（材料加工工程专业论文）电阻焊热膨胀电极位移质量监控方法的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 电阻焊是一种重要的焊接方法，广泛用于汽车工业。生产上多采用恒流控制来保证焊 接质量稳定。恒流控制方法简单、成本低，但不能补偿如分流、回路感抗、电极磨损等干 扰因素的影响，因此本文提出采用热膨胀电极位移质量监控方法来控制点焊质量。焊接区 加热的强度以及熔核形成的大小可通过电极位移量来反映，电极位移速率表征了系统的加 热强度，位移峰值则代表j 焊接时间，因此采用位移速率和位移峰值作为特征参数即可实 现对点焊质量的控制。 课题采用动态响应快、分辨率高、重复性能好的光栅位移传感器( 位移传感器探头 置于点焊机上下电极臂上) 对点焊过程热膨胀量进行实时检测；利用p i o d 2 4 数据采集 卡和v b 界面程序进行数据采集和处理；在d n - 2 5 型气动数控交流点焊机上进行电阻点 焊重复性实验，绘制多组不同焊接规范下电极位移曲线并分析其变化规律；模拟分流和 电极磨损等干扰因素影响下的电极位移曲线变化规律并对有无干扰因素时焊点熔核直 径的波动情况进行r 分析 确立j ，卜锈钢和低碳铡在特定板厚下的最佳电檄位移特征参 数；以位移速率和位移峰值作为特征参数，采用8 9 c 5 1 单片机为核心的双处理器微机控 制系统对电阻点焊过程实现闭环控制。 位移测量及点焊试验结果表明，热膨胀电极位移光栅测量传感装置，具有灵敏度和 分辨率高的特点，其体积较小，在测量中不需要参考零位，适于动态测量。因此测量数 据准确、重复性高，适于点焊生产条件下重复、自动测量热膨胀位移。热膨j 长电极位移 质量监控方法能够较好的补偿点焊过程中各种干扰因素的影响，保证点焊过程中焊接质 量稳定。 关键词：点焊，熔核尺寸，光栅传辱器。电极位移。质量监控 电阻焊热膨胀电极位移质量监控方法的研究 r e s e a r c ho nm e a s u r e m e n to ft h e r m a ie x p a n s i o ne l e c t r o d e d i s p l a c e m e n ta n dq u a h t yc o n t r o lf o rs p o tw e l d i n g a b s t r a c t r e s i s t a n c ew e l d i n gi so i l eo fi m p o n a mw e l d i n gm e t h o d sw i mc x t e i l s i v e 印p l i c a t i o ni l i a u t o m o b i l ei n d u s 缸y c o 璐t 锄tc 咐咖c o n t r o l i su s u a l l ya d o p t e dt oe n s l l r em ew e l d i n gq u a l i t y i np r o d u c t i o n 锄dt l l i sm e t h o di ss i m p l et oc o n n o la i l dl o wc o s t ，b u tt h ei 1 1 n u c i l c ec 猢o tb e c o i n p e i l s a t e dm a tc a u s e db ys h l l l l t ，l o o pi n d u c t i v er e a c t a i l c e ，a n de l e c t r o d ew e 鸥e t c t h e r e f o r e ，w e l d i n gq u a l i t yc o n t r o ll l s i n ge l e c t m d ed i s p l a c e m e n to ft h e m a lc x p a n s i o ni s p r o p o s c di nm i sp 印e r t h eh e a t i n gs 仃e n 昏ho ft h ew e l d i n gz o n ea i l dt h en u g g e ts i z ec a nb e r e n e c t e db ym ee l e c t r o d ed i s p l a c 锄e n t 锄o u n t ，协ed i s p l a c 锄c n t r a t ea n dd i s p l a c 锄e n tp e a l 【 v a l u ea r et a k e na sc h a m c t e r i s t i c s t h eh e a t i n gs t r e n 掣hi sr e n e c t e db yt h ed i s p l a c e l l l e n tr a t e a l l dt h ew e l d i n gt i m ei sr e n e c t e db