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汽车点焊过程的质量评估及控制研究 摘要 随着汽车工业飞速发展，电阻点焊已经成为轿车白车身装配的主要连接方法，因 而点焊质量与焊接效率对轿车的质量与成本有着重要影响。广阔的市场需求及严格 的焊接质量要求对点焊质量控制提出了更高的要求，点焊的质量问题越来越多地受 到关注。由于点焊过程的复杂性，点焊质量的在线评估与质量控制一直是点焊技术 领域中的难题。针对这问题，本文对汽车点焊过程的质量控制和评估方法进行了 研究，重点研究了一种点焊质量的多变量综合监控技术，以保证焊点质量的稳定性， 提高点焊合格率，从而达到降低生产成本和提高生产效率的目的。 研究工作主要概括如下： 首先，点焊质量与焊接过程参数之间存在一定关系。结合点焊过程的基奉原理， 分析了影响点焊过程的因素；通过点焊参数工艺试验研究，分析了不同点焊参数对 焊接质量的影响，同时分析了点焊参数与电极最大位移的关系以及最大位移与点焊 质量之自j 的对应关系，提出控制与焊点熔核形成过程有关的电极位移进行质量控制， 并给出了点焊质量控制系统的总体构成方案。试验证明了这种方法的有效性。 其次，根据点焊质量实时控制的要求，研制了一套以d s p 为核心的点焊质量实 时控制系统，设计了数字式点焊控制器。在此基础上，通过对点焊主电路的仿真研 究，设计了点焊过程控制的触发控制器，最后对整个系统进行了测试。试验结果表 明，整机系统能够稳定可靠地工作，所焊接头的拉剪强度稳定性一致。 再次，由于点焊工艺参数的复杂性与经验性，针对单一参数对点焊质量进行监 控时的局限性，研究中将点焊工艺参数和质量参数综合起来，来考察点焊多参数与 其质量之i 日j 的相关性，建立了点焊质量的偏最小二乘综合评估模型，试验结果表明， 该方法可以为点焊质量评定提供有用的信息和准则。 最后，对基于气动伺服系统的点焊焊枪驱动控制进行了研究。建立了气动力伺 服系统的模型，应用滑模控制理论，对系统进行了仿真研究。结果表明，该方法可 以获得较好的驱动性能，这对于改善点焊质量，实现电极加载的柔性化、延长电极 寿命以及提高点焊生产效率方面都具有重要的应用价值。 关键词：点焊质量；多参数监测；综合评估；质量控制；气动伺服：滑模控制 s t u d yo nq u a l i t ya s s e s s m e n ta n dc o n t r o lo fa u t or e s i s t a n c es p o t w e l d i n gp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r y , r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ( r s w ) h a s b e e nam a i nj o i n tm e t h o do fa u t o b o d ya s s e m b l e s s ot h ea u t oq u a l i t ya n dc o s ta r ea f f e c t e d b ys p o tw e l d i n gq u a l i t ya n dw e l d i n ge f f i c i e n c yi n t e n s i v e l y t h eb e t t e rq u a l i t yc o n t r o li s d e m a n d e db yn e e do fw i d e rm a r k e ta n dh i g h e rq u a l i t y s p o tw e l d i n gq u a l i t yi sm o r ea n d m o r ep a ya t t e n t i o nt o b yr e s e a r c h e la st h ec o r n p l e x i t yo fs p o tp r o c e s s ，t h eo n l i n e a s s e s s m e n ta n dc o n t r o lo fs p o tw e l d i n gq u a l i t ya r ea l w a y sd i f f i c u l t p r o b l e mi ns p o t w e l d i n gi n d u s t r y a i m e da tt h i sp r o b l e m ，q u a l i t yc o n t r o la n da s s e s s m e n tm e t h o d so fs p o t w e l d i n gp r o c e s sw e r er e s e a r c h e di nt h i sr e p o r t ，a ni n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g yw a ss t u d i e dm a i n l y t h u sc a nm a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fs p o tw e l d i n gq u a l i t y , i m p r o v et h ee l i g i b i l i t yp e r c e n t ，e c o n o m i z ec o s ta n di n c r e a s ep r o d u c te f f i c i e n c y 。 