超聲波金屬焊接信號采集與分析系統

尹天罡，曹 彪

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

0 前言

隨著現代工業的發展，特別是在新能源、航天以及微電子互聯、封裝等行業，有色金屬的應用越來越廣泛，而各種應用對焊接質量的要求也越來越高，從而對焊接設備以及焊接工藝提出了更高的要求。超聲金屬焊接是一種在壓力作用下，利用超聲振動促進界面塑性變形進而形成固相連接的焊接方法[1]。由于具有效率高、焊接周期短、清潔等特點，在微小有色金屬元件連接中應用較為廣泛。但是超聲波金屬焊接的質量無法直接檢測，現在大部分生產采用以下方法進行質量檢測：正式生產前，通過大量試驗獲得設備的優化參數[2-3]；生產后，離線抽樣進行破壞性檢測。由于超聲波金屬焊接是一個多變量耦合的復雜的動態變化過程[4-5]，目前實用的在線質量檢測方法還沒有形成。在實際超聲波焊接試驗中，隨著焊接過程的進行，換能器驅動信號是不斷變化的，并且與焊接質量呈現一定的關系。本質上，超聲波金屬焊接就是一個能量消耗、界面微觀特征逐漸形成的過程。采集分析換能器驅動信號的變化，即能量輸入變化的過程，不僅能反應焊接過程中真實的物理過程，而且也能發現焊接質量與驅動信號之間的關系。因此結合本實驗室超聲波焊接設備的特點，研發了一套信號采集與分析系統。

1 超聲波焊接系統的組成

數據采集系統的開發是以本實驗室的超聲波焊接系統為試驗對象，整體結構如圖1所示，主要由超聲電源、換能器系統兩部分組成。超聲電源具有快速的頻率跟蹤功能。換能器系統主要由壓電換能器、變幅桿、工具頭等組成。其工作原理為：壓電換能器將電信號轉化為機械振動，機械振動經變幅桿傳輸、放大，再經過工具頭作用于工件，在壓力的共同作用下，實現焊件的連接。

圖1 超聲波金屬焊接系統結構示意

2 采集系統硬件設計

本系統主要是以傳感器、數據采集卡和計算機對信號進行自動采集、分析、顯示和存儲，其工作過程為：各個被測信號經過相應的傳感器后轉換為電壓信號，再經信號調理電路濾波、放大處理后，由數據采集卡輸入計算機，最后計算機對信號進行顯示、存儲、分析等處理。其整體結構框圖如圖2所示。

圖2 數據采集系統整體框圖

2.1 數據采集卡

本系統選用NI公司的PCI-6133數據采集卡，這是一種基于PCI總線的數據采集卡，該卡可同步采樣8路模擬信號，每個通道最高采樣率可達3 M/s，分辨率為14位，板上存儲量為16M。此采集卡配合臺式電腦組成高性能的數據采集系統，符合本系統的要求。

2.2 傳感器和信號調理

換能器驅動電壓高達1 000 V，遠高于數據采集卡能夠承受的最高電壓10 V，所以電壓信號需要采用分壓電路衰減400倍后輸入數據采集卡進行采集，衰減后輸出電壓U1。電流通過高頻電流互感器TAK12-01測量，測得電壓為U2。振動信號通過基恩士LK-G5000系列超高速、高精度CMOS激光位移傳感器測量，電壓為U3。最后把所有通過傳感器測得的信號經過調理電路接入采集卡PCI-6133中。其接線原理如圖3所示

圖3 信號采集接線示意

測量信號與實際信號的關系：電壓U=400U1；電流 I=U2；振幅 A=300 U3。

由于焊接過程中存在高頻干擾，所以設計了有源二階巴特沃斯低通濾波器，采用二階MFB（Multiple Feedback）電路，設計截止頻率fc=100 kHz，如圖4所示。前級為差分電路，采用精密運放INA117，具有非常高的共模輸入電壓±500 V，對后面的電路起隔離保護作用。驅動電壓、電流信號采用該調理電路，振動信號采用位移傳感器自帶的調理電路。

圖4 調理電路

3 采集系統軟件設計

數據采集系統使用軟件LabView2010，編程采用的是G語言，是一個LabVIEW程序的編程環境由前面板和流程圖兩部分組成。前面板是虛擬儀器的用戶交互接口，其功能相當于實際儀器的面板。流程圖窗口用于編輯虛擬儀器的圖形化源代碼。軟件前面板設計如圖5所示，采集系統程序流程如圖6所示。

除了具有采集功能，軟件還具有采集參數設置、采集數據顯示、數據保存、數據初步處理、意外錯誤處理等功能。系統軟件總體結構設計如圖7所示。

數據采集模塊可實時顯示采集到的各種參數的波形，通過一個選擇開關還可控制是否對焊接各種數據進行保存。

數據處理模塊可進行波形回放、時域分析、頻域分析和小波分析等，其中每一分析程序又做成了子模塊，以供調用。該模塊的前面板設計類似主界面的前面板。其中波形回放具有對已存儲電壓電流位移數據進行動、靜態回放，分別、層疊和錯開顯示等功能；時域分析主要是對信號進行求平均值、有效值等；頻域分析主要是對信號進行快速傅里葉變換；小波分析主要是對信號進行小波分解、小波重構等。

