焊接参数试验设计及Minitab软件应用探讨

陈成强　鲍俐威　唐小利

摘要：点焊因其具有易操作、生产效率高、易实现自动化、不需要使用外加耗材、成本低、无有害气体、劳动条件好等优点成为最常用的焊接方法，广泛应用于现代制造业。文章通过实例阐述了Minitab软件DOE功能的应用，提出了快速、有效地选择设定点焊关键参数的科学方法。

关键词：焊接参数；试验设计；Minitab软件；点焊；现代制造业 文献标识码：A

中图分类号：TP31 文章编号：1009-2374（2016）08-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.025

1 概述

点焊是在加压状态下，通过大电流、短时间进行焊接的过程，产品变形小与应力小，能获得较好的表面质量，是目前最常用的焊接方法之一，广泛应用于现代制造业及其他高科技产业与领域。点焊工作的本质是通过上下两个电极在一定的压力作用下，让焊接电流从上电极经过工件1和工件2流向下电极形成回路；两工件因电流作用在接触电阻点形成瞬间的热熔接。这种焊接方式不会改变焊件的内部结构。

Minitab软件是一个很好的质量管理、设计、控制的软件，更是持续质量改进的良好工具软件。Minitab软件功能强大、操作简易，为质量改善、教育研究等应用领域提供重要服务，是现代质量管理统计应用最为普遍的工具软件，应用非常广泛，深受用户青睐，被誉为是六西格玛实施的一种通用语言。DOE是Minitab软件的一个功能模块，在质量控制的整个过程中起到非常重要的作用，它是我们产品质量提高、工艺流程改善的重要保证，是一个很好的质量工具。实验设计主要运用于产品质量改善、工艺流程优化等方面，可以根据试验产品特点选择不同的实验设计种类、帮助设计实验步骤；通过工艺参数的量化分析，寻找相关因子，并且确定关键因子；以最少的投入，确定最优的因子组合，从而提升产品质量，优化工艺流程。

2 参数介绍与选择

决定点焊品质的有以下要素：焊接电流、焊接时间、施加压力、电极材料、电极端头形状及表面状态、焊件材料、厚度及表面状态等。焊后表面质量同样与焊接电流、压力、时间、电极形状及尺寸有关。另外根据点焊原理，点焊时产生的热量公式决定。热量公式为Q=IIRT。其中，Q为产生的热量；I为焊接电流；R为电极间电阻；T为焊接时间。

根据以上公式，在焊接过程时，电流I与热能的产生是二次方的影响，对焊接影响最大，确定为关键因子。另外，焊接电流与焊件的材料、尺寸大小、厚度及表面质量有关。为了保证熔核尺寸和焊点强度，可以增大电极极头直径，但会影响焊接表面美观性。另外也可以通过加长焊接时间来提升焊点强度，同样它会影响生产效率。一般来说金属导电率越高，电流越大，压力越大，焊接时间越短。选何种方式，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。点焊过程的通电时间由焊工根据工件予设定焊接时间自动加以控制，合适的焊接时间使工件每一点保持一定的焊接质量和成型。电极间电阻R（总）=R1（两电极本身）+R2（两工件本身）+R3（电极与工件间）+R4（两工件间）。R1与R2的本身电阻相比R（总）要小得多，一般忽略不计；R3两电极与两工件间的电阻一般受工件表面质量和电极头表面质量影响，在做好维护的情况下较少考虑其影响。当工件和电极一定时，工件的电阻取决于它的电阻率，因此电阻率是被焊材料的重要性能。电阻率高的金属其导电性差，点焊时产热易而散热难，可用较小电流（几千安培）；电阻率低的金属其导电性好，点焊时产热难而散热易，必须用很大电流（几万安培）。最常用的钢板与不锈钢是电阻率高的金属。另外要增加焊点强度，需要适度地减小焊接压力，因为两电极间总电阻R（总）在电极压力增大时，R（总）会显著减小，而此时对焊接电流的影响却不明显，所以电极压力不是越大越好。

电极形状、尺寸及材料性能、焊件材料和厚度及表面状况对点焊也存在较大影响。由于电极的接触面积决定着电流密度，一般电极接触面的直径大致为焊接件厚的5倍或2倍加3毫米；接触面积大小与焊点强度、焊后表面质量有关；电极材料的电阻率和导热性影响热量的产生和散失，因此电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。焊件的材料和厚度在产品开发设计阶段就必须充分考虑，要根据现有设备、工艺水平、材料的可焊性等因素来选择。焊件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质会增大接触电阻。

