基于LMA算法的焊接參數(shù)與熔核直徑相關性分析

韓佩，邢立偉，邢曉芳，路浩

西安石油大學材料科學與工程學院 陜西西安 710065

1 序言

在車輛車體制造過程中，電阻點焊是重要的焊接技術之一，它具有生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)自動化以及經(jīng)濟性好等優(yōu)點[1]。車輛的質(zhì)量、結構性能、壽命、安全設計、強度、剛度和完整性不僅取決鋼板的力學性能，也取決于點焊的質(zhì)量。傳統(tǒng)的破壞性試驗存在一定的滯后性。為更好地促進點焊技術的發(fā)展，人們對點焊質(zhì)量監(jiān)測技術的研究方向己從傳統(tǒng)離線檢測轉(zhuǎn)到在線監(jiān)測，以此來監(jiān)測反饋點焊過程，實時調(diào)節(jié)焊接過程參數(shù)，保證焊點質(zhì)量的合格率[2]。因此，研究焊接參數(shù)對熔核直徑的影響具有重要意義。

本文主要通過調(diào)節(jié)焊接電流、焊接時間和電極壓力來研究焊接參數(shù)對熔核直徑的影響?；贚evernberg-Marquardt算法（LMA）對不同焊接參數(shù)與熔核直徑之間進行分析，探究焊點直徑和焊接參數(shù)的相關性。

2 點焊試驗

點焊的焊點強度很大程度上取決于熔核直徑[3]，因此本文將熔核尺寸作為焊點強度的一個間接反映指標。

本次試驗選用的焊機為中頻逆變點焊機，焊接設備為DM-100/200。試驗中所用的電極為端面直徑10mm的鋯銅球面電極。本次試驗所用材料均為板厚1.0mm厚的SUS301奧氏體不銹鋼。試樣尺寸按ISO 14273：2016《電阻焊-焊縫的破壞性檢驗》[4]制備，如圖1示。熔核直徑采用游標卡尺按圖2方法進行測量并取平均值，測量精度0.02mm。

圖1 試樣尺寸

圖2 焊點直徑的檢測

本文采用不同焊接電流、焊接時間和電極壓力對試樣進行了三組焊接試驗，每組參數(shù)焊接3個試件，測量結果取平均值。

第一組試樣，討論不同焊接電流對熔核直徑的影響，見表1。在焊接時間為140ms、電極壓力為7.5kN的條件下，焊接電流從15.5kA每隔0.5kA逐步增加直到19.5kA。

表1 第一組試樣焊接參數(shù)

第二組試樣，討論不同焊接時間對熔核直徑的影響，見表2。在焊接電流為18.5kA、電極壓力為7.5kN的條件下，焊接時間從60ms每隔20ms逐步增加直到180ms。

表2 第二組試樣焊接參數(shù)

第三組試樣，討論不同電極壓力對熔核直徑的影響，見表3。在焊接電流為18.5kA、焊接時間為140ms的條件下，電極壓力從6.5kN增加8.5kN。

表3 第三組焊接參數(shù)

3 試驗結果及分析

板厚1.0mm的奧氏體不銹鋼熔核直徑隨焊接電流變化曲線如圖3所示。從圖3可以看到，熔核直徑隨焊接電流的增加呈現(xiàn)三段不同趨勢。

圖3 焊接電流對熔核直徑影響

第一段：當焊接電流由15.5kA增加到17.5kA時，電阻點焊熔核直徑隨電流的增加快速增加，熔核直徑從12mm增加到15mm，分析認為這是由于母材內(nèi)部熱源發(fā)熱量急劇增大，熔核尺寸快速增大。

第二段：焊接電流從17.5kA增加到18.5kA時，熔核直徑從15mm緩慢增加到16mm，由于板間翹離限制了熔核直徑的增大和溫度場進入準穩(wěn)定狀態(tài)，熔核直徑緩慢增大，當熔核直徑增加到16mm時，熔核直徑最大。

第三段：當焊接電流從18.5kA增加到19.5kA時，熔核直徑減小，這主要是因為焊接電流過高導致加熱速度夠快，熔核周圍塑性環(huán)尚未形成，導致熔核的金屬液體在電極壓力的作用下被擠出焊接區(qū)，產(chǎn)生飛濺，熔核尺寸減小。因此，熔核尺寸對焊接電流的變化比較敏感。

焊接時間對電阻點焊熔核直徑的影響如圖4所示。從圖4可以看到，熔核直徑隨焊接電流的增加呈現(xiàn)兩段不同趨勢。

第一段：當焊接時間從60ms增加到140ms時，焊接區(qū)析出的熱量除少部分散失外逐漸積累，熔核直徑隨著焊接時間的增加而快速增加。

第二段：當焊接時間到達140ms時，由于焊接熱量的散失量和吸入量基本保持平衡，隨著焊接時間的增加，熔核直徑的增長并不明顯。但是，即使焊接時間繼續(xù)增加，圖4中的曲線也不會立即下降，這是因為盡管熔核尺寸達到飽和，但塑性環(huán)還有一定擴大，再加上焊接熱量加熱速率較為緩慢，因而一般不會產(chǎn)生飛濺，只會使焊件表面的壓痕加深。

