熱成形高強度鋼板點焊參數(shù)正交試驗研究

楊黃銳 丁裕青 范貴鵬 唐大慶

（東風(fēng)實業(yè)有限公司，武漢 430056）

1 前言

電阻點焊工藝是白車身總成的主要焊接工藝，點焊參數(shù)（焊接電流、焊接壓力、焊接時間）直接影響白車身焊接強度。

焊接電流、焊接壓力、焊接時間3 個焊接要素在極短的焊接過程中具有瞬時相互作用，其參數(shù)組合的科學(xué)性、合理性對試驗結(jié)果尤為重要，需要科學(xué)地選擇這些參數(shù)。

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平參數(shù)的一種設(shè)計方法，它根據(jù)正交性，從全部試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散、齊整可比”的特點，正交試驗設(shè)計是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法[1]。在點焊參數(shù)設(shè)計中采用正交試驗具有簡化試驗過程、減少焊接參數(shù)試驗次數(shù)、快速找到最佳焊接參數(shù)的優(yōu)點。

白車身新產(chǎn)品投產(chǎn)都面臨在確保焊接強度的前提下減少焊接飛濺的點焊參數(shù)優(yōu)化問題，參數(shù)設(shè)計不能照搬以往數(shù)據(jù)一蹴而就，需要經(jīng)過多輪試驗找出最佳參數(shù)。即使采用自適應(yīng)焊接技術(shù)，也需要先有一個焊接質(zhì)量合格且無飛濺的優(yōu)質(zhì)焊點，創(chuàng)立其電阻樣本曲線[2]，正交試驗技術(shù)同樣適用于這項工作。

2 正交試驗在電阻焊工藝中應(yīng)用概述

正交試驗適用于螺母凸焊、螺栓凸焊、厚板件點焊工藝優(yōu)選焊接參數(shù)（焊接電流、焊接壓力、焊接時間）。文獻[3]采用定電流方式研究了焊接壓力、焊接時間對凸焊螺栓接頭強度的影響，驗證了正交試驗可以用最少的試驗次數(shù)、最低的消耗獲得最佳的試驗結(jié)果；文獻[4]中的研究結(jié)果表明，過大的電極壓力并不能得到高強度的凸焊接頭，正交試驗?zāi)塬@得焊接參數(shù)的最佳匹配，并能解決凸焊螺母在封閉空腔內(nèi)開焊脫落的缺陷；文獻[5]在試驗中采用預(yù)熱工藝的正交試驗方法，獲得超高強度鋼與鍍鋅雙相鋼電阻點焊接頭最大強度的試驗結(jié)果。這些結(jié)論對優(yōu)化點焊參數(shù)具有參考價值。

多脈沖焊接相對于單脈沖焊接可以增大可焊電流范圍，大幅提高鍍鋅高強板的可焊性，使其焊接適應(yīng)性增強；多脈沖焊接可以降低噴濺發(fā)生幾率，并使可焊電流下限得到降低；多脈沖焊接可以改善焊縫組織，避免裂紋和氣孔缺陷的產(chǎn)生，并使焊縫硬度降低，焊點直徑增大[6]。本試驗鋼板具有強度高、厚度大、雙面鍍鋅的特征，適合多脈沖焊接。據(jù)此，本試驗采用多脈沖點焊參數(shù)正交設(shè)計方案。

3 正交試驗選擇熱成形高強度鋼焊接參數(shù)

3.1 試驗材料與設(shè)備

試驗設(shè)備：GF 懸掛點焊機(HPA 150NF)，表1為點焊設(shè)備技術(shù)參數(shù)。

試驗材料：1.5 mm+1.5 mm 冷軋 22MnB5 熱成形鋼板試片，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表2、表3。圖1 為點焊試片的試樣尺寸。