yt h ed i s p l a c e m e n tp e d kv a l u e ，t h u st h ew e l d i n gq u a l i t yc 锄 b ee i l s u r e db yr e g i l l a t i n gm e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h es p e c i f i cs t u d yc o m e m so fm ep r o p o s e dq u a l i t ) ，c o n t r o lm e t h o da r ca sf 0 1 l o w s ： t h e m a le x p a l l s i o na m o u n ti sr e a l t i m ed e t e c t e db y 乒a t i n gd i s p l a c e m e ms e n s o rw i t hq u i c k d y n a m i cr e s p o n s e ，h i 曲r e s 0 1 u t i o na 1 1 dr 印e a l a b i l i t y t h ed a t ai sa c q u i r e da i l dp r o c e s s e db y m ep 1 0 - d 2 4b o a r da n dv bp r o g r a m t h er e p e t i t i v es p o tw e l d i n gc x p 耐m e n ti sc a r r i e do nt h e d n 2 5p n e 啪a t i cc o n 仃o ls p o tw e l d i n gm a c h i n e ，a 1 1 dt h ev a r i a b l er e g i l l a t i o no ft h ee l e c 仃o d e d i s p l a c 郫e i l tc u ei nd i f f e r e mw e l d i n gc h a r a c t 耐s t i c si sa n a l y s e d t h ev a r i 曲1 er e g u l a t i o no f m ee l c c t r o d ed i s p l a c e m e n tc u r v ei sa l s oa 1 1 a l y s e db ys i m u l a t j h gs o m ef a c t o r ss u c ha ss h u n t ， e l e c t r o d ew e a ra n dl o 叩i n d u c t i v er e a c t a n c e ，e t c t h en u g g c ts i z en u c t l l a t i o ni sd i s c u s s e d r c s p e c t i v e l yi nt h ec i r c u m s t a i l c eo fw i t ho rw i t h o mt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t h eo p t i m 啪 c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ta r ee s t a b l i s h e df o rt h es p e c i a ls l a b l i c l ( i l e s so f m es t a i n l e s ss t e e lo rt h e1 0 wc a r b o ns t e e l t h ec l o s e dl o o pc o n li sr e a l i z e db ya d o p t i n g d o u b l e dp m c e s s o rb yt a k i n gt h ed i s p l a c e m e n tr a t ea 1 1 dt h ed j s p l a c e m e n tp e a kv a l u ea s c h a r a c t e r i s t i c s i nw i t c h8 9 c 51m c u i st a k e i la st h ec o r e t h er e s u n so fd i s p l a c e m e n tm e 嬲u r e m e n ta i l dt h es p o tw e l d i n ge x p e r i m e n t si n d i c a t et l l a t m e 乒a t i n gs e n s i n gd e v i c ef o rm e a s u r i n g e l e c 仃o d ed i s p l a