（机械设计及理论专业论文）电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究.pdf

摘要电阻点焊过程的动态信号与焊接质量密切相关。本文以q 2 3 5 钢板为焊接试件，进行了点焊试验，在试验过程中，对焊接电流、电极间电压、电极力以及电极相对位移信号进行了同步采集。用l a b v i e w 编写了数据采集程序，以焊点的拉剪力作为焊接质量的评定指标。对各种焊接工况下的动态信号提取了特征值，并以其为输入参数，相应的焊点剪切强度为输出参数，建立了b p 神经网络模型，得出了各动态信号对焊接质量的影响关系，结果可为点焊过程的在线监控及质量的无损检测提供依据。关键词：电阻点焊；动态参数；数据采集；神经网络s t u d yo nc o r r e l a t i o nb e t w e e nr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l dq u a l i t ya b s tr a c tt h ed y n a m i cw e l d i n gp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n ga r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ew e l dq u a l i t y i nt h i sp a p e r , s p o tw e l d i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u ta n dd y n a m i cp r o c e s sp a r a m e t e r so fw e l d i n gc u r r e n t ，e l e c t r o d ev o l t a g e ，e l e c t r o d ef o r c e ，a sw e l la se l e c t r o d er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tw e r em e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l yb yt a k i n gl o wc a r b o ns t e e la st h es p e c i m e n s t h ed a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mw a sw r i t t e ni nl a b v i e wa n dt h ew e l dq u a l i t yo ft h ew e l d e dj o i n tw a sc h e c k e di nt e n s i l i n gs t r e s s t h ee i g e n v a l u e s ，a b s t r a c t e df o re a c hs i g n a l si ne v e r yw e l d i n gc o n d i t i o n s ，w e l et a k e na st h ei n p u t ，a n dt h es h e a r i n gs t r e n g t ha st h eo u t p u t ab pn e u r a ln e t w o r km o d e lw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h ee f f e c to fe a c hd y n a m i cw e l d i n gp a r a m e t e ro nw e l dq u a l i t y , p r o v i d e dab a s i s0 1 1o n l i n ew e l d i n gq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dn o n - d e s t r u c t i v ew e l d i n gq u a l i t ye x a m i n a t i o n k e yw o r d s ：r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ；d y n a m i c p a r a m e t e r s ；d a t aa c q u i s i t i o n ；n e u r a ln e t w o r kd ir e c t e db y ：p r o f w up e ia p pl ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：d uh ai io n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y )( c o l l e g e o f m e e h a n i c a la n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ，i n n e r m o n g o l i a a g r i c u l t u r a l u n i v e r s i t y , h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h h a a )内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢盯地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得我校或其他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谢意申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任论文作者签名：丧趣：日期：兰丝星：笸：忍厂内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书本入完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文论文作者签名：盘亟盆：指导教师签名：型滩日期：碰屋：左：矿内蒙古农业大学硕士学位论文1 引言1 1 电阻点焊简介电阻点焊( r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ) ，简称点焊，是将工件以一定的力夹紧在两电极问，利用电流通过焊件时产生的电阻热使母材金属熔化，冷却后形成焊点的连接方法【1 1 0电阻点焊的原理如图1 所示，将焊件3 压紧在两电极2 之间，施加电极压力后，阻焊变压器l 向焊接区通以强大的焊接电流，在一定的焊接时间内，在焊件的接触面上形成真实的物理接触点，并随着通电加热的进行而不断的扩大。塑变能与热能使接触点的原子不断激活，进而消失了接触面，继续加热形成熔化核心4 。通电结束后，熔核冷却形成焊蒯2 1 。2图11 阻焊变压器2 电极3 焊件4 熔核点焊过程由预压、焊接、维持和休止四个阶段组成，其基本参数为电流和电极力随时间变化的规律。图2 为点焊时序图。媾詈娶脚点焊各阶段的工作过程及作用为：( 1 ) 预压图2 点焊时序图2电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究预压为点焊过程的第一阶段，这个阶段包括电极力的上升和恒定两部分。为保证在通电时电极压力恒定，预压时间必须保证。预压的目的是建立稳定的电流通道，以保证焊接过程获得重复性好的电流密度。( 2 ) 焊接焊接阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。焊接电流有效值可基本不变，也可以为渐升或阶跃上升。在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。起初热输入量大于散失热量，温度上升，形成高温塑性状态的连接区，并使中心与大气隔绝，保证焊后熔化的金属不被氧化，而后在中心部位出现熔化区。随着熔化区的扩大，其塑性环也随之扩大，最后当焊接热输入量与散热达到平衡时进入稳定状态。这个过程会伴随着液态金属的搅拌，有时会出现飞溅。( 3 ) 维持维持阶段仍保持电极压力的存在，但不再有热量输入。熔核快速散热、冷却结晶，在几个周波内冷却结束。由于液态金属处于封闭的塑性壳内，如无外力作用冷却收缩时将产生三维拉应力，极易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时必须保证足够的电极压力来压缩熔核体积，补偿收缩。焊接冷却时形成锻造组织的环球体，称为致密区。然而在致密区被电极压紧的情况下，熔核心部的金属不能正常冷却收缩因缺少金属而形成疏松区。可以说疏松区是电阻焊方法的必然产物。但由于外层致密区的存在，疏松区不再承担任何形式的载荷。对于某些强度较高的材料，只要疏松区缩孔导致的裂纹不延伸到致密区的一定位置，就不会给强度性能造成危害。( 4 ) 休止休止时电极压力和电流大小均为零。此阶段足保证恢复原始状态所需的工艺时间。电阻焊方法自1 9 世纪末问世以来发展迅速，尤其是随着汽车工业等大批量生产企业的兴起，其应用同趋广泛。点焊是一种高速、经济的连接方法，它是零部件的毛坯准备，组合件制造的重要工艺方法之一。主要适用于制造可以采用搭接、接头不需要气密、厚度小于3 m m 的冲压、轧制的薄板构件。这便使得电阻焊工艺在工业中的应用极为广泛，在航空、航天、汽车车辆、轻工家电、仪表、仪器、量具刃具等部门都得到广泛的应用。据统计，目前电阻焊方法已占整个焊接量的1 4 左右。一辆轿车的车身约有4 0 0 0 - , 6 0 0 0 个焊点。例如，上海大众生产的“帕萨特”车身的焊点总数达内蒙古农业大学硕士学位论文3到了5 8 9 2 个。与通常的熔焊工艺相比，电阻焊具有如下特点：1 ) 优点热量集中、加热时间短、焊接变形小。冶金过程简单，一般不需要填充材料及熔剂，不需要保护气体。工艺过程简单，易于实现机械化及自动化。焊接生产率高，成本低。劳动环境较好，污染小。2 ) 缺点设备复杂，需配备较高技术等级的维修人员。造价较高，一次投资费用大。电容量大，且多数为单相焊机，对电网造成不平衡负载严重，必须接入容量较大的电网。对点焊质量的检测，目前尚缺少简便、实用的无损检测手段。电阻点焊看似简单，其实它是一个复杂的焊接过程。在这里面包含多学科的相关知识，如热学、材料学、电学、和机械学等。多学科的交叉、焊接过程的不确定性、非线性使得焊接质量很难控制，再加上焊接过程中熔核形成的不可见性及焊接过程的瞬时性，进一步加大了点焊质量控制的难度。传统的作法是采用破坏性的办法进行定性分析，然而这些方法存在费时、成本高等缺点。随着计算机技术的快速发展，系列焊接质量的检测方法得以应用。