CN101013107B - 用于监控焊接操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于监控焊接操作的系统和方法。本发明提供一种用于监控焊接操作的系统(10)。该系统包括：超声波发生器(28)，其适于在焊接操作期间向目标材料(12)传送超声波；以及超声接收器(30)，其适于接收传播通过该目标材料(12)的超声波。该系统(10)还包括信号处理器(36)，其适于通过提取对应于来自超声波的扭转模式的数据并且将该数据与对应于可接受焊接水平的曲线相比较来确定在焊接操作期间产生的焊接的质量水平。

Description

用于监控焊接操作的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及一种用于监控焊接操作的技术，尤其涉及在焊接操作期间监控焊接质量水平。

背景技术

多种焊接操作类型已为人所知并且正在使用。例如，可以利用点焊操作来焊接两个或更多的金属片。点焊利用点焊机，所述点焊机包括固定在点焊机的钳夹内的两个铜电极。待焊材料被夹在两个电极之间。典型地，可以施加压力以便将电极固定在一起，并且引入电流通过所述电极和材料。此外，被焊材料的电阻显著地高于所述电极的电阻。结果，产生足够的热量来熔化金属。电极上的压力迫使两个金属片上的熔融点结合，并且保持该压力以便促进金属的固化。希望确定通过所述焊接操作产生的焊接质量来确保所焊接的系统(比如汽车框架)的结构完整性。

不幸的是，当前的焊接监控技术对于在焊接操作期间确定焊接质量不是很有效。在某些系统中，在组件中实施过量的点焊以确保所焊接的系统的结构完整性。这种多余的焊接对于制造商导致相对更高的工艺时间和额外的成本。此外，系统中的过量焊接还增加了最终产品上出现腐蚀区的可能性。

在某些系统中，可以采用破坏性测试来确定焊接质量。典型地，用锤子和凿子分开通过焊接工艺结合的材料，以便评估焊接以及焊接周围的材料的强度。此外，可以周期性地执行此类破坏性测试来确定焊接工艺的质量。这样的测试相对耗时，并且还导致材料的浪费。

在某些其他的系统中，已经使用离线的超声系统来提供焊接质量的指示。然而，这些系统是在工艺完成并且焊点已经固化之后对焊接质量进行检查。这样的系统不能在焊接操作过程中提供有关焊接质量的信息。此外，现有的超声系统检查一个组件的所有焊接的焊接质量可能需要相对较长的时间。

因此，期望开发一种用于监控焊接操作的技术。更具体地说，期望开发一种可以实时监控在焊接操作工艺期间产生的焊接质量的技术。

发明内容

简短的说，根据本发明的一个实施例，提供一种用于监控焊接操作的系统。该系统包括：超声波发生器，其适于在焊接操作期间向目标材料传送超声波；以及超声接收器，其适于接收传播通过该目标材料的超声波。该系统还包括信号处理器，其适于从超声波中提取对应于扭转模式(torsional mode)的数据并且将该数据与对应于可接受质量水平的曲线相比较，从而确定在焊接操作期间所产生的焊接的质量水平。

在另一实施例中，提供一种在焊接操作中监控焊接质量的方法。该方法包括：在焊接操作期间向目标材料传送超声波，并且接收传播通过该目标材料的超声波。该方法还包括提取对应于超声波的扭转模式的数据并且评估该数据，以便确定在焊接操作期间所产生的焊接的质量水平。