t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , s p o tw e l d i n gq u a l i t yr e l a t e w i t ht h ep a r a m e t e r so f s p o tw e l d i n gp r o c e s s c o m b i n i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs p o tw e l d i n g , a f f e c t i o nf a c t o r so fs p o tw e l d i n gw e r e a n a l y z e d t h ed i f f e r e n tr e l a t i o n sb e t w e e nt h es p o tw e l d i n gq u a l i t ya n dt h es p o tw e l d i n g p a r a m e t e r sw e r ea l s od i s c u s s e d d u et ot h ee l e c t r o d ed i s p l a c er e l a t ew i t ht h en u g g e t f o r m a t i o np r o c e s s ，e l e c t r o d ed i s p l a c ew a si n t r o d u c e dt oc o n t r o lt h es p o tw e l d i n gq u a l i t y a s c h e m eo fs p o tw e l d i n gq u a l i t yc o n t r o lw a sp r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e i h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v e s e c o n d l y , i nt e r mo ft h ed e m a n do fs p o tw e l d i n gq u a l i t yr e a l t i m ec o n t r 0 1 ar e a l t i m e c o n t r o ls y s t e mo fs p o tw e l d i n gq u a l i t yb a s e do nd s pw a sd e v e l o p e d ad i g i t a ls p o t w e l d i n gc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，s i m u l a t i o ns t u d yo ft h em a i nc i r c u i to fs p o t w e l d i n gw a si m p l e m e n t e d t h es p a r k i n gc o n t r o l l e ro fs p o tw e l d i n gc o n t r o lw a sa l s o d e s i g n e d f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mw a st e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e d c o n t r o ls y s t e mc a no p e r a t es t a b l ya n dr e l i a b l ya n d s h e a r i n gf o r c e o fn u g g e t sa r e c o n s i s t e n t t h i r d l y , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n de x p e r i e n t i a lc h a r a c t e r i s t i co fs p o tw e l d i n g p a r a m e t e r s ，a n dt h el i m i t e dc h a r a c t e r i s t i cu s i n gas i n g l ep a r a m e t e rt om o n i t o r i n gs p o t w e l d i n gq u a l i t y , t h es p o tw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dq u a l i t yp a r a m e t e rw e r ec o m b i n e dt o m o n i t o r i n gs p o tw e l d i n gq u a l i t y a na s s e s s m e n tm o d e lb a s e do np a r t i a ll e a s ts q u a