（材料加工工程专业论文）铝合金点焊内部飞溅监控与熔核评判的研究.pdf

摘要 铝合会点焊在工业中有着极其广泛的应用前景，但是由于存在着的两大难 迦导致t r l 合企j ? 、l 焊拽术的j 、vj j 受到很人的f ；【 ! 制。，刈钔介仑j j 、1 的飞溅俯o j 的t j 征进行分析和焊点质量在线监测的研究已经成为焊接领域研究的重要课题。 本文采用振动传感器为核心的数据采集系统采集到铝合余点焊过程中各利。 不同情况下的的机头振动的加速度信号，并建立了点焊机机头的振动模型。 n ： 此基础上得到点焊内部飞溅发生时力的变化特征，发现振动过程中的加速度信 号的变化可以预测钥合会点焊中内部飞溅。同时通过对振动信号的频黹分析， 发现铝合金点焊过程中振动的频谱信号能够标志熔核是否形成、内部飞溅的产 生及其飞溅的大小。最后基于以上的分析0 本文建立了模糊评价系统，并通过 试验证明该系统能够预测熔核的等级情况。 关键词：铝合金点焊内部飞溅 频谱分析模糊评价 a b s t r a c t a l u m i n u ms p o t w e l d i n gc a n b e w i d e l y u s e di nt h e i n d u s t r y f i e l d h o w e v e r ，i nt h ef u t u r et h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yi sl i m i t e db yt w o p r o b l e m s t h ea n a l y s i s o ft h e s p l a s hs i g n a l a n dt h e s t u d y o fo n l i n e i n s p e c t i o ni na l u m i n u ms p o t w e l d i n gh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h s u b j e c ti nw e l d i n gf i e l d i nt h et h e s i s ，t h ev i b r a t i o n s i g n a l i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n si s a c q u i r e d t h r o u g ht h ev i b r a t i o ns e n s o ri nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d am o d e lo f v i b r a t i o no ft h es p o tw e l d i n gm a c h i n ea r mi sb u i l t o nt h eb a s i so ft h e m o d e l ，f o r c ef e a t u r ed u r i n gt h e i n t e r i o r s p l a s h i s g o t t h e a c c e l e r a t i o n b r i n g i n g a b o u tt h ev i b r a t i o nc a ni n d i c a t ei n t e r i o r s p l a s hd u r i n g t h e a l u m i n u m s p o tw e l d i n g a tt h es a m et i m e ，b ym e a n s o f f r e q u e n c ya n a l y s i s i tc a nb ef o u n dt h a tf r e q u e n c ys i g n a li nt h ec o u r s eo fv i b r a t i o nc a ni n d i c a t e w h e t h e rt h ec o r eh a sb e e np r o d u c e d t h er e s u l t so ff r e q u e n c ya n a l y s i s b a s e do nt h ea c c e l e r a t i o nl i eo nt h ea p p e a r a n c ea n dt h ed e g r e eo f t h es p l a s h a c c o r d i n g t ot h ea b o v e ，af u z z ye s t i m a t i o ns y s t e mh a sb e e ns e tu pi nt h e t h e s i sa n dt h e e x p e r i m e n t i n d i c a t e st h a tt h ef u z z ye s t i m a t i o n s y s t e m i s l e e , s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：a l u m i n u m s p o tw e l d i n g i n t e r i o rs p l a s h f r e q u e n c ya n a l y s i sf u z z ye s t i m a t i o n 灭津大学硕士毕业论文 笫一章绪论 第一章绪论 1 1 铝合金点焊研究的重要意义 自从1 9 2 0 年以来，铝及其合金就已经在汽车生产中得到了广泛的应用。