CN103994821B

CN103994821B - 一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法

Info

Publication number: CN103994821B
Application number: CN201410258296.7A
Authority: CN
Inventors: 罗怡
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: CN103994821A

Abstract

一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，其步骤如下：实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；由电阻点焊过程结构负载声发射信号动态波形提取出焊接喷溅的声发射信号；计算焊接喷溅过程声发射信号的频谱，并绘制频谱图；利用带通滤波器提取频率在1800Hz～2600Hz之间的频谱线；计算频率在1800Hz～2600Hz之间的频谱线的最大三个峰值的算术平均值；对焊接喷溅大小的定量评估的判断原则为：频率在1800Hz～2600Hz之间的三个最大谱线峰值的算术平均值越大，电阻点焊过程喷溅量越大。频谱的分析计算既可以采用功率谱，也可以采用幅值谱。利用本发明可以实现对电阻点焊焊接过程喷溅大小的定量评估。

Description

一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法

技术领域

本发明涉及评估电阻点焊喷溅的方法，适用于常用金属薄板结构材料电阻点焊焊接喷溅检测。

背景技术

电阻点焊是一种广泛应用于作为汽车制造的焊接方法，一部现代轿车上大约有3000-6000个电阻点焊焊点。因此，电阻点焊焊点质量的检测非常重要，焊接过程中高效率的焊点质量传感及其检测评估对于优化生产工艺，提高生产效率和焊接质量具有重要意义。焊接喷溅是金属材料电阻点焊中常见的一种现象，其产生原因是由于焊接电流熔化材料使连接界面形核，熔核因熔化形核而产生体积的快速膨胀，当电极压力以及熔核塑性环不足以压制熔核的体积膨胀时，熔核内部的液态金属喷出，从而形成焊接喷溅。焊接喷溅造成了熔核金属的损失，从而影响熔核的形核质量。当焊接喷溅较小时，对焊点的承载能力几乎无影响，当焊接喷溅较大时，却能降低焊点的承载能力。因此，焊接过程中既需要减小喷溅，对常见的焊接喷溅，也需要一种容易实现的快捷的检测方法。然而，电阻点焊过程中，熔核的形核过程并不能直接观测到，这为判断焊接喷溅的影响，进而检测电阻点焊焊点质量带来了困难。尤其是对于焊接喷溅这一类常见的熔核形核过程中的现象，长期以来缺少可靠的量化检测、评估方法。因此，电阻点焊过程中熔核形核质量信息的传感及其分析对于评价电阻点焊焊点质量具有重要的意义。为此，研究者采用多种方法检测熔核形核过程以表征熔核形核质量。

现有技术中，中国专利文献CN1609622A公开的点焊熔核直径的实时检测方法采用如下步骤：取与焊接件相同厚度的焊接试样进行多点点焊，通过测量与计算获得每点的动态电阻曲线；进而获得每点的准稳态电阻值r_D；沿贴合面剖开焊接试样，测量每个焊点的熔核直径d_核；根据每个焊点熔核直径d_核与准稳态电阻值r_D的对应关系，绘制出准稳态电阻值r_D与熔核直径d_核关系曲线；将不同厚度材料的r_D-d_核曲线存储在计算机系统中，当点焊某种材料时，计算机系统先获得该焊点的准稳态电阻值r_D，再与相同厚度材料的r_D-d_核曲线进行比较可获得对应的熔核直径，当熔核直径小于设定的标准值时，判定焊点质量不合格，实现实时检测。

中国专利文献CN101241001A公开的铝合金电阻点焊熔核直径实时检测方法采用如下步骤：采集点焊过程中的电极位移信号，并绘制出电极位移信号曲线图；从所得的电极位移信号曲线上提取出膨胀位移和锻压位移两个特征值；将铝合金焊接试板撕开，对电阻点焊熔核直径进行实测，建立所提取的特征值与实测的熔核直径相对应的样本对，并形成训练集；建立人工神经网络模型，并用所得样本对对模型依据BP算法进行训练，实现从特征值到熔核直径的映射；人工神经网络模型是两个输入、一个输出，中间一个隐层，隐层结点的数目是5的结构，隐层的转移函数为Sigmoid函数，输出层的转移函数为线性函数；将训练好的模型用于铝合金电阻点焊熔核直径的在线实时检测。