r e a p p r o a c hw a sb u i l t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dc a ns u p p l yu s e f u l i n f o r m a t i o na n dr u l e sf o rs p o tw e l d i n g q u a l i t ye v a l u a t i o n f i n a l l y , w e l d i n gt o r c hd r i v ec o n t r o lo fs p o tw e l d i n gb a s e do np n e u m a t i cs e r v os y s t e m w a sr e s e a r c h e d t h em o d e lo fp n e u m a t i cf o r c es e r v os y s t e mw a sb u i l t s y s t e ms i m u l a t i o n w a s i m p l e m e n t e du s i n gs l i d ec o n t r o lt h e o r y t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h i sa p p r o a c hc a ng e t ag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h i st e c h n o l o g yh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei na s p e c t s o fi m p r o v i n gs p o tw e l d i n gq u a l i t y , a c h i e v i n gf l e x i b l el o a d i n go fe l e c t r o d e ，e x t e n d i n g e l e c t r o d el i f ea n da d v a n c i n gp r o d u c te f f i c i e n c y k e y w o r d s ：r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gq u a l i t y ；m u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r i n g ；i n t e g r a t e d a s s e s s m e n t ；q u a l i t yc o n t r o l ；p n e u m a t i cs e r v o ；s l i d em o d ec o n t r o l i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 电阻点焊作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的加工、装配方法。 由于电阻点焊在焊接过程中能量集中、变形小、生产率较高，特别适用于焊接薄壁 零件，因此在航空航天制造工程、汽车、电子等工业领域得到越来越广泛的应用。 特别是随着点焊工艺在汽车制造业中的应用，点焊的质量问题越来越多地受到关注。 在轿车车身制造过程中，焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车身焊接装配过程 的制造偏差，同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。一般来说，轿车车身大约 需要4 0 0 0 6 0 0 0 个点焊焊点1 1 ，2 j ，例如一辆帕萨特车身卜有电阻焊焊点5 8 9 2 个【3 l 。 由此可见，点焊技术在保证汽车质量和生产效率巾起着棚当重要的作用。点焊质量 的提高不仅r 叮以带来经济效益，而且t 叮以提r 每企业的核心竞争j j 。如关国国内的汽 车工业，仅三大汽车公司就有6 4 条生产线，年产汽车1 3 0 0 万台，电阻点焊控制器 的改善和提高将使车身结构加强，并且提高美国汽车制造企业的竞争力。通常在汽 车工业中，为了保证质量，每台车约有多于设计数量的3 0 的焊点，掘推算：如果 减少焊点数量1 0 ，每年可节约5 0 0 万美元左右。1 9 9 6 年，美国国家标准和技术研 究所宣布用1 3 6 亿美元进行的电阻点焊这个先进技术项目( a t p ) 的研究。美国国 家标准和技术研究所专家认为，改进美国现有的电阻焊设备和控制装置，预计在相 关产业可以获得5 0 0 亿美元的经济效益。这个项目得到了汽车行业人士的重视，许 多研究机构和企业，如美国智能电阻焊协会、克来斯勒公司、福特汽车公司、通用 汽车公司以及密西根大学、爱迪生焊接研究所、工业技术研究所等给予这个项目很 大的支持【4 1 。 一方面，由于点焊过程相当复杂，影响因素多、因素之问相互作用，加之焊接 过程中熔核的不可见性及焊接过程瞬时性，给点焊质量检测与控制带来了很大困难 p j 。另一方面，为了使不合格接头的比例保持在规定的合理范围内，工厂里通常要定 期进行焊后破坏性实验。