但 是由于铝的强度较低，焊接性较差，其主要应用在小型汽车的蒙皮。2 0 世纪 7 0 年代中后期，世界发生了“石油危机”，石油价格飞涨，这时人们开始注意 到汽车节能的重要性，丌始努力丌发小型轻型节能型汽车。2 0 世纪8 0 年代c i z 期，随着环境污染的同益严重以及人们环保意识的不断增强，汽车尾气排放引 起的空气污染问题开始引起了世界各国政府的高度重视。许多国家开始制订严 格的汽车尾气排放标准，如世界上目前最严格的欧洲i i i 排放标准。这就使各个 汽车生产厂商必须着手从各个方面采取措施减少汽车尾气排放对空气的污染。 而汽车的轻型化对降低汽车的能耗和减少环境污染是至关霞要的个方而。铝 合金材料是实现汽车轻量化的最理想的材料，因此使人们对铝合金汽车的研究 成为“一个热点【”。 铝合金材料被称为“绿色材料”，它可以反复回收利用，回收重熔铝合金 所需的能量仅是生产新的铝合金所需能量的5 ，同时再生铝合金材料能够保 持原有材料的性能。铝合金具有良好的防腐性能，其表面只需稍加处理即可获 得满意的防腐性能，而不像一般的碳钢材料那样必须进行电镀或镀锌等处理j 具有防腐的性能。而电镀、镀锌等处理工艺复杂，成本高，其对环境污染严重。 由于铝合金的比重只有碳钢的1 3 ，采用铝合金材料的汽车制造车身，在保证与 钢材具有同样强度和刚度的前提下，车身的重量可减少5 0 ，整体的重量可减 少1 0 ，这有利于汽车的轻量化，同时可以减少相应数量的燃料消耗和环境污 染。目前，经济发达国家已经开始进行铝合金汽车的研制，美国的通用、福特、 德国的大众等公司都推出自己的铝合金汽车，并已小批量生产口】。 电阻点焊是一种重要的焊接方法，已经被广泛的应用在航天、航空、原予 能、电子技术、汽车制造以及轻工业等工业部f - i t 3 儿4 i 。它原理简单，对操作人员 的技能要求较低；它生产效率高，并且非常适合于自动化生产，容易与其他制 造工艺起组成成套的流水生产线。因此，到曰前为止，电阻点焊已经成为最 灭津大学硕士毕业论文第一章绪论 普遍使粥的金属连接方法之一，在工业生产的各个领域中都得到了广泛的应用。 与汽车生产中使用的其他金属涟接方法如铆接、粘接等相比，电阻点焊不 仅具有生产效率高，容易自动化的优点，而且焊接质量稳定可靠，因而电阻点 焊在汽车制造领域中得到了广泛的应用，而且必然会在以后的汽车生产中占重 要的地位。 但怒由于铝合金具有非常好的导电性、导热性能，以及表甄具有一层赢熔 点的不均匀分布的氧化膜等特性，导致铝合金的电阻点焊比较困难，主要楚在 鼯大方藤存在问题。 其是点焊过毽中电极烧损及粘连现象严重，这大大降低了工 串表藩鹾量， 甚至馒熔核矮量不稳定。露对，这秘现象逡大大懿簿绦了奄掇的寿命。因为点 焊过程中逶誉使鼹销基电极，露铜与铝的港点楱差不大( 与镉羊嚣锱电裰熔点相 比) ，并且它们之闻豢帮力较强，在离温下容易譬三成熔点为6 0 0 。c 左右的铜韬共 潞讫合物。形成的纯合物严莛的影响了电极端部的导电往能和机械性能，随着 点弹过程的避行，机头对电极的反复加簸和卸载，在这种交交应力的作用下电 极端部形成蚀坑和机械崩溃。 其二是铝合金点焊过程中飞溅现象严重，尤其疑在点焊加热后期发生的后 期内部飞溅将大大降低点焊的熔核的抗拉强度、抗剪强度，从而导致焊点力学 性能的稳定性很差，影响点焊工件使用的可靠性和安全性。然而，这种铝合会 点焊的后期飞溅在交流锅合会点焊中几乎是不可避免的，在直流铝合会点焊中 也是非常容易发生，它与点焊过程中热量的过度积累和气缸的随动性差有骜直 接的关系。同时当发生飞溅质锻合金点烬的熔核的力学性能是否达到设计要求 螅这秘捡验工 乍只能通过对焊后工终的破坯性试验遴行糖榉检查。当工 孛遴行 捡查岳，工 牛便不栽再被镬翔焉不错不掇瘦。掰戬检测秘控潮锅台金点浮过程 中酶后裁虎部飞溅是有重要辑究价值静渫题。 1 ，2 铝合金点焊过程检测研究的现状与存在的润题 通过监测点焊过程中反映熔核形成的某些特征的物理量，可以达到对点焊 过程及点焊质量进行控制的目的，能够解决焊接质量不稳定的问题。国内外的 专家在这方面进行了大量的研究工作，提出了很多的监测手段与方法，耳就已 经进行较多研究的监测与控制方法由以下几利t ： a 、电参数监测法：这是目剪在低碳钢点焊中应用广泛的一种监控方法。对 天津_ 人学硕士毕业论文 第一章绪论 于低碳钢点焊过程来说，它的电参数曲线和熔核形成特征之间存在着比较直接 的关系，所以可以通过检测焊接过程中的电流电压值并与标准的电流电压曲线 进行比较，就能够取得良好的监测效果i ”。 b 、超声波监控法：超声波在穿过固体和液体时的衰减的幅度不同以及从 体和液体表面反自, l - l i , j 的强度也不一样，所以可以利用超声波的这种特性来监测 熔核的大小”。 