（机械电子工程专业论文）高强铝合金点焊质量信息的监测与评估.pdf

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 已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：至塑3 ：! 兰 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) 躲i 新躲盘吼业 国防基础科研项目 运载火箭大部段总装试验检测及过程监控技术的研究 ( 项目号：k 0 3 0 0 0 2 0 4 0 2 ) 北京市教委科技发展计划项目 异种材料的连接技术及应用研究 摘耍 摘要 高强铝合金点焊作为一种行之有效的焊接方法在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。本课题正是在这一需求与发展的背景下提出的。 本文的研究对航天高强铝合金点焊质量监测中关于电极压力的特征参数的 获取和分析做了较为深入的探讨；并对点焊质量的认识由以往对工艺参数经验性 的判断向微、宏观信息关联性的提升。 基于微机械加工( m e m s ) 技术的新型传感器以其微小体积、功耗低、响应 快、低成本、高可靠等独特的优点已经开始应用于制造业中。但是，对于点焊过 程中电极压力的测定，目前仍然经常采用压电式压力传感器。在本文工作中设计 制作的新型的点焊压力传感器体积小( 2 x 2 m m ) ，可以方便的放置在电极侧面； 灵敏度高，能够完整监测到高强铝合金点焊过程中完整的压力信号，并能够测定 焊接加压开始前的预压紧力大小的信息，为更准确的在线监测高强铝合金点焊过 程的焊接缺陷提供了保障。 通过对航天高强铝合金点焊焊核的显微分析，得到了不同焊接参数对焊核几 何尺寸、晶粒及热影响区大小的影响，获得了焊接参数与焊核显微缺陷组织的相 关性，能够在焊接参数变化较小、特征信号没有明显变化的情况下观察到焊接参 数对焊核质量的细致影响，为点焊过程的精量化控制的进一步研究打下了基础。 从而建立了航天贮箱铝合金点焊宏观参数与焊点微观组织特征之间的联系。 通过有限元分析软件s y s w e l d 对铝合金点焊过程进行了工艺性建模仿真， 分别研究了电极压力以及焊接电流对铝合金点焊过程的影响，仿真结果与理论分 析之间的符合能表征明确的物理意义，有助于点焊工艺( 压力一时间关系) 由经 验向科学规律认识的提高。 研究了不同种类胶粘剂对m e m s 电极压力传感器输出信号的影响。由于造 成不同胶粘剂粘贴传感器性能差别的主要原因在于胶粘层的弹性模量和厚度，因 此弹性模量小的q 一氰基丙烯酸酯系胶粘剂粘贴的m e m s 压力传感器各种输出 性能最佳，其系统响应的阻尼系数在0 3 左右，满足了动态电极压力信号监测的 需要。 北京工业大学工学博士学位论文 采用l a b v i e w 和a c c e s s 软件建立了点焊质量数据库，点焊质量数据库集数 据采集、在线监测、信息存储为一体。在在线采集监测点焊过程质量信息的同时， 实现了点焊过程质量信息和操作人员信息的数据存储。并与点焊焊核微观组织信 息相对应，实现了点焊焊点宏观参数信息和微观组织信息的对应。为航天产品高 性能点焊生产综合信息过程参数的优化打下了基础。 关键词高强铝合金点焊；m e m s 压力传感器；在线监测；有限元仿真 i i a b s t r a c t 鼍i 一一 ! i ii 曼葛 a b s t r a c t h i g h - s t r e n g t ha 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 d i na e r i a l p r o d u c t i o n b u ta l le f f e c t i v ew a yh a s n tb e e nf o u n df o r o n l i n ei n s p e c t i o no ft h e n u g g e t sq u a l i t y u n t i ln o w , a n dm o s to ft h ei n s p e c t i n gw o r k sa r ed o n eb yx - r a y , u l t r 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 fe f f o r t st o s o l v et l l i sp r o b l e m b u tm o s to ft h e kw o r k sa r es t i l lu n d e rt e s ti nl a b o r a t o r y t h a t st h e b a c k g r o u n do f w h yw e d ot h i sw o r kt om e e tt h eu r g e n tn e e do f t h ei n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o n d e e p l y d i s c u s s e dt h e a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i s o ft h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o