但是，破坏性实验成本极高，而且定期的抽样实验并不能 保证每一辆车身焊接接头的合格率都保持在规定的范围内：同时，焊后实验具有严 重的滞后性，由于轿车生产的大批量流水作业特点，待有焊接质量问题发现时，大量 具有焊接质量问题的车身已经到了总装甚至到了客户手中。由此可见，电阻点焊过 程及焊点质量的稳定性一直是电阻点焊质量控制研究中的关键问题，历来被认为是 电阻焊质量控制的研究重点，并引起了工业界和研究机构的高度重视i “7 l 。因此，为 l 了提高焊接质量，需要对熔核形成过程的有关电参数进行控制，以形成合格焊点， 或者在线监测和控制与熔核形成有关的物理参量，以实时监测并控制焊接过程，实 现在线判定和控制焊点质量，这对于保证焊点质量的稳定性，提高点焊合格率，达 到降低成本和提高生产效率具有十分重要的实际意义。 1 2 汽车点焊质量控制技术的发展及研究现状 点焊质量控制的内容十分广泛，它不但涉及到点焊设备的检测与控制系统，而 且也包括点焊的接头设计、原材料的采购、管理和焊前处理、焊接工艺规范和质量 检验标准、设备的使用和维护、以及焊工技术培训和定期考核、焊接的工装设备等 多种因素。在本研究中假设其它条件不变，点焊质量仅由于点焊过程的参数决定。 随着点焊工艺在汽车制造业中的应用，对接头质量不断提出更高的要求，经过多年 的，上产应用证明：采用自动控制技术是确保点焊质量、提高效率、降低成本的十分 有效的方法1 8 i 。近年来，田内外焊接工作者在点焊质量监测与控制技术研究领域进行 的长期不懈的努力，已经取得了一些可喜的成果，有些方法已应用于生产。 在点焊过程中，由于电阻热的作用，使会属经过了加热、熔化、凝固以及相变，并 且与过程相关的物理量也发生了变化。如电流流过工件，使母材熔化而引起电流、 电压及动态电阻的变化，与此同时，被焊会属受热温度升高，随着温度上升而红外 辐射加强；金属受热膨胀、焊接区出现液态会属时，电极的力、位移、速度、加速 度等过程参量都发生了变化：金属相变和变形，会产生应力波；根据这些物理量的 特性，获得熔核的信息。在点焊过程中必须满足以下几个基本条件，方可作为质量 监控的信息： ( 1 ) 必须与焊点质量有密切关系，呈现一定的函数关系并有期望的准确性； ( 2 ) 信号易于检测； ( 3 ) 必须可以再现，一般应为连续； ( 4 ) 取出监控信息时，不干扰点焊工艺参数，不影响币常生产； ( 5 ) 监控手段易于实现，且成本不得太高。 由此可见，在点焊焊接中通过监测焊接过程中某一物理量，该物理量能够反映 熔核的的形成情况，从而通过监测陔物理量可以对焊接过程进行实时控制。因此， 点焊质量控制的发展主要体现在点焊质量的监测和控制两个方面。点焊质量控制技 术的内容主要包括两个方面：一是实时稳定焊接参数的控制( 恒流、恒压、电极压 力等) ：二是焊接过程中反映熔核形成状态的物理量的监测与控制。 2 1 2 1 电参数点焊质量监控方法 通过监测在点焊焊接中通过监测焊接过程中某一物理量就可以对焊接过程进行 实时控制。电参数监控法是目前应用最多的控制方法，具有采样方便，不需要复杂 传感器系统的优点。电参数监控法是目前应用最多的控制方法，具有采样方便，不 需要复杂传感器的优点。目f ；i 常用的控制方法有以下几种方法： ( 1 ) 恒流控制【9 1 ”。其监控原理为：在焊接过程中，对焊接电流有效值进行实 时反馈监控与调节，当电流与规定值不相符时，调整晶闸管的导通角，使焊接电流 稳定在一定的范围之内。这种方法的优点是简单可靠，易于实现。因而它是生产中 应用最广泛的一种监控方式。目前欧、美及同本的各大汽车公司几乎均采用这种方 法。我国的各大汽车厂也大多使用这种监控技术。它的缺点是对电极压力波动、电 极磨损及分流的影响没有补偿的作用。在热量调控机制上也是欠合理的。 ( 2 ) 电极m 电压法1 1 2 i 。是直接质量监控方法的一种，其原理足以两电极f n j 的电 压作为反馈信号进行质量监控或控制。由于许多会属的热阻率与电阻率成线性关系， 电极问电压与焊接区温度及电流路径的扩大有一定的对应关系。因此可利用电压监 测或反馈控制焊接质量。根据采用的方式的不同，该方法又可分为用电极i 日j 电压最 大值监测法；电压降低幅度监测法；电压积分法。这类方法的优点是简单可行，易 于实现。但在有分流及电极端部被压溃的情况下，其输出特性值与熔核直径间的对 应关系变差，故在批量生产中实用性差。 ( 3 ) 能量控制法1 1 2 1 。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 源基础上的，焊接区产生的热量越多，形成的焊点熔核尺寸就越大，故将焊接区的 热输入量作为熔核大小的判据。研究发现：在不同电流条件下，能量与熔核直径成 证比关系；在改变电极压力的条件下，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。能量控制法有三种控制模式：u i 积分 式，u 2 积分式，1 2 积分式。采用u i 积分监控，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问有关电参数易变的场合，如电源 电压变化和焊机次级回路引起焊接电流变化的因素；而不适用于电极压力和电流分 流等易变化的场合。总体上说，这一方法是比较普遍适用的方法，其关键在于能量 设定值的确定和不同焊接条件下的修正规律。由于目 口熔核尺寸与输入能量之间关 系比较模糊，对以此为基础的能量控制器的效果影响较大。 ( 4 ) 动念电阻法d 3 - 1 8 j 。