（材料加工工程专业论文）交流点焊电流信号频谱特征与熔核尺寸的关系研究.pdf

摘要 本文针对传统点焊质量检验方法的局限性，提出了一种实时检测点焊熔核 尺寸的新方法。在数字信号处理及无损检测的理论基础_匕 分析了焊接过程对 电流信号频谱的影响。将检测到的点焊电流信号经快速傅立叶变换，并作其幅 频图和相频图。从电流信号的频谱图中寻找与熔核直径相关的特征，建立起电 流频谱与熔核直径的关系曲线。另外还对焊接过程的动态电阻进行了 分析，研 究了不具有典型变化特征的动态电阻曲线与熔核直径的关系，并对动态电阻曲 线进行了频谱分析。 研究结果表明，动态电阻的准稳态电阻值与熔核尺寸之间存在近似的指数 关系，这种关系不受分流、板厚及板件翘曲的影响:动态电阻曲线频谱图中也 同 样可以 提取出与熔核直径相关的信息。交流点焊电流信号频谱图包含的信息， 能够很好反映熔核直径的变化规律。试验证明，在分流及压力变化的情况下， 一次谐波及三次谐波处的幅频值与 熔核直径存在很好的对应关系，可作为检测 熔核尺寸的方法之一。 本文上述研究成果，对于实现点焊质量的随机无损检测，具有重要的理论 及工程应用价值。 关键词:点焊动态电阻 频谱熔核尺寸电流信号 lh , t , - t ab s t r a c t a i m i n g a t t h e l o c a l i z a t i o n o f t r a d i t i o n a l q u a l i t y d e t e c t i o n m e t h o d d u r i n g r e s i s t a n c e s p o t w e l d i n g , a n e w m e t h o d i s s e t u p t o d e t e c t t h e n u g g e t s i z e i n r e a l t i m e . o n t h e b a s i s o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s a n d n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g , t h e e f f e c t o f w e ld i n g p r o c e s s o n t h e f r e q u e n c y s p e c t r u m o f t h e c u r r e n t s i g n a l i n a c s p o t w e l d i n g i s a n a ly z e d . t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) , t h e a m p l i t u d e f r e q u e n c y c h a r t s a n d p h a s e f r e q u e n c y c h a r t s o f c u r r e n t s i g n a l a r e c o n s t r u c t e d . t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n f r e q u e n c y s p e c t r u m a n d n u g g e t s iz e i s s t u d i e d , a n d t h e r e l a t i o n s h i p i s f o u n d e d . i n a d d i t i o n , t h e d y n a m i c r e s i s t a n c e i n s p o t w e l d in g a n d i t s f r e q u e n c y s p e c t r u m a r e a n a l y z e d . t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d y n a m i c r e s i s t a n c e c u r v e w i t h o u t t y p e c h a r a c t e r a n d n u g g e t s i z e i s f o u n d e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s t h e e x p o n e n t i a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n q u a s i - s t a b l e s t a t e r e s i s t a n c e v a l u e a n d n u g g e t s i z e . i t i s t e n a b l e w i t h s h u n t e f f e c t , d i ff e r e n t p l a t e t h i c k n e s s a n d w a r p e ff e c t . t h e c