淺析用DOE法解決頂棚激光釬焊縫針孔問題

張浩，彭立媛

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410010）

1 本文的背景與意義

激光焊接時，是用激光作為熱源進行加工的制造技術(shù)，在歐美系汽車白車身制造行業(yè)已廣泛應用，其中頂棚和兩個側(cè)圍的連接方式采用激光釬焊成為歐美合資企業(yè)主流，圖1是激光釬焊的基本原理，通過激光源產(chǎn)生激光，通過光纖傳送到機器人終端的激光頭上，利用激光聚焦的熱源融化送絲機構(gòu)上的焊絲，將側(cè)圍和頂棚進行連接，與傳統(tǒng)定位焊相比，焊接強度和美觀性更高。

圖1 激光釬焊原理圖

同時，激光釬焊由于設備復雜多樣，夾具精度要求較高，對焊接質(zhì)量的把控也較為復雜，有可能出現(xiàn)咬邊、針孔等焊接問題，需要在激光工序后設置人工檢查工位進行返修處理。本文介紹的是國內(nèi)某知名汽車制造企業(yè)，針對新車型K8白車身頂棚激光釬焊工位出現(xiàn)的焊縫針孔問題進行的原因分析，多輪參數(shù)改善并最終攻克的一系列活動。

2 頂棚激光釬焊問題改善

2.1 問題描述

焊縫多針孔問題發(fā)生在新車型K8的預生產(chǎn)階段，在焊裝車間合拼線，頂棚和側(cè)圍激光焊接工位，左右兩側(cè)整條焊縫都有可能發(fā)生，無特定的位置，該問題從2018年6月到2019年8月斷斷續(xù)續(xù)發(fā)生，不良率10%，平均焊接質(zhì)量評分87分（3個針孔扣一分）。

為防止涂裝電泳后出現(xiàn)留痕問題，人工返修工位對有針孔的焊縫需要進行補焊和打磨處理，公司質(zhì)量部要求在新車型投產(chǎn)前解決針孔問題，設定平均焊接質(zhì)量評分不低于96分的量產(chǎn)目標。

2.2 原因分析

產(chǎn)生焊縫針孔的因素較多，如激光的功率、板件的間隙、焊接移動速度、焊絲的直徑等，因此，我們先通過4M1D法進行原因分析，如表1所示。

表1 4M1D分析表格

通過各個因素排查，確認設備參數(shù)是造成針孔問題的主要原因，因此，團隊計劃通過優(yōu)化參數(shù)設置來杜絕焊縫針孔問題。

2.3 設備參數(shù)優(yōu)化

總結(jié)了所有可調(diào)節(jié)的設備參數(shù)，主要有：

（1）激光功率 當前參數(shù)：4000W （參數(shù)范圍：3800～4000W）；

（2）機器人速度 當前參數(shù)：3.9m/s （參數(shù)范圍：3.4～3.9m/s）；

（3）送絲速度 當前參數(shù)：4.0m/s （參數(shù)范圍：3.4～3.9m/s）；

（4）熱絲電流 當前參數(shù)：130A （參數(shù)范圍：100A～150A）。

當前，K8設備參數(shù)基于老車型K4的設備參數(shù)，實際兩個車型側(cè)圍和頂棚的合拼夾具不同，板件間隙不同，車身材料也存在差異，因此，需要優(yōu)化參數(shù)配置，工藝技術(shù)團隊針對各個參數(shù)進行范圍內(nèi)的單獨微調(diào)，如圖2所示，都無法達到目標質(zhì)量分數(shù)。

圖2 單個設備參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

將每個參數(shù)調(diào)整到最高分數(shù)對應的參數(shù)值（激光功率：3800，機器人速度：3.4，送絲速度：4，熱絲電流：150），批量焊接15臺車進行驗證，針孔問題明顯改善，但是仍有20%的概率產(chǎn)生針孔孔需要返修，樣本質(zhì)量平均分94.7分，離目標分數(shù)仍有差距。考慮到各個設備參數(shù)存在相互作用，再次盲目調(diào)節(jié)參數(shù)無法得到最優(yōu)配置，工藝團隊決定使用DOE法進行分析，找到最合適的設備參數(shù)。

2.4 使用DOE方法參數(shù)優(yōu)化

DOE法是通過設計實驗，找到所有因素中的關(guān)鍵因素，同時可以擬合最佳的參數(shù)設置。因此，首先要篩選出所有影響激光釬焊品質(zhì)的因子，進行建模。如圖3所示。

圖3 因子篩選

按照PS 50002/7標準對每個參數(shù)按質(zhì)量影響程度進行打分，我們篩選出4個重要因子，其他因子為離散或連續(xù)的噪音輸入；實驗模型是采用4因子、2水平的篩選試驗，實驗開始前，首先，對所有噪音輸入如光斑直徑，激光波長，板件間隙進行控制，確保合理性和一致性。然后針對四個輸入因子，在參數(shù)范圍內(nèi)使用隨機的15組參數(shù)進行激光焊接，最后，采集所有數(shù)據(jù)和對應質(zhì)量分數(shù)，使用MINITAB軟件進行DOE分析。從DOE分析結(jié)果可看到，因子之間的相互作用是影響質(zhì)量的第二關(guān)鍵因素，通過數(shù)據(jù)擬合，DOE也給出了最佳的設備參數(shù)組合。如圖4、圖5所示。

圖4 關(guān)鍵因子篩選分析

圖5 DOE優(yōu)化數(shù)據(jù)

激光功率：3800，機器人速度：3.4，送絲速度：4，熱絲電流：100。

使用該參數(shù)組合又進行15臺車的批量激光焊接驗證，基本無針孔產(chǎn)生，平均質(zhì)量得分97.1，達到設定的質(zhì)量目標，持續(xù)監(jiān)控3個月后，針孔問題很少發(fā)生。

3 結(jié)語

面對復雜的工藝設備環(huán)境，如何控制各種影響因素，以最少的投入，換取最大的質(zhì)量收益是當今汽車制造業(yè)一大難題；使用DOE方法可以從眾多的影響因素中找出影響輸出的主要因素，分析影響因素之間交互作用影響的大小，并通過對實驗結(jié)果的分析、比較，找出達到最優(yōu)化方案，改善質(zhì)量及設備問題，可以在制造業(yè)進行大力推廣。