主要体现在两个方面：一方面，采用数值模拟的方法进行焊接质量的模拟，这种方法主要应用于离线计算和模拟，由于此种方法具有成本低，参数改变灵活、方便等优点，使得此种方法成为焊接质量在线进行评估和控制的热点；另一方面，利用相关传感器进行焊接过程中焊接动态信号的实时采集，利用神经网络、小波分析等方法对焊接质量的控制进行研究，并已取得了一定的进展。1 2 国内外电阻焊质量监控技术的发展及最新进展由于点焊在机械制造中的广泛应用，尤其是在汽车工业中，其焊接质量的提高不仅可以带来经济效益，而且可以提高企业的核心竞争力。如何稳定质量、降低成本己经成为电阻焊研究的重点。近三十年来国内外学者对点焊质量的监控方法进行了深入的研究和探索，提出了多种点焊质量监控方法：( 1 ) 恒流控制法电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究恒流控制法是一种间接质量监控方法。焊接电流是一个十分重要的焊接参数，直接影响着焊接接头的质量。研究表明，在焊接时间和电极压力不变的情况下，焊点熔核大小与焊接电流的有效值密切相关。恒流控制法的原理就是在焊接过程中，实时检测变压器一次或二次电流的有效值，并与给定的电流值比较，出现偏差时通过控制晶闸管的控制角来调节输出电流的恒定【4 羽。该方法是目前电阻焊控制器采用的主要方法，欧洲及日本的各大汽车公司几乎均都采用恒流控制。据报道，a n d r e wc u l l i s o n 研制出了高精度的恒流控制系统，其控制精度可达l ，该系统对来自电流传感器的微分信号采用了软件积分，并研究了一种高精度、快捷的r m s ( 均方根算法) 来实现对焊接电流的精确监控。生产这类控制器的主要有：日本宫地、日本木村、德国b o s c h 、美国a t e k 公司、国内的天津7 0 7 所、成都电焊机研究所等。此种方法可以对回路感抗、分流、电极磨损、和网压波动等因数等进行补偿，但是，对电极压力波动因数却没有补偿作用。( 2 ) 电极间电压法电极电压监控法是以焊点熔核形成过程中电极问电压发生变化的曲线为依据，取它的某些表征参数作为监控对象，从而控制焊点质量的方法【6 l 。由于很多金属的热阻率与电阻率呈线性关系，电极间电压与焊接区温度及电流路径的扩大有一定的对应关系。因此可以利用电压监测或反馈控制焊接质量。目前该监控方法主要采用电压积分法和电压差值控制法。由于该方法只适合于电压动态曲线有峰值的场合，因而不适用于铝及铝合金、奥氏体不锈钢等材料焊接的质量监控。( 3 ) 动态电阻法动态电阻监控方法，通常是通过测量焊接过程中的每一时刻的瞬时焊接电流和加在焊点上的瞬时电压，按下式求得动态电阻值：r ：旦l式中：尺一焊点的瞬时电阻( 即动态电阻，q ) ；u 一工件两端的瞬时电压( v ) ；，一瞬时焊接电流( a ) 。根据焊接过程中每一瞬时的瞬时电阻，即可得到点焊时的动态电阻曲线。电内蒙古农业大学硕士学位论文5极间动态电阻与熔核生长的状态有密切关系。动态电阻法考虑了电压和电流对熔核质量的综合影响。动态电阻曲线上的某些特征与熔核尺寸相对应，利用点焊控制过程中焊接区电阻变化的规律来控制电阻曲线上某些特征参数或跟踪电阻曲线，即可对点焊过程及质量进行控制。这些特征参数包括电阻最大值、电阻曲线所包围的面积等，通过调整这些特征参数即可实时控制熔核大小，进而保证焊接质量稳定。该方法不需要复杂的传感装置，对于有明显电阻曲线特征值的材料如低碳钢、不锈钢、钛合金等都有较好的适用性 7 1 。由于铝合金无明显电阻曲线特征值，故对铝合金的适用性不强。( 4 ) 能量控制法能量控制法是建立在焊接区的焦耳热为熔化金属而形成焊点的唯一热源的基础上的，焊接区产生的热量越多，形成的焊点的熔核尺寸就越大，因此，可以用焊接区的热输入量作为熔核尺寸大小的判据【8 l 。研究发现：在不同电流条件下，能量与熔核尺寸成正比关系：在改变电极压力条件下，能量随压力增大而减小，熔核直径也随电极压力增大而减小，二者减小的程度几乎一致。能量控制法目前有三种控制模式：u i 积分式、u 2 积分式和1 2 积分式。采用u i 积分式监控最显著的优点是能较好地监测出由于分流造成的熔核直径的变化；1 2 积分式监控方法适用于电流和时间等有关电参数易变的场合，而不适用于电极压力和电流分流等易变化的场合。但是熔核尺寸与热输入量之间的关系难以确定，因此该方法并没有得到广泛应用。( 5 ) 电极位移法电极位移法，即热膨胀法，是直接监控焊接质量方法的一种。其原理是：金属在点焊时，由于电流通过焊件使焊件加热，特别是焊点处金属熔化时，产生体积膨胀，膨胀力使电极产生一定的位移。因此，在整个通电焊接过程中，电极的位移变化曲线反映了金属的熔化程度，而金属的融化程度与熔核的尺寸有着很好的对应关系。因此，可以用位移的变化作为反馈信息，对点焊质量进行闭环控制。热膨胀电极位移法的控制思想是以位移量大小和位移量的变化率为控制对象，以实际的电极位移曲线去跟踪给定的电极位移曲线来调整焊接电流、焊接时间和电极压力【8 l 。目前出现的控制方法有以下几种i 钆佗l ：跟踪位移曲线法此方法是在焊接过程中不断地测量电极的位移量，调节焊接电流，使实际的电极6电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究位移曲线和给定的电极位移曲线相吻合，直到达到合格焊点的最大位移量为止。预定位移量法对于一定材料、一定板厚的焊件，点焊有一个最佳位移量，以此值作为预定的位移量，在焊接过程中，不断测量电极位移量，并与预定位移量比较，当位移量达到预定位置时，即认为焊点熔核尺寸已达要求，立即切断电流。