王攀 蔣曉明 劉曉光 赫亮

（廣東省自動(dòng)化研究所廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室）

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)組合優(yōu)化

王攀 蔣曉明 劉曉光 赫亮

（廣東省自動(dòng)化研究所廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室）

采用3因素3水平的正交試驗(yàn)，對(duì)影響焊接質(zhì)量的焊接參數(shù)（電極壓力、焊接電流和時(shí)間）進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差值和方差值的分析，得出影響焊接質(zhì)量的主次因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用電極壓力為10 N、焊接電流為1.0 kA、焊接時(shí)間為0.5 s的參數(shù)組合，可得到最大的焊件極限抗拉載荷，焊接質(zhì)量最優(yōu)。焊接電流對(duì)點(diǎn)焊接頭的焊接質(zhì)量影響程度最明顯，其次為焊接時(shí)間，電極壓力影響程度最小。本試驗(yàn)可為電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)組合優(yōu)化和質(zhì)量控制提供指導(dǎo)依據(jù)。

正交試驗(yàn)；電阻點(diǎn)焊；抗拉載荷

0 引言

電阻點(diǎn)焊具有高質(zhì)量、高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、汽車等行業(yè)。在實(shí)際的點(diǎn)焊操作過程中，選擇合理的焊接參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的必要條件。在焊接材料指標(biāo)、電極的材料、端面形狀和尺寸選定后，焊接質(zhì)量主要取決于3個(gè)參數(shù)：電極壓力、焊接電流和焊接時(shí)間[1]。各焊接參數(shù)相互配合對(duì)焊接質(zhì)量的影響各不相同。焊接參數(shù)指標(biāo)的權(quán)衡，是擺在焊接工作者面前的一道難題。

在實(shí)際工作中，常常需要同時(shí)考察3個(gè)及以上的試驗(yàn)因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，試驗(yàn)的規(guī)模將很大，往往因試驗(yàn)條件的限制而難于實(shí)施。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。其特點(diǎn)是用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，通過對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的狀況[2]。本試驗(yàn)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過最簡(jiǎn)便易行的方法，對(duì)上述3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到最高的焊接質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備和性能測(cè)試

試驗(yàn)針對(duì)電阻點(diǎn)焊設(shè)備在電子元器件引線的焊接應(yīng)用展開測(cè)試。根據(jù)常用測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，選擇如下焊接試驗(yàn)材料及指標(biāo)：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(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

電阻點(diǎn)焊設(shè)備為自行研制的UNQ2000型精密電阻點(diǎn)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(shè)備如圖1所示。試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為HY-0310微機(jī)控制臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，最大負(fù)荷為3000 N。針對(duì)電阻點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖1 焊接設(shè)備

評(píng)判焊件焊接質(zhì)量好壞有多種因素，如焊點(diǎn)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(qiáng)度或抗拉載荷作為評(píng)判焊接質(zhì)量的最主要因素。本試驗(yàn)針對(duì)特定的焊接材料，選擇不同的焊接參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，選出抗拉載荷最高的參數(shù)組合。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 確定因素水平

根據(jù)電阻點(diǎn)焊原理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(shí)間0.4 s~0.6 s。電極壓力通過焊接機(jī)頭設(shè)定，焊接電流和焊接時(shí)間通過點(diǎn)焊電源設(shè)定。每個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。可以

確定，該試驗(yàn)為3因素3水平試驗(yàn)。因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

2.2 選擇正交表

若采用全面試驗(yàn)方案，3因素3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為33=27，如表2所示，需要重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)為27次。以此類推，當(dāng)因素水平繼續(xù)遞增時(shí)，試驗(yàn)次數(shù)會(huì)以幾何級(jí)倍數(shù)增長(zhǎng)。

表2 3因素3水平全面試驗(yàn)方案

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

從優(yōu)選區(qū)全面試驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗(yàn)點(diǎn)來進(jìn)行試驗(yàn)。圖2中標(biāo)有試驗(yàn)號(hào)的9個(gè)“(·)”就是利用正交表L9（34）從27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出來的9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。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(gè)水平與B因素、C因素的各個(gè)水平在試驗(yàn)中各搭配一次。從圖2中均衡分散立體圖可以看出，9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在優(yōu)選區(qū)中分布是均衡的，在立方體的每個(gè)平面上恰好有3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)；在立方體的每條線上恰好有1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均衡地分布于整個(gè)立方體內(nèi)，有很強(qiáng)的代表性，比較全面地反映優(yōu)選區(qū)內(nèi)的基本情況。

