黃大坤

[摘 ? ?要]振動(dòng)摩擦焊接作為一種新型焊接工藝，解決了傳統(tǒng)焊融類工藝對(duì)非金屬材質(zhì)加工困難的情況，由于自身工藝特點(diǎn)，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，具備優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此在非金屬焊接領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。隨著實(shí)際運(yùn)用對(duì)焊接精深度要求越來越高，加工過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際值普遍高于理論值的情況，導(dǎo)致部分焊接產(chǎn)品不合格率低于期望值。運(yùn)用六西格瑪分析方法，在現(xiàn)有摩擦焊接過程原理基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行流程，設(shè)計(jì)測(cè)試分析方案，并從測(cè)試數(shù)據(jù)中找出遺漏影響的因子-保壓時(shí)間。最后運(yùn)用六西格瑪回歸分析得出保壓時(shí)間與焊接深度的函數(shù)關(guān)系，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)設(shè)置、質(zhì)量實(shí)驗(yàn)等實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]測(cè)量系統(tǒng);影響因子;回歸分析

[中圖分類號(hào)]TG439.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–03

[Abstract]As a new type of welding process， vibration friction welding solves the problem that traditional welding and melting process is difficult to process non-metallic materials. Due to its own process characteristics， compared with traditional welding process， it has the advantages of high quality， high efficiency， energy saving and no pollution， so it is more and more widely used in the field of non-metallic welding. With the actual use of more and more high requirements for the depth of welding precision， it is found that the actual value is generally higher than the theoretical value in the process of processing， resulting in the unqualified rate of some welding products is lower than the expected value. In this paper， based on the existing friction welding process principle， combined with the equipment operation process， the test analysis scheme is designed by using six sigma analysis method， and the missing influence factor - holding time is found out from the test data. Finally， the functional relationship between holding time and welding depth is obtained by using Six Sigma regression analysis， which is used to guide the application of field process parameter setting， quality experiment and other practical scenarios.

[Keywords]measurement system; impact factor; regression analysis

1 研究背景

隨著焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍，常規(guī)的焊熔工藝對(duì)塑料等非金屬材質(zhì)焊接加工困難;而新型的振動(dòng)摩擦焊接加工工藝則解決了這一加工難題。振動(dòng)摩擦焊接工藝是一種固態(tài)結(jié)合焊接工藝過程，即兩個(gè)焊接工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，在壓力下對(duì)接，由于接觸面產(chǎn)生熱量，使焊件材料從接觸面塑性地相互滲透融合，在振動(dòng)停止后，熔融塑料層固化，并產(chǎn)生一個(gè)堅(jiān)固的接頭（見圖1）。與常規(guī)焊熔加工工藝比較，無需要焊條、焊劑和保護(hù)氣體等加工條件，屬于優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能無污染的新型焊接技術(shù)。

隨著振動(dòng)摩擦焊接工藝在非金屬行業(yè)大量應(yīng)用，對(duì)焊接精度要求越來越高，其中對(duì)焊接深度參數(shù)要求尤為明顯;在應(yīng)用中，普遍反饋實(shí)際的焊接深度比理論設(shè)定的焊接深度值偏大，導(dǎo)致部分產(chǎn)品合格率低于期望值。本文以某客戶端塑料樣品和質(zhì)量要求為研究對(duì)象，結(jié)合振動(dòng)摩擦焊接原理，運(yùn)用六西格瑪為分析工具，找出影響焊接深度的工藝參數(shù)因子，并確認(rèn)其回歸函數(shù)方程和圖形，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)摩擦焊接應(yīng)用。

2 基本研究與構(gòu)思

從客戶端質(zhì)量要求參數(shù)得知：焊件焊接深度M為（0.8±0.1）mm，實(shí)際加工焊接深度μ為1.2 mm，高于客戶預(yù)期目標(biāo)值。結(jié)合樣品的焊接深度數(shù)據(jù)，計(jì)算加工過程能力CPK可得：

