基于Minitab开展的激光焊接DOE工艺参数优化.pdf

第2 0 期AUTOMOBILE APPLIEDTECHNOLOGY工艺材料10.16638/ki.1671-7988.2023.020.029基于Minitab开展的激光焊接DOE工艺参数优化范玉阳，陈亚锋，赵家昊，冯章超（中航锂电（洛阳）有限公司，河南洛阳47 10 0 0）摘要：近年来随着技术进步，激光焊接的应用逐渐普及，激光焊接在制造业尤其是汽车制造业被大规模使用。激光焊接目前大量应用与动力电池制造，如模组Busbar焊接。激光焊接具有焊接速度快、变形小、精度高等许多优点，对工装、焊接参数等有更高的要求。不同设备间受工装等部件影响会呈现相近但不相同的焊接属性，焊接参数之间存在相互影响，共同作用于焊接质量。为了能获得更优的焊接质量，针对新设备除了进行基础的功能性能验收外，还要对激光焊接设备参数进行全因子的验证。进行多因子参数验证试验，研究设备各参数之间相互作用对焊接质量的影响成为焊接工艺工程师的重要研究方向以及设备参数调整的依据。文章挑选较为常用的焊接参数进行试验设计（DOE）验证，得出因子交互影响程度并用Minitab工具计算优化出理论优解。关键词：动力锂电池；电池制造工艺；激光焊接参数；DOE；模组Busbar焊接中图分类号：U469.72Optimization of Process Parameters of Module Laser Welding with DOE(China Lithium Battery Technology Company Limited,Luoyang 471000,China)Abstract:In recent years,with the development of technology,the application of laser welding isgradually popularized,and laser welding is widely used in manufacturing industry,especiallyautomobile manufacturing industry.At present,laser welding is widely used in lithium-ion batterymanufacturing,such as module Busbar welding.Laser welding has many advantages,such as highwelding speed,small deformation and high precision,it also has higher requirements for tooling andwelding parameters.Reflective lens and other components,different equipments have similarwelding properties,and welding parameters have mutual influence,which jointly affect the weldingquality.In order to obtain better welding quality,in addition to the basic functional performanceacceptance of new equipment,the influence between equipment parameters should be further作者简介：范玉阳（1995一），男，助理工程师，研究方向为动力电池集成工艺，E-mail:。文献标识码：A文章编号：16 7 1-7 98 8(2 0 2 3)2 0-145-0 6Based on MinitabFAN Yuyang,CHEN Yafeng,ZHAO Jiahao,FENG Zhangchao146obtained,so it is necessary to verify the parameters of laser welding equipment in an all-round way.It has become an important research aspect for welding process engineers to carry out multi-factorparameter verification tests and study the influence of the interaction between equipment parameterson welding quality.In this paper,the commonly used welding parameters are selected for design ofexperimen(DOE)verification,and the degree of factor interaction is obtained,and the theoreticaloptimal solution is calculated and optimized by Minitab tool.Keywords:Lithium-ion battery;Manufacturing process;Laser welding parameters;DOE;ModuleBusbar welding根据陶武等研究激光焊接具有精度高、变形小、焊接快等优点。目前已广泛应用于锂电池制造过程中，且应用于多个重要工序：盖板焊接、密封钉焊接、模组Busbar焊接以及目前无模组技术（Cell ToPack,CTP）中PACK箱内电池焊接等工序，与赵宇龙2 研究结果一致。