（机械电子工程专业论文）铝合金点焊质量在线监测系统及其数据库的构建.pdf

摘要 铝合金点焊作为一种行之有效的焊接方法在航空、航天产品的生产中得到了广 泛的应用，但是到目前为止真正能应用到生产线上的点焊质量在线监测系统非常少， 目前铝合金点焊的质量检测主要还是依赖人工或x 射线检测。虽然很多学者针对铝 合金点焊的监测方法进行了卓有成效的研究，但是大部分的成果仍然处于实验室研 究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。 本课题为航天科技集团某机械厂项目，该厂目前存在的主要问题是飞溅及熔核 尺寸不合格，因此本课题的研究也主要针对这两方面缺陷进行。本文工作中构建了 以电极压力、电极位移、焊接电流及电压作为铝合金点焊质量评定特征信息的铝合 金点焊质量在线监测系统。同时构建了基于铝合金点焊质量在线监测系统的数据库， 通过l d b v i e ws q l t 0 0 1 k i t 完成数据库与l a b v i e w 监测系统的连接，实现了焊点相 关信息的适时记录和查询功能。本课题将在工业过程控制中应用广泛的统计过程控 制技术( s p c ) 应用到铝合金点焊生产，通过其对数据库信息的统计分析实现对铝合 金点焊质量在线监测系统参数的优化。 通过大量的验证实验及针对实际产品的生产监测，对本监测系统进行了不断的 优化。目前本系统已经达到了较高的焊点质量判定精度，并已应用于多个型号航天 产品的铝合金点焊生产中。随着数据库信息的增多，统计过程控制技术的优势也将 进一步发挥，使监测系统的焊点质量评定更加准确。 关键词：铝合金点焊；在线监测；数据库；统计过程控制；参数优化 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di i la e r i a lp r o d u c t i o n b u ta 1 1e f r e 州v ew a y h a s d tb e e nf o u l l df o ro n - l i 工l ei i l s p e c t i o no f t l l e 曲g g e t sq i l a l n y 。u m i ln o w ，a 1 1 dm o s t o f t l l e m s p e c t i n g w o r k sa r ed o n eb yx - r a y u h a - s o n i co rm e c h a n i c a lw a y s t h o u g hm a n yr e s e a r c h e r sh a v em a d el o t so f e f f b r t st os 0 1 v em i sp m b l e m ，b u tm o s to f t h e i rw o r k sa r es 虹l lu i l d e rt e s ti n1 a b o r a t o r y t h a t st 1 1 e b a c k g r o u n do f w h yw ed ot 1 1 i sw o r kt om e e tt l l eu r g e n tn e e do f t 圭l ei n d u s 廿y m sw o r ki sf o ro n ef a c t o r yo fc a s c ，脏m a j o rf a u l t si na l 啪i n 呦s p o tw e l d i n ga r ee x p u l s i o n a n du n q u “i f i e ds i z eo f m 培g e t ，s ot l l ea i l no f o l l r 、v o r ki st om o 血t o r 也ew e l d i n gp r o c e s s 锄df m d 也e s e p o s s b l ef a u l t s t h ea l u m m u ms p o tw e l d l m go n 1 i n cm o n i t o r m gs y s t e mw a sc 册s 们】c t e d w e l d i n g c u r r e n ta n dv 0 1 t a g e ，t i pd i s p l a c 锄e n t 锄dt 巾p r e s s u r ea r es e l e c t 酣船m ec h a m c t 嘶s t i cs i g | 1 a j st o m e a s u r ea n de s t i m a t e 也eq u a l n yo fm e 嚼e t s ho f d e rt om e m 商z ea n dq u e r yt h es p o tw e l d i n g p r o c e s sm f b 姗a t i o l l ad a t a b 嚣ew a sc o n s 伽c t e da n dc o 加e c t e dw i mt h eo n - l i n em o m t o r i n gs y s t e m t 1 1 r o u g