李 棟， 周金旭， 尚二鵬， 趙 賀

（太原科技大學材料學院，山西 太原 030024）

引言

點焊是指焊件裝配成搭接接頭，并被壓緊在兩極之間，利用電阻熱熔化母材金屬形成焊點一種電阻焊方法［1－3］。焊接接頭的質(zhì)量是由其力學性能或服役性能的大小來描述的，為獲得最大力學性能，必須控制相關(guān)參數(shù)。有關(guān)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，國內(nèi)外進行了相應的研究，并取得了一些成果［4－6］。但利用響應曲面法，研究點焊規(guī)范參數(shù)與接頭力學性能之間的關(guān)系并未有相關(guān)的報道。響應曲面法是利用統(tǒng)計學的綜合試驗技術(shù)解決復雜系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的一種方法，在測量值、公式和數(shù)學分析的基礎(chǔ)之上，對指定設(shè)計點進行連續(xù)地求解，最后在設(shè)計空間中構(gòu)造待測量的全局逼近。與其他設(shè)計相比較，該方法在優(yōu)化和穩(wěn)健方面尤為突出。

本文基于響應曲面法設(shè)計汽車用鋼ST14點焊工藝參數(shù)規(guī)范表，借助應用數(shù)學軟件Design Expert 8.0獲得了抗剪強度與各焊接工藝參數(shù)的回歸方程，檢驗了回歸方程的顯著性，并優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù)，為汽車用鋼ST14點焊的生產(chǎn)提供參考。

1 實驗方法

試驗采用的ST14為雙向冷軋鋼（板厚為1mm），按照 GB 2561—89《焊接接頭拉伸實驗方法》所規(guī)定的點焊接頭抗剪試樣形狀和尺寸要求，使用剪板機將鋼材切割成60mm×15mm的試片，裝配如圖1所示。為保證在焊后抗剪強度測量的準確，需在每個板邊均點焊相同厚度的試板，以保證抗剪強度實驗時上下同軸。材料主要化學成分見表1，通過碳當量計算公式Ec＝ω（C）＋ω（Mn）／6＋［（ω（Cr）＋ω（Mo）＋ω（V）］／5＋［ω（Ni）＋ω（Cu）］／15＝0.19，淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱。

圖1 點焊裝配示意圖（mm）

表1 ST14的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

點焊試驗選用天津七所研制 WDB－200型逆變點焊機，試樣焊前用砂紙打磨，并用酒精擦拭，去除搭接部位的氧化膜及油污?？辜魪姸仍囼炘陂L春科新試驗儀器有限公司W(wǎng)AW－C萬能試驗機上進行，以平均抗剪強度來評價接頭力學性能。

2 實驗設(shè)計與分析

試驗采用CCRD響應曲面法，以單因素試驗中的焊接電流I、焊接壓力P和焊接時間t為主要的考察因子。并以一般水平取值為0，±1，±γ進行編碼水平表的設(shè)計，對自變量進行編碼，實際考察的變量及其試驗水平編碼見表2。

表2 點焊工藝參數(shù)因子水平編碼表

試驗中共有k＝3因子，因此試驗次數(shù)n＝2k＋2k＋m0＝20，其中2k系因試驗次數(shù)2k＝8，6個坐標軸點，中心試驗點次數(shù)m0＝6，其試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 試驗設(shè)計及結(jié)果

當試驗數(shù)據(jù)用標準多項式回歸方法進行擬合后，可得到一個為描述響應量和自變量關(guān)系的二次多項式經(jīng)驗模型，擬合3因子二次多項式回歸

式中：b0為常數(shù)項；bi為一次回歸系數(shù)項；bij為交相項回歸系數(shù)；bii為二次項系數(shù)。

對實驗數(shù)據(jù)進行處理后，將焊接電流I、焊接壓力P和焊接時間t代入公式（1），采用方差分析對回歸方程系數(shù)進行檢驗，結(jié)果見表4。表明回歸方程是高度顯著的，焊接電流I、焊接時間t的一次項，對點焊的抗剪強度的影響極為顯著，焊接電流I與焊接時間t的交互項，焊接時間的二次項對強度的影響顯著，只有總變異的5.61%不能用本模型來解釋。根據(jù)方差值F檢驗結(jié)果，點焊規(guī)范參數(shù)對接頭抗剪強度的影響規(guī)律：焊接電流I最重要、焊接時間t次之，焊接壓力P最小。在試驗內(nèi)，焊接壓力P對焊件的抗拉剪力影響不大。這與點焊的一般規(guī)律相符合，也即當壓力達到一定值時，再增大壓力也無法增加接觸面積，從而無法改善點焊的力學性能。通過方差值的概率Prob＞F對系數(shù)進行分析，得到的結(jié)果與接頭抗剪強度Ss的回歸方程見式（2）。模型為公式（1）。

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

通過對接頭抗剪強度與點焊工藝參數(shù)因子二次多項式回歸方程（2）求導和解逆矩陣，得到模型的最優(yōu)工藝參數(shù)：焊接電流為12.21kA，焊接時間為200ms，焊接壓力為0.58MPa，此時模型預測的最大響應值5.9kN（真實值6.2kN）。

3 結(jié)論

采用響應曲面法對1＋1mm的ST14冷軋鋼的點焊工藝參數(shù)進行設(shè)計，通過實驗結(jié)果的測量和分析，得出以下結(jié)果：

1）電流、時間對點焊接頭的抗拉剪力影響顯著。點焊涉及的三個主要參數(shù)中，焊接電流的影響力最大，焊接時間次之，焊接壓力影響最小。

2）接頭抗剪強度的回歸模型方程得到的預測值和實際值之間擬合性良好。最佳工藝參數(shù)：焊接電流為12.21kA，焊接時間為200ms，焊接壓力為0.58MPa。

［1］ 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第一卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.223－226.

［2］ 趙熹華，馮吉才.壓力焊方法及設(shè)備［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 耿正，高洪明.電阻焊設(shè)備及控制的研究進展［G］∥第八次全國焊接會議論文集.北京：機械工業(yè)出版社，1997：169－175.

［4］ 孟凡杰.正交試驗設(shè)計在電阻焊焊接參數(shù)選擇上的應用［J］.焊接技術(shù)，2004，33（5）：156－159.

［5］ Anawa E M，Olabi A G.Using Taguchi method to optimize welding pool of dissimilar laser－welded components［J］.Optics and Laser Technology，2008，40（2）：379－388.

［6］ Jyoti Prakash，Sunil K.Ghosh，D.Sathiyamoorthy，et al.Taguchi Method Optimization of Parameters for Growth of Nano Dimensional SiC Wires by Chemical Vapor Deposition Technique［J］.Current Nanoscience，2012，8（1）：161－169.