激光焊接设备的稳定性直接关系到电池的安全性，以及成组后模组/PACK的稳定性，激光焊接也因此成为各电池制造厂商制造工艺的重点关注对象。根据郭正松3的研究，合理的试验方法可在生产过程中节省焊接参数调试过程中的时间成本、人力成本。通过对周涛4、赵娜5、马逢时等的研究学习，试验设计（Design Of Experimen,DOE）验证成为一种较为有效的研究方法。目前 Minitab软件中有针对DOE验证的模块，操作也相对简单，因此，Minitab软件成为进行多因子试验验证的较为方便的工具。1激光焊接在电池制造过程中的应用激光焊接原理：使用高能激光束将金属工件热熔，使待焊接金属形成熔池相互融合达到焊接目的。激光焊接是一种高效精密的焊接方式，具备焊接变形小、易于实现自动化高速焊接、污染小、焊接精密等特点，适用于小巧精密的零部件，能满足电池制造工艺中焊接工序的工艺要求。如模组Busbar焊接既要保证焊接后极柱不会因高温出现密封效果损伤，又要保证车辆在各种工况下极柱与导电排间焊接强度合格不会出现断裂。而激光焊接能将焊接能量降至最低形变小的特点，能最大程度保证焊接强度和焊接温度的要求。同时，由于当下电池零部件多为铝制金属件，存在一定的反射性，对焊接效果会有影响。因此，对焊接汽车实用技术设备的参数要进行优化，保证工艺参数达到最优。本文以模组Busbar激光焊接为例，选用正选波形，模拟使用铝制导电排与极柱焊接的参数，焊接功率、焊接速度、离焦量、焊接周期、焊接振幅、保护气体流量6 个参数作为影响因子，使用Minitab软件对此6 个因子进行DOE分析。2试验方案2.1碗确定试验目的及指标首先要确定焊接设备参数调整的最终目的，即确认目的因子（响应因子），本次验证选取焊接熔深、熔宽作为目的因子。若选择的目的因子为主观判定因子则需根据需求制定评分规则。如：焊缝外观、焊渣飞溅、大小等。2.2确认6 个影响因子参数的高低水平试验前需确认每个因子高低水平（-1,1），其中-1为低水平、1为高水平。选取的高低水平要保证各因子在高低水平之间是按照线性影响目的因子。若选取的高低水平中间的影响呈抛物线形式则无法顺利计算拟合出结果。此外，选取的高低水平需根据材料的材质、厚度、表面粗糙度等进行相应匹配，否则均会影响拟合结果。本次实验选用参数及高低水平如表1所示。表1实验选用参数及高低水平因子因子名称A功率/WB速度/(mm/s)C离焦量/mmD脉宽/mmE频高/mmF保护气/(L/min)2.3设计实验使用Minitab打开，选择DOE模块，创建因子设计。可根据自身需求选择全因子设计、1/2 因2023年高水平低水平3 0004000200300060.61.00.61.0210第2 0 期子设计、1/4因子设计、1/8 因子设计等。Minitab会根据选择及因子高低水平生成对应的实验组。此步骤也可根据实际需求组合因子，设计对应的试验设计。也可以使用正交试验方法，有效降低试验次运行序中心点区组功率/W1121316316412.4熔深熔宽数据处理为保证数据准确性，每组焊接参数保证多组数据，本次试验每组参数焊接多个零部件，对焊功率/W速度/(mm/s)离焦量/mm周期/mm振幅/mm保护气/(L/min)3 000200每个运行序去除每参数中的最大值和最小值，其余值取平均数，可得出1个熔深值、1个熔宽值。3订试验结果分析待得出熔深、熔宽参数值后将参数按照表2所示顺序，导入至Minitab中，对参数进行拟合分析，以本次实验结果熔宽A为例。3.1初步因子分析对数据进行因子分析，选择所有因子，可得出一个初步方程及一个相应Pareto图，6 因子相互0.132范玉阳，等：基于Minitab开展的激光焊接DOE工艺参数优化表2 六因子DOE实验方案表速度/(mm/s)离焦量/mm13.000130001300013.00013 000表3运行序1熔深熔宽示例表61147数。但考虑到验证前无法判断各因子及其交互因子影响的大小，本文采用全因子设计，得出所有因子及其相互因子的影响。本次采用6 因子全因子水平设计，填入高低水平后可得如下6 4组参数方案，如表2 所示。脉宽/mm20062000350035063500缝进行切割打磨金相检测得到多组熔深熔宽参数，表3为运行序1的熔深熔宽参数。熔深1/mm熔宽1/mm熔深2/mm 熔宽2/mm1.936 73.307 41.732 02.363 512交互相很多，因此需辨别其中主要交互项，从图1中可直观辨别出重要因子。3.2因子优化分析第一步结束后得出一个较长的方程，但此时因F值，P值均无法计算，无法得出残差图，根据图1及需求重新选择因子及交互因子。选择 D、B、A、E、C、A C、A B、BC、A BCD、ABC、BE、A BCD E、A D 因子再次进行因子分析。此时可顺利得出方差，并得到残差图、方差图、正态概率图等，如图2 一图7 所示；图2 与图3反映出此次计算结果中仍带入了部分不明显因子及其交互因子。项2.04频高/mm保护气/(L/min)110.60.610.611112.024 61.973 31.871 22.458 62.141 82.605 02221022.517 22.378 21.572.02.246 42.178 42.3926ABCDABCBEABCDEADABDCDCDEFABCFBCDADEFABEFABCEBCECDFDEFEABEBEFBDE0.0ABCDABCBABCDECDBCD因子名称功率ABC速度离焦量ED频高脉宽F保护气0.20.4效应图1全因子效应Pareto图因子名称BCABCEABEBDEACDEACDCBDBCDE0.60.8A功率B速度CD离焦量脉宽E频高F保护气1.005图2效应Pareto图10标准化效应152014899959080-706050m40302010-2099.999510.1-0.44-0.30.2-0.10.0 