表3 22MnB5 熱成形鋼板力學(xué)性能

圖1 點焊試片的試樣尺寸

3.2 確定點焊參數(shù)試驗因素及水平

試驗可知，焊接壓力與熱量呈反比例曲線關(guān)系，焊接熱量隨著電極壓力增大而減少[7]，電極壓力存在某一閾值點，超過這一點后增加壓力時熱量變化比較平穩(wěn)。另外，焊接板材越厚，焊接壓力相應(yīng)越高，較高的壓力有利于提高焊接穩(wěn)定性。焊接參數(shù)正交試驗適用于4 因素、3 水平的L9（34）正交表，對于無焊接參數(shù)參考樣本、首次應(yīng)用的新材料或新工藝，正交試驗參數(shù)應(yīng)選擇焊接電流、焊接時間、焊接壓力作為研究對象，并擴大各因素水平的差值，雖然試驗結(jié)果（拉脫力）會呈現(xiàn)較大散差，但便于找出最大試驗強度的最優(yōu)水平參數(shù)組合。對于有參考價值的焊接參數(shù)樣本，可以借用其壓力參數(shù)作為試驗數(shù)據(jù)，本次正交試驗參考現(xiàn)有參數(shù)，選擇3.6 kN 焊接壓力，在固定壓力為3.6 kN、固定脈沖數(shù)為4 次的條件下考察A焊接電流、B 焊接時間、C 脈沖冷卻時間和D 焊接壓力參數(shù)變化對焊點強度的影響。

在制定因素水平表之前，先確定基礎(chǔ)參數(shù)。表4 是焊接試驗基礎(chǔ)參數(shù)表，試驗時固定其它參數(shù)（含80 ms 的脈沖冷卻時間），逐漸增加焊接電流直至開始產(chǎn)生焊接飛濺（8.5 kA），該飛濺狀態(tài)下的電流選為基礎(chǔ)焊接電流。

表4 焊接試驗基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)基礎(chǔ)焊接電流，設(shè)計4 因素、3 水平試驗表，具體因素排列見表5（脈沖數(shù)固定為4 次，未列入因數(shù)表，包括預(yù)壓時間400 ms、維持時間240 ms）。

表5 因素水平表

3.3 點焊參數(shù)正交試驗及分析

3.3.1 正交試驗結(jié)果分析

按L9（34）正交表所列9 種焊接規(guī)范做試驗（表6）。在懸掛點焊機上焊接9 個試件，記錄飛濺狀態(tài)，在拉力機上逐一拉脫試件（圖2），記錄拉脫力。將拉脫力數(shù)值和飛濺情況填入試驗結(jié)果分析表中。

圖2 拉力試驗機

表6 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果分析表中9 個試件均沒有外觀飛濺，有 6 件存在板間飛濺，序號 D-4、D-5、D-7 無板間飛濺，其拉脫力相對較高。

在各因素中，某一因素水平變動時所引起指標變動大，則說明該因素對指標影響大，是主要因素，這個影響程度用極差Rj表示[4]，表6 中極差Rj數(shù)值從A（4.49）到D（0.91）逐漸變小，說明因素主次依次為A、B、C、D。D 因素（焊接壓力）排在末位并不代表焊接壓力不重要，而是因為本次試驗采用固定壓力方式，既然壓力不變，其影響自然最低。表中壓力占據(jù)影響因素末位的排序逆向證明了只要人為拉開某因素3 個水平的差值，這個因素就會成為主要因素，因此在設(shè)計因素水平時要根據(jù)考核需求適當(dāng)設(shè)計各因素水平差值，過大或過小的水平差值都不合適。在沒有參考樣本或面對全新材料時，應(yīng)該將有差值的焊接壓力列入因素表做第一輪正交試驗，觀察壓力變化對焊接強度的影響[4]。在有參考樣本的情況下直接選擇經(jīng)驗壓力并固定電極壓力考察焊接電流、焊接時間對試驗結(jié)果的影響。在參數(shù)設(shè)計中，板材厚度大、硬度高、抗拉強度高的焊件應(yīng)選擇相對較高的電極壓力。

選擇正交試驗的最優(yōu)水平參數(shù)組合：從表6水平均值中選取每個因素中的最大值，組合成最優(yōu)水平參數(shù)組合，各因素在水平均值中的最大值分別為 A 因素中 A2-23.88、B 因素中 B1-22.72、C因素中C3-22.10，所以本次正交試驗最優(yōu)水平參數(shù)組合為A2B1C3，即焊接電流為8.3 kA，焊接時間為140 ms，脈沖冷卻時間為100 ms，焊接壓力為3.6 kN。

以正交試驗最優(yōu)水平參數(shù)組合為基礎(chǔ)，結(jié)合表6 中序號D4/D5/D7 無飛濺參數(shù)及拉脫力值，設(shè)計3 套驗證參數(shù)（表7），每個驗證參數(shù)焊接5 個試件，對15 個樣件做拉脫試驗，選擇其中平均拉脫力高的參數(shù)作為最終焊接參數(shù)。表8 是驗證結(jié)果，表中序號2 的平均拉脫力為23.2 kN，大于其它2 個參數(shù)組合，即表7 中2 號參數(shù)組合為最優(yōu)參數(shù)組合。本次試驗優(yōu)選出高強度、無飛濺最優(yōu)焊參數(shù)為：焊接壓力3.6 kN、焊接電流8.3 kA、焊接時間160 ms、脈沖冷卻時間100 ms、脈沖數(shù)量4。對于最優(yōu)焊接參數(shù)一般要穩(wěn)定運行2 周后才納入正式工藝卡，以便驗證可靠性。