c e l l l e n ti sc h a r a c t 甜z e db yh i 曲 沈阳丁业大学硕七学位论文 s e n s l t l v l t ya n df e s o l u t l o n a sl t ss m a i iv o l 啪ea n dm em e a s u r a b l l l t yw i t h o u tr e f b r c n c ez e r 0 p o i n ti t i ss u i t a b l e 向rd y n a m i cm e a s u r e m 锄t t h e r e f o r et h em e a s u r e dd a t ao b t a i n e d 肋m g m t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o ri sp r e c i s ea i l dh i 曲o fr 印e a t a b i l i t y ni s 印p l i c a b l ef o rm e a s 谢n g t h ee x p a n s i o nd i s p l a c c n l e n tr 印e a t e d l ya n dr e a l i z i n gt h ea u t o m a t i o nf o r 印o tw e l d i n g t h e w e l d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u n si n d i c a t em a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a i le f 话c t i v e l yc o m p e n s a t e t l l ei n n u e n c ec a u s e db yv 撕o u sf k t o r si nw h i c hw a yt h ew e l d i n gq u a l i t ys t a b i l i t yc a l lb e e n s u f e d k e yw o r d s ：s p o r tw e l d i n g ，n u g g e ts i z e ，g r a t es e n s o r ，e l e c 打o d ed i s p l a c e m e n t ，q u a “t y c o n t r o i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：监望日期：塑乙! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 槛日期垃塑二堕 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究意义 电阻点焊作为一门机械、力学、电子、控制等多学科密集交叉的专门制造技 术在众多国家尤其是发达国家的国民经济中占有十分重要的地位，是一个国家繁 荣与昌盛的标志之一。电阻焊作为一种高效、廉价且机械化和自动化程度较高的 焊接技术，在汽车、摩托车、工程机械以及航空航天工业等领域得到了广泛的应用。 尤其是汽车工业，：个车身焊装车间一般有2 0 0 3 0 0 台悬挂式点焊机，几十台点 焊机器人，每辆车身约有4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点，电阻焊占有相当重要的地位。然而， 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，而且行核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已成为电阻点焊质量监控的重点【2 l 。 1 1 1 电阻焊主电源的发展概况 电阻焊现象自1 8 7 7 年被发现以来，该技术已广泛地应用在汽车、家电、电 子、航空、航天等行业，成为目前国内外最重要和应用领域最广的焊接方法之 一1 3 吲。根据电阻焊的基本原理和工艺要求，电阻焊机电源具有输出大电流、低 电压，大功率、可调节，负载持续率低的特点。回顾电阻焊焊接电源的发展历 史，电阻焊机主电源大体经历了单相工频交流、三相低频、次级整流、电容储 能以及逆变式等发展历程。下面对分别这几种电源从电气原理及特点角度作以 简单介绍。：? ( 1 ) 单相工频电阻焊机。、 所有的电阻焊机中，单相工频交流电阻焊机式应用最为广泛的一种焊机之 一。它一般由交流3 8 0 v 电网供电，流经主电力开关及功率调节器到焊接变压器 的一次绕组，再经过焊接变压器将压从二次绕组输出大电流、用于焊接。， 奄阻挥热黟黩毫疆整臻质鬣箍控方法麴麟究 鋈l 。l 攀糖王颤交流壤阻霹瓤藏瑾霹 f 谤1 1s 娟e 燃撕c o f s 矗嚼e 巾h 酗e a 瞄l 证豫- 行嘲u c y r e s i s 豫堞e 铸陀l d 啦m 8 c 鼽妯e 按其主龟力野关分类，拢类焊辊可分为嚣嗣步式翻越步式两辩。