【正文】 第四章 鋁合金電阻焊的加工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 引言通過(guò)上幾章對(duì)鋁合金特性的分析，我們知道鋁合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)，加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)容易造成不熔合現(xiàn)象。但其焊接性較差，且對(duì)焊接形成挑戰(zhàn)的原因主要是：缺乏工藝標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致大量的質(zhì)量問(wèn)題。合理選擇工藝參數(shù)則是控制焊點(diǎn)質(zhì)量的最主要途徑。本文通過(guò)一種既能減少試驗(yàn)次數(shù)，又能獲得可靠結(jié)果的多因素的優(yōu)選方法— 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲取最佳工藝參數(shù)。其代替了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法．在確保試驗(yàn)結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上，提高了試驗(yàn)效率。在鋁合金電阻點(diǎn)焊的加工工藝研究方面有不可替代的作用，使鋁合金電阻焊能獲得很好的焊接質(zhì)量。 點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化的理論基礎(chǔ) 正交實(shí)驗(yàn)法的基本思路 正交實(shí)驗(yàn)法師一種安排多因素試驗(yàn)的教學(xué)方法，他是從大量的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。事實(shí)證明這一方法簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用廣泛，效果良好。無(wú)論在提高定型產(chǎn)品的質(zhì)量，產(chǎn)量，研究新工藝，以及改進(jìn)技術(shù)性能和改進(jìn)技術(shù)管理等方面。正交試驗(yàn)法都取得了巨大的成功。 正交試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速 經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。日本著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家田13玄一將正交試驗(yàn)選擇的水平組合列成表格．稱(chēng)為正交表。正交表是一整套規(guī)則的設(shè)計(jì)表格．用Ln(tc)表示，其中L為正交表的代號(hào)：幾為試驗(yàn)的次數(shù)；f為水平數(shù)：c為列數(shù)，即可能安排最多的因素個(gè)數(shù)。見(jiàn)表1。例如，做一個(gè)三因素三水平的試驗(yàn)．按全面試驗(yàn)要求 需進(jìn)行33=27種組合的試驗(yàn)．且尚未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)。若按L9(33)正交表安排試驗(yàn)．只需作9次；按L18(34)正交表則需作18次試驗(yàn)，顯然大大減少了工作量。因而正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。正交表具有如下性質(zhì)。如表41和42所示： 表41 L4(23)正交表因素1 因素2 因素3111122212221 表42 正交表 L9（34）NO.ABCD111112122231333421235223162312731228321393321a．每一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等。例如．在兩水平正交表中．任何一列都有數(shù)碼“1”與“2”．且在任何一列中它們出現(xiàn)的次數(shù)相等；在三水平正交表中，任何一列都有“1” “2”、“3”．且在任一列中出現(xiàn)的次數(shù)均相等。b．在任意2列中，將同一行的2個(gè)數(shù)字看成有序數(shù)對(duì)時(shí)．每種數(shù)對(duì)出現(xiàn)的次數(shù)是相等的。如表1中的(1． 1)、 (1 2) (2 1)、 (2，2)，它們各出現(xiàn)一次。以上2點(diǎn)充分體現(xiàn)了正交表的優(yōu)越性，即“均勻分散性，整齊可比”。對(duì)焊點(diǎn)的質(zhì)量要求首先體現(xiàn)在點(diǎn)焊接頭要具有一定的強(qiáng)度，而強(qiáng)度主要取決于熔核尺寸(熔核直徑和焊透率)，熔核質(zhì)量及其周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)的金屬顯微組織及缺陷情況。前者“量”的因素，后者是“質(zhì)”的因素。但由于轎車(chē)車(chē)身點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)．“質(zhì)”的因素導(dǎo)致的缺陷問(wèn)題相對(duì)較少。所以本文研究的重點(diǎn)主要從量的方面考慮。對(duì)點(diǎn)焊焊接循環(huán)過(guò)程進(jìn)行分析，找出循環(huán)要素再加以調(diào)整優(yōu)化．從而獲得最佳焊點(diǎn)熔核．見(jiàn)圖51。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法把影響參數(shù)分為2類(lèi)。a．控制參數(shù)：可以控制的參數(shù) 即設(shè)計(jì)參數(shù)，可以確定它們的名義值。b．噪聲參數(shù)：不能控制的參數(shù)；有些噪聲參數(shù)不一定完全不可控，只是因?yàn)榭刂破饋?lái)很困難且成本高而不宜控制．所以歸入噪聲參數(shù)。根將一些不可控或者不宜控制的噪聲參數(shù)去除，如預(yù)壓力、鍛壓力、預(yù)熱電流、熱處理電流等。如圖41和42所示：圖 41 點(diǎn)焊焊接循環(huán)l一預(yù)壓程序；2一熱量遞增程序；3一加熱1程序；4_一冷卻l程序；5加熱2程序；6冷卻2程序；7一加熱；8一熱量遞減程序；9一維持程序；lO—休止程序；Fpr一預(yù)壓壓力；Ff0—鍛壓力； I1預(yù)熱電流； I2一焊接電流；I3一熱處理電流；t焊接時(shí)間； FW一焊接壓力. Fpr=(～)FW, Ff0=(2～3) FW, I1=(0．