基于點焊監測波形的焊接質量在線判定

李　顯，李　強

（1.北京市工業技師學院機電應用技術系，北京100023；2.北京奔馳汽車有限公司北京100176）

基于點焊監測波形的焊接質量在線判定

李顯1，李強2

（1.北京市工業技師學院機電應用技術系，北京100023；2.北京奔馳汽車有限公司北京100176）

利用傳感技術形成電阻點焊信息采集系統，采集點焊過程質量信息，包括焊接電流、焊接電壓、動態電阻和電極位移等。實時輸出各參數波形，并依據波形變化特征對焊接質量進行在線判定，同時分析焊接熱量變化對焊接質量的影響，從而定量分析焊件熔核尺寸、壓痕深度、是否飛濺等質量信息，并可對焊核的焊接強度做出定性判定。

點焊；監測波形；焊接質量；焊接熱量

0　前言

電阻點焊是在對焊件施加壓力的過程中接通電流，從而產生焊接熱量，熔化成形的一種焊接方法。由于焊核成形過程的復雜性，所以對焊核質量的傳感測量尤為重要。建立點焊信息采集系統，根據采集到的實時信息來判斷焊接質量。

在此詳細分析監測波形與焊接質量的關系，并多參數、多角度判定焊核好壞，彌補波形分析的簡陋性、不深刻徹底性及單一參數的不確定性。通過大量實驗分析采集到的焊接電流波形、焊接電壓波形、動態電阻波形和電極位移波形特點，與焊接質量聯系起來并加以驗證，最終形成了一套完整的判別焊接質量理論—波形分析理論。

1　點焊信息采集系統

點焊機采用中頻直流點焊機，輸出電源頻率1 000 Hz，電源容量90 kVA，最大焊接電流19 kA。

選擇不銹鋼304L；三層板焊接，尺寸120 mm× 30mm×1.8mm、30mm×30mm×1.8mm、120mm×30mm× 2.8mm，厚度為1.8mm+1.8mm+2.8mm=6.4mm；30mm× 30mm×1.8mm板放在其他兩板之間，搭接長度30mm。

選擇恒電流控制法，即在每次焊接工藝中把每段電流值設定為恒定值，電流的大小不隨焊接過程而變化。其中，焊接電流所取的不同恒定值反映了焊接熱量Q的變化。

在焊機上安裝電流、電壓、位移傳感器，通過與數據采集卡的連接，在工控機上顯示監測波形。

2　波形分析原理

采集到的波形曲線實時地反映了焊接過程的變化信息，所以正確分析波形特點，形成一套完整的分析方法，對判斷被焊工件以及提高效率都有重要影響。

2.1焊接電流波形

焊接電流是電阻點焊的三要素之一，在焊點形成的過程中，對焊接電流進行準確控制是保障焊接質量的必要條件，而精確監測是精確控制焊接電流的前提，也是得到可靠的動態電阻的前提。中頻逆變直流焊機是將工頻（50 Hz）交流變換為中頻（1 000 Hz）直流輸出，時間調節分辨率可達1 ms，控制精度隨之提高，并且輸出電流不受次級輸出回路的變化影響，熱效率也較高，輸出功率也很大，焊接質量也更好。實測電流傳感器輸出波形如圖1所示，可以看出在預熱電流、焊接電流和回火電流的每一段都采用恒電流控制。

圖1　實際電流波形

2.2焊接電壓波形及其導出的動態電阻波形

2.2.1電壓信號

應用中頻直流點焊機進行焊接，焊接過程是恒電流焊接，因此焊接電壓由焊接過程的動態電阻決定，U=IR。304L不銹鋼點焊的無飛濺和有飛濺的電壓波形如圖2、圖3所示。動態焊接電壓的來源是動態電阻，動態電阻反映了焊核形成的全過程，下面主要分析動態電阻曲線的形成機理。