电极臂挠度监控法焊接过程中，电极位移量是很小的，这样对位移传感器的精度要求很高，而且要求焊机的机臂刚性要好，加压机构摩擦力要小，机头随动性好。否则，控制系统对起始的膨胀信号不敏感或不响应。针对这种情况，哈工大提出了该方法，利用电极臂根部的应变与焊点质量的对应关系进行实时控制。利用热膨胀法对电阻点焊过程进行质量监控可以补偿焊接过程中一些常见的影响因素，如网压波动、分流、电极磨损和二次回路感抗变化等导致的焊接区热输入波动，因而，一直受到国内外学者的普遍关注。( 6 ) 多参数监测法电阻焊是一个干扰因素多而且交互影响的复杂动态热过程，故对焊接过程中多种影响因素的波动进行补偿还存在一定的难度。因此，国内外的一些学者提出了点焊多参数综合监测技术【”l 。在多种监测参量综合的电阻焊控制系统研究中，其中以交流电阻点焊研究为多，研究的监测参数主要有焊接电流、电极间电压、动态电阻、焊接能量、电极位移、电极压力、焊接时间、温度 t 4 q 7 1 等。w a t e r s 等人研制成了电压、电流和位移三个传感器组成的单片机控制系统，通过设定一些阈值来判断熔核质量。1 9 9 4 年，德国学者b u r m e i s t e r 采用模糊分类理论和现有专家系统，建立了三个电参数( 焊接电流、电极间电压、工件电阻) 和两个机械参数( 电极位移、电极加速度) 与焊点质量( 熔核直径) 之间的非线性关系，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评定。在国内，西北工业大学和南昌航空学院分别对不锈钢焊接建立了不同参数下的质量评定数学模型；沈阳工业大学也分别对低碳钢和不锈钢在电阻焊多参数质量监控方面，做了一定的研究，采用p l 控制和模糊控制相结合的控制方式，以焊接电流有效值、电极位移量和动态电阻等参数对点焊过程实旖质量监控【1 8 】。从目前掌握的资料来看，如何充分利用监测信息，采用合理的建模手段，建立合理的多元线性监测模型，并使监测模型能够在较宽的条件下提供准确、可靠的点焊质量信息已成为发展多参量内蒙古农业大学硕士学位论文7综合监测技术的关键，也是目前尚未得到圆满解决的难题。( 7 ) 数值模拟法焊接数值模拟，是以实验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或焊接过程的某一个方面，采用分析法或数值方法求解以获得对该过程的定性认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接热影响区的硬度、焊接区的强度等) 。数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机求解。焊接数值模拟可以实现对复杂焊接现象的模拟，有助于认清焊接现象本质，弄清焊接现象规律；可以优化结构设计和工艺设计，减少试验工作量，提高焊接接头的质量。利用数值模拟方法对点焊过程进行质量监控，国内外的研究方法有很多形式。上世纪8 0 年代，日本一些学者开始采用数值计算模型开发出直接对熔核直径进行计算的焊接质量控制器。日本西f f l 顺纪等人利用焊接过程中检测到的电压和电流数据按照热传导数学模型进行有限元计算，求解温度场的分布状况，根据计算得到的中心部位的温度上升速率进行反馈控制，对点焊过程进行控制。9 0 年代以来，t s a i 等人将有限元引入点焊质量控制领域中，用数值模拟方法对热膨胀电极位移进行了研究，得出了一些非常有用的规律，可直接指导点焊过程和质量的实时控制i l 蚰o 】。对点焊数值模拟方面进行研究，国内在当时也作了一定的工作。吉林大学王春生、赵熹华等人采用三维有限差分数值模拟方法对点焊过程中电场和温度场进行藕合求解，并对计算过程动态数组进行的设定、隐格式求解法及相关的收敛模式进行了合理的设计，并自行开发了计算软件，使点焊的数值模拟过程能在微机上运行【2 1 1 ；哈工大的曹彪等人用有限元方法建立了数学模型；计算了点焊过程的热膨胀，探讨了利用热膨胀电极位移控制点焊过程和质量的方法瞄i 。( 8 ) 人工智能控制法人工智能技术是研究如何用计算机来模仿人脑思维活动的科学，在处理难以用规律描述或具有模糊性问题方面有着常规方法不可比拟的优势。电阻点焊是一个高度非线性多变量复杂混合的系统，不可能用明确的数学模型来建立监测特征参量与焊点质量评价指标之间的映射关系，人工智能的发展给电阻点焊焊点质量预测、分类乃至实时控制提供了一种新的方法。目前，国内外人工智能控制法的主要分支有人工神经网络、专家系统和模糊控制技术三类。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，简称a n n ，自1 9 世纪4 0 年代早期人电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究工神经网络开始出现并凭借其非线性映射能力、并行分布式处理能力、自学习自适应能力、数据融合能力、联想记忆能力，广泛应用在各种工程技术领域。j a v e d 以焊接压力、焊接电流、焊接时间为输入矢量空间，利用多层自组织特征映射网络完成到熔核尺寸的映射【2 3 】；b r o w n 等利用归一化的动态电阻、焊接电流值及电极头直径作为输入向量预测熔核直径反映焊接质量【2 4 l 。哈尔滨工业大学张忠典等以每个周波的动态电阻为输入矢量空间，以焊点的抗剪强度为输出空间，对1 个3 层b p 网络进行离线训练，建立起低碳钢点焊力学性能评估模型，成功地实现了力学性能的实时定量估测 2 5 - 2 6 ；兰州理工大学的马跃洲、种玉宝以交流电阻点焊过程电极间电压和焊接电流全周波有效值作为输入向量，以熔核直径和熔核高度为输出向量，利用r b f 神经网络对点焊熔核尺寸进行预测，试验结果验证了r b f 神经网络用于这类应用场合的可行性和有效性【2 7 1 。