基于正交試驗設計的電阻點焊焊接參數組合優化

王攀 蔣曉明 劉曉光 赫亮

（廣東省自動化研究所廣東省現代控制技術重點實驗室廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室）

基于正交試驗設計的電阻點焊焊接參數組合優化

王攀 蔣曉明 劉曉光 赫亮

（廣東省自動化研究所廣東省現代控制技術重點實驗室廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室）

采用3因素3水平的正交試驗，對影響焊接質量的焊接參數（電極壓力、焊接電流和時間）進行組合優化設計。通過對試驗結果的極差值和方差值的分析，得出影響焊接質量的主次因素。試驗結果表明：采用電極壓力為10 N、焊接電流為1.0 kA、焊接時間為0.5 s的參數組合，可得到最大的焊件極限抗拉載荷，焊接質量最優。焊接電流對點焊接頭的焊接質量影響程度最明顯，其次為焊接時間，電極壓力影響程度最小。本試驗可為電阻點焊焊接參數組合優化和質量控制提供指導依據。

正交試驗；電阻點焊；抗拉載荷

0 引言

電阻點焊具有高質量、高效率、低成本等優點，廣泛應用于電子、汽車等行業。在實際的點焊操作過程中，選擇合理的焊接參數是實現高質量焊接的必要條件。在焊接材料指標、電極的材料、端面形狀和尺寸選定后，焊接質量主要取決于3個參數：電極壓力、焊接電流和焊接時間[1]。各焊接參數相互配合對焊接質量的影響各不相同。焊接參數指標的權衡，是擺在焊接工作者面前的一道難題。

在實際工作中，常常需要同時考察3個及以上的試驗因素，若進行全面試驗，試驗的規模將很大，往往因試驗條件的限制而難于實施。正交試驗設計是一種安排多因素試驗、尋求最優水平組合的高效率試驗設計方法。其特點是用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解全面試驗的狀況[2]。本試驗基于正交試驗設計，通過最簡便易行的方法，對上述3個參數進行優化，以期達到最高的焊接質量。

1 試驗材料、設備和性能測試

試驗針對電阻點焊設備在電子元器件引線的焊接應用展開測試。根據常用測試經驗，選擇如下焊接試驗材料及指標：1 mm厚鍍錫合金板、0.5 mm直徑25#鍍錫鐵絲，其外形尺寸符合國標標準。

電阻點焊設備為自行研制的UNQ2000型精密電阻點焊電源，最大焊接輸出電流為2000A，具備恒壓、恒流和恒功率3種控制方式。焊接設備如圖1所示。試驗測試設備為HY-0310微機控制臥式拉力試驗機，最大負荷為3000 N。針對電阻點焊接頭進行拉伸試驗。

圖1 焊接設備

評判焊件焊接質量好壞有多種因素，如焊點加熱快慢、熔核大小、熔核噴濺以及抗拉伸載荷等[3]。通常情況下，將工件焊接后的抗扭強度或抗拉載荷作為評判焊接質量的最主要因素。本試驗針對特定的焊接材料，選擇不同的焊接參數進行工藝試驗，選出抗拉載荷最高的參數組合。

2 正交試驗設計

2.1 確定因素水平

根據電阻點焊原理經驗，對于1 mm厚鍍錫合金板和0.5 mm直徑25#鍍錫鐵絲的焊接（常用于電子元器件引線焊接）條件范圍為：電極壓力6 N~10 N；焊接電流0.8 kA~1.0 kA；焊接時間0.4 s~0.6 s。電極壓力通過焊接機頭設定，焊接電流和焊接時間通過點焊電源設定。每個因素設定3個水平進行試驗。可以

確定，該試驗為3因素3水平試驗。因素水平如表1所示。

表1 試驗因素水平

2.2 選擇正交表

若采用全面試驗方案，3因素3水平的全面試驗水平組合數為33=27，如表2所示，需要重復試驗的次數為27次。以此類推，當因素水平繼續遞增時，試驗次數會以幾何級倍數增長。

表2 3因素3水平全面試驗方案

本試驗根據3因素3水平，查表可知：選用正交表L9（34）安排試驗（不考慮交互作用）。試驗方案僅包含9個水平組合，就能反映包含27個水平組合的全面試驗情況。

從優選區全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點來進行試驗。圖2中標有試驗號的9個“(·)”就是利用正交表L9（34）從27個試驗點中挑選出來的9個試驗點。即

(1)A1B1C1(2)A1B2C2(3)A1B3C3

(4)A2B1C2(5)A2B2C3(6)A2B3C1

(7)A3B1C3(8)A3B2C1(9)A3B3C2

上述選擇，保證了A因素的每個水平與B因素、C因素的各個水平在試驗中各搭配一次。從圖2中均衡分散立體圖可以看出，9個試驗點在優選區中分布是均衡的，在立方體的每個平面上恰好有3個試驗點；在立方體的每條線上恰好有1個試驗點。9個試驗點均衡地分布于整個立方體內，有很強的代表性，比較全面地反映優選區內的基本情況。

圖2 3因素3水平試驗的均衡分散立體圖

3 數據記錄與分析

數據分析的目的是分清各因素的主次順序，判斷因素對試驗指標影響的顯著程度，并找出試驗因素的優水平和試驗范圍內的最優組合，并估計試驗誤差的大小。

正交試驗進行統計分析最常用的方法是極差分析法和方差分析法，應用極差法可得出因素的主次順序和最優方案，通過方差法可判斷因素的主次順序和顯著性[4]。本試驗同時采用極差分析法和方差分析法對試驗數據進行分析，步驟如圖3所示。

