焊接參數試驗設計及Minitab軟件應用探討

陳成強　鮑俐威　唐小利

摘要：點焊因其具有易操作、生產效率高、易實現自動化、不需要使用外加耗材、成本低、無有害氣體、勞動條件好等優點成為最常用的焊接方法，廣泛應用于現代制造業。文章通過實例闡述了Minitab軟件DOE功能的應用，提出了快速、有效地選擇設定點焊關鍵參數的科學方法。

關鍵詞：焊接參數；試驗設計；Minitab軟件；點焊；現代制造業 文獻標識碼：A

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

1 概述

點焊是在加壓狀態下，通過大電流、短時間進行焊接的過程，產品變形小與應力小，能獲得較好的表面質量，是目前最常用的焊接方法之一，廣泛應用于現代制造業及其他高科技產業與領域。點焊工作的本質是通過上下兩個電極在一定的壓力作用下，讓焊接電流從上電極經過工件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形成瞬間的熱熔接。這種焊接方式不會改變焊件的內部結構。

Minitab軟件是一個很好的質量管理、設計、控制的軟件，更是持續質量改進的良好工具軟件。Minitab軟件功能強大、操作簡易，為質量改善、教育研究等應用領域提供重要服務，是現代質量管理統計應用最為普遍的工具軟件，應用非常廣泛，深受用戶青睞，被譽為是六西格瑪實施的一種通用語言。DOE是Minitab軟件的一個功能模塊，在質量控制的整個過程中起到非常重要的作用，它是我們產品質量提高、工藝流程改善的重要保證，是一個很好的質量工具。實驗設計主要運用于產品質量改善、工藝流程優化等方面，可以根據試驗產品特點選擇不同的實驗設計種類、幫助設計實驗步驟；通過工藝參數的量化分析，尋找相關因子，并且確定關鍵因子；以最少的投入，確定最優的因子組合，從而提升產品質量，優化工藝流程。

2 參數介紹與選擇

決定點焊品質的有以下要素：焊接電流、焊接時間、施加壓力、電極材料、電極端頭形狀及表面狀態、焊件材料、厚度及表面狀態等。焊后表面質量同樣與焊接電流、壓力、時間、電極形狀及尺寸有關。另外根據點焊原理，點焊時產生的熱量公式決定。熱量公式為Q=IIRT。其中，Q為產生的熱量；I為焊接電流；R為電極間電阻；T為焊接時間。

根據以上公式，在焊接過程時，電流I與熱能的產生是二次方的影響，對焊接影響最大，確定為關鍵因子。另外，焊接電流與焊件的材料、尺寸大小、厚度及表面質量有關。為了保證熔核尺寸和焊點強度，可以增大電極極頭直徑，但會影響焊接表面美觀性。另外也可以通過加長焊接時間來提升焊點強度，同樣它會影響生產效率。一般來說金屬導電率越高，電流越大，壓力越大，焊接時間越短。選何種方式，取決于金屬的性能、厚度和所用焊機的功率。點焊過程的通電時間由焊工根據工件予設定焊接時間自動加以控制，合適的焊接時間使工件每一點保持一定的焊接質量和成型。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；R3兩電極與兩工件間的電阻一般受工件表面質量和電極頭表面質量影響，在做好維護的情況下較少考慮其影響。當工件和電極一定時，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電性差，點焊時產熱易而散熱難，可用較小電流（幾千安培）；電阻率低的金屬其導電性好，點焊時產熱難而散熱易，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。另外要增加焊點強度，需要適度地減小焊接壓力，因為兩電極間總電阻R（總）在電極壓力增大時，R（總）會顯著減小，而此時對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點焊也存在較大影響。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強度、焊后表面質量有關；電極材料的電阻率和導熱性影響熱量的產生和散失，因此電極的形狀和材料對熔核的形成有顯著影響。焊件的材料和厚度在產品開發設計階段就必須充分考慮，要根據現有設備、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、油和其他雜質會增大接觸電阻。