c 、声发射监控法：点焊过程中熔核发生飞溅、开裂、脆化以及电极在工件 表面形成较大压痕等缺陷时都会伴随着特定的声音信号产生，因此通过监测点 焊过程中的声音信号并进行处理可以用来对焊点质量进行评估和实时监控点焊 过程1 “。 d 、红外线监控法：点焊过程中熔核的温度比环境的温度高很多，它通过红 外辐射的方式向外辐射能量，所以可以通过测量熔核附近的金属表面的红外发 射的情况来确定此刻的熔核的温度，达到对点焊过程监控的目的1 9 l “。 e 、动态电阻法：在设定电压为恒值的前提下，根据点焊过程中三个阶段中 的电流密度、压力分布函数、推导出稳态电阻值、最大值、最小值之间的关系 并对它们之间的关系通过实验进行修正得到动态电阻的优化表达式，以此作为 实时控制的依据。动态电阻法适用不同的焊接条件，而且还可以补偿电极端部 的变化，焊接时间和焊接电流均可作为调整量。由于碳钢动态电阻的特点这种 方法监控效果很好。但是由于铝合金动态电阻曲线与熔核尺寸的关系不够密切， 所以此方法不适合用于铝合金点焊过程的监控i “l 1 2j 。 f 、电极位移监控法：在焊接过程中，由丁焦耳热的积累导致1 4 1 ：温度的升 高而产生热膨胀，这会在电极的位移上得到反映，通过对点焊过程中电极的位 移变化的情况的监测来反映点焊过程中熔核形成的过程。这种方法真实的表现 了熔核形成的过程，适合于实时监控。但是，对于不同的材料、板厚和焊机等 因素，位移特征存在很多的不同，需要分别确定标准的位移曲线m l 。 g 、能量监控法：这种方法通过采用对点焊过程中的能量进行监测，确定该 时刻应该需要的能量值，从而控制焊接的电流的输入来控制熔核的形成。能量 监控法监控量简单、实用化的可能性大，但是控制的规律不明确，需要对点焊 过程的热行为进行深入的研究，从而提出能量控制的规律与依据【3 】。 虽然国内外的专家对点焊过程提出了如此众多的监控方法，但是对铝合金 点焊过程尚无真正令人满意的质量监控方法。声发射监控法、红外线监控法、 天津大学硕士毕业论文第一章绪论 超声波监控法在实际的应用中效果并不很理想，而且在实际应用中存在着诸如 抗干扰性差、经济效益低等局限性。由于铝合金的动态电阻曲线的变化相对于 熔核直径没有明显的特征，所以在铝合金点焊质量监测中不适宜采用动态电阻 法。相比之下，电极位移监控法和能量监控法对铝合金的点焊过程是较为适用 的。但是根据过去的文献的介绍，电极移位法通常是用来监测点焊过程中熔核 的形成，还没有采用电极移位法监测与控制点焊过程中内部飞溅的报道。p 】1 ”l 1 3 点焊过程监测和质量控制评价方法的新发展 在点焊中由于存在干扰强、多变量等特殊性条件使点焊模型的建立非常困 难，无法真正的描述焊接生产的实际过程。随着模糊控制技术的发展，模糊控 制的优点在焊接自动生产中逐渐的体现出来，因为模糊控制不象经典控制理论 那样需要建立精确的数学模型，而是建立在专家和有经验的工人的经验的基础 上的反映人脑思考特点的控制方法1 2 0 j l “1 。模糊关系理论在焊接自动控制的其他 方面应用较早，但是在点焊领域应用较晚。1 9 9 7 年，c h e n x i n g q i a o 等人提出了 点焊电流的模糊自适应控制，根据所处熔核形成过程的阶段的不同，修j f 电流 输出，数值仿真和试验表明可以获得良好的焊点1 。1 9 9 7 年哈尔滨工业大学的 张忠典等人进行了基于模糊关系理论的点焊质量综合评判方法的研究【l 5 1 。 神经网络是一个具有高度非线性的大规模连续时间动力系统，其主要特点 是具有巨量并行分布处理与存储、良好的容错性、自组织自学习以及推理的自 适应能力等特点。在点焊过程中各种随机因素千差万别，在进行系统设计时不 可能考虑的面面俱到。所以一个好的点焊质量评价和点焊控制系统应该具有信 息存储、自学习和强大容错推理的能力【2 3 儿2 ”。k m a t s u t a m a 研制了一种基于神 经网络学习功能的点焊控制系统，用电极之间的电压和焊接电流的波形作为监 控参数来预测熔核尺寸和飞溅的产生【1 6 i 。ts a t o h 等人运用神经网络技术和模糊 推理技术作了保证点焊质量的尝试，对次级回路上的电压一电流曲线进行了特 征提取，作为神经网络的输入，优化的电流模型可以实现无喷溅的大熔核尺寸 的电流递增7 ) 。所以，智能控制必将在点焊过程监测及质量控制中得到更加广 泛的应用。 1 4 本文的主要内容 由于铝合金自身的特点，在点焊过程中的飞溅问题十分严重，尤其是点焊 天津人学颂士毕业论文始亭绪沦 通电中后期发生的后期内部1 - 溅更是降低了铝合金点焊m - q ：的力学性能的稳定 性，使铝合金点焊工件使用的安全性和可靠性大打折扣，所以解决铝合金点焊 中的后期内部飞溅问题是十分必要的。同时在点焊循环结束之后工件之间是甭 真正的形成熔核，这需要破坏性试验才能进行检验。所以点焊过程中通过监测 某种参数，在焊接结束之后根据该参数的特征值，便可以迅速得出工件之问是 石形成熔核，这也是关系到点焊生产自动化和点焊质量的一个关键性问题。