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电阻点焊熔核形成过程的数值模拟 摘要 从2 0 世纪6 0 年代起，电阻点焊的数值模拟研究方法一直在不断改进，但列 于其中一些问题至今尚未得到满意的解决，比如电热力的耦合分析、接触电阻的 处理方法以及焊接中接触面积变化明显的球形电极电阻点焊。本文就此展开工作， 在对接触电阻进行分析的基础上，以有限元软件a n s y s 为平台，建立球形电极电 阻点焊的电热力耦合模型，并得到试验验证，较详细的研究和讨论了球形电极电 阻点焊的形核机理及其影响规律。 所建模型包括电极头为球形的结构模型和电极一工件之间由小到大不同接触 面积的多个电热模型，结构模型用于模拟电极和工件在整个焊接过程包括预压、 焊接及冷却阶段的变形情况；电热模型用于模拟通电焊接过程的产热情况。 通过结构模型预压过程的数值分析，得到通电过程的初始接触条件。模拟结 果表明：电极与工件之间接触而的径向应力较大，工件之间接触中心的轴向应力 较大：一般情况下，各接触面的面积大小及接触压力分布的均匀程度与电极头球 面半径、板厚及电极压力成正比例关系；在电极一工件接触面边缘处，锥形电极 较球形电极更容易出现应力集中现象。 电热力耦合分析以较小的时间步循环进行：根据预压分析或各时间步结构模 型分析得到的电极与工件之间接触面积调用电热模型，两工件之间的接触面积采 用生死单元技术处理，将每时间步计算得到的各节点温度加载到结构模型中进行 重启动分析，得到该时刻的接触情况继续循环。尝试利用实测信号对接触电阻值 进行处理，并用于温度场的计算。通过试验验证证明整个电热力模型耦合的合理 性以及结果的准确性，同时说明接触电阻值确定方法是可行的。模拟结果还表明： 通电瞬间电极端面温度高于工件之间接触区温度，随后工件之间中? 山温度很快超 过电极端面温度，当熔核长大到一定程度时，熔核中心温度升高不明显；在焊接 过程中电极与工件之问的接触半径逐渐增加而工件之间的接触半径则在前期迅速 减小后缓慢增加；熔核周围为高温塑性金属所包围，发生的轴向塑性变形由负值 过渡到正值，工件之问接触区焊接到一起，形成封闭熔核的塑性金属环；电极压 力对熔核形成过程的影响很明显，随着电极压力的增加，接触面积增大，动态电 阻减小，温度上升速度下降，所达到的最高温度值也相应下降。 将实际采集的动态电极位移信号和焊接电流作为载荷加载到热力耦合模型 中，通过计算得到相应的与焊接质量密切相关的熔核信息，作为一种在线检测系 统的初步探讨。 关键词：电阻点焊：数值模拟；球形电极：有限元分析 v 硕士学位论文 a b s t r a c t f r o ml9 6 0 s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gh a d b e e nc o n t i n u a l l yi m p r o v i n g ，b u tu pt on o ww eh a v e n 。t g o tas a t i s f a c t o r ys o l u t i o nt o s o m ep r o b l e m s ，s u c ha sb o wt ob u ij dt h ee l e c t r i c a l - t h e r m aj s t r u c t u r a lc o u p l e dm o d e i ， h o wt od e a lw i 也t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ea n dh o wt os i m u l a t et h ep o l e sc h a n g i n gc o n t a c t a r e aw i t hd o m e s h a p e de l e c t r o d es p o tw e l d i n g t h i st h e s i s sw o r k sh a y eb e e ng o i n go n w i t ht h o s ep o i n t s b a s e do nc o m m e r c i a in n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，d i s s e c t i o no f c o n t a c tr e s i s t a n c e an e wm e t h o dt od e t e r m i n et h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei sr a i s e da n dt h e e l e c t r i c a l t h e r m a l s t r u ct u r a lc o u p l e dm o d e lw i t hd o m e s h a p e de l e c t r o d ei sb u i l ta n d t e s t e dp r a c t i c a l l yb ye x p e r i m e n t s t h en u g g e tg r