圖5 數據采集系統前面板

圖6 LabVIEW數據采集程序流程

4 數據采集系統實驗

在吉普超聲波金屬焊接機上進行實驗。設置焊接壓強0.4 MPa，焊接時間0.35 s，驅動電壓90 V。焊接試樣（0.2 mm厚的銅箔）是根據ASTM關于拉伸試驗的國際標準準備的，如圖8所示。采集系統采樣頻率設置為1 MHz；使用中間觸發方式，觸發源為通道0（采集電壓），觸發電平0.5 V，觸發前預采50 000點，采樣時間0.6 s。等待時間設置60 s，即如果60 s內采集系統沒有被觸發，軟件將超時退出。

圖7 系統軟件總體結構設計

圖8 焊接試樣規格

圖9為上述采集系統所獲得的1組典型焊接信號(電流信號、電壓信號和振動位移信號)曲線。圖中每條曲線展開后每個超聲周期約40個采樣點，足以了解焊接過程的每一個細節。

從圖9中可以看出，焊接過程中電壓、電流、振動位移信號隨時間的變化都出現了明顯的變化。電壓信號在超聲焊接開始后迅速出現一個峰值，達到約1 000 V，隨后信號幅值降低趨于穩定，幅值約550 V。電流信號和電壓信號趨勢一致，在開始出現一個峰值，然后幅值降低趨于穩定，幅值約0.8 A。振動位移信號在整個焊接過程中不穩定，處于波動狀態，振動幅值約15 μm。

5 實驗結果分析

采用上述采集軟件獲得了大量超聲波金屬焊接過程中的電流、電壓、振動位移等信號，這些信號包含了反映焊接強度生成過程的特征。

通過實驗發現，在實驗條件不變的條件下，電流信號的變化很大程度上反應了焊接強度，本研究主要對電流信號進行分析。使用Matlab軟件，采用小波分析的方法分析電流信號。

首先采用db10小波基[6]，對電流信號進行小波分解，分解為5層，然后計算各頻率段信號有效值。

采用上述小波分析方法獲得的電流信號主要頻率段有效值曲線如圖10所示。

圖9 超聲金屬焊接過程電壓、電流、振動信號

圖10 電流信號主要頻率段有效值曲線

由圖10可以提取如下電流信號特征：

（1）各頻率段信號有效值的平均值及方差。

（2）16～32 kHz頻率段信號有效值的最大值、最小值。

（3）16～32 kHz頻率段信號穩定階（150~400 ms）有效值的平均值與方差。

上述特征值與焊接強度直接的關系為：

（1）電流信號的16～32 kHz頻段有效平均值A。

（2）電流信號的16～32 kHz頻段有效值最大值與最小值的差值d。

若d值很小，則焊接強度低。超聲波金屬焊接是一個能量消耗、界面微觀特征逐漸形成的過程，其消耗能量的過程應該隨著焊接過程變化，其表現為阻抗、電流的變化過程。在焊接過程中，d值變化不大，說明微觀界面沒有形成，導致焊接失敗。

6 結論

（1）根據超聲波金屬焊接實驗平臺的結構，構建了采集焊接過程中換能器驅動電壓、電流信號、振動位移信號的測量電路；基于NI公司的高速數據采集卡PCI6133，采用LabView軟件開發了超聲波金屬焊接信號采集系統，實現了焊接過程中上述信號的實時采集、數據保存、波形顯示以及信號的頻譜分析和處理。

（2）使用Matlab軟件，采用小波分析方法分析電流信號，找到了兩個與焊接質量有關的特征：若16～32 kHz頻段信號有效值平均值很小，或者16～32 kHz頻段信號有效值變化趨勢不明顯，焊接失效。

[1]趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業出版社，1990.

[2]Elangovan S，Prakasan K，Jaiganesh V，Optimization of ultrasonic welding parameters for copper to copper joints usingdesignofexperiments.InternationalJournalofAdvanced Manufacturing Technology，2010（51）:163-171.

[3]PanteliA，ChenYC，StrongD，etal.OptimizationofAluminiumto-Magnesium Ultrasonic Spot Welding.JOM，2012，64：414-420.

[4]Bakavos D，Prangnell P B.Mechanisms of joint and microstructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminium automotive sheet.Materials Science and Engineering A，2010，527：6320-6334.

[5]王福亮，韓 雷，鐘 掘.超聲功率對引線線鍵合強度的影響[J].機械工程學報，2007，43(3)：107-111.

[6]張德豐.Matlab小波分析.北京：機械工業出版社，2011.