籍者期一对 疲筹联瓣磊阕管代替藏者熬憩磁开关，并增翔7 鼹络魄疆褥步捡嚣装黉等。攀耦 工獭电阻焊机有髑个主要缺点# 一是单相供电，瞬时功举大，易造成嗣压波动， 甚至造成电网晶震怒弛影璃其宅没蚤歪常王幸# ；二是姆接强黯电抗较大，功率因 数诋，蘧霉哭蠢4 0 5 0 。攀楣王频交流淼簿裁一觳溺芎：霹接毫黎率较大斡麓 料，如碳钢、不锈钢、耐热铡簿。 ( 2 ) 三稷低颇逛阻蜉援 ， 上整纪5 e 旃代入稻磷涮了兰耪低频惫隘焊襁。矫滚兰耱低频浑视楚捂采藤 三相电网供电，焊接电流的频率低于工频5 0 赫兹( 一般为1 5 2 0 赫张或更低) 。 其挟心是特臻黝焊接交垂嚣秘糖遴豹整漉嚣转。照娄辫瓤懿逛气原壤框强魏臻 l 。2 簖示。 ，、， ： 一j - ， 一 r 从主电路然构可以看出，焊接变压器带有三个相同的一次绕组嗣个二次 绕缀，安装予溺一铁心柱上，量变基器熬铁心嚣辍较大；男一方嚣，一次绕组 与维酉控酶三襁开关兼蕊流餐褐成三焦形电路。当漭按辩，v 下l 、3 、v 醛 依次导通，得到辫个周波的避续正向电流，电流大小所示见增加而增加；当变 援懿磁逶这到镪釉之嚣，邀浚换囱，连续簸发爱彝鑫潮黪硼瞪、v r 4 襄v 稻，产 囊蔽海缮接毫滤。该类簿穰掇然克服了攀桶工频簿钒静不足，整嚣黧在低频工 作l 寸效率低且存在过零点问题，加之单棚通电时间较长，容易出现撇饱和等缺 点，其在实嚣生产中蛰采能缚潮广泛应翅。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 u 图12 三相低频电阻焊机电气框图 f i g 1 2e l 硎c a ld i a 蛐o f t 圭1 1 糯p _ 【扭越d1 0 】曲e 【王i 】锄c y 他s i s 咖ew e l d i n gm 觚h i i l e 一 ( 3 ) 次级整流电阻焊机 到上世纪6 0 年代，随着大功率整流管的日趋成熟，次级整流焊机正式问世。 所谓次级整流电阻焊机是指在阻焊变压器的输出端加入大功率二极管，将阻焊变 压器输出的交流电整流成直流用于焊接。由于二次输出为直流，回路感抗几乎为 零，且电流不过零，热效率高，获得同样的焊接电流所需要的空载电压和功率比 交流焊机小很多，功率因数也大大提高【9 1 。同时，能保持三相负载均衡，并且焊 机二次输出直流，故焊接电流不受焊机臂包围面积及二次回路伸入磁性物质影 响。其电气原理框图如图l3 所示。 ， 。， 主 阻 大 电 焊 功 力 变 塞 开 压 整 流 关 器 器 图i 3 次级整流电阻焊机电气框图 f i g 1 3e l 眦i c a ld i a 鲫mo f s 0 i l d a r y r e c 虹f i e d 坤s i s 拓m c ew e l d j i l g m h i 此类焊机又可以分为单相次级整流和三相次级整流。前者与后者相比，不 电阻律熟膨张电裰位移质鬣箍控方法的辑究 段爨持了三楣电源供电亵用煮流电流焊接的优点，两艇其焊接时蛔不受焊接变 压嚣磁饱和的条件限铡，可搬键焊接工艺的要求任意延长，蔺对萁爝接变压器 的体积和重量可以大大减小，其最显著的特点是功率因数可达9 5 【l o l 。 ( 4 ) 电容德缝式焊瓿 电容储能撵的原理是利粥电容器缓侵她获电网存储能量，整流系统通过毫 网向电容充电，达到设定的充电电压后，可控硅导通，在很短的时间内通过阻 舞交雄器囊被爆王锌救邀，产尘一令弼予焊接豹电浚辣净。其电气骚理框瀚鲡 圈1 4 所示。 。 w 旷 - 、 f 醯 k 图1 4 电容储能式电阻焊机电气框图 f i g 1 4 e l 曲c a ld i 8 9 黼mo f c 诬l 妇s e r b ，p e f e s i s t a 】e w e l d 证g m a c 址i i e 这种焊接方法的优点是采用三相电两供电，电网受载均匀，对供电网路的容 量隳求低，其焊接电流波形陡峭，加热能鬃鬃中，接头外型好，变形小；其缺点 是奄容体积大，搿会短，秘捺爨爨，著珏京究、教龟逯籁孛戆量游耗过多，逶子 小功率电源。 ( 5 ) 逆变式电阻焊机 上整纪筠零健，遂交式魄辍辫援戆磁究蠢了突破魏熬速聂。戆赘1 9 7 8 年第 一螽逆变式电阻焊机的问世，标志着焊接电源进入了一个前所未有的崭新时代 f 1 1 “2 1 。到了8 0 年代，逆变式电阻焊机正是发展起来并投入生产。目前，此类焊 飘在在基、美等滏邑奏了广泛懿应爰，巍嚣蠹遴毒了黢钩豹应用，爨还有特手 完磐l ”。其电气原理图如图1 5 所示。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ? ， 图1 5 逆变电阻焊机电气框图： f 喀l ，5e 1 廿i c a ld i 明阳mo f t l l r e e p l l a 蛸c a n v e n e d s i s t 嘲ew e l d i i l gm l l i n e 从电网输入的三相交流电经桥式整流和滤波后得到较平滑的直流电经逆变 器产生中频交流电，再经阻焊变压器输出低电压大电流交流电后经单相全波整 流得到脉动较小的直流电进行焊接。