基于正交試驗的電阻焊焊接參數方差分析

趙雪霏 時景光 謝湘海

摘 要：產品質量的好壞很大程度是由設計決定的，汽車生產四大工藝之一的焊接工藝，其焊接參數的設計對車身強度有較大影響。本文從焊接工藝參數選擇設計的角度，利用正交試驗的方法，分析影響焊接強度的主要因素，從而選擇優(yōu)化的工藝參數來提升產品工藝實現的能力。

關鍵詞：焊接參數;正交試驗;方差分析;簡單效應分析

中圖分類號：TB???? 文獻標識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.19.069

0 引言

電阻焊是汽車制造中最主要的焊接方法，它是以電阻熱為能源的一種焊接方法。實際工作中，被焊接工件在一定電極壓力下，經通電后，電流經過工件接觸面積及鄰近區(qū)域產生的電阻熱效應將工件加熱到熔化或塑性狀態(tài)，形成金屬結合。本文以電池框架中主梁焊接參數選擇的過程為例，利用正交試驗，研究了工藝參數對抗拉剪性能的影響，從而優(yōu)化產品焊接工藝參數，提升產品焊接強度。

1 試驗參數選擇及試驗準備

1.1 試驗參數選擇

點焊時，各焊接參數的影響是相互制約的。當電極材料、端面形狀和尺寸選定后，焊接參數的選擇主要是考慮焊接電流、焊接時間、電極加壓力，這是影響焊接強度的三大要素。因此，我們選擇焊接電流、焊接時間、加壓力作為影響焊接強度的因子，以拉剪力作為試驗結果的判斷依據，考慮這三個因子可能存在交互作用，設計了三因素三水平的27組正交試驗。

1.2 試驗材料及試樣準備

實驗中，我們將電池框架上的焊點，以材質、板厚、搭接層數作為分類依據，分別對不同類別的焊點進行焊接試驗，優(yōu)選焊接條件。這里以其中一種焊接組合為例予以說明。

組焊類型：材質SAPH440的熱軋鋼板，板厚2.0mm，雙層板搭接。

將鋼板裁剪成150mm×40mm的試片，切口去毛刺并用酒精清潔試片表面，然后將兩塊試片沿長度方向搭接，形成40mm*40mm的正方形搭接區(qū)域，在該區(qū)域中心位置處進行焊接，形成焊點，由此得到了拉力試樣。

2 考慮交互影響的試驗方案及結果

試驗方案表頭設計如表1所示，表中：A代表電流，B代表通電時間，C代表加壓力，A*B，A*C，B*C分別代表電流與通電時間、電流與加壓力、通電時間與加壓力的交互作用（以上指代適用于本文所有內容）。

2.1 方差分析

在試驗過程中，由于實驗條件的不同與試驗中存在誤差，我們用總偏差平方和ST來描述數據的總波動。造成試驗數據波動的原因可能是影響因素所取水平的不同，可也能是試驗中存在的誤差，也可能兩者都有。為了分析具體的影響因素以及相關參數的影響程度，對正交試驗結果進行方差分析。

表3中方差分析相關計算公式如下：

總試驗次數為n，ri為因素i的水平數，fi為因素i的自由度，fT為總自由度，fe為誤差項的自由度

fi=ri-1;fT=n-1;fe=fT-∑ni=1fi

y為試驗指標結果的總平均值，yi為試驗指標的結果，Ti為因素在i水平下的試驗結果平均值，Si為因素i的偏差平方和，Se為誤差項的偏差平方和，ST為總的偏差平方和，Vi為均方和。

Si=nr∑ni-1（Ti-y）2

ST=∑ni=1（yi-y）2

Se=ST-Si

Vi=Si/fi

由上表結果可知，F0.05（2，8）=4.46，FA（2，8）=348.15，說明因子A（電流）的主效應是統計顯著的，同理通電時間、電流和通電時間的交互作用也是統計上顯著，隨機誤差對試驗結果影響不大。

2.2 簡單效應分析及交互作用圖

由上方差分析可知，電流和通電時間存在顯著的交互作用。在這種情況下，單獨分析電流和通電時間的主效應意義不大，需要進一步分析各因素的簡單效應，即分析一個因素的不同水平在另一個因素某個水平上的效應。

在SPSS系統中，進行簡單效應分析結果如表4。由表4可以看出，無論通電時間選擇哪個水平，電流在10300A，10700A和11000A三個水平上均呈現統計學上的顯著效應，但是在通電時間為24周波的情況下，電流大于10700A后，拉力值增加顯著效應有所減弱;電流在取10300A、10700A水平情況下，通電時間由20周波提升至24周波，拉力值才呈現統計學的顯著效應，在11000A下，通電時間由22周波變?yōu)?4周波后，拉力值呈現顯著效應，且拉力值降低。這可以解釋為：無論通電時間選擇哪個水平（本文20周波、22周波、24周波），電流對拉力值的大小有顯著影響;而通電時間的影響低于電流影響。

下面的交互作用圖，可以更直觀地看到通電時間及電流的交互作用及其對拉力值的影響。

從圖1中可以直觀地看出，通電電流和通電時間增加，拉力值增加，且電流的變化對拉力值大小的影響大于通電時間的影響。當通電時間在24周波的時，電流在10700A下的拉力值的增加幅度比在10300A時要小，而當電流增加到11000A，拉力值較20周波和22周波時降低，說明在此條件下，因電流和通電時間都增加較大，產生的電阻熱過大，使金屬熔合部分出現了過燒，反而降低了拉力值，試驗結果正印證了電流和通電時間存在對拉力值的影響的交互作用。反應在實際焊接參數設定調整時，為了提升拉力值，調整電流比調整通電時間對拉力值的提升效果顯著，同時也不能無限增加電流或者通電時間，在某一個特定值下，增加電流或者通電時間反而使拉力值降低。

2.3 最優(yōu)焊接條件選擇

對于顯著因子，因其選擇不同的數值，會造成試驗結果的顯著不同，我們選擇其最好的水平，對于顯著的交互作用——通電時間與電流交互作用，采取計算兩個因子不同水平的不同搭配下的拉力值均值，再比較得出哪種水平組合最佳，如表5所示。

從表5可知，因子A與B的搭配以A3B2最好，即焊接參數選擇電流11000A，通電時間22周波，對于不顯著因子加壓力，從降低成本、操作方便等角度考慮，選擇三個水平中的某一個即可，實際選擇3900N。

3 結語

本文以生產實際中焊接參數選擇的過程，采用正交試驗方式，利用統計學相關知識，闡述了方差分析和簡單效應分析的過程，分析了焊接電流、通電時間、加壓力對焊接強度的影響，為實際工作中，焊接參數設計和選擇提供了方向。

由方差分析可知，焊接電流和通電時間的交互作用對拉力值存在顯著效應，其中電流對拉力值的影響最大，因交互作用的影響，實際新品開發(fā)焊接參數設計時，不能單純通過增加電流來或者通電時間來獲得更高的焊接強度，要充分考慮電流和通電時間的交互作用，互為補充，當選取大電流時，適當降低通電時間，或者選取小電流長通電時間，來獲得更為滿意的焊接強度。

參考文獻

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作者簡介：趙雪霏（1972-），女，漢族，內蒙古通遼人，本科，湖南元創(chuàng)機械有限公司工程師;時景光（1971-），男，漢族，河北平泉人，本科，雪花啤酒（嘉善）有限公司工程師;謝湘海（1974-），男，漢族，湖南醴陵人，?？?，湖南元創(chuàng)機械有限公司工程師。