o w t hm e c h a n i s ma n dt h en a t u r er u i e s a r es t u d i e da n dd i s c u s s e dm o s tt h o r o u g h l y i nt h i s s t u d y as t r u c t u r a lm o d e lw i t h d o m e s h a p e d e l e c t r o d ea n d a n y e l e c t r i c a l t h e r m 旦1m o d e l sw i t hd i f k r e n tc o n t a c ta r e ab e t w e e ne i e c t r o d ea n dw o r kp i e c e a r eb u i l t t h es t r u c t u r a lm o d e li su s e dt os i n 】u l a t et h et r a n s f b r m a t i o no fe l e c t r o d ea n d w o r kp i e c ed u r i n gt h ew h 0 1 ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h ee l e c tr i c a l 一t h e r m a im o d e l sa r e u s e dt os i m u l a t et h ec h a n g i n gt e m p e r a t u r ef i e l d a f t e rs i m u l a t et h ep r e - s q u e e z ep r o c e s sw i t hs t r u c t u r a lm o d e l ，t h ei n i t i a lc o n t a c t c o n d i t i o no ft h ew e l d i n gp r o c e s si sg i v e n t h er e s u ns h o w ：t h el a r g e rr a d i a ls t r e s si s a p p e a r e do nt h ei n t e r f a c eb e t w e e ne l e c t r o d ea n d w o r kp i e c ea n dt h el a r g e ra x i a ls t r e s s o nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt w ow o r kp i e c e s g e n e r a l l y ，c o n t a c ta r e aa n dt h eu n i f o r m i t y c o e m c i e n to fc o n t a c tp r e s si sp r o p o r t i o n a it ot h es p h e r er a d i u so ft h ee l e c t r o d e ，t h e t h i c k n e s so ft h ew o r kp i e c ea n dw e l d i n gf b r c e ；s t r e s sc o n c e n t r a t i o ni se a s i e ra p p e a r e d a tt h ee d g eo ft h ee l e c t r o d e w o r k p i e c ei n t e r f a c ew i t hc o n e s h a p e de l e c t r o d et h a n d o m e s h a p e de l e c t r o d e t h ee l e c t r i c a l t h e r m a l s t r u c t u r a lc o u p k da n a l y s i si n g o i n go nw i t hs m a nt i m e s t e p t h ec o n t d c ta r e ab e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r kp i e c ea r eo b t a i n e df r o mp r e s q u e e z e a n a l y s i so rt h e r m a l 一s t r u c t u r a la n a l y s i sa te v e r yt i m es t e p ，a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n g e l e c t r o d e t h e r m a lm o d e li ss e l e c t e da n du s 邑di nc u r r e n tt i m es t e d t h ec o n t a c tb e t