一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法

技术领域

本发明涉及镀锌DP钢焊接技术领域，更具体的说是涉及一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法。

背景技术

DP钢是目前广泛应用于汽车制造的高强度钢材之一，其具有出色的形变能力和焊接性能，常用于汽车边梁、侧面构件、横梁、支柱、底盘加强件、油箱支架以及车体结构件、加强件和防撞件等部位。镀锌DP钢则是在原DP钢的基础上，通过电镀工艺在DP钢的外表面镀上一层锌，既保持了DP钢的高强度和良好的成形能力，又提升了其耐腐蚀性和观赏性。然而，由于镀锌处理会使钢板表层形成一层锌镀层，影响点焊过程中的液态金属流动和接触电阻，使焊接质量下降，更容易产生飞溅和气孔焊接缺陷。

尤其是目前电阻点焊约占汽车白车身装配90％工作量，仍然是白车身装配的主要连接工艺。而目前关于DP钢点焊飞溅的研究比较少，部分研究主要集中在工艺参数对飞溅的影响方面，这些研究往往没有考虑工况及装配等复杂因素，而且这些研究也没有统计分析给出点焊的飞溅概率，导致生产中经常出现焊点质量不合格。因此，需要采用新的研究方法来研究镀锌DP钢电阻点焊飞溅问题，提高焊点质量。

新型DP钢的焊接性，特别是点焊飞溅与焊接质量息息相关，因此，研究镀锌DP钢的点焊飞溅，有助于控制点焊质量，提高汽车结构件焊点质量，成为同行从业人员一个亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法，实现对镀锌DP钢电阻点焊飞溅分析，有助于控制点焊质量，提高汽车结构件的点焊质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法，包括以下步骤：

S1、确定镀锌DP钢电阻点焊工艺参数，包括：焊接电流、焊接时间和电极压力；

S2、确定装配对熔核飞溅产生的影响因素，包括：电极柱不对中可能会引起位移偏差Ax、搭接时工件之间存在间隙引起角度偏差Pt、下电极柱与工件存在角度偏差An、工件表层镀锌层是否划伤Sw、工件表层镀锌层是否氧化Se、工件可能存在厚度偏差Th和焊接时工件发生振动Ft；

S3、基于所述镀锌DP钢电阻点焊工艺参数和飞溅产生的影响因素，根据混合水平正交实验对镀锌DP钢进行电阻点焊；

S4、将电阻点焊熔核飞溅当作发生事件，其发生率作为因变量，所述镀锌DP钢电阻点焊工艺参数和飞溅产生的影响因素作为自变量，基于二元logistic回归模型，构建一个熔核飞溅是否发生的数学模型；

S5、逐步回归分析，利用二元logistic回归模型筛选出对飞溅有显著影响的数据。

进一步地，还包括：

S6、根据所述对飞溅有显著影响的数据，建立飞溅概率公式；

S7、根据所述飞溅概率公式，绘制对应的飞溅曲线，根据不同的阈值确定对应的低概率飞溅区和高概率飞溅区。

进一步地，所述步骤S3中还包括，在进行电阻点焊之前，通过丙酮对所述镀锌DP钢进行清洗，除去表面油污。

进一步地，所述步骤S4包括：

将发生飞溅与不发生飞溅，视作二值分类问题进行分析，构建二元logistic回归模型；

将所述镀锌DP钢电阻点焊工艺参数和飞溅产生的影响因素作为自变量，代入所述二元logistic回归模型：

式中，β

对P进行logit变换，得：

logistic回归方程表现呈线性关系，即

采用线性形式表示镀锌DP钢的飞溅概率，实现构建一个熔核飞溅是否发生的数学模型。

进一步地，所述步骤S5包括：

计算所有各个自变量的平均值：

根据所述平均值构建相关系数矩阵；

对所述相关系数矩阵进行求逆紧凑变换，得到最大偏回归平方和；

对所有自变量数据进行显著性分析，筛选出对飞溅具有显著影响的诱因数据，分别为焊接电流和下电极与工件的角度偏差；其中，所述对飞溅具有显著影响的诱因数据通过F检验获得。