基 于以上的分析，本文就以下几个方面进行研究： 1 铝合金点焊过程中点焊机机头振动模型的建立以及在此基础上对判断内 部飞溅是否发生的特征量的确定； 2 ，对铝合金点焊焊接过程中机头振动信号进行频谱分析的研究，从而获得 点焊中熔核是否形成以及飞溅大小的判据： 3 采用模糊关系理论，建立熔核力变化特征、点焊过程中机头振动信号的 频谱特征、电极焊接的焊点数与熔核质量之间关系的模糊评价系统。 1 5 本章小结 本章阐述了铝合金点焊的现实意义，扼要介绍了铝合会点焊过程控制的研 究现状，分析了多种点焊过程监控方法的优缺点，简介了智能评价和控制中的 模糊理论、神经网络理论以及它们在点焊控制中的应用的前景。在此基础上， 提出了本文的研究内容。 兀津大学硕士毕业论文 第二章振动法检测铝台金点焊飞溅原理 第二章振动法控制铝合金点焊飞溅原理 2 1 铝合金点焊过程及飞溅产生原因 2 1 1 点焊接头形成过程 加压和通电是点焊过程的重要条件，不同的加压和通电时间，不同的电极压 力、电流强度及其变化形式等 组成了各种点焊循环。但是， 无论那种点焊循环都包括点焊 过程的三个基本阶段：预压、 通电加热和冷却结晶，如图2 1 所示。 预压是通电之前对工件的 加压。点焊循环开始时，工件 在气缸的气体的所产生的压力 和上机臂的重力下通过上下电 极对工件形成一个预压力。这 图2 - 1 基本点焊循环 f 一点焊中电极压力i 一点焊中电流有效值 t 一焊接时间 时不通以焊接电流，其作用是在电极的压力作用下在一定程度上消除接触表面 的不平和破坏铝合金表面致密的氧化膜，暴露出导电的金属，形成被焊工件表 面导电接触点，以保持接触电阻的稳定。这就为以后焊接电流的顺利通过以及 减少焊接过程中飞溅和消除熔核的夹杂和裂纹创造了良好的条件。 在工件上加压一定时间以后，就要对工件通以电流进行加热来形成所要求 尺寸的熔核。加热阶段的特点是电流非常大，点焊压力也很大。在通电的开始 的一段时间内，随着电阻热的作用铝合金的接触点不断的扩大，固态的金属因 为加热而膨胀，在焊接压力的作用下铝合金产生塑性变形并挤向电极头接触面 以外的区域( 板缝) 。这一塑性变形导致了塑性环的形成，同时也造成了上下工 件一定程度的翘离，从而限制了导电通路的扩大，对保持足够的电流密度起到 了很大的作用。随着加热的进一步进行，塑性环内开始出现液态熔核并逐渐扩 直到达到所要求的熔核尺寸。切断电流停止加热，熔核进入冷却结晶阶段。 天津大学硕士毕业论文第二二章振动法检测铝台金点焊飞溅原理 在焊接通电加热过程中，塑性环是十分重要的。塑性环是在液态熔核周围 的高温固态金属在电极压力作用下产生塑性变形和强烈的再结晶而形成的。存 通电加热阶段，它始终处于产生、扩展的动态变化的过程中，它的一部分转化为 液态的熔核。也就是说，塑性环先于熔核形成并且始终伴随着熔核一起长大。 i f 是因为塑性环的存在，工件周围的气体爿不能侵入熔核而与熔核r f t 的金删发 生冶金反应，以保持熔核金属成分基本不变。同时也保证了熔核的液念金属小 至于因为点焊的压力而沿着板缝被挤出来形成内部飞溅。 当熔核达到规定的尺寸和形状时减弱或切断焊接电流，使熔核处于冷却结 晶阶段。保持气缸对工件的压力，液态的熔核就在压力的作用下冷却结晶。 2 1 2 铝合金点焊过程中飞溅的形成及分析 铝合金和黑色金属具有很大的不同点，它电阻率小，热导率大，线膨胀系数 大，表面极易形成难熔的氧化物薄膜而导致较大的接触电阻o 。因此，铝合金 点焊与普通低碳钢的点焊有很大的区别，尤其是在铝合金点焊过程中极其容易产 生飞溅。铝合金的表面具有致密的较高电阻的氧化物膜，所以当经过预压阶段 后，部分的氧化物薄膜被电极压力压溃，部分铝合金在这些点形成了点接触， 在焊接开始的瞬间通以强大的焊接电流，将使工件接触表面上这些点中一些点 电流密度过大，瞬时熔化，从而产生铝合金点焊的早期飞溅，这将大大的影响 工件表面质量和缩短电极的使用寿命。由于铝合金的线膨胀系数。较大，在加 热的过程中随着熔核的形成与扩大，焊接区金属体积的膨胀量很大。这时，如 图2 - 2 铝合金点焊不发生内部飞溅照片图2 3 铝合金点焊发生小飞溅照片 果焊机的加压机构的随动性不是很好的话，那么加在熔核上的作用力会增大。 在很大的压力作用下，熔核周围的塑性环很容易被挤破，形成铝合金点焊过程 天津大学硕士毕业论文 第一二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 的后期内部飞溅”1 。此外，在点焊过程中如果机头在工件表面所施加的焊接压 力较小，那么在工件与工件之间的表面所形成的接触电阻就会很大，在通电加 热时会产生非常多的热量，导致了熔核内部飞溅的产生，甚至有可能引起熔核 的强烈的爆炸。铝合金点焊的后期飞溅的危害性更大：由于飞溅的产生，它带 走了用来形成熔核的金属，导致熔核直径减小，焊点抗拉抗剪强度大大降低。 所以，在铝合金点焊过程中有效的控制焊接过程中的飞溅，尤其是后期的内部 飞溅的产生是非常有实际意义的。熔核发生后期内部飞溅的形态如图2 - 2 、2 - 3 、 2 4 、2 5 所示，图中显示了点焊过程中发生内部飞溅外部形貌，其飞溅程度山 小到大于j 列。 点焊中发生内部飞溅时，成核的金属被挤走，总是导致点焊机机头在不平 衡力的左右下发生振动。本文就是着眼于对铝合金点焊过程中的后期飞溅进行 研究，对点焊过程熔核发生飞溅前后力的特性的变化进行建模，找到铝合金点 图2 4 铝合余点焊发牛中等内部飞溅照片图2 - 5 铝合金点焊发生内部大飞溅照片 焊过程中后期内部飞溅的特征，从而对其进行预报和监控。