w e e n t w ow o r k p i e c e s i st r e a t e db ye l e m e n tb i r t ha n d d e a t h ， a f t e rc u r r e n t s t e p o f e l e c t r o d e t h e r m a ia n a l y s e s ，t h es t r u c t u r a lm o d e li ss e l e c t e d ，r e s t a r t e da n dl o a d e dw i t h e v e r yn o d e st e m p e r a t u r e ，a f t e ro n et i m es t e p sc a l c u l a t i o n ，t h ec o n t a c tc o n d i t i o ni s g i v e na n du s e dt ot h en e x tt i m es t e p t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e db a s e do nt h e s i g n a l sc o l l e c t e dd u r i n gw e l d i n gp r o c e s sa n du s e di nt h ee l e c tr i c a l t h e r m a lc o u p l e d v 电阻点焊熔核形成过程的数值模拟 a n a i y s l s i h er e s l l l t s 1 1 0 w ： w h e nt h ee l e c t r i cl sl o a d e d w l t hav e r yl i t t l et l m e ，t h e e l e c t r o d e t i p st e l n p e l 。a t u r e i s 1 1 i g h e r t h a nw o r k p i e c e s i n t e r f a c e b u ts o o nt h e t e m p e r a t u r ea tw 0 1 kp i e c e s i n t e r f a c e si sa s c e n ta 1 1 d1 1 i g h e rt h a nt h ee l e c t r o d et i p s t e m p e r a t u r ew h e nt h en u g g e tg r o w st oac e n a i nd e g r e e ，t h et e m p e r a t u r ea tt h em i d d l e o ft h en u g g e tr i s e sv e r ys l o w l y a tw e l dp r o c e s st h ec o n t a c tr a d i u so ft h ee l e c t r o d ea n d t h ew o r kp i e c ei n c l e a s eg r a d u a 】1 yb u tt h ec o n t a c tr a d i u so ft 1 1 ew o r kp i e c e sd e s c e n d v e r yq u j c k l yi nt h ee a r l i e rp e r i o da n dt h a ni n c r e a s es l o w l yt h en u g g e ti ss u r r o u n d e d b yp l a s t i cm e t a l sw i t hh i g h t e m p u r a t u r e ，t h ea x i a lp l a s t i cd e f o r n l a t i o ni sg r a d u a l l y d e s c e n tf r o mn e g a t i v ev a l u et op o s i t i v e ，t h ec o n t a c to ft 1 1 ew o r kp i e c e sa r ew e l d c d t o g e t h e ra tc o n t a c ta r e aa n dap 【a s t i cm e t a l “n gi sf o r m e dt om a k et h en u g g e le n c l o s l l r e d u r i n gt h en u g g e tf o r n l a t i o np r o c e s st 】1 ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o d ep r e s s u r ei sg r c a t l y ， a l o n gw j t ht h ei n c r e m e n to ft h ee l e c t r o d ep r e s s u r e ，t h ec o n t a c t a r c ac n