DOE實驗設計方法在重型汽車中的應用研究

趙娜，劉林波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著“互聯網+”時代的到來，智能化、網聯化、共享化已經成為汽車產業發展的重要方向。要實現智能化制造，則離不開大數據分析處理平臺的支撐，智能技術不僅對設計開發能力提出了更高要求，也迫使數據分析應用能力要更上一個臺階。因此，如何應用數據分析處理平臺，如何使數據分析方法更科學更嚴謹，這已經是現階段智能設計需要探索研究的主要課題。本文以壓油管接頭的釬焊設計為例，借助minitab數據處理平臺，介紹了如何對釬焊過程的參數及方法進行最優化設計，以保證壓油管焊接質量的可靠性，從設計源頭杜絕因焊接缺陷產生的壓油管滲油或漏油現象。希望對工業制造中相關焊接的設計開發參數確認活動、生產制造活動或質量提升活動提供參考和幫助。

1 壓油管功能描述

壓油管在實際裝配過程中，兩頭需要與接頭體焊接成一體，如圖 1，為保證油管密封性能良好，本例選擇釬焊工藝方式。對釬焊焊接的質量要求如下：a、焊縫接頭表面光滑，添角均勻，光滑圓弧過渡；b、接頭無過燒、表面嚴重氧化、焊縫粗糙等缺陷；c、焊縫無氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等現象。

但在實際焊接成型后，壓油管出現滲油漏油、密封不良等現象，且比例較高，詳細調查發現，是因為焊縫出現表面氣孔所致，如圖 2。因此，本文重點針對表面氣孔現象進行設計分析。表面氣孔測量儀器是10倍放大鏡，由檢驗員目視觀測和判斷。

圖1 壓油管結構

圖2 焊縫表面氣孔

圖3 焊接過程因果矩陣

2 釬焊工藝要求及準備

焊接前要清除焊接表面及接合處的油污、氧化物、毛刺及其雜物，之后進行清潔度檢測，保證焊合面及釬料的干燥度、清潔度。

焊接設備：射吸式焊槍 H01-6；焊接材料：S221 錫黃銅焊絲（直徑φ3.0）；釬劑：硼砂 100；焊接氣體：工業氧氣、乙炔；氧氣壓力：0.4～0.6MPa；乙炔壓力：0.02～0.03MPa；

3 關鍵影響參數

通過對釬焊過程的所有相關輸入進行因果矩陣分析，可以看出，得分排最前的，如圖 3，是影響表面氣孔的主要因素，分別是焊接間隙、零件清潔度、人員操作方法、加熱保持時間。零件清潔度可以通過加強檢驗等手段解決，人員操作方法不當也可通過培訓、指導教育等提升，剩下兩個關鍵影響參數，焊接間隙和加熱保持時間，如何設計它們的最優配置，則需要我們通過進行DOE實驗設計方法進一步分析。

4 DOE實驗設計分析

4.1 實驗準備

實驗固定因子：釬料、釬劑、焊炬、噴嘴、氧氣/乙炔壓力、焊接人員

實驗因子：X1焊接間隙、X2加熱保持時間

響應變量：Y 焊接表面氣孔

實驗方法選擇：2因子2水平全因子實驗，中心點測量5組數據作為仿形實驗。

4.2 實驗因子設定

因子水平及中心點水平設定如下：

X1焊接間隙（單位mm）：低水平15.1+0.05（記作15）、高水平15.2+0.05（記作15.2）

X2加熱保持時間（單位s）：低水平2±1（記作2）、高水平8±1（記作8）

中心點：X1焊接間隙15.1_(+0.10)^(+0.05)mm mm（記作15.1）

X2加熱保持時間 5±2s（記作5）

總的實驗次數 22× 2 + 5 = 13次；樣本量：150 /次

記錄結果：每次實驗分別記錄出現的不合格數量，如表1

[分析工具]：minitab軟件---DOE（全因子設計）

4.3 實驗數據及實驗結果

表1 DOE實驗數據及結果

圖4 模型分析結果

4.4 DOE實驗模型分析

4.4.1 模型有效性評估（方差分析法）

假設——H0：模型無效；Ha：模型有效；分析結果如圖4所示，結果說明：

（1）主效應和 2因子交互作用中主效應的 P值=0.000＜0.05，原假設H0不成立，模型有效。

（2）彎曲項的P值=0.749＞0.05，所以數據無彎曲趨勢。

4.4.2 各項效應評估

圖5 效應評估

圖6 效應結果分析

從圖5和圖6計算數據中可以觀察到：

（1）焊接間隙和加熱保持時間的 P值分別為 0.028和0.000，均小于0.05，因此主效應顯著。

（2）焊接間隙*加熱保持時間交互作用的P值=0.147＞0.05，因此2因子的交互作用不顯著。

圖7 殘差診斷結果

從圖7殘差診斷圖中可看到沒有異常情況出現，說明模型與觀測數據擬合較好 。

4.4.3 參數最優化配置

結合圖8主效應圖和圖9優化圖結果，可以得到的最優化組合參數為：焊接間隙15.2+0.05mm，加熱保持時間8±1s。

圖8 主效應圖

圖9 優化圖

回到之前的實驗數據，驗證實驗數據與實際是否契合，如表2，可以驗證確定，在預測的的最優化組合參數（焊接間隙15.2mm，加熱保持時間8s）時，試驗中的不合格數分別是 1、0，數量最少，模型的預測結果與實踐未見相悖，理論與實踐高度契合，理論結果可應用于實際生產實踐活動中。

表2 比對驗證實驗效果

5 總結

本文分析了在設計壓油管焊接工藝參數及方法時，如何利用minitab軟件進行DOE實驗設計分析，以找到最優匹配參數或方法，保證壓油管質量及可靠性。DOE實驗設計方法能夠為我們在設計開發、工藝設計過程中提供科學、嚴謹的數據分析方法，通過大量實驗數據，建立分析模型，尋找各因素因子之間互相影響互相制約的潛在關系，并根據我們希望得到的結果，匹配最優的因子設計水平，為后續批量應用打下良好基礎，對工業設計活動具有指導作用和實踐價值，此法也可應用于農業、服務業等領域。