该监控方法是在确定出典型工艺范围条件下的动态电阻 曲线后，在实际监控过程中，根据相同工艺条件下实际焊点动态电阻曲线的发展趋 3 占鎏銮鋈盔堂埋土唇班塞拯生 ， 亟= 茎绪鲨 势并与标准动态电阻曲线相比，根据比较所产生偏差的结果，随时调整晶闸管的导 通角对热量进行实时调节，使实际动态电阻与标准动态电阻的变化规律相吻合在允 许的误差范围内。把这种严格按照优质熔核形成规律反馈调节动态电阻下降速率并 自动监控下降幅度是否达到给定阈值的主动调控模式称为动态电阻特性自适应控制 法。该法又称d r c 法。动态电阻法不易受网压波动的影响，而且能补偿电极端部 的压溃变形、压力变化、分流、电流波动、边缘焊接对焊接质量的影响。但它要求 被焊材料要有典型的动念电阻特性。 1 2 2 物理参数点焊质量监控方法 ( 1 ) 热膨胀法1 1 9 嘣】。热膨胀法是指在焊接过程中，把电极位移信号提取出来， 以电极位移量和位移速度为被控制对象，通过控制使其稳定在允许的误差范围之内。 该法又称电极位移法。该监控方法的优点是检测参数与评估参数相关性大，而且对 分流和电极磨损有补偿作用。但其使用条件是相当苛刻的。如对焊件装配质量要求 高、焊件彳i 宜过薄、机臂婴有足够的刚度、活动电极应保持有良好的随动性，对热 膨胀系数小的材料不适用。 ( 2 ) 声发射【2 5 彩1 。焊点两个部分熔核不足、熔核尺寸不够、熔核的脆化或开裂、 以及电极的过多压入等缺陷中的大部分都会产生特有的声发射信号，所以可以用此 方法进行信号处理和质量评估。 ( 3 ) 超声监测 3 “。由于超声波在穿过固体和液体时的衰减以及从固体和液体 表面上反射时的强度不一样，因此可以通过监测超声波的强度来监测熔核的大小。 ( 4 ) 温度监测方法1 。主要包括热电偶和红外辐射监控方法，这是一种基于熔 核温度测量的方法。电阻点焊过程中点焊接头的表面温度可以和熔核中心的最高温 度相联系，因而可以通过工件或电极上安装热电偶测量这些点的温度，然后根据温 度场的分布，推算出熔核中心的温度，或者通过测量熔核附近的金属表面红外发射， 来确定焊点的熔核温度。 在上述的诸多监测方法中，电参数监测应用较广，实现也相对容易，因此可作 为焊接质量监测的主要应用方法。由此可见，寻找和点焊质量有明显对应关系的特 征信息是实现实时监测与控制的关键。 1 2 3 多参数点焊质量监控方法 电阻点焊是一个高度非线性、多变量藕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 3 4 3 6 。影 响电阻点焊质量的因素很多，包括接头设计、材料性能、工艺方法选择、电阻焊设 备的可靠性与稳定性，甚至还包括焊工操作水平和生产环境，这些因素都使得焊接 4 过程复杂程度增加，使质量控制变得非常困难，这就造成焊点质量参数( 熔核直径、 强度等) 无法直接测量，只能通过一些点焊过程参数进行问接的推断，这就极大影 响了点焊质量监测与控制的准确性和可靠性。随詹电阻点焊应用领域的不断扩展和 深人，对焊接质量也提出了越来越高的要求。在早期的点焊实时控制研究中，在点 焊过程有许多过程参数( 即检测参数) 如电极| 日j 电压、动态电阻、电极位移等的变化 可以反映焊点的形成过程，并与焊点质量之| 日j 存在着密切的关系，可以作为质量检 测的依据。但是，这些过程参数与焊点质量之| 日j 的关系却难以用数学公式来清晰描 述。因此，人们往往用某个过程参数的特征量作为焊点质量监控的依据，即采用某 个过程参数的某个特征量来片面描述焊点形成过程。使用中也常常暴露出许多的不 足，其原因在于：这种监控技术主要是依据点焊过程中检测信息的某一特征量与质量 参数之间的一元线形回归模型提供的质量信息来间接地监测焊点质量。由于实际点 焊过程的复杂程度使这种模型与实际对象相距较远，只能在较窄的条件内提供可靠 的质量信息，导致这种技术存在监测效果不够稳定，适用范围有限等问题，严重地 阻碍其迸一步推广和应用。为了克服单特征量监控技术的不足，充分利用各种过程 参数所提供的焊点质量可靠信息，目前，经过较长时间的探索和实践，研究者已获 得以下共识：发展多参量综合监控技术是提高点焊质量的有效途径 3 7 。 在已有的文献当中，文 3 8 利用焊接电流、动态电阻和电极位移等信号的动态 特征参量来表征点焊过程，并采用神经网络方法作为点焊质量的在线评价方法。德 国学者b u r m e i s t 1 将模糊分类用于描述点焊过程的复杂性和非线性，并进行了焊点 质量的等级评估。英国学者m ha o 提出了基于回归分柝理论的铝合会点焊质量多 参数监测方法。该系统可以收集单相交流焊机和逆变焊机点焊过程中的过程数据， 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仲强 度。张忠典“”首先运用神经元网络理论，研究了动态电阻与焊点质量之问的模型关 系，证明了采用神经元网络模型可以在焊接过程中准确地获知焊点质量信息。在此 基础上，提出了点焊质量的评价方法，建立了点焊质量模糊综合评判模型，实现了 点焊质量的多参量综合监测。美国研制生产军用w e l dc o m p u t e r 电阻控制器产品， 能够监制电流、压力、热量等7 个参数，可实现热量的精确补偿，并取得相应专利。 在a w s 国际焊接博览会上，l i v i n g s t e n 公司丌发的c o m p r 0 2 3 0 1 动态焊接监视器可监 测点焊过程中每个焊点的主要参数：电流、电压、计算出的动态电阻、电极位移、压 力等，自动分析并与原先存储的特征值相比较，判断每个焊接点的好与坏，但没有 说明它们的监控原理。