基于六西格玛振动摩擦焊接深度影响因子研究

黄大坤

[摘    要]振动摩擦焊接作为一种新型焊接工艺，解决了传统焊融类工艺对非金属材质加工困难的情况，由于自身工艺特点，与传统焊接工艺相比，具备优质高效、节能无污染等优点，因此在非金属焊接领域应用越来越广泛。随着实际运用对焊接精深度要求越来越高，加工过程中发现实际值普遍高于理论值的情况，导致部分焊接产品不合格率低于期望值。运用六西格玛分析方法，在现有摩擦焊接过程原理基础上，结合设备运行流程，设计测试分析方案，并从测试数据中找出遗漏影响的因子-保压时间。最后运用六西格玛回归分析得出保压时间与焊接深度的函数关系，用于指导现场工艺参数设置、质量实验等实际场景的应用。

[关键词]测量系统;影响因子;回归分析

[中图分类号]TG439.9 [文献标志码]A [文章编号]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

隨着焊接结构的应用越来越普遍，常规的焊熔工艺对塑料等非金属材质焊接加工困难;而新型的振动摩擦焊接加工工艺则解决了这一加工难题。振动摩擦焊接工艺是一种固态结合焊接工艺过程，即两个焊接工件做相对运动或旋转，在压力下对接，由于接触面产生热量，使焊件材料从接触面塑性地相互渗透融合，在振动停止后，熔融塑料层固化，并产生一个坚固的接头（见图1）。与常规焊熔加工工艺比较，无需要焊条、焊剂和保护气体等加工条件，属于优质高效、节能无污染的新型焊接技术。

随着振动摩擦焊接工艺在非金属行业大量应用，对焊接精度要求越来越高，其中对焊接深度参数要求尤为明显;在应用中，普遍反馈实际的焊接深度比理论设定的焊接深度值偏大，导致部分产品合格率低于期望值。本文以某客户端塑料样品和质量要求为研究对象，结合振动摩擦焊接原理，运用六西格玛为分析工具，找出影响焊接深度的工艺参数因子，并确认其回归函数方程和图形，指导现场摩擦焊接应用。

2 基本研究与构思

从客户端质量要求参数得知：焊件焊接深度M为（0.8±0.1）mm，实际加工焊接深度μ为1.2 mm，高于客户预期目标值。结合样品的焊接深度数据，计算加工过程能力CPK可得：

σwithin≈/d2≈0.149，Cpk=min{，}≈0.67

从上述可知Cpk<1，得到现场加工过程能力不足，实际值μ偏离M值较大，需要对现场加工工艺进行改进。

通过振动摩擦焊接过程原理可知，焊接过程经历4个阶段：固体摩擦阶段、固液相变阶段、稳态流动阶段和冷却保压阶段（图2）。①在固体摩擦阶段，两个零件表面相互摩擦产生热量，材料表层被加热达到熔点，其中热量产生的快慢取决于材料摩擦性能和焊接参数（如频率、振幅和压力）。②在固液相变阶段，此时材料的加热方式由表面摩擦生热，转变为熔融状态下的层与层之间的剪应力加热。此时，熔融层厚度不断增大，但随着熔融层深度加大，加热能力逐渐减少。③在稳态熔体流动阶段，熔融速率等于向外流动速率（稳态），达到这一阶段后，熔融层的厚度就会变得恒定，直到达到设定的焊接深度，振动停止，④进入冷却阶段。焊缝在静态压力下凝固，达到使工件焊接目的。

从上述焊接原理过程了解到，焊接深度在第1、第2阶段和第3阶段基本形成，在第4阶段处于保压凝固状态，焊接深度h与焊接参数（如频率f、振幅A和压力P，振动摩擦时间T）相关，对应有函数关系h=f（f，A，P，T）;其中频率与设备相关属于常量，振幅A和压力P与焊接材料相关，可由经验设定初始值，时间T与焊接深度h为正相关;

