硬质灯芯慢漏分析与改善

1、D1. 项目背景自2011年下半年起，硬质灯芯慢漏率大幅提高。24位压封机生产灯芯批次慢漏率最高达73%，从2012年3月停产待改造至今；32位压封机生产灯芯批次慢漏率最高达20%，2012年5月8日更换两个主火头后改善较大，但存放一个月后慢漏率仍达？%更为严重的是，存放1个月检漏后的灯芯再存放一段时间，仍会出现一定比例的慢漏，因此部分不良品已流到客户，引起客户投诉。如果此问题不解决，公司PAR灯产品 将会失去传统市场。D2. 问题陈述 硬质灯芯的慢漏点有两个，一个是排气管与泡壳的封离处，一个是引线压封部位，由于前者为相同性质玻璃封接，相对容易判断，且失效机率较小，而后者为金属与玻璃的封接，失

2、效原因复杂，为慢漏的最大来源，由此本项目的重点在于如何减少压封部位的慢漏。D3. 因变量Y及缺陷定义缺陷定义引线与压封部位玻璃之间存在贯穿内外的气道，其泄漏率足以使得在灯芯设计寿命期间，泡壳内正常气氛遭到破坏。测量方法Y定义：慢漏现有方法：储存一个月或更长时间后，加额定电压15秒，观察泡壳的发蓝发白情况。此方法周期长，且不准确，待评估。D4. 现状以下为2011年9月到2012年7月品管部检漏数据：Sep-11Oct-11Nov-11Dec-11Jan-12Feb-12Mar-12Apr-12May-12Jun-12 Toatal检查量27632931431229121230707559444

3、1878001321352627912326211733802237099慢漏147881171237265572569219636533655605404569611172134慢漏率5.35%3.73%1.28%1.81%9.58%10.46%4.04%21.16%17.39%5.54%7.69% 以每只硬质灯芯平均成本以每只硬质灯芯平均成本2元计，元计，10个月期间直接经济损失个月期间直接经济损失34.4万，万，每月损失每月损失3.44万。万。 平均慢漏率7.69%，最低1.28%，最高21.16%。必须指出的是，这些被检验的灯芯中，包含多批次存放时间不足1月的灯芯，实际慢漏率更高，未检

4、出的不良品多数流到客户。如果只统计存放时间超出1月的灯芯，平均慢漏率超过12%。其它损失？D5. 目标由于2011年8月前的数据难以统计，估计出现异常前，历史慢漏率为7%。相比以前的“正常”数据，我们的目标改善幅度为5%。目标：存放30天后，硬质灯芯慢漏率2%。D6. 预想财务效果 硬质灯芯共有两台压封机，单班日产量不低于10000pcs，全年有效工作日300天，每年产能达300万只，如慢漏率降低5%： 每年可节省资金每年可节省资金=3005%2=30万元万元D7. 人力组织BB研发LeaderRD01QERD02质量生产MEPD1.制订和验证泡壳升温和退火工艺；2.设计试验方案，验证各变量的

5、影响1.测量设备选型和验收安装；2.制作工装夹具1.MSA2.试验批的测量、记录与分析3.检验标准的编写确定4.SPC1.安排跟进各种试验；2.记录反馈各项异常1.改善措施的落实；2.作业指导书3.协助其它组员D8. 日程安排阶段072708010815090109151001101511011115需完成事项回顾时间回顾地点定义定义项目，制定目标预估效果，制定日程每周一下午两点会议室测量测量系统分析， 找出问题根因，收集相关数据每周一下午两点会议室分析分析问题根因，暂未决定分析方法每周一下午两点会议室改善针对问题根因的分析结果进行必要的改善每周一下午两点会议室控制对改善阶段的成果予以控制每周

6、一下午两点会议室M1. Y现状测量 我厂硬质灯芯玻璃材料牌号为GE180，引线为红光或GE产镍钼杆，与玻璃密封部分材质为钼，另一端为镍。GE180性能参数值软化点1015退火点785应变点735线膨胀系数10-7/ （0300/ ）45密度g/cm32.77应力光学常数10-12/Pa总碱量%0.035钼性能参数值工作温度1600熔点2610沸点4830线膨胀系数10-7/ （0300/ ）49密度g/cm310.4总发射率（1500 ）0.19再结晶温度9001200注：为叙述方便，下文中的钼杆都是引线的封接部分。 慢性漏气主要是在钼与玻璃的界面上出现气隙而产生的，测量慢漏首先要确定单位时间