模糊控s 0 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，简称f c ，就是利用随时测得控制对象的信息，再根据实践经验、试验及技巧等认识到的内在定性关系，通过模糊推论过程得出定量化结论的过程。事实上就是用模糊数学的工具将人类语言概念和思维方式的模糊性进行严格的量化并实现。其最大的优点就是对于不能用数学形式表达其内部关系或者表达起来极其复杂的问题，难以运用一般控制理论对设备及工艺参数进行控制，我们只要在实践或实验中积累它们的相关知识，就可以利用模糊控制法进行有效的控制f 2 蚓l 。在国内，开展这方面的研究相对较晚，从文献上看，武汉理工大学、湖南大学、洛阳工学院和西北工业大学正在进行这方面的研究 3 2 - 3 3 1 。专家系统( e s ) 是人工智能控制的另一个重要分支。所谓专家系统就是一种特殊的计算机程序，它以人类专家的水平完成特定的任务，依赖于大量的知识、事实、规则、设想及强化的智能功能。在专家系统中解决问题所需的知识同使用知识的方法是独立分开的，求解问题不是按照预先确定的步骤进行，而是根据预设的条件到达目标，在搜索中寻求问题的解答。焊接领域的专家系统研究始于8 0 年代中期，涉及工艺设计和工艺选择；焊接缺陷或设备故障诊断、焊接成本估算、实时监控、焊接c a d 疲劳设计，符号绘制等。我国焊接e s 研究始于1 9 8 8 年，目前清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、兰州理工大学等都先后进行了焊接e s 的开发，特别哈尔滨工业大学的焊接专家系统己在华北油田、玉门油f f l 、大庆油用管理局等单位广泛应用。点焊过程及质量控制方法的内蒙古农业大学硕士学位论文9发展趋势分为控制模式及控制方法的综合化( 多信息融合控制) 、过程及质量控制规律描述的数量化( 或精确化) 和控制决策的智能化【3 ”6 1 。寸3 选题的意义与研究目的综上所述，电阻点焊是一个高度非线性、多变量耦合作用并伴随大量随机不确定因素的过程，而且熔核形成过程处于封闭状态无法观测，这给质量信息的提取增加了难度。传统的恒流控制方法简单、成本低，但不能补偿如分流、网压波动、电极磨损及回路感抗等干扰因素的影响。随着我国制造技术自动化程度的日益提高，对点焊接头的质量和可靠性提出了更高的要求，因此如何采用精确的控制方法来监控电阻点焊过程，以满足现代化生产的需要己成为电阻点焊质量监控的重点。为此，本文以q 2 3 5 低碳钢为试验材料，在各种焊接工况下，对点焊过程的动态信号进行实时采集，并对所采集的信号进行分析，提取特征，再利用神经网络进行点焊质量评估。从而为建立多动态参数与焊接特性、焊接质量的关系提供依据。1 4 研究内容本论文的主要研究内容包括：1 ) 以低碳钢q 2 3 5 ( 两种不同厚度) 钢板为试件，进行点焊试验，并在w d w 一2 0 c万能试验机上作拉剪力试验，检验焊点的焊接质量。2 ) 设计开发点焊动态参数测试系统，并利用此系统对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、电极压力、电极位移进行同步测试和数据采集。3 ) 利用信息融合技术进一步探索电阻点焊各动态信号与焊接质量的映射关系。利用神经网络方法和信息融合技术对焊接电流、焊接电压、电极压力、电极相对位移信号进行分析，研究信号特征与电阻点焊过程和质量的相关性。2 测试系统的设计2 1 测试系统硬件部分的设计及配置测试系统的好坏直接影响到测试数据的准确性和试验结果的可靠性。本文基于l a b v i e w 虚拟仪器技术设计开发了电阻点焊动态参数测试系统，可同步测试焊接电流、焊接电压、电极压力、电极相对位移四个动态参数。测试系统框图如图3 所示，实物图如图4 所示。1 0电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究图3 测试系统框图图4 测试系统实物图2 2 数据采集卡的选择数据采集卡选用荚国n i 公司生产的n i 6 0 6 2 e 系列数据采集矗。其主要性能指标内蒙古农业大学硕士学位论文表1数据采集卡主要性能指标2 3 电流传感器的选择由于电阻点焊机焊接回路的阻抗很低，焊接工件的电阻很小，为了在短暂的焊接时间里获得足够的焊接热量，必须以极大的电流通过电极流向焊件。对于大电流的测量，本试验选择了z h j l b 系列电阻焊电流测试仪。它由罗氏( r o g o w s k i ) 线圈和积分器组成，具有测量范围宽、精度高、稳定性高、重量轻等优点。其主要性能指标如表2 t 3 蚰。表2 电流传感器主要性能指标电流传感器的测量原理是：测试时将罗氏线圈套在点焊机的电极臂上，当点焊机工作时，电流通过电极臂，在线圈内产生感应电动势，感应电动势再经积分器转变为所测的电流。2 4 位移传感器的选择采用l c 2 4 5 0 型的激光位移传感器。该传感器具有测量精度高、分辨力高、抗电磁干扰的优点，广泛被应用到微位移测量系统中。所用位移传感器的主要性能指标如表3 。表3位移传感器主要性能指标2 5 力传感器的设计与安装电极力是点焊重要的焊接参数之一，焊接过程中，电极压力的变化与焊点的形成和生长有着密切的关系，故其对焊接接头质量影响较大。