σwithin≈/d2≈0.149，Cpk=min{，}≈0.67

從上述可知Cpk<1，得到現(xiàn)場(chǎng)加工過程能力不足，實(shí)際值μ偏離M值較大，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

通過振動(dòng)摩擦焊接過程原理可知，焊接過程經(jīng)歷4個(gè)階段：固體摩擦階段、固液相變階段、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段和冷卻保壓階段（圖2）。①在固體摩擦階段，兩個(gè)零件表面相互摩擦產(chǎn)生熱量，材料表層被加熱達(dá)到熔點(diǎn)，其中熱量產(chǎn)生的快慢取決于材料摩擦性能和焊接參數(shù)（如頻率、振幅和壓力）。②在固液相變階段，此時(shí)材料的加熱方式由表面摩擦生熱，轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)下的層與層之間的剪應(yīng)力加熱。此時(shí)，熔融層厚度不斷增大，但隨著熔融層深度加大，加熱能力逐漸減少。③在穩(wěn)態(tài)熔體流動(dòng)階段，熔融速率等于向外流動(dòng)速率（穩(wěn)態(tài)），達(dá)到這一階段后，熔融層的厚度就會(huì)變得恒定，直到達(dá)到設(shè)定的焊接深度，振動(dòng)停止，④進(jìn)入冷卻階段。焊縫在靜態(tài)壓力下凝固，達(dá)到使工件焊接目的。

從上述焊接原理過程了解到，焊接深度在第1、第2階段和第3階段基本形成，在第4階段處于保壓凝固狀態(tài)，焊接深度h與焊接參數(shù)（如頻率f、振幅A和壓力P，振動(dòng)摩擦?xí)r間T）相關(guān)，對(duì)應(yīng)有函數(shù)關(guān)系h=f（f，A，P，T）;其中頻率與設(shè)備相關(guān)屬于常量，振幅A和壓力P與焊接材料相關(guān)，可由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定初始值，時(shí)間T與焊接深度h為正相關(guān);

另外在振動(dòng)摩擦焊接設(shè)備實(shí)際工作中，深度模式下時(shí)序如圖3所示。

從振動(dòng)摩擦過程和深度模式下時(shí)序圖，結(jié)合實(shí)際操作得知：在振動(dòng)摩擦焊接過程1至過程3，對(duì)應(yīng)設(shè)備運(yùn)行“直線尺響應(yīng)”“DP通信”“掃描周期輸出刷新”等三個(gè)時(shí)序，由于該三個(gè)時(shí)序?qū)儆谠O(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，其時(shí)間T屬于固定常量;在第四焊接過程對(duì)應(yīng)保壓時(shí)間T4，屬于可變量參數(shù)。

以客戶端質(zhì)量反饋的型塑料為研究對(duì)象，結(jié)合上述基本研究?jī)?nèi)容，在常用3種條件下的焊接振幅A、壓力P條件為已知參數(shù)，以可變量-保壓時(shí)間為樣本類別，測(cè)量全過程焊接深度變化情況，分析其焊接深度影響因子。

3 測(cè)量系統(tǒng)分析

本次選用振動(dòng)摩擦焊接M934L型為測(cè)試設(shè)備，其中配置焊接深度測(cè)量?jī)x器為BALLUFF直線尺深度傳感器;為確保測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，用55 cm×141 cm方形鐵塊作為測(cè)量對(duì)象，對(duì)BALLUFF進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析。具體操作步驟：用BALLUFF重復(fù)測(cè)量鐵塊高度，得到測(cè)量一組數(shù)據(jù)A（表1），計(jì)算重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差EV（表2）;選用在校驗(yàn)有效期的瑞士TESA高度尺測(cè)量鐵塊同一高度，得到另外一組數(shù)據(jù)組B，計(jì)算再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)V，測(cè)量數(shù)據(jù)如下。

