正交試驗(yàn)方法在繼電器點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

正交試驗(yàn)設(shè)計是一種利用“正交表”科學(xué)地安排與分析多因素、多指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法。其主要優(yōu)點(diǎn)是能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個試驗(yàn)方案，并且通過這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案。它比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法更科學(xué)，可以優(yōu)選出較好的工藝條件, 節(jié)省總的試驗(yàn)時間, 找出主要因素的影響，在某些情況下還可減少試驗(yàn)次數(shù), 在新產(chǎn)品點(diǎn)焊工藝參數(shù)的制定及老產(chǎn)品點(diǎn)焊工藝參數(shù)的優(yōu)化過程中被廣泛運(yùn)用。

整件作為繼電器的核心部件，它由電磁系統(tǒng)和觸簧系統(tǒng)兩部分通過電磁系統(tǒng)的側(cè)板(支架)與觸簧系統(tǒng)的底座組點(diǎn)焊連接而成。底座組的底板與引出桿采用玻璃燒結(jié)成型，在整件點(diǎn)焊過程中，在控制側(cè)板(支架)與底座組的焊接質(zhì)量的同時，還需嚴(yán)格控制焊接熱量的輸入，才能避免因焊接熱對底座組玻璃絕緣子產(chǎn)生影響而導(dǎo)致繼電器的密封性能下降。因此，為提高繼電器整件的焊接質(zhì)量及產(chǎn)品的密封性能，有必要對整件點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

我廠6JR-3型繼電器在裝配過程中常出現(xiàn)因玻璃絕緣子漏氣而導(dǎo)致的產(chǎn)品失效問題，分析原因主要與整件點(diǎn)焊過程有關(guān)。為解決該問題，本文在Minitab軟件中運(yùn)用了正交試驗(yàn)設(shè)計的極差分析和方差分析方法對整件點(diǎn)焊過程中所用的電極壓力、焊接能量和焊接時間3個主要工藝參數(shù)進(jìn)行研究，以期能得出適用于該型號整件點(diǎn)焊的最佳工藝參數(shù)。

2 工藝試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)過程所用的材料主要包括兩方面，即焊件材料和電極材料。

2.1.1 焊件材料

6JR-3型繼電器的整件由觸簧系統(tǒng)的底板與電磁系統(tǒng)的支架之間通過點(diǎn)焊連接，整件點(diǎn)焊實(shí)為底板與支架的點(diǎn)焊，其中底板材料為可伐合金(4J29)，表面涂覆鎳層；支架材料為鋅白銅(BZn15-20)，厚度0.6mm，表面鍍銀。其中可伐合金材料的電阻率為0.48μΩ·m，鋅白銅材料的電阻率為0.28μΩ·m，兩者電阻率差異較大，因此采用在底板點(diǎn)焊部位增加凸筋后形成凸焊結(jié)構(gòu)以提高兩者配對點(diǎn)焊的焊接性能。

2.1.2 電極材料

電極是焊接電路的重要組成部分，其主要作用一方面是在點(diǎn)焊過程中向焊件提供電流的同時壓緊焊件，另一方面還可帶走部分熱量對焊件散熱以保持加熱過程中的熱平衡。用于制作電極的材料首先應(yīng)具有較高的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性。目前繼電器的零組件點(diǎn)焊常用的電極材料有鉻鋯銅(CrZrCu)、鎢銅合金(W80Cu)等，綜合電極材料的性價比進(jìn)行選擇，文中選用鉻鋯銅作為整件點(diǎn)焊的電極材料，其上電極結(jié)構(gòu)如圖1所示，下電極采用平板結(jié)構(gòu)。

