Jak już Wam się to uda to opiszcie zastosowaną metodologię w komentarzu pod artykułem. Przejdźmy zatem do trzeciego rozwiązania. Zabezpieczmy barierkę farbą antykorozyjną. Oczywiście zakładamy, że barierka jest całkiem nowa, więc wystarczy, że ją dobrze odtłuścimy a następnie zaaplikujemy farbę podkładową oraz warstwę wierzchnią. Gotowe. Pomiar grubości powłoki oraz lepkości farby sobie tym razem odpuścimy, bo będą one całkowicie bezcelowe. Analogicznie będzie z przyczepnością farby, czy to na sucho, czy na mokro. Możemy za to sprawdzić stan powłoki wizualnie. Kryteria akceptacji co prawda będziemy musieli dobrać sobie sami, jednak zastosowanie takiej metodologii kontroli ma całkowite uzasadnienie ekonomiczne.


Wróćmy jednak do branży produkcyjnej i przyjrzyjmy się bliżej czym właściwie są procesy specjalne według definicji ISO 9000 oraz ISO 9001. W materiale sprawdźmy również na podstawie normy AS 9100 czego wymaga się od procesów specjalnych w branży lotniczej. A także, które procesy specjalne są istotne z punktu widzenia branży motoryzacyjnej. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

  • Czym są procesy specjalne oraz jak są one zdefiniowane w normach ISO 9000, ISO 9001 oraz AS 9100.
  • Jak dzielą się procesy specjalne oraz jakie są przykłady takich procesów.
  • Czym różni się odkuwka od odlewu oraz jakie procesy specjalne na nich wykonujemy.
  • Czy operacje mechaniczne również mogą być traktowane jako procesy specjalne.
  • W jakich programach w zależności od branży mogą być akredytowane procesy specjalne.
  • Jak nadzorować procesy specjalne.

Procesy specjalne – definicja

Mimo, że norma ISO 9001:2015 nie wspomina o procesach specjalnych to mimo wszystko w pośredni sposób na nie wskazuje. Określa je bowiem jako procesy produkcyjne lub usługowe, gdzie wyniki nie mogą być zweryfikowane po ich za kończeniu przy użyciu monitorowania lub pomiarów. Dopiero norma AS 9100 dodaje dodatkową notę poniżej tego zapisu mówiącą, że przykładami tych procesów są procesy specjalne. Poza tym AS 9100 określa konkretne wymagania dotyczące walidacji oraz nadzoru jaki powinien obejmować procesy specjalne. Według nich organizacja powinna określić, o ile ma to zastosowanie:
– kryteria dotyczące przeglądu oraz zatwierdzenia procesów specjalnych
– warunki, jakie należy spełnić, aby utrzymać to zatwierdzenie
– warunki zatwierdzenia obiektów i sprzętu
– wymagania dotyczące kwalifikacji personelu
– stosowanie specjalnych metod oraz procedur dotyczących wdrożenia oraz monitorowania tych procesów
– wymagania dotyczące udokumentowanej dokumentacji jaką należy przechowywać.

Natomiast sama norma ISO 9000:2015 opisująca między innymi definicje niewiele wspomina na temat procesów specjalnych. Odniesienie znajdziemy właściwie tylko i wyłącznie w jednej nocie, która mówi, że procesy specjalne to takie procesy, których zgodność nie może zostać w łatwy oraz ekonomiczny sposób zwalidowana.



Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Polub moją stronę na Facebooku i dowiedz się o nich jako pierwszy!


Procesy specjalne – podział i przykłady

Skoro udało nam się zdefiniować, czym właściwie są procesy specjalne to przyjrzyjmy się zatem przykładowym procesom, które się do nich zaliczają. Omówimy tutaj kilka najbardziej znanych i najpowszechniej stosowanych grup procesów wraz z ich szczegółowym podziałem. Będą to badania nieniszczące, procesy chemiczne, obróbka cieplna, spawanie i lutowanie oraz umacnianie powierzchniowe.

