趙雪霏 時(shí)景光 謝湘海

摘 要：產(chǎn)品質(zhì)量的好壞很大程度是由設(shè)計(jì)決定的，汽車生產(chǎn)四大工藝之一的焊接工藝，其焊接參數(shù)的設(shè)計(jì)對車身強(qiáng)度有較大影響。本文從焊接工藝參數(shù)選擇設(shè)計(jì)的角度，利用正交試驗(yàn)的方法，分析影響焊接強(qiáng)度的主要因素，從而選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)來提升產(chǎn)品工藝實(shí)現(xiàn)的能力。

關(guān)鍵詞：焊接參數(shù);正交試驗(yàn);方差分析;簡單效應(yīng)分析

中圖分類號：TB???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.19.069

0 引言

電阻焊是汽車制造中最主要的焊接方法，它是以電阻熱為能源的一種焊接方法。實(shí)際工作中，被焊接工件在一定電極壓力下，經(jīng)通電后，電流經(jīng)過工件接觸面積及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將工件加熱到熔化或塑性狀態(tài)，形成金屬結(jié)合。本文以電池框架中主梁焊接參數(shù)選擇的過程為例，利用正交試驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對抗拉剪性能的影響，從而優(yōu)化產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)，提升產(chǎn)品焊接強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)參數(shù)選擇及試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

點(diǎn)焊時(shí)，各焊接參數(shù)的影響是相互制約的。當(dāng)電極材料、端面形狀和尺寸選定后，焊接參數(shù)的選擇主要是考慮焊接電流、焊接時(shí)間、電極加壓力，這是影響焊接強(qiáng)度的三大要素。因此，我們選擇焊接電流、焊接時(shí)間、加壓力作為影響焊接強(qiáng)度的因子，以拉剪力作為試驗(yàn)結(jié)果的判斷依據(jù)，考慮這三個(gè)因子可能存在交互作用，設(shè)計(jì)了三因素三水平的27組正交試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)材料及試樣準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中，我們將電池框架上的焊點(diǎn)，以材質(zhì)、板厚、搭接層數(shù)作為分類依據(jù)，分別對不同類別的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，優(yōu)選焊接條件。這里以其中一種焊接組合為例予以說明。

組焊類型：材質(zhì)SAPH440的熱軋鋼板，板厚2.0mm，雙層板搭接。

將鋼板裁剪成150mm×40mm的試片，切口去毛刺并用酒精清潔試片表面，然后將兩塊試片沿長度方向搭接，形成40mm*40mm的正方形搭接區(qū)域，在該區(qū)域中心位置處進(jìn)行焊接，形成焊點(diǎn)，由此得到了拉力試樣。

2 考慮交互影響的試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)方案表頭設(shè)計(jì)如表1所示，表中：A代表電流，B代表通電時(shí)間，C代表加壓力，A*B，A*C，B*C分別代表電流與通電時(shí)間、電流與加壓力、通電時(shí)間與加壓力的交互作用（以上指代適用于本文所有內(nèi)容）。

2.1 方差分析

在試驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件的不同與試驗(yàn)中存在誤差，我們用總偏差平方和ST來描述數(shù)據(jù)的總波動。造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動的原因可能是影響因素所取水平的不同，可也能是試驗(yàn)中存在的誤差，也可能兩者都有。為了分析具體的影響因素以及相關(guān)參數(shù)的影響程度，對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

表3中方差分析相關(guān)計(jì)算公式如下：

總試驗(yàn)次數(shù)為n，ri為因素i的水平數(shù)，fi為因素i的自由度，fT為總自由度，fe為誤差項(xiàng)的自由度

fi=ri-1;fT=n-1;fe=fT-∑ni=1fi

y為試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果的總平均值，yi為試驗(yàn)指標(biāo)的結(jié)果，Ti為因素在i水平下的試驗(yàn)結(jié)果平均值，Si為因素i的偏差平方和，Se為誤差項(xiàng)的偏差平方和，ST為總的偏差平方和，Vi為均方和。

Si=nr∑ni-1（Ti-y）2

ST=∑ni=1（yi-y）2

Se=ST-Si

Vi=Si/fi

由上表結(jié)果可知，F(xiàn)0.05（2，8）=4.46，F(xiàn)A（2，8）=348.15，說明因子A（電流）的主效應(yīng)是統(tǒng)計(jì)顯著的，同理通電時(shí)間、電流和通電時(shí)間的交互作用也是統(tǒng)計(jì)上顯著，隨機(jī)誤差對試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