一般对电极力的测试主要有以下三种形式( 如图5 所示) ，具体如下：1 2电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究图a 所示是在下电极臂的根部贴应变片，利用焊接过程电极力使贴在电极臂上的应变片产生应变而间接地测试电极力。这种方法的灵敏度较低，特别是当电极臂的刚度较大时。图b 是将传感器放置在下电极与附加的支座之间进行测试。此种方法可直接使用压电晶体传感器，灵敏度较高，缺点是需附加支座。图c 是将力传感器置入一壳体内，并与下电极座做成一体。此种方式要求壳体的刚性要小，因电极力使壳体变形后，才作用在力传感器上。图a图b图c图5三种测电极力的示意图图6电极力示意图通过分析以上三种测试方法的优缺点，本研究决定以图c 的方案为基础，并对其进行了改造，如图6 所示。改造后使上下壳体端盖分开( 不用螺栓将其形成刚性连接) ，并且在上端盖引出导线与下电极连接，这样使电极力可直接作用在传感器上，提高了测试灵敏度。实际在研究动态电极力与点焊质量的关系时，不需电极力的精确值，而只需测试各种焊接工况下动态电极力的变化趋势。本试验采用了自行设计制造的电阻应变式力传感器，传感器的弹性体为圆柱体，材料选择t 8 钢，严格按贴片工艺要求将应变片贴在弹性体表面，形成全桥组桥方式1 4 。内蒙古农业大学硕士学位论文1 3将电阻应变式力传感器测试系统在w d w - 2 0 c 万能实验机上进行加载标定( 包括压力装置) 。标定时，首先对x l - - 2 1 0 2 c 型动态电阻应变仪进行调零【加l ，增益选择1 0 0 ，低通滤波选择1 0 0 h z ，标定结果见图7 。标定曲线2 5 0 02 0 0 0会1 5 0 0v卣1 0 0 05 0 0000 0 50 10 1 50 2电匿( v )图7电阻应变式传感器标定图图表中的相关系数( r 2 = 0 9 9 9 8 ) 非常接近l 。说明此传感器的线性关系是非常好的，灵敏度为o 1 ，结合数据采集卡的物理特性，该传感器能够满足试验的需要。2 6 电极电压的测试由于点焊两电极间的电压较小，一般低于1 0 v ，故可直接测量。测量时在电极两端焊接屏蔽线，且两测量线交叉缠绕在一起，以减小电磁等干扰对测量的影响。2 7 拉剪力的测定该项试验适用于搭接形式的点焊接头，用以测定焊点的强度。本试验在w d w - 2 0 c 万能实验机上进行拉剪力的测试，如图8 所示。1 4电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究图8 剪切强度试验图当被焊工件末被焊上时，常出现如图9 中如a 的断裂方式( 焊不上) ；当被焊工件焊 二时，会出现如图9 中图b 所示的韧性撕破( 焊接质量好) ；当被焊工件出现飞溅时，会出现如图9 中图c 所示的韧性撕破，并且在焊点的周围有金属毛刺( 飞溅) 。图a 焊不上图b 焊接质量好图c 飞溅图9 焊接质量示意图内蒙古农业大学硕士学位论文1 52 8 数据采集程序的编程参考本课题组刘桂梅编写的数据采集程序1 4 3 1 ，在此基础上进行数据采集程序的编写。采样频率设为1 0 0 0 h z ，动态电极相对位移取半周波的平均值，焊接电流、电极电压及电极力实时进行采集。3 试验3 1 试件试件材料选用q 2 3 5 钢板( 1 4 m m 和l m m 两种厚度) ，其几何尺寸如图1 0 所示。图1 0 试件几何图3 2 试验参数的选取一般点焊时需设置三个焊接参数：焊接电流、电极力及焊接时间。得到同样的焊接质量，三者可有不同的组合。为了得到焊接参数区，一般先选取某一焊接时问和电极力，固定其值，然后从低到高改变电流。本试验采用直径为6 m m 的圆头电极，根据g b 2 6 5 1 - 8 9 ，焊接质量用焊点的拉剪力并结合焊点撕裂后的连接情况评定。为了选择三种典型的焊接工况( 焊不上、焊接质量好、飞溅) ，本试验对l m m 厚的钢板选取焊接时间为6 个电流周波( 1 2 0 m s ) ，电极力选取l k n ，1 5 k n 两种工况，每种工况下通过改变电流做试验，确定出三种典型焊接质量( 焊不上、焊接质量好、飞溅) 所对应的焊接参数值；对1 4 m m 厚的钢板选取焊接时间为8 个电流周波( 1 6 0 m s ) ，电极力选取1 5 k n ，2 k n 两种工况。每种工况下的试验结果如表5 、8 所示。1 6电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究表5 工况1 试验结果( 3 2 件厚度l m m ，电极力1 刚，焊接时间6c y c i e s )表6 工况2 试验结果( 工件厚度1 嗍，电极力1 5 删，焊接时间6c y c l e s )表7 工况3 试验结果( 工件厚度1 41 1 1 1 1 ，电极力1 5 硎，焊接时间8c y c l e s )表8 工况4 试验结果( 工件厚度1 4 咖，电极力2 k n ，焊接时间8c y c l e s )实际焊接电流( k a )设定电流白分比( )焊点拉剪力焊接质量( n )5 65 05 2 1 8焊不上内蒙古农业大学硕士学位论文1 75 65 75 96 46 87 25 25 45 65 86 06 25 2 5 87 0 2 67 1 7 47 2 0 67 4 4 47 5 3 9焊不上焊接质量好焊接质量好焊接质量好焊接质量好飞溅根据上述实验结果，本试验拟定下述三种典型的焊接工况，三种典型的焊接工况所对应的焊接参数汇总于表9 。