表7 驗證參數(shù)

表8 拉脫力驗證結(jié)果 kN

3.3.2 點焊參數(shù)正交試驗注意事項

熱成形高強度鋼板點焊參數(shù)正交試驗中的注意事項如下。

a.對于無參考數(shù)據(jù)的正交試驗，第一輪正交試驗的因素應(yīng)采用較大變量水平（擴大各因素水平的差值），雖然試驗結(jié)果會呈現(xiàn)較大散差，但便于找出最大試驗強度的最優(yōu)水平參數(shù)組合，第二輪正交試驗時要參考前次最優(yōu)水平來選擇焊接電流和焊接時間并減少焊接壓力差值或固定壓力。電極壓力影響接觸電阻的大小，也是影響焊接熱量輸入的重要因素[8]。固定焊接壓力可以減少電阻波動，便于考察電流變化對熱量輸入、熔核直徑的影響。

b.試件所獲得的最佳參數(shù)不能直接用于零件焊接工位，試件與零件之間存在差異（電流分流、配合間隙、電極墩粗或磨損），應(yīng)該以試件參數(shù)為依據(jù)，微調(diào)工位焊接參數(shù)，直到調(diào)試出滿足零件連接強度要求的無飛濺焊點。

c.正交試驗中主要因素的確定是以因素變化率為依據(jù)，如果人為擴大某個因素的變動量（擴大因素水平之間的差值），這個因素就會變?yōu)橹饕蛩亍８鶕?jù)經(jīng)驗，點焊參數(shù)中焊接電流是主要因素，因素排列依次為焊接電流、焊接壓力、焊接時間、預(yù)壓時間、脈沖冷卻時間、維持時間。特別指出：脈沖冷卻時間（2 個脈沖之間的間隔時間）對熔核直徑大小、是否產(chǎn)生飛濺有重要影響，必須將其納入因素考察范圍。

d.高強度鋼點焊工藝中應(yīng)該使用多脈沖焊接工藝進行焊接，在各脈沖之間加長冷卻時間（一般為100 ms）可以有效地防止多脈沖焊接電流輸入過大、過急產(chǎn)生的飛濺[9]。

e.在試驗結(jié)果中必須選擇無飛濺（包括外觀飛濺、板間飛濺）參數(shù)作為最優(yōu)水平參數(shù)組合，有飛濺的焊點即使其抗拉強度較高也要避免選擇該參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)，大的焊接飛濺會減少形成焊點接頭材料的體積，影響焊點接頭疲勞壽命。

f.有的焊接顯示屏焊接壓力單位為MPa 是錯誤的，應(yīng)根據(jù)設(shè)備實際情況換算為N，因為各焊接設(shè)備氣缸直徑不同，活塞面積不一樣，在不知道氣缸活塞直徑的情況下，采用壓強單位MPa 會導(dǎo)致他人無法借鑒該試驗參數(shù)（氣缸直徑不一樣，焊接壓力就不同），也無法驗證其正確性，試驗結(jié)果失去參考價值。

4 結(jié)束語

本次正交試驗選出1.5 mm+1.5 mm 熱成形高強度鍍鋅鋼板最優(yōu)點焊參數(shù)，其焊接參數(shù)為：焊接壓力3.6 kN、焊接電流8.3 kA、焊接時間160 ms、脈沖冷卻時間100 ms、脈沖數(shù)4 次。

在車身焊接領(lǐng)域，作為統(tǒng)計技術(shù)的正交試驗方法十分適合選擇最佳焊接參數(shù)；在專業(yè)技術(shù)方面，熱成形高強度鋼板熔點高、硬度高，焊點塑性環(huán)生長緩慢，熔核形成過程中需要增加脈沖數(shù)、增加脈沖冷卻時間來確保熔核生長速度低于塑性環(huán)的增長速度，進而達到消除點焊飛濺的目的。只有將統(tǒng)計技術(shù)和專業(yè)技術(shù)結(jié)合在一起才能獲得連接強度高、無飛濺的高強度鋼板點焊接頭。