d ep r e s s u r ew h i c hu s e di nt h eh i g h - s t r e n g t h a l u m i n u ms p o tw e l d i n g f u r t h e r m o r et h ed i s s e r t a t i o na d v a n c e dt h eu n d e r s t a n d i n go f s p o tw e l d i n gq u a l i t yf r o mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r e m p i r i c a ld e c i s i o nt ot h er e l e v a n c e b e t w e e nm i c r o i n f o r m a t i o na n dm a r c o - i n f o r m a t i o n t h en e ws e n s o rb a s e do nm e m st e c h n o l o g yi su s e di nt h em a n u f a c t u r a li n d u s t r y d u et oi t su n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha sm i n u t ec u b i c ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , f a s t r e s p o n s e ，l o wc o s t , h i e # r e l i a b i l i t ya n ds o 0 1 lh o w e v e ri nt h et e s t i n go fe l e c t r o d e p r e s s u r eo ns p o tw e l d i n g ，p i e z o e l e c t r i cp r e s s u r es e n s o r sa r ec o m m o n l y u s e da tp r e s e n t t h en e w s p o tw e l d i n gp r e s s u r es e n s o rd e s i g n e d i nt h i sp a p e rh a ss m a l lv o l u m e ，a n di t c a l lb ep l a c e do nt h es i d eo ft h ee l e c t r o d e t h ep r e s s u r es e n s o rh a sh i g hs e n s i t i v i 够a n d c a l la c q u i r et h ef u l l p r e s s u r es i g n a l o fh i g h - s t r e n g t ha l u m i n u ms p o tw e l d i n g , f u r t h e r m o r ei tc a na c q u i r et h ei n f o r m a t i o no fp r e p r e s s i n gs i g n a la f t e rf o r c i n g , w h i c h a s s u r et h eo n - l i n ed e t e c t i n gp r e c i s i o no ft h eh i 曲一s t r e n g t ha l u m i n u ms p o tw e l d i n g t h ei n f l u e n c et ot h es i z eo fn u g g e ta n dh e a ta f f e c tz o n ei so b t a i n e dt h r o u g ht h e a n a l y s i n gt o t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h en u g g e to ft h eh i g h s t r e n g t ha l u m i n u ms p o t w e l d i n g t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n dm i c r o - d e f e c to ft h e n u g g e ti so b t a i n e dt o o ，f u r t h e r m o r e ，o b s e r v e d t h ei n f l u e n c et ow e l d i n gn u g g e tq u a l i t y i nt h ec o n d i t i o no fl i t t l ev a r i a t i o no ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n dl e s sd i s t i n c tc h a n g e o ft h es i g n a l s c