中国专利文献CN1220034C公开的多信息融合技术确定铝合金板材电阻点焊熔核面积的方法采用如下步骤：依据小波包变换及其能量谱原理、依据信息熵原理、依据模态分析原理，计算出点焊过程中电极电压、电流、电极位移和声音信号的特征量，建立神经网络模型，由特征量和熔核面积对神经网络模型进行训练。神经网络模型计算出的熔核面积与实测熔核面积对照，确定误差值，调整神经网络模型，直至达到误差要求范围。

在电阻点焊过程中，随着电阻点焊工艺、材料属性发生变化，能量转换的规律将发生相应的变化。尤其是熔核形核过程中发生的焊接喷溅，也是材料内部积蓄的能量的一种瞬间释放形式，可表现为按照一定规律释放出的结构负载声发射信号。当焊接喷溅大小不同时，瞬间释放的能量特征产生差异，使结构负载声发射喷溅信号特征产生相应区别，尤其是信号的频域特征。这为电阻点焊过程喷溅信息的实时传感及快速检测、定量评估提供了可能。

中国专利文献CN103487136A公开的一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测焊接喷溅的方法采用如下步骤：实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，绘制出动态波形图；提取出焊接喷溅的声发射信号；统计信号脉冲的幅度分布；将幅度大小分为若干等级Mi，并按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数Ni分别进行累计；以X轴表示幅度等级值Mi，Y轴表示按超过各幅度等级值Mi累计得到的声发射信号振铃计数的对数值log₁₀Ni，得到散点分布图；进行直线拟合；根据拟合直线与X轴和Y轴形成的直角三角形，三角形面积即为对应的电阻点焊过程焊接喷溅的能量当量。当量值越大，表明焊接喷溅越大，即焊接喷溅对熔核质量的影响越大。

本专利与中国专利文献CN103487136A公开的检测方法相比较，不需要根据信号脉冲幅度分布划分幅度等级，从而避免了由于幅度等级划分不当或幅度等级划分变化产生的检测误差。因而，对电阻点焊焊接喷溅的检测实现了快速、准确，且定量评估，尤其适用于镀锌钢板等在电阻点焊中易产生喷溅的金属薄板材料。

发明内容

为了更加快捷地对电阻点焊过程中产生的焊接喷溅进行检测，并量化评估，本发明针对常用金属薄板结构材料的电阻点焊，提供一种利用结构负载声发射检测焊接喷溅，并利用信号功率谱或幅值谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，该方法容易实施，便于评估判断，无损检测，具有检测灵敏度高，检测结果可靠，检测方法快捷，检测成本消耗低等优点。

本发明采取以下技术方案：

一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，该方法借助实时检测电阻点焊过程喷溅所产生的结构负载声发射信号实现对焊接喷溅大小的定量评估，所述检测方法的步骤如下：

（1）实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；

（2）由电阻点焊过程结构负载声发射信号动态波形提取出焊接喷溅的声发射信号；

（3）计算焊接喷溅过程声发射信号的频谱，并绘制频谱图；

（4）利用带通滤波器提取频率在1800Hz～2600Hz之间的频谱线；

（5）计算频率在1800Hz～2600Hz之间的频谱线的最大三个峰值的算术平均值；

（6）利用该峰值平均值对电阻点焊喷溅大小进行定量评估。

所述方法，对焊接喷溅大小的定量评估的判断原则为：频率在1800Hz～2600Hz之间的三个最大谱线峰值的算术平均值越大，电阻点焊过程喷溅量越大。

本发明的创新在于以实时监测到的电阻点焊过程中的结构负载声发射信号作为信息源，通过检测焊接喷溅的声发射信号，提取焊接喷溅信号的自功率谱或幅值谱等特征信息，并利用限定频域范围的谱线平均峰值大小量化评定焊接喷溅的大小级别，实现对电阻点焊过程焊接喷溅的快速、准确、定量检测。

本发明适用于实时、快速检测和评定电阻点焊过程的焊接喷溅，及其对熔核形核质量的影响。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）仅需要采集电阻点焊过程的结构负载声发射一种信号，数据计算量小，采集与分析系统的设计与制造容易实现；

（2）提取的焊接喷溅时的结构负载声发射喷溅信号自功率谱或幅值谱等特征信息都是与焊接喷溅变化关系密切的关键信息，使检测结果可靠性高；

（3）能够比较快捷地定量检测和评定焊接喷溅的大小级别及其影响，有利于完善对电阻点焊熔核质量的评价；

（4）检测效率高，评定方法简单，适用于电阻点焊过程的快速质量评定，实用性较强。

附图说明

图1是实施例1检测到的镀锌钢板电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。

图2是图1所示结构负载声发射信号中提取出的喷溅声发射信号波形。

图3是图2所示喷溅信号的自功率谱图。

图4是实施例2检测到的镀锌钢板电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。

图5是图4所示结构负载声发射信号中提取出的喷溅声发射信号波形。

图6是图5所示喷溅信号的自功率谱图。

图7是实施例3检测到的镀锌钢板电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。

图8是图7所示结构负载声发射信号中提取出的喷溅声发射信号波形。

图9是图8所示喷溅信号的自功率谱图。

图中：1实施例1波形中的焊接喷溅信号、2实施例2波形中的焊接喷溅信号、3实施例3波形中的焊接喷溅信号。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