o r r e la t e d in f o r m a t i o n c a n b e p i c k e d u p i n t h e f r e q u e n c y s p e c t r u m c h a r t s o f d y n a m i c r e s i s t a n c e c u r v e s . t h e v a r i a t i o n r e g u l a r i t y o f n u g g e t d i a m e t e r i s s h o w n i n t h e f r e q u e n c y s p e c t r u m c h a r t s o f t h e c u r r e n t s i g n a l . t h e e x p e r i m e n t a t io n s s h o w t h a t t h e r e i s c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e n n u g g e t s i z e a n d t h e a m p l i t u d e fr e q u e n c y o f f i r s t h a r m o n i c s a n d t h ir d h a r m o n i c s o n t h e c o n d i t i o n o f s h u n t e ff e c t a n d d i f f e r e n t p r e s s u r e . s o i t c a n b e o n e o f t h e m e t h o d s t o d e t e c t n u g g e t s i ze. t h e r e s u l t s a r e o f i m p o r t a n t w o r t h i n t h e o r y a n d e n g i n e e r a p p l i c a t i o n f o r t h e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o f r e s i s t a n c e s p o t w e l d i n g q u a l i t y k e y - w o r d s : s p o t w e l d i n g d y n a m i c r e s i s t a n c e f r e q u e n c y s p e c t r u m n u g g e t s i z e c u r r e n t s i g n a l 第 1 章绪 论 第 1 章绪论 1 . 1 研究背景 点焊焊点的质量直接影响着焊接结构的可靠性，特别是航天航空产品，对 其质量要求更高。但是焊接过程中，焊点质量易受网压波动、工艺规范参数的 变化、焊件的表面状态、焊接回路阻抗变化等多种因素影响。 点焊熔核的大小是点焊质量最重要的标志性参数，对焊接接头的机械性能 ( 拉伸、剪切及疲劳)有极其重要的影响，但是对于点焊熔核尺寸的测量至今 还没有一 种可行的实时无损检测方法m 1 . 1 . 1 传统点焊质量检验方法的局限性 点焊接头的质量检验，分为破坏性检验和无损检验两类。破坏性试验是通 过工艺试件的试验和焊接结构的 抽查试验来判断焊接接头质量2 。 这种检验方法 简单，但只能提供片面的质量信息。无损检验以不损坏被检验对象的使用性能 为前提，应用现代科学技术手段，对工程材料和焊件进行有效的检验和测试， 借以 评价它的完整性和物理特性。在点焊接头的质量检验中最常用的无损检验 方法有 x射线检验和超声波检验。 1 . x射线检验 x射线检验是利用 x射线易于穿透物体，且在穿透物体过程中受到吸收和 散射而衰减的性质，在感光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不 同的图像，从而检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并作出评价的检 验 方 法 3 x射线检验可以发现点焊接头的内 部裂纹、 夹杂及缩孔等缺陷。 因为这些缺 陷的内含物对 x射线的吸收能力比基体金属小，射线比较容易通过这些部位， 所以在底片上会呈现黑度较大的缺陷影像。有板间的金属喷溅物时，因其增大 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 点焊焊点的质量直接影响着焊接结构的可靠性，特别是航天航空产品，对 其质量要求更高。但是焊接过程中，焊点质量易受网压波动、工艺规范参数的 变化、焊件的表面状态、焊接回路阻抗变化等多种因素影响。 点焊熔核的大小是点焊质量最重要的标志性参数，对焊接接头的机械性能 ( 拉伸、剪切及疲劳) 有极其重要的影响，但是对于点焊熔核尺寸的测量至今 还没有一种可行的实时无损检测方法。 1 1 1 传统点焊质量检验方法的局限性 点焊接头的质量检验，分为破坏性检验和无损检验两类。破坏性试验是通 过工艺试件的试验和焊接结构的抽查试验来判断焊接接头质量 甜。