Badania nieniszczące

Dla niektórych może to być zaskoczeniem jednak badania nieniszczące również traktowane są jako procesy specjalne. Teoretycznie nie powinny mieć wpływu na części jednak mogą powodować ich „zanieczyszczenie”, ale tylko jeśli wszystkie kroki badania nie zostały wykonane prawidłowe. Aktualnie badania nieniszczące są najpowszechniejszą grupą procesów specjalnych, która jest stosowana na świecie. Mają one na celu wykrycie wad w postaci nieciągłości materiałowych lub defektów niektórych powłok. Przykładami mogą być pęknięcia, porowatość, zakucia, czy też wżery. Jak sama nazwa wskazuje mogą być one wykonywane na wyrobie bez wpływu na jego przydatność. W zależności od wybranej metody mogą wykrywać defekty otwarte do powierzchni lub podpowierzchniowe. Przykładami badań nieniszczących są:
– kontrola penetracyjna
– kontrola magnetyczno-proszkowa
– kontrola radiograficzna
– badanie metodą prądów wirowych
– badania ultradźwiękowe

Procesy chemiczne

Jest to jedna z bardziej rozbudowanych grup jeśli chodzi o procesy specjalne. Obejmuje swoim zakresem zarówno nakładanie różnego rodzaju powłok jak również i usuwanie nieznacznych warstw materiału. Przykładami procesów chemicznych są:
– gruntownie i malowanie – są to ostatnie warstwy powłok nanoszonych na części, poza dodatkowym zabezpieczeniem materiału oraz znajdujących się na nim innych powłok ma również walory estetyczne.
– nakładanie smarów stałych – ma na celu zabezpieczenie przed bezpośrednim kontaktem dwóch stykających się powierzchni. Sprawdzi się wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko, że smar półpłynny mógłby wyciec.
– trawienie i obróbka chemiczna – stosowany do czyszczenia powierzchni, usuwania cienkich warstw materiału zwłaszcza przed kontrolą penetracyjną, wykrywania przypaleń materiału, oraz usuwania fazy alfa ze stopów tytanu.
– anodowanie – polega na wytworzeniu warstwy tlenków na powierzchni metalu w celu zabezpieczenia przed korozją oraz uszkodzeniami mechanicznymi. Anodowanie stosowane jest najczęściej do stopów aluminium i tytanu. W przypadku stopów aluminium dość popularne jest stosowanie substancji barwiących, dzięki czemu możemy uzyskiwać powierzchnię o różnych kolorach.
– galwanizacja – ma na celu wytworzenie powłok metalicznych chroniących przed uszkodzeniami mechanicznymi, ścieraniem oraz korozją. Proces bazuje na zjawisku elektrochemicznemu. Występuje ono, gdy pomiędzy elektrodami zanurzonymi w kąpieli galwanicznej płynie prąd stały. Przykładami procesów galwanicznych mogą być chromowanie, kadmowanie, niklowanie czy miedziowanie.
– powlekanie bezprądowe – polega na nakładaniu warstwy metalicznej poprzez chemiczną redukcję jonów metalu oraz ich aplikację, ale bez użycia prądu. Najczęściej wykorzystywany do powlekania miedzią lub niklem. W zależności od zastosowanej powłoki może pełnić rolę dekoracyjną, zwiększać przewodność elektryczną i cieplną, zmieniać właściwości magnetyczne, zwiększać odporność na ścieralność a także zabezpieczać antykorozyjnie.
– powłoki konwersyjne – jest sztucznie wywołanym procesem korozji, który jest stosowany właśnie w celu ochrony przed nią. Wymaga jednak dodatkowego uszczelnienia ze względu na porowatą strukturę. Przykładami mogą być oksydowanie stali oraz fosforanowanie.
– pasywacja – polega na wytworzeniu na powierzchni części szczelnej powłoki pasywnej, która zabezpieczy ją przed dalszym oddziaływaniem danego środowiska. Przykładem może być proces pasywacji stali nierdzewnej.
– ściąganie powłok i pokryć – proces stosowany w przypadku wykonania powłoki lub pokrycia, które nie spełniają kryteri akceptacji. Nie jest standardowym procesem, ale wynika z dyspozycji dla danej części.

Procesy specjalne - laboratorium chemiczne

Obróbka cieplna

Najpowszechniej stosowana w przypadku stali, stopów aluminium, czy też stopów tytanu. Proces składa się z trzech kroków: nagrzewania, wytrzymania oraz chłodzenia. Przy czym pierwszy i ostatni może przebiegać stopniowo. Obróbka cieplna ma na celu zmianę właściwości mechanicznych, plastycznych oraz fizyczno-chemicznych danego materiału. Obróbka cieplna dzieli się na:
– zwykłą, gdzie zmiany strukturalne są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasem. Do obróbki cieplnej zwykłej zaliczamy wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie oraz starzenie.
– obróbkę cieplno-chemiczną, gdzie wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności poza temperaturą i czasem wpływ ma również ośrodek w którym odbywa się obróbka. Przykładami obróbki cieplno-chemicznej mogą być nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromo-aluminiowanie, czy węglo-azotowanie.
– obróbkę cieplno-magnetyczną, gdzie znaczenie ma pole magnetyczne.
– obróbkę cieplno-mechaniczną znaną również jako obróbka cieplno-plastyczna, gdzie przykładami są procesy kucia na gorąco, tłoczenia na gorąco czy też walcowania na gorąco.