圖1 點(diǎn)焊上電極結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

電容儲能放電點(diǎn)焊是將單相或多相整流器的交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，并逐步對電容充電，點(diǎn)焊時焊接變壓器在短期內(nèi)釋放能量的一種焊接方法，其焊接電流上升速度很快，峰值電流較大，形核時間短，基本不會造成焊接壓痕，并且變形小。根據(jù)整件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工廠的設(shè)備配置情況，本文選用875DPS電容儲能焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，該設(shè)備的主要性能參數(shù)為：電極壓力范圍(40～400)N，具有長、中、短3種脈沖寬度可供選擇，能量范圍10Ws～875Ws(等同于J)，調(diào)節(jié)精度1Ws；該設(shè)備配置的腳踩式電極頭在點(diǎn)焊過程中對工件基本無沖擊作用，焊接電源的放電時間短，對底座組的玻璃絕緣子密封性影響較小。

2.3 試驗(yàn)方法

為節(jié)約試驗(yàn)成本，文中直接取底座組與支架安裝成圖2所示的結(jié)構(gòu)后進(jìn)行點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，在支架與底座組的4處結(jié)合部位各焊接1個焊點(diǎn)。點(diǎn)焊時支架與上電極接觸，底座組與下電極接觸，點(diǎn)焊完同側(cè)的2個焊點(diǎn)后，將工件翻轉(zhuǎn)180°繼續(xù)點(diǎn)焊另一側(cè)的2個焊點(diǎn)。焊件點(diǎn)焊完成后，將其套入繼電器外殼進(jìn)行密封，并對產(chǎn)品進(jìn)行密封性檢測。

圖2 整件點(diǎn)焊模型

2.4 焊件質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

由于該型號底座組的玻璃絕緣子離點(diǎn)焊處較近，點(diǎn)焊熱量對玻璃絕緣子會存在一定沖擊。因此，整件的點(diǎn)焊工藝參數(shù)大小除了影響接頭自身的連接強(qiáng)度外，還影響繼電器產(chǎn)品的密封性。整件的接頭強(qiáng)度按工藝文件規(guī)定在測力機(jī)上測量其正拉力應(yīng)≥100N，產(chǎn)品的密封性按技術(shù)條件要求用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測其泄漏率指標(biāo)應(yīng)≤1×10-8Pa·m3/s。

3 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計

針對整件點(diǎn)焊過程中的電極壓力F、焊接時間T、焊接能量Q分別選取3個水平進(jìn)行點(diǎn)焊工藝的正交試驗(yàn)，因此可選擇3因素3水平的L9(33)正交表。根據(jù)理論分析及類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的整件采用的點(diǎn)焊工藝參數(shù)，選擇的工藝參數(shù)因素水平如表1所示。

表1 工藝參數(shù)因素水平

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

運(yùn)用Minitab統(tǒng)計軟件中的田口設(shè)計(Taguchi design)模塊進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計，可直觀、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)表1的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，然后以接頭的抗拉強(qiáng)度和整件封殼后的繼電器密封性作為評價指標(biāo)，分別采用極差分析和方差分析方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2.1 極差分析

極差分析法是通過計算正交表中各列的極差值R，以確定各因素的主次關(guān)系對指標(biāo)的影響程度，從而得到最優(yōu)水平組合。

為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少測量誤差的影響，對每一組水平進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)(即每個試驗(yàn)號點(diǎn)焊10個樣件)，并以重復(fù)試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在Minitab軟件的“田口設(shè)計”菜單下選擇“3”水平設(shè)計、“3”因子數(shù)，生成正交表后對各因子的水平值進(jìn)行修改，并將每個試樣號的10個樣件的抗拉強(qiáng)度及泄漏率的平均值填入相應(yīng)的表格，最終得出的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：括號內(nèi)為范圍值，括號前為均值。

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)入Minitab中的【統(tǒng)計】菜單后，依次點(diǎn)擊【DOE】、【田口】、【分析田口設(shè)計】，在彈出的窗口中分別選擇“抗拉強(qiáng)度”和“泄漏率”所在的列作為響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析。最終得出的結(jié)果如表3、表4和圖3、圖4所示。