附图说明

本发明的这些和其他特点、方面和优点将在下面参照附图进行的详细说明中变得更好理解，在附图中，相同的符号始终指代相同的部件，其中：

图1概略地说明根据本发明技术的各方面的用于监控焊接操作的系统；

图2概略地说明根据本发明技术的各方面的、在图1的系统中采用的示例性杆和盖(shank and cap)组件；

图3概略地说明根据本发明技术的各方面的、从图1的系统所产生的超声波施加在示例性杆和盖上的扭力；

图4是根据本发明技术的各方面通过图1的系统产生的良好焊接的示例性振幅曲线；

图5是根据本发明技术的各方面的不良焊接的示例性振幅曲线；

图6的流程图示出对来自图1的系统的信号进行处理以便确定在焊接操作期间产生的焊接质量水平的示例性处理；

图7的流程图示出对来自图1的系统的信号进行处理以便确定在焊接操作期间产生的焊接质量水平的另一种示例性处理；

图8的示例性曲线图说明根据本发明技术的各方面的、对于焊前条件由图6和图7的处理所产生的原始信号和已滤波信号；

图9的示例性曲线图说明根据本发明技术的各方面的、在焊接操作期间接收的由图6和图7的处理所产生的原始信号和已滤波信号；以及

图10的示例性曲线图说明根据本发明技术的各方面的、对于焊后条件由图6和图7的处理所产生的原始信号和已滤波信号。

具体实施方式

如下面将详细讨论的那样，本发明技术的各实施例用于在焊接操作(例如点焊操作)期间监控焊接质量水平。现在参考附图，首先参照图1，其中示出了用于监控对于目标材料12的焊接操作的系统10。焊接监控系统10包括第一电极14和第二电极16。此外，第一电极14包括：探头端部18，其直接与目标材料12相耦合；以及杆20，其与焊接控制器22相耦合。类似地，第二电极16包括探头端部24以及与焊接控制器22相耦合的杆26。

在目前设想的结构中，系统10包括超声波发生器28，其适于向目标材料12传送超声波。此外，系统10包括超声接收器30，其适于接收传播通过目标材料12的超声波。在所示实施例中，超声波发生器28被置于目标材料12第一侧的焊杆20上。此外，超声接收器30被放置在第二侧的焊杆26上，所述第二侧与目标材料12的第一侧相反。在某些实施例中，超声波发生器28和超声接收器30可以被放置在系统10的焊钳上，以便产生扭转导波。

在图1所示的实施例中，超声波发生器28和超声接收器30包括至少两个安装在焊杆20和26上的压电元件。在某些实施例中，可以将单个压电元件安装在焊杆20和26上。所述压电元件被配置成在焊杆20和26中产生扭转导波。所述压电元件的例子包括(但不局限于)压电材料和压电合成物。在一个实施例中，超声波发生器28和超声接收器30包括电磁声学换能器。在一个可选择的实施例中，超声波发生器28和超声接收器30包括电容性微机械超声换能器。在某些实施例中，选择诸如源频率、孔径、入射位置和角度之类的参数，以便产生所期望的扭转导波。而且，所产生的扭转导波的频率高于1MHz。在一个实施例中，所述扭转导波的频率在大约1MHz到大约2MHz的范围内。如所示出的那样，超声波发生器28和超声接收器30与超声仪器32相耦合，以便促进通过超声波发生器28和超声接收器30产生和接收超声波。

在操作中，目标材料12以相对较高的压力被夹在第一和第二电极14和16之间。在某些实施例中，目标材料12包括两个或更多的金属片，比如钢和铝金属片。此外，引入电流流过第一和第二电极14和16并且通过目标材料12。结果，产生充足的热量以熔化金属。在第一和第二电极14和16上的压力迫使两片目标材料12中的熔融点结合，并且保持该压力，以便促进金属的固化以及在两片目标材料12之间形成焊接。在所示出的实施例中，施加到第一和第二电极14和16的压力和电流通过焊接控制器22进行控制。特别地，可以采用活塞(未示出)来向目标材料12施加所期望的压力。这样的活塞可以与第一和第二电极14和16相耦合。在一个可选择的实施例中，可以采用伺服电动机来向目标材料12施加所期望的压力。此外，电源(未示出)与第一和第二电极14和16相耦合。同样地，由电源施加到第一和第二电极14和16的电流量通过焊接控制器22进行控制。