h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r et h ed i s s e r t a t i o nl a i daf o u n d a t i o nf o rt 1 1 e f u r t h e rs t u d yo fp r e c i s ec o n t r o lo ft h es p o tw e l d i n gp r o c e s s f i n a l l yt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h es p o tw e l d i n gp a r a m e t e r so fs p a c e sc o n d u i th e a da n dm i c r o - s t r u c t u r eo f t h en u g g e ti se s t a b l i s h e d 1 1 1 北京t q k 大学工学博士学位论文 m o d e lb u i l d i n ga n ds i m u l a t i o no fs p o tw e l d i n ga r ea c h i e v e dt h r o u g hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r es y s w e l d t h ee f f e c to fa l u m i n u ms p o tw e l d i n gw h i c h i n t r o d u c e db yt h ee l e c t r o d ep r e s s u r ea n dw e l d i n gc u r r e n ti ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h e c o i n c i d e n c eb e t w e e nr e s u l to fs i m u l a t i o na n dp r a c t i c ep h e n o m e n as h o w sd e f i n i t e p h y s i c a ls i g n i f i c a n c e t h e r e f o r ei t sh e l p f u lt ob e t t e ru n d e r s t a n ds p o tw e l d i n g ( p r e s s u r e - t i m er e l a t i o n s ) f r o mt h ee x p e r i e n c e t ot h es c i e n t i f i cr u l e i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c et ot h eo u t p u to fm e m sp r e s s u r es e n s o rw h i c hg l u e d b yd i f f e r e n tk i n do fa d h e s i v e s b e c a u s et h eo u t p u td i f f e r e n c ei st h es i c k n e s sa n dt h e y o u n g sm o d u l u so ft h ea d h e s i o nl a y e r so ft h ea d h e s i v e sa r ed i f f e r e n t , t h eo u t p u to f t h em e m sp r e s s u r es e n s o rw h i c hg l u e db yt h ea c y a n o a c r y l a t ea d h e s i v eh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a n o t h e ra d h e s i v e sd u et ot h el o w e r y o l l i l g s m o d u l u so ft h e a c y a n o a c r y l a t ea d h e s i v e t h ec o e f f i c i e n to fd a m p i n go ft h es y s t e mi s o v e r0 3 ， w h i c hf u f i l st h en e e d so fd y n a m i c a lm o n i t o r i n go fe l e c t r o d ep r e s s u r e d a t a b a s eo fs p o tw e l d i n gq u a l i t yi sc o m p i l e db a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g ya n d v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h ed a t a b a s ei sc o m p o s e do fd a t aa c q u i s i t i o n , o n - l i n e m o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o ns t o r a g e w h e nt h eq u a l i t yi n f o r m a t i o no fs p o tw e l d i n gi s a c q u i r e do n l i n e ，t h eq u a l i t yi n f o r m a t i o no fs p o tw e l d i n ga n do p e r a t o r s i n f o r m a t i o n a r es t o r e d f u r t h e rm o r et h ei n f o r m a t i o ni sc o r r e s p o n d e d 、i m 血c r d s 仃u 咖r e i n f o r m a t i o no fs p o tw e l d i n gn u g g e t ，t h e r e f o r ea c h i e v e dt h ec o r r e s p o n d i n gb e t w e e n m a r c o - p a r a m e t e ri n f o r m a t i o na n d 疵c r o s t n l c n l r ei n f o r m a t i o n o fs p o t w e l d i n g t h e r e f o r et h i sd i s s e r t a t i o nl a i daf o u n d a t i o nf o rt h eh i g h - p e r f o r m a n c ep o u d u c t i o no f a e r o s p a c es p o tw e l d i n gp r o d u c t si no p t i m i z a t i o no fi n f o r m a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s k e yw o r dh i g h - s t r e n g t ha l u m i n u ms p o tw e l d i n g , m e m sp r e s s u r es e n s o r , o n - l i n e m o n i t o r i n g , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss i m u l a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 国内外的研究现状3 1 2 1 多传感器的点焊过程监测3 1 2 2 点焊电极压力信号的监测4 1 2 3m e m s 传感器技术7 1 2 4 基于m e m s 的压力传感器1 0 1 2 5 点焊微观组织信息与焊点性能关系1 2 1 2 6 焊接质量数据库1 4 1 2 7 点焊过程的建模仿真1 5 1 3 本课题研究的主要内容1 7 第2 章压阻式m e m s 压力传感器的研制1 9 2 1m e m s 压阻式压力传感器的设计2 0 2 1 1m e m s 压力传感器工作原理2 0 2 1 2m e m s 压阻式压力传感器工作区间的确定2 2 2 1 3m e m s 压阻式压力传感器的结构设计2 3 2 1 4m e m s 压力传感器的加工2 8 2 1 5m e m s 压力传感器的改进3 1 2 2m e m s 压力传感器的研究3 3 2 2 1 压力测试系统3 3 2 2 2m e m s 压力传感器的性能3 5 2 3m e m s 压力传感器在点焊过程中的应用：4 0 2 3 1m e m s 压力传感器在交流点焊机上的应用4 0 2 3 2m e m s 压力传感器在冲击波点焊机上的应用4 2 2 4 本章小结；4 3 v 北京t q k 大学工学博士学位论文 第3 章m e m s 压阻式压力传感器影响因素分析4 5 3 1 用于m e m s 压力传感器的应变胶粘剂4 5 3 1 1 不同种类的应变胶粘剂一4 5 3 1 - 2 胶粘剂对应变传感器性能的影响4 8 3 1 3m e m s 压力传感器用胶粘剂的选择5 1 3 2 不同胶粘剂粘贴m e m s 压力传感器后的性能输出5 l 3 2 1 试验内容5 1 3 2 2 不同类胶粘剂的影响5 2 3 2 3 相同种类不同成分胶粘剂的影响5 6 3 2 4 胶层厚度的影响5 8 3 3 瞬干胶粘剂在实际点焊过程中压力测量的应用5 9 3 4 本章小结6 0 第4 章铝合金点焊质量信息的融合6 l 4 1 点焊过程质量信息的融合6 l 4 2 点焊过程焊接信号的在线提取6 l 4 2 1 点焊质量的影响因素6 l 4 2 2 点焊过程特征信号的提取6 3 4 2 3 点焊过程焊接信号的判别6 7 4 3 点焊焊核的显微组织分析7 0 4 3 1 试验条件7 0 4 3 2 焊核宏观形貌7 2 4 3 3 焊核微观组织7 4 4 4 点焊质量数据库的构建8 0 4 4 1l a b v i e w 与数据库的接口8 0 4 4 2 点焊质量数据库的构建8 2 4 5 本章小结8 7 第5 