3 Minitab软件应用

一般情况是根据被焊产品工件的材料和厚度，首先选择焊接设备，确定设备的焊接能力；再参考材料的焊接条件并结合所选择的焊接设备，确定焊接电极的端面形状和尺寸。电极的端面形状和尺寸对焊接表面质量影响比较大。然后根据生产经验初步选电极压力和焊接时间，最后通过调节焊接电流，直到熔核直径符合要求后，再在适当的范围内调节电极压力、焊接时间和焊接电流，进行焊接试验，直到焊点质量符合技术要求为止。根据以上分析，接下来采用8mm圆形电极，极头修磨平整，设备维护正常，有稳压保护，焊件焊前处理符合要求。以厚度1.5mm对1.5mm，材料为Q235的冷板进行点焊；对电极压力、焊接时间、焊接电流3个关键可调整性好的参数分别取3个水平做DOE分析。考虑因子量不大，所以决定直接采用全因子全排列进行试验分析。

我们将利用Minitab软件，创建因子设计。首先打开Minitab软件，在统计菜单下选择DOE命令，选择因子菜单下的创建因子设计。在跳出的创建因子设计的对话框中，设计类型选择一般全因子设计，因子数选择为3；点击设计，创建每个因子的水平值；最后点确认得出全因子全水平的表。根据这个表格去制样，为避免单件可能出现的偶尔情况，对每组参数组合制样3件。根据3因子3水平全排列27组，每组制样3件，共需要制件81件。

对焊点质量判断一般采用破坏拉开法，在拉开试样的一片上有圆孔，另一片上有圆凸台的表示焊接可靠。常见的焊接失效有虚焊和焊接不充分。虚焊会出现自然脱落等现象，比较容易判断。焊接不充分有时需要进行低倍测量、拉抻试验和X光检验，以判定熔透率、抗剪强度和有无缩孔、裂纹等。例如厚板或淬火材料有时不能撕出圆孔和凸台，但可通过剪切的断口判断熔核的直径。首先我们对生产好的27组组合81件样件按要求编号，并测量出它们的每个焊点直径，将其统计到记录表中；其次用实验室拉力试验机，对81件样件做拉力试验，也将剪切值记录到统计表中；最后我们将统计表中的测试数据输入到Minitab软件中，自动计算出剪切力与三因子的交互作用、焊疤直径与三因子的交互作用、剪切力与三因子的独立作用、焊疤直径与三因子的独立

作用。

根据以上试验结果，我们对剪切力、焊疤尺寸、点焊融合尺寸、拉脱状态四方面进行综合评估，择优选取四组参数组合进行设计验证。通过使用实际产品工件再测试来验证所选择的参数，能够确保点焊质量的稳定性与可靠性，确保表面质量符合客户要求，确保使用实际产品工件型材对点焊质量的影响，确保所选参数对批量生产的无影响。接下来进行优化设计验证。我们对所选出的4组参数组合，每组参数6个样件，共24件样件进行分析，与前面一样的方法做拉力测试。最终将测试验证数据整理统计到记录表中，再邀请经验工程师与客户对以上四组样件做外观评价。因为产品属于外观件，零件的表面质量需要满足客户的需求与市场的认可度，所以综合以上各方面因素最终选择点焊力学性能最优、质量稳定可靠、外观质量满足需求的运行序22号参数组。

4 焊点质量判断与监控

对于试验样件可以采用破坏性的拉开法来判断焊点质量，但对于生产产品一般采用无损检测方法，主要有预防、控制和检验三方面。预防就是防止不合格产品的发生，主要是对焊接设备维护和监测，保证焊接系统参数和设计要求一致。控制是应用先进的监控或感应技术对生产设备进行在线监测，保证不合格焊点被及时发现。检验是指对已经完成的焊点进行表面质量检查和抽样做破坏的拉开试验。超声波无损检测不但可以弥补传统检查的局限性，还可以逐步替代现有的破坏性检查。

5 结语

通过以上的DOE方法能够快速并科学地找到最适合我们需求的参数组，解决了当初因为参数设置不合理而导致点焊虚焊产生质量问题。在解决类似其他问题时也可以采用同样的DOE方法，通过因子设计、优化、验证、改进落实等步骤来完成，最后对设备参数进行调整，制定TPM，更新作业指导文件和工艺控制文件及检验指导文件，并对相关人员进行操做培训。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）