圖3 正交試驗統計分析步驟

3.1 試驗數據記錄

根據選定的試驗材料、設備和試驗方法，在9個不同的試驗條件下進行點焊和焊件抗拉載荷試驗，并將試驗數據記錄在表3中。在進行數據方差分析時，表頭設計要求留有空列，即誤差列。

表3 試驗數據記錄

3.2 數據極差分析

極差分析法簡稱R法，具有計算簡單、直觀形象、簡單易懂等優點。R法需逐一計算第j列因素m水平所對應的試驗指標、Kjm和Kjm的平均值kjm，由kjm大小可以判斷第j列因素的優水平和優組合。

A因素列：

同理可分別計算B和C因素列下的Kjm及kjm值。

下一步計算第j列因素的極差Rj（kjm最大值與最小值之差）。Rj反映了第j列因素水平波動時，試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。根據Rj大小，可以判斷因素主次順序。

A因素列：

同理，可分別計算B和C因素列下的Rj值，并將計算數據記錄在表4中。

試驗設計采用氮、磷、鉀肥總量控制設計，將氮、磷、鉀肥總量控制試驗整合為一個試驗，施肥量及施肥方法見表2，動態優化施肥試根據要求，重點做好氮、磷、鉀肥總量控制試驗[16-20]。

表4 計算數據記錄

由表4可知，RB>RC>RA，所以因素主次順序為B>C>A，因此，因素B（焊接電流）對焊接質量的影響最大，其次是因素C（焊接時間），再次是因素A（電極壓力）。對于因素A，k3>k2>k1，即因素A的3水平為最優，同理也可得出因素B的3水平為最優，因素C的2水平為最優。因此，最優組合為A3B3C2。

3.3 數據方差分析

應用方差分析法，各試驗因素可以對試驗結果的影響大小給出精確數量估計，并通過量化指標來判斷所考察因素的影響作用是否顯著。

1)計算離差平方和

則總離差平方和

各列離差平方和

總離差平方和＝各列因素離差平方和+誤差離差平方和，即

對應本試驗，即為

由上公式，可計算得出

總離差平方和SST=Q－P=13541。

各列離差平方和

同理，可計算出SSB=12051；SSC=1400；SSe=30，其中e為空列即誤差列。

2)計算自由度

總自由度：dfT＝n－1=8；

各列離差平方和對應的自由度dfj＝r－1=2。

3)計算方差

對于因素A，其方差

同理，可計算出MSB=6026；MSC=700；MSe=15。

4)計算F值

對于因素A，其F值

同理，可計算出FB=402；FC=47。

5)查F分布表，作顯著性檢驗

根據以上計算，進行顯著性檢驗。列出方差分析表，結果如表5所示。若FA>Fa( dfA,dfe)，則認為因素A對試驗結果有顯著影響，反之認為該因素對試驗結果無顯著影響。

表5 方差分析表

查表可得F0.05(2,2)=19；F0.01(2,2)=99。由此可判斷，因素B（焊接電流）高度顯著，因素C（焊接時間）顯著，因素A（電極壓力）不顯著，因素主次順序為B>C>A。應用方差分析法和極差分析法，所得分析結果相一致。

4 結論

通過正交試驗法，選用L9（34）正交表（不考慮交互作用），針對電子元器件引線點焊應用展開測試，同時采用極差分析法和方差分析法對試驗數據進行分析，得出如下結論：

1)電極壓力為10 N，焊接電流為1.0 kA，焊接時間為0.5 s時，為最優組合，工件進行點焊焊接后，抗拉載荷最大，焊接質量最優，試驗結果與預測的最佳點焊工藝參數相一致；

2)電極壓力、焊接電流和焊接時間這3個參數對點焊接頭焊接質量都有影響，且焊接電流影響程度最明顯，其次為焊接時間，電極壓力影響程度最小。在實際工程應用中，在保證焊接無飛濺的前提下，應設置較大的焊接電流值。

[1]孟凡杰.正交試驗設計在電阻焊焊接參數選擇上的應用[J].焊接技術,2004,33(5):18-19.

[2]劉瑞江,張業旺,聞崇煒,等.正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理,2010,27(9):52-55.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第一卷)[M].北京:機械工業出版社,1992:223-226.

[4]閻俊霞,胡云巖,睢丙東.電阻點焊工藝參數正交試驗優化設計[J].河北科技大學學報,2003,24(2):39-42,52.

Welding Parameters Optimization of Resistance Spot Welding Based on Orthogonal Experiment Design

Wang PanJiang XiaomingLiu XiaoguangHe Liang
(Guangdong Institute of Automation,Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology, Guangdong Open Laboratory of Modern Control&O-M-E Technology)

The orthogonal experiment of three parameters and three levels are adopted to optimize the welding parameters which affect the welding quality.The three parameters are electrode force,welding current and welding time.Through the analysis of range value and variance value of the test results,the main factors that affect the welding quality are obtained.The experimental results show that the maximum tensile load and best quality of the weldment can be obtained with the combination of electrode force is 10N,welding current is 1.0kA and welding time is 0.5s.The greatest impact on the quality of welded joints is welding current, followed by welding time,and electrode force.This experiment provides guidance for resistance spot welding parameters optimization and quality control.

Orthogonal Experiment;Resistance Spot Welding;Tensile Load

王攀，男，1989年生，研究實習員，學士，主要研究方向：測試計量技術及儀器。E-mail:wpgdut@163.com