从熔核和飞溅的形 成过程和原因可以看出，如果能够找到点焊过程中即将发生后期内部飞溅时刻 的力的特性与电流变化的特性的关系，减小电流的输入即减小焊接热量的输入， 使此刻的熔核的能量输入较少，熔核便没有爆发飞溅的可能性，从而控制了飞溅 的产生。而且，铝合金点焊中发生内部飞溅时，由于熔核中部分或者全部的成 核的金属被带走必然影响熔核的质量。所以通过监测铝合金点焊过程中的内部 飞溅可以反映熔核的质量情况，对熔核的评价有很重要作用。 天津人学硕士毕业论文第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 2 2 点焊机机头振动模型的建立 2 2 1 点焊过程中机头振动模型 在点焊过程中，山1 j 铝合会的线膨胀系数较大，随着熔核的形成、扩人以 及e 溅的产生等原因，焊接区的会属的体积变化很大。点焊机的机头在熔核产 生的膨胀力、作用于气缸活塞的气体压力和气缸与上机臂之间的阻力的共同作 用下随着熔核所产生的力的不断变化进行受迫振动。所以，可以将点焊过程中 点焊机的上机臂和上电极作为研究对象，它们的运动看作是一种受迫的机械振 动，点焊机机头的示意图如图2 - 6 所示。 在点焊工作过程中，一般 利用气压和液压作为电极的压 力源。然而气压的爆发力快， 有助于提高电极的随动性，且 成本低。本试验中的台式点焊 机采用气缸作为动力源装置。 点焊机的上机臂和上电极的轴 心始终沿着垂直的方向( x 轴) 运动，忽略活塞、上机臂、机 头、上电极等元件的弹性，而 只考虑它们的惯性，所以就可 以将上机臂、活塞和电极等这 些惯性元件近似的视为只有惯 性而无弹性的集中质点或者是 质量为m 的质量块，即： 图2 - 6 点焊机示意图 丁件 m = m 活塞+ m 上机臂+ ，”机头+ m 电极 ( 2 - 1 ) 空气在实验所用的压强范围内可以认为是弹性气体，将空气对活塞的作用 力等价为弹簧的弹力作用，设其弹性系数为k ；由于在点焊过程中气缸与活塞 和上机臂之间采用空压机油进行润滑，所以气缸壁与活塞和上机臂之间的摩擦 可以认为是粘滞阻尼，其阻尼力只和速度的一次方成正比，即：儿2 7 m “ 天滓大学硕士毕业论文籀二= 章振动法检攫4 锅台金点焊飞溅摄糍 。= c _q 一2 ) 式中：c 一粘性阻尼系魏，它取抉子遥动物体的形状、尺寸以及潮漏剩 介质游黻性，擎位为n s c m ； f 。粘性阻尼力： d x d t ， 二缀甓运动逮赛，罄位为c m s 。 在通电加热过程中，部分熔拨处于熔融状态，气艇产生鲍压力 乍罔在工件 上，并搀鹾力传到熔邈固液态念溪中。文予力与反搏黧力游关系，液态衾属愆 塑瞧环和土下袭西形成灼密脏壳产生隧强。在焊按过程中工件淡蘸出于弹性变 形焉产生渝羯上的支捺力可筒纯为个鬻力，霹系绞蔽鞠过程翁分褥与建模浚 有 窜嗣。所以焊汝过程中液态金属产生麓对上逛叛豹反俸用力是就系统发生受 遣振动的辨器激巍力，热耀2 7 所示。基予以上瀚分析，点焊杭梳头的振动系 统可以简化为单缒由度有阻尼振动系统的动力学摸鼙，如爵2 罐所示。蒋以颈 压结素时的位餮0 - 0 为坐标原点( 平衡位置) ，取藤藿块m 的振动位移x 为广义 拦榱，虽向下为正，那么该系统的运动微分方程为：p 6 l j f 2 8 删等+ c 妾+ 。o c ：最 ( 2 i ，) ，鼯+ += 。 f 2 弱 鑫矿d t 院 、j 式中：肘等效的枫头、上机臂、活塞等元件的质量湘； e 气敬鳖襄上极甓以及活塞之越静隘恁系数； k 空气的弹性系数； 阁2 。7 炼援与邀强靛力能箨撩 天津人学硕士毕业论文第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 x 机头在焊接通电以后的过程中的位移； d 2 x d r 2 质量m 的运动加速度； d x d t 质量r n 的运动速度； f 一一一熔核作用在机头上的反作用力。 系统在外界激振力f 。的作用下发生受迫振动，激振力为一个未知规律的作用 力，即是熔核生长过程中对加压系统的反作用力。为此，当通过实验测定点焊 过程中的机头动作的加速度d 2 x d t 2 ，那么就可以通过振动方程( 2 1 ) 计算出焊接 过程中熔核的受力情况，从而可以利用熔核受力的变化情况监测内部飞溅。 2 2 2 点焊过程中标志飞溅的振动信号的检测 根据点焊过程中飞溅的形成原因，可以知道，当发生飞溅的时候，液态金 属承受了超过塑性环能够承受的最大压力，从而导致液态金属挤破塑性环喷溅 了出来。这时，液态熔核内部的压力会急剧减小，必然发生了一个由高到低的 突变。利用焊接过程中这个明显的 力的突变信号来监测与控制焊接过 程中对点焊质量影响很大的后期飞 溅，以减少后期内部飞溅的发生， 达到获得合格的铝合金点焊熔核的 目的。为此，必须确定焊接过程中0 机头振动信号( 包括加速度、速度、 位移或者它们之间的线性组合) 与 点焊过程中熔核力之间的关系。 本试验采用振动测试仪测量铝 合金点焊焊接过程中振动信号，试 图2 8 单自由度有阻尼受 验装置图如图2 ，9 所示。