如上所示，所述压电元件被配置成在焊杆20和26中产生扭转导波。此外，利用对应于来自超声波的扭转模式的数据来确定所产生的焊接的质量水平。在所示出的实施例中，系统10包括数据采集单元34以便从超声仪器32中提取数据。此外，信号处理器36与数据采集单元34相耦合，以便处理由数据采集单元34所采集的数据。在当前实施例中，信号处理器36提取与来自超声波的扭转模式相对应的数据，并且将所提取的数据与对应于可接受质量水平的曲线进行比较。因此，通过在系统10中产生的扭转导波来实时监控所产生的焊接的质量，所述扭转导波由放置在焊杆20和26上的压电元件产生。本领域技术人员将认识到，可以监控其他类型的超声波模式，以便在焊接操作期间确定焊接质量。这种模式的例子包括纵向模式、模式等等。

图2说明在图1的系统10中采用的示例性杆和盖组件40。如图所示，组件40包括焊接端部42和焊杆44。形成所述超声波发生器28和超声接收器30的压电元件可以直接安装在焊杆44的表面上。或者，所述压电元件可以通过角楔(angle wedge)而被安装在焊杆44的表面上。此外，诸如平切口46之类的特征可以被机械加工在焊杆44的表面上，以便于压电元件的安装。在当前实施例中，两个或更多压电元件(其为剪切探头(shear probe))被安装在焊杆44的表面上，并且其指向使得在组件40中产生扭转导波。下面将参照图3描述通过压电元件产生扭转导波。

图3说明由图1的系统产生的超声波对于所述示例性杆和盖组件的扭力50。在所示实施例中，压电元件52和54被安装在焊杆44上，并且其指向使得在组件40中产生扭转导波。在一个实施例中，可以采用两个压电元件52和54，以便在压电元件52、54和焊杆44的表面之间的接触区域中产生横波。此外，压电元件52和54可以被安装在焊杆44的两个相反侧并且被异相激发，从而产生扭转导波56。

上述示例性配置在两个杆的端部之间产生通过待焊目标材料的扭转导波。此外，信号处理器36提取与来自超声波的扭转模式相对应的数据，并且将所提取的数据与对应于可接受质量水平的曲线进行比较，以便确定在焊接操作期间产生的焊接的质量水平。在一个实施例中，信号处理器36被配置成确定对应于来自超声波的扭转模式的振幅曲线，正如以下参照附图4、5所述的那样。

图4示出通过图1的系统10产生的良好焊接的示例性振幅曲线60。振幅曲线60的纵轴代表超声波的振幅62，横轴代表焊接时间64。在所示实施例中，对于未涂覆钢，该数据对应于具有大约2MHz频率的超声波。如图所示，对于良好的焊接，2MHz频率下的振幅在一段时间内降低。应当注意的是，在焊接操作期间，由于熔融金属的剪切模量的损失，扭转的透射被显著减少，从而导致信号振幅的降低。图5示出不良焊接的示例性振幅曲线66。同样地，对于未涂覆钢，该数据对应于具有大约2MHz频率的超声波。可以看到，对于不良焊接，超声波振幅不会在一段时间内增大。因此，对应于来自超声波的扭转模式的振幅曲线指示焊接质量。更具体地说，可以将对应于来自超声波的扭转模式的振幅曲线与对应于可接受焊接质量的曲线相比较，以便确定和监控焊接质量。

如上所示，信号处理器36(参见图1)被配置成通过提取对应于来自超声波的扭转模式的数据并且将该数据与对应于可接受质量水平的曲线相比较来确定焊接质量水平。在一个实施例中，信号处理器36为了确定在焊接操作期间产生的焊接质量水平而采用数字模式分类。可选择的是，超声波的频率可以由信号处理器36来分析，以便将扭转模式从超声波的其他模式中分离出来。此外，信号处理器36可以采用一个时间-频率滤波器以便将扭转模式从超声波的其他模式中分离出来。在某些其他实施例中，可以控制诸如电流、电压和电极温度之类的参数，以便控制焊接质量水平。

