焊接參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及Minitab軟件應(yīng)用探討

陳成強(qiáng)　鮑俐威　唐小利

摘要：點(diǎn)焊因其具有易操作、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、不需要使用外加耗材、成本低、無有害氣體、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)成為最常用的焊接方法，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)。文章通過實(shí)例闡述了Minitab軟件DOE功能的應(yīng)用，提出了快速、有效地選擇設(shè)定點(diǎn)焊關(guān)鍵參數(shù)的科學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：焊接參數(shù)；試驗(yàn)設(shè)計(jì)；Minitab軟件；點(diǎn)焊；現(xiàn)代制造業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP31 文章編號(hào)：1009-2374（2016）08-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.025

1 概述

點(diǎn)焊是在加壓狀態(tài)下，通過大電流、短時(shí)間進(jìn)行焊接的過程，產(chǎn)品變形小與應(yīng)力小，能獲得較好的表面質(zhì)量，是目前最常用的焊接方法之一，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)及其他高科技產(chǎn)業(yè)與領(lǐng)域。點(diǎn)焊工作的本質(zhì)是通過上下兩個(gè)電極在一定的壓力作用下，讓焊接電流從上電極經(jīng)過工件1和工件2流向下電極形成回路；兩工件因電流作用在接觸電阻點(diǎn)形成瞬間的熱熔接。這種焊接方式不會(huì)改變焊件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

Minitab軟件是一個(gè)很好的質(zhì)量管理、設(shè)計(jì)、控制的軟件，更是持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)的良好工具軟件。Minitab軟件功能強(qiáng)大、操作簡易，為質(zhì)量改善、教育研究等應(yīng)用領(lǐng)域提供重要服務(wù)，是現(xiàn)代質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)應(yīng)用最為普遍的工具軟件，應(yīng)用非常廣泛，深受用戶青睞，被譽(yù)為是六西格瑪實(shí)施的一種通用語言。DOE是Minitab軟件的一個(gè)功能模塊，在質(zhì)量控制的整個(gè)過程中起到非常重要的作用，它是我們產(chǎn)品質(zhì)量提高、工藝流程改善的重要保證，是一個(gè)很好的質(zhì)量工具。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于產(chǎn)品質(zhì)量改善、工藝流程優(yōu)化等方面，可以根據(jù)試驗(yàn)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)種類、幫助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟；通過工藝參數(shù)的量化分析，尋找相關(guān)因子，并且確定關(guān)鍵因子；以最少的投入，確定最優(yōu)的因子組合，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化工藝流程。

2 參數(shù)介紹與選擇

決定點(diǎn)焊品質(zhì)的有以下要素：焊接電流、焊接時(shí)間、施加壓力、電極材料、電極端頭形狀及表面狀態(tài)、焊件材料、厚度及表面狀態(tài)等。焊后表面質(zhì)量同樣與焊接電流、壓力、時(shí)間、電極形狀及尺寸有關(guān)。另外根據(jù)點(diǎn)焊原理，點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)生的熱量公式?jīng)Q定。熱量公式為Q=IIRT。其中，Q為產(chǎn)生的熱量；I為焊接電流；R為電極間電阻；T為焊接時(shí)間。

根據(jù)以上公式，在焊接過程時(shí)，電流I與熱能的產(chǎn)生是二次方的影響，對(duì)焊接影響最大，確定為關(guān)鍵因子。另外，焊接電流與焊件的材料、尺寸大小、厚度及表面質(zhì)量有關(guān)。為了保證熔核尺寸和焊點(diǎn)強(qiáng)度，可以增大電極極頭直徑，但會(huì)影響焊接表面美觀性。另外也可以通過加長焊接時(shí)間來提升焊點(diǎn)強(qiáng)度，同樣它會(huì)影響生產(chǎn)效率。一般來說金屬導(dǎo)電率越高，電流越大，壓力越大，焊接時(shí)間越短。選何種方式，取決于金屬的性能、厚度和所用焊機(jī)的功率。點(diǎn)焊過程的通電時(shí)間由焊工根據(jù)工件予設(shè)定焊接時(shí)間自動(dòng)加以控制，合適的焊接時(shí)間使工件每一點(diǎn)保持一定的焊接質(zhì)量和成型。電極間電阻R（總）=R1（兩電極本身）+R2（兩工件本身）+R3（電極與工件間）+R4（兩工件間）。R1與R2的本身電阻相比R（總）要小得多，一般忽略不計(jì)；R3兩電極與兩工件間的電阻一般受工件表面質(zhì)量和電極頭表面質(zhì)量影響，在做好維護(hù)的情況下較少考慮其影響。當(dāng)工件和電極一定時(shí)，工件的電阻取決于它的電阻率，因此電阻率是被焊材料的重要性能。電阻率高的金屬其導(dǎo)電性差，點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)熱易而散熱難，可用較小電流（幾千安培）；電阻率低的金屬其導(dǎo)電性好，點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)熱難而散熱易，必須用很大電流（幾萬安培）。最常用的鋼板與不銹鋼是電阻率高的金屬。另外要增加焊點(diǎn)強(qiáng)度，需要適度地減小焊接壓力，因?yàn)閮呻姌O間總電阻R（總）在電極壓力增大時(shí)，R（總）會(huì)顯著減小，而此時(shí)對(duì)焊接電流的影響卻不明顯，所以電極壓力不是越大越好。