l ll a b e ws q lt o o l 姓t h es 枷蛐a lp r o c e s sc o n 的1 ( s p c ) i su s e dt oe s 石m a t e 柚do p t h n i z e t h ec r i t i c a lv a l u ea n dp r o c e s sp a r 锄e t e r s a f c e rd o i l l ga1 0 to f e ) 【p e r i m e n t sw i t l l 协啦i i 唱p i e c e sa 1 1 da l s of 址t 1 1 a lp r o d u c t s ，t h es y s t e mh a sb e e n u s e d 而d 墒咖n t1 ) i p e sd f a 鲥a lp r o d u c 话s p o tw e l d i n g8 n da c l l i e v e d 彻n 8i n s p e c n o nw j l l lm 曲 p r e c i s i o n i th a sb e e nc o i l s t a m l yo p t i m i z e dw i m t 1 1 ed a t a b a s eb e c o m i i 培m o r ed b u n d a n c e ，a 1 1 dt t l e p r e d o m i n a n c ea n dt l l ee s 右m a d n gp r e c i s i o no f 也en u g g e 辞q u 娟t yw m b em o r ea c c l l r a c y k 坷w o r d sa 1 啪i m ma l l o ys p o tw e l d 堍；。i l i l | m em o 皿确n g ；d a 协b a s e ；s 协t i s t i c a lp r o c e s sc o n 订o l ( s p c ) ；p a m m e t e ro p t i l i l i 五n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：狸! ：乡 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蕉业导师签名：弛日期：丝蚰y 一 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景及其意义 自1 8 8 6 年e 1 i h ut h o m p s o n 发明世界第一台点焊机咀来，点焊工艺过程的物理 本质几乎没有变化。但是随着时代的发展，焊接自动化程度不断提高，被焊接材料 不断变化，对焊接质量的要求也越来越高。点焊作为焊接的一个重要分支也得到了 长足的发展i 】 。 电阻点焊r s w ( r e s i s t 臼1 】c es p o tw e l d i n g ) 由于能量集中、焊接变形小、易实现 自动化、生产效率高、成本低，特别适合焊接薄壁零件。因此在航空、航天、汽车、 电子等工业领域应用十分广泛，已经成为一种不可缺少的重要的工业制造技术【2 “。 电阻点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素相 互影响的过程口。由于点焊形核处于封闭状态而无法直接观测，同时形核时间极短， 焊接条件短时间的波动就会造成较严重的飞溅、虚焊或脱焊，特别对铝及铝合金更 是如此i ”。点焊最大的缺点是目前还缺乏可靠、实用的无损检验技术和方法。在实际 生产中，由于工件表面状态的变化、电极磨损( e l e c t r o d et i pw e a r ) 、装配间隙 或机械结构的扰动等众多因素，即使按照相同焊接工艺组织生产，仍然有可能出现 质量波动嘲。一旦出现质量问题，常常聚用大量的解剖实验或增加焊点数目来保证结 构质量，势必会增加生产成本。并且有可能将带有点焊缺陷的产品流入市场。对于 航空、航天领域，许多关键部件是不允许整体解剖的，目前仍然依靠人工检查每一 个焊点。即便如此对虚焊( 或焊点熔核尺寸不合格) 还是难以判定。因此利用现代 传感技术、计算机数据处理和智能控制技术实现焊点质量1 0 0 监测，进而进一步 控制点焊质量已经成为焊接领域急需解决的一个关键技术课题剀。 1 9 9 6 年，美国国家标准技术研究所n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n 0 1 0 9 y ) 启动了总投资高达1 3 6 0 万美元的智能电阻焊i r w ( i n t e l l i g e n t r e s i s t a n c ew e l d i n g ) 高级技术项目a t p ( a d v a n c e dt e c 1 i 1 0 1 0 9 yp r o g r a ) ，点焊材 料为普通钢( c o n v e n t i o n a ls t e e l ) 、涂覆碳钢( c o a t e ds t e e l ) 、低合金高强钢和铝。 