这种检验方法 简单，但只能提供片面的质量信息。无损检验以不损坏被检验对象的使用性能 为前提，应用现代科学技术手段，对工程材料和焊件进行有效的检验和测试， 借以评价它的完整性和物理特性。在点焊接头的质量检验中最常用的无损检验 方法有x 射线检验和超声波检验。 1 x 射线检验 x 射线检验是利用x 射线易于穿透物体，且在穿透物体过程中受到吸收和 散射而衰减的性质，在感光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不 同的图像，从而检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并作出评价的检 验方法【3 j o x 射线检验可以发现点焊接头的内部裂纹、夹杂及缩孔等缺陷。因为这些缺 陷的内含物对x 射线的吸收能力比基体金属小，射线比较容易通过这些部位， 所以在底片上会呈现黑度较大的缺陷影像。有板间的金属喷溅物时，因其增大 西北l 业人学工学颁 ：学位论史 了射线照射方向上的金属厚度，使透过被照射金属的射线强度减弱，故底片上 会出现黑度较小的喷射物影像。但是，x 射线检验难以发现点焊接头中的未熔合， 即没有形成铸造熔核或熔核不足。因为这种缺陷不产生射线照射方向上金属材 料厚度差，而且，射线透过金属后的强度与金属的状态无关。 通常在x 射线底片上出现的焊点环状影像和焊缝鳞纹影像是电极压痕或塑 性突起部位的影像，并不是铸造熔核的影像。但对有的材料，点焊和缝焊的铸 造熔核化学成分不均匀，各个部位对射线的吸收能力不同，于是产生底片上不 同黑度的影像。例如，在点焊【，y 1 2 铝合金时，由于存在纯铝包覆层和结晶偏析， 在熔核边缘形成富铝贫铜的偏析区，此区吸收x 射线少，所以，在底片上可以 看到沿熔核边界有一暗色圆环，显示了焊点熔核的边缘，由此可以直接从底片 上测出焊点的熔核直径( 图1 1 ) 。在暗色圆环外围还有一层灰白色圆环，这是由 于热影响区的晶界上有较多的合金元素聚集以及塑性环造成的金属增厚所致。 与此相反，在点焊m b 2 、m b 8 镁合金时，在焊点的x 射线底片上，沿熔核边界 可看到一亮环这是由于在熔核周围聚集着锰的细小颗粒，使该区域对x 射线吸 收较多而造成( 图1 2 ) 。 图1 - 1l y l 2 铝合金接头x 射线检验 l 一铝聚集处2 一暗环3 一亮环4 一x 射线强度误差程度分布曲线 阁1 - 2m b 2 、m b 8 镁合金焊点的x 射线检验 由于x 射线检测的缺陷形象直观，对缺陷的尺寸和性质判断比较容易，此 外对物体既不破坏也不存在污染，所以在现代工业中射线检测已成为一种必不 可少的无损检测方法。但是射线对人体有害，在检测中必须妥善防护，且该方 法的成本费用较高【3 】。x 射线照相检验法的过程较长，检验工作效率较低 2 超声波检验 超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的渡越时间，来确定缺陷和表 面间的距离；测量回波信号的幅度和发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和 方位【3 】。 超声波检验能够发现电阻焊接头内存在的气孔、裂纹、夹杂物及未焊透等 缺陷1 ”】。当超声波穿过熔核时，因铸造组织对超声波的衰减作用比母材或热影 响区严重，所以超声波通过熔核大和熔深大的焊点时，其反射波高会急剧下降 ( 图1 - 3 a ) 。若熔核过小，则超声波会从未熔合的结合面上发生反射，形成了第 一次反射波和第二次反射波之间的小反射波( 图1 3 b ) 。对于未形成熔核的粘接 焊点，反射波衰减不大( 图1 3 c ) ，而脱焊的焊点，则超声波会从二板贴合面上 发生反射( 图l 。3 d ) 。由此可判断接头焊透程度。焊接接头中若存在气孔、裂纹 及夹杂物等缺陷，超声波会从缺陷处反射而在荧光屏上出现缺陷波，缺陷波的 波形及波幅因缺陷的几何形状不同而发生变化【l 】。检验时，可根据缺陷波形特性 估判缺陷性质( 图1 4 ) 。 图1 - 3 焊点质量的超声波检验 ( a ) 大熔核或较小熔核( b ) 过小熔核 ( c ) 粘合、无熔核( d ) 脱焊 彳j l = ：l ( 横向裂敛) i ( 纵向袈纹) ( 夹杂橱) 一j 彳么 国 l ( 气孔) 图1 - 4 缺陷性质的评估 4 萋羹孥 第1 章绪论 超声波检验时要求探伤表面平直、光滑、无沟槽和杂物，因此，探伤面应 做加工。另外超声波无法准确检测出熔核尺寸大小，而且在其他缺陷的定位、 定量、定性方面也存在一定困难。用超声波检验区别焊接缺陷时，在某种程度 上是估判，而估判的准确度在很大程度上取决于检验人员的技术水平和对焊件、 焊接工艺等的熟悉程度情况，以及综合判断的能力【”。n c l ，存在较大的局限性。 1 1 2 点焊质量检验的发展现状 在低碳钢点焊过程中，动态电阻的变化较真实地反映了点焊熔核的形成过 程。“。文献 4 中，首次把动态电阻点焊自适应控制系统( d r c ) 的控制模型， 分成不同时段用不同参数进行实时监控。即把动态特性曲线经过科学修正以后， 根据曲线谷点到达时间的提前或滞后，分别采用单输入单输出和双输入单输出 模糊控制器进行控制。