试验中振动 迫振动系统动力学模型 传感器采集点焊过程中由于熔核力 k ：弹簧的刚度”一质量块的质龟 的变化而引起的机头的振动信号。 。一粘性阻尼系数”质量块离开平 即振动传感器把采集到振动信号转 衡位置的距离 换为电流信号，经过振动信号采集放大器将得到小电流信号放大后传送到计算 机进行处理和存储。同时采用记忆示波器采集和监视信号的变化过程。在采集 振动信号的同时采集焊接过程中的电流电压信号，目的是为找到点焊过程中电 綦生态堂堡主生些堡墨篁兰皇逐垫鎏丝型塑垒塞生握玉照鉴堡 流的变化与机械振动信号以及力变化之问关系。电流信号的采集采用电感线圈 通过互感的方法进行测照，采集到的电流信号经过具有较好抗干扰性能的双绞 图2 9 焊接过程中点焊机机头振动信号测试原理图 电缆送到高精度多功能焊接监测仪m m ，3 2 6 b 中，并同时把采集到的信号传送 给p c 计算机进行处理。电压信号则是直接测量两个电极之间的电压降，由于电 流测试仪的精度允许采用这秘方法氨接进行测量，这就为电压的测量提供了很 多方便。同样将采集到的电压数据送入计算机。但是，由予本电滤测试仪功能 的眼剑，电流、电压蛇采集不是荠罩子进行的，敷以采集的电压信号鄱电渡信号 之阉并不是阉步的，电压信号只能馋戈参考之弱。n 8 j ”1 实验所翔熬点焊橇为p a n a s o n i cy r - 7 0 0 c m 2 型单摺露定式交流点烽枫，其 容量为7 0 k v a 。试验中采蹋簿度为0 8 毫米的l f 2 l 锅台金板为焊接工件，镪合 金酌表瑟鬲浓度为2 53 0 的硝酸和5 - 1 0 的氢氧纯铺溶液进行谭前清洗，保证 了铝合金工件表面氧化物膜的蓐度均匀以便接触电阻均匀。这样可以忽略工件 表面状态不岚所带来的对飞溅的影响。1 3 1 1 ” 2 2 3 采集数据波形的分析 试验时通过改变电流值和通电时间来获褥采集到点焊过程中发生飞溅和不 发生飞溅的电流、娥械振动的加速度售号。众联周知，在交流铝合金点焊过程 中，产生飞溅的霹能性极大，缎容易撂到飞溅壤、鼹下黢表现出来的加速度信号。 在电流为1 7 0 0 0 a 、1 8 0 0 0 a 、1 9 2 0 0 a 、2 0 0 0 0 a ，烊接压力为3 0 0 0 n 懿情况下得到 天津人学颀l 毕业论文 第一章振功法检测锚合金点炳飞溅凉j 坐 不同焊接时间长度的电流、加速度信号的波形图。 图2 1 0 电流为2 0 0 0 0 a 时点焊全过程中示波器采集电流和机头加速度波形图 图2 - 11 电流为2 0 0 0 0 a 时点焊通电加热时示波器采集的电流和机头加速度波形图 图2 - 1 0 、2 - 1 1 为在采用焊接电流为2 0 0 0 0 a 的情况下计算机直接采样示波器的 波形，其中图2 1 0 为计算机采集整个点焊过程的波形，+ 而图2 1 1 为通电时间 内细节波形的放大图。图2 1 2 和2 1 3 是在与图2 1 0 和2 1 1 相同的点焊参数下 所得到的电流和振动的加速度信号数据，然后经过数据采集卡输入计算机并利 用绘图软件绘制的电流和加速度的波形图。通过比较示波器显示曲线和软件采 集波形可以证明电流、加速度数据采集通路的工作情况是良好的，计算机采集 的数据是可靠的。图2 - 1 2 ( a ) ( b ) 、2 - 1 3 、2 - 1 4 、2 - 1 5 、2 - 1 6 所示为点焊中通电加 热电流分别为2 0 0 0 0 a 、1 9 2 0 0 a 、】8 0 0 0 a 、1 7 0 0 0 a 时发生飞溅的情况下的数据 波形图。为了进行对比分析得出规律，本文给出了在电流2 0 0 0 0 a 时三个周波 和六个周波发生大飞溅的情况下波形图。图2 1 2 ( a ) 中为通电加热开始到焊接压 力减小为零机头抬起脱离工件这段时间内电流和机头振动加速度变化的波形 死津大学硕士毕业论文第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 图，图2 - 1 2 ( b ) 艘i 电加热过程中电流存在的情况下电流和机头振动加速度变化 的波形图。从图2 1 2 中可以看出，方框内的部分为在分析中有意义的波形，所 以在图2 1 3 2 t 6 图中只给出了点焊过程中通电加热区间内的电流和机头振动 加速度的波形图。为了可以进行比较还必须得到点焊过程r f 不发生飞溅的咆 一06 - 04 - 02 00 020 40 60 81012 0 )一0403。u20 i t ( 5 ) t ( s 1 图2 - 1 2 电流2 0 0 0 0 a 大e 溅时六个周波电流、加速度整体图( a ) 及局部波形幽( b ) ( a ) 图中a 一整个点焊过程中点焊机机头振波形曲线 ( b ) 图中a 一点焊通电加热过程中点焊机机头振动加速度波形曲线 i 一点焊过程中通电电流波形曲线 t 一采样时间相对于0 时刻的位置 流和加速度的波形图。虽然在交流铝合金点焊过程中发生飞溅的几率非常大， 但是经过不断试验得到了铝合金点焊过程中不发生飞溅的加速度的波形，如图 2 1 7 、2 - 1 8 、2 - 1 9 、2 - 2 0 所示，在焊接时所采用的电流分别是2 0 0 0 0 a 、1 9 2 0 0 0 a 、 18 0 0 0 a 、1 7 0 0 0 a 。