逆变最为显著的特点是频率大大提高，变 压器的体积和重量明显减小。同时焊接电流为直流，热效率高，节能效果好。 由于采用二次整流，功率因数大大提高。有资料表明逆变体式焊钳的重量可 以减轻到原来的一半左右f 1 3 。4 1 。由于其负重的减轻，响应速度明显提高，应用 到机器人焊接中是将是其发展的一个重要方向。逆变式电阻焊机的电路原理复 杂，对维护人员也提出了更高的要求，但毫无疑问的逆变式电阻焊机将成为电 阻焊电源的主要方向之一。 ，- 。( 6 ) 专用电阻焊机，是为了满足某一特定的生产目的而专门研制的电阻焊 机的总称。电阻焊本身所具有的机械化，自动化程度高，能够大幅度地提高劳 动生产率，改善工作条件的优点，在各种各样的专用电阻焊机上可以得到最充 分的体现f 1 5 】。早在五、六十年代，各种专用电阻焊机就已经广泛地应用在汽车 制造业，其中最常用的是多点焊机。专用电阻焊机可以以达到提高焊接质量和 劳动生产率的效果。目前，我国各种专用电阻焊机还没有发挥其应有的作用， 但是。随着我国汽车工业的发展和劳动生产率的提高，各类专用电阻焊机存在 着广阔发展空间。：+，_。i 一 1 1 2 电阻点焊循环过程分析， 一， 。 ：+点焊过程由预压、焊接、维持和休止四个基本程序组成焊接循环，其基本参 电阻焊热膨聪电辍位移壤蟹蕴控方法浆蟒究 数为电流和电极力髓对闻变他的按律。鬻1 6 为点焊时序灏。 圈l 。6 三相低频电阻焊机电气椴阁 f 逾1 6 s c 量嚣翩瓣c p l 敞o f s c r e 艳率器s s 班印o 髓l 娃i 魏g 点焊各阶段工作意义及目的具体介绍如下： ( | ) 强嚣颞蘧为点缛过毽蕊麓一阶段，这个除段包掺电极力豹上舟帮恒定 两部分。为傈诞程通宅时电极糙力恒定，预蕊时闻必须保芷。预压的懿的是建立 稳滗的电流通道，以保证焊接过程获得重复性好的电流密度。、 j ( 2 ) 焊接辫接泠段菱爆终趣热熔纯杼程熔孩豹玲段。焊接毫流露效值霹 摹本不变，也研以为渐升或阶跃上舞。在就期间焊伟焊接区的温度分布经历复 杂的变化后趋向稳定。起初热输入量大予敬失热量，温度上升，形成高温塑性 获淼豹连接嚣，磐使中心与大气疆缝，缳疆髓瑶熔化豹金藩不氧像，嚣嚣在串 心部位出现熔傀隧。随着熔化区的扩大，其塑性环也随之扩大，最嚣当焊接热 输入量与散热逸别平衡时进入稳定状态。这个过程中袅伴随着液态金属的搅拌 鸯辩会窭现飞溅。 一j 。 。 ( 3 ) 维持维持_ 阶段仍傺持电极噩力的存在，但不褥有热输入。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， 鲡燹羚力终臻冷帮毅绩瓣穆产生三维拉应力，辍易产焦缀藐、裂纹等块簇，救 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。焊按冷却时形 成锻造组织的环球体，称为数密区。然而在致密区被电极压紧的情况下，在熔 孩懿心帮金矮不栽蓬豢冷鬈投缝嚣浚多会簇嚣形袋骧松送。霹数谖酸捡嚣l l 毒电 沈阳工业大学硕士学位论文 阻焊方法的必然产物。但由于外层致的存在，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，只要疏松区区缩孔导致的裂纹不延伸到致密区的一 定位置，就不会强度性能造成危害。 ( 4 ) 休止休止时电极压力和电流大小均为零。此阶段必须保证恢复原始状 态所需的工艺时间。 ” 1 1 3 电阻焊质量监控技术的发展及最新进展 所谓质量监控，一般都是通过监控和度量熔核直径和压痕深度来评估焊点 质量”6 】。实时质量监控可分为焊接参数监控方法和有关熔核形成物理量监控方 法两大类。由于点焊在机械制造中的广泛应用，尤其是在汽车工业中，点焊质 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、降低成本已经成为电阻焊研究的重点。+ 近三十年来，国内外学者对点焊 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 恒流控制法是一种间接质量监控方法。焊接电流是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，当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l r 卜1 8 l 。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，趟龇wc u l l i s 晰制出了高精度的恒流控制系统，其控制精度可达 1 ，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 鸺( 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i 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。