进一步地，所述步骤S6中，飞溅概率公式如下：

式中，I为焊接电流；An为下电极与工件的角度偏差。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法，该方法根据镀锌DP钢飞溅情况及发生机理，采用logistic方法研究复杂工况下产生熔核飞溅的主要影响因素，建立镀锌DP钢熔核飞溅曲线，以便对复杂条件下的熔核飞溅概率进行预测。该方法可为汽车制造业减少镀锌DP钢点焊飞溅提出根据和参考，有助于控制点焊质量，提高汽车结构件点焊后的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法流程图。

图2为本发明提供的二元logistic回归理论绘制回归方程流程图。

图3为本发明提供的电阻点焊发生飞溅的概率曲线图。

图4为本发明提供的下电极柱与工件存在角度偏差示意图。

图5a为工件编号10对应的试验力-位移曲线。

图5b为工件编号11对应的试验力-位移曲线。

图5c为工件编号12对应的试验力-位移曲线。

图6为本发明提供的镀锌DP钢点焊接头硬度分布曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明之前，首先对涉及的技术术语解释如下：

电阻点焊：是将两个被焊试件叠放在一起，通过上下电极柱施加压力使工件接触，随后通过焊接电流产生的电阻热使工件接触面熔化，形成焊点。电阻点焊技术具有成产效率高、焊接成本低、焊接变形小、操作简便、易实现大规模生产，是镀锌DP钢平板连接的主要工艺之一。

焊接飞溅：在点焊过程中，金属液体飞溅是指发生在母材接触面或电极与母材表面之间的现象，被称为焊接飞溅。焊接飞溅在实际生产中很常见，通常可分为焊接表面和焊缝内部两种情况。焊接表面的飞溅会导致接头表面质量下降、电极寿命缩短、点焊接头的耐腐蚀性和疲劳强度减弱。而焊缝内部的飞溅则会在工件接触面上产生孔洞和裂纹，导致点焊接头的力学性能下降，甚至会损坏设备。飞溅发生会使焊接性窗口变窄，即焊接性窗口右边线向左边移动。

焊接飞溅的发生机理：由于塑性环的壁厚不是相同的，当焊缝区液态金属膨胀冲击力(G)超过塑性环破裂功(W)的临界值，塑性环发生破裂，即焊缝内的液态金属沿工件接触面的间隙飞出，产生飞溅。焊接飞溅会导致焊接接头质量出现严重缺陷，也是电阻点焊实际生产流程中难以避免的。焊接飞溅会使焊点质量不稳定，降低工件的接头质量和寿命，甚至可能引起安全事故。根据飞溅的发生事件，可以分为前期飞溅、中期飞溅、后期飞溅；根据发生飞溅的部位可以分为工件外表面飞溅和熔核飞溅。

本发明实施例公开了一种镀锌DP钢电阻点焊飞溅的分析方法，包括以下步骤：

S1、确定镀锌DP钢电阻点焊工艺参数，包括：焊接电流、焊接时间和电极压力；点焊工艺参数的选择依据：1.根据工件的具体材料、板厚选择工艺参数焊接电流、电极压力、焊接时间、电极头端面的尺寸及材料；2.查看选用的工艺参数是否满足设备条件；3.检测点焊接头质量，是否满足实际使用条件。

(1)焊接电流

焊接电流是点焊时流经焊接回路的电流。焊接电流是焊接过程中影响接头质量的主要因素。当焊接电流太小，产生的热量少，焊缝尺寸小或不形成焊缝，点焊接头强度低或易产生虚焊；当焊接电流太大，产生的热量多，产生飞溅，甚至会产生焊穿，焊点强度反而会降低。热镀锌钢板电焊时，焊接电流要高于低碳钢点焊时的电流，当焊接电流过大时，会加快电极头的磨损。

(2)焊接时间

点焊时间是在每个焊接循环过程中，接通焊接电流的时间。点焊时间又分为预压时间、焊接时间、锻压时间。焊接时间对焊点的影响与焊接电流相似，但是增加通电时间很少会出现飞溅，对接头强度的影响不大。

