基于DOE的激光焊接工藝優(yōu)化研究

摘 ?要：激光焊接工藝已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造產(chǎn)業(yè)，成為汽車制造業(yè)的突出成就之一。在汽車電子生產(chǎn)過程中，激光焊接工藝逐漸運(yùn)用于汽車電子傳感器的密封之中。在汽車電子傳感器生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)焊接完成后成品焊接強(qiáng)度不穩(wěn)定，無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。經(jīng)分析研究，焊接強(qiáng)度主要由焊接功率、焊接壓力、焊接速度和冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)決定。本文采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（Design of Experiment，DOE），以焊接強(qiáng)度高和焊接時(shí)間短為試驗(yàn)的主要指標(biāo)，選取以焊接功率、焊接壓力、焊接速度和冷卻時(shí)間作為影響因子，運(yùn)用L9正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，通過現(xiàn)場激光焊接機(jī)對9組試驗(yàn)方案進(jìn)行樣品制作，并對焊接強(qiáng)度與焊接時(shí)間進(jìn)行分析，獲得最佳的焊接工藝參數(shù)為焊接功率為150W、焊接壓力為1500N、焊接速度為210mm/s、冷卻時(shí)間為1s。將最優(yōu)參數(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)中，結(jié)果顯示采用DOE方法對激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了汽車電子雷達(dá)傳感器的焊接強(qiáng)度，同時(shí)也減少了焊接時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：汽車電子傳感器;焊接強(qiáng)度;焊接時(shí)間;DOE;正交試驗(yàn)

中圖分類號：TG44;TG456.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0165-03

Abstract：Laser welding technology has appeared in the automobile manufacturing industry on a large scale，and has become one of the outstanding achievements of the automobile manufacturing industry. In the process of automotive electronic production，laser welding technology is gradually applied to the sealing of automotive electronic sensors. In the process of automotive electronic sensor production，it is found that the welding strength of finished products after welding is unstable and can not meet the product quality requirements. Through analysis and research，the welding strength is mainly determined by welding power，welding pressure，welding speed，cooling time and other process parameters. In this paper，the design of experiment（DOE） method is used to design the acting scheme，taking the high welding strength and short welding time as the main indicators，selecting the welding power，welding pressure，welding speed and cooling time as the influencing factors，using L9 orthogonal test method to design the acting scheme，making nine groups of test schemes by on-site laser welding machine，and strengthening the welding. The analysis of degree and welding time shows that the optimum welding parameters are welding power 150W，welding pressure 1500N，welding speed 210mm/s and cooling time 1s. The optimal parameters are applied to production. The results show that the DOE method is used to optimize the laser welding parameters，which improves the welding strength of automotive electronic radar sensor，reduces the welding time and improves the production efficiency.

Keywords：automobile electronic sensor;welding strength;welding time;DOE;orthogonal test

0 ?引 ?言

隨著激光焊接在汽車電子傳感器組裝生產(chǎn)中的廣泛使用，焊接強(qiáng)度會直接影響汽車電子傳感器的質(zhì)量，因此焊接強(qiáng)度低是生產(chǎn)過程中需要重點(diǎn)解決的問題。影響焊接強(qiáng)度不良的因素有很多，包括焊接功率、焊接壓力、焊接速度和冷卻時(shí)間等。選擇合理的焊接工藝參數(shù)是提高焊接質(zhì)量的主要方法之一。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于需要考慮產(chǎn)品生產(chǎn)成本，以及產(chǎn)品生產(chǎn)周期，未有大量生產(chǎn)成本與時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，因此在生產(chǎn)過程中，合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)是減少激光焊接工藝優(yōu)化時(shí)間的重要途徑。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（Design of Experiment，DOE）是一種科學(xué)的研究方法，通過正交表設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列試驗(yàn)，用來分析研究多因素之間的相互作用，從而確定各種影響因素下的最佳方案[1]。目前，航天、醫(yī)學(xué)、汽車電子已逐漸將該方法運(yùn)用到多目標(biāo)優(yōu)化中，因此DOE方法成功被引進(jìn)到工廠激光焊接工藝優(yōu)化中，以提高焊接強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期[2]。

本文運(yùn)用DOE正交試驗(yàn)法，將汽車?yán)走_(dá)電子傳感器作為研究對象，研究不同的激光焊接參數(shù)對焊接強(qiáng)度和焊接時(shí)間的影響，從而獲得最佳的焊接工藝參數(shù)。

1 ?激光焊接工藝分析

激光焊接是一種高效精密的焊接方法，它具有激光束熱源能量高的特點(diǎn)。汽車電子傳感器焊接利用不同材料間的透光率和吸熱率不同，通過激光透射過汽車電子傳感器蓋子照射到外殼上，激光輻射加熱外殼表面，表面熱量向內(nèi)部擴(kuò)散，使外殼吸熱熔化，同時(shí)在焊接過程中施加一定的壓力，將蓋子與外殼緊密結(jié)合在一起，以達(dá)到對其密封的效果。

2 ?DOE試驗(yàn)方案的確定

2.1 ?試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求與生產(chǎn)效率要求確定DOE試驗(yàn)的指標(biāo)有兩個(gè)：一是焊接強(qiáng)度高，二是焊接時(shí)間短。