Pamiętajcie, że do grupy procesów obróbki cieplnej klasyfikuje się także obróbka części w temperaturze poniżej 0°C. Proces ten nazywany jest obróbką podzerową lub wymrażaniem i ma na celu zmniejszenie udziału austenitu szczątkowego na rzecz martenzytu.

Spawanie i lutowanie

Polega na fizycznym łączeniu dwóch materiałów. W przypadku spawania do połączenia dochodzi poprzez wykonanie miejscowego stopienia a następnie zestalenia metalu. Natomiast podczas lutowania stopieniu ulega jedynie spoiwo, czyli zastosowany lut. Jeśli lutowanie odbywa się w piecu to jest klasyfikowane jako proces obróbki cieplnej.

Innym ciekawym procesem, który zalicza się do tej grupy jest zgrzewanie tarciowe. Połączenie wynika z rotacji jednego elementu oraz docisku drugiego.

Umacnianie powierzchniowe

Powszechnie znane również jako kulowanie. Proces ma na celu wprowadzenie do danej powierzchni naprężeń ściskających, które zwiększa jej odporność na występowanie pęknięć zmęczeniowych. Polega na niczym innym jak na uderzaniu danego obszaru medium w postaci malutkich kulek wykonanym ze staliwa, stali węglowej, szkła lub ceramiki. Cząsteczki mogą być napędzane przy użyciu siły odśrodkowej lub sprężonego powietrza. Poza wprowadzeniem wspomnianych naprężeń umocniona struktura zmienia również swoją chropowatość dlatego, w niektórych przypadkach proces kulowania może być stosowany wyłącznie jako efekt dekoracyjny. Kolejnym zastosowaniem procesu jest czyszczenie części. Wówczas stosowane jest wyłącznie medium w postaci szklanych kulek. Może stanowić on w pewnym sensie alternatywę do piaskowania tlenkiem aluminium. Zwłaszcza w lotnictwie dość popularne jest wykorzystanie procesu do formowania różnych struktur jak chociażby elementów skrzydeł. Mówimy wówczas o formowaniu przez kulowanie. Sam proces kulowania może być wykonywany automatycznie przy użyciu maszyny, lub ręcznie.

Procesy specjalne podczas kucia i odlewania

Procesy kucia i odlewania to dwie odmienne techniki w efekcie, których otrzymujemy produkty o różnych właściwościach. W przypadku kucia mówimy o zmianach strukturalnych oraz geometrycznych materiału pod wpływem sił ściskających natomiast odlew powstaje w wyniku wypełnienia formy stopionym metalem. Cechą wspólną dla obu procesów jest wyrób, który osiąga pożądany kształt. Z tą różnicą, że odlewanie pozwala nam na otrzymanie bardziej skomplikowanych kształtów, które często nie wymagają już dodatkowej obróbki. Ma to miejsce zwłaszcza w przypadku odlewania metodą wosku traconego, gdzie uzyskujemy bardzo dużą dokładność wymiarową. Odkuwka natomiast wymaga dodatkowej obróbki mechanicznej, aby osiągnąć założone wymiary oraz usunąć warstwę odwęgloną, jeśli jest to oczywiście wymagane. Przewagą odkuwek jest za to dużo większa ich wytrzymałość zmęczeniowa i na rozciąganie.

Na etapie wytwarzania obu produktów stosowane są różne procesy specjalne. Skupmy się jednak na wyrobie, który posiada już założoną geometrię, bowiem przykładowo sam proces kucia na gorąco również traktujemy jako proces specjalny. W przypadku odkuwek najczęściej wykonywana jest obróbka cieplna oraz badania nieniszczące przeważnie w postaci badań ultradźwiękowych lub kontroli magnetyczno-proszkowej. Bardzo często odkuwki poddawane są także procesowi kulowania (śrutowania), ale ma to na celu wyłącznie usunięcie zgorzeliny a nie wprowadzenie naprężeń ściskających. W przypadku odlewów możemy spotkać się także z badaniami nieniszczącymi – głównie kontrolą radiograficzną, ale także z HIP (ang. Hot Isostatic Pressure) , czyli wysokotemperaturowym prasowaniem izostatycznym. Proces ten ma na celu zminimalizowanie występowania porowatości w strukturze odlewu.