25～0，5)，I2= (0．5～O．7)I。 圖42 簡(jiǎn)化的焊接循環(huán)1預(yù)壓程序 2焊接程序 3維持程序 4休止程序 a預(yù)壓 b，c通電加熱；d冷卻結(jié)晶 鋁合金電阻點(diǎn)焊的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選取電阻點(diǎn)焊焊接規(guī)范的正交實(shí)驗(yàn)過(guò)程:采用型號(hào)為L(zhǎng)F2的鋁合金板做成9個(gè)試樣。尺寸為：20mm10mm。將制備好的試樣，在不添加材料的情況下用電焊機(jī)進(jìn)行焊接，根據(jù)正交方法得出最佳的焊接規(guī)范。即找到最佳的電流。實(shí)踐和壓力的組合。考察的指標(biāo)是點(diǎn)焊飛濺的多少以及憨厚試樣的融合情況。選擇電流，時(shí)間，氣壓三個(gè)因素，這樣先處略取這三個(gè)因素的三個(gè)水平：如表43所示： 表43 焊接規(guī)范因素電流（I/A）時(shí)間（t/ms）壓力（P/MPa）一水平1200080二水平14000100三水平16000120正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。選擇適當(dāng)?shù)恼槐戆才旁囼?yàn)。選擇標(biāo)準(zhǔn)的L9（34）正交表安排試驗(yàn), 每種參數(shù)的試驗(yàn)重復(fù)3次, 對(duì)每一試樣進(jìn)行編號(hào)。再按照表43把各列的水平數(shù)用該列因素相應(yīng)的水平寫(xiě)出來(lái)，就得到實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表44。 表44 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案試號(hào) 1 2 3現(xiàn)象壓力（P/MPa）電流（I/A）時(shí)間（t/ms）11（）1（12000）1（80）飛濺少，熔核小21（）2（14000）2（120）飛濺較多，熔核稍好31（）3（16000）3(100)焊穿，飛濺多42（）1（12000）2（120）飛濺較少，熔核小52（）2（14000）3（100）飛濺較少，熔核較好62（）3（16000）1（80）焊穿，飛濺多73（）1（12000）3（100）飛濺少，熔核小83（）2（14000）1（80）飛濺多，熔核稍好93（）3（16000）2（120）焊穿，飛濺很大我們通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案做了以上幾組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生現(xiàn)象的貫徹得出試樣5最接近最佳焊接參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 我們采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。見(jiàn)表53。K1為因素I、t的第1水平所在試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的各測(cè)量值之和：K2為因素I， t的第2水平所在試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的各測(cè)量值之和；極差為同一列中K1/2. K2/2這2個(gè)數(shù)中的較大者減去較小者所得的差值(極差數(shù)值的大小所反映的是各因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小。極差越大，說(shuō)明這個(gè)因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大)。從表41可知．每一個(gè)因素對(duì)各指標(biāo)的影響如下。a．焊接電流對(duì)各指標(biāo)的影響：對(duì)這2個(gè)指標(biāo)，焊接電流的極差都是較大的，也就是說(shuō)焊接電流是影響最大的因素； 同時(shí)，觀察因素焊接電流的2個(gè)水平所對(duì)應(yīng)值可知．各指標(biāo)中均為，的第5個(gè)水平對(duì)應(yīng)的數(shù)值最大，故取第5個(gè)水平為最好。b．焊接時(shí)間對(duì)各指標(biāo)的影響：對(duì)這2個(gè)指標(biāo)，焊接時(shí)間的極差都是較小的，也就是說(shuō)焊接時(shí)間是較次要的影響因素：同時(shí)，觀察因素t的2個(gè)水平所對(duì)應(yīng) 值可知，各指標(biāo)中均為t的第5個(gè)水平對(duì)應(yīng)的數(shù)值最大，故取第5個(gè)水平為最好。綜上所述．最佳的參數(shù)為水平5，即焊接電流取14000A,焊接時(shí)間取t=100ms，壓力P=。該參數(shù)的最優(yōu)水平均在該因素取值的某一端點(diǎn)，所以最優(yōu)點(diǎn)有繼續(xù)延伸的可能。可以繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。但是，考慮到實(shí)際生產(chǎn)效率，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，所以后續(xù)優(yōu)化時(shí)可以考慮減少焊接時(shí)間或保持焊接時(shí)間不變．調(diào)整焊接電流。綜上述數(shù)據(jù)分析可以看出，電流對(duì)焊接質(zhì)量的影響最大，其次是焊接時(shí)間，再次是壓力。同時(shí)通過(guò)觀察可以看出試樣5焊合的較好，飛濺較少，熔核較好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的現(xiàn)象是相吻合的，所以我們得到該實(shí)驗(yàn)得最好的焊接參數(shù)。I=14000A,t=100ms,P=。如圖53所示的最佳焊接規(guī)范： 圖43 鋁合金電阻焊最佳焊接參數(shù) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)通過(guò)上述試驗(yàn)可以看出，通過(guò)對(duì)不同焊接參數(shù)下焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析可以使工藝人員進(jìn)行工藝編制時(shí)做出理性的判斷。