表3 抗拉強(qiáng)度的均值響應(yīng)表

表4 泄漏率的均值響應(yīng)表

從表3、表4中可以看出，影響抗拉強(qiáng)度和泄漏率指標(biāo)的各因素的主次順序都是：焊接能量Q>焊接時間T>電極壓力F。對于抗拉強(qiáng)度考核指標(biāo)而言，期望其越大越好；而對于泄漏率指標(biāo)而言，期望其越小越好。從圖3中可知，抗拉強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的因素水平為F2T3Q3；而由圖4中可知，泄漏率指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的因素水平為F1T3Q1。由于兩指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的因素水平不完全一致，需要進(jìn)行深入分析后確定。當(dāng)電極壓力取值為F1(100N時，從表2中的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)最小值為92N，不滿足工藝規(guī)定的>100N(不合格)，因此應(yīng)取F2(120N)。當(dāng)焊接能量值取Q1(180J)時，表2中的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)最小值為92N，不滿足工藝規(guī)定的>100N(不合格)；當(dāng)焊接能量值取Q3(220J)時，表2中的泄漏率數(shù)據(jù)1.07×10-8Pa·m3/s不滿足工藝規(guī)定≤1×10-8Pa·m3/s的要求，因此應(yīng)取Q2(200J)。

圖3 抗拉強(qiáng)度各因素的主效應(yīng)圖

圖4 泄漏率各因素的主效應(yīng)圖

通過以上分析，得出的點(diǎn)焊工藝參數(shù)最優(yōu)方案為F2T3Q2，即電極壓力F=120N，焊接時間T=長檔，焊接能量Q=200J。

3.2.2 方差分析

極差分析法計算量小，分析過程簡單直觀，但不區(qū)分試驗(yàn)條件波動引起的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)誤差的變化，無法精確估計各因素對指標(biāo)的影響程度。而在方差分析中，可以通過F檢驗(yàn)判定因素作用是否顯著。由于本試驗(yàn)中有接頭抗拉強(qiáng)度和產(chǎn)品泄漏率兩項(xiàng)考核指標(biāo)，因此需要對兩項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行分析。

進(jìn)入Minitab的【統(tǒng)計】菜單，依次點(diǎn)擊【方差分析】、【一般線性模型】、【擬合一般線性模型】后，將“抗拉強(qiáng)度”添加到“響應(yīng)”欄，“電極壓力”、“焊接時間”、“焊接能量”添加到“因子”欄，點(diǎn)擊“確定”進(jìn)行分析，用同樣的操作方法進(jìn)行泄漏率指標(biāo)的分析，相關(guān)分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 方差分析數(shù)據(jù)

由表5可知，從泄漏指標(biāo)來看，焊接能量的F值為16.92，與顯著性指標(biāo)α取0.1時的F值進(jìn)行比較，F(xiàn)>F0.1(2,2)=9，因此，焊接能量對泄漏率的影響顯著，電極壓力和焊接時間的影響不顯著，主次順序?yàn)楹附幽芰縌>焊接時間T>電極壓力F；從抗拉強(qiáng)度這個考核指標(biāo)來看，電極壓力、焊接時間和焊接能量三個因素對指標(biāo)的影響都不顯著，主次順序?yàn)楹附幽芰縌>焊接時間T>電極壓力F。分析結(jié)論與極差分析的相同。

3.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)統(tǒng)計，整件點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化后，所裝配的產(chǎn)品因玻璃絕緣子漏氣問題導(dǎo)致的淘汰數(shù)量大幅下降，從原來的3.7%下降至0.1%，具體數(shù)據(jù)詳見表6。

表6 批產(chǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計方法對電磁繼電器的整件點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了點(diǎn)焊工藝參數(shù)中各影響因素的主次順序?yàn)楹附幽芰縌>焊接時間T>電極壓力F，得出的最優(yōu)參數(shù)組合為：電極壓力F=120N，焊接時間T=長檔，焊接能量Q=200J。

(2)經(jīng)過批產(chǎn)驗(yàn)證，使用優(yōu)化后的點(diǎn)焊工藝參數(shù)點(diǎn)焊的繼電器因絕緣子漏氣淘汰比例從原來的3.7%下降至0.1%。