因为在这些不发生飞溅情况的波形图中机头振动加速度曲线 变化紊乱，并且所采用的电流周波数较多，加速度曲线与电流曲线叠加后不能 清楚的辨析，所以在图中只是表现了加速度的变化特征。 分析这些点焊过程中发生强烈内部飞溅和不发生内部飞溅的机头加速度变 化的波形曲线，不难发现以下规律。首先，在点焊过程中加速度的曲线分为两 个明显可以分开的部分：第一部分为通电加热过程中加速度变化的曲线，第二 部分为熔核结晶完成后机头抬起焊接压力消失的过程中气缸活塞运动而引起的 上机臂和机头的振动的信号。第二部分的加速度信号经过由气缸活塞引起的机 械振荡后，逐步的衰减直至最后回到平衡位置，如图2 - 1 2 ( a ) 所示。通过对发生 内部飞溅的机头振动加速度信号在通电加热部分的波形与不发生飞溅的机头振 动加速度信号波形进行比较可以得知：发生内部飞溅的振动信号加速度曲线在 、 一 舡 一 九媵 忡 “ 一 燃一 0i州 一 无津夫学鞭圣毕照论文 凳二章振砖竣梭涮锘台垒患弹飞溅瓤避 点焊逶泡过摆的中后麓出现了一个l 常剧烈的攘荡变化，露在不发生飞溅的谤 况下加速度曲线振荡的幅度相比之下较小。在上述的波形图2 1 2 2 1 6 中，当 点浮漱流为2 0 0 0 0 a ，涎爆懿爆按时阀为6 0 m s 时，在点爆电滚绩近绣柬魏时候， 机头振动的加速度在很短的时间内由l m s 2 突然下降变为一2 m s 2 ，如图2 - 1 2 ( b ) 所 示。这时烟遮度戆变纯旗l 耋摄大，翔速凄鲍交亿率l 常大。当点浮电漉仍然采 用为2 0 0 0 0 4 ，但是邋屯时f ) ；! 为1 2 0 m su , 1 。这种变化觌律几乎与通电瞅脚为6 0 m s 一0 9一0 8 - o7w o $os t ( s ) 图2 - 1 3 魄渡为1 9 2 0 0 a 发生 溅时电流、振动加速度波形图 a ( m s 2 ) r 黔 ，a “ a ( n v s 2 ) 一0 , 5- 0 4 * 0 3 ，、0 2 - 0 1 t ( s j 图2 4 琏王漉为1 8 0 0 0 a 发生 大飞溅时电流、搽动加速度波形图 a ( m f s 。) 薹一、 4 。1 7 - 15 1 r 1 ”r + “r ”_ r ，”“r y “_ 1 图2 - 1 5 电流为2 0 0 0 0 a 发生大飞溅时圈2 1 6 电流为最1 7 0 0 0 a 发生大飞溅时 三个周渡豹窀漉、振动加速度渡形酱三个周波静电流、振动热逮度波形溺 时完全相同，加速度波o 8 m s 2 突然陡降为。2 2 5 r r d s 2 ，如图2 。1 5 赝示。图样在毫 流为1 9 2 0 0 a 、1 8 0 0 0 a 、1 7 0 0 0 a 的情况下机头的加速度曲线也有相似的变化趋 势。然丽，在没有发皇| 三飞溅的搬速度趣线中，遽电加热后嬲枧头振动加速艨变 s g s 0 5 o 5 1 1 o o 0 1 1 增吣蛐伸他勰撕 天津大学硕士毕业论文 第= 章振动法检测铝台盘点焊飞溅原理 化韵幅傻车嚣加速度交仡率都不是很大，加速度变化稻值通常小于l m s 2 ，如黼2 。 t 7 、2 - 1 8 、2 1 9 、2 2 0 所示。其中机头振动加速度变化幅值最大的情形是电流 为2 0 0 0 0 a 的情况，在群接即将结束的中后期加速度值从o 5 m s 2 下降为，0 5 m s 2 左右，但比相同电流条件下发生飞溅时的加速度幅值变化值小的多，而h 加速 度发生下降所用的时间较长，加速度变化率比发生内部飞溅的情况下也小的多。 圈2 7 电流为2 0 0 0 0 a 无 飞溅情况下的加速度交化波形 图2 。 8 电流为1 9 2 0 0 0 a 无 飞溅情况下的加速度变化波形 图2 1 9 电流为1 8 0 0 0 a 无 飞溅情况下的加速度变化波形 2 。3 点焊过程中熔核力的变化分析 图2 。2 0 电流为1 7 0 0 0 a 无 飞溅愫况f 的加速度变化波形 2 3 1 振动模型的简化 通过以上分析可以得知，在铝合金点焊过程中搬动傣号的表征量之一的加 雌 鲫 仰 跹 协 ：詈 镏 天津大学硕士毕业论文 第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 速度信号在发生飞溅与不发生飞溅的情况下在加热的中后期存在着明显的不 同。但是，以上的分析不能表明加速度的变化过程可以表征经过抽象出来的熔 核的力的变化的趋势与特征。 在已经得到的振动方程( 2 3 ) 中如果已知了加速度d 2 x d t 2 的曲线，那么就可 以通过进行积分运算求出速度d x d t 和位移x 的曲线，从而可以计算出熔核的反 作用力f 反的曲线。所以，当通过实验测出出现内部飞溅与不发生飞溅的情况 下的加速度的曲线后，就可以知道熔核对机头同时也就是熔核对塑性环的力的 作用的情况了。 由于考虑到台式点焊机气缸的随动性很差，而且电磁气阀的反应速度不能 可能达到毫秒级，气缸的容积变化不能迅速的跟踪熔核力的变化，而且熔核变 化的过程中实际的位移很小，引起气缸的压力变化可以忽略不计，所以可以将 气缸认为是恒压缸。那么，振动方程( 2 3 ) 可以表示如下： 脚雾+ c 妾+ 只萨最 ( 2 - 。) 