图6的流程图示出用于处理来自图1的系统的信号以便确定在焊接操作期间产生的焊接质量水平的示例性处理70。处理70采用时间-频率滤波器以用于将扭转模式从超声波中分离出来，从而促进对焊接质量的监控。在所示实施例中，获得用于焊接的A扫描72。此外，执行一个时间-频率变换74以便确定关注区(ROI)76。在该实施例中，所述时间-频率变换包括短时间傅里叶变换(STFT)。然而，其他时间-频率分布也落在本技术的范围内。在一个实施例中，所述时间-频率变换包括小波变换。在当前实施例中，存储所述关注区76，以便用作后续A扫描的二维滤波器掩模，如附图标记78所示。

接下来，通过执行A扫描80的时间-频率变换82将对应于每个焊接的A扫描80转换到时间-频率表示。随后通过滤波器84执行对于所述时间-频率表示的滤波。在所示实施例中，采用STFT来执行时间-频率变换。特别地，通过利用从先前A-扫描80确定的ROI86来执行所述滤波。此外，执行逆时间-频率变换88来确定诸如超声波的最大振幅、延迟和相位之类的参数。在此实施例中，所述逆时间-频率变换88包括逆短时间傅立叶变换(ISTFT)。对于为每个焊接所采集的每个A扫描存储这样的参数，以便监控在焊接操作期间产生的焊接的焊接质量，如附图标记90所示。

图7的流程图示出用于处理来自图1的系统的信号以便确定在焊接操作期间产生的焊接质量水平的另一个示例性处理92。在所示实施例中，对于每个焊接获得B扫描94。此外，接着通过执行快速傅立叶变换96而将所有焊接的A扫描转换到频域，以便获得傅立叶域内的B扫描98。接着，对于预定带宽102通过带通滤波器100对所获得的B扫描98进行带通滤波。应当注意的是，所期望的带宽102可以由焊接监控系统10(参见图1)的操作者来指定。随后，为了监控焊接质量，对于每个焊接A扫描94合计并且存储从带通滤波器100获得的通带振幅104，分别如附图标记104和106所示。上述处理可以被重复，以便处理对应于为每个焊接采集的每个A扫描的信号。

图8的示例性曲线图108说明在挤压阶段期间对于焊前条件由上面参照图6和图7描述的处理所产生的原始信号110和已滤波信号112。纵轴114代表信号的振幅，横轴116代表在所产生的信号和所接收的信号之间的过渡。在所示实施例中，原始信号110对应于超声波的多个模式。例如，原始信号110可以对应于扭转波、膨胀波和弯曲波以及其他波的结合。对原始信号110进行处理，以便产生已滤波信号112，其对应于超声波的扭转模式。在当前实施例中，已滤波信号112与原始信号110相比指示相对较小的频带的振幅曲线。如上所示，可以通过采用以上参照图6、7描述的时间-频率变换或者频域变换来对原始信号110进行滤波。然而，其他的滤波技术也在本发明的范围内。

图9的示例性曲线图118说明在焊接操作期间对于“通电流”阶段接收的、由图6和图7的处理所产生的原始信号120和已滤波信号122。同样地，原始信号120表示对应于超声波的多个模式的振幅曲线。采用上述信号处理技术将原始信号120转换为已滤波信号122，所述滤波信号122对应于焊接操作期间的扭转模式。可以监控所述已滤波模式的振幅，以便评估在焊接操作的不同阶段之间的焊接质量。例如，在焊前操作期间的已滤波信号122的最大振幅大于焊接操作中的已滤波信号112的最大振幅。超声波的所述已滤波信号的振幅随时间而改变，并且指示焊接质量。

图10是另一个示例性曲线图124，其根据本发明技术的各方面说明在“断电流”阶段中对于焊后条件由图6和图7的处理产生的原始信号126和已滤波信号128。如图所示，对应于焊后条件的原始信号126被处理，以便确定对应于超声波的扭转模式的已滤波信号128。此外，监控已滤波信号126的最大振幅，以便指示焊接质量。在所示实施例中，对应于焊后条件的已滤波信号128的最大振幅显著大于焊接操作期间的已滤波信号122的最大振幅。因此，通过对于焊接操作的不同阶段监控超声波的已滤波信号的振幅，可以确定焊接的焊接质量。