圖2　無飛濺的電壓波形

圖3　有飛濺的電壓波形

2.2.2動態電阻信號

通過歐姆定律可知R=U/t，通過對焊接電流、電壓的精確檢測，可以通過運算得出動態電阻曲線。

304L不銹鋼動態電阻變化如圖4所示。將動態電阻曲線分為：陡降區、緩降區1、平緩區、緩降區2。焊接結束時刻出現向上的尖峰，是由于焊接電流突然消失，電壓信號稍有滯后造成的，在此不作分析。如圖4所示，在焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊接區溫度快速升高，試件表面的氧化薄膜迅速燒結，粗糙的表面迅速瓦解，由于接觸電阻的快速下降，動態電阻曲線出現陡降，出現陡降區；隨著焊接時間的推進，表面接觸電阻已經基本消失，動態電阻緩降，出現緩降區1；同時，焊接區的溫度升高，材料內阻增加，這個階段接觸電阻降低和材料內阻增加之間相互競爭，整體趨勢是內阻不斷增加，工件間的接觸電阻逐漸消失，出現平緩區；在此之后，材料發生了熔化，由于液態金屬的電阻比固態金屬低，所以動態電阻再次緩降，出現緩降區2。在動態電阻再次緩降區，動態電阻下降的越多，說明熔化的液相金屬越多。在不發生飛濺時，熔化的金屬越多，熔核直徑越大，但是如果焊接電流過大，電極壓力不足以將液相金屬保留在塑性環內，過多的液相金屬會飛出熔核區，即發生飛濺。所以當動態電阻變化較大時，表明產生了飛濺。

圖4　304L動態電阻曲線

（1）動態電阻波形分析。

隨著焊接輸入熱量Q的不斷增加，實際采集計算出的動態電阻波形如圖5所示。

由圖5可知，隨著焊接電流不斷增大，即熱量輸入的增加，出現以下現象：（1）在焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，隨著熱輸入增加，試件表面的氧化薄膜燒結速度越來越快，粗糙的表面瓦解越快，接觸電阻下降越快；（2）隨著熱輸入的增加，平緩區的時間越來越短，緩降2的開始時間節點也越來越靠前，說明試件開始熔化的時間越來越靠前；（3）圖5e所示的動態電阻曲線在緩降2的區域內發生了陡降，說明熱輸入過大，發生了飛濺；（4）隨著熱輸入的增加，在焊接電流結束的最后時刻，在不發生飛濺的情況下，動態電阻曲線收尾值越來越小，由于液態金屬比固態金屬電阻低，所以說明動態電阻收尾值越小，熔化的液相金屬越多，焊接質量越好。

圖5　不同熱量輸入下動態電阻曲線

2.3電極位移波形

監測電極位移的變化是確定熔核大小的一種實用方法，在焊接過程中熱膨脹和工件從固體到液體的體積變化引起的電極位移變化能夠很好的反映和預測焊接質量。那么，對一個特定材料和厚度的工件，必然存在一個合格焊點對應熔核大小的范圍，所以也將有一個合格焊點對應的電極位移范圍，如圖6所示。如果最終電極位移在最低和最高值之間，那就可以保證一個良好的焊接質量。輸入焊件的能量導致了電極位移的變化，同時也是決定焊接質量的因素。反過來，傳遞給焊件的總能量是由焊接電流和焊接時間決定的。為了控制焊接質量，就需要建立熱輸入和電極位移之間的關系。

圖6　電極位移變化曲線

在電流流過焊件期間，由于焦耳熱導致的溫度上升，使焊接接頭部分開始膨脹。同樣，一旦焊接電流終止，焊接接頭就會受冷收縮。由于焊接過程中的冷熱變化，接頭處始終發生著改變，這種現象能夠在電極位移上反復表現出來。不同熱輸入下的電極位移曲線如圖7所示。

如圖7a所示，當輸入熱量非常小時，接頭內阻和由大壓力導致的工件表面的接觸電阻因熱量輸入而膨脹，電極位移曲線反映了接頭處的熱膨脹。但是，熱量很小的輸入不足以引起搭接面的熔化或者只熔化很少一部分，所以基本沒有形成熔核組織和固體到液體轉換而引起的體積膨脹。一旦電流終止，供熱結束，接頭開始冷卻，電極位移會基本回到焊接起始時的位置。