7、气体泄漏量标准。 M1. Y现状测量以120V50W为例，其空泡体积 ，充气气压7，测量30个存放1月的慢漏灯芯，充气气压均出现不同程度的降低，最低下降1个大气压，以此为经验数据并留下一半安全余量，计算灯芯存放1个月后的最大允许泄漏量 ：0.51105 = (PaL) 氦质谱检漏仪最小可检漏率达 510-12Pam3/s ，压封后即可测量气体泄漏率，但价格昂贵，且为破坏性检验， 不可作为常规检测手段，需要寻找快速简单的替代方法。M1. Y现状测量 1、由于引线与玻璃间存在气道，尝试将引线的抗拉强度作为泄漏率的替代指标。将慢漏灯芯泡壳敲掉，只留下夹封部位玻璃。对引线两端施加100N拉力，M1.

8、Y现状测量 2、对原测量方法进行改造。 由于灯芯气体泄漏速度与泡壳内外压力差成正比，只需要将灯芯置于高压仓一段时间，就可获得相当于几倍时间自然存放的效果。例如，灯芯充气7个大气压，将灯芯放在31个大气压的高压仓里，理论上只需存放1周，就近似于自然存放1月的效果。由于老方法下灯芯外气压小于内气压，改进方法正好相反，可靠性需要认证。 对于自然存放后点亮发现的慢漏灯芯，泡壳上附着的蓝色或白色物质，为钨不同化合价的氧化物，也就是说存放后，泡壳中的氧气成份增加。这部分氧气是从外部沿气道进入，还是内部某些气体逸出后造成内部卤钨氧化物分解？ 试验：多预备500组原料，在排气工序不充入卤气，改充高纯氪，其它工

9、艺不变。试验灯芯与正常工艺下生产的灯芯分开自然存放3个月，再点亮检漏对比漏气率。 试验组漏气率： 正常组漏气率：待验证的第二个问题：发蓝=漏气？M2. 压封工艺流程32位压封机工位动作说明15上料，将氮氢保护气气嘴插入排气管611强度逐渐加强的火焰预热融化泡壳压封位，泡壳底部逐渐收缩12强火焰加热泡壳压封位，泡夹一进行一次夹封13中火焰加热14中火焰加热泡壳压封位，泡夹二进行二次夹封1527强度逐渐减弱的火焰对泡壳夹封位退火2831自然冷却32下料工位周期：6秒（加热时间5秒，过位1秒）M3. 失效模式及后果分析M3. 失效模式及后果分析M3. 失效模式及后果分析M4. 自变量X的确定 遗憾的

10、是，以前我们在来料检验、制程监控方面的检测手段严重匮乏，没有通过分析实验积累的数据，对形成慢漏的各类因素探测能力近似于零，其发生频率当然也难以确定，只能根据基础理论、科技期刊中的相关文章和现有检测设备，确定需要监控的首批变量，再结合购置成本确定需要添加的检测设备。1. 原辅料质量X1:钼杆表面质量X2:钼杆膨胀系数2. 工艺参数X3:压封前的升温工艺X4:泡壳处于软化点+300左右的时间X5:一次压封时钼杆表面氧化层厚度X6:一次压封时钼杆温度X9:泡壳的退火工艺X7:夹模夹紧力X8:夹模夹紧时间X10:泡壳退火后残留应力M4. 测量设备配置 已有检测设备：桂光桂光XTL-500显微镜显微镜最

11、大放大倍数180倍，可用来检查引线外观质量和压封面气泡Raynger 3i1MSC红外测温仪红外测温仪测温范围6003000，光谱1um,不适宜于测量玻璃火焰温度，仅可提供600 以上时压封机底座、夹模温度参考。WaleApparatus应力检查台应力检查台可用来检查泡壳压封部位的应力，定性判断退火是否合适 已有检测设备：数显卡尺数显卡尺精度0.01mm，用来测量玻璃管壁厚M4. 测量设备配置 需要获得外单位支持的设备：氦质谱检漏仪氦质谱检漏仪用途：精确测量压封部位漏气率扫描电镜扫描电镜用途：分析钼杆成分，观察压封质量，测量钼杆氧化层厚度M4. 测量设备配置 需要购置的设备：玻璃专用红外测温仪