3 Minitab軟件應用

一般情況是根據被焊產品工件的材料和厚度，首先選擇焊接設備，確定設備的焊接能力；再參考材料的焊接條件并結合所選擇的焊接設備，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焊接表面質量影響比較大。然后根據生產經驗初步選電極壓力和焊接時間，最后通過調節焊接電流，直到熔核直徑符合要求后，再在適當的范圍內調節電極壓力、焊接時間和焊接電流，進行焊接試驗，直到焊點質量符合技術要求為止。根據以上分析，接下來采用8mm圓形電極，極頭修磨平整，設備維護正常，有穩壓保護，焊件焊前處理符合要求。以厚度1.5mm對1.5mm，材料為Q235的冷板進行點焊；對電極壓力、焊接時間、焊接電流3個關鍵可調整性好的參數分別取3個水平做DOE分析?？紤]因子量不大，所以決定直接采用全因子全排列進行試驗分析。

我們將利用Minitab軟件，創建因子設計。首先打開Minitab軟件，在統計菜單下選擇DOE命令，選擇因子菜單下的創建因子設計。在跳出的創建因子設計的對話框中，設計類型選擇一般全因子設計，因子數選擇為3；點擊設計，創建每個因子的水平值；最后點確認得出全因子全水平的表。根據這個表格去制樣，為避免單件可能出現的偶爾情況，對每組參數組合制樣3件。根據3因子3水平全排列27組，每組制樣3件，共需要制件81件。

對焊點質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。虛焊會出現自然脫落等現象，比較容易判斷。焊接不充分有時需要進行低倍測量、拉抻試驗和X光檢驗，以判定熔透率、抗剪強度和有無縮孔、裂紋等。例如厚板或淬火材料有時不能撕出圓孔和凸臺，但可通過剪切的斷口判斷熔核的直徑。首先我們對生產好的27組組合81件樣件按要求編號，并測量出它們的每個焊點直徑，將其統計到記錄表中；其次用實驗室拉力試驗機，對81件樣件做拉力試驗，也將剪切值記錄到統計表中；最后我們將統計表中的測試數據輸入到Minitab軟件中，自動計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立作用、焊疤直徑與三因子的獨立

作用。

根據以上試驗結果，我們對剪切力、焊疤尺寸、點焊融合尺寸、拉脫狀態四方面進行綜合評估，擇優選取四組參數組合進行設計驗證。通過使用實際產品工件再測試來驗證所選擇的參數，能夠確保點焊質量的穩定性與可靠性，確保表面質量符合客戶要求，確保使用實際產品工件型材對點焊質量的影響，確保所選參數對批量生產的無影響。接下來進行優化設計驗證。我們對所選出的4組參數組合，每組參數6個樣件，共24件樣件進行分析，與前面一樣的方法做拉力測試。最終將測試驗證數據整理統計到記錄表中，再邀請經驗工程師與客戶對以上四組樣件做外觀評價。因為產品屬于外觀件，零件的表面質量需要滿足客戶的需求與市場的認可度，所以綜合以上各方面因素最終選擇點焊力學性能最優、質量穩定可靠、外觀質量滿足需求的運行序22號參數組。

4 焊點質量判斷與監控

對于試驗樣件可以采用破壞性的拉開法來判斷焊點質量，但對于生產產品一般采用無損檢測方法，主要有預防、控制和檢驗三方面。預防就是防止不合格產品的發生，主要是對焊接設備維護和監測，保證焊接系統參數和設計要求一致?？刂剖菓孟冗M的監控或感應技術對生產設備進行在線監測，保證不合格焊點被及時發現。檢驗是指對已經完成的焊點進行表面質量檢查和抽樣做破壞的拉開試驗。超聲波無損檢測不但可以彌補傳統檢查的局限性，還可以逐步替代現有的破壞性檢查。

5 結語

通過以上的DOE方法能夠快速并科學地找到最適合我們需求的參數組，解決了當初因為參數設置不合理而導致點焊虛焊產生質量問題。在解決類似其他問題時也可以采用同樣的DOE方法，通過因子設計、優化、驗證、改進落實等步驟來完成，最后對設備參數進行調整，制定TPM，更新作業指導文件和工藝控制文件及檢驗指導文件，并對相關人員進行操做培訓。

參考文獻

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第1卷）：焊接方法及設備（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]雷玉成，陳希章，朱強.金屬材料焊接工藝[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]閔亞能.實驗設計（DOE）應用指南[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]馬逢時.六西格瑪管理統計指南——MINITAB使用指導[M].北京：中國人民大學出版社，2007.

（責任編輯：蔣建華）