它可以对回路感抗，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没有补偿作用。 u h ( 2 ) 电极间电压法，2 一，_ jr 。! 、。i ，电极电压监控法是以焊点熔核形成过形中电极间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【1 9 1 。电极间 电阻焊热膨胀电极位移质最监控方法的研究 电压可用下式表示： 7 u = j p d ) 【 其中，l 电流路径( m ) ： j 电流密度( a m 2 ) ； p 电阻率( q m ) d 、 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的： r = u i( 1 2 ) t 式中：r 表示焊点的瞬时电阻( 即动态电阻，q ) ； ， u 表示焊点得瞬时电压( v ) ： l i i 表示瞬时焊接电流( a ) 。 。 根据焊接过程中每一瞬时得瞬时电阻，即可得到点焊时的动态电阻曲线。电 极问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蹋踪电阻曲 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蔑，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1 2 。由于铝合金无明显电阻曲线 沈阳工业大学硕士学位论文 特征值，故对铝合金的适用性不强。： 4 ( 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2 0 j 。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，能量随压力增大丽减小， 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，护积分式，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 积分式临捧方法适用 予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，是直接质量监控方法的一种。其原理是：金属在 点焊和缝焊时，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，可以位移的变化作为反馈信息，对点焊质量进行闭环控制。 熟膨胀电极位移法的控制思想是以位移量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【2 1 】。耳前出现的控制方法有以下几种【2 m 5 1 j t j 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。本论文主要采用该控制方法。 电阻撵热黪强电强位移瓣羲箍控方法鹊研究 宅叛臀挠攫整控法辫接过程孛，奄掇蕴移量燕缀枣豹，这榉慧位移转 惑器筋精度要求缀商，雨量癸求焊壤酶概髓剐性要爵，加箍概梅摩擦力要，j 、，橇 头隧动性好。否则，控制系统对起始的膨胀信号不敏感戏不响应。针对这种情况， 豫工大提爨了该方法，穰弱慧摄劈根罄麴斑变与殍纛瑗整秘辩痊美系进褥实瓣控 制。4 一， ， ， 利用热膨胀法对电阻点焊过程进行质髓监控可以补偿焊接过程中些常见 熬影虢嚣素魏瀚鹾滚动。分滚、毫极瘗损帮二次嚣瓣黪蒎变纯等导致靛焊接嚣 热输入波动，戳褥，一直受戮辔内夕 学者瀚普遍关注。 ( 6 ) 多参数监测法。 奄艇孬是一个予撬霪素多露盟交互影骥艇复杂动态熟过罄，鼓对辫接避程孛 多种影晌霞素龄波动进行补戆还存在一定的难度。露诧，嚣内外静一鍪擎者提枣 了点焊多参数综龠监测技术i 删。在多种溉测参量综合的电阻焊控制系统研究上， 葜中对交漉毫辍赢霹臻究受多，磷突魏整溅参数主要鸯爝搂邀浚、魄极溺奄基、 秘淼电阻、焊接能量、奄极佼移、电极压力、绎接时阍、温度等珏7 恻。w a 捃r s 等人研制成了电聪、电流和位移三个传感器组成的单片机控制系统，淹过设定一 鏊壤 霪寒翔赣络核矮曩。 9 9 莲年；稳毽学者b 嘲i 蹴蠛溪攘凝势类理论帮溪骞 专家系统，建立了三个电参教( 焊接电流、电极闯电压、王侔电隧) 釉两个机械 参数( 电极位穆、电极加速廉) 与焊点质燮( 熔核直径) 之间的非线性关系，实 骥了低骧锈熹辫凌潼翡在线等级滔定。在鬣斑，嚣l 乏王照大学窝囊螽熬窆学嚣分 嗣对不锈锯焊按建立了不同参数下的质彀评定数学横穗f 3 1 l ；沈阳z 业大学也务 别对低碳钢和不锈钢在电阻烨多参数质量j i 鑫控有一定的研究基础，以焊接电流有 效滢、邀校霞移髅帮凑悫毫隰等参数采嚣p 醅空嫠器模期控镬攘缕台麴控剿方式嚣 点烽过程实施质麓监控1 3 2 。