章点焊过程的有限元分析8 9 5 1 点焊过程有限元分析j 8 9 5 1 1 有限元分析简介8 9 5 1 2 点焊过程有限元分析概述9 0 5 2 点焊过程有限元模型的建立9 2 5 2 1 模型的假设条件9 2 v i 目录 5 2 2 有限元模型的网格划分9 2 5 3 仿真结果分析9 5 5 3 1 特征参数的设定9 5 5 3 2 仿真的结果与分析9 6 5 4 本章小结：1 0 1 结论1 0 3 参考文献1 0 5 攻读博士学位期间所发表的学术论文1 1 3 致谢1 15 v i l 北京t 业大学t 学博仁学位论文 此页空白 v i n 第1 审绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 自1 8 8 6 年e l i h u t h o m p s o n 发明世界第一台点焊机以来，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【l j 。 电阻点焊r s w ( r e s i s t a n 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，特别适合焊接薄板零件。因此在航天、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 f 2 卅 。 电阻点焊过程是一个高度非线性、多变量耦合和大量随机不确定因素相互影 响的过程【5 - - 6 1 。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缺陷，如飞溅、虚焊或脱焊等，特别对铝及铝合 金更是如此1 7 j 。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 e 邱 w 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【s 】。直到目前对点焊的焊接质量还缺乏可靠、实用 的无损检验技术和方法。增加焊点数目来保证结构质量，不但会增加生产成本， 而且有可能将带有点焊缺陷的产品流入市场。对于航天领域的关键部件目前仍然 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、计算机数据分析和评估技术实现焊点质量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 【9 】 o 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 o l o g 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 ) 高技术项目a t p ( a d v a n c e d t e c h n o l o g yp r o g r a m ) ，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 o 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、项目的规模和各参与单位的实力可见一斑【l0 1 。 北京t 业人学工学博十学位论文 m e m s 专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器 件尺寸在微米级至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感 知、识别、控制和处理的微型机电装置。通过将微型的电机、电路、传感器、执 行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微电子机械系统，不仅能搜集、处 理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动 【1 1 1 。利用m e m s 技术将检测电阻点焊过程中特征信号的传感器集成在很小( 2 x2 册) 的硅片上，减小了传感器的尺寸，使得传感器更加灵巧，放置位置更加 方便，从而满足不同点焊环境的需要。 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【1 2 】。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。 电阻点焊是一个电、热、力和冶金现象强烈耦合的复杂过程 1 3 - 1 4 ，为了更 好地理解这一焊接过程，必须定量描述焊接过程中的各种现象及其相互作用。在 获得包括电阻点焊在内的焊接过程的内部信息方面，有限元方法已被证实是一个 十分强大的工具。通过大型有限元分析软件a n s y s ，将基于显微接触理论的接 触电阻模型应用于铝合金电阻点焊过程的数值模拟，分析焊接过程中力、热、电 等参数的变化规律。从模型的角度提升了对点焊过程的理论认识。 铝合金点焊作为一种行之有效的焊接方法在航天产品生产中得到了广泛的 应用。在航天产品的生产中，一个微小的缺陷都可能带来巨大的影响。而且在每 一件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。由于焊点质量与各 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【l 引。