2.2 ?試驗(yàn)因子

根據(jù)影響焊接強(qiáng)度和焊接時(shí)間的因素來確定試驗(yàn)因子。本文選取焊接功率A、焊接壓力B、焊接速度C和冷卻時(shí)間D作為試驗(yàn)因子，且每種因子具有3水平，DOE試驗(yàn)因子水平表如表1所示。

2.3 ?DOE正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)的過程中，運(yùn)用DOE正交試驗(yàn)法可以減少試驗(yàn)次數(shù)。綜合考慮本試驗(yàn)中試驗(yàn)因子數(shù)和水平數(shù)，選用L9正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)條件如表2所示，因素1為焊接功率，因素2為焊接壓力，因素3為焊接速度，因素4為冷卻時(shí)間，水平1、2和3代表不同因素的參數(shù)。

3 ?DOE模擬結(jié)果的討論及分析

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，預(yù)先確定兩個(gè)汽車電子傳感器焊接工藝DOE試驗(yàn)指標(biāo)，通過在激光焊接機(jī)臺設(shè)定不同的參數(shù)，生產(chǎn)產(chǎn)品，對產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同參數(shù)下的焊接強(qiáng)度與焊接時(shí)間。DOE正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，各組DOE正交試驗(yàn)方案的兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)分析結(jié)果，其中Y1為焊接強(qiáng)度，Y2為焊接時(shí)間。

由表3中9組正交試驗(yàn)結(jié)果可以得出：隨著焊接功率的增加，焊接強(qiáng)度降低。研究四種試驗(yàn)因子對焊接強(qiáng)度及焊接時(shí)間的影響，在分析過程中采用直觀分析法，運(yùn)用極差來研究各工藝參數(shù)對這兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。極差是指該因子各水平均值的最大值與最小值的差，該值大，則改變這一因子的水平會對試驗(yàn)指標(biāo)造成較大的影響，反之影響較小[3]。以焊接功率對焊接強(qiáng)度影響來舉例說明。

各試驗(yàn)因子對激光焊接質(zhì)量的影響趨勢如圖1所示，圖1（a）為各因子取不同水平對激光焊接強(qiáng)度的影響及變化趨勢，可以看出焊接功率對焊接強(qiáng)度的影響最大，其次是焊接壓力和焊接速度，而冷卻時(shí)間的影響最小。同理，由圖1（b）可以看出各因子不同水平對焊接時(shí)間的影響，焊接功率對焊接時(shí)間的影響最大，另外3個(gè)因子影響較小。

分析各因子對焊接強(qiáng)度和焊接時(shí)間的影響大小，DOE試驗(yàn)分析匯總表如表5所示。其中A、B、C、D分別代表4種試驗(yàn)因子，1、2、3分別代表各試驗(yàn)因子的3種水平。例如：A1表示激光功率這一因子的第1個(gè)水平，C2表示焊接速度這一因子的第2水平。

焊接強(qiáng)度直接影響汽車電子傳感器的質(zhì)量，增加產(chǎn)品報(bào)廢，所以分析中要求把焊接強(qiáng)度作為第一指標(biāo)，與此同時(shí)盡可能減少焊接時(shí)間。從表5可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）作為第一試驗(yàn)指標(biāo)的最大影響因子A，應(yīng)選取對焊接強(qiáng)度影響大的因子A1，而能夠減少焊接時(shí)間的A3應(yīng)優(yōu)先服從于A1的選取;

（2）因子B選取B2時(shí)既能增加焊接強(qiáng)度，同時(shí)又能減少焊接時(shí)間;

（3）因子C，C2對于焊接時(shí)間和強(qiáng)度都有好的影響，因此選擇C2;

（4）因子D，D3或D2會使2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)相互沖突，因此選取對兩個(gè)指標(biāo)均有利的因子D1。

因此，汽車電子傳感器激光焊接的最佳工藝參數(shù)方案為：A1B2C2D1。

4 ?生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)DOE正交試驗(yàn)分析得到的激光焊接最佳工藝參數(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)過程中，試驗(yàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表6所示，焊接強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了電子傳感器的質(zhì)量要求。

5 ?結(jié) ?論

（1）基于DOE正交試驗(yàn)，優(yōu)化激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，得到最優(yōu)工藝參數(shù)，其最佳方案為A1B2C2D1，即焊接功率為150W、焊接壓力為1500N、焊接速度為210mm/s，冷卻時(shí)間為1s。

（2）根據(jù)DOE正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，并對其成品進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，從而確定焊接強(qiáng)度得到提高，達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量要求。

（3）在生產(chǎn)工藝優(yōu)化過程中，合理運(yùn)用DOE正交試驗(yàn)方法，不僅可以縮短優(yōu)化周期，還可以減少樣品試驗(yàn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 向青春，張偉，邱克強(qiáng)，等.基于DOE的大型下架體鑄鋼件鑄造工藝優(yōu)化研究 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（6）：88-93.

[2] 溫術(shù)來，程荊衛(wèi)，李紅，等.十六烷基三甲基溴化銨對液相還原法制備鈷顆粒形貌與磁性能的影響 [J].材料工程，2014（8）：21-26.

[3] 張偉.特大型旋回破碎機(jī)中架體和下架體的鑄造工藝優(yōu)化 [D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

作者簡介：郭正松（1989.11-），男，漢族，江蘇寶應(yīng)人，助理工程師，碩士，研究方向：電子工藝。