另外在振动摩擦焊接设备实际工作中，深度模式下时序如图3所示。

从振动摩擦过程和深度模式下时序图，结合实际操作得知：在振动摩擦焊接过程1至过程3，对应设备运行“直线尺响应”“DP通信”“扫描周期输出刷新”等三个时序，由于该三个时序属于设备自动运行，其时间T属于固定常量;在第四焊接过程对应保压时间T4，属于可变量参数。

以客户端质量反馈的型塑料为研究对象，结合上述基本研究内容，在常用3种条件下的焊接振幅A、压力P条件为已知参数，以可变量-保压时间为样本类别，测量全过程焊接深度变化情况，分析其焊接深度影响因子。

3 测量系统分析

本次选用振动摩擦焊接M934L型为测试设备，其中配置焊接深度测量仪器为BALLUFF直线尺深度传感器;为确保测量数据真实可靠，用55 cm×141 cm方形铁块作为测量对象，对BALLUFF进行测量系统分析。具体操作步骤：用BALLUFF重复测量铁块高度，得到测量一组数据A（表1），计算重复性标准差EV（表2）;选用在校验有效期的瑞士TESA高度尺测量铁块同一高度，得到另外一组数据组B，计算再现性标准差AV，测量数据如下。

重复性标准差EV=0.00294 mm;再现性标准差AV=0.006 mm;已知焊接深度公差范围是（0.8±0.1）mm，样品焊接深度标准差TV为0.06 mm;

BALLUFF测量系统P/T=×100%=×100%≈11.17%

BALLUFF测量系统R&R=×100%=×100%≈20.11%。

由上述计算可知P/T和R&R值均小于30%，说明BALLUFF测量能力很好，满足测量精度要求。

4 影响因子分析

基于测量系统准确度满足测试要求，启用设备主程序OB1后，调用M934L焊深运算的功能模块FC114。设置常用3种压力和振幅参数，分别对焊接前3个阶段和第4阶段设置时间，测试数据整理如表3所示。

通过上述测试数据可以发现：在第1至第3阶段焊接深度基本形成情况下，在第4合模保压阶段，实际深度仍然会增加，由此可以推测：在第4阶段的保压时间会增加焊接深度，进而引起设定值和实际制的差异;运用六西格玛方差分析进一步验证，以3种条件下压力P，振幅A為行，保压时间为列，进行数据分析，得到表4。

从表4可得，不同保压时间P值=0.000 226<0.05，保压时间因子对焊接深度影响显著;进一步可以得到：影响焊接深度除频率、振幅A和压力P，振动摩擦时间T外，需要增加保压时间T4因子;

5 焊接深度回归模型分析

从基本研究中知道，焊接深度h=f（f，A，P，T），频率Hz与设备相关属于常量，振幅A和压力P与焊接材料相关，时间T与焊接深度h为正相关，结合前期基本研究可以推测：焊接深度h1在前3阶段基本形成，第四保压冷却阶段焊接深度会增加，实际焊接深度由摩擦焊接深度和保压冷却深度组成。从主程序OB1调用OB35（100 ms循环中断）程序上，显示焊接深度变化见图4：

从图4可知：时间的焊接深度由2个阶段形成，即焊接过程前3阶段和焊接过程第4冷却保压阶段，和推测结论一致;由此可得摩擦焊接深度h摩擦、保压阶段焊接深度h保压与实际焊接深度关系如下：

6 总结

本次充分运用六西格玛为分析工具，结合振动焊接摩擦原理过程，找出影响焊接深度的因子;首先从前期基本研究中发现影响焊接深度的因子为数据样本，结合设备运行流程中发现各个阶段的时序变化情况，并以其中可变参数样本类别，达到区分对比差异的目的。其次，综合前期基本研究，设计本次摩擦焊接测试方案，从测试数据发现遗漏的焊接深度因子——保压时间;最后，通过六西格玛回归分析，用函数关系定量描述保压时间与焊接深度的关系。通过本次研究得出的结论，可用于指导在摩擦焊接在现时过程中的参数设置，质量改善等应用场景，具备实际操作指导意义。在此分析过程中，得到相关设计、研发和质量部门一些建设性的意见和建议，在此表示感谢！

参考文献

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