圖4 焊接時間對熔核直徑的影響

電極壓力對電阻點焊熔核直徑尺寸的影響如圖5所示，可以看到熔核直徑隨電極壓力的增加呈現(xiàn)兩段不同趨勢。

圖5 電極壓力對熔核直徑的影響

第一段：當電極壓力從6.5kN增加到7.5kN時，熔核直徑隨著電極壓力的增加增到最大。

第二段：當電極壓力繼續(xù)增加時，由于焊件與電極之間的接觸面積增大，接觸電阻減小，焊接區(qū)產(chǎn)熱能力減弱，散熱能力增強，熔核直徑逐漸減小。因此，在增加電極壓力的同時應適當增加焊接電流，以此來獲得良好的熔核。

4 焊接參數(shù)與熔核直徑相關性分析

4.1 單一因素相關性分析

基于Levernberg-Marquardt算法（LMA）的非線性最小二乘法對試驗結果進行處理[5]。最小二乘法是利用最小化誤差的平方和來搜索數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配的數(shù)學方法，通過最小二乘法能夠快速地計算出一些未知的數(shù)據(jù)，并可以使計算出的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小[6]。偏差情況用R2表示，R2越接近于1，說明擬合程度越好。

由前述分析可知，焊接電流、焊接時間和電極壓力直接影響熔核直徑的大小。根據(jù)試驗結果將焊接電流、焊接時間和電極壓力與熔核直徑分別進行相關性分析。焊接電流和熔核直徑的關系如圖6所示，從圖中可看出，焊接電流對熔核直徑有較好的相關性，并且呈線性相關性，相關系數(shù)R2=0.9799。

圖6 焊接電流與熔核直徑相關性

焊接時間和熔核直徑的關系如圖7所示，從圖中可看出，焊接時間對熔核直徑有較好的相關性，呈線性相關，相關系數(shù)R2=0.9448。

圖7 焊接時間與熔核直徑相關性

電極壓力和熔核直徑的關系如圖8所示，從圖中可看出，電極壓力和熔核直徑成非線性相關，相關系數(shù)R2=0.9778。

圖8 電極壓力與熔核直徑相關性

結合上述分析，焊接電流對熔核直徑的影響最大，電極壓力次之，焊接時間影響最小。分析認為熔核的形成主要依靠焊接產(chǎn)生的熱量，焊接電流直接影響焊接熱量，而電極壓力影響焊件與電極之間的接觸面積，焊件與焊件之間的接觸面積，進而影響焊件與焊件之間的接觸電阻，而接觸電阻的大小又影響焊接熱量的大小。由于電極壓力和焊接電流都影響接觸電阻，因此在調(diào)節(jié)電極壓力的同時需要適當?shù)恼{(diào)節(jié)焊接電流。

4.2 多參數(shù)與熔核直徑分析

對上述數(shù)據(jù)進行分析處理，在多因素條件下考察單一焊接參數(shù)對熔核直徑的變化影響。

焊接電流、電極壓力多因素作用下的熔核直徑的變化如圖9所示。從圖9可看出，熔核直徑隨電極壓力的增加緩慢，如AB曲線所示，熔核直徑隨焊接電流的增加較為迅速，如BC曲線所示。

圖9 焊接電流、壓力作用下熔核直徑變化

在實際生產(chǎn)中，應優(yōu)先調(diào)節(jié)電極壓力至合適范圍或合適值，然后再調(diào)節(jié)焊接電流，才能更有效地增加焊核直徑，提高接頭質(zhì)量。

5 結束語

1）采用DM-100/200點焊機焊接1.0mm厚奧氏體不銹鋼SUS301，焊接電流閾值為15.5kA，焊接時間閾值為60ms，電極壓力閾值為6.5kN。

2）熔核直徑隨焊接電流的增加而增加，當超過18.5kA，熔核尺寸減小。當焊接時間從60ms增加到140ms時，熔核直徑隨著焊接時間的增加而快速增加，而當焊接時間到達140ms時，熔核直徑的增長不明顯，且不產(chǎn)生飛濺，只會使焊件表面的壓痕加深。當電極壓力從6.5kN增加到7.5kN時，熔核直徑隨著電壓的增加而增到最大。電極壓力繼續(xù)增加時，熔核直徑減小。

3）焊接電流對熔核直徑有較好的相關性，并且呈線性相關性，相關系數(shù)R2=0.9799。焊接時間對熔核直徑有較好的相關性，成線性相關，相關系數(shù)R2=0.9448。電極壓力和熔核直徑呈非線性相關，相關系數(shù)R2=0.9778。焊接電流對熔核直徑的影響最大，電極壓力次之，焊接時間影響最小。

4）在實際生產(chǎn)中，應優(yōu)先調(diào)節(jié)電極壓力至合適范圍或合適值，然后再調(diào)節(jié)焊接電流，才能更有效地增加焊核直徑，提高焊接接頭質(zhì)量。