参加该项目主要单位包括c h r y s l e r 、f 0 r d 、g e n e r a lm o t o r s 三大汽车巨头，以及 m i c h i g a n 大学、b a t t e l l e 研究所、e d i s o n 焊接研究所和i t i 工业技术研究所，其 重视程度、规模和实力可见一斑【l 。 智能电阻焊i r w 高级技术项目a t p 是基于以下理由提出的：在美国三大汽车巨 头拥有6 4 条汽车生产线年产1 3 0 0 万辆，每辆汽车需要焊接z 0 0 0 5 0 0 0 焊点；每七 个就业职位中就有一个是汽车行业提供的。点焊控制系统的任何改进或质量稳定性 的提高都会提升美国国家在海外市场的竞争力，同时增加就业机会，进一步缓解国 内就业压力。同时为了保证汽车的可靠性，每辆汽车点焊数目高出实际设计3 0 。 内就业雎力。同时为了保证汽车的可靠性，每辆汽车点焊数目高出实际设计3 0 。 北京工业大学工学硕士学位论文 据推算如果能够减少焊接缺陷( w e l dd e f e c t s ) ，焊点数目每降低1 0 每年可节约 4 6 亿美元生产成本。该项目的实施还势必会加快电阻焊设备以及控制部分的更新 换代，因此具有重要的实际应用意义。 铝合金点焊作为一种行之有效的焊接方法在航空、航天产品生产中得到了广泛 的应用。在航空、航天产品的生产中，个微小的缺陷都可能带来一场巨大的灾难。 而且在每一件航空、航天产品上有数百个焊点，而不同焊点又因铝板材料和厚度的 组合而采用不同的工艺参数。本课题主要的试验及验证都是在航天科技集团某机械 厂的点焊机上进行的，该型号点焊机工作时焊接电流可以达到数万安培。由于焊点 质量与备参数在焊接过程中发生的变化密切相关，故仅在焊接过程结束后采用抽检 法评估焊接质量，既浪费大量的人力和物力，又不能完全保证焊点质量i “】。本课题 即是在这种背景下提出的，主要目的也正是要建立一套高效实用的点焊质量在线监 测系统。 1 2 铝及铝合金点焊的特点 铝及铝合金的密度大约相当于钢的三分之一。早在1 9 2 0 前后，铝台金已经应用 到汽车行业。近年来，汽车采用大量铝合金结构是基于减轻车体重量，节约能源和 降低环境污染考虑的，而航空、航天领域采用铝合金或其它轻金属同样也将减少自 重和发射成本置于重要地位【1 2 】。 铝及其铝合金与钢的物理、化学、电学性质、机械、材料、冶金性能有明显区 别，从而造成其点焊工艺存在明显不同。铝及其铝合金具有优异的导电性能( e 1 e c t r i c a l c o n d u c o 叫) 和良好的导热性能，点焊通常采用大电流、短时间的硬规范。铝及其铝 合金的电阻( b u l kr e s i s 廿v i t y ) 约为钢的三分之一，室温下，热导率( t h e r m a l c o n d u c t i v 时) 约为钢的3 4 倍，并且随着温度的提高，铝合金热导率 直线升高， 而钢的热导率几乎保持不变，见图1 1 铝合金与钢高温材料性能对比。当电流一定 的情况下，电阻点焊焦耳热和电阻大小成正比【l3 1 。由于铝及铝合金电阻小，导热快， 点焊一般需要消耗更多的能量，通常采用大电流、短时间的硬规范i l4 j 。铝合金点焊 过程控制精度高，难度大，容易产生飞溅、虚焊等缺陷i l 引。适合点焊钢的普通点焊 机一般难以胜任铝合金点焊的要求。在焊接生产中尤其要注意以下四点： 1 、从图1 1 铝合金和钢高温材料性能对比可以看出，铝合金弹性模量e 、屈服 强度o ，随着点焊加热在短时间快速下降，膨胀系数a 随着温度提高直线增加，在 8 7 3 k 9 0 8 k 之间体积膨胀大约是钢的两倍【1 6 l 。如果表面清理不好，局部电流密度过 大，容易造成早期表面飞溅；电极压力不合适或因装配问题，引起点焊塑性环闭合 不佳，很容易产生点焊内部飞溅1 7 】。铝合金点焊飞溅缺陷与塑性环的低倍照片如图1 2 所示。 第1 章绪论 t 嘲h 幢l u m1 4 e 图1 1 铝合金与钢高温材料性能对比【l q f i g1 一lc o 时a s t | v ep e 仃。皿柚c ew i l ha l 啪i 1 1 啪a l l o y 衄ds t e e li i lh 啦t e m p e r a t u r e a ) 飞溅缺陷( 7 )b ) 焊点塑性环( 7 ) 图1 2 铝合金点焊焊点飞溅缺陷 f i g1 - 2e x p u l s 0 0 i l 缸d g g e t ss h a p e 2 、氧化膜、接触电阻与电极寿命是一个复杂的问题。铝及铝合金在空气中很容 易和氧结合，形成致密的三氧化二铝薄膜。该薄膜熔点是铝及铝合金的三倍左右， 它可以吸收水分并在点焊过程中形成气孔、夹杂等缺陷。如果清理不净，接触面局 部电流过大，造成瞬间熔化，从而产生早期飞溅。一方面焊件表面质量受到影响： 另一方面还会降低电极寿命。铝及铝合金点焊电极寿命一般仅能达到几十点，和钢 点焊相差甚远【1 9 】。 3 、铝及铝合金点焊帕尔效应( p e l t i e re 眠t ) 和大厚度比问题。帕尔效应是指不同 金属接触电位差引起电子加速运动。接触处产生放热或吸热反应。铝合金点焊电极 待焊材料电极之间组成的电路中，具有较高的电位差，帕尔效应比较明显， 最终表现为熔核偏离。