圖2 3因素3水平試驗(yàn)的均衡分散立體圖

3 數(shù)據(jù)記錄與分析

數(shù)據(jù)分析的目的是分清各因素的主次順序，判斷因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度，并找出試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，并估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。

正交試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析最常用的方法是極差分析法和方差分析法，應(yīng)用極差法可得出因素的主次順序和最優(yōu)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(yàn)同時(shí)采用極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，步驟如圖3所示。

圖3 正交試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析步驟

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)選定的試驗(yàn)材料、設(shè)備和試驗(yàn)方法，在9個(gè)不同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行點(diǎn)焊和焊件抗拉載荷試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表3中。在進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析時(shí)，表頭設(shè)計(jì)要求留有空列，即誤差列。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

3.2 數(shù)據(jù)極差分析

極差分析法簡(jiǎn)稱R法，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀形象、簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn)。R法需逐一計(jì)算第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)、Kjm和Kjm的平均值kjm，由kjm大小可以判斷第j列因素的優(yōu)水平和優(yōu)組合。

A因素列：

同理可分別計(jì)算B和C因素列下的Kjm及kjm值。

下一步計(jì)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(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。根據(jù)Rj大小，可以判斷因素主次順序。

A因素列：

同理，可分別計(jì)算B和C因素列下的Rj值，并將計(jì)算數(shù)據(jù)記錄在表4中。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用氮、磷、鉀肥總量控制設(shè)計(jì)，將氮、磷、鉀肥總量控制試驗(yàn)整合為一個(gè)試驗(yàn)，施肥量及施肥方法見表2，動(dòng)態(tài)優(yōu)化施肥試根據(jù)要求，重點(diǎn)做好氮、磷、鉀肥總量控制試驗(yàn)[16-20]。

表4 計(jì)算數(shù)據(jù)記錄

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

3.3 數(shù)據(jù)方差分析

應(yīng)用方差分析法，各試驗(yàn)因素可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小給出精確數(shù)量估計(jì)，并通過量化指標(biāo)來判斷所考察因素的影響作用是否顯著。

1)計(jì)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(duì)應(yīng)本試驗(yàn)，即為

由上公式，可計(jì)算得出

總離差平方和SST=Q－P=13541。

各列離差平方和

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

2)計(jì)算自由度

總自由度：dfT＝n－1=8；

各列離差平方和對(duì)應(yīng)的自由度dfj＝r－1=2。

3)計(jì)算方差

對(duì)于因素A，其方差

同理，可計(jì)算出MSB=6026；MSC=700；MSe=15。

4)計(jì)算F值

對(duì)于因素A，其F值

同理，可計(jì)算出FB=402；FC=47。

5)查F分布表，作顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)以上計(jì)算，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。列出方差分析表，結(jié)果如表5所示。若FA>Fa( dfA,dfe)，則認(rèn)為因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，反之認(rèn)為該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(shí)間）顯著，因素A（電極壓力）不顯著，因素主次順序?yàn)锽>C>A。應(yīng)用方差分析法和極差分析法，所得分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)法，選用L9（34）正交表（不考慮交互作用），針對(duì)電子元器件引線點(diǎn)焊應(yīng)用展開測(cè)試，同時(shí)采用極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)電極壓力為10 N，焊接電流為1.0 kA，焊接時(shí)間為0.5 s時(shí)，為最優(yōu)組合，工件進(jìn)行點(diǎn)焊焊接后，抗拉載荷最大，焊接質(zhì)量最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)的最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)相一致；

2)電極壓力、焊接電流和焊接時(shí)間這3個(gè)參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊接頭焊接質(zhì)量都有影響，且焊接電流影響程度最明顯，其次為焊接時(shí)間，電極壓力影響程度最小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，在保證焊接無飛濺的前提下，應(yīng)設(shè)置較大的焊接電流值。

[1]孟凡杰.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在電阻焊焊接參數(shù)選擇上的應(yīng)用[J].焊接技術(shù),2004,33(5):18-19.

[2]劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(9):52-55.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第一卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:223-226.

[4]閻俊霞,胡云巖,睢丙東.電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),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(shí)習(xí)員，學(xué)士，主要研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。E-mail:wpgdut@163.com