Procesy specjalne - kucie na gorąco

Obróbka mechaniczna a procesy specjalne

Gotowa odkuwka lub odlew poddawane są następnie obróbce mechanicznej. W przypadku odlewu mogą to być wszystkie powierzchnie, lub jak wspomnieliśmy tylko część z nich.

Odkuwki po wykonaniu obróbki zgrubnej najczęściej poddawane są obróbce cieplnej. W przypadku stali węglowej lub niskostopowej będzie to hartowanie i odpuszczanie. Natomiast stal nierdzewna i stopy aluminium poddawane są przesycaniu oraz starzeniu. Następnie wykonywana jest obróbka wykończeniowa oraz badania nieniszczące. W przypadku materiałów ferromagnetycznych, czyli przykładowo stali węglowej lub niskostopowej wykonywana jest kontrola magnetyczno-proszkowa. W innych przypadkach będzie to kontrola penetracyjna. Dalsza obróbka zależy właściwie od założeń konstrukcyjnych. Części można poddawać przykładowo umacnianiu powierzchniowemu, czy też procesom chemicznym, w tym malowaniu.
Odlewy po wykonaniu obróbki mechanicznej również poddawane są badaniom nieniszczącym. Jednak ze względu na powszechność odlewów na bazie stopów aluminium i niklu częściej jest to kontrola penetracyjna. Analogicznie jak w przypadku odkuwek kolejne procesy specjalne zależą od potrzeb wynikających z dokumentacji konstrukcyjnej. Może to być przykładowo spawanie lub powłoki nanoszone cieplnie.

Wracając jeszcze do samej obróbki mechanicznej zdarza się, że niektóre procesy również klasyfikowane są jako specjalne. Może to być toczenie, frezowanie albo na przykład szlifowanie – czyli standardowe operacje obróbki skrawaniem. O tym, czy dana operacja powinna być traktowana jako proces specjalny decydują najczęściej wymagania klienta. Przeważnie dotyczy to operacji, które są krytyczne z punktu widzenia bezpieczeństwa. Taki proces wymaga dużo większego nadzoru zwłaszcza w kwestii zastosowanych narzędzi, parametrów obróbki i chłodzenia. Jako przykład możemy podać szlifowanie powłoki chromowej podczas, którego może dojść do przypalenia materiału bazowego.

Nadcap, TPG, CQI – akredytacja procesów specjalnych

Procesy specjalne realizowane dla branży lotniczej prawie zawsze wiążą się z obowiązkową akredytacją. O tym, które z nich muszą ją posiadać decydują poszczególni klienci. Programem, który realizuje wspomnianą akredytację dla lotnictwa jest Nadcap. Bazuje on na wykonywanych przez swoich przedstawicieli auditach trzeciej strony. W zależności od doświadczenia w programie oraz wyników poprzednich auditów mogą się one odbywać w odstępach 12-, 18- lub 24-miesięcznych. Jednostką administrującą program jest Performance Review Institute (w skrócie: PRI). Akredytacją Nadcap możemy objąć zarówno wspomniane w artykule procesy specjalne, czyli badania nieniszczące, procesy chemiczne, obróbkę cieplną, umacnianie powierzchniowe, oraz spawanie ale także powłoki nanoszone cieplnie, obróbkę niekonwencjonalną (np. EDM), produkcję addytywną (np. druk 3D), montaż struktur lotniczych, uszczelnienia, elektronikę czy też laboratoria materiałowe.

PRI administruje również kilka innych programów wśród, których jeden dedykowany jest akredytacji procesów specjalnych w branży transportowej oraz w produkcji urządzeń do wytwarzania energii. Mowa o Transportation & Power Generation (TPG). Jednak w przeciwieństwie do Nadcap nie cieszy się on tak dużą popularnością.

Inną kwestią są opracowane przez AIAG (Automotive Industry Action Group) standardy CQI. Skrót pochodzi od angielskiego Continuous Quality Improvement, czyli ciągłego doskonalenia jakości. Wśród procesów, dla których stworzono wspomniane standardy znajdziemy między innymi:
– obróbkę cieplną (CQI-9)
– powłoki (CQI-11)
– pokrycia (CQI-12)
– spawanie (CQI-15)
– lutowanie poniżej 450°C (CQI-17 ang. soldering)
– odlewanie (CQI-27)
– lutowanie powyżej 450°C (CQI-29 ang. brazing).

W zależności od wymagań audity mogą być wykonywane, albo przez samą organizację, albo przez klienta.