大厚度比也会因材料厚度差异和温度场分布不同而造成熔核 北京工业大学工学硕士学位论文 偏离。一般采用硬规范或不同电极( 直径、材料、特殊形状) 来改善熔核偏离 2 0 】。 4 、点焊过程中电极对焊件的压力是一个十分重要的参数，只有加压过程合适， 才能保证合理的电接触，形成比较好的塑性环，进而避免飞溅。铝及铝合金点焊电 流大、时间短，要求电极压力具有阶梯或马鞍形压力曲线，且随动性好。 1 3 国内外研究现状 点焊原理虽然简单，但是焊接过程时间短并伴随各种复杂的物理化学反应。涉 及到力学、热学、电学、冶金等物理、化学、材料相关领域的知识。目前的研究方 法主要有两大类：一是以数学物理建模为主，模拟点焊加热过程与温度场、加电过 程与电势场以及机械受力过程预应力应变场。该方法以研究点焊过程的机理为主， 如点焊接触电阻、表面氧化膜、电极寿命等理论问题；二是以实验为主，利用点焊 涉及到的力学、热学、电学、冶金等物理化学过程中物理量的变化，采用先进的传 感技术来监测与控制点焊过程。许多研究者已经注意到点焊过程的复杂性，用单一 传感器获得的信息有限，需要采用多传感器获取更多信息，通过剔除冗余，互相补 充。只有特征信息与质量的关系简单明确、信噪比高、才有可能最终提取特征明显 的关键特征信息，达到在线判读焊点质量的目的。 1 3 1 多传感器点焊过程监测 点焊质量的主要影响因素包括：电源种类( 交流、直流、逆变) 、设备动态特性、 焊接控制过程、电极材料与表面状态、工艺参数( 电流、电压、焊接时间、电极压 力等) 、焊件装配、焊件材料与表面状态等【2 l l 。点焊质量主要由点焊能量、焊点受力 和焊接时间( 通电周期) 决定的。点焊过程可监测的信息很多，目前研究人员所进 行的研究针对的对象不同，主要有电流电压、能量、动态电阻、电极压力、电极位 移、声发射、超声波、红外辐射等，由此可见寻找和点焊质量有明显对应关系的特 征信息是实现在线监测的关键。 对于焊接电流，人们普遍认为是十分重要的信息，而且有很多的研究者都针对 焊接电流进行了卓有成效的研究。虽然熔核直径与焊接电流的峰值没有直接的关系， 但与焊接电流的有效值有密切关系。恒流控制法便是利用这一信息来实现的。通过 测量一次或二次回路的电流有效值，并与给定的电流值相比较，当出现偏差时，调 节晶闸管的导通角来保证焊接电流的稳定。实测表明焊接电流的有效值能控制在设 定值3 的误差范围内【“。 电极压力对焊点质量影响较大，并存在一定的规律性。当电极压力逐渐增大时， 电极与焊件及焊件与焊件之间的接触面积增加，接触电阻减小。产生的电阻热相应 减小，甚至产生的热量不足以将焊点熔化，这就造成了未熔合、脱焊等缺陷。因此 第l 章绪论 电极压力可以作为焊点质量的监控信息f 矧。 电极间的电压可以反映出点焊过程中金属固液态转化的过程，能反映出电 源电压波动，焊机次级回路阻抗变化和装配间隙不合适等引起的焊点质量变化，因 此是比较理想的质量监控信息。 动态电阻即焊点加热冷却过程中电阻变化的规律，可以较好的反映出焊点熔核 的形成过程，对焊件的表面状态、材料厚度变化、电流分流以及电源电压变化都有 较灵敏的反映，它可以由测量焊接电流和电极间电压经过计算得到，是十分有用的 信息。动态电阻监控是比较成熟的一种监测方法，已有实验室应用的实例，也有工 业应用成功的范例。但遗憾的是铝及铝合金点焊过程动态电阻的变化规律与碳钢的 不同( 如图1 3 所示) ，动态电阻法对铝合金点焊是不实用的阱】。 蝉赣时一，珊- i 类低碳钢、低合金钢、 镀锌铁板 i i 类铝合金、奥氏体不 锈钢 图1 3 不同材料的动态电阻曲线【1 9 l f 追1 ，31 1 1 ed y n 蛐i cr e s i s t 柚c co f d i r e mm a t e r i a l 焊点的温度最能反映焊点受热以至熔化的实际情况，红外辐射与温度成四次方 比例的函数关系，理论上它和动态电阻均可以作为监控的信息。但是要测量熔核内 部的温度，在技术上存在很多困难。测量焊点的表面温度也受到诸多方面因素的影 响和于扰，如传热条件、表面状态、电极大小等，使所测的表面温度也受到诸多因 素的影响和干扰j 。 红外辐射强度受到和焊点温度测量同样的因素影响，使测量精度不稳定。 电极位移是由金属受热而产生的，在一定的温度范围内熔化金属的多少与位移 的大小成正比关系，因此是一个很有价值的监控信息【2 6 】。它利用焊接时熔核形成、 长大过程中焊点膨胀位移与熔核尺寸有一定的对应关系来进行监控的。已有的研究 表明电极位移量与焊点熔核直径的相关性较大，通过检测电极位移信号的特征来估 测熔核直径的结果已经取得了令人满意的效果j 。 金属在熔化、相变时及焊接缺陷生成过程中都会产生声发射。理论上监控声发 射的强度可以度量熔核的大小和产生缺陷的状况，但是声发射的强度很弱，在生产 a毪，盖爨整蔷孽髓 现场又容易受到电磁干扰，甚至被环境噪声所淹没。 由于本研究课题属于重点工程项目，铝及铝合金点焊前都经过严格化学腐蚀或 气动钢丝刷机械清理并严格遵守操作规程。同时电极频繁修复打磨，氧化膜、接触 电阻与电极寿命等相关问题和民品表现不同。主要问题是待焊接工件表面多数情况 为益面，造成接触电阻不稳定，即使有经验的师傅严格按照工艺规程操作，点焊缺 陷有时也难以避免。