到目前为止，发展点焊质量监控技术的难度依然体现在对焊 点质量、熔核尺寸、强度参数等无法直接测量，只能通过一些过程参数进行日j 接地 5 占篷奎鋈盔堂盛土五互盔拯告釜= 茎绪鲨 判断，发展多参数综合检测技术是提高点焊质量监控精度的有效途径。如何充分利 用监测信息，采用合理的建模手段，建立合理的多元非线性监测模型，并使检测模 型能够在较宽条件下提供准确、可靠的点焊质量信息，已成为此技术发展的关键， 也是点焊质量控制领域中长期以来尚未得到圆满解决的难题。国外从2 0 世纪5 0 年 代开始就展开了点焊质量实时控制的研究，8 0 年代以来已向深入研究发展，并提出 了许多典型的点焊质量控制方法，这些方法虽然都有它们各自的优点和局限性，但 是由于适用范围受到严格限制，并不能用于实际焊接生产。目前，国外已经开发出 比较成熟的电阻点焊焊接质量控制器，但是由于替换现有控制器所追加的高额成本， 使得这些产品并不能真正应用于汽车工业的大规模焊接生产。而且，迄今为止国内 仍然没有成熟的实时控制系统。 1 3 电阻焊质量评价与提高途径 为了评价点焊接头质量p ，一般足根掘相应的技术标准和手段进行的，其目的 是确定接头在规定使用场合下，能否达到产品的安全使用寿命而不会提前丧失部分 或全部功能。 在大批量点焊生产中存在的质量问题是相对检验标准而言的，常用的点焊标准 有：g b t 1 5 l l 卜9 4 点焊接头剪切拉伸疲劳试验方法、h b 5 2 7 6 8 4 铝合会电阻焊 和缝焊质量检验、h b 5 2 8 2 8 4 结构钢和不锈钢电阻焊和缝焊质量检验、国际标准 i s o6 8 9 2 ：1 9 9 8 会属材料室温拉伸试验方法等。这些检验标准的目的是确保点焊 接头内不存在超标准的冶金缺陷、焊点熔核尺寸不小于规定标准、熔核达到规定标 准的焊点数目超过规定的百分比，以及接头强度符合设计要求等。 目前，提高电阻焊接头质量的主要途径【3 3 】： ( 1 ) 改进焊接设备，提高设备的可靠性和稳定性； ( 2 ) 采取合理的工艺措施； ( 3 ) 加强点焊工序的监控； ( 4 ) 采用点焊过程中的质量监控技术，提高点焊接头质量。 1 4 研究目标和主要内容 工厂现有点焊控制设备主要通过实现焊接恒流控制来进行点焊的质量控制，对 焊点质量的检测也是离线进行，焊点率较低。通过对国内外电阻点焊质量控制研究 的现状和目前企业点焊设备使用实际情况的分析，本课题研究目的：一是通过分析 影响点焊质量的主要因素，明确点焊质量评价指标：二是丌发一种新型的点焊质量 6 综合监控系统，以保证焊点质量的稳定性，提高点焊合格率，达到降低成本和提高 生产效率的目的。 具体研究内容如下： 第二章结合点焊过程的基本原理，定性分析了影响点焊过程的因素，给出了 点焊质量控制系统的总体构成方案，为后续的研究提供了参考依据。 第三章点焊电源和实时控制器是整个点焊质量实时控制系统的核心和基础。 为了实现上述点焊质量控制目标，本章主要工作是设计丌发一种数字式点焊电源及 点焊控制器，并进行了必要的测试，为后续的点焊质量控制研究提供一个硬件平台。 第四立主要进行了点焊参数工艺实验研究，重点分析了不同点焊参数对焊接质 量的影响，同时分析了点焊参数与电极最大位移的关系以及最大位移与点焊质量之 间的对应关系，为点焊质量控制奠定了实验基础。 第五章主要利用p l s 方法对点焊质量进行了综合评估，分析了不同点焊参数对 焊接质量的影i 响平丌度，获得了点焊质量的各种数据信息，建立了点焊质量回归模型， 为点焊质量的在线评判提供了一种新方法。 第六章对基于气动伺服系统的点焊焊枪驱动控制进行了研究，建立了气动力伺 服系统的模型，设计了系统的滑模控制器，最后对系统进行了仿真研究。 第七章给出了全文的主要结论。 7 2 1 引言 第二章点焊质量控制系统的总体构成方案 众所周知，焊接质量与焊接过程中的参数之白j 存在一定关系，为了更好的控制 焊接质量，首先应该尽可能多的检测到那些与点焊质量有关的参数，其次是找到这 些参数与点焊质量的关系，即提取对象特征信息。由于点焊接头的形成是一个十分 复杂的过程，影响因素繁多。对这些因素进行全面控制来保证焊点强度稳定，无论 在理论上还是在实践上目前都是难以达到的，而在工业生产上有实际意义的方法是： 在确定点焊规范之后，保证同样的材料、同样的结构、相似的表面状态所组成的同 一批零件的焊接强度稳定。基于这样的认识，本项目研究中选择一些对质量有重要 影响囚素作为监控信息量，对其进行研究并得到点焊过棵控制的削掘f 一分必耍，从 而实现点焊过程的质量控制。 2 2 电阻点焊的基本原理 焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的 电阻热进行焊接的方法称为电阻点焊。电阻点焊的焊接循环主要由四个基本阶段组 成( 图2 1 ) 。 h e 甜9 0 n e r a t t o n q j = c u t r e a l i ) 2 r 瓣b 1 5 m ec r ) t 1 m e 釉 图2 - 1 电阻点焊的基本过程 f i g 2 1b a s i cp r o c e s so fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ( 1 ) 预压阶段电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适 当压力。 