12、玻璃专用红外测温仪用途：测量泡壳在各工位的温度。测温范围2002000微型热电偶测温仪微型热电偶测温仪用途：测量钼杆在各工位的温度。测温范围2001600 通用红外测温仪通用红外测温仪用途：测量冷却水、工位底座温度。测温范围-20600 M4. 测量设备配置 需要购置的设备：数显玻璃制品应力检查仪数显玻璃制品应力检查仪用途：测量退火后泡壳的残余应力。测量精度： (双折射程差值) 4nm气体流量计气体流量计用途：监控压封机保护气体流量热膨胀系数仪热膨胀系数仪用途：测量钼杆、玻璃膨胀系数M4. 测量设备配置 需要购置的设备：夹紧力测量仪夹紧力测量仪用途：测量夹模夹紧力金相显微镜金相显微镜 （切割机

13、（切割机 抛光机）抛光机）用途：金属材料的检验或材料处理后的分析M4. 测量设备配置M5. 测量系统评估偏倚与线性M5. 测量系统评估再生性与重复性（R&R)A1. 控制标准的初步确定钼杆不应存在使用上有害的劈裂、 裂纹、 毛刺、 脆断、变色等缺陷。表面应为银白色， 不应有污染及明显氧化现象。允许的纵向拉痕验证（20120725）：存放两个月后的硬质灯芯（120V 90W），重新燃点后灯芯均未漏气发蓝，观察气密封接部分的引线表面情况分布如下：45pcs引线表面无明显的加工痕迹，55pcs引线表面观察到纵向或者横向的加工痕迹。挑选燃点后漏气发蓝的硬质灯芯（PHILIPS 230V 75W

14、），同样观察气密封接部分，引线表面情况如下：26pcs引线表面无明显加工痕迹，20pcs引线表面能够观察到横向或者纵向的加工痕迹。X1:钼杆表面质量A1. 控制标准的初步确定X1:钼杆表面质量列联表B1：漏气B2：不漏气A1:钼杆有拉痕2055A2:钼杆无拉痕2645假设钼杆拉痕与慢漏不关联Minitab 15-统计-表格-卡方检验（工作 表中的双向表）“钼杆表面拉痕与慢漏不关联”，这种说法成立的概率为0.196：不能判断钼杆有无拉痕与是否慢漏的关联A1. 控制标准的初步确定钼杆与GE180硬质玻璃间的封接为典型的匹配封接，要求两者的膨胀系数的差异在从室温到玻璃的转换温度范围内不超过10%。即

15、使GE180批次间也可能存在一定的差异，但若要求GE提供出货报告，则可信赖其标称膨胀系数，将不同膨胀系数的钼杆与其配对使用，也就是说主要监控钼杆的膨胀系数。如此，钼杆的膨胀系数变动范围应处于4149.510-7/ X2:钼杆膨胀系数为改善钼杆的高温性能，供应商会在生产过程中掺杂镧等金属，但同时钼杆的线膨胀系数会出现下降，数值有可能超出标准下限，因此钼杆的膨胀系数至少应作为我厂的型式检验项目A1. 控制标准的初步确定泡壳在加热过程中，由温度梯度所产生的暂时应力与固有的永久应力之和不能大于其抗张强度极限，否则将发生破裂。使用对烧火头时，泡壳的最大加热速度（/分钟)=130（泡壳壁厚cm）2 X3:

16、压封前的升温曲线我厂常用的硬质玻璃管壁 厚为0.080.01cm，对于32位压封机，每个工位的加热时间为5秒，那么压封前每工位的最大加热速度为：130 0.082 （60 5） =1693 /工位为安全起见，一般取最大加热速度的15%20%，即254339 /工位。GE180的软化点为1015 ，一般压封前就要求达到1300 ，这样就需要45个工位进行预热，每工位的升温范围要达到以上安全要求。注意：泡壳使用前注意防潮，升温时使用还原性火焰，避免压封部位产生气泡。A1. 控制标准的初步确定在一次压封前，泡壳应处于软化点温度以上足够时间，保证软化的玻璃与钼杆充分接触，即我们常说的烧熟。X4:泡壳处

17、于软化点+300左右的时间GE180的软化点为1015，为保证适当的流动性使泡壳底部收缩，并将钼杆包裹，压封前应以高于软化点250300 的温度加热。具体加热时间需要试验验证，按经验，对于32位压封机，在压封前需有一到两个工位，使用煤氧火焰将泡壳温度保持在1300左右。A1. 控制标准的初步确定X5:一次压封时钼杆表面氧化层厚度能否获得良好的封接，应考虑玻璃对金属的润湿性。 玻璃对金属润湿性的好坏可以用润湿角的大小来表示。角小，表明两者之间润湿状态好，结合力强。玻璃不润湿纯净的金属表面，而易于润湿具有低价金属氧化物的金属表面。实验表明，玻璃对纯净钼的润湿角为146，对三氧化钼的润湿角为 120

