DOE实验设计方法在重型汽车中的应用研究

赵娜，刘林波

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

随着“互联网+”时代的到来，智能化、网联化、共享化已经成为汽车产业发展的重要方向。要实现智能化制造，则离不开大数据分析处理平台的支撑，智能技术不仅对设计开发能力提出了更高要求，也迫使数据分析应用能力要更上一个台阶。因此，如何应用数据分析处理平台，如何使数据分析方法更科学更严谨，这已经是现阶段智能设计需要探索研究的主要课题。本文以压油管接头的钎焊设计为例，借助minitab数据处理平台，介绍了如何对钎焊过程的参数及方法进行最优化设计，以保证压油管焊接质量的可靠性，从设计源头杜绝因焊接缺陷产生的压油管渗油或漏油现象。希望对工业制造中相关焊接的设计开发参数确认活动、生产制造活动或质量提升活动提供参考和帮助。

1 压油管功能描述

压油管在实际装配过程中，两头需要与接头体焊接成一体，如图 1，为保证油管密封性能良好，本例选择钎焊工艺方式。对钎焊焊接的质量要求如下：a、焊缝接头表面光滑，添角均匀，光滑圆弧过渡；b、接头无过烧、表面严重氧化、焊缝粗糙等缺陷；c、焊缝无气孔、夹渣、裂纹、焊瘤等现象。

但在实际焊接成型后，压油管出现渗油漏油、密封不良等现象，且比例较高，详细调查发现，是因为焊缝出现表面气孔所致，如图 2。因此，本文重点针对表面气孔现象进行设计分析。表面气孔测量仪器是10倍放大镜，由检验员目视观测和判断。

图1 压油管结构

图2 焊缝表面气孔

图3 焊接过程因果矩阵

2 钎焊工艺要求及准备

焊接前要清除焊接表面及接合处的油污、氧化物、毛刺及其杂物，之后进行清洁度检测，保证焊合面及钎料的干燥度、清洁度。

焊接设备：射吸式焊枪 H01-6；焊接材料：S221 锡黄铜焊丝（直径φ3.0）；钎剂：硼砂 100；焊接气体：工业氧气、乙炔；氧气压力：0.4～0.6MPa；乙炔压力：0.02～0.03MPa；

3 关键影响参数

通过对钎焊过程的所有相关输入进行因果矩阵分析，可以看出，得分排最前的，如图 3，是影响表面气孔的主要因素，分别是焊接间隙、零件清洁度、人员操作方法、加热保持时间。零件清洁度可以通过加强检验等手段解决，人员操作方法不当也可通过培训、指导教育等提升，剩下两个关键影响参数，焊接间隙和加热保持时间，如何设计它们的最优配置，则需要我们通过进行DOE实验设计方法进一步分析。

4 DOE实验设计分析

4.1 实验准备

实验固定因子：钎料、钎剂、焊炬、喷嘴、氧气/乙炔压力、焊接人员

实验因子：X1焊接间隙、X2加热保持时间

响应变量：Y 焊接表面气孔

实验方法选择：2因子2水平全因子实验，中心点测量5组数据作为仿形实验。

4.2 实验因子设定

因子水平及中心点水平设定如下：

X1焊接间隙（单位mm）：低水平15.1+0.05（记作15）、高水平15.2+0.05（记作15.2）

X2加热保持时间（单位s）：低水平2±1（记作2）、高水平8±1（记作8）

中心点：X1焊接间隙15.1_(+0.10)^(+0.05)mm mm（记作15.1）

X2加热保持时间 5±2s（记作5）

总的实验次数 22× 2 + 5 = 13次；样本量：150 /次

记录结果：每次实验分别记录出现的不合格数量，如表1

[分析工具]：minitab软件---DOE（全因子设计）

4.3 实验数据及实验结果

表1 DOE实验数据及结果

图4 模型分析结果

4.4 DOE实验模型分析

4.4.1 模型有效性评估（方差分析法）

假设——H0：模型无效；Ha：模型有效；分析结果如图4所示，结果说明：

（1）主效应和 2因子交互作用中主效应的 P值=0.000＜0.05，原假设H0不成立，模型有效。

（2）弯曲项的P值=0.749＞0.05，所以数据无弯曲趋势。

4.4.2 各项效应评估

图5 效应评估

图6 效应结果分析

从图5和图6计算数据中可以观察到：

（1）焊接间隙和加热保持时间的 P值分别为 0.028和0.000，均小于0.05，因此主效应显著。

（2）焊接间隙*加热保持时间交互作用的P值=0.147＞0.05，因此2因子的交互作用不显著。

图7 残差诊断结果

从图7残差诊断图中可看到没有异常情况出现，说明模型与观测数据拟合较好 。

4.4.3 参数最优化配置

结合图8主效应图和图9优化图结果，可以得到的最优化组合参数为：焊接间隙15.2+0.05mm，加热保持时间8±1s。

图8 主效应图

图9 优化图

回到之前的实验数据，验证实验数据与实际是否契合，如表2，可以验证确定，在预测的的最优化组合参数（焊接间隙15.2mm，加热保持时间8s）时，试验中的不合格数分别是 1、0，数量最少，模型的预测结果与实践未见相悖，理论与实践高度契合，理论结果可应用于实际生产实践活动中。

表2 比对验证实验效果

5 总结

本文分析了在设计压油管焊接工艺参数及方法时，如何利用minitab软件进行DOE实验设计分析，以找到最优匹配参数或方法，保证压油管质量及可靠性。DOE实验设计方法能够为我们在设计开发、工艺设计过程中提供科学、严谨的数据分析方法，通过大量实验数据，建立分析模型，寻找各因素因子之间互相影响互相制约的潜在关系，并根据我们希望得到的结果，匹配最优的因子设计水平，为后续批量应用打下良好基础，对工业设计活动具有指导作用和实践价值，此法也可应用于农业、服务业等领域。