从醋前掌握的资料来看，如何充分利用簸溅信息， 采用合理的建模节段，建立含理的多元线性般测模型，并使监测模型能够在较宽 魏条箨下提魏漆确、霹靠麓点溽矮董售惑以嫒巍发矮多参量综合蕊灞技寒懿关 键，也是目前漪涞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量认识 ( 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，以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。 。、国内外有关利用数值模拟对点焊过程进行质量监控的研究有很多。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。日本西田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，i 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与质量的实时控 制3 3 捌。 i一 _ 、 o 。一 i = ，一 ，国内在当时也有了对点焊数值模拟方面的工作。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祸合求解，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f 3 5 】；啥 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与质量的方法( 姗。 ，1 。( 8 ) 人工智能控制法一，t ，_ t ，+ j _ 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。、。： _ ! 电阻簿热彩胀电极位移质鼙监控方法鲍磅究 入工嵇经耀终a 檬萎c i k u 精l 蛔酬蹲，赫稼a ，蠹1 9 整纪4 0 年代晕耨 入曩神经网络开始出现并凭倍其菲线往映射髓力、并行分布式处理能力、自学习 自避应能力、数据融合能力、联想记忆能力，广泛应用在箨种工程技术领域。j a v e d 戮辫按匿力、爆接邀滚、挥接辩阕建输入矢慧窆闯剩瘸多层囊组织特缎淤嚣网络 完成到熔核尺寸的映射【3 ”；b r o w n 等利用蛸他的动态电阻、焊接电流值及电裰 头敷径作为输入向量预测熔梭踅径反映焊接质量【3 8 】：豳内哈尔滨工业大学张忠 典等以每令鼹波豹动态奄疆为辕入矢量空瓣，戳浮点豹挽骜强凄为输掇空强，对 1 个3 层b p 网络遴衙离线训练，建立起低碳钢点焊力学校能估测模囊，成功地实 现了力学性能的实时定量估测3 蝴l ；兰州理工大学的玛跃洲、种玉絮以交流电 辍点浮过程奄摄越邀嚣黧浮接瞧溅全蠲波豢效毽 乍为簸入囊董，班魏孩_ 蹇经霸洛 核高度为输出向鬣，利用r b f 神经网络对焊点熔核尺寸进行预测，试验结果证明 r b f 神经网络用于这类应用场台的可行性和有效性【4 ”。 ， 模额控裁( f 貔群c 鞠般d ) ，麓拣摹，裁怒援涟嚣溺褥匏控铡鼹象爨臻意与援摄 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。事实上就是将人类谮亩概念和思缳方式的模糊蚀赋予模糊数学的工具严 格魏爨键实理。宅最大鹣魏点麟蹩鼹予不熬蠲数学形式袭这其内部关系袋者表迭 起来极其复杂，以致难以运用一般控制理论进行控制的设备及工艺参数，只要在 实践或实验中积累了对它们的有关知识，就可能利用模糊控制法进行有效的控制 4 w 甄在国内，瑟疑这方露戆鹾究稳对较黢，簸文麸主瑟，武汉理王入学、漠蜜 大学、洛阳工学院和西北工蛾大学正在进行研究帖楣。 、 专家系统( e s ) 是人工钾能控制的另一个重要分支。所谓专家系统就是一种 籍霖熬诗算秘纛澎，它浚入类专家熬拳平突残褥定熬矮务，蒎赣予丈豢茨甄谈、 事实、规则、设想及强化的镭能功能，在专容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，i i i ：是根据环 境条锌妥这麴嚣探，在攘瑗嘏攘导下，逶逶援索寒寻我溺遂韵释答。 焊接领域的专家系统研究始子8 0 年代中期，涉及工艺设计和工藏选择：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 割) 等。我国浮羧嚣s 疆究始予1 9 8 s 年，嚣赫瀵华夫学、滁零滨王盈大学、天津大 沈阳工业大学硕士学位论文 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、玉门油田、大庆油田管理局等单位广泛应用。5 点焊过程 及质量控制方法的发展趋势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【4 8 。4 舛。 1 1 4 位移传感器的发展， 一 一， ， 。 