(3)电极压力

电极压力是指上下电极施加在工件上的压力，是焊接工艺参数之一。合适的电极压力对焊接过程非常重要。若电极压力过小，则焊接区塑性变形较小，焊接接触面积减小，容易产生飞溅，导致焊点强度降低；若电极压力过大，则焊接接触面积增大，电阻热和电流密度减小，易出现焊缝尺寸过小或虚焊，导致点焊接头强度降低。

S2、确定装配对熔核飞溅产生的影响因素，包括：电极柱不对中可能会引起位移偏差Ax、搭接时工件之间存在间隙引起角度偏差Pt、下电极柱与工件存在角度偏差An、工件表层镀锌层是否划伤Sw、工件表层镀锌层是否氧化Se、工件可能存在厚度偏差Th和焊接时工件发生振动Ft；

S3、基于所述镀锌DP钢电阻点焊工艺参数和飞溅产生的影响因素，根据混合水平正交实验对镀锌DP钢进行电阻点焊；

S4、将电阻点焊熔核飞溅当作发生事件，其发生率作为因变量，所述镀锌DP钢电阻点焊工艺参数和飞溅产生的影响因素作为自变量，基于二元logistic回归模型，构建一个熔核飞溅是否发生的数学模型；

S5、逐步回归分析，利用二元logistic回归模型筛选出对飞溅有显著影响的数据。

S6、根据所述对飞溅有显著影响的数据，建立飞溅概率公式；

S7、根据所述飞溅概率公式，绘制对应的飞溅曲线，根据不同的阈值确定对应的低概率飞溅区和高概率飞溅区。

传统点焊飞溅研究主要集中在工艺参数对飞溅的影响方面，而往往没有考虑工况及装配等复杂因素的影响，而且这些研究也没有统计分析给出点焊的飞溅概率。本发明采用logistic方法研究复杂工况下(工件装配、设备稳定性、操作稳定性等外部因素)产生熔核飞溅的主要影响因素，并进一步建立镀锌DP钢熔核飞溅曲线，对复杂条件下的镀锌DP钢熔核飞溅概率进行预测，对于促进高强钢在汽车零部件中广泛应用有重要作用，同时也为高强钢的电阻点焊提供良好的理论研究依据。该方法可为汽车制造业减少镀锌DP钢点焊飞溅提出根据和参考，有助于控制点焊质量，提高汽车结构件点焊后的性能。

下面通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细的说明：

本实施例中的实验比如选取100mm×20mm，厚度为2mm的镀锌DP800钢作为实验材料，母材的化学成分与力学性能参数如表1和表2所示：

表1实验材料的化学成分

表2实验材料的力学性能

实验所用型号为YR-500C的单向交流电阻焊机，由唐山松下产业机器有限公司制造。本焊接的主要参数见表3，焊机设备电极柱为球面形电极头材质为铜铬合金。电阻点焊实验开始前需要丙酮对试样进行清洗，除去表面油污，具有良好的表面状态。

表3焊机参数

本实验把焊缝是否发生飞溅作为因变量Y，选取10个参数作为自变量X。除了考虑焊接电流I、焊接时间T、电极压力F是否会产生熔核飞溅，也考虑装配因素是否也会对熔核飞溅产生影响，包括电极柱不对中可能会引起位移偏差Ax、搭接时工件之间存在间隙引起角度偏差Pt、下电极柱与工件存在角度偏差An，还可能是工件自身存在问题，如工件表层镀锌层是否划伤Sw、工件表层镀锌层是否氧化Se、工件可能存在厚度偏差Th、焊接时工件发生振动Ft。在国际焊接学会IIW点焊工艺指导下，制定混合水平正交实验，具体实验参数水平如下表4。

表4镀锌DP钢实验参数

logistic回归分析：

本发明采用的是二元logistic回归分析，因变量Y只能是0和1，其中0代表无，即不发生熔核飞溅；1代表有，即发生熔核飞溅。

Logistic回归模型如下列公式：

注：β

对上述公式进行logist变换，可得

logistic回归方程可以表现呈线性关系，即

此时可以用线性形式表示镀锌DP800双相钢的飞溅概率。

建立logistic回归模型：

实际点焊生产制造过程中，当不关注飞溅量的大小，只会出现两种结果，即发生飞溅与不发生飞溅，可以当作二值分类问题进行考虑，二元logistic回归模型能解决这类二值数据的建模问题。

