基于正交試驗的鍍鋅板帶銅板點焊焊接工藝參數選擇及優(yōu)化

關鍵詞：正交試驗；鍍鋅板；銅板；電阻點焊；工藝參數

0 前言

經過幾十年的發(fā)展，現代汽車工業(yè)已經高度成熟，整車制造的沖壓、焊裝、涂裝和總裝各工藝段的工藝和生產設備也基本成熟穩(wěn)定。例如，車身焊裝過程主要使用電阻點焊、二氧化碳氣體保護焊和激光釬焊等工藝。其中，電阻點焊又是最主要的。整個白車身有5 000 ～ 6 000 個電阻點焊焊點，占車身總焊點數的95% 以上。

現在的汽車車身對整車耐腐蝕性的要求越來越高，整車（特別是外覆蓋件區(qū)域）鍍鋅板的使用越來越多。另外，整車外覆蓋件區(qū)域，因為感知質量的需要，對外露焊點的表面要求比較高，而增加焊接銅墊板可以有效而且簡單地提升焊點外觀質量。但是增加焊接銅板后，需要優(yōu)化原有的點焊焊接參數，保證焊接強度和焊點外觀質量。本文就是基于某車型車門區(qū)域鍍鋅板加銅板的點焊工藝過程，嘗試通過正交試驗的方法，找出最優(yōu)的點焊焊接工藝參數，滿足高品質車身的制造要求。

2 存在的問題

2.1 鍍鋅板電阻點焊的焊接參數

本試驗選取的某車型車門區(qū)域是鍍鋅板加普通板搭接狀態(tài)，采用手工電阻點焊工藝。一般電阻點焊主要工藝參數有焊接電流、焊接時間和焊接壓力。鍍鋅板電阻點焊因為鍍層金屬的影響，和普通板相比需要增加預熱脈沖[1]。所以，鍍鋅板電阻點焊的工藝參數在焊接電流、焊接時間和焊接壓力的基礎上，增加了預熱電流和預熱時間，所以參數優(yōu)化涉及的因子數就比較多，有5 個。

2.2 焊點增加銅板的效果

車門部分區(qū)域的焊點布置在整車高可見區(qū)域，客戶在日常用車過程中對此區(qū)域的外觀質量比較敏感，對此區(qū)域焊點的外觀要求也比較高。但是手工點焊工藝的局限性，滿足不了相關的質量要求，更改為機器人焊接的投入成本又比較大，增加銅墊板是一個經濟有效提升焊點外觀感知質量的方法。

2.3 增加焊接銅板后產生的問題

電阻點焊焊點在鍍鋅板一面增加銅墊板主要會產生以下問題。

（1）銅的導電性比鋼材好，增加銅墊板會產生分流，降低電流密度。

（2）鍍鋅層融化會和銅板產生粘連，影響銅板散熱和銅板導電性。

在實際生產過程中，增加銅板后，直接沿用原有不加銅板的焊接工藝參數，會出現頻次比較高的虛焊問題。而通過簡單的增加焊接電流或者延長焊接時間，并不能減少虛焊出現的頻次。所以需要通過試驗的方法，分析各因子的影響，找到最優(yōu)化的焊接參數。經過對比分析，本研究決定采用正交試驗的方法來確定增加銅板后的焊接工藝參數。

3 正交試驗設計

3.1 正交試驗設計

正交試驗設計是一種研究多因子，每個因子又有多個水平試驗設計的方法。它主要根據正交性從全因子試驗中挑選出一部分最有代表性的點來進行試驗。這些最有代表性的點具備均勻分散、整齊可比的特點[2]。正交試驗設計是一種高效率、低成本而且非常有效的試驗設計方法，它是基于現成的正交表來設計的，具有簡單易學易用的特點。

3.2 正交試驗方法設計的優(yōu)勢

通過正交試驗的方法可以明顯減少試驗次數，降低試驗成本。對于鍍鋅板加銅板的電阻點焊焊接參數優(yōu)化的試驗來說，主要工藝參數5 個，這就意味著有5 個因子，如果采用傳統(tǒng)的試驗方法，即使每個因子取2 水平，那么試驗次數就是25，即32 次。不過按照實際經驗要求，每個因子取4 水平比較合適，那就是5 因子、4 水平試驗，那么試驗次數就是45，就是需要1 024 次試驗。

