基于正交试验的电阻焊焊接参数方差分析

赵雪霏 时景光 谢湘海

摘 要：产品质量的好坏很大程度是由设计决定的，汽车生产四大工艺之一的焊接工艺，其焊接参数的设计对车身强度有较大影响。本文从焊接工艺参数选择设计的角度，利用正交试验的方法，分析影响焊接强度的主要因素，从而选择优化的工艺参数来提升产品工艺实现的能力。

关键词：焊接参数;正交试验;方差分析;简单效应分析

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.19.069

0 引言

电阻焊是汽车制造中最主要的焊接方法，它是以电阻热为能源的一种焊接方法。实际工作中，被焊接工件在一定电极压力下，经通电后，电流经过工件接触面积及邻近区域产生的电阻热效应将工件加热到熔化或塑性状态，形成金属结合。本文以电池框架中主梁焊接参数选择的过程为例，利用正交试验，研究了工艺参数对抗拉剪性能的影响，从而优化产品焊接工艺参数，提升产品焊接强度。

1 试验参数选择及试验准备

1.1 试验参数选择

点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状和尺寸选定后，焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间、电极加压力，这是影响焊接强度的三大要素。因此，我们选择焊接电流、焊接时间、加压力作为影响焊接强度的因子，以拉剪力作为试验结果的判断依据，考虑这三个因子可能存在交互作用，设计了三因素三水平的27组正交试验。

1.2 试验材料及试样准备

实验中，我们将电池框架上的焊点，以材质、板厚、搭接层数作为分类依据，分别对不同类别的焊点进行焊接试验，优选焊接条件。这里以其中一种焊接组合为例予以说明。

组焊类型：材质SAPH440的热轧钢板，板厚2.0mm，双层板搭接。

将钢板裁剪成150mm×40mm的试片，切口去毛刺并用酒精清洁试片表面，然后将两块试片沿长度方向搭接，形成40mm*40mm的正方形搭接区域，在该区域中心位置处进行焊接，形成焊点，由此得到了拉力试样。

2 考虑交互影响的试验方案及结果

试验方案表头设计如表1所示，表中：A代表电流，B代表通电时间，C代表加压力，A*B，A*C，B*C分别代表电流与通电时间、电流与加压力、通电时间与加压力的交互作用（以上指代适用于本文所有内容）。

2.1 方差分析

在试验过程中，由于实验条件的不同与试验中存在误差，我们用总偏差平方和ST来描述数据的总波动。造成试验数据波动的原因可能是影响因素所取水平的不同，可也能是试验中存在的误差，也可能两者都有。为了分析具体的影响因素以及相关参数的影响程度，对正交试验结果进行方差分析。

表3中方差分析相关计算公式如下：

总试验次数为n，ri为因素i的水平数，fi为因素i的自由度，fT为总自由度，fe为误差项的自由度

fi=ri-1;fT=n-1;fe=fT-∑ni=1fi

y为试验指标结果的总平均值，yi为试验指标的结果，Ti为因素在i水平下的试验结果平均值，Si为因素i的偏差平方和，Se为误差项的偏差平方和，ST为总的偏差平方和，Vi为均方和。

Si=nr∑ni-1（Ti-y）2

ST=∑ni=1（yi-y）2

Se=ST-Si

Vi=Si/fi

由上表结果可知，F0.05（2，8）=4.46，FA（2，8）=348.15，说明因子A（电流）的主效应是统计显著的，同理通电时间、电流和通电时间的交互作用也是统计上显著，随机误差对试验结果影响不大。

2.2 简单效应分析及交互作用图

由上方差分析可知，电流和通电时间存在显著的交互作用。在这种情况下，单独分析电流和通电时间的主效应意义不大，需要进一步分析各因素的简单效应，即分析一个因素的不同水平在另一个因素某个水平上的效应。

在SPSS系统中，进行简单效应分析结果如表4。由表4可以看出，无论通电时间选择哪个水平，电流在10300A，10700A和11000A三个水平上均呈现统计学上的显著效应，但是在通电时间为24周波的情况下，电流大于10700A后，拉力值增加显著效应有所减弱;电流在取10300A、10700A水平情况下，通电时间由20周波提升至24周波，拉力值才呈现统计学的显著效应，在11000A下，通电时间由22周波變为24周波后，拉力值呈现显著效应，且拉力值降低。这可以解释为：无论通电时间选择哪个水平（本文20周波、22周波、24周波），电流对拉力值的大小有显著影响;而通电时间的影响低于电流影响。

下面的交互作用图，可以更直观地看到通电时间及电流的交互作用及其对拉力值的影响。

从图1中可以直观地看出，通电电流和通电时间增加，拉力值增加，且电流的变化对拉力值大小的影响大于通电时间的影响。当通电时间在24周波的时，电流在10700A下的拉力值的增加幅度比在10300A时要小，而当电流增加到11000A，拉力值较20周波和22周波时降低，说明在此条件下，因电流和通电时间都增加较大，产生的电阻热过大，使金属熔合部分出现了过烧，反而降低了拉力值，试验结果正印证了电流和通电时间存在对拉力值的影响的交互作用。反应在实际焊接参数设定调整时，为了提升拉力值，调整电流比调整通电时间对拉力值的提升效果显著，同时也不能无限增加电流或者通电时间，在某一个特定值下，增加电流或者通电时间反而使拉力值降低。

2.3 最优焊接条件选择

对于显著因子，因其选择不同的数值，会造成试验结果的显著不同，我们选择其最好的水平，对于显著的交互作用——通电时间与电流交互作用，采取计算两个因子不同水平的不同搭配下的拉力值均值，再比较得出哪种水平组合最佳，如表5所示。

从表5可知，因子A与B的搭配以A3B2最好，即焊接参数选择电流11000A，通电时间22周波，对于不显著因子加压力，从降低成本、操作方便等角度考虑，选择三个水平中的某一个即可，实际选择3900N。

3 结语

本文以生产实际中焊接参数选择的过程，采用正交试验方式，利用统计学相关知识，阐述了方差分析和简单效应分析的过程，分析了焊接电流、通电时间、加压力对焊接强度的影响，为实际工作中，焊接参数设计和选择提供了方向。

由方差分析可知，焊接电流和通电时间的交互作用对拉力值存在显著效应，其中电流对拉力值的影响最大，因交互作用的影响，实际新品开发焊接参数设计时，不能单纯通过增加电流来或者通电时间来获得更高的焊接强度，要充分考虑电流和通电时间的交互作用，互为补充，当选取大电流时，适当降低通电时间，或者选取小电流长通电时间，来获得更为满意的焊接强度。

参考文献

[1]彭杨文，王银军.焊接电流及压力对QStE340TM电阻点焊接头性能的影响[J].热加工工艺，2017，46（15）.

[2]国家资料监督检验检疫总局质量管理司.质量专业理论与实务（第六章）：常用统计技术（第三节试验设计）[Z].

作者简介：赵雪霏（1972-），女，汉族，内蒙古通辽人，本科，湖南元创机械有限公司工程师;时景光（1971-），男，汉族，河北平泉人，本科，雪花啤酒（嘉善）有限公司工程师;谢湘海（1974-），男，汉族，湖南醴陵人，专科，湖南元创机械有限公司工程师。