Excel Raport 8D Raport A3 5 Why 5W2H narzędzia jakościowe

Procesy specjalne – jak je weryfikować i nadzorować

Potwierdzenie zgodności procesu specjalnego już po jego wykonaniu nie będzie możliwe jeśli przed jego rozpoczęciem lub w jego trakcie nie prowadziliśmy dodatkowego nadzoru. Zakres czynności i badań jakie są konieczne do wykonania zależą nie tylko od samego procesu, ale nawet od konkretnej specyfikacji. W niektórych przypadkach wykonując ten sam proces, ale według różnych norm możemy spotkać się z wymaganiami, które mogą się wykluczać.

W przypadku procesu obróbki cieplnej urządzenia do jej wykonywania w większości przypadków będą musiały spełniać wymagania dotyczące pirometrii. Obejmuje to między innymi wykonanie badania rozkładu temperatury oraz sprawdzenia dokładności systemu pomiarowego. Dodatkowo elementy takie jak rejestratory, kontrolery prowadzące oraz zabezpieczające, termopary, czy też czujniki punktu rosy muszą być okresowo kalibrowane. Podczas wykonywania samego procesu konieczne będzie rejestrowanie parametrów procesu takich jak chociażby aktualna temperatura każdego wymaganego czujnika. Zapis ten będzie później przedmiotem kontroli, aby potwierdzić, że podczas wykonywania procesu mieściła się ona w zakresie tolerancji a czas procesu był zgodny z założeniem. W przypadku samych części bardzo często wymagany będzie pomiar twardości oraz weryfikacja pod kątem odkształceń. Pozostałe testy będą wykonane na podstawie dołączonych do wsadu próbek. Mogą to być przykładowo udarność, odwęglenie, czy też wytrzymałość na rozciąganie.

Proces kulowania wymaga okresowej kontroli medium pod kątem rozmiaru i kształtu. Dodatkowo proces poprzedzony jest symulacją podczas, której umacniane są próbki Almena. Służą one do zweryfikowania, czy parametry procesu zapewniają wymaganą intensywność. W zależności od wymagań normy, ilości obrabianych części, używanego medium oraz długości pracy maszyny takie sprawdzenie może być wymagane również po 2, 4 lub 8 godzinach a także po zakończeniu procesu. Sama część jest natomiast weryfikowana pod kątem prawidłowego pokrycia oraz skuteczności zastosowanego maskowania.

Procesy chemiczne wymagają okresowych analiz kąpieli oraz wykonania procesu na próbkach, które następnie będą poddane różnym testom. Możemy do nich zaliczyć przykładowo badanie przyczepności, odporności korozyjnej, występowania kruchości wodorowej, twardości czy mikrostruktury. Same części również są poddawane ocenie zarówno w trakcie procesu, kiedy weryfikujemy ich czystość jak i po procesie sprawdzając chociażby wygląd powłoki oraz jej grubość. Nieco inaczej natomiast wygląda sytuacja podczas procesu malowania, gdzie potwierdzana jest lepkość zmieszanych składników. Sama skuteczność procesu kontrolowana jest okresowo przy użyciu próbek, na których sprawdzamy chociażby przyczepność oraz odporność na rozpuszczalnik. Badaniu podlegają również pomalowane części, które kontrolowane są pod kątem defektów wizualnych i braku ciągłości powłoki, ale także w celu potwierdzenia grubości powłoki i jej przyczepności. W przypadku wszystkich procesów chemicznych przedmiotem kontroli są także poszczególne parametry procesu takie jak czas, temperatura, napięcie czy natężenie prądu stałego o ile mają zastosowanie.

Procesy specjalne przykłady - lutowanie

Na zakończenie…

Procesy specjalne są dość specyficzną metodą obróbki, która wymaga wysokiej specjalizacji, aby osiągnąć produkt spełniający założone kryteria. Często ze względu na wymagania dotyczące akredytacji firmy decydują się na ich realizację na zewnątrz za pośrednictwem wyspecjalizowanych dostawców. W zależności od branży oraz zastosowanego podejścia istnieje kilka lub kilkanaście grup klasyfikujących procesy specjalne. Najpopularniejszymi z nich są badania nieniszczące, obróbka cieplna, procesy chemiczne, czy też umacnianie powierzchniowe. A jakie są Wasze doświadczenia jeśli chodzi o procesy specjalne? Czy w firmach, dla których pracujecie realizowane są takowe, czy jednak korzystacie z usług dostawców? Zostawcie swoją opinię w komentarzu. Do zobaczenia już w następny poniedziałek, kiedy kontynuować będziemy temat procesów specjalnych.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

scroll to the top of the site