到目前为止，仍然采用人工1 0 0 检验，但对于虚焊及焊点熔核 尺寸不合格仍然显得力不从心。本文采用多传感器在线监测优化焊接工艺十分必要1 1 3 2 工业应用与研究动向 智能电阻焊i r w 高级技术项目a r p 主要研究内容有【2 目：钢与铝合金点焊熔核生 长机制( n u g g e tg m w l l lm e c h a l l i s m s ) 、监测与反馈算法( m o i l i t o r i n ga n df e e d b a c k a l g o 州hd e v e l o p m e n t ) 、传感与过程监测( s e n s o r sa n dp r o c e s sm a n i t o 血g ) 、设备 优化( m a c h 证ec h a r a c t e r i z a t i o na n d0 p t i m a le q u i p r n e l l t ) 、监测与反馈控制( m o n i t o ra n d f e e d b a c kc o n t r 0 1 s ) 、系统集成( s y s t e mi n t c 掣a t i o n ) 。其中，在线监测并获得反映点 焊质量特征信息是关键。以上这些均反映了当前国内外点焊研究和应用的发展方 向。 图l _ 4 点焊质量多传感器监测网络 f i g ，1 4m o 砌t o 血培s y s t e mo f m u m - s e n s o r s i i ls p o tw e l d i n g 又如，美国著名点焊设备制造公司( m e d a r ) 生产厂内的数据网络已具备了传 输、存储、调用、查看每一焊点的焊接规范以及相关详细信息的能力( 见图1 4 ) c 如果发现某一焊点存在缺陷，很快可以追溯该焊点生产条件以及相应的工艺参数， 使产品具有完备的数据库资料。如果进一步实现点焊在线传感、质量监测与判定， 及时补焊，就避免了后续的检验，甚至可以减少焊点数目，降低生产和检验成本。 第l 章绪论 1 4 本课题研究的主要内容 在现代制造工程中，传感器广泛应用于机电一体化、柔性制造系统、机器人系 统。所需传感器种类和数量相应增加，单一传感器检测技术已经难以满足高质量过 程监控的实际需要，多传感器技术就是利用各种传感器获得更多的信息，相互补充， 提高检测信息量、精度和可靠性。本课题研发的主要内容有以下几个方面： l 、传感器的种类与选择、性能指标、影响因素等； 2 、基于l a b v i e w 的铝合金点焊质量特征信息的提取； 3 、铝合金点焊质量在线评定的实现； 4 、基于铝合金点焊质量在线监测系统的数据库的构建： 5 、统计过程控制( s p c ) 在本课题研究中的应用。 第2 章铝台金点焊质量在线监测系统构成 第2 章铝合金点焊质量在线监测系统构成 目前该厂铝合金点焊焊点质量的检测主要采用焊后x 射线逐点检查，发现 不合格焊点后再采取补焊等相应处理，即浪费大量的人力物力又影响生产的进 度。为了解决这一问题同时提高焊点质量的判定精度，进步保证航空航天产品 的质量构建了本在线监测系统。本在线监测系统可以在每个焊点焊接完成的同时 完成对焊点质量的评定并提示操作人员针对不同焊点质量作出相应处理。 2 1 铝合金点焊质量在线监测系统的总体设计 信息传感是铝合金点焊质量监测系统的基础，如前所述点焊过程可监测的信 息很多，如：电流、电压、能量、动态电阻、电极压力、电极位移、声发射、超 声波、红外辐射等，寻找和点焊质量有明显对应关系的特征信息是实现在线监测 和质量评定的关键【2 9 】。点焊过程电流大、时间短、干扰因素多，并且交互影响， 属于瞬间、非线性的复杂动态过程i 3 。】。因此，特征信息的选择及其相应的传感器 是本课题的关键技术之一，所选特征信息应满足以下要求： ( 1 ) 在线监测焊接电流、电压、电极压力、电极位移等四个参数； ( 2 ) 选择或定制传感器必须适用于工业应用环境：即防尘、防潮、防油、 绝缘隔离、抗大电流电磁场干扰： ( 3 ) 特征信息与质量关系简单明确、信噪比高、容易处理，实现快速、准 确判定虚焊或飞溅等点焊缺陷； ( 4 ) 传感器获得的信号相对参考点线性变化，信号变化值是一个相对量， 不需要标定。 图2 1 为铝合金点焊过程中，电极压力与焊接电流变化曲线示意图。电极压 力加压过程可以分为几个阶段，即电极下落触压到试件上、预压压力、焊接压力、 锻压压力、卸载等五个阶段。焊接电流在焊接压力阶段某个时刻开始，焊接电流 在锻压开始的前后某个时刻结束。焊接过程各个阶段的周期通过p l c 编程自动调 节。在正式点焊以前，需要点焊许多试片来确定工艺参数。可调节的主要参数为： 次级电压级数、焊接周波数、焊接能量等级( 可控硅导通角) 、各个加压阶段的 周波数、压力变化形式( 阶梯型或马鞍型) ，以及预压情况等。 本研究的点焊机按下述步骤控制焊机的动作： 1 电极下落，压紧焊件 2 触发控制电路，加预压力，将焊件压紧； 3 加焊接压力，保持一段时间； 4 通电，加热焊件； 北京工业大学工学硕士学位论文 5 加锻压力，并保持一段时间； 6 锻压结束，电极抬起，当前焊点的焊接结束。 