電極形狀、尺寸及材料性能、焊件材料和厚度及表面狀況對(duì)點(diǎn)焊也存在較大影響。由于電極的接觸面積決定著電流密度，一般電極接觸面的直徑大致為焊接件厚的5倍或2倍加3毫米；接觸面積大小與焊點(diǎn)強(qiáng)度、焊后表面質(zhì)量有關(guān)；電極材料的電阻率和導(dǎo)熱性影響熱量的產(chǎn)生和散失，因此電極的形狀和材料對(duì)熔核的形成有顯著影響。焊件的材料和厚度在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段就必須充分考慮，要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備、工藝水平、材料的可焊性等因素來選擇。焊件表面的氧化物、污垢、油和其他雜質(zhì)會(huì)增大接觸電阻。

3 Minitab軟件應(yīng)用

一般情況是根據(jù)被焊產(chǎn)品工件的材料和厚度，首先選擇焊接設(shè)備，確定設(shè)備的焊接能力；再參考材料的焊接條件并結(jié)合所選擇的焊接設(shè)備，確定焊接電極的端面形狀和尺寸。電極的端面形狀和尺寸對(duì)焊接表面質(zhì)量影響比較大。然后根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)初步選電極壓力和焊接時(shí)間，最后通過調(diào)節(jié)焊接電流，直到熔核直徑符合要求后，再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力、焊接時(shí)間和焊接電流，進(jìn)行焊接試驗(yàn)，直到焊點(diǎn)質(zhì)量符合技術(shù)要求為止。根據(jù)以上分析，接下來采用8mm圓形電極，極頭修磨平整，設(shè)備維護(hù)正常，有穩(wěn)壓保護(hù)，焊件焊前處理符合要求。以厚度1.5mm對(duì)1.5mm，材料為Q235的冷板進(jìn)行點(diǎn)焊；對(duì)電極壓力、焊接時(shí)間、焊接電流3個(gè)關(guān)鍵可調(diào)整性好的參數(shù)分別取3個(gè)水平做DOE分析。考慮因子量不大，所以決定直接采用全因子全排列進(jìn)行試驗(yàn)分析。

我們將利用Minitab軟件，創(chuàng)建因子設(shè)計(jì)。首先打開Minitab軟件，在統(tǒng)計(jì)菜單下選擇DOE命令，選擇因子菜單下的創(chuàng)建因子設(shè)計(jì)。在跳出的創(chuàng)建因子設(shè)計(jì)的對(duì)話框中，設(shè)計(jì)類型選擇一般全因子設(shè)計(jì)，因子數(shù)選擇為3；點(diǎn)擊設(shè)計(jì)，創(chuàng)建每個(gè)因子的水平值；最后點(diǎn)確認(rèn)得出全因子全水平的表。根據(jù)這個(gè)表格去制樣，為避免單件可能出現(xiàn)的偶爾情況，對(duì)每組參數(shù)組合制樣3件。根據(jù)3因子3水平全排列27組，每組制樣3件，共需要制件81件。