在谷点过后的上升阶段，采用比例积分控制算法( p i d ) 进 行控制；考虑到电阻点焊生产过程中机械化和自动化程度非常高的特点，为了 保证点焊形核质量和焊接时间的一致性，在动态特性曲线上升阶段后期，采用 闽值前馈控制算法。同时，针对电阻点焊生产环境中网压波动频繁的特点，程 序在进入焊接主程序之前，采用网压前馈控制算法。 据文献 1 介绍，法 s c i a k y 公司和英m r u b e r yo w e n 公司等曾采用监控某一 过程参数的曲线的技术监控汽车上重要受力部件轮辐的点焊质量，使生产 率明显提高，质量得到了保证，其可疑焊点率为1 5 左右。这种方法的控制原 理是：在用于批量生产之前，先把合格焊点的标准过程参数曲线储存下来，然 后通过大量的工艺实验确定合适的容限。在用于批量生产时，需要对每一焊点 的每一周波的焊接电流进行计算和调整，强制该焊点形成过程中的过程参数， 按照合格焊点的标准曲线发展，焊后再将过程参数的实际曲线与标准曲线比较， 观察是否满足容限位，以判断质量是否合格，从而保证每一焊点的质量。目前 采用的过程参数仅限于动态电阻。实践证明，这种技术的控制效果明显优于单 个特征量监控技术，但应用局限性很大，难以普及推广。一方面受材料的局限， 仅适用于低碳钢等具有第一类动态电阻曲线的材料“6 。4 “；另一方面是对工艺条件 和周围环境干扰程度要求非常严格。 第 1章绪 论 超声波检验时要求探伤表面平直、光滑、无沟槽和杂物，因此，探伤面应 做加工。另外超声波无法准确检测出熔核尺寸大小，而且在其他缺陷的定位、 定量、定性方面也存在一定困难。用超声波检验区别焊接缺陷时，在某种程度 上是估判，而估判的准确度在很大程度上取决于检验人员的技术水平和对焊件、 焊接工艺等的熟悉程度情况， 以 及综合判断的能力 1 。 因此， 存在较大的局限 性。 1 . 1 . 2 点焊质量检验的发展现状 在低碳钢点焊过程中，动态电阻的变化较真实地反映了点焊熔核的形成过 程79 4 2 。 文 献 4 中，首次 把动态电 阻点 焊自 适应控制系统( d r c ) 的 控制 模型， 分成不同时段用不同参数进行实时监控。即把动态特性曲线经过科学修正以后， 根据曲线谷点到达时间的提前或滞后，分别采用单输入单输出和双输入单输出 模糊控制器进行控制。 在谷点过后的上升阶段， 采用比例积分控制算法( p i d ) 进 行控制;考虑到电阻点焊生产过程中机械化和自 动化程度非常高的特点，为了 保证点焊形核质量和焊接时间的一致性，在动态特性曲线上升阶段后期，采用 14 值前馈控制算法。同时，针对电阻点焊生产环境中网压波动频繁的特点，程 i 事 在进入焊接主程序之前，采用网压前馈控制算法。 据文献 1 介绍， 法国s c i a k y 公司和英国 r u b e r y o w e n 公司等曾 采用监控某一 过程参数的曲线的技术监控汽车上重要受力部件轮辐的点焊质量，使生产 率明显提高，质量得到了保证，其可疑焊点率为1 . 5 % 左右。这种方法的控制原 理是:在用于批量生产之前，先把合格焊点的标准过程参数曲 线储存下来，然 后通过大量的工艺实验确定合适的容限。在用于批量生产时，需要对每一焊点 的每一周波的焊接电流进行计算和调整，强制该焊点形成过程中的过程参数， 按照合格焊点的标准曲线发展，焊后再将过程参数的实际曲线与标准曲 线比较， 观察是否满足容限位，以判断质量是否合格，从而保证每一焊点的质量。目前 采用的过程参数仅限于动态电阻。实践证明，这种技术的控制效果明显优于单 个特征量监控技术，但应用局限性很大，难以普及推广。一方面受材料的局限， 仅适用于低碳钢等具有第一类动态电阻曲 线的材料+ s , 4 1 1 ; 另一方面是对工艺条件 和周围环境干扰程度要求非常严格。 西北工业大学五 学硕 卜 学位论文 随着铝合金在汽车、航天、 航空等领域中应用量的不断增加， 铝合金电阻点 焊和胶接点焊工艺己 成为大批量铝合金产品生产中的重要工艺。现有的监控方 法在钢点焊过程中应用较好， 但却无法应用于铝合金的点焊过程2 3 :2 4 1 。 针对这一 问 题， 英国 学者 m . h a o ls 1等 人研 制了 一 种 新的 铝 合 金点 焊多 参数 监 控系 统。 该 系统可以收集单相交流焊机和逆变焊机点焊过程中的数据，并对数据进行处理， 获取可以描述点焊过程和识别较宽范围过程现象的特征量。最后系统将根据所 获取的特征量利用回归分析的方法来估测焊点的 熔核直径和拉伸强度。 德 国 学 者 b u r m e i s t e r l6 !用模 糊分 类的 方 法来 评 估 焊 接电 流引 起的 过 程信 号 和 焊点质量的变化，证明了模糊方法对点焊过程的适用性。模糊分类的优点尤其 体现在位移信号的分析。 质量等级之间存在明显的分离，这与现实的质量状况 是吻合的。 模糊分类虽然适用于描述点焊过程的复杂性和非线性，可以用于焊 点质量的等级评估，但只能给出焊点质量参数的大致范围，而且评价的准确性 难以 避免地受到专家知识等众多 人为因素的影响7 1 方平等人利用人工神经网络技术对交流电阻点焊的多个动态电参数进行融 合处理，建立起以交流点焊过程中动态电参数作为输入空间;以 熔核尺寸为输 出空间，可用于实时在线检测和预测的低碳钢点焊质量监测系统。