基于正交試驗(yàn)的鍍鋅板帶銅板點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化

劉杰、李林、韋俊尤

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，柳州 545007）

0 前言

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)已經(jīng)高度成熟，整車(chē)制造的沖壓、焊裝、涂裝和總裝各工藝段的工藝和生產(chǎn)設(shè)備也基本成熟穩(wěn)定。例如，車(chē)身焊裝過(guò)程主要使用電阻點(diǎn)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和激光釬焊等工藝。其中，電阻點(diǎn)焊又是最主要的。整個(gè)白車(chē)身有5 000～6 000 個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，占車(chē)身總焊點(diǎn)數(shù)的95%以上。

現(xiàn)在的汽車(chē)車(chē)身對(duì)整車(chē)耐腐蝕性的要求越來(lái)越高，整車(chē)（特別是外覆蓋件區(qū)域）鍍鋅板的使用越來(lái)越多。另外，整車(chē)外覆蓋件區(qū)域，因?yàn)楦兄|(zhì)量的需要，對(duì)外露焊點(diǎn)的表面要求比較高，而增加焊接銅墊板可以有效而且簡(jiǎn)單地提升焊點(diǎn)外觀質(zhì)量。但是增加焊接銅板后，需要優(yōu)化原有的點(diǎn)焊焊接參數(shù)，保證焊接強(qiáng)度和焊點(diǎn)外觀質(zhì)量。本文就是基于某車(chē)型車(chē)門(mén)區(qū)域鍍鋅板加銅板的點(diǎn)焊工藝過(guò)程，嘗試通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，找出最優(yōu)的點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)，滿足高品質(zhì)車(chē)身的制造要求。

2 存在的問(wèn)題

2.1 鍍鋅板電阻點(diǎn)焊的焊接參數(shù)

本試驗(yàn)選取的某車(chē)型車(chē)門(mén)區(qū)域是鍍鋅板加普通板搭接狀態(tài)，采用手工電阻點(diǎn)焊工藝。一般電阻點(diǎn)焊主要工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力。鍍鋅板電阻點(diǎn)焊因?yàn)殄儗咏饘俚挠绊懀推胀ò逑啾刃枰黾宇A(yù)熱脈沖[1]。所以，鍍鋅板電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)在焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力的基礎(chǔ)上，增加了預(yù)熱電流和預(yù)熱時(shí)間，所以參數(shù)優(yōu)化涉及的因子數(shù)就比較多，有5 個(gè)。

2.2 焊點(diǎn)增加銅板的效果

車(chē)門(mén)部分區(qū)域的焊點(diǎn)布置在整車(chē)高可見(jiàn)區(qū)域，客戶在日常用車(chē)過(guò)程中對(duì)此區(qū)域的外觀質(zhì)量比較敏感，對(duì)此區(qū)域焊點(diǎn)的外觀要求也比較高。但是手工點(diǎn)焊工藝的局限性，滿足不了相關(guān)的質(zhì)量要求，更改為機(jī)器人焊接的投入成本又比較大，增加銅墊板是一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效提升焊點(diǎn)外觀感知質(zhì)量的方法。

2.3 增加焊接銅板后產(chǎn)生的問(wèn)題

電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)在鍍鋅板一面增加銅墊板主要會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題。

（1）銅的導(dǎo)電性比鋼材好，增加銅墊板會(huì)產(chǎn)生分流，降低電流密度。

（2）鍍鋅層融化會(huì)和銅板產(chǎn)生粘連，影響銅板散熱和銅板導(dǎo)電性。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，增加銅板后，直接沿用原有不加銅板的焊接工藝參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)頻次比較高的虛焊問(wèn)題。而通過(guò)簡(jiǎn)單的增加焊接電流或者延長(zhǎng)焊接時(shí)間，并不能減少虛焊出現(xiàn)的頻次。所以需要通過(guò)試驗(yàn)的方法，分析各因子的影響，找到最優(yōu)化的焊接參數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本研究決定采用正交試驗(yàn)的方法來(lái)確定增加銅板后的焊接工藝參數(shù)。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因子，每個(gè)因子又有多個(gè)水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。它主要根據(jù)正交性從全因子試驗(yàn)中挑選出一部分最有代表性的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。這些最有代表性的點(diǎn)具備均勻分散、整齊可比的特點(diǎn)[2]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、低成本而且非常有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它是基于現(xiàn)成的正交表來(lái)設(shè)計(jì)的，具有簡(jiǎn)單易學(xué)易用的特點(diǎn)。