l a r g e s ，t 1 1 e d y n a m i ce l e c t r i cr c s i s t a n c ed e c r e a s e s ，t h et e m p e 王a r u r e sh i 曲e s tv a l u ea n dr i s i n gs p e e d d e s c e n dc o r r e s p o n d l n g l y a sap r e l i m i n a r ys t u d yo fao n l i n e q u a l i t yt e s t i n gs y s t e m ，t h es i g n a lo ft h e e l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ta n dw e l d i n gc u r r e n ta r es a m p i e dp r a c t i c a l l yd u r i n gw e l d i l l g p r o c e s sa n dl o a d e dt ot h ee l e c t “c a l t h e r m a i ，s t r u c t u ra im o d e lt os i m u l a t et h ew h ol e w e l d i n gp r o c e s s ， t h ec o r r e s p o n d i n gi 1 1 f o r m a t i o no ft h en u g g e tw h i c hh a v eac l o s e r e l a t i o n s h i pt ot h ew e l d i n gq u a l i t ya r eo b t a i n e d k e y w o r d s ： r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g ； n u m e “c a l s i m u l a t i o n ；d o m e - s h a p e d e l e c t r o d e ：f i n i t ee 1 e m e n tm o d e l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果山本人承担。 作者签名 别壹兢 日期：p 。缉6 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保田、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 别是犯 形留丫 日期：钞缉 日期：d6 年 占月3 日 6 月7 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 电阻焊( r e s i s t a n c ew e l d i n g ) ，是工件组合后通过电极施加压力，利用电流通 过接头接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，主要由点焊、凸焊、缝 焊、电阻对焊及闪光对焊等组成。其中电阻点焊由于具有能量集中、变形小、辅 助工序少、无须填加焊接材料、生产效率高、操作简便和易于实现自动化的特点， 特别适宜于焊接形状复杂的零件和薄壁零件，而且便于实现自动化批量生产，故 越来越广泛地应用于航空、航天、制造工程、电器工业、汽车制造等行、肚生产中。 然而由于点焊自身的特点使其在重要结构的应用受到制约。 电阻点焊的焊接过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确 定因素存在的过程。焊接规范参数的设定、接触面的表面状态、电源的稳定性及 工作环境等都会对焊接质量产生影响。由于点焊的形核处于封闭状态，使熔核尺 寸无论是在焊接期问还是在焊后都无法直接观测到，质量信息的提取比较困难： 点焊的形核、凝固时问极短，刚时要求特定而又精确的温度场分布，焊接条件短 时间的波动就会造成严重的后果，出现裂纹、缩孔、疏松、偏析、深度压痕、喷 溅乃至虚焊、漏焊、弱焊、烧穿等缺陷，这是造成点焊质量难以控制的主要原因【1 】， 因此点焊的质量监控在实际生产中是必不可少的。目前对点焊的研究主要分为以 下两个大的方面：从焊接过程中采集一种或多种动态或静态信息，与质量参数建 立某种映射模型或反馈控制模型，实现对点焊质量的离线检测或在线监控：通过 数值模拟的方法使点焊熔核形成过程中的电，热，力，磁等各种场再现，通过分 析这些场变量与焊接质量影响因素的关系，对焊接过程有更清晰的认识，为提高 焊点质量提供理论指导。 国内外的点焊质量监控方法很多，而且已经达到较高的水平。但是对焊接物 理过程和点焊熔核的形成机理还有待于更深的了解，本论文采用数值模拟的方法 对熔核形成过程进行研究，并尝试将实测信号用于数值模拟中。 点焊过程数值模拟的意义在于： ， ( 1 ) 通过模拟研究点焊质量的影响因素及其影响规律，更好的指导实际生产， 为提高焊接质量和优化焊接工艺准备了一定的理论依据。尤其对于新采用 的焊接材料，理论研究将会节省大量试验材料。 ( 2 ) 对点焊电极受到热和力的作用程度模拟，得出其影响因素和规律，对于如 何延长电极寿命有一定指导意义i2 1 。 ( 3 ) 通过不断的优化模型以期更加精确的对焊接过程进行模拟，将实测信号用 电阻点焊熔核形成过群的数值模拟 于模型中，探讨采用数值模拟的方法实现在线或离线的质量监控，对目前 采用的破坏性质量检测提出新的挑战。 1 2 点焊质量的影响因素 1 2 1 焊前状态对点焊质量的影响 电极是电阻点焊中最重要的组成部分之一，也是电阻焊中工作环境最复杂的 部分之一。电极之所以重要，是因为它在电阻点焊中扮演“通道”的角色，其主 要的功能是传输电流、对工件施加压力和迅速导散焊接区热量，故它的工作状态 直接影响着焊接质量，并且也影响自身的使用寿命，如当电极发生粘附或上下电 极没有对中时可能引起接触丽的喷溅和过烧。电极工作状态包括上下电极的对中 性、有夹角、电极本身的磨损等。 焊件的表面状态及接触条件直接影响接触面的接触电阻大小和电流场的分 布，对析热与散热有重大的影响，对电极的寿命也有影响。这里的表面状态是指 焊件表面及电极头的表面是否有尘土、油污、水分、氧化膜或其它脏物，避免表 面的接触电阻急剧增大，并在很大的范围内波动，焊接时造成表面喷溅、烧伤等 焊接缺陷。当焊接：i ：作区离工件边缘的距离太近或者焊件之间有夹角时，将会为 内部喷溅提供便利条件。l iw e i ，c h e ns h a o w e i 等人利用统计模型对上述异常条 件下焊点质量进行了预测，结果表明这些异常的焊接条件明显的影响熔核的尺寸， 从而引起焊点质量的剧烈变化，同时指出在某些特定的情况下，异常工作条件也 许相互作用可能得到质量合格的焊点1 3j ，这也从一个侧面反映出点焊焊接过程的复 杂性。 1 2 2 规范参数对点焊质量的影响 点焊的基本规范参数有焊接电流i ，焊接时间，电极力f 及电极工作端面尺寸。 他们决定焊接过程中金属加热和塑性变形参数。 在其他规范参数一定的情况下，焊接电流过小可能未熔合，过大则会产生喷 溅。电流的脉冲形状及波形对焊接质量也有一定影响。从工艺上考虑，焊接电流 波形陡升与陡降时，会因加热、冷却速度加快引起飞溅或在熔核内部产生收缩性 缺陷：而具有缓升和缓降段的电流脉冲和波形，有预热和缓冷的作用，可有效的 减少或防止飞溅与内部收缩性缺陷。 焊接时间同时影响析热和散热，配合其他规范参数以达到所需要的焊接质量。 电极力影响点焊接触电阻和焊件内部电阻，即影响热源的强度与分布，同时影 向电极散热的效果和焊接区的塑性变形。 电极端面及电极本体的结构形状、尺寸和冷却条件影响熔核几何尺寸与焊点 强度，为了提高焊接质量的稳定性，对电极口角有一定要求，一般在9 0 1 4 0 度 硕士学位论文 之问。 1 3 点焊质量监控技术的国内外研究现状一 随着电阻焊 i 艺的应用越来越广泛，对接头质量也不断提出更高的要求。在 大批量生产中，常常采用的有损或无损抽样检查的方法，以试样( 或部分焊件) 的熔核直径及缺陷代表某一批实际产品的熔核质量。由于抽样检验存在一定的j l 率，不能代表同一批全部产品，升i 能完全保证产品的质量，也浪费了大量财力和 人力，因此采用电阻焊的质量控制技术是很有必要的【4 】。事实上，由于点焊工艺运 用的广泛性、重要性和具有代表性，点焊质量控制技术始终是电阻焊领域研究的 前沿和热点。 众所周知，点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确 定因素的过程，具有形核过程时间极短、处于封闭状态无法观测、特征信号提取 困难等自身特点。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( 焊接电流、电极间电压、动态电阻、能量、热膨胀 电极位移、声发射、红外辐射和超声波等) 进行间接的推断，这就极大影响了点 焊质量监控的准确性和可靠性。经过较长时间的探索和实践，研究者已获得如下 共识：发展多参量综合监测技术是提高点焊质量监控精度的有效途径，即充分利 用监测信息，采用合理的建校手段，建立合理的多元非线性监测模型并使该模型 能在较宽条件内提供准确、可靠的点焊质量信息是质量控制技术关键。研究表明， 利用神经元网络理论、模糊逻辑理论、数值模拟技术及专家系统等可望解决真正 的点焊质量直接控制，将点焊质量控制技术的研究推向一个新高度。 1 3 1 质量监控信号 1 电极间电压 电极间电压是焊接过程中的重要参数之一，能够反映出点焊过程中金属固液 态转变的过程，能反映出电源电压波动，焊接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”。点焊过程中，金 属在焊接电流焦耳热的作用下熔化，断电后随之冷却、凝固，这一过程中，焊接 区的电导性和回路阻抗都在变化，因此电极间电压按照一定的规律在变化。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 息源，电压监控方法有多种方式：电压积分法、电压差值控制法、电压变化率法 以及最大电压值法等等，目前主要使用的是前两种。 