重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差EV=0.00294 mm;再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)V=0.006 mm;已知焊接深度公差范圍是（0.8±0.1）mm，樣品焊接深度標(biāo)準(zhǔn)差TV為0.06 mm;

BALLUFF測(cè)量系統(tǒng)P/T=×100%=×100%≈11.17%

BALLUFF測(cè)量系統(tǒng)R&R=×100%=×100%≈20.11%。

由上述計(jì)算可知P/T和R&R值均小于30%，說明BALLUFF測(cè)量能力很好，滿足測(cè)量精度要求。

4 影響因子分析

基于測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度滿足測(cè)試要求，啟用設(shè)備主程序OB1后，調(diào)用M934L焊深運(yùn)算的功能模塊FC114。設(shè)置常用3種壓力和振幅參數(shù)，分別對(duì)焊接前3個(gè)階段和第4階段設(shè)置時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)整理如表3所示。

通過上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在第1至第3階段焊接深度基本形成情況下，在第4合模保壓階段，實(shí)際深度仍然會(huì)增加，由此可以推測(cè)：在第4階段的保壓時(shí)間會(huì)增加焊接深度，進(jìn)而引起設(shè)定值和實(shí)際制的差異;運(yùn)用六西格瑪方差分析進(jìn)一步驗(yàn)證，以3種條件下壓力P，振幅A為行，保壓時(shí)間為列，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到表4。

從表4可得，不同保壓時(shí)間P值=0.000 226<0.05，保壓時(shí)間因子對(duì)焊接深度影響顯著;進(jìn)一步可以得到：影響焊接深度除頻率、振幅A和壓力P，振動(dòng)摩擦?xí)r間T外，需要增加保壓時(shí)間T4因子;

5 焊接深度回歸模型分析

從基本研究中知道，焊接深度h=f（f，A，P，T），頻率Hz與設(shè)備相關(guān)屬于常量，振幅A和壓力P與焊接材料相關(guān)，時(shí)間T與焊接深度h為正相關(guān)，結(jié)合前期基本研究可以推測(cè)：焊接深度h1在前3階段基本形成，第四保壓冷卻階段焊接深度會(huì)增加，實(shí)際焊接深度由摩擦焊接深度和保壓冷卻深度組成。從主程序OB1調(diào)用OB35（100 ms循環(huán)中斷）程序上，顯示焊接深度變化見圖4：

從圖4可知：時(shí)間的焊接深度由2個(gè)階段形成，即焊接過程前3階段和焊接過程第4冷卻保壓階段，和推測(cè)結(jié)論一致;由此可得摩擦焊接深度h摩擦、保壓階段焊接深度h保壓與實(shí)際焊接深度關(guān)系如下：

6 總結(jié)

本次充分運(yùn)用六西格瑪為分析工具，結(jié)合振動(dòng)焊接摩擦原理過程，找出影響焊接深度的因子;首先從前期基本研究中發(fā)現(xiàn)影響焊接深度的因子為數(shù)據(jù)樣本，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行流程中發(fā)現(xiàn)各個(gè)階段的時(shí)序變化情況，并以其中可變參數(shù)樣本類別，達(dá)到區(qū)分對(duì)比差異的目的。其次，綜合前期基本研究，設(shè)計(jì)本次摩擦焊接測(cè)試方案，從測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)遺漏的焊接深度因子——保壓時(shí)間;最后，通過六西格瑪回歸分析，用函數(shù)關(guān)系定量描述保壓時(shí)間與焊接深度的關(guān)系。通過本次研究得出的結(jié)論，可用于指導(dǎo)在摩擦焊接在現(xiàn)時(shí)過程中的參數(shù)設(shè)置，質(zhì)量改善等應(yīng)用場(chǎng)景，具備實(shí)際操作指導(dǎo)意義。在此分析過程中，得到相關(guān)設(shè)計(jì)、研發(fā)和質(zhì)量部門一些建設(shè)性的意見和建議，在此表示感謝！

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