18、，,对二氧化钼的润湿角为60 (润湿性较佳)。A1. 控制标准的初步确定X5:一次压封时钼杆表面氧化层厚度为了获得气密封接，还一定要在金属表面形成一定厚度的低价氧化物(与母体金属及玻璃的结合力强, 本身坚实致密) ，而不是高价金属氧化物( 粗糙多孔，与母体及玻璃的结合力弱,气密性差) 的过渡层。氧化层过薄,粘结过渡层就很薄， 封接强度低;氧化层过厚，易从母体脱裂、粘附力差，不易润湿，易漏气，影响气密性。对于硬质玻璃与钼杆的封接,在生产中可以采取对钼杆封接部位加热氧化的方式,通过封接界面处所呈现的颜色来判断合适的厚度与氧化物构成(通过控制氧化的温度和时间来实现)。封接部位金属钼导丝表面应呈灰棕或

19、棕褐色。若呈暗棕或黑棕色,则表示氧化过度，若呈灰色或灰蓝色,则表示氧化不足。准确来说，这层氧化膜的厚度应控制在1um左右A1. 控制标准的初步确定X5:一次压封时钼杆表面氧化层厚度我厂采用钼杆和硬质玻璃的“ 不氧化” 封接工艺， 封接时，不对钼杆进行专门氧化处理。 这也能达到较为理想的气密封接。因在封接时，对灯芯虽然有保护性气体，但由于有加热火的存在，在封接钼杆周围会形成浓度很低的氧化性气氛,在高温作用下,钼导丝表面仍会形成极薄的低价氧化物膜。 当然,“ 不氧化” 封接方式,其封接强度有所降低。但是，我厂使用保护气体为氮氢混合气，在保护灯丝不被氧化的同时，却由于氢气对氧化钼的强烈还原作用，破坏

20、钼杆表面的氧化层。在这种工艺下，控制钼杆表面的氧化层厚度更加困难。可能的改善方向：使用高纯氮作保护气体，在钨的氧化条化达到前（400），调整之前工位的氮气流量，尽可能驱离泡壳中的空气，灯丝氧化层留待排气机点氢处理。A1. 控制标准的初步确定X6:一次压封时钼杆温度 压封前玻璃与钼杆并不接触， 用强火加热软化玻璃时，同时加热了钼杆，由于玻璃达到软化熔点温度后，就不再提高温度， 而钼杆与夹头的表面温度， 随着强火的加热，会不断升高，烧熔的玻璃收缩， 而自动压封机火焰的位置是固定的，因而火焰有时会直接加热到引线， 使钼杆的温度可能超过玻璃的熔点温度。 在压封瞬间，钼杆直径与玻璃上形成孔的直径尺寸是相

21、同的。如果钼杆温度高于玻璃固化温度时，冷却后， 钼杆的收缩将大于玻璃的收缩， 此时钼杆与玻璃的润湿作用产生的结合力使钼杆受拉弹性变形， 玻璃和金属导丝间不留间隙，而钼杆的弹性变形力 ， 当弹性变形力大于结合力时， 钼杆与玻璃之间润湿作用消失， 钼杆回弹， 使钼杆与玻璃之间产生间隙， 灯芯漏气。 压封瞬间，应保证钼杆温度略低于玻璃固化温度时（对于GE180，即略低于735），冷却后，钼杆的收缩量小于玻璃的收缩量，钼杆将产生受压变形， 弹性变形力作用在玻璃上， 使钼杆和玻璃间紧密配合，不会产生间隙和慢漏气现象。但如钼杆温度过低，冷却过程中，钼杆产生压变形量过大，弹性变形力对玻璃产生很大的向外张力，

22、超过玻璃的强度，就会使封接处炸裂。A1. 控制标准的初步确定X6:一次压封时钼杆温度32位压封机使用两次压封来降低灯芯的慢漏气和消除压封应力。 一次压封后， 玻璃未冷却， 再用强火加热接封处， 使玻璃达到熔点温度，烧熔封接点的玻璃， 进行二次夹封。此时钼杆被玻璃包裹， 不易被强火直接加热， 另外钼杆与玻璃直接接触， 温度一旦升高， 因热容量较低，热量会很快传递给温度较低玻璃，使钼杆的温度接近玻璃的熔点温度，由此分析可知，钼杆与玻璃封接处冷却后可能产生慢漏机率就较低。24位压封机升温、退火工位较少，故从可靠性来看，32位排气机优于24位排气机。但如能保证压封瞬间钼杆温度达到要求，是否进行二次压封