8 上鎏銮望态主堡土重班塞退誊笙三耋盛釜丛茎丝型丕丝丝盛篷控盛左茎 ( 2 ) 焊接时问焊接电流通过工件，产热形成熔核。 ( 3 ) 维持时间切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。 ( 4 ) 休止时i 日j 电极丌始提起到电极再次丌始下降，丌始下一个焊接循环。 为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环： ( 1 ) 加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。 ( 2 ) 用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅；凸焊时这样做 可以使多个凸点在通电焊接| i 与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。 ( 3 ) 加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。 ( 4 ) 用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大 锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。 2 2 1 焊接热的产出及影响因素 点焊时产生的热量由下式决定： q = 12 r t u )( 2 1 ) 式中：q 一产生的热量( j ) ；i 一焊接电流( a ) ；r 一极问电阻( q ) ；t 一焊接时间( s ) 。 1 电阻r 及影响r 的因素 电极间电阻包括工件本身电阻民，两工件间接触电阻r ，电极与工件间接触电 阻k 。即： r = 2 r + r + 2 8 。 ( 2 2 ) 如图2 2 所示。当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率。因此， 电阻率是被焊材料的重要性能。电阻率高的金属其导电性差( 如不锈钢) ，电阻率低 的金属其导电性好( 如铝合会) 。因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金 时产热难而散热易。点焊时，前者可用较小电流( 几千安培) ，而后者就必须用很大 电流( 几万安培) 。电阻率不仅取决与金属种类，还与会属的热处理状态、加工方式 及温度有关。 9 图2 - 2 电极闷电阻构成的因素 f i g 2 2r e s i s t a n c ef o r mf a c t o r sb e t w e e nt h ee l e c t r o d e 接触电阻存在的时问是短暂的，一般存在于焊接初期，由两方面原因形成： ( 1 ) 工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻 碍。过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。 ( 2 ) 在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面 的局部形成接触点。在接触点处形成电流线的收拢。由于电流通路的缩小而增加了 接触处的电阻。电极与工件间的电阻与r 和风相比，由于铜合会的电阻率和硬 度一般比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。 2 焊接电流的影响 从公式( 2 - 1 ) 可见，电流对产热的影响是平方关系，比电阻和时间两者都大。 因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。 引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。阻抗 变化是因为回路的几何形状变化，或因在次级回路中引入了不同量的磁性金属。 3 焊接时间的影响 为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补 充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间( 强条件，又称硬规范) ， 也可采用小电流和长时日j ( 弱条件，也称软规范) 。 选用硬规范还是软规范，取决于会属的性能、厚度和所用焊机的功率。对于不 同性能和厚度的金属所需的电流和时| 日j ，都有一个上下限，使用时以此为准。 4 电极压力的影响 电极压力对两电极问总电阻r 有明显的影响，随着电极压力的增大，r 显著减小， 1 0 但电流增加而使产热递增的幅度并不大，解决的办法是在增大焊接压力的同时，增 大焊接电流。但电极压力过大，容易在焊接过程中将液态会属挤到熔核周围，反而 使点焊质量降低。 5 电极形状及材料性能的影响 由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量 的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。随着电极端头 的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。 