所建监测系 统的熔核直径的平均预测误差小于5 %， 熔核高度的平均预测误差小于8 %， 完全 可 以 满 足 工 程 实 际 的 需 要 24 ,2 7- 2 8 1 在文献 8 , 4 6 中，韩国学者通过测量主回路的焊接参数实现实时质量监控。 分析了主回路和二次回路动态电阻之间的关系， 通过回归分析找出动态电阻对 焊接质量的影响。另外用神经网络方法较精确的估计了熔核直径和焊接强度。 但是主回路电路参数的测量不如二次回路方便，限制了该方法的应用。 1 . 1 . 3 点焊电流及电极间电压对焊点质量的影响 电阻焊的热源是电流通过焊接区产生的电阻热。由电工学可知，电流通过 导体时，导体将析热，其温度会升高，这是因为导体电阻吸收的电能转换成热 能的缘故，这种现象称为电流的热效应。同样，电阻焊时，当焊接电流通过两 极间的金属区域焊接区时，由于焊接区具有电阻，亦会析热，并在焊件内 西北工业大学五 学硕 卜 学位论文 随着铝合金在汽车、航天、 航空等领域中应用量的不断增加， 铝合金电阻点 焊和胶接点焊工艺己 成为大批量铝合金产品生产中的重要工艺。现有的监控方 法在钢点焊过程中应用较好， 但却无法应用于铝合金的点焊过程2 3 :2 4 1 。 针对这一 问 题， 英国 学者 m . h a o ls 1等 人研 制了 一 种 新的 铝 合 金点 焊多 参数 监 控系 统。 该 系统可以收集单相交流焊机和逆变焊机点焊过程中的数据，并对数据进行处理， 获取可以描述点焊过程和识别较宽范围过程现象的特征量。最后系统将根据所 获取的特征量利用回归分析的方法来估测焊点的 熔核直径和拉伸强度。 德 国 学 者 b u r m e i s t e r l6 !用模 糊分 类的 方 法来 评 估 焊 接电 流引 起的 过 程信 号 和 焊点质量的变化，证明了模糊方法对点焊过程的适用性。模糊分类的优点尤其 体现在位移信号的分析。 质量等级之间存在明显的分离，这与现实的质量状况 是吻合的。 模糊分类虽然适用于描述点焊过程的复杂性和非线性，可以用于焊 点质量的等级评估，但只能给出焊点质量参数的大致范围，而且评价的准确性 难以 避免地受到专家知识等众多 人为因素的影响7 1 方平等人利用人工神经网络技术对交流电阻点焊的多个动态电参数进行融 合处理，建立起以交流点焊过程中动态电参数作为输入空间;以 熔核尺寸为输 出空间，可用于实时在线检测和预测的低碳钢点焊质量监测系统。所建监测系 统的熔核直径的平均预测误差小于5 %， 熔核高度的平均预测误差小于8 %， 完全 可 以 满 足 工 程 实 际 的 需 要 24 ,2 7- 2 8 1 在文献 8 , 4 6 中，韩国学者通过测量主回路的焊接参数实现实时质量监控。 分析了主回路和二次回路动态电阻之间的关系， 通过回归分析找出动态电阻对 焊接质量的影响。另外用神经网络方法较精确的估计了熔核直径和焊接强度。 但是主回路电路参数的测量不如二次回路方便，限制了该方法的应用。 1 . 1 . 3 点焊电流及电极间电压对焊点质量的影响 电阻焊的热源是电流通过焊接区产生的电阻热。由电工学可知，电流通过 导体时，导体将析热，其温度会升高，这是因为导体电阻吸收的电能转换成热 能的缘故，这种现象称为电流的热效应。同样，电阻焊时，当焊接电流通过两 极间的金属区域焊接区时，由于焊接区具有电阻，亦会析热，并在焊件内 第 1 章绪 论 部形成热源。 根据焦耳定律，热量 w 为 w 一 工 . iz (t) r (t) d t ( ， ) 式中 i ( t) 通过焊接区的瞬时电 流 ( a ) ; r ( t) 焊接区的电阻 ( q ) ; t ,焊接时间 ( s ) . 在点焊过程中，电流和电阻都是时间的函数，为了简化计算，通常取其平 均 值， 即 式( 1 - 1 ) 可简化为 w= i 二 r t w ( j )( 1 - 2 ) 式中 i , 焊接电流均方根值的平均值 ( a ) ; r 焊接区的平均电阻 ( q ) o 点焊时，单位时间内 产生的热量称为热源强度，可用下式表示: 。 。 = i 二 r = i a ( w)( 1 - 3 ) 式中 u 2 电极间电压的均方根值 ( v ) o 由以 上3 式可见， 焊接电流是标志热源特征的 参数之一 1 1 工频交流点焊在点焊中应用最广，其主要规范参数有:焊接电流、焊接时 间、电极压力及电极头端面尺寸。 点焊时焊接电流1 一般在数万安培以内。 焊接 电流是最重要的点焊参数。在实际生产中，由于电网电压的波动、多台阻焊机 同时通电焊接的相互干扰，分流用磁性焊件伸入二次回路等因素，均可导致焊 接电流的变化，有时变化率还相当大。焊接电流的显著波动，必将影响点焊质 量2 1 传统的概念认为主要焊接参数对焊接质量影响最大，焊接参数应作为监控 的 信息。普遍认为焊接电流是十分重要的信息，可作为监控的对象。近1 0 余年 的研究认为，熔核直径与电流峰值无直接的关系，而与焊接电流有效值存在较 密切的 关系 i 。 焊接电 流多 用电 流有效 值表示， 电 流有效 值反映了点 焊 过程的发 热情况。焊接电流的大小对焊接质量起着决定性的作用，因此在点焊、缝焊以 及对焊时，都检测它的大小并加以 控制。 西北工业大学工受硕 l 学位论文 恒流控制法是应用较广泛的控制方法之一，它是一种间接质量监控方法。 