理 靛 罂 图2 一l 铝合金点焊过程中电极压力与电流变化曲线示意图 f i g 2 - 1t h ec h a f to f e l e 咖d ep n s s u r ea n dc 哪n tc h 锄g ed u r i i l gs p o tw e l d i n gp r o c e s s 监测系统将采集到的四个传感器的信号进行处理并完成焊点质量的评定，并 将处理过的信息写入到焊点质量实时数据库，用于对焊点的质量信息进行记录和 工艺参数优化。整个在线监测系统构成如图2 2 所示。 图2 2 铝台金点焊在线监测系统构成 f i g 2 - 2t h es 恤1 c t u r eo f t h eo n - 1 mm o n n o r i n gs y s t e “ 在线监测系统对焊点质量的判定主要通过分析电极压力和电极位移特征曲 线来得到，焊接电流用于监测能量的输入，电压信号用于判定点焊过程的匹配时 序。由于该厂在点焊生产前铝合金焊件表面都经过仔细清理去除氧化层及油污等 污物，电极表面在每点几个焊点都进行仔细打磨，消除电极表面烧蚀、合金化等 影响因素，其点焊存在的主要问题是熔核尺寸不合格及飞溅缺陷，因此本课题的 研究也以这两种缺陷为主要对象。 第2 章铝合金点焊质量在线监测系统构成 2 2 铝合金点焊质量在线监测系统硬件的构成 2 2 1 传感器的选择 信息传感是铝合金点焊质量监测系统的基础，目的是获得真实可靠、特征明 显、信噪比高的点焊质量信息，从而为质量判定提供依据。本文工作所针对的点 焊机点焊电流接近4 万安培，而且焊接时间短、干扰因素多，并且交互影响，属 于瞬间、非线性的复杂动态过程。利用多传感器构建各工艺参数及相关信息与点 焊质量之间的关系，提取表征点焊质量的特征信息，并在此基础上对点焊过程的 质量做出评定。传感器性能优劣是项目关键技术和基础。 在第一章中已经论述了，本研究选择的特征信号为电极压力、电极位移、焊 接电流及电压。因此相应选择了压力传感器、位移传感器、电流传感器及电压传 感器作为特征信号的来源，其安装位置及系统框图如图2 3 、图2 4 所示。 图2 3 传感器安装位置示意图 f i g ，2 - 3s k e t c hm a po f t l l es e n s o r s f i x i n gp o s t m g 北京工业大学工学硕士学位论文 电压传馨嚣 图2 - 4 点焊质量在线检测系统框图 f 培2 - 4f r a m em 印o f m es p o tw e l d i n go n - l i n em o n n o 血g 剐s t e m 1 电流传感器的选择 大电流测量技术对监测点焊起着重要的作用。电阻焊机二次回路电流具有持 续时间短、电流大、变化范围宽、频率低的非正弦波特点，传感器质量的优劣会 直接影响测试的效果。 图2 - 5 电流传感器线圈示意图 f i g 。2 - 5s k e n c hm a po f t l mc u i n ts e n s o r 大电流传感器实际上是一种特殊结构的空心线圈，如图2 5 所示。 根据电磁感应定律，电场周围线圈中感应电动势与线圈中的磁通变化成正 比，电动势的方向阻碍磁通变化，即： p ：一盟( 2 1 ) 础 式中 l 一线圈总匝数； 口= 嬲 ( 2 2 ) 式中卜磁通密度： ，一传感器横截面积； 第2 苹铝台金点焊质量在线监测系统构成 磁通密度占和磁场强度取决于磁通所在材料 丑= 芦卢，f ( 2 3 ) 式中 口。= 4 z 1 0 4 ( h c m ) 真空中的导磁系数； 相对导磁系数，在真空中为1 根据全电流定律，在真空内的磁场中，磁场强度沿任意闭合回路积分等于该 闭合回路所包围的电流的代数和( 假设传感器为圆形，平均半径为r ) ，则： 删= f f = 2 矗足h h ：一 ( 2 4 ) 2 积 综合以上结果： e ：一丝竺：一m 堕( 2 5 ) e = 一l 旦一= 一m = ( 2 5 ) 2 欣田 西 由此可见，传感器线圈中所产生的电动势或电压信号和点焊电流的变化率呈 线性关系。信号的大小和传感器线圈结构有关，线圈平均半径越小，横截面积越 大，匝数越多，所获得的信号越强。该传感器对电流的种类、大小、频率等没有 限制。 该信号积分后和待测电流存在线性关系。 砸) = 一去p = 一去( 喇象弦= 篙 c z 劫 通过调整r c 参数，和传感器的结构，最终获得满意的电压信号。 在制作传感器线圈过程中，为了减少杂散电感的影响，需要绕制均匀、结构 固定、增加屏蔽层，仅在靠近电极的内侧留一条环缝，可以减少周围电场的干扰。 根据上述原理，自行设计制作了两个大电流传感器用于试验。其一，直径2 5 0 m m ， 匝数2 5 0 0 ；横断面为圆形的软质材料；另一个，直径1 1 0 m m ，匝数1 4 0 0 ，横断面 为矩形的扁带。 2 电压传感器的选择 大多数研究者研究中选择将电压传感器用双绞线将电压传感器直接连接点 焊机次级的上下两极。这种安装方式能够直接采集点焊过程中电极两端的电压 值，能够最直接反应点焊过程中上下电极间电压的变化情况。但是具体到实际生 产这种安装方式往往不可行。