0.10.20.30.40.5残差图4残差正态图0.40.30.20.10.0-0.10.2-0.3-0.4-020155-0-0.32汽车实用技术0.4-D0.30.2ACABABCDABCDTABDBEBC-100标准化效应图3标准化效应正态图12拟合值图5残差与拟合值-0.160.00残差图6 残差直方图2023年效应类型0.1不显著州显著0.0-0.1因子名称A功率B速度C离焦量D脉宽E频高F保护气1020340.160.320.2-0.3-0.4151015202530354045505560观测值顺序图7 残差与顺序从图3一图7 中可以判断此回归方程是相对较为准确的方程，以未编码单位表示的回归方程为熔宽A=-22.5+0.00717功率+0.0 90 4速度+5.63离焦量+2 4.3脉宽+34.8 频高-0.000027功率速度-0.0 0 157 功率离焦量-0.0 0 6 6 8 功率脉宽-0.0 10 2 7功率频高-0.0 2 53速度离焦量-0.0857速度脉宽-0.1391速度频高-4.97 离焦量脉宽-10.34离焦量频高-34.0 脉宽频高+0.000007功率速度离焦量+0.000026功率速度脉宽+0.0 0 0 0 39功率速度频高+0.0 0 147 功率离焦量脉宽+0.0 0 2 8 6 功率离焦量频高+0.0 10 37 功率脉宽频高+0.0 2 13速度离焦量脉宽+0.0 42 3速度离焦量频高+0.12 6 5速度脉宽频高+10.8 9离焦量脉宽频高-0.000006功率速度离焦量脉宽-0.0 0 0 0 12 功率速度离焦量频高-0.0 0 0 0 38 功率速度脉宽频高-0.0 0 310 功率离焦量脉宽频高-0.0 448 速度离焦量脉宽频高+0.0 0 0 0 13功率速度离焦量脉宽频高本次计算过程中带入了交互因子的上一层交互，可以根据自身需求对结果继续进行优化得出自己可使用的结果。3.3因子相应图分析回归方程因单位量级等的不同，无法直观感受到主因子及其交互作用对相应因子的影响。因此，可对响应因子熔宽A进行因子图（图8，图9）第2 0 期分析，查看熔宽受主因子及其交互作用图，通过图示能更直观看出各因子对响应因子熔宽A的影响。图中可看出保护气对熔宽几乎无影响，因此在回归方程及效应图中均无保护气流量的相关因子，可得知各参数变动对熔宽A的影响趋势。0.6速度*功率离焦量*功率脉宽*功率频高*功率保护气*功率321功率*速度离焦量*速度脉宽*速度频高*速度保护气*速度321功率*离焦量速度*离焦量功率*脉宽速度*脉宽离焦量*脉宽3-2一功率*频高速度*频高离焦量*频高脉宽*频高功率*保护气速度*保护气离焦量*保护气脉宽*保护气3213.0004000功率注：灰色背景表示项不在模型中。3.4验证结论通过本轮试验验证结果，可得知此设备对熔宽的影响：脉宽 速度 功率 频高 离焦量其他交互作用。优化高D:1.000曲线3 996.724 5预测低3000.0优化D:1.000预测熔宽A望目：2.0y-2.0d-1.000 0熔深A望目：0.950y=0.9500d=1.000 0熔宽B望目：2.0y-2.0d=1.000 0熔深B望目：0.950y-0.9500d-1.000 0范玉阳，等：基于Minitab开展的激光焊接DOE工艺参数优化离焦量脉宽频高保护气2.75502.252.001.75.1.503.000 4 000200350注：灰色背景表示项不在模型中。图8熔宽A主效应图200350速度功率4000.0149功率速度060.61.00.61.02101.02脉宽*离焦量频高*离焦量保护气*离焦量321频高*脉宽保护气*脉宽保护气*频高32.1.001频高*保护气0F6离焦量图9熔宽A交互作用图4优解预测其他参数也可通过此方法得到参数实验结果，同时可通过Minitab中相应优化模块，计算处速度离焦量350.06.0332.151 61.812 8200.00.0图10最优解预测图100.61.0脉宽频高脉宽1.00.769 40.60功率3000.04000.0速度200.0350.0离集量0.06.0脉宽-0.60-.1.00频高0.60保护气2.010.0保护气频高1.00.957 40.60保护气10.010.02.0150理轮最优参数解。假设目标熔深为0.9 5mm，目标熔宽为2.0 mm，则模拟计算出最优解，如图10 所示：功率为39 9 6.7 2 W；速度为332.15mm/s；离焦量为1.8 1mm；脉宽为0.7 7 mm；频高为0.96 mm;保护气为10 L/min。因实际焊接受环境、工装、设备参数取整等其他因素影响，模拟出的期望参数一般仅作为参考参数使用，要根据实际情况进行调整。从各组参数变化对熔深A的效应图可得知：激光焊接优解具有非唯一性，低焊接功率低焊接速度与高焊接功率高焊接速度组合出的参数、焊接效果均可以达到相同的效果，需要根据目的选择自己的优等参数。5结语DOE验证作为试验方法，理论计算值更多的是作为参数调整的参考依据，实际要根据自已需求选取优等参数。根据自已需求选择因子设计，因子越多试验组别数越多，因子相互作用选择越多所需组别数也越多，拟合的结果也更接近实际，同时结果也汽车实用技术更复杂多变。但实际上设备参数调试过程中部分因子的相互作用对熔深熔宽的影响极小，在主要因子的作用下此部分可忽略不计。因此，可根据设备自身性能对拟合结果进行进一步优化，有助于更快得到想要的结果。参考文献1陶武,杨上陆.铝合金激光焊接技术应用现状与发展趋势J.金属加工(热加工),2 0 2 1(2):1-4.2赵宇龙.激光焊接技术在动力电池制造中的应用.世界制造技术与装备市场,2 0 2 2(3):6 4-6 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