其原理是通过测量二次( 或一次) 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。实测结果表明， 焊接电流的有效值可控制在设定值的士3 %范围内。但在平板搭接点焊时，对由 于分流、电 极磨损和电极压力波动等导致的质量问 题没有补偿作用12 ,3 6 3 电极间电压能反映出点焊过程中金属固一 液态转变的过程，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的变化， 因此是比 较理想的 质量监控信息2 3 ,3 9 1 。 但精密测量电极间电 压有困 难， 因 焊接电 流通过时的强磁场，使感应电势附加在电极间电压上，影响真实电压的测量。 此外采集电压的位置选择，也是很重要的一个因素，往往受到生产条件的限制， 不能从电极的头部采集电压，若距电极头较远，则不能测量到真实的电极间电 压值，焊点有喷溅时也影响电压的测量。目前随着电子技术的发展，已能精确 地测量电 极间电 压， 作为焊点质量监控的一种信息 1 1 在文献 9 ,2 5 中 显示， 仲田 周次 通过实验与分析明 确了电 极间电 压的 物理意 义。电 极间电 压v ( 去除 感应分量 ) 遵循以 下公 式。 : 二 皿 “ 。 = (。 p ) 2 d x( 1 - 4 ) 式中 p - 电阻率; 亡分 一 一 电流密度; r 一 一 一 电 流通道上单位体积的 产热; l 板厚。 山该式可以看出，电极间电压主要与焊接区单位体积内的产热有关，它所 表示 的是电 流通道上每单位体 积的 产热大小， 而与电 流通道面 积无关 19 1 综上可见，点焊电流和电极间电压是点焊过程的两个重要参数，可反映出 焊接的质量。 第 1 章绪 论 1 . 2 1 . 2 . 1 数字信号处理及频谱分析技术 数字信号处理技术的发展及应用前景 数字信号处理是一门涉及众多学科， 又广泛应用于众多领域的新兴学科。 它 既有着较为完整的理论体系，又正在以最快的速度形成自己的产业，因此，它 是 近三十年来发展最快的新学科之一 o l 数字信号处理 ( d s p ) 是研究用离散的数字或符号序列来表示信号，并用数 字 硬件或计算机对这些离散序列进行有效的处理的学科 u 。它的起源很早。1 6 世纪发展起来的经典数值分析技术是d s p的理论基础，1 8 世纪拉普拉斯发展的 z 变 换是d s p 的数学基础 + l 0 1 9 6 5 年f f t 算法的 发明 是 对d s p 技术获 得发展 的一个重大促进。 6 0 年代末， d s p技术方面的论文数量剧增。但那时的处理方 法己 经跳出模拟滤波器硬件形式的框框， 而是利用计算机和软件形式。这无论 是规模还是灵活性都远非诞生初期可以 相比， 从而进一步显示数字处理技术的 巨 大生命力。 7 0 年 代， 大规 模集成 ( l s i ) 技术的 迅速发展。 使得用硬件实 现各 种 d s p 技术功能的芯片大量产生，从而使d s p 技术获得了进一步的飞速发展。8 0 年代，产生了将多个加法器、乘法器和延时电路等集中在一起，按信号处理流 程排列起来的l s i 芯片， 使d s p 技术开始了发展整体功能的新阶段， 从而使d s p 技术的应用范围不断扩大。 由于利用软件进行信号处理的通用性和灵活性， d s p 技术的应用范围迅速广大。 这就促使人们研究如何将微处理器用于d s p 技术。 8 0 年代中期出现的各种功能型信号处理器就是在这一思想指导下产生的。 9 0 年 代前后， 信号处理的理论和方法都取得了迅速的发展，表现在( 1 ) 研究对象己 不 再限于较为简单、理想的线性系统、因果最小相位系统，而是进入非线性、非 因果、非最小相位系统;( 2 ) 在方法上利用了高阶统计和小波变换等新的数学工 具，因而己能有效地分析和处理多维、多信道信号，非高斯信号和非平稳信号; ( 3 ) 在 技术上， 则是 广泛地利用计算机技 术和各种软件工具，以 及大规模( l s i ) 和 超大规模( v l s d 芯片， 进行非实时 利用计算机和软件来完成) 和实时( 用硬件 控制) 信号处理。随着 l s i 芯片技术的发展，其功能和频率范围将会更全、更 高 更 灵 活 13 1 第 1 章绪 论 1 . 2 1 . 2 . 1 数字信号处理及频谱分析技术 数字信号处理技术的发展及应用前景 数字信号处理是一门涉及众多学科， 又广泛应用于众多领域的新兴学科。 它 既有着较为完整的理论体系，又正在以最快的速度形成自己的产业，因此，它 是 近三十年来发展最快的新学科之一 o l 数字信号处理 ( d s p ) 是研究用离散的数字或符号序列来表示信号，并用数 字 硬件或计算机对这些离散序列进行有效的处理的学科 u 。它的起源很早。1 6 世纪发展起来的经典数值分析技术是d s p的理论基础，1 8 世纪拉普拉斯发展的 z 变 换是d s p 的数学基础 + l 0 1 9 6 5 年f f t 算法的 发明 是 对d s p 技术获 得发展 的一个重大促进。 6 0 年代末， d s p技术方面的论文数量剧增。但那时的处理方 法己 经跳出模拟滤波器硬件形式的框框， 而是利用计算机和软件形式。