趙雪霏 時景光 謝湘海
摘 要:產(chǎn)品質量的好壞很大程度是由設計決定的,汽車生產(chǎn)四大工藝之一的焊接工藝,其焊接參數(shù)的設計對車身強度有較大影響。本文從焊接工藝參數(shù)選擇設計的角度,利用正交試驗的方法,分析影響焊接強度的主要因素,從而選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)來提升產(chǎn)品工藝實現(xiàn)的能力。
關鍵詞:焊接參數(shù);正交試驗;方差分析;簡單效應分析
中圖分類號:TB???? 文獻標識碼: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)生的電阻熱效應將工件加熱到熔化或塑性狀態(tài),形成金屬結合。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,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)品焊接強度。
1 試驗參數(shù)選擇及試驗準備
1.1 試驗參數(shù)選擇
點焊時,各焊接參數(shù)的影響是相互制約的。當電極材料、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、焊接時間、電極加壓力,這是影響焊接強度的三大要素。因此,我們選擇焊接電流、焊接時間、加壓力作為影響焊接強度的因子,以拉剪力作為試驗結果的判斷依據(jù),考慮這三個因子可能存在交互作用,設計了三因素三水平的27組正交試驗。
1.2 試驗材料及試樣準備
實驗中,我們將電池框架上的焊點,以材質、板厚、搭接層數(shù)作為分類依據(jù),分別對不同類別的焊點進行焊接試驗,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)域中心位置處進行焊接,形成焊點,由此得到了拉力試樣。
2 考慮交互影響的試驗方案及結果
試驗方案表頭設計如表1所示,表中:A代表電流,B代表通電時間,C代表加壓力,A*B,A*C,B*C分別代表電流與通電時間、電流與加壓力、通電時間與加壓力的交互作用(以上指代適用于本文所有內容)。
2.1 方差分析
在試驗過程中,由于實驗條件的不同與試驗中存在誤差,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參數(shù)的影響程度,對正交試驗結果進行方差分析。
表3中方差分析相關計算公式如下:
總試驗次數(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為誤差項的自由度
fi=ri-1;fT=n-1;fe=fT-∑ni=1fi
y為試驗指標結果的總平均值,yi為試驗指標的結果,Ti為因素在i水平下的試驗結果平均值,Si為因素i的偏差平方和,Se為誤差項的偏差平方和,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)的主效應是統(tǒng)計顯著的,同理通電時間、電流和通電時間的交互作用也是統(tǒng)計上顯著,隨機誤差對試驗結果影響不大。
2.2 簡單效應分析及交互作用圖
由上方差分析可知,電流和通電時間存在顯著的交互作用。在這種情況下,單獨分析電流和通電時間的主效應意義不大,需要進一步分析各因素的簡單效應,即分析一個因素的不同水平在另一個因素某個水平上的效應。
在SPSS系統(tǒng)中,進行簡單效應分析結果如表4。由表4可以看出,無論通電時間選擇哪個水平,電流在10300A,10700A和11000A三個水平上均呈現(xiàn)統(tǒng)計學上的顯著效應,但是在通電時間為24周波的情況下,電流大于10700A后,拉力值增加顯著效應有所減弱;電流在取10300A、10700A水平情況下,通電時間由20周波提升至24周波,拉力值才呈現(xiàn)統(tǒng)計學的顯著效應,在11000A下,通電時間由22周波變?yōu)?4周波后,拉力值呈現(xiàn)顯著效應,且拉力值降低。這可以解釋為:無論通電時間選擇哪個水平(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間的影響。當通電時間在24周波的時,電流在10700A下的拉力值的增加幅度比在10300A時要小,而當電流增加到11000A,拉力值較20周波和22周波時降低,說明在此條件下,因電流和通電時間都增加較大,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,試驗結果正印證了電流和通電時間存在對拉力值的影響的交互作用。反應在實際焊接參數(shù)設定調整時,為了提升拉力值,調整電流比調整通電時間對拉力值的提升效果顯著,同時也不能無限增加電流或者通電時間,在某一個特定值下,增加電流或者通電時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,會造成試驗結果的顯著不同,我們選擇其最好的水平,對于顯著的交互作用——通電時間與電流交互作用,采取計算兩個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,選擇三個水平中的某一個即可,實際選擇3900N。
3 結語
本文以生產(chǎn)實際中焊接參數(shù)選擇的過程,采用正交試驗方式,利用統(tǒng)計學相關知識,闡述了方差分析和簡單效應分析的過程,分析了焊接電流、通電時間、加壓力對焊接強度的影響,為實際工作中,焊接參數(shù)設計和選擇提供了方向。
由方差分析可知,焊接電流和通電時間的交互作用對拉力值存在顯著效應,其中電流對拉力值的影響最大,因交互作用的影響,實際新品開發(fā)焊接參數(shù)設計時,不能單純通過增加電流來或者通電時間來獲得更高的焊接強度,要充分考慮電流和通電時間的交互作用,互為補充,當選取大電流時,適當降低通電時間,或者選取小電流長通電時間,來獲得更為滿意的焊接強度。
參考文獻
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作者簡介:趙雪霏(1972-),女,漢族,內蒙古通遼人,本科,湖南元創(chuàng)機械有限公司工程師;時景光(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,??疲显獎?chuàng)機械有限公司工程師。