对于不同的材料有不同的规律，但精密测量电极间电压有困难，因为焊接电 流通过时产生的强磁场，使感应电动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，若距离电极头较远，则不能测量到真实的电极 电阻点焊熔核形成过程的数值模拟 间电压值，焊点有喷溅时也影响电压的测量，很多的研究者都意识到这个问题， 但是并没有提供一个有效的数学模型去定量预测电极问电压。 2 焊接电流 焊接电流是f 电阻点焊焊接过程中最重要的信息，它是电阻点焊实现焊接的根 本因素，熔核的形成正是依赖“电能一热能”的转变才得以实现，因此焊接i 电流 可作为质量监控的刺蒙。但是检测焊接电流比较困难，因为焊接电流很大并且焊 接电流为非正弦波形，多有畸变。，近1 0 余年的研究认为，当焊接时间和电极力保 持不变时，焊点熔核大小与焊接电流有效值密切相关，般与焊接电流峰值无关。 焊接电流，焊接时间，电极压力是电阻点焊三个重要的规范参数。常认为，当电 极压力和焊接时间定时，保持焊接过程中的焊接电流稳定，即可保证焊点的输 入热量，从而保证焊点的熔核尺寸，确保焊接质量。因此以电流作为直接控制对 象是比较普遍的。 国内有学者【5 l 提出电流上升率和熔核的成长之间的关系，因为电流的上升率决 定着加热速度，继而决定着塑性环和熔核的成长过程，若电流的上升速度过快易 造成飞溅，上升速度慢，这样热影响区宽，造成焊点拉剪强度不稳定，抗疲劳性 下降。有人通过控制电流曲线的某些特征参量和晶闸管导通角等对整个点焊过程 进行控制，取得了较满意的效果1 6 4 。 3 动态电阻 点焊过程中，焊件一焊件和电极一焊件的接触状态、焊接温度场及电场都在 不断地变化j 因此引起焊接区的电阻也在不断变化。描述焊接过程中电阻变化的 曲线叫做动态电阻曲线。动态电阻对焊接热量的波动、表面的状态、压力的波动、 分流、电极直径的磨损、铁磁性物质伸入等影响因素的变化有较灵敏的反映，可 以直接真实的反映点焊熔核的形成过程。 研究表明oj 动态电阻的变化主要是被焊工件的电阻受焦耳热盼影响，当然也 包括复杂的接触电阻，如电极和工件之间、工件和工件之间的接触电阻。也有研 究人员1 认为动态电阻主要的改变部分是来自于材料本身而不是接触电阻。实际 应用中有学者利用动态电阻变化的反馈信号来控制焊点的质量，j o h n s o n 【l2 j 设计的 利用反馈的动态电阻下降率与正常焊点的电阻下降率比值柬控制通电的时问， c h o y 和r h e a 另辟蹊径m 14 】一反常规的利用次级线圈测量动态电压、电流来获得 动态电阻，通过测量初级线圈的电压、电流经过处理来近似的反映次级线圈的动 态电阻，并利用回归模型和神经网络对电焊接头质量进行了预测，并陈述了这种 监测动态电阻方法的可行性及优点。吉林大学的李桂中、徐国成l l 副等人利用 d r c ( 动态电阻特性的英文缩写) 对低碳钢点焊过程进行了自适应控制，克服了简单 的阂值法监控机制的不足，将消极等待变成了对全过程的热量进行主动调控，热 量调控的依据是给定的d r c 曲线，其关键技术是如何确认最优动态电阻特征。 硕士学位论文 s a r i h 分析了铝合金焊接过程中电阻成份与熔核尺寸之间的估计关系j ，由于动 态电阻综合考虑了电流、电压因素，和喷溅缺陷有一定的相关性。 4 电极位移 电极位移曲线由加热膨胀和冷却收缩两阶段组成。在点焊过程中，金属受焊 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，熔 化的金属四周有固态金属的包围，膨胀困难，而在熔化金属焊点的上下方，其外 围的金属很薄，因此只能延这一方向膨胀，于是克服电极力而使电极产生位移。 电极位移的大小是金属熔化量多少的度量。当焊点由于加热过大时，熔核直彳垒超 过规定值，以致会出现喷溅、过烧、压痕过深等缺陷，此时焊接规范再增大，则 易产生早期的喷溅，破坏了焊接过程。 各种焊接参数与电极位移的关系如下：( 1 ) 焊接电流增大时，焊点的加热程度 增加，熔核增大，电极位移相应的增加。( 2 ) 焊接时间是能量的积累，时间长刚， 焊点的加热过程增加，熔核相应的增大，电极位移也增加，但是焊接时间的增加 并不能改变电极位移的初速度。( 3 ) 电极力的增加，电极位移的初始速度和最大的 位移量相应的减小，熔核直径也减小，但是当电极力增加时焊接电流会增加，可 见测量电流的大小不能反映由于电极力变化而引起的电极位移变化。 工艺因素对电极位移的影响：( 1 ) 电流分流对电极位移的影响：有分流时，+ 熔 核尺寸会减小，电极位移相应的也会减小。( 2 ) 电极头磨损的影响：电极头的磨损 造成电极的工作面直径增加，导致电流的密度减小，这样熔核的直径也会减小。 ( 3 ) 电源电压波动的影响：电压波动主要造成焊接电流的变化，从而影响了熔核直 径的大小。( 4 ) 材料厚度的影响：点焊规范不变条件下，电极位移曲线随板材厚度 的增加而增加，这是因为向电极散热的减小而造成的，但当板厚增加到一定程度 的时候，径向的散热增加会使熔核的直径减小。( 5 ) 焊点边距的影响：当边距太小 时，由于膨胀向边缘发展，使得电极位移损失，边距越小损失越多。 热膨胀电极位移曲线能反映焊接规范和焊接条件变化对焊点熔核形成的影 响，进而能够反映焊点熔核的形成过程，信号测量简单，且对多种质量影响因素 具有补偿作用【 】。