3.2 正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)正交試驗(yàn)的方法可以明顯減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本。對(duì)于鍍鋅板加銅板的電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，主要工藝參數(shù)5 個(gè)，這就意味著有5 個(gè)因子，如果采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，即使每個(gè)因子取2 水平，那么試驗(yàn)次數(shù)就是25，即32 次。不過(guò)按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)要求，每個(gè)因子取4 水平比較合適，那就是5 因子、4 水平試驗(yàn)，那么試驗(yàn)次數(shù)就是45，就是需要1 024 次試驗(yàn)。

如果采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)。這樣一來(lái)，試驗(yàn)次數(shù)大大減少，試驗(yàn)成本和時(shí)間周期也會(huì)有明顯改善。

4 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

4.1 試片準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)選定某車(chē)型左前側(cè)門(mén)門(mén)鎖加強(qiáng)區(qū)域的焊點(diǎn)作為試驗(yàn)對(duì)象。選定焊點(diǎn)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(hào)為DC56D+Z 50/50-M-FC-O，普通冷軋板牌號(hào)是BLCFB-D，板材供應(yīng)商都是上海寶山鋼鐵股份有限公司，板材相關(guān)參數(shù)均可在供應(yīng)商官網(wǎng)查詢。本試驗(yàn)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(cè)作為外露區(qū)域增加了銅墊。

圖1 電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)搭接狀態(tài)示意圖

選擇鍍鋅板和普通板各一部分，通過(guò)剪床將2 塊板材切割成60.0 mm×200.0 mm 的長(zhǎng)方形作為焊接試片。同時(shí)，準(zhǔn)備和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用規(guī)格一致的5.0 mm 厚鉻鋯銅銅板一塊。

4.2 焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)質(zhì)量通過(guò)破壞性檢查測(cè)量的融核直徑評(píng)價(jià)。現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)破壞性方法撕裂試片，產(chǎn)生焊接紐扣，通過(guò)測(cè)量紐扣直徑大小來(lái)評(píng)價(jià)焊點(diǎn)質(zhì)量[3]。焊點(diǎn)融核直徑的測(cè)量和評(píng)價(jià)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：

圖2 焊點(diǎn)融核直徑測(cè)量方法示意圖

焊點(diǎn)融核直徑=（d+D）/2

沒(méi)有融核的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)融核直徑就記作0。

4.3 設(shè)備和操作人員準(zhǔn)備

（1）生產(chǎn)設(shè)備：本次試驗(yàn)使用在各汽車(chē)公司廣泛采用的某供應(yīng)商手工電阻點(diǎn)焊焊機(jī)和焊槍設(shè)備。焊機(jī)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(shè)備和正式生產(chǎn)設(shè)備一致。

（2）操作人員：選定現(xiàn)場(chǎng)熟練操作工1 名，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，不更換操作人員。

（3）測(cè)量工具：準(zhǔn)備游標(biāo)卡尺一把，用來(lái)進(jìn)行電極端面直徑和焊點(diǎn)融核直徑測(cè)量。

（4）修磨工具：準(zhǔn)備手工銼刀一把，用來(lái)進(jìn)行電極帽修磨。

5 試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

5.1 焊接工藝參數(shù)的選擇

試驗(yàn)前首先要確定正交試驗(yàn)的因子數(shù)和因子水平。按照前文的分析，鍍鋅板加銅板的電阻點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)包括：預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱電流、焊接時(shí)間、焊接電流和焊接壓力。確定焊接工藝參數(shù)以后，根據(jù)相關(guān)的技術(shù)文件和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及搭接板材的材料厚度，確定了5 個(gè)主要工藝參數(shù)的取值。這樣開(kāi)展試驗(yàn)的因子數(shù)和各因子水平就確定了，具體如表1所示。

表1 因子水平表

5.2 實(shí)施試驗(yàn)

本試驗(yàn)為5 因子4 水平試驗(yàn)，在不考慮交互作用的情況下，應(yīng)該選擇L16（45）正交表。根據(jù)正交表列出試驗(yàn)計(jì)劃，按照因子水平表將正交表中的數(shù)據(jù)1、2、3、4 替換成相應(yīng)因子的實(shí)際水平數(shù)據(jù)，就可以按照正交表進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果按照正交表記錄相應(yīng)的結(jié)果。

試驗(yàn)過(guò)程中，為避免某些未考慮到的未知因素影響而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，人員、設(shè)備和工具要保持一致，不能變更。同時(shí)，還要保持除考察因子外的其他因素。另外，試驗(yàn)的順序要完全打亂，以完全隨機(jī)化的方式安排各次試驗(yàn)的順序[4]。隨機(jī)化可以通過(guò)相關(guān)電腦軟件實(shí)現(xiàn)，這里不做詳細(xì)描述。