隨著熱輸入量的增加，溫度和焦耳熱速率也隨著增加。首先，由圖7b可知，焊接接頭進入焊接過程后開始熔化，形成熔核，然后熔核開始增長。然而，在這種特殊情況下，熱輸入仍不夠高，以至于不能形成一個足夠大的熔核，結果會導致產生一個未成形的熔核，焊接強度較低。當在這種情況下停止熱源，熱膨脹隨之消失，熔核也從液相變回固相，體積變小引起電極位移下降。

當熱量輸入達到一定水平后，一個理想的熔核才能形成。從圖5c和圖7d可以看出，材料的相變和熱膨脹引起電極位移變化的原理和圖7b一樣，但是圖7c、圖7d的熔核在整個焊接過程中形成的更早且尺寸更大，在電極位移曲線上反映出更快速和更大的變化。在冷卻過程中，相比圖7b、圖7c、圖7d，由于相變和熱膨脹更大，所以電極位移曲線在停止焊接電流后的變化也更大。

圖7　不同熱輸入下電極位移曲線

如果輸入的熱量過高，熔核過度生長，熔化的金屬過多會導致熔融金屬從接頭處飛出，見圖7e。飛濺是要努力避免的，因為它會使接頭產生缺陷或縮孔，并會使焊接強度有所下降。

3　焊接強度定性判定

由各個參數波形分析可做出如下定性判定，在未發生飛濺時，隨著焊接熱量Q的增加，工件的焊接強度也隨著增加；剛發生飛濺時，焊接強度有所下降，并隨焊接熱量的增加而繼續下降。

為驗證焊接強度判定，選取六種焊接規范，以電極位移波形分析為例，并對焊件做拉剪實驗。

焊接壓力采用一段加壓，壓力選擇5 000 N，焊接時間500 ms；所有參數以實際檢測值為準。將試樣在MTS-810 Material Test System上進行拉剪實驗，拉剪載荷100 kN，拉剪速度3 mm/min，實驗結果如表1所示。

表1　電極位移與拉剪力數據

由表1可知，符合焊接強度判定，即在規范4達到最佳焊接強度，規范5以后發生飛濺，強度也隨著降低，更進一步驗證了波形分析理論的可靠性。

4　結論

（1）建立精確地、高靈敏度地點焊信息采集系統對采集到的電流波形、電壓波形、動態電阻波形和電極位移波形的真實性和分析的準確性具有重要影響。

（2）利用波形整體走向、特殊位置點的變化趨勢和熱膨脹理論等，形成了一套完整的分析點焊監測波形理論，為點焊質量監測判定提供了一種完整方法。

（3）采用任一參數波形都可達到分析焊件好壞的效果，但利用多參數的波形曲線可以更準確地判定介于合格與不合格之間的邊緣焊接產品，最大程度防止棄真存偽錯誤的發生。

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Based on the welding quality of spot welding monitoring waveform online judge

LI Xian1，LI Qiang2
（1.The Industrial Technician Institute of Mechanical and Electronic Application Technology Department，Beijing 100023，China；2.BeijingBenzAutoCo.，Ltd.，Beijing100176，China）

Use of sensing technology form resistance spot welding information acquisition system，gather quality information spot welding process，including welding current，welding voltage，electrode displacement and dynamic resistance.Export parameters waveform in real-time，and online judge the quality of welding based on waveform characteristics，meanwhile analyze the influence of the welding heat on the welding quality，so as to realize butt fusion nuclear size，indentation depth，splash and other quality information to make quantitative analysis，and can make a qualitative determination of welding strength of weld nugget.

spot welding；monitoring waveform；welding quality；welding heat

TG441.7

A

1001－2303（2015）11－0122-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.25

2015-05-10

李顯（1989—），男，山東荷澤人，碩士，主要從事焊接方面的職業教育教學工作。