本课题即是 在这种背景下提出的，主要目的一是研制先进的传感器件对点焊质量在线监测系 统进行优化和完善；二是提取出点焊过程的不同焊接对象、焊接参数条件下的点 焊过程特征量与焊点的微观组织信息，建立点焊过程点焊工艺参数特征量与焊点 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 多传感器的点焊过程监测 对于焊接电流，已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 1 6 1 o 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。因此电极压力可以作为焊点质量的监控信息7 1 。 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 1 所示) ，动态电阻法对铝合金点焊过程的监测是不实用 的 1 8 , - - 1 9 1 。 霪 鬻 譬 懿 磷 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 - 1 不同材料的动态电阻曲线 f i g 1 - 1d y n a m i c r e s i s t a n c ef f u i v eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 。北京工业大学t 学博士学位论文 电阻点焊是一个高度非线性、多变量耦合作用和存在大量随机不确定因素的 过程，而且形核处于封闭状态且无法观测，质量信息的提取难度也非常大。在早 期的点焊实时控制研究中，工作重点主要是寻找能够反映熔核形成的参量作为质 量控制的被控制量 2 0 l 。这些方法虽有优点，但也在不同程度上存在局限性，难以 获得满意的控制效果。原来的经典过程控制手段难以获得满意的焊接质量，点焊 过程控制己由宏观向微观、由简单控制向智能控制发展【2 l 】： ( 1 ) 在调节参数方面，己从初始的单变量调节向多参数综合监控方法发展； ( 2 ) 在确定点焊过程及质量监控规律方面，己从最初的主要靠大量试验确 定的方法发展为用数值分析软件的模拟与仿真确定； ( 3 ) 在控制决策上，己由常规的控制决策模式( 由被控参数的偏差值通过 查表确定控制参数的调节量) 向人工智能( 神经网络、模糊逻辑等) 决策方式发 展； ( 4 ) 在控制模式上，已由单模式发展为多模式控制，动态电阻控制、动态 电极位移监控都可实现这种多控制的综合模式，如动态电阻差值与动态电阻变化 率相综合，最大电极位移与位移速度相综合； ( 5 ) 在控制方法上，出现了由利用一种监控方法发展到利用多种监控方法 进行决策点焊过程和质量控制的趋势。 综上所述，在点焊过程中为了准确的在线监测点焊质量，需要同时采集多个 能够反映点焊质量的参数特征。焊接电流、电极压力、电极位移等参数都可以在 某方面反映点焊过程的质量信息。采用m e m s 技术可以减小传感器的体积，使得 传感器放置的位置更加灵活，满足不同生产条件的需要。本研究的工作正是将这 两者结合在一起，利用m e m s 技术集成一个或几个点焊参数传感器，使得点焊过 程焊接参数的提取更加灵活方便，从而达到在线检测点焊质量的目的。 1 2 2 点焊电极压力信号的监测 点焊是在外部压力的作用下，利用焊接时电流通过焊接区电阻产生的热量， 形成接头的一种焊接方法。由于电阻焊具有较复杂的热过程，故影响点焊质量的 因素众多，大致可分为电参数( 如焊接电流、网路电压，周波数等) 和物理参数( 如 电极压力、温度等) 两大类其中，焊接电流和电极压力是形成电阻 本的条件陋1 。 过程中，当外界条件已定时，点焊结构的质量首先取决于焊点质量， 4 第l 荦绪论 鲁量鼍量曼曼皇曼曼曼吕鼍i 皇曼皇曼皇曼皇舅曼曼量曼曼曼曼皇曼量曼皇曼曼皇曼曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼曼晕量曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍舅量曼曼 而焊点质量又与点焊循环过程直接有关预压阶段中，通过压力的作用，使得工 件表面部分氧化膜得以消除，从而形成物理接触点。通电加热时，接触点扩大， 固态金属因加热而膨胀，在焊接压力作用下，焊接处金属产生塑性变形并挤向 板间缝隙。因此电极压力对焊点形成有着双重作用；从热的观点看，压力决定 了板间接触面上接触点的变形程度，因而决定了电流场的分布，影响着热源接触 电阻及工件内阻的变化，从力的角度考虑，压力决定了塑性环的变形程度和变形 范国，以及核心在结晶过程中的塑性变形程度和内应力。当电极压力过低时，电 极与母材间的接触电阻增大，因而产生过热，在引起飞溅的同时，使焊点强度降 低；电极压力过高对，焊点熔核的直径和焊透率都大为减小，焊点强度不足【2 3 1 。 在实际焊接过程中，在预压阶段，当上电极下落接触到工件时，相当于一冲 击载荷作用在下电极上，激励起了整个电极系统的振动，表现为电极力的波动上 升，最终稳定下来达到设定值；在焊接阶段，由于工件焊接区通电受热软化、甚 至飞溅，电极发生微小位移，导致电极力发生变化，如在发生飞溅时，电极力突 然减小。因此，电极力在焊接过程中是一个动态信号。电极力在预压阶段的动态 变化主要对电极的使用寿命有影响，而对焊接质量无明显影响 2 4 - 2 6 。