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。表格中試驗(yàn)結(jié)果一列對(duì)應(yīng)的每個(gè)數(shù)據(jù)，是使用本行對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)后得到的試驗(yàn)結(jié)果（測(cè)量所得的焊點(diǎn)融核直徑數(shù)據(jù)）。表格中的均值1～均值4，每行中每個(gè)單元格的數(shù)據(jù)，就是本行對(duì)應(yīng)列（因子水平）的試驗(yàn)結(jié)果平均值。例如均值1 的數(shù)據(jù)中，對(duì)應(yīng)因子1（預(yù)熱電流）的數(shù)據(jù)是3.380，表示就是因子1（預(yù)熱電流）在水平1（9.0 kA）的狀態(tài)下，進(jìn)行試驗(yàn)得到結(jié)果的均值。其他均值數(shù)據(jù)來(lái)源一致。5個(gè)試驗(yàn)因子對(duì)應(yīng)最后一行的極差結(jié)果，則是在此因子的4 個(gè)水平得到的3 個(gè)平均值極差。

表2 正交試驗(yàn)表和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用極差的方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，一般可以得出2個(gè)主要的結(jié)論。

（1）因子的主次關(guān)系：根據(jù)極差的大小可以判定各因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小[5]。判斷的原則是：如果某個(gè)因子的極差越大，對(duì)應(yīng)的因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大。根據(jù)本次試驗(yàn)的結(jié)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(duì)結(jié)果影響的優(yōu)先順序應(yīng)該是因子1（預(yù)熱電流）＞因子5（焊接壓力）＞因子2（預(yù)熱時(shí)間）＞因子4（焊接時(shí)間）＞因子3（焊接電流）。

（2）較優(yōu)的因子水平組合：根據(jù)均值的大小來(lái)判定各因子取哪個(gè)水平好。判定的原則是：如果指標(biāo)要求值越大越好，則取大的均值所對(duì)應(yīng)的那個(gè)因子水平；如果指標(biāo)要求值越小越好，則取小的均值所對(duì)應(yīng)的那個(gè)因子水平；如果指標(biāo)要求適中最好，則取適中的均值對(duì)應(yīng)的那個(gè)因子水平[5]。本試驗(yàn)中，焊點(diǎn)融核直徑應(yīng)該是大越好，需要取大的均值所對(duì)應(yīng)的那個(gè)因子水平。因此，因子1（預(yù)熱電流）應(yīng)該取均值最大的水平3（10.0 kA），因子2（預(yù)熱時(shí)間）應(yīng)該取均值最大的水平4（200 ms），因子3（焊接電流）應(yīng)該取均值最大的水平1（8.5 kA），因子4（焊接時(shí)間）應(yīng)該取均值最大的水平2（220 ms），因子5 應(yīng)該取均值最大的水平1（2.0 kN）。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)極差方法分析推薦的焊接工藝參數(shù)是：10.5 kA/200 ms/8.5 kA/220 ms/2.0 kN。但是根據(jù)電阻點(diǎn)焊的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分析，小的焊接壓力容易因?yàn)榘宀牟荒芡耆N合，導(dǎo)致板件電阻較大，產(chǎn)生焊接飛濺。而且因子5 取水平1 和取水平4 得到的焊點(diǎn)融核直徑都能滿足質(zhì)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(jù)焦耳定律，需要適當(dāng)增加焊接時(shí)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(jù)以上的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)車(chē)門(mén)區(qū)域的鍍鋅板/冷軋板/銅墊板電阻點(diǎn)焊過(guò)程，推薦的焊接工藝參數(shù)是：10.5 kA/200 ms/8.5 kA/260 ms/2.6 kN。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)本試驗(yàn)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)一致的手工焊接設(shè)備，焊接工藝參數(shù)按照（10.5 kA/200 ms/8.5 kA/260 ms/2.6 kN）設(shè)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(diǎn)，手工修磨1 次電極帽端面。所有焊點(diǎn)按照焊接的先后順序進(jìn)行破壞性檢查，并測(cè)量融核直徑。連續(xù)焊接3 000 點(diǎn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)融合直徑不合格的現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明選取的焊接參數(shù)合理，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)的方法，找到了鍍鋅板加銅板電阻點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)優(yōu)化的方向，并通過(guò)試驗(yàn)確定了合適的焊接工藝參數(shù)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。但是電阻點(diǎn)焊的焊接過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，各因子之間存在一定的交互作用。本試驗(yàn)沒(méi)有考慮焊接工藝參數(shù)各因子之間的交互作用影響，所以試驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)選擇的合理性會(huì)有一定的偏差。下一步計(jì)劃嘗試采用交互作用的正交試驗(yàn)方法，期望能夠更加精確地找到最優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。