这无论 是规模还是灵活性都远非诞生初期可以 相比， 从而进一步显示数字处理技术的 巨 大生命力。 7 0 年 代， 大规 模集成 ( l s i ) 技术的 迅速发展。 使得用硬件实 现各 种 d s p 技术功能的芯片大量产生，从而使d s p 技术获得了进一步的飞速发展。8 0 年代，产生了将多个加法器、乘法器和延时电路等集中在一起，按信号处理流 程排列起来的l s i 芯片， 使d s p 技术开始了发展整体功能的新阶段， 从而使d s p 技术的应用范围不断扩大。 由于利用软件进行信号处理的通用性和灵活性， d s p 技术的应用范围迅速广大。 这就促使人们研究如何将微处理器用于d s p 技术。 8 0 年代中期出现的各种功能型信号处理器就是在这一思想指导下产生的。 9 0 年 代前后， 信号处理的理论和方法都取得了迅速的发展，表现在( 1 ) 研究对象己 不 再限于较为简单、理想的线性系统、因果最小相位系统，而是进入非线性、非 因果、非最小相位系统;( 2 ) 在方法上利用了高阶统计和小波变换等新的数学工 具，因而己能有效地分析和处理多维、多信道信号，非高斯信号和非平稳信号; ( 3 ) 在 技术上， 则是 广泛地利用计算机技 术和各种软件工具，以 及大规模( l s i ) 和 超大规模( v l s d 芯片， 进行非实时 利用计算机和软件来完成) 和实时( 用硬件 控制) 信号处理。随着 l s i 芯片技术的发展，其功能和频率范围将会更全、更 高 更 灵 活 13 1 西北丁业大学工学硕士学位论文 在 此之前信号处 理主要是 用模 拟设备直接对模拟信号进行处理。 。 与模 拟信 号 处理 技术相比， 它有如下 特点 5 7 1 . 1 . 精 度高 模拟元器件的 精度很 难达到1 0 -3 以 上， 数字系统只 要1 4 位字长 就可 达到飞 0 -4 的精度; 2 .灵活性高 数字系统的性能主要由 乘法器的系统鉴定，而系统是存放在 系数存储器中的，只需要改变存储的系数，就可得到不同的系统; 3 .可靠性强数字系统只有 “ 0 ”和 “ 1 ”两个信号电平，因而受周围环境 温度以及噪声的影响较小，模拟系统电平连续变化，各元器件都有一定的温度 系数，易受温度、噪声、电磁感应等影响; 4 .容易大规模集成; 5 .可获得高性能指标 对信号进行频谱分析， 模拟频谱仪在频率低端只能 分析到 i o h z以上频率，且难于做到高分辨率 ( 足够窄的带宽) ，但在数字谱分 析中，己能做到1 0 -3 h z 的谱分析。 在国际上，一般把 1 9 6 5 年快速傅里叶变换 ( f f t )的问世，作为数字信号 处理这一新学科的开端。在二十多年的发展中，数字信号处理自 身己 基本上形 成一 套较为完 整的 理论体系(1 0 ,11 1 。 这 些理论主要包 括: 1 .信号的采集 ( a ( d技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ; 2 . 离散 信号的分 析( 时 域及频域分 析、 各种变换技术、 信号 特征的 描 述等) ; 3 .离散系统分析 ( 系统的描述、系统的转移函数及频率特性等) ; 4 信号处理中的快速算法 ( 快速傅里叶变换、 快速卷积与相关等) ; 5 . 信号的估值 ( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计等) ; 6 .滤波技术 ( 各种数字滤波器的设计与实现) ; 7 .信号的建模 ( 最常用的有a r , ma . a r m a , p r o n y等各种模型) ; 8 . 信号处理中的特殊算法 如抽取、 插值、 奇异值分解、反卷积、 信号重 建等) ; 9 ， 信号处理技术的实现 ( 软件实现与硬件实现) ; 工 0 . 信号处理技术的应用。 数字信号处理中所涉及到的信号包括确定性信号、平稳随机信号、时变信 第 1 章绪 论 号、一维及多维信号、单通道及多通道信号。所涉及到的系统也包括一维系统、 二维系统、多通道系统，对每一类特定的信号与系统，上述理论的各个方面又 有 不 同 的 内 容 1 0 1 众所周知，几乎所有的工程技术领域都要涉及到信号和信号的检测问题。 这些信号包括电的、 磁的、 机械的、 热的、 生物的 等等各个方 面1 1 0 1 。 但信号 检 测到以后，如何在较强的背景噪声下提取出真正的信号或信号的特征，并将其 应用于实际是信号处理技术要完成的任务。因此可以说，信号处理几乎涉及到 所 有 的 工 程 技 术 领 域 10,u 1 目 前d s p 技术的 应用领域己 有以 下各个方面1 1 3 1 . 1 机械振动和噪声研究中的d s p 技术 包括模态分析、 机械振动信号的频 谱分析和波形分析;旋转机械故障诊断:大型复杂结构的动态分析:各种机械 量、物理量的快速数据采集分析以及噪声测量、声强测量。 2 .通信系统中的信号变换处理包括放大与衰减、滤波与均衡、调制与解 调等通信基本功能的数字信号处理; 通信系统中的滤波技术; 波形发生与检测; 代码变换等。 3 .数据传输中的信号处理包括数据调制器的构成和数字处理;调制解调 器中的数字处理;自 动均衡的数字处理;定量提取的数字处理等。 4 .