待焊接的工件为两块厚度1mm的镀锌钢板薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为9000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.15MPa。

焊接中，实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，由分析软件绘出结构负载声发射信号动态曲线图，如图1所示。

由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出图1中的焊接喷溅信号1，如图2所示。可以看出，该焊接喷溅的模式为双声发射事件的焊接喷溅事件。

计算焊接喷溅过程声发射信号的自功率谱，并绘制自功率谱图，如图3所示。

在信号的1800Hz～2600Hz频率之间找到三个最大峰值的谱线，分别是1822Hz、2132Hz、和2505Hz谱线，计算三个谱线峰值的算术平均值为0.000701。因此，衡量该电阻点焊过程产生的喷溅量的特征值为0.000701。

该结果表明，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现电阻点焊过程中产生的焊接喷溅的检测和定量评估。

实施例2：

待焊接的工件为两块厚度1mm的镀锌钢板薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为10000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.15MPa。

焊接中，实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，由分析软件绘出结构负载声发射信号动态曲线图，如图4所示。

由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出图4中的焊接喷溅信号2，如图5所示。可以看出，该焊接喷溅的模式为单声发射事件的焊接喷溅事件。

计算焊接喷溅过程声发射信号的自功率谱，并绘制自功率谱图，如图6所示。

在信号的1800Hz～2600Hz频率之间找到三个最大峰值的谱线，分别是1863Hz、2076Hz、和2502Hz谱线，计算三个谱线峰值的算术平均值为0.002777。因此，衡量该电阻点焊过程产生的喷溅量的特征值为0.002777。

实施例3：

待焊接的工件为两块厚度1mm的镀锌钢板薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为11000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.15MPa。

焊接中，实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，由分析软件绘出结构负载声发射信号动态曲线图，如图7所示。

由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出图7中的焊接喷溅信号3，如图8所示。可以看出，该焊接喷溅的模式为双声发射事件的焊接喷溅事件。

计算焊接喷溅过程声发射信号的自功率谱，并绘制自功率谱图，如图9所示。

在信号的1800Hz～2600Hz频率之间找到三个最大峰值的谱线，分别是1865Hz、2385Hz、和2526Hz谱线，计算三个谱线峰值的算术平均值为0.002706。因此，衡量该电阻点焊过程产生的喷溅量的特征值为0.002706。

比较以上三个实例可以看出，本发明实现了对电阻点焊过程中的焊接喷溅的检测和模式、级别大小的定量评估。实施例1所得焊接喷溅特征值和实施例2、3所得焊接喷溅特征值的对比可见，由于实施例1采用的焊接电流值最小，由喷溅特征值反映出的焊接过程产生的焊接喷溅量也最小。由于焊接工艺的不同，实施例2和实施例3焊接过程的焊接喷溅模式并不相同，产生的焊接喷溅量也有所差异，实施例2焊接过程产生了略大于实施例3中焊接过程的焊接喷溅量。本发明对上述焊接喷溅均能实现检测和评估，这也表明了本发明所述方法所具有的快捷性、灵敏性与可靠性。

Claims

1.一种利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，该方法借助实时检测电阻点焊过程喷溅所产生的结构负载声发射信号实现对焊接喷溅大小的定量评估，其特征在于步骤如下：

（3）计算焊接喷溅过程声发射信号的频谱，并绘制频谱图；

（4）利用带通滤波器提取频率在1800Hz～2600Hz之间的频谱线；

（6）利用该峰值平均值对电阻点焊喷溅大小进行定量评估。

2.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，对焊接喷溅大小的定量评估的判断原则为：频率在1800Hz～2600Hz之间的三个最大谱线峰值的算术平均值越大，电阻点焊过程喷溅量越大。

3.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，其特征在于：频谱的分析计算既可以采用功率谱，也可以采用幅值谱。

4.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱实时定量评估电阻点焊喷溅的方法，其特征在于：所述方法是针对镀锌钢板在电阻点焊中易产生喷溅的金属薄板材料。