對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量判斷一般采用破壞拉開法，在拉開試樣的一片上有圓孔，另一片上有圓凸臺(tái)的表示焊接可靠。常見的焊接失效有虛焊和焊接不充分。虛焊會(huì)出現(xiàn)自然脫落等現(xiàn)象，比較容易判斷。焊接不充分有時(shí)需要進(jìn)行低倍測量、拉抻試驗(yàn)和X光檢驗(yàn)，以判定熔透率、抗剪強(qiáng)度和有無縮孔、裂紋等。例如厚板或淬火材料有時(shí)不能撕出圓孔和凸臺(tái)，但可通過剪切的斷口判斷熔核的直徑。首先我們對(duì)生產(chǎn)好的27組組合81件樣件按要求編號(hào)，并測量出它們的每個(gè)焊點(diǎn)直徑，將其統(tǒng)計(jì)到記錄表中；其次用實(shí)驗(yàn)室拉力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)81件樣件做拉力試驗(yàn)，也將剪切值記錄到統(tǒng)計(jì)表中；最后我們將統(tǒng)計(jì)表中的測試數(shù)據(jù)輸入到Minitab軟件中，自動(dòng)計(jì)算出剪切力與三因子的交互作用、焊疤直徑與三因子的交互作用、剪切力與三因子的獨(dú)立作用、焊疤直徑與三因子的獨(dú)立

作用。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)剪切力、焊疤尺寸、點(diǎn)焊融合尺寸、拉脫狀態(tài)四方面進(jìn)行綜合評(píng)估，擇優(yōu)選取四組參數(shù)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過使用實(shí)際產(chǎn)品工件再測試來驗(yàn)證所選擇的參數(shù)，能夠確保點(diǎn)焊質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性，確保表面質(zhì)量符合客戶要求，確保使用實(shí)際產(chǎn)品工件型材對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的影響，確保所選參數(shù)對(duì)批量生產(chǎn)的無影響。接下來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證。我們對(duì)所選出的4組參數(shù)組合，每組參數(shù)6個(gè)樣件，共24件樣件進(jìn)行分析，與前面一樣的方法做拉力測試。最終將測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)到記錄表中，再邀請經(jīng)驗(yàn)工程師與客戶對(duì)以上四組樣件做外觀評(píng)價(jià)。因?yàn)楫a(chǎn)品屬于外觀件，零件的表面質(zhì)量需要滿足客戶的需求與市場的認(rèn)可度，所以綜合以上各方面因素最終選擇點(diǎn)焊力學(xué)性能最優(yōu)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、外觀質(zhì)量滿足需求的運(yùn)行序22號(hào)參數(shù)組。

4 焊點(diǎn)質(zhì)量判斷與監(jiān)控

對(duì)于試驗(yàn)樣件可以采用破壞性的拉開法來判斷焊點(diǎn)質(zhì)量，但對(duì)于生產(chǎn)產(chǎn)品一般采用無損檢測方法，主要有預(yù)防、控制和檢驗(yàn)三方面。預(yù)防就是防止不合格產(chǎn)品的發(fā)生，主要是對(duì)焊接設(shè)備維護(hù)和監(jiān)測，保證焊接系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求一致。控制是應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)控或感應(yīng)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，保證不合格焊點(diǎn)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。檢驗(yàn)是指對(duì)已經(jīng)完成的焊點(diǎn)進(jìn)行表面質(zhì)量檢查和抽樣做破壞的拉開試驗(yàn)。超聲波無損檢測不但可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢查的局限性，還可以逐步替代現(xiàn)有的破壞性檢查。

5 結(jié)語

通過以上的DOE方法能夠快速并科學(xué)地找到最適合我們需求的參數(shù)組，解決了當(dāng)初因?yàn)閰?shù)設(shè)置不合理而導(dǎo)致點(diǎn)焊虛焊產(chǎn)生質(zhì)量問題。在解決類似其他問題時(shí)也可以采用同樣的DOE方法，通過因子設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證、改進(jìn)落實(shí)等步驟來完成，最后對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，制定TPM，更新作業(yè)指導(dǎo)文件和工藝控制文件及檢驗(yàn)指導(dǎo)文件，并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行操做培訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊（第1卷）：焊接方法及設(shè)備（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]雷玉成，陳希章，朱強(qiáng).金屬材料焊接工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]閔亞能.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）應(yīng)用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]馬逢時(shí).六西格瑪管理統(tǒng)計(jì)指南——MINITAB使用指導(dǎo)[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2007.

（責(zé)任編輯：蔣建華）