表9三种典型焊接工况所对应的焊接参数焊接工况试件厚度焊接参数焊接质量电极力1 k n ，焊接肘间6c y c l e s ，l m m焊不上电流4 k a电极力1 k n ，焊接时间6c y c l e s ，工况1l m m焊接质量好电流4 6 k a电极力1 k n ，焊接时间6c y c l e s ，1 m m飞溅电流5 k a电极力1 5 k n ，焊接时间81 4 m m焊不上c y c l e s ，电流5 k a电极力1 5 k n ，焊接时间8工况21 4 m m焊接质量好c y c l e s ，电流5 6 k a电极力1 5 k n ，焊接时间81 4 m m飞溅c y c l e s ，电流6 k a3 3 实验数据采集按照上述每一种工况设定焊接参数，做试验并采集试验数据。3 3 1 厚度为l m 钢板的试验( 1 ) 焊不上工况根据表9 中的工况1 ，用1 哪厚的试件，焊接电流设为4 k a ，焊接时问设为6电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究c y c l e s ，电极力设为l k n ，做试验并同步采集焊接电流、电极电压、电极力及电极相对位移，其时域波形如图1 0 、1 1 。、1 2 、1 3 所示。一、z考r5 呈i删图1 1 焊接电流波形图图1 2 电极间电压波形图焊接时间( s )图1 3 电极力波形图，_ 、1v漤趔。据罂s 釜曲半周波( 个)图1 4 电极相对位移波形图由于采用的是交流点焊机，故焊接电流和电极两端电压波形为正弦波，见图1 1 、1 2 。但是在电流和电压的j 下负半周之间有一段直线段，是由点焊机工作原理所致。图1 3 是焊接过程中动态电极力随时间的变化曲线。由于焊接过程的瞬时性及强磁场的影响，本论文所采用的电极力传感器，由于其失真较大，不能用于研究其与焊接质量的关系。但据文献显示，使用压电晶体力传感器和动态相应好的电荷放大器可以实现点焊电极力的测量。图1 4 是焊接过程中电极相对动态位移变化的波形图。从图中我们可以看出：随着焊接时间的增加，电极相对位移也随之增加，这是因为随着焊接时间的增加，焊点处产生的热量增加，导致热膨胀增加。但在这种工况下，其产生的热量不足以使焊点的金属熔化，故其位移是单调增加的。( 2 ) 焊接质量好工况根据表9 中的工况l ，设焊接电流为4 6 k a ，焊接时间为6c y c l e s ，电极力为l k n内蒙古农业大学硕士学位论文1 9做试验。此工况下焊接电流、电极电压、电极力及电极相对动态位移随时间变化的曲线如图1 5 、1 6 、1 7 、1 8 所示。回斌呼辎驶焊接时间( s )图1 5 焊接电流波形图焊接时问( s )图1 7 电极压力波形图，一、一出脚释1 窿鞋he1瀚趟靛罂鼙脚焊接时间( s )图1 6 电极两端电压波形图半周波( 个)图1 8 电极相对位移波形图在此种焊接工况下，图1 5 、1 6 、1 7 中曲线的变化趋势与焊不上工况下的基本相同，只是在幅度上略有提高，这是由于焊接参数值设置的较高。而对于图1 8 ，电极的相对动态位移在相当一段时间内是随着焊接时间的增加而增加，且增加的幅度明显高于焊小上工况下的位移增加幅度，说明在此种工况。卜，焊点会属产生的膨胀量较大，但当焊接终了时，位移不再增加，此时焊点金属熔化，形成焊点。( 3 ) 飞溅工况根据表9 中的工况1 ，焊接电流设为5 k a ，焊接时间设为6c y c l e s ，电极力设为l k n 做试验，各焊接参数随时间变化的曲线如图1 9 、2 0 、2 1 、2 2 所示。电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究zj c- r馨脚图1 9 焊接电流波形图焊接时间( s )图2 1电极压力波形图- 、_ ，出删释窿蛀he3淤趟靛罂辎唧焊接时间( s )图2 0 电极两端电压波形图半波数( 个)图2 2电极相对位移波形图在此种焊接工况下，图1 9 、2 0 、2 1 中曲线的变化趋势与前两种工况大体相同，但可明显看出电极动态位移( 图2 2 ) 先是增加，然后突然下降，这是焊点金属突然飞溅喷出所致。3 3 2 厚度为1 4 m m 钢板的试验按照表9 中的工况2 ，分别设置不同的电流，但焊接时间均设为8c y c l e s ，电极力设为1 5 k n 。由于各种焊接工况下各焊接参数的变化趋势及结果分析与q 2 3 5 一l m m类似，这里不再熬述，详见附表。4 试验数据的处理与分析4 1 动态电阻在焊接电流峰值处，电流的变化率为零，此时产生的感应电动势为零，即测试电流从理论上讲不受电磁感应的影响。故点焊过程中动态电阻值利用每半周波的电流峰内蒙古农业大学硕士学位论文2 1值与对应的电压峰值计算求得，其结果如图2 3 、2 4 所示。匣铆伯爵匣- e l怕蒋焊接时间( s 图2 3q 2 3 5 1 m 一1 k 卜6 c y c i e 动态电阻曲线图焊接时呵( s )图2 40 2 3 5 - 1 4 l i i t r l 5 k n - 8 c y c l e 动态电阻曲线图从图2 3 、2 4 可明显地看出，各种焊接工况下动态电阻变化的区别是明显的。在焊接时间为0 0 2 s 以内时，各种焊接工况电阻值都是下降的，这是由于在这一段时间内，电流一通过，工件表面的氧化膜很快被熔化，故接触电阻减小；随着焊接时间的增加，工件温度升高，电阻增加；在焊上和发生飞溅的工况下，由于焊点金属熔化，焊点接触面增加，故动态电阻下降。当产生飞溅时，由于焊接区金属的减少及焊点的电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究接触面积突然增大，使得电阻陡降。