如果采用正交試驗設計的方法，在不考慮交互作用的情況下，選擇L16（45）正交表，只需要16 次試驗。這樣一來，試驗次數大大減少，試驗成本和時間周期也會有明顯改善。

4 試驗前準備

4.1 試片準備

本次試驗選定某車型左前側門門鎖加強區(qū)域的焊點作為試驗對象。選定焊點的搭接狀態(tài)為：0.7 mm 熱鍍鋅板加1.0 mm 普通冷軋板，在熱鍍鋅板一面，增加厚度5.0 mm 鉻鋯銅銅板。熱鍍鋅板牌號為DC56D+Z 50/50-M-FC-O，普通冷軋板牌號是BLCFB-D，板材供應商都是上海寶山鋼鐵股份有限公司，板材相關參數均可在供應商官網查詢。本試驗板材搭接狀態(tài)如圖1 所示，鍍鋅板在上，普通板在下，鍍鋅板外側作為外露區(qū)域增加了銅墊。

選擇鍍鋅板和普通板各一部分，通過剪床將2 塊板材切割成60.0 mm×200.0 mm 的長方形作為焊接試片。同時，準備和生產現場使用規(guī)格一致的5.0 mm 厚鉻鋯銅銅板一塊。

4.2 焊點質量評價標準

電阻點焊焊點質量通過破壞性檢查測量的融核直徑評價?，F場操作人員通過破壞性方法撕裂試片，產生焊接紐扣，通過測量紐扣直徑大小來評價焊點質量[3]。焊點融核直徑的測量和評價方法如圖2 所示，可以取垂直方向融核直徑D 與水平方向融核直徑d 的平均值，即：

4.3 設備和操作人員準備

（1）生產設備：本次試驗使用在各汽車公司廣泛采用的某供應商手工電阻點焊焊機和焊槍設備。焊機輸出工頻為50 Hz，使用彌散氧化銅電極帽，初始的電極直徑是6.0 mm。所有設備和正式生產設備一致。

（2）操作人員：選定現場熟練操作工1 名，整個試驗過程中，不更換操作人員。

（3）測量工具：準備游標卡尺一把，用來進行電極端面直徑和焊點融核直徑測量。

（4）修磨工具：準備手工銼刀一把，用來進行電極帽修磨。

5 試驗實施過程

5.1 焊接工藝參數的選擇

試驗前首先要確定正交試驗的因子數和因子水平。按照前文的分析，鍍鋅板加銅板的電阻點焊焊接工藝參數包括：預熱時間、預熱電流、焊接時間、焊接電流和焊接壓力。確定焊接工藝參數以后，根據相關的技術文件和實際生產經驗，以及搭接板材的材料厚度，確定了5 個主要工藝參數的取值。這樣開展試驗的因子數和各因子水平就確定了，具體如表1 所示。

5.2 實施試驗

本試驗為5 因子4 水平試驗，在不考慮交互作用的情況下，應該選擇L16（45）正交表。根據正交表列出試驗計劃，按照因子水平表將正交表中的數據1、2、3、4 替換成相應因子的實際水平數據，就可以按照正交表進行試驗。試驗結果按照正交表記錄相應的結果。

試驗過程中，為避免某些未考慮到的未知因素影響而產生的系統(tǒng)誤差，在整個試驗過程中，人員、設備和工具要保持一致，不能變更。同時，還要保持除考察因子外的其他因素。另外，試驗的順序要完全打亂，以完全隨機化的方式安排各次試驗的順序[4]。隨機化可以通過相關電腦軟件實現，這里不做詳細描述。

5.3 試驗數據分析

本次試驗的結果如表2 所示。表格中試驗結果一列對應的每個數據，是使用本行對應的試驗條件進行試驗后得到的試驗結果（測量所得的焊點融核直徑數據）。表格中的均值1 ～均值4，每行中每個單元格的數據，就是本行對應列（因子水平）的試驗結果平均值。例如均值1 的數據中，對應因子1（預熱電流）的數據是3.380，表示就是因子1（預熱電流）在水平1（9.0 kA）的狀態(tài)下，進行試驗得到結果的均值。其他均值數據來源一致。5個試驗因子對應最后一行的極差結果，則是在此因子的4 個水平得到的3 個平均值極差。