2.2 簡單效應(yīng)分析及交互作用圖

由上方差分析可知，電流和通電時(shí)間存在顯著的交互作用。在這種情況下，單獨(dú)分析電流和通電時(shí)間的主效應(yīng)意義不大，需要進(jìn)一步分析各因素的簡單效應(yīng)，即分析一個(gè)因素的不同水平在另一個(gè)因素某個(gè)水平上的效應(yīng)。

在SPSS系統(tǒng)中，進(jìn)行簡單效應(yīng)分析結(jié)果如表4。由表4可以看出，無論通電時(shí)間選擇哪個(gè)水平，電流在10300A，10700A和11000A三個(gè)水平上均呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著效應(yīng)，但是在通電時(shí)間為24周波的情況下，電流大于10700A后，拉力值增加顯著效應(yīng)有所減弱;電流在取10300A、10700A水平情況下，通電時(shí)間由20周波提升至24周波，拉力值才呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著效應(yīng)，在11000A下，通電時(shí)間由22周波變?yōu)?4周波后，拉力值呈現(xiàn)顯著效應(yīng)，且拉力值降低。這可以解釋為：無論通電時(shí)間選擇哪個(gè)水平（本文20周波、22周波、24周波），電流對拉力值的大小有顯著影響;而通電時(shí)間的影響低于電流影響。

下面的交互作用圖，可以更直觀地看到通電時(shí)間及電流的交互作用及其對拉力值的影響。

從圖1中可以直觀地看出，通電電流和通電時(shí)間增加，拉力值增加，且電流的變化對拉力值大小的影響大于通電時(shí)間的影響。當(dāng)通電時(shí)間在24周波的時(shí)，電流在10700A下的拉力值的增加幅度比在10300A時(shí)要小，而當(dāng)電流增加到11000A，拉力值較20周波和22周波時(shí)降低，說明在此條件下，因電流和通電時(shí)間都增加較大，產(chǎn)生的電阻熱過大，使金屬熔合部分出現(xiàn)了過燒，反而降低了拉力值，試驗(yàn)結(jié)果正印證了電流和通電時(shí)間存在對拉力值的影響的交互作用。反應(yīng)在實(shí)際焊接參數(shù)設(shè)定調(diào)整時(shí)，為了提升拉力值，調(diào)整電流比調(diào)整通電時(shí)間對拉力值的提升效果顯著，同時(shí)也不能無限增加電流或者通電時(shí)間，在某一個(gè)特定值下，增加電流或者通電時(shí)間反而使拉力值降低。

2.3 最優(yōu)焊接條件選擇

對于顯著因子，因其選擇不同的數(shù)值，會造成試驗(yàn)結(jié)果的顯著不同，我們選擇其最好的水平，對于顯著的交互作用——通電時(shí)間與電流交互作用，采取計(jì)算兩個(gè)因子不同水平的不同搭配下的拉力值均值，再比較得出哪種水平組合最佳，如表5所示。

從表5可知，因子A與B的搭配以A3B2最好，即焊接參數(shù)選擇電流11000A，通電時(shí)間22周波，對于不顯著因子加壓力，從降低成本、操作方便等角度考慮，選擇三個(gè)水平中的某一個(gè)即可，實(shí)際選擇3900N。

3 結(jié)語

本文以生產(chǎn)實(shí)際中焊接參數(shù)選擇的過程，采用正交試驗(yàn)方式，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識，闡述了方差分析和簡單效應(yīng)分析的過程，分析了焊接電流、通電時(shí)間、加壓力對焊接強(qiáng)度的影響，為實(shí)際工作中，焊接參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇提供了方向。

由方差分析可知，焊接電流和通電時(shí)間的交互作用對拉力值存在顯著效應(yīng)，其中電流對拉力值的影響最大，因交互作用的影響，實(shí)際新品開發(fā)焊接參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，不能單純通過增加電流來或者通電時(shí)間來獲得更高的焊接強(qiáng)度，要充分考慮電流和通電時(shí)間的交互作用，互為補(bǔ)充，當(dāng)選取大電流時(shí)，適當(dāng)降低通電時(shí)間，或者選取小電流長通電時(shí)間，來獲得更為滿意的焊接強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：趙雪霏（1972-），女，漢族，內(nèi)蒙古通遼人，本科，湖南元?jiǎng)?chuàng)機(jī)械有限公司工程師;時(shí)景光（1971-），男，漢族，河北平泉人，本科，雪花啤酒（嘉善）有限公司工程師;謝湘海（1974-），男，漢族，湖南醴陵人，專科，湖南元?jiǎng)?chuàng)機(jī)械有限公司工程師。