4 2 电极相对动态位移在点焊过程中，焊点金属受热膨胀、熔化及发生飞溅都要产生电极的动态位移变化，故其与焊核的形成过程及焊接质量密切相关。本试验利用激光位移传感器测试其相对电极的动态位移，并提取其半周波平均值，在不同的工况( 焊不上、焊接质量好、飞溅) 下，其相对电极的动态位移曲线如图2 5 、2 6 所示，可见在不同的焊接质量情况下，电极的相对动态位移存在明显的异同。，、3渣毯莨罂娶羽e亏豁毯靛霹鞋钿半波数( 个)图2 50 2 3 5 1 f m r l k 卜6c y cl e s 电极相对位移动态曲线图半波数( 个)图2 60 2 3 5 1 4 哪r 1 5 k n - 8 c y cle s 电极相对位移动态曲线图内蒙古农业大学硕士学位论文在图2 5 、2 6 中，所显示的电极相对动态位移曲线是三种不同焊接工况所对应下的焊接位移曲线。对于焊不上工况，焊点的膨胀量一直随着焊接时间的增加而增加；对于焊接质量好的工况，由于焊接电流较焊不上的大，故焊接的膨胀量较焊不上工况的焊点膨胀量大；对于飞溅工况，由于焊接电流进一步增大，电阻热将更大，致使熔核的膨胀量来不及扩散，进而产生飞溅，使得位移量在焊接过程的中期产生一个陡降趋势，对于l m m 厚的低碳钢，电极位移一致下降，直至焊接过程结束，而对于1 4 咖厚的低碳钢，随后电极相对位移略有回升，直至焊接结束。4 3 神经网络的概述神经网络技术逐渐渗透到焊接领域，广泛应用于焊缝检测、缺陷识别、焊接质量评估等方面。从理论上讲，神经网络技术可以处理任意复杂的多元非线性关系，并且具有计算速度快、在线适用方便等特点。神经网络比回归分析理论和模糊逻辑理论更适用于描述点焊监测信息与焊接质量之间的多元非线性模型关系，使在焊接过程中准确获知焊点质量信息成为可能。使用神经网络的主要优点是能够自适应样本数据，当数据中含有噪声、变形和非线性时，它也能较好的工作，很容易继承现有的领域知识，使用灵活，能够处理来自多个资源和决策系统的数据；提供简单工具进行自动特征选取，产生有用的数据表示，可作为专家系统的前端。本文结果的处理就是利用神经网络方法及信息融合技术，对点焊质量进行分析。4 3 1 网络输入参数的选择基于上述对点焊过程中实时信号的分析，利用人工神经网络方法和信息融合技术对点焊的动态参数进行处理，进而确定动态参数与焊接质量的对应关系。既以动态电阻的平均值、电极相对位移变化的峰值作为输入参数。4 3 2 网络输出参数的选择神经网络的输出参数为点焊质量的评判指标。焊点的机械特性，如焊点的剪切强度，直接表征了焊点的机械特征。由于焊点在破坏性试验中受拉力和剪切力的共同作用，所以本文采用焊点的拉剪力作为点焊质量评判的指标，既神经网络的输出参数。2 4电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究4 3 3 网络结构网络结构包括三层，既输入层、隐含层、输出层。如图2 7 所示。输入层由信号源节点组成；第二层为隐含层。，对所给输入层的数据源进行数值加权处理，为信号的输出进行处理；第三层为输出层，对所输入的数据进行响应。从输入层空间到隐含层空间的变换是非线性的，而从隐含层空间到输出层空间的变换是线性的1 4 “7 1 。2。- n输入层wt 。隐含层wm输出层图2 7 神经网络结构图4 3 4 神经网络程序( 见附录)4 4 试验数据分析以两个特征值为训练样本，以拉剪力为训练目标，利用神经网络程序进行试验训练。通过特征值训练来验证网络训练结果的准确度。本试验的验证以两种不同厚度的q 2 3 5 低碳钢为研究对象，针对q 2 3 5 一l m m 在三种不同工况下( 如表9 工况1 ) 分别进行了4 、1 2 、4 次试验；对q 2 3 5 1 4 m m 在三种不同工况下( 如表9 工况2 ) 分别进行了4 、1 2 、4 次试验。具体试验结果数据如表l o 、1 1 所示。从表1 0 中可以看出，以动态电阻的平均值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为1 3 2 ，最大绝对相对误差为2 5 1 7 ；以电极相对位移变化的峰值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为0 1 6 ，最大绝对相对误差为6 1 7 ：以动态电阻的平均值，电极相对位移变化的峰值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为0 4 0 ，最大绝对相对误差为12 3 7 。内蒙古农业大学硕士学位论文2 5表1 0q 2 3 5 1 盯耵r 1 k n 一6 c y c l e 电阻点焊焊点强度的网络模型预测结果从表1 1 中可以看出，以动态电阻的平均值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为0 5 4 ，最大绝对相对误差为2 7 5 1 ；以电极相对位移变化的峰值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为0 0 8 ，最大绝对相对误差为8 4 6 ；以动态电阻的平均值，电极相对位移变化的峰值为输入参数，以对应的拉剪力为输出目标，最小绝对相对误差为0 3 0 ，最大绝对相对误差为7 4 9 。2 6电阻点焊参数与焊接质量的相关性研究表1 10 2 3 5 - 1 4 呻r 1 5 k n - 8 c y cl e 电阻点焊焊点强度的网络模型预测结果经过上述表格( 表l o 与表