在焊接阶 段，电极力的动态变化会影响工件接触面间动态电阻的变化，因此它与焊核的形 成及焊接质量密切相关，电极力作为一个重要的焊接参数，可用于焊接过程的监 测和焊接质量的在线控制【2 7 1 。研究表明【2 8 】，监控电极力是探测焊接区金属飞溅 的最有效方法之一。 在最初的电极压力测定过程中，测定的是点焊机气缸上的气体压力。研究结 果表明【2 9 1 ：使用一种压力差变换器，它可以传送一个与上下气室压力差成正比的 信号。计算这个压力差，可以得到与实际电扳压力成正比的参数。由于这一装置 有较好的精密性和重复性，它可以精确地控制焊机正好在稳定电极压力达到的时 刻通电。此外，另一种方法是安装一固体压力计直接读取压力值，压力计常甩于 高精度的焊接系统。压力检测单元平行于焊接压力的方向安装，消除了杠杆作用 对读数的影响，这种方法还可用于凸轮加压的焊机。 在实际点焊过程中，由于存在压头的冲击载荷以及焊点焊核熔化时产生的热 膨胀，点焊机气缸上的压力数值无法直接反映出点焊电极压力的大小。因此，直 接测量点焊电极压力，逐渐成为目前点焊电极压力测试的研究热点。早期的研究 大都用电阻应变片的方式测量，即在电极臂贴电阻应变片通过测电极臂的变形间 接地来测试电极力。但由于电阻应变计的频率响应较低，所以这一方法实际测试 电极的静态力较好，测试动态力会有一定的误差。为此，人们逐渐开始采用压电 北京t 业人学工学博十学位论文 晶体传感器测试动态电极力。通常采用两种方式安装压电晶体传感器：( 1 ) 做成 手持式测力计，测试时夹于两电极间，这种手持式测力计常用于在不启动电系统 的情况下测试，不能用于在焊接情况下长期监测动态电极力。有时在用电阻应变 计测电极力时，也用手持式测力计来标定。( 2 ) 采用附加支撑将传感器安装在下 电极伸出端的下方，如图1 2 所示。 图1 - 2 利用附加支撑测量电极力示意图 f i g 1 2d i a g r a mo fe l e c t r o d ef o r c et e s t i n gu s i n ga d d i t i o n a ls u r r o u n d 这种方法可实现在焊接阶段连续地直接测试电极力，但由于下电极臂支撑的 影响，测试精度不高。为了解决上述问题，有学者将这种压电晶体传感器进行了 改装 3 0 】，经过改装后的传感器安装在点焊机下电极座上，在焊接过程中可直接连 续地测试电极力的动态变化。经过在交流点焊机上的实验，这种压电晶体传感器 可以在线测试动态电极力从而探测飞溅点，实现焊接过程的自适应控制，寻找到 最佳焊接工艺参数点。此外，还有学者将压电传感器改装后装在上电极上【3 1 - 3 2 同样动态测定点焊过程中电极压力的变化，从而对焊接缺陷进行判别。但是这些 传感器的安装需要改动点焊设备的机械结构，并且安装较为复杂。随着传感器制 造技术水平的提高，压电石英应变传感器以其体积小、灵敏度高、安装方便等优 点逐渐应用于点焊电极压力信息的采集中。压电石英应变传感器可以根据不同需 求制作成适当的外形以适应工作的需要，高战蛟等学者采用环状压电石英传感器 采集电极压力信号，实现了对铝合金点焊电极压力的监控【3 3 1 。在本课题的前期研 究过程中，同样采用了压电石英传感器。最初采用的是拄状压电石英传感器【3 4 1 ， 为了更方便的安装，又采用了长方的k i s t l e r 高灵敏石英应变传感器，如图1 3 所示【3 5 】。 第1 章绪论 量皇曼皇曼曼i i i i 量邕曼曼曼曼曼皇 图1 3 高灵敏石英应变传感器 f i g 1 3h i g hs e n s i t i v eq u a r t z o s es b - 奠l s o r 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，压力传感器从而捕获电极 臂的受力情况，反映出电极压力的动态变化。虽然采用上述压电石英压力传感器 可以实现对点焊压力信号的实时监测，但是将它应用在本课题中冲击波点焊机上 时，发现只有将传感器放在点焊机的某个特定位置，才能得到分辨率较好的压力 输出信号。因此，这类传感器依然存在适应性不够广的问题。 1 2 3m e m s 传感器技术 m e m s ( m i c r oe l e c t r i c m e c h a n i c a ls y s t e m ) 指在微米量级内设计和制造、集 成了多种元件，并适用于低成本大量的系统。传感器是该领域的一个分支，同时 也常常是m e m s 的一部分【3 6 1 。 在各种微机械传感器中，通常采用硅作为传感器的加工材料。采用硅的原因 是由于它超乎寻常的机械性能：对于传感器来说，需要一个可重复产生的信号， 这意味着对于机械传感器而言它的结构受到同样载荷时以同样的方式发生形变。 因此需要一种没有机械回滞和蠕变的材料，而硅正好满足这个要求。硅的失效应 力大大超过了不锈钢的屈服应力，从这一点来说硅比所有金属都强的多。并且硅 的脆性对于传感器来说是很有优势的：如果传感器过载，它就断裂，根本无法工 作，而不是给出一个错误信号。 硅微机械加工工艺的技术领域包括：光刻、薄膜沉积、掺杂、湿法和等离子 刻蚀、以及圆片键合。 制备器件的微三维形体一般用光刻方法形成。光刻( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 即照相 北泵t 业大学工学博士学位论文 平版印刷术，是在微机械系统制造领域中应用较早以及仍然广泛使用的以及还在 不断发展的一种微