6 工件表面状况的影响 工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚 至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。 氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。 囚此，彻底清理：l 件表面足保证获得优质接头的必要条件。 2 2 2 热平衡及其散热 点焊时，产生的热量只有一小部分用于形成焊点，较大部分因向临近物质传导 或辐射而损失掉了，其热平衡方程式： q q 1 + q 2 ( 2 3 ) 其中：q 1 一形成熔核的热量、q 2 一损失的热量。 有效热量q 1 取决于会属的热物理性能及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关。 q 1 = 1 0 3 0 q ，导热性好的金属( 铝、铜合金等) 取下限；电阻率高、导热性差的 金属( 不锈钢、高温合金等) 取上限。损失热量q 2 主要包括通过电极传导的热量 ( 3 0 一5 0 q ) 和通过工件传导的热量( 2 0 q 左右) 。辐射到大气中的热量( 5 左 右) 。 2 3 点焊质量恒流控制系统存在的问题及其分析 随着电阻焊应用领域的不断扩展及深入，对焊接质量也提出了更高的要求而实 际生产中不可避免地存在网压波动、分流、焊接回路阻抗变化、电极磨损等于扰因 素，都会影响焊接质量。目前，欧洲及日本的各大汽车公司几乎均采用交流点焊恒 1 1 流控制技术，根据焊接规范来进行点焊质量的间接控制，恒流控制仅构成一个质量 内环控制，由于没有引入焊点质量信息，从质量控制的角度来看，恒流仅局限于质 量丌环控制，还无法对点焊过程直接进行控制。具体来讲，所谓的恒电流控制是指 焊接变压器次级回路中保持焊接电流有效值稳定在一定范围内，并非指形成焊点的 电流恒定。它对影响次级回路的电流参数的因素比较敏感，能够给予补偿如电源电 压波动、板材厚度变化次级回路中阻抗变化等；对电阻负载焊件厚度影响和感抗负 载焊件伸入焊机次级线圈的长度影响的监控精度达到了2 的指标，且在电源电压下 降3 0 后仍有满意的补偿能力。 然而，恒电流控制对电流的分流、电极头磨损及材料表面状态的变化等与变压 器次级回路中焊接电流无关的影响因素不够敏感，补偿作用较差。在大众汽车二厂 车身车间的s a n t a n a2 0 0 0 3 0 0 0 焊装线上的电阻点焊控制器m e d a r 2 0 0 s 均采用恒电 流控制技术。实际统计数掘表明，在整车的5 0 0 0 个左右焊点中，大约有5 点并没 有达到预期的质量要求”“，这是一个相当丈的数目。 具体造成这么多焊点出现不合格情况的原因，经过分析主要有以下几种原因： 1 在工件上的焊点比较集中的时候，由于点与点之l b j 的距离较近，所以容易出 现分流的影响，而恒流系统并不能实时检测到焊点电流密度的减小，所以造成了焊 点熔核变小，强度不够。 2 随着工位上焊枪焊的点数的增多，电极磨损越来越大，而在电极压力不变， 接触面积变大的情况下，也造成了电流密度变小，焊点强度变小的结果。 3 其它一些原因如板材的性能变化引起需要的电流不同，而恒流系统又不具有 实时调节焊接电流功能，也会造成焊点质量不合格的情况。 由于上述原因，焊接过程中设定的焊接电流并不能保证焊点质量良好，因此工 厂往往只能依靠增加焊点数来保证整车的质量。这样既增大了电极的磨损率，也浪 费了大量的工时，所以有必要寻求一种更加有效的质量监控技术，一方面能够实时 反应焊点质量，另一方面还可以更有效的保证当前焊点的质量，尽可能的提高焊点 的合格率。 2 。4 点焊质量控制系统的总体构成方案 如上所述，结合当| j 电阻点焊设备的状况来看，目前需要解决的主要问题是如 何提高生产效率及焊接质量的稳定性；如何节约能源等。由于电阻焊大电流、短时 间的焊接工艺要求以及焊后难于进行接头无损检测的特点，要求其控制设备功能强、 控制精度高，响应速度快、可靠性高，通常必须具有以下功能： ( 1 ) 可靠且与网压同步地接通和切断焊接主回路的电流； 1 2 ( 2 ) 可方便地调节焊接电流的波形和大小； ( 3 ) 控制焊机完成规定的焊接循环，并可调节各程序段的时间： ( 4 ) 对要求严格控制焊接质量的焊机还可实现规范的自动调整和焊接质量监控。 由于金属在点焊过程中受到焊接电流的加热，产生体积膨胀，特别是金属熔化 变成液态后，体积明显增大。但是熔化了的金属为冷态会属包围，膨胀困难，而在 熔化金属焊点的上下方，其外围固态会属很薄，因此只能够沿着这一方向上膨胀， 数千n 的电极力不足以遏止焊点的膨胀力，因而电极发生移位( 如图2 3 ) 。焊点受 热强烈则电极移位量就大，因此，电极位移量的大小是焊点会属熔化量多少的度量， 也就是焊点熔核尺寸的度量。 通电电流 膨胀 删p 坦 d 嚣 龄 毯 图2 - 3 基于熔核热膨胀产生的电极位移 f i g 2 3e x p a n dd i s p l a c eo fn u g g e t 电极位移曲线由加热膨胀阶段和冷却收缩两阶段组成，在被焊会属受热膨胀的 早期阶段，在焊接时间的前二周内电极没有明显的位移，自第三局后电极爿产生明 显位移，一般焊接电流越小，板材厚度越大，则电极位移的时刻越推迟。位移曲线 的膨胀阶段基本为一直线，若焊接时间加长会出现转折变成为折线。焊接电流结束 后，焊点会属冷却体积收缩，位移减小，形成位移随时间呈指数关系下降曲线。对 某些金属，在金属快速冷却位移急速下降后，会出现一个较平稳的阶段。依上述电 极位移曲线的特征可知，