本课题点焊机的“虎口”部位一米半的空间是工件 焊接所必需的，电压测试线只能分开布置，这样分开分布的电压测试线处于由上 北京工业大学工学硕士学位论文 下电极臂、电极构成的大电流环路中，结果使得感应噪声大大增强，信号严重失 真并且不能为焊点的质量判定提供有效的判据。另外在前期进行的大量实验发现 即使对上下电极间直接采集的信号进行抗干扰处理后仍然不能提供有效的特征 信息，所以将电压传感器的安装位置选择在了变压器的初级，这样可以将传感器 与电极周围的强磁场拉开距离减少干扰，但电压信号仅能作为点焊过程匹配时序 的判据。 点焊电压信号可以采用l e m 霍尔效应电压传感器，实现监测信号与点焊次级 电路的电隔离；一般点焊次级电压小于l o v ，通过电阻分压后，也可以直接和后 续调理电路连接，然后，借助于光电隔离为采集卡提供稳定而安全的电压信息。 电流和电压信息能够表征点焊过程对工件的热输入，但对焊接缺陷不是很敏 感，单独采用电信息在线判定点焊缺陷信息不充分，还需要其它信息补充。 3 位移传感器的选择 电极位移信息直接监测焊点加热熔化、体积膨胀、冷却收缩等过程，该信息 是点焊各参数影响的综合体现，和焊接点焊缺陷关系密切。目前，可以选择的位 移传感器有激光位移传感器、l v d t ( l i n e 甜v a a b l ed i 毹r e 埘a l1 l r a n s f o r n l e r ) 位移 传感器、光栅位移传感器、涡流位移传感器等。其中，光栅位移传感器和激光位 移传感器属于光电传感器，使用条件相对较高，监测工业现场大型设备，不是首 选；l v d t 位移传感器属于接触式传感器，易受加压过程冲击，机械反应频率较 低。鉴于本系统安装的现场环境及性能要求选择了非接触式涡流位移传感器( 外 形如图2 6 所示) ，其温度、动态性能及可靠性如下所述。 。_ _ t 1 f 1 f 妪珥豳牮自 憾羹蔓旦蠛羹堡芏熟熊壁茎盘苎i 直苎曼簦盘 i 一孤n i - 一、! 捌幽 垛嫩 先_长 图2 - 6 实际使用的涡流位移传感器外形示意图 f i g 2 6s k e t c hm 印o f t l l ev o n e x s e n s o ri nt l l i ss t u d y 涡流位移传感器基本原理示意图如图2 7 所示。线圈1 通过交变电流 ，在 线圈1 周围将产生交变磁场日，处在交变磁场m 的平面金属导体2 内就会产生 涡流丘和阻碍甄变化的交变磁场飓。两者之间的交互作用，使得产生磁场的线 圈受金属导体影响后等效电感l 发生变化，具体关系如下： 第2 章铝舍金点焊质量在线监测系统构成 a j 鹚流嚣盛嫩瑗 b ) 辞教电路 图2 _ 7 涡流传感器原理图与等效电路示意图 f i g 2 - 7p r i n c i p l em 印o f t h ev o r t e xs e n 5 0 r 胁dn se q u i 砌e n tc i r c u i t 如。揣 式中三l 线圈电感( h ) ： 珂线圈激励电流的角频率( h z ) ； 乙金属导体的电感( h ) ； m 线圈与导体之间的互感( h ) ： r 2 金属导体的电阻( q ) ； 线圈与导体之间的互感m 为： m = 。石：z 唾一七) k 。一丢晟】 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中。真空中的磁导率； r 。线圈等效的半径( m ) 。 ，：平面金属导体等效成电感线圈，等效半径( m ) ； 忍= 乎志 f b = f l 一七2 s i n 2 a 出 厂= = 一 j 矿篇万 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 由式2 8 ，式2 9 可以看出，一旦涡流线圈结构和施加的交变电流确定，等效 电感为涡流线圈与平面金属导体之间距离d 的单值非线性函数。这正是涡流位移 传感器的理论基础。考虑到周围温度环境的影响，等效电感为：三= f ( d ，丁) 。 涡流电感线圈等效电感和高精度电容c 组成振荡电路，其振荡频率为 北京工业大学工学硕士学位论文 ，= ( 2 万c ) ，只要监测频率信息就间接获得涡流线圈与金属平面之间的距离 ( 如图2 7 ( a ) 中的d 所示) 。 探头线圈受温度影响，在优化的温度范围( 2 0 1 5 0 ) 内，其最大偏差优 于士2 。探头线性误差优于土1 ，包括互换性误差在内仍优于士1 。传感器探 头如果工作在- 2 0 1 2 0 温度范围内，温度漂移不超过0 0 2 5 唰( 在传感器 的输出线性中点考查) 。前置器温漂在2 0 + 8 5 ，不超过o 0 2 0 w ( 在传感 器的输出线性中点考查) 。 随着设备诊断技术的发展，准确的诊断要求来自传感器信号的不失真。电涡 流位移传感器在频率、幅度和相位几方面都得到保证。频率响应0 l o k h z 。探 头、延伸电缆在2 0 1 5 0 ，前置器在2 0 + 8 5 ；相对湿度9 5 环境中。 