南昌航空工业】大学利用热膨胀电极位移点焊质量监控系统可 以补偿网压波动、回路阻抗变化、分流等多种因素的干扰，实现点焊过程的质量 监控。 5 电极力 电阻点焊焊接的整个过程都必须依靠电极力压紧工件，并且电极力影响焊接 区的接触电阻和内部电阻以及热源强度的分布，同时也影响电极散热效果和焊接 区的塑性变形，所以电极力是伴随着整个熔核形成过程非常重要的焊接条件。在 焊接过程中，焊点的热胀冷缩等产生的附加力、焊机压力传感机构的摩擦力、惯 性力等的变化使得真实的电极压力有动态特性。密歇根州( 美国) 大学的h t a n g ， 5 电阻点焊熔核形成过程的数值模拟 w h o u 等人指出点焊过程中恒定不变的电极力也许得不到好的焊点质量，在相同 的焊接电流和焊接时间下，适当的选择“锻压力”大小可以得到好的焊接质量i i 。 电极力是影响电极寿命的重要因素之一，它对动态电阻的影响也很大，因此当焊 接电流和焊接时问恒定的情况下，焊接区热量主要受到电极力的影响弘。 在2 0 0 3 年汽车焊接国际论坛会议上，北美的学者在介绍北美在汽车制造航天 及相关工业领域焊接技术时，提到了利用焊接过程中的热力反馈现象是电阻点焊 质量保证的一种新的方法【2 ，实际上热力反馈是由于焊接区金属受热膨胀克服约 束而产生的力学现象，系统在熔核形成整个过程每半个周波监测电极力，利用这 个信息反馈控制，从而得到好的焊接质量。 电极力与喷溅缺陷的产生有密切的关系，实践证明采用阶梯形电极力可以避 免产生焊前喷溅和熔核的内部收缩。l jw e i 设计了一种算法通过电极力信号的特 征来监测飞溅的产生，指出喷溅产生时电极力动态信号与正常焊点的动态信号相 比有明显的畸变“。 6 超声波 点焊质量的超声波监控技术是根据超声波在金属介质中传播的特性，利用界 面的反射或者穿透焊点熔核的声波衰减的程度来判断焊点质量好坏的一种技术。 超声检测由于其自身的特点，使得它在很多领域特别是焊接结构的检测中得到了 厂+ 泛的应用。生产实践证明，改变焊接规范，熔核尺寸变化时，超声波的w 波形 相应的发生变化。对点焊超声波波形的特征分析表明，优良焊点的波形和焊点熔 核直径偏小或过大、未焊透以及有裂纹、缩孔、飞溅的焊点的波形特征有明显的 差别。b i u m e n t “t t n o r b e r t ， b o s c hr e x r o t h a g 2 3j 利用超声传送技术在线控制点 焊质量，通过超声波有节奏的振动，反映熔核的质量。由于焊接缺陷的复杂性， 到目前为止缺陷回波的最佳特征提取与选择，以及识别的可靠性问题尚未得到满 意的结果。 用超声波监测的方法得到w 形的超声信号。用“w ”波形各特征点的值作为 输入参数焊点强度或熔核尺寸作为输出参数去训练人工神经网络，可建成点焊 质量的监测模型。但特征值的选取和处理对人工神经网络的映射效果( 监测精度) 有很大影响。荷兰和同本有学者从“w ”波形中提取了不同的特征，用于点焊质 量检测系统，均得到较好的结果2 4 2 5 】。 7 声发射 声发射是材料在动态过程中产生的应力波，指固体材料在塑性变形、相变或 断裂时，能量快速释放而产生一种应力波的物理现象。这一特点可使观察者根据 缺陷所发射应力波的特性以及诱发应力波的外部条件，了解缺陷的状态，推知其 发展过程，预测其发展趋势。声发射技术是五六十年代发展起来的一种新型检测 技术，在焊接领域中，首先用于焊接检验，特别是压力容器焊缝的检验与使用过 6 硕二e 学位论文 程中的监控。到7 0 年代出现了用于电阻点焊过程中质量监控的专利报道。到7 0 年代后期各国都在积极开展点焊质量声发剩监控技术的研究1 2 6 】，目前已取得较大 发展。在焊接过程中产生声发刺的信号源有：电弧、金属的熔化、凝固、相变与 塑性变形、焊缝中的气孔、缩孔、夹渣、裂纹以及喷溅的形成等。这些声发射源 必然产生不同能量频率的声发射信号。用电子仪器按一定的时序记录和分析不同 幅值、不同频率的声发射信号，根据不同时域内声发劓信号的能量或震铃计数， 则可鉴别点焊质量。c h i e ncs 利用多传感器信号融合的方法设计点焊的雌测系 统，声发射传感器是一个重要的组成部分【”j 。h s u t u n 2l e e 等人【2 8 】采用声音扫描 显微镜对熔核进行了在线检测，将儿何参数保存并进行数学处理，提取熔核丽积， 最大和最小熔核直径作为神经网络的输入参数，熔核剥离实验结果和专家意见( 好 或坏) 作为输出，其特点是将熔核的内部信息检测到并作为质量监测的依据，测 试结果表明可以应用到实时在线监测并立即反馈到控制系统。 8 色环 人们发现焊点表面存在有色环，而且与焊点的质量有很大关系。贵阳电机厂 的孙启政分析了焊点脱落的原因主要是焊核形成的状态，而焊点形核的大小主要 取决于电极工作面大小，焊核的优良关键由热量的集中性决定，两者共同决定焊 接热影响区的分布，对应在表面产生热影响区色环。焊点表面白亮色环形成原因 是焊点在结晶的过程中采用了必要的锻压，铜极材料的电极受到了流动水的良好 冷却，其导热性好，散热能力强，使焊接处与电极接制 的周边冷却快，焊件在此 处产生了冷却收缩而使两板靠近焊核处形成了间隙，加强了空气的冷却，形成了 马氏体组织。因此，焊核的周边出现了发亮的白圈。可以用焊接过程中形成的白 亮色圈与焊后形成的热影响区色圈及其中的白亮色圈作为点焊质量的两个宏观控 制点，双向控制点焊焊接的质量，确保其可靠性1 2 9j 。