语音信号处理包括语音的产生; 语音波形编码; 语音的分析合成系统; 回波控制等技术。 5 .图形图像信号处理包括广播用电 视图像操作编辑技术;电视信号的频 带压缩技术;图像恢复;图像增强;图像变换等。 6 . 信号的统计处理包括数据的采集技术; 异常数据的删除、 数据的滤波、 趋势的删除、数据的重新编辑与校正等预处理技术;数字频谱分析等技术。 总之， 数字信号处理技术一经问 世， 便吸引了很多学科的研究者把它应用于 自己的研究领域， 可以说，数字信号处理是获得应用最快、取得成效最为显著 的新学科之一。数字信号技术所涉及的概念和技术，影响到诸如现代声学、语 音通讯、声纳、雷达、遥感图像、地震、核科学乃至生物医学工程等信号的研 究 12 1 。 它有效地推动了 众多工程技术领域的技术改造和学科发展。近年来，随 西北工业大学工学倾 上 学位论文 着多媒体的发展，d s p芯片已在家电、电话、磁盘机等设备中广泛应用。毫不 夸张地说，只要使用计算机 ( 通用机、专用机、单板机、单片机或一个简单的 c p u ) 和数据打交道， 就必然要应用数字信号处理技术 t o 1 . 2 . 2 数字信号处理及频谱分析技术在焊接中的应用研究现状 在焊接生产中，实现焊接过程智能控制是焊接界学者孜孜以求的目 标，这 就对焊接过程传感技术、信息处理技术和焊接质量控制方法提出了更高的要求 ( 1 4 1 在文献 1 4 中指出小波分析 ( w a v e l e t a n a l y s i s ) 的发展使信号系统科学更前 进了一大步。将小波变换用于弧焊过程的视觉信号处理，成功地解决了去噪、 边缘检测和特征信息提取等关键技术。为焊接学科注入了新的活力，提供了新 的分析研究工具，它必将显示多学科交叉在推动焊接学科自身建设中的巨大作 用 ， 。 薛伟峰等人认为频谱分析是试验数据处理的重要方法之一。他们通过对铝 合金点焊过程中电极振动信号的频谱分析，提取振动信号中的特征量， 来判断 点焊过程中熔核形成及飞溅发生。试验证明，利用振动信号的频谱分析能够有 效地对铝合金点焊过程进行监控， 是提高铝合金点焊质量的一种有效方法 1 6 1 在铝合金点焊过程中，采用小波包分析判断飞溅发生作为一种新方法被提 出。通过对点焊过程中电压信号进行小波包分析，可以获得不同频带中的电流 信号时 域 波形， 根据波形的 不同 形态 和特征， 判断点 焊过程中 飞溅的发生 f; 1 在文献【 1 5 1 中， 简要介绍了各种信号处理方法在弧焊电 源检测与评价中 的应 用，其中包括了统计分析法、谱分析法和子波分析法，并对各种信号处理方法 进行了比 较，并就信号处理方法在弧焊电源评价中应用的发展方向 进行了预测。 文中提到利用傅里叶变换能从焊接过程中焊接电流、电弧电压信号中间检测出 高次谐波信号或提取信号在频域上分布的特征信息。信号处理在弧焊电 源分析 与 评定中的作用越来越重要p s 数字信号处理及频谱分析技术在焊接中应用主要还表现在焊接质量的无损 检测上。现代焊接无损检测内容包括焊接缺陷、构件成分和残余应力状态的检 西北工业大学工学倾 上 学位论文 着多媒体的发展，d s p芯片已在家电、电话、磁盘机等设备中广泛应用。毫不 夸张地说，只要使用计算机 ( 通用机、专用机、单板机、单片机或一个简单的 c p u ) 和数据打交道， 就必然要应用数字信号处理技术 t o 1 . 2 . 2 数字信号处理及频谱分析技术在焊接中的应用研究现状 在焊接生产中，实现焊接过程智能控制是焊接界学者孜孜以求的目 标，这 就对焊接过程传感技术、信息处理技术和焊接质量控制方法提出了更高的要求 ( 1 4 1 在文献 1 4 中指出小波分析 ( w a v e l e t a n a l y s i s ) 的发展使信号系统科学更前 进了一大步。将小波变换用于弧焊过程的视觉信号处理，成功地解决了去噪、 边缘检测和特征信息提取等关键技术。为焊接学科注入了新的活力，提供了新 的分析研究工具，它必将显示多学科交叉在推动焊接学科自身建设中的巨大作 用 ， 。 薛伟峰等人认为频谱分析是试验数据处理的重要方法之一。他们通过对铝 合金点焊过程中电极振动信号的频谱分析，提取振动信号中的特征量， 来判断 点焊过程中熔核形成及飞溅发生。试验证明，利用振动信号的频谱分析能够有 效地对铝合金点焊过程进行监控， 是提高铝合金点焊质量的一种有效方法 1 6 1 在铝合金点焊过程中，采用小波包分析判断飞溅发生作为一种新方法被提 出。通过对点焊过程中电压信号进行小波包分析，可以获得不同频带中的电流 信号时 域 波形， 根据波形的 不同 形态 和特征， 判断点 焊过程中 飞溅的发生 f; 1 在文献【 1 5 1 中， 简要介绍了各种信号处理方法在弧焊电 源检测与评价中 的应 用，其中包括了统计分析法、谱分析法和子波分析法，并对各种信号处理方法 进行了比 较，并就信号处理方法在弧焊电源评价中应用的发展方向 进行了预测。 文中提到利用傅里叶变换能从焊接过程中焊接电流、电弧电压信号中间检测出 高次谐波信号或提取信号在频域上分布的特征信息。信号处理在弧焊电 源分析 与 评定中的作用越来越重要p s 数字信号处理及频谱分析技术在焊接中应用主要还表现在焊接质量的无损 检测上。现代焊接无损检测内容包括焊接缺陷、构件成分和残余应力状态的检 第 1章绪 论 验以