本实施例中，研究影响点焊飞溅的10个因素，分别为I、T、F、Ax、Pt、An、Sw、Se、Th、Ft，为方便下文回归方程的计算，将10自变量替换为x

Logistic回归模型可以表示为：

式中，β

对P进行logit变换，即

如表5所示，为镀锌DP钢电阻点焊飞溅实验数据：

表5镀锌DP钢电阻点焊飞溅实验数据

注：1代表发生飞溅现象，0代表未发生飞溅现象。

通过大量的实验数据分析，二元logistic回归模型可以解决分类数据的建模问题，并且已经成为分类因变量的通用建模标准。因此把电阻点焊熔核飞溅当作发生事件，其发生率作为因变量，实验采用的点焊参数当作自变量，建立一个熔核飞溅是否发生的数学模型。通过逐步回归分析计算，试图构建一个简单却又能对因变量进行准确预测的最优回归方程，逐步检验自变量并剔除对因变量不显著的自变量。按照表5的实验数据，并结合二元logistic回归理论绘制回归方程流程图，如图2所示。

相关系数矩阵的计算

(1)计算各自变量的平均值

其中，n取值为12，表示实验的组数；α表示某一个因素对应的实验组数；j取值1,2,3,…10，表示第几个影响因素；

(2)相关系数矩阵

1)建立标准化的数学回归模型

令：

其中：k表示自变量个数为10；

其中，β'

2)构建回归模型方程组

回归模型方程组一般表现形式为

由于：

此处的i表示矩阵的某一行。

把上式(7)代入公式(5)可得：

标准化处理后估计值为零，回归方程数学模型方程组的一般表现形式；

当β'

其中，

叫做相关系数矩阵。

把表5的点焊飞溅实验数据代入SPSS软件可获得初始的相关系数矩阵；

自变量筛选

对R

u

表6偏回归平方和

对引入的自变量进行筛选

通过SPSS对数据进行显著性分析，筛选出自变量x

把x

因为F

按照此过程对自变量进行逐步引入和剔除，最终自变量x

y＝-3.354+0.313x

转变为：

对多重影响因素下的飞溅发生概率进行预测

首先明确电极压力为F＝4KN，通过得到的飞溅概率公式(13)，开始绘制发生飞溅的概率为5％(低概率飞溅区)和发生飞溅的概率为95％(高概率飞溅区)两种情况下的飞溅概率曲线，如图3所示，图中分为三个区域，分别为：低概率飞溅区(I区，代表飞溅的发生概率接近0)，低概率和高概率混合飞溅区(II区，介于低概率飞溅区和高概率飞溅区的转换区域)，高概率飞溅区(III区，代表飞溅的发生概率接近1)。混合飞溅区域发生飞溅的概率是从0到1连续变化，并且不存在明显的跳跃区域，得出的这一观点和许多点焊研究学者的结论不谋而合。即使焊接性窗口广泛的应用在焊接参数的选择，也并没有一个明确的不发生飞溅的焊接参数选择区域，这也解释了图3并没有一条明确的飞溅边界的原因。

根据公式(13)可得，通过logistic逐步回归可得，装配因素中只有下电极柱与工件存在角度偏差An对熔核飞溅具有显著性影响，所以主要研究的下电极柱与工件存在角度偏差An对提出的熔核飞溅条件有何影响。

当下电极柱与工件存在角度偏差时，施加在工件上电极压力与工件不垂直，会使电极头和工件的接触面积变小，电阻增加，根据公式Q＝I

由上可得，镀锌DP钢在不合适的装配因素下会产生焊缝峰值温度过高、塑性环形成不完整、焊缝区温度分布不均匀等不利影响因素，引起飞溅的发生。对于镀锌材料可以采取预热处理帮助塑性环的形成和扩展。飞溅现象应该被重视，在电阻点焊生产活动中，要制定严谨的工艺和装配标准，尽量减少飞溅的发生，确保焊接产品的质量安全。