德国d o r t m u n d 大学的l a r s h i l d e b r a n d 研究了焊点表面的色环，将其颜色按其色素，亮度和纯度进行模糊分 类，通过不同焊点色环的归类模糊推理焊点质量”。 9 其他 由于焊接区金属的温度与点焊熔核尺寸及焊点强度密切相关，因此可以通过 实时检测焊点辐射的红外线强度来判断焊点温度，进而实现质量监控。此外利用 焊点磁结构也可以进行监测，在焊接过程中金属受热或冷却会引起应力、应变的 变化及结构的改变，进而影响金属特有的磁力线结构，那么可以通过记忆好的焊 点的磁结构来监测焊点质量川。 1 3 2 点焊质量监控方法 监测模型建立的成功与否取决于如下两个方面：一是模型的结构和参数是否 合理；二是训练数据的可靠性和覆盖面是否足够。目前用于电阻焊的监控方法遍 7 i 乜阻点焊熔核形成过程的数值模拟 及整个控制理论与统计理论。 1 神经网络与模糊控制理论的应用 9 0 年代初，英国学者用镀锌钢点焊的电参数和熔核直径作为训练样本，对一 个多层自组织特征映射网进行试验数据的离线训练，将这一网络接入实时系统中 形成对镀锌钢点焊质量监测；k a o s m a n 等人研究多层感知网在铝合金胶接点焊 质量监测中的应用，并将其预测结果与线性回归模型的预测结果比较，得到十分 满意的结果。国内哈工大，天大上海交人等学校学者也将神经网络成功运用到 点焊质量评判系统3 2 。3 “，尤其是上海交通大学的杨海澜吴毅雄i ”1 将主成分分析 接合神经网络用于焊接质量控制，得出主成分分析可以提高网络的训练速度，得 到的神经网络模型能达到较高的精度，为影j j 向因素多且机理尚不清楚的焊接过程 神经网络建模提供了一个有效的办法。 谢军林，胡得安等人建立了以电流变化e 和电流偏差波动& e 为输入、控制角 变化为输出的模糊控制器，用来补偿过程因素变化对焊接电流的影响1 6j 。也有人在 控制算法上进行了改进，设计的量化因子和比例因子可自动调整的模糊控制器可 以消除网压波动、焊接网路阻抗变化、分流及电极磨损等干扰因素的影响【7j 。洛 阳工学院的朱锦洪等悼l 设计了变比例因子的变结构模糊控制器，对焊接电流进行模 糊控制，提高了检测精度和控制精度，并实现了多阶段加热控制，提高了特殊材 料焊接的适应性。 模糊控制与神经网络理论相结合，会得到更好的控制效果。美国学者m e r s l e r ， r o b e r tw j r 等人将人工神经网络和模糊系统相结合，研究出自动电阻点焊的实时 控制系统，以实验数据或经验数据离线训练得到电极位移( h ) 与最大加热百分数 ( h ) 和焊接时间( t ) 的函数模型，然后接入控制系统，其输出经模糊化后，送入模 糊控制器，这样构成闭环实时控制系统h 。朝鲜的l e es a n g r o n g 和c h o oy o o n j u n 提出电流、焊接时间和压力不足以判断强度，并提出电极位移和动态电阻的重要 性，采用模糊神经网络的方法对点焊质量进行监测，在其发表的文章里将有无喷 溅作为分类标准，无喷溅时用电极位移信号的特征分析焊接中总的热能、融化量、 塑性变形量及和金属结构重组有关的参数，有喷溅时以动态电阻的某些特征来推 理总的热量和喷溅量 3 7 】。 2 基于数理统计的监控方法 数理统计方法包括方差分析、相关分析和回归分析，是一门对数掘进行分析 处理的科学。从数学的角度讲，点焊过程监控信息与点焊质量问的相互关系可以 看作是数学变量之间的相互关系。数理统计方法是实验数据处理的一般方法，它 是以试验为基础，可以帮助人们获得直观试验数据以外的一些信息或规律。回归 分析研究的主要对象是客观事物变量间的统计关系，是建立在对客观事物进行大 量实验和观察的基础上，用来寻找隐藏在看起来不确定的现象中的统计规律的统 硕士学位论文 计方法。它不仅要揭示因变量对白变量的影响大小，还可以由回归方程进行预测 和控制。 1 9 9 6 英国学者mh a o 采用线性回归分析理论，分别建立了些过程参数( 焊 接电流、电极问压力、功率、工件电阻等) 的一个和多个特征量与铝合金焊点熔 合直径和拉伸强度之问的关系模型。结果表明：多元回归模型的r m s 误差比最佳 的一元回归模型的r m s 误差大约下降了3 0 1 3 副；哈尔滨： 业大学的张忠典，李 冬青等人i 39 】以动态电阻与接头质量参数之间关系为例，+ 用线性回归分析技术系统 的研究了点焊加热过程中的监测信息与点焊接头质量之问的一元或多元回归模型 关系。沙特k i n 2s a u d 火学的smd a r w i s h 等人列碳钢在正交试验的基础上用 数理统计( 多，i 回归分析) 的方法建立了接头强度、熔核尺寸与焊接参数之问的 数学关系。 统计学习理论是一种专门研究小样本统计学习规律的理论，而支持向量机是 一种基于学习理论新的通用学习方法。很多学者认为，统计学习理论和支持向量 机方法正在成为继神经网络研究之后机器学习领域的研究热点，并将推动机器学 习理论和应用有重大的发展。 2 0 0 4 年张万春等人【4j j 针对铝合金点焊过程，探讨了点焊质量在线检测和评定 的方法，分析了缺陷发生时的信号特征，建立了基于模糊支持向量机的铝合金点 焊缺陷识别方法，研究表明其在实际应用中表