使用極差的方法對試驗結果進行分析，一般可以得出2 個主要的結論。

（1）因子的主次關系：根據極差的大小可以判定各因子對試驗結果影響的大小[5]。判斷的原則是：如果某個因子的極差越大，對應的因子對試驗結果的影響就越大。根據本次試驗的結果，因子1 極差（3.245）＞因子5 極差（2.667）＞因子2 極差（2.653）＞因子4 極差（1.622）＞因子3 極差（0.431），所以各因子對結果影響的優(yōu)先順序應該是因子1（預熱電流）＞因子5（焊接壓力）＞因子2（預熱時間）＞因子4（焊接時間）＞因子3（焊接電流）。

（2）較優(yōu)的因子水平組合：根據均值的大小來判定各因子取哪個水平好。判定的原則是：如果指標要求值越大越好，則取大的均值所對應的那個因子水平；如果指標要求值越小越好，則取小的均值所對應的那個因子水平；如果指標要求適中最好，則取適中的均值對應的那個因子水平[5]。本試驗中，焊點融核直徑應該是大越好，需要取大的均值所對應的那個因子水平。因此，因子1（預熱電流）應該取均值最大的水平3（10.0 kA），因子2（預熱時間）應該取均值最大的水平4（200 ms），因子3（焊接電流）應該取均值最大的水平1（8.5 kA），因子4（焊接時間）應該取均值最大的水平2（220 ms），因子5 應該取均值最大的水平1（2.0 kN）。

根據試驗結果，通過極差方法分析推薦的焊接工藝參數是：10.5 kA/200 ms/8.5 kA/220 ms/2.0 kN。但是根據電阻點焊的相關經驗分析，小的焊接壓力容易因為板材不能完全貼合，導致板件電阻較大，產生焊接飛濺。而且因子5 取水平1 和取水平4 得到的焊點融核直徑都能滿足質量要求，并且差異不大，所以因子5可以從取水平1 改為取水平4，就是從取2.0 kN 改成取2.6 kN 。增加焊接壓力，板間電阻減小，根據焦耳定律，需要適當增加焊接時間，保證焊接熱量不明顯減少，所以將因子4 從取水平2 改成取水平4，就是從220 ms 改成取260 ms。

根據以上的數據分析結果，結合車間現場的實際生產經驗，本次試驗車門區(qū)域的鍍鋅板/ 冷軋板/ 銅墊板電阻點焊過程，推薦的焊接工藝參數是：10.5 kA/200 ms/8.5 kA/260 ms/2.6 kN。

5.4 試驗結果驗證

根據本試驗確定的初始搭接狀態(tài)，選取合格的焊接試片并增加銅板，使用生產現場和試驗一致的手工焊接設備，焊接工藝參數按照（10.5 kA/200 ms/8.5 kA/260 ms/2.6 kN）設定。電極端面初始直徑6.0 mm，固定一名熟練工人連續(xù)焊接，每焊接300 點，手工修磨1 次電極帽端面。所有焊點按照焊接的先后順序進行破壞性檢查，并測量融核直徑。連續(xù)焊接3 000 點，沒有發(fā)現焊點融合直徑不合格的現象出現，說明選取的焊接參數合理，可以滿足現場生產的質量要求。

6 結束語

本試驗過程通過標準正交試驗的方法，找到了鍍鋅板加銅板電阻點焊焊接工藝參數優(yōu)化的方向，并通過試驗確定了合適的焊接工藝參數，滿足了現場生產的質量要求。但是電阻點焊的焊接過程是一個十分復雜的物理和化學過程，各因子之間存在一定的交互作用。本試驗沒有考慮焊接工藝參數各因子之間的交互作用影響，所以試驗過程中參數選擇的合理性會有一定的偏差。下一步計劃嘗試采用交互作用的正交試驗方法，期望能夠更加精確地找到最優(yōu)化的焊接工藝參數來指導現場生產。