拉伸实验分析：

为了分析飞溅对点焊接头力学性能的影响，分别对12组试样进行拉伸试验，通过整理实验后的数据，根据飞溅概率公式(13)，因为通过二元logistic回归分析得到焊接电流I、下电极柱与工件存在角度偏差An存在显著性，从中挑选出3组显著性因素相同的数据进行分析。

由表7可得在显著性因素相同的情况下，10号试件的抗拉强度为288MPa、11号试件的抗拉强度为318MPa、12号试件的抗拉强度为317MPa。10号试件的抗拉强度小于11号和12号试件的抗拉强度，由于10号工件在点过程中发生了飞溅，使其抗拉强度下降。

表7工件拉伸实验数据表

其中，工件编号10对应的试验力-位移曲线为图5a；工件编号11对应的试验力-位移曲线为图5b；工件编号12对应的试验力-位移曲线为图5c；其中，纵坐标是拉伸力，横坐标是位移。

如图6所示，镀锌DP钢点焊接头硬度分布呈现明显的区域性，由于镀锌DP钢组织成分分布不均匀，导致硬度分布也不均匀，从母材区到焊缝区大体上硬度呈上升趋势，热影响区的硬度明显高于母材区的硬度。热影响区的硬度值随距焊缝区中心的距离越近硬度也逐渐升高，部分区域可能会存在回软情况，因此，各个区域的硬度值均取平均数。由于本实验是为验证飞溅对接头的力学性能的影响，且母材区硬度大致相同，故主要考虑热影响区和焊缝区的硬度。10号工件热影响区硬度为245HV、焊缝区硬度为330HV；11号工件热影响区硬度为285HV、焊缝区硬度为350HV；12号工件热影响区硬度为290HV、焊缝区硬度为340HV。

由图6可得，由于10号工件在电阻点焊过程中发生了飞溅，在热影响区和焊缝区，10号工件的硬度明显低于11号和12号工件的硬度，尤其是热影响区的硬度差值更明显。由于熔核飞溅的发生液态金属带走了部分热量，导致焊缝区的峰值温度有所降低，使焊缝区和热影响区的受热程度不同，导致焊缝区和热影响区的硬度发生变化。

综上所述，飞溅的发生会导致电阻点焊接头力学性能下降，由于飞溅发生时液态金属带走了部分热量，使热影响区的相变温度下降(可直接从热影响区的硬度分布图上看出)，点焊接头强度下降。

本发明为研究焊接飞溅，采用100mm×20mm，厚度为2mm的镀锌DP钢，进行搭接，通过12组实验研究10个电阻点焊工艺因素对飞溅的影响，创新地考虑装配因素是否会对飞溅的发生产生影响。利用二元logistic回归模型成功筛选出两个对飞溅有显著影响的诱因，并成功绘制飞溅概率曲线图，可以在复杂的生产条件下法制飞溅的发生。提出熔核飞溅模型，把熔核飞溅的发生条件化，焊缝区液态金属膨胀冲击力和塑性环破裂所需要的力的大小，作为评估飞溅是否发生的前提。具体分析下电极柱与工件存在角度偏差和工件厚度存在偏差对焊接飞溅的发生机理，并对电阻点焊接头的力学性能分析验证焊接飞溅的危害。得到以下结论：

(1)通过二元logistic回归模型进行自变量的逐步筛选，获得对飞溅具有显著性的影响因素，焊接电流I、下电极柱与工件存在角度偏差An；得到了飞溅概率方程

(2)构建点焊飞溅模型并把熔核飞溅条件化，通过比较焊缝区液态金属膨胀冲击力和塑性环破裂功的大小作为是否发生飞溅的标准，揭示了当焊缝区液态金属产生的膨胀力P

(3)发生焊接飞溅会导致电阻点焊接头的抗拉性能会下降，发生飞溅的10号工件与未发生飞溅的工件相比抗拉强度下降30MPa。

(4)镀锌DP钢点焊接头硬度分布呈现明显的区域性，部分区域会出现回软现象，大体上硬度值从母材区到焊缝区呈上升趋势，热影响区的硬度值明显高于母材区的硬度值。发生飞溅的10号工件在焊缝区和热影响区均低于未发生飞溅的工件，尤其在热影响区硬度值相差40HV。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。