能獲得理論的加工優(yōu)化參數(shù)，有利于加工設(shè)計(jì)的進(jìn)行。(2)對(duì)易發(fā)生焊接質(zhì)量工位的焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以減少焊接缺陷的發(fā)生。(3)通過(guò)工藝優(yōu)化可以提高焊點(diǎn)質(zhì)量，但在實(shí)際生產(chǎn)中影響點(diǎn)焊質(zhì)量的因素還很多．如鈑金件配合間隙、焊接部件的結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)間距，焊接件表面的狀態(tài)、分流等。 本章小結(jié)本章主要介紹了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，合理選取了焊接電流、電極壓力、焊接時(shí)間三因素，選用L9（34）正交表進(jìn)行了正交試驗(yàn)。通過(guò)正交試驗(yàn)法, 采取L9（34）正交表對(duì)鋁合金板材在點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行點(diǎn)焊工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn), 通過(guò)極差分析, 得出點(diǎn)焊最佳工藝參數(shù)（即焊接時(shí)間為100ms ,電極壓力為1450N, 焊接電流為14kA）,并經(jīng)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)證明, 試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)的最佳工藝參數(shù)相吻合, 拉伸試件斷裂于基體鋁合金板。正交試驗(yàn)的方差分析表明, 在正交試驗(yàn)所考慮的3個(gè)因素（焊接時(shí)間、電極壓力和焊接電流）, 對(duì)點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能均有影響, 焊接電流對(duì)點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能影響最為顯著, 其次是焊接時(shí)間, 電極壓力的影響排在最后；在電極頭端面尺寸為固定尺寸8mm時(shí), 各因素對(duì)點(diǎn)焊工藝性能無(wú)明顯影響, 工藝性能均表現(xiàn)為無(wú)飛濺無(wú)壓痕。在實(shí)際工程中, 分清主次因素對(duì)工程質(zhì)量具有重要意義。致謝 非常感謝王志偉老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到實(shí)驗(yàn)、寫(xiě)作、修改，到論文定稿他給了我們耐心的指導(dǎo)和無(wú)私的幫助。在此我向他們表示我誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來(lái)給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意！參考文獻(xiàn)[1]劉翠榮，吳志生. 鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 太原科技大學(xué)。[2]馬迎兵，羅震，羅寶發(fā)等 鋁合金電阻點(diǎn)焊中微量合金元素的作用 天津大學(xué)。[4]元恒新，陳海英 鋁合金車(chē)身的點(diǎn)焊工藝 重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院。[5]程方杰．鋁合金點(diǎn)焊中的接觸電阻與電機(jī)燒損問(wèn)題的研究[D]．天津：天津大學(xué)，2O02。[6]曹海鵬，趙熹華，趙蕾等鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)選擇的智能化 吉林大學(xué)。[7] HAO MO Osman K A. et al. Developments in characterization of resistance spot welding of aluminum [J].Welding Journal 1996, 75(1)。[8] 白鋼，張勇，楊思乾，點(diǎn)焊熔核尺寸與工藝參數(shù)關(guān)系的模型化處理[J]，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，第23卷，第5期，570571。[9] H. Zhang and J. Senkara: ‘Resistance WeldingFundamentals and Applications’, 2006, Taylor and Francis, Florida, USA。[10] 陳翠欣 鋁合金電阻點(diǎn)焊的熔核生長(zhǎng)模型 河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院。[11]翼春濤，羅賢星 鋁合金電阻點(diǎn)焊電機(jī)壽命及其表面特征分析。[12] 曹海鵬，趙熹華， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008[13] 李亞江，劉強(qiáng)，[M]。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006[14] 孟慶森，[M]。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006[15] J. C. Kucza, J. R. Butrulle and E. Hank: ‘Aluminum as rolled sheet for applicationeffect of surface oxide on resistance spot’, Technical paper no. 970013, Warrendale, PA, SAE, 1997.[16 M. Rashid, S. Fukumoto, J. B. Medley, J. Villafuerte and Y. Zhou: Weld. J. Res., 2007, (Suppl.), 62s–70s。[17] 羅賢星，冀春濤，［J］。航空工程與維修，2002（1）：4445。