在室温2 2 ，被测体材料为4 2 c r m 0 4 钢( a i s l 4 1 4 0 钢) ，电源2 4 v d c ( 电源输 出电流不小于5 0 m a ，纹波小于1 0 i r l v ) ，负载l o l q 条件下，系统满足：供电电 压每变化1 v ，输出变化小于1 8 m v ；前置器功耗不大于1 2 m a ；输出阻抗不大 于1 0 q ，最大输出电流5 0 m a ( 输出方式除恒流外) ，最大驱动信号电缆长度3 0 0 m 。 该传感器的探头头部体选用最新进口p p s 工程塑料模具成型。它是一种具 有高强度、耐高温2 5 0 、抗腐蚀的新型材料。有强度，有韧性不易碰坏，碰到 某些化学药品不会开裂，保证了探头的可靠性；抗磁场干扰，传感器可以应用在 发电机等产生强磁场的设备环境中；电缆接头选用进口军用标准插头，可靠性增 加；探头头部体线圈和电缆连接采用真空超声波焊接，抗氧化和密封性能好，长 期在水、油等环境中工作不失效；铠装外采用进口透明热缩套管，耐高温1 5 0 ， 耐腐蚀，密封性能好。 4 压力传感器的选择 点焊过程中，力是一个十分重要的参数。只有加压与通电的过程配合适当， 才能保证合理的电接触，形成比较好的塑性环，进而避免飞溅。铝及铝合金点焊 电流大、时间短，要求电极压力具有阶梯或马鞍形压力曲线，并且随动性好。可 以选用的传感器有：气缸压力变送器、动态载荷变送器( 直接串联上电极或下电 极) 和石英应变变送器或传感器。由于本研究涉及到的直流脉冲点焊机，采用三 个薄膜气缸串联连接，监测气缸压力需要的传感器数量多，相对复杂，故舍弃。 动态载荷变送器( 直接串联上电极或下电极) 效果明显，唯一的缺陷是需要改动 机械结构，这也是无法接受的。 选择传感器的原则应为：高灵敏、易安装、适合现场使用、不需要改动设 备结构等。在本课题中确定采用高灵敏石英应变传感器和与之配套的工业电荷放 大器( 图2 8 所示) 。 当对水晶( a 一石英) 一类晶体挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电 弟2 苹铝台金点焊质量在线监捌系统构成 荷。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多，这种效应被称为“压电效应”。 能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。“压电效应”是压电传感器的主要工作原 理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具 有无限大的输入阻抗时才得到保存。这决定了压电传感器只能够测量动态的应 力。 高灵敏石英应变一一电极压力传感器性能指标如下： 性能：供电电源1 8 3 0 v d c ，空载电流 2 0 m a ；输出电压士l o v ，输出电流 1 m a ，电阻1 0 q ，噪音q 2 5m v ，频率响应1 0 k h z ；量程可调，f s 土6 0 0 “p f s 士6 0 “占； 温度稳定性和精度：传感器如果工作在5 5 0 温度范围内，温度漂移不 超过o 0 7 ； 可靠性：按照工业应用设计，安装方便，仅需要一个m 6 螺钉。 图2 - 8 高灵敏石英应变传感器和工业电荷放大器原理圈 f i g 2 - 8h 碘s e n s i 廿v eq u 咖o s es e n s o r 卸dm ep r i i l c i p i eo f m e 砌u 矧a 1 锄p l i f i e r 高灵敏石英应变传感器和与之配套的工业电荷放大器组成了压力传感器，如 图2 9 所示，量程选择( 2 # ) ，量程微调( 4 # 、6 # 、7 # ) 。 焊接位移信息反映点焊动态过程的位移绝对量。而电极压力在某种程度上是 对焊接过程力的变化速度的反映，变化越快，石英应变传感器电荷积累越多，最 终反映在电极力传感器电压输出幅值。压力传感器选择安装在下电极臂上，当焊 点熔化膨胀收缩过程发生时焊点产生的膨胀力或收缩力通过电极传递到下 电极臂上。压力传感器将捕获电极臂的受力情况。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 9 高灵敏石英应变传感器 f 培2 - 9h i g ls e s i t i v eq u a r t z o s es e l l s o r 2 2 2 焊点质量特征信息处理部分硬件的选择 本课题的硬件采用美国国家仪器公司的6 0 2 3 e 多功能数据采集卡+ 工控机的 方案。6 0 2 3 e 多功能数据采集卡是一款性价比很高的采集卡，1 6 路单端8 路差 分模拟输入，1 2 位精度；它2 0 0 k s s 采样率和2 0 0 k s ，s 磁盘写入速度保证了数 据传输和处理的速度，既保证了数据采集的实时性又不会影响生产：士o 0 5 到 士1 0 v 输入范围，最多两路1 2 位模拟输出，3 2 条数字i ，o 线，两路2 4 位计数器 ，定时器并带校准认证书，支持w i n d o 邢2 0 0 0 n t ，m e ，写 ) 【和m a co s 的n i d a 0 驱动软件。正常点焊中，每个焊点的焊接周期约5 秒钟左右，6 0 2 3 e 采集卡的处 理速度完全可以满足点焊数据处理中对速度的要求。 2 3 铝合金点焊质量在线监测系统软件的构成 数据处理的软件部分采用基于虚拟仪器的图形化编程语言l a