本领域技术人员将认识到，可以评估所述已滤波信号的某些其他参数来确定焊接的质量水平。在一个实施例中，基于透射过目标材料的超声波的减少来确定焊接的质量水平。在一个可选择的实施例中，焊接的质量水平是基于数字信号模式分类而被确定的。在某些实施例中，可以监控行程时间以便确定焊接质量。此外，可以采用所述技术来确定在焊接操作期间产生的焊接的参数。这样的参数的例子包括：焊接厚度、焊接直径等等。

此外，可以基于焊接质量水平来控制焊接操作的参数，以便达到可接受的质量水平。在一个实施例中，所述参数包括施加给第一和第二电极14和16的电流(参见图1)。在某些实施例中，所述参数包括施加给第一和第二电极14和16的压力量。在某些其他实施例中，所述参数包括向第一和第二电极14和16施加电流或压力的时间。如上所述，可以通过焊接控制器22在焊接操作期间控制这样的参数(参见图1)。

本领域技术人员将认识到，上述焊接监控系统可以被用于对焊接的焊接质量进行闭环控制。因此，通过该系统确定的焊接质量可以被用来控制焊接操作的参数，以便达到可接受的质量水平。此外，所述技术可以被用于在焊接操作期间对后续焊接的质量进行前馈控制。对于一个焊接所确定的焊接质量可以被用来调节焊接操作的参数，以便控制后续焊接的质量。

上文所描述的方法的各方面可用于监控焊接操作。例如，上述技术可以被用于监控在点焊操作期间产生的焊接的质量水平。如上所述，更为普遍的是，本文所述的方法有利于实时监控在焊接操作工艺期间产生的焊接的质量。有利的是，对于焊接的实时监控促进对焊接质量的实时控制。

虽然只说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和改变。因此应当理解，所附权利要求书意图覆盖落在本发明的真实范围内的所有这种修改和改变。

元件列表

10 焊接监控系统

12 目标材料

14 第一电极

16 第二电极

18 第一电极的端部

20 第一电极的杆

22 焊接控制器

24 第二电极的端部

26 第二电极的杆

28 第一电极上的压电元件

30 第二电极上的压电元件

32 超声仪器

34 数据采集单元

36 信号处理器

40 电极轮廓

42 端部

44 杆

46 压电元件的位置

50 扭转模式

52 第一压电元件

54 第二压电元件

56 扭力

60 良好焊接的振幅曲线

62 振幅

64 时间

66 不良焊接的振幅曲线

70 信号处理方法

72-90 信号处理方法的步骤

92 信号处理方法

94-106 信号处理方法的步骤

108 对应于焊前条件的振幅曲线

110 原始信号

112 已滤波信号

114 振幅

116 时间

118 对应于焊接的振幅曲线

120 原始信号

122 已滤波信号

124 对应于焊后条件的振幅曲线

126 原始信号

128 已滤波信号

Claims (4)

1.一种用于监控焊接操作的系统，包括：

设置在目标材料相反侧上的第一焊杆和第二焊杆；

超声波发生器，包括安装在所述第一焊杆的两个相反侧上的两个单独压电元件，并且适于在焊接操作期间向所述目标材料传送超声波，其中所述两个单独压电元件被异相激发以在所述第一焊杆中产生扭转导波；

超声接收器，包括安装在所述第二焊杆的两个相反侧上的两个单独压电元件，并且适于接收传播通过所述目标材料的超声波；以及

信号处理器，适于通过将扭转超声模式从超声波中分离出来而提取对应于扭转超声模式的焊接时间与信号幅度曲线并且通过将提取的曲线与对应于可接受焊接水平的参考焊接时间与幅度曲线进行比较来监控焊接的质量水平。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述超声波发生器和所述超声接收器包括电磁声学换能器或者电容性微机械超声换能器。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述信号处理器采用数字模式分类来确定在焊接操作期间产生的焊接的质量水平。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述信号处理器被配置成分析超声波的频率，以便将扭转模式从其他超声波模式中分离出来。

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