沈2沈 ”“ 、7 式中： p 气m 气缸对机头和上机臂的雎力； m 、c 、d 2 x d t 2 、d x d t 、f 反的意义同式( 2 3 ) 根据振动理论以及考虑到点焊机的气缸与活塞、上机臂的相对运动和润滑的情 况，式( 2 - 4 ) 中阻尼系数c 的计算可以采用液体介于具有相对运动的两个平行扳 之间的计算模型，如图2 2 1 所示。在这种模型中粘性系数c 为： 2 8 1 c ：型 d 式中： r 2 - 5 1 a 上板与液体接触面积( c m 2 1 d 液体膜的厚度( c 咖 c 粘性阻尼系数s c m ) n 动力粘度( n s c m 2 ) 试验中点焊机采用压缩机油进行润滑。压缩机油的型号为l d a b l 0 0 或者l d a a l 0 0 ，它的运动粘度为；9 0 ( 4 0 ) 1 1 0 ( 1 0 0 ) m m 2 s ，它的密度为 08 9 - 0 ，9 0 9 c m 3 。由摩擦学的知识可以知道，在这种粘滞阻尼的条件下，两个相 对运动的表面之间的距离d 大致为3 0 1 0 0um ，而流体的动力粘度等于运动粘 天津大学硕士毕业论文第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 度与流体的密度的乘积，所以可以计算出气缸壁相对于上机臂和活塞之间粘性 阻尼系数。根据点焊机机头、 机臂和气缸的外部直径以及 机器制造的材料的密度，可 以计算出振动方程中点焊机 机头的质量r r l 为8 0 k g 。点焊 过程中气缸对工件的压力可 以采用压力传感器在焊接之 前进行标定。为了避免压力 在上升和下降阶段可能对振 图2 - 2 1 粘性系数模型原理图 动传感器的影响，本试验中所采用的点焊压力为恒压值，即在气缸压力达到规 定的压力的时候开始进行焊接，当熔核形成结束以后停止压力。所用的试验压 力为3 0 0 0 n 。 2 8 1 2 3 2 熔核力的变化的分析 通过试验得到点焊过程中加速度的变化曲线和经过对振动模型的简化以 后，利用m a t h w o r k 公司推出的工程软件m a t l a b 5 3 编制程序来计算熔核内部力， 获得发生飞溅和不发生飞溅两种不同情况下熔核力的变化曲线，从而验证熔核 力的变化特征可以作为点焊过程中内部飞溅发生与否的表征2 3 l 。通过计算并 绘制出发生飞溅与不发生飞溅的熔核力的变化的曲线，如图2 2 2 、2 2 3 、2 2 4 、 2 2 5 、2 2 6 、2 2 7 、2 2 8 、2 2 9 所示。它们分别是电流为最大电流的9 5 、9 2 、 9 0 、8 5 情况下发生和不发生内部飞溅时所获得的力的变化的曲线。通过所 得的点焊通电加热过程中力以及振动方程左端后两项( c 戈+ 只。) 变化的波形 图，不难发现，在发生飞溅的波形中通常在加热的中后期出现相当大的熔核对 机臂等效的反作用力的突变的现象。在发生强烈飞溅的情况下力的突变最大值 达到了3 0 0 0 n ，如图2 2 3 所示；最小也达到了2 0 0 0 n ，如图2 2 4 所示。然而， 在没有发生飞溅的情况下计算得到的力的变化的波形图中，点焊通电加热的中 后期力的变化不发生如此剧烈的突变，力的变化的范围从1 0 0 n 到5 0 0 n 之间。 发生这种现象的原因可以解释如下：因为在点焊加热过程的开始，铝合金 工件之间形成了塑性环和熔核，并且随着点焊加热的不断进行，电流不断以电 阻热的形式向熔核提供能量，熔核吸收能量后不断生长，与此同时塑性环也随 天津大学硕士毕业论文 第二章振动法检测铝合金点焊飞溅原理 ；裂l 一t o ( a l i o m a f i g “o 一一 j 瓢| | 、| | j v “! 堂坚，一 ， 图2 2 2 电流2 0 0 0 0 a 六个周波飞溅时熔核力f a ) 与振动方程中c d x d t + p 的波形蚓( b ) ( a ) t ( s ) 图2 2 3 电流为1 8 0 0 0 a 飞溅的情况下熔核力( a ) 与振动方程中c d x d t + o 的波形图f b ) 。ii 3 5 图2 2 4 电流为2 0 0 0 0 a 三个周波飞溅时力f a ) 与振动方程中c d x d t + o 的波形图f b ) 着熔核的长大而不断的扩大。机头所产生的作用力便作用在熔核上方的铝合金 一1 9 n 4 4 4 3 3 3 。忡 伽拍晶_ 苫 -再 蚰 m m 謇。 。，j j 111ili ? 、| ，、| 抖 斟 m 吣 ( 2 0一嚣30 0d五 _ l 5 岛 轴。 期 一一 万 m ： (二， _ ；零 ， 二二_ ， f 天津大学硕上毕业论文第二童振动鎏丝型塑盒垒盛塑玉墼堕些 卦5 0 q ”j | 1 l i 0 图2 2 5 电流为1 7 0 0 0 a 发生飞溅时熔核力( a 1 与振动方程中c d x d t + p 的波形图f b ) t o l a lr o m ej q 竺。 2 9 4 53 r 一。一一 ， 一 2 9 4 02 尹v j j 、? 一 z m 。、门八 = f、 剽 图2 2 6 电流1 7 0 0 0 a 无 s 溅力f a ) 与振动方程中c d x d t + o