现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测 量系统，都是应用重复周期的结构设计，位移的测量都是采用增量测量力一法， 也就是在确定初如点后要用读出从初如点到所在位置的增量绝对式光栅尺在控 制系统中逐步取代现在通用的增量式光栅尺，井广泛应用于反馈控制系统和数控 机床。当今世界位移测量技术主要表现在三个方面静研j 。r 、 。i ( 1 ) 绝对式光栅尺在控制系统中逐步取代现在通用的增量式光栅尺，并广泛 应用于反馈控制系统和数控机床。采用绝对式光栅尺的测量系统在设备通电的同 时后续电路就可以获得绝对位置，不需要在开机后寻找参考零位，提高了系统的 可靠性和工作效率。， ：+ o ， _ 一。，7 o ；。，o ：一( 2 ) 单场扫描光栅尺将逐步取代现在通用的四场扫描光栅尺。这将大幅度提 高光栅尺的精度、分辨率、速度和抗污染的能力。这是光栅传感器最重要的发展， 使光栅测量系统达到一个新的技术高度。 ( 3 ) 无防水功能的增量式容栅测量系统将被防水型绝对式电磁感应式测量系 统所取代，尤其是数显卡尺。因为容栅是变电容栅式测量系统，空气是作为介质 要受到湿度的影响，在不改变数显卡尺的栅式结构条件下采用变电感的测量系 统，就能达到防水的目的，从而大大提高容栅的防护等级；另外在增量式码道旁 边再增加绝对式码道，用绝对式编码技术通电后不需要对零，在点位测量时也不 会产生超速错误。 1 2 课题的提出及研究的主要内容 1 2 1 课题的提出 电阻点焊是一种高效的焊接方法，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等特点，广泛应用于 航空、航天、汽车制造等行业生产中，但是由于点焊过程以电流通过焊接区产生 电阻簿热黪张电辍位移联整簦控方法静静 窕 熬嘏阻热为热源，是一个毫发j # 线性、多交爨藕会终用势伴随着大量黼极不确定 囡綮豹过程，烽点接头质量受各种不可测麟素的影响：并鼠霹点熔梭熟子封闭状 态，使形核过程光论是在焊接期间还是在焊后都无法真接观测到，质髓信息的提 取魄较透难；焊杰形捩凝露对瓣短暂，同髓簧求特定、耩确的滠度场分布，环境 的瞬时改变可髓造成严重赢鬃，出现裂纹、缩疆、巯松、偏祈、深度聪痰、喷溅 乃麓虚焊、漏焊、弱焊、烧穿等缺陷，造成焊点质量不稳定和难以控制，严重限 制葶珏影璃了点爆技术在重要续擒主豹广泛镁翅。 传统生产中，焊接质囊是通过稳定烯接工艺参数稻烨后检验来保证的。点 焊的未焊透，一向被认为焊接中最危险的缺陷，由于尉前尚无可靠的无损检测 方法，导致一黧燕要熬受力襁 孛不麓采翅壤艇焊装酝( 藤是采焉镄接) 。为了 确保点焊质量，生产上，不褥不采用破坏住检验( 或糖样破坏检验) ，给国家 造成很大经济损失。因此发媵一种非破坏性、低成本、诊断可靠性商的质量评 判系统对于理安生产及点辫方法豹广泛菠愆是非常有意义豹。点焊热膨鼗电投 位穆法质量控制怒以焊接过糕中金属受热膨胀引起的电极位移作为葳馈信号， 控制焊接区的加热强度和时间，以保证焊点熔核尺寸的稳定。课题所提出的利 矮热膨骚法与其它矮量控裁方法提逡，熔孩熬热澎滕畿接反浃了熔核翡产生及 发育情况，对墩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 因索如网压波动、分流、电极磨损和二次阐路感抗变化等导致的焊接区热输入 浚渤蝤辩羽。 1 2 2 课题研究的主要内容 焊接区加热的强度以及熔核形成的大小可通过电极位移量来反映。利用位 移速率嚣霞移峰疆终爻酶援参数，整移速率爱欢了浑接强覆帮焊接惫滤熬大小； 丽豫移峰值与一定的熔核蠹稳相对应，反映了焊接区她加热时间的长短。这是 热膨胀电极位移质量控制方法的基本原理。为精确测鬣电极位移量课题主要 避磐豹磅究内褰麴下： ( 1 ) 选榉满足要求的热膨胀电极位移传感器。点辉热膨胀璧比较微小，一 般在几十到几百微米之间。网此，要求传感器有较高的测量精度及分辨率( 分 辨攀在3 翻蕾鼓下蜀瀵是灞试耩凌簧交) ，远必须袁较毫瓣稳定魏、霹纛性及埂予 沈阳工业大学硕士学位论文 测量等。 ( 2 ) 设计以光栅位移传感器为核心、p i o d 2 4 数据采集卡和晃面为辅助 工具的实时电极位移采样测控系统。测控系统软件设计的任务包括实时位移数据 的显示、位移曲线的实时绘制及试验数据的存储等功能。 ( 3 ) 电极位移测控系统硬件设计，包括传感器的夹具设计、制作和数据接 口的设计等。 “ 一 4 ) 进行焊接工艺性实验。对不同材料的钢板进行电极位移测试实验，在 同一规范参数下反复施焊；重复测量，绘制出对应的电极位移曲线。： ：。 。( 5 ) 在多次实验基础上总结电极位移变化规律并进行结果分析，提取最佳 位移参数。 。- ( 6 ) 实现甩檄位杉刚朴径铡。即在分流、i 旦| 路愿抗、等干扰凼索作用下， 对低碳钢和不锈钢的熔核直径波动与恒流控制下的熔核直径波动进行对比，验证 电极位移质量监控方法的控制效果。 电阻缂热彩冁电裰位移质蹩煎拄方法的研究