23、并不是评判点。A1. 控制标准的初步确定X7:夹模夹紧力夹模合适的夹紧力和夹紧时间，能使融化后的玻璃与钼杆更好地接触。我厂排气机使用凸轮带动连杆，依靠连杆的重力实现夹模的进位和夹紧。由于机械摩擦力变化和缓冲器作用，夹模的夹紧力和夹紧时间可能产生变化，因此需要定期监控。X8:夹模夹紧时间A1. 控制标准的初步确定X9:泡壳的退火工艺玻璃的最高退火温度是指在此温度下经过3分钟能消除应力95%，一般相当于退火点的温度，也叫退火上限温度；最低退火温度是指在此温度下经3分钟只能消除应力5%，也叫退火下限温度。实际上，一般采用的退火温度都比最高退火温度低2030，低于最高退火温度50150是最低退火温度。

24、玻璃制品在生产过程中，经受激烈的温度变化时， 将产生热应力。这种热应力会降低制品的强度。高温成型或热加工的制品， 若不经过退火令其自然冷却，很可能在存放或运输过程中自行破裂，或者金属和玻璃密封部位出现漏气。玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。A1. 控制标准的初步确定X9:泡壳的退火工艺 （第一阶段 降温）GE180的退火点为785，其实际退火温度可设置在765 左右。压封时火焰处玻璃温度在1300 左右，压封后泡壳温度仍在退火点之上，所以泡壳退火工艺的第一阶段是降温而不是升温。降温速度可按压封前升温速度的一半来参考，甚至更低。对于壁厚0.08cm的GE180玻管，即127170

25、 /工位。假设压封后，泡壳温度为1100 ，则需要两到三个工位的降温，压封部位的玻璃温度才能降到退火点。A1. 控制标准的初步确定X9:泡壳的退火工艺 （第二阶段 保温）保温阶段的主要目的是消除快速加热时产生的温度梯度， 并消除制品中所固有的内应力。这一阶段的主要参数是退火温度和在此温度下的保温时间。GE180实际退火温度可设置在765 左右，确定保温时间前需要确定泡壳退火后允许存在的内应力 （允许永久应力的双折射值，nm/cm）.保温时间（分钟）=520（泡壳壁厚cm）2 对于壁管0.08cm的GE180玻璃，一个工位（5秒）保温可将内应力降至520 0.082 （5 60）=39.9nm/

26、cm。A1. 控制标准的初步确定X9:泡壳的退火工艺 （第三阶段 慢冷）在玻璃中原有应力消除后， 必须防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。这主要靠正确地判定并严格地控制玻璃在退火温度范围的冷却速度来实现。这个阶段的冷却速度应当很低，尤其在高温阶段。慢冷速度主要由制品所允许的永久应力决定。慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃的应变点（GE180的应变点为735）。即是说， 要把玻璃慢冷到玻璃的结构完全固定以后， 才不会有永久应力产生的可能。泡壳最初的慢冷速度按下式计算：慢冷速度( /min) =泡壳最后允许的应力 （泡壳壁厚cm）2 13根据慢冷速度、每工位加热时间、退火温度、慢冷结束温度可

27、确定需要多少工位完成慢冷阶段。 对于0.08cm壁厚的GE180玻管，每工位慢冷速度=39.9 0.082 13 （60 5）=39.9 /工位，需要一到两个工位完成慢冷阶段。A1. 控制标准的初步确定X9:泡壳的退火工艺 （第四阶段 快冷）快冷阶段是指从应变温度到室温这段温度区间。在此阶段只能引起暂时应力， 在保证不致因热应力而破坏的前提下， 可以尽快冷却泡壳。降温速度可按压封前升温速度的一半来参考。对于壁厚0.08cm的GE180玻管，即127170 /工位。GE180的应变点为735，假设室温为20，快冷结束温度可设置为147190 ，可计算得出需要四个工位完成快冷阶段。退火工艺确定后，每阶段的结束工位也会确定，在这些工位对泡壳温度进行监控，即可实现退火工艺的日常监控。A1. 控制标准的初步确定X10:泡壳退火后的残留应力理想的泡壳退火工艺应该能使压封部位玻璃内外层温度、钼杆温度同