CN104007182A

CN104007182A - 一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法

Info

Publication number: CN104007182A
Application number: CN201410258775.9A
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: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: CN104007182B

Abstract

一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，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，绘制信号动态波形图；提取熔核形核阶段的声发射信号；提取出最后五个信号周期；计算、绘制出频谱图；提取频率在500Hz～5000Hz之间的频谱线；计算峰值；采用至少五组不同的焊接工艺参数进行上述测试，获得五个实验测试点，以及对应的电阻点焊熔核直径和熔核拉剪载荷；以谱线峰值为X轴，熔核直径或熔核拉剪载荷为Y轴，拟合计算得到拟合数学模型；根据模型对工艺范围内焊接获得的电阻点焊熔核检测、评估熔核直径和熔核拉剪载荷。利用本发明可以实现对电阻点焊熔核尺寸、拉剪载荷的快速、无损检测和评估。

Description

一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法

技术领域

本发明涉及评估熔核形核质量的无损检测方法，适用于常用金属薄板结构材料的电阻点焊熔核质量快速检测。

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。然而，电阻点焊过程中，熔核的形核过程并不能直接观测到，这为判断电阻点焊焊点质量带来了困难。熔核尺寸与熔核拉剪载荷是判定熔核质量的两个重要指标，为了对这两个指标进行检测，通常情况下需要对熔核进行破坏性实验。即对熔核尺寸的检测，需要切开熔核，测量其宏观尺寸；对熔核拉剪载荷的检测，需要进行拉剪强度测试。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利用无损检测方法评估电阻点焊熔核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以表征其质量。

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。

根据研究发现，在电阻点焊过程中，随着电阻点焊工艺、材料属性发生变化，能量在材料中的传输规律将发生相应的变化。尤其是熔核形核过程中，材料内部会按照一定规律释放出不同波形特征的结构负载声发射信号，且形核质量发生变化时，焊接电流流过熔核而激发释放出的结构负载声发射信号也会有相应区别，这为电阻点焊熔核质量信息的实时传感及快速检测、评估提供了可能。

中国专利文献CN102654482A公开的电阻点焊熔核形核动态质量无损检测方法采用如下步骤：实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，并绘制出结构负载声发射信号动态曲线图；由结构负载声发射信号动态曲线提取出电极加载、熔核形核和裂纹生成三个阶段的声发射信号；分别统计三个阶段声发射信号的振铃数和总能量；剖开电阻点焊试样熔核，测得实际熔核直径、熔核高度和裂纹长度；在电极加载、熔核形核两个阶段声发射信号各自的振铃数、总能量和熔核直径、熔核高度之间建立样本对，在裂纹生成声发射信号的振铃数、总能量和裂纹长度之间建立样本对，从而形成两个训练集；分别建立熔核尺寸人工神经网络和裂纹长度人工神经网络，并利用Back Propagation神经网络算法对所取得的样本进行训练；将训练好的模型用于熔核尺寸和裂纹生成的实时检测。该专利技术需要提取焊接过程中多个物理阶段的声发射信号，信息量和计算量均较大，且需要建立人工神经网络并进行训练。

本专利与中国专利文献CN102654482A公开的检测方法相比较，只需要提取熔核形核一个阶段的声发射信号，建立形核阶段声发射信号与熔核质量的样本对，不需要建立人工神经网络模型并进行训练，因此，实现过程更为简单，信息量和计算量小，检测快捷。

发明内容

为了更加快捷地对电阻点焊熔核的形核尺寸和熔核拉剪载荷进行检验，本发明针对常用金属薄板结构材料的电阻点焊，提供一种容易实施，便于评估判断的无损检测方法，达到检测灵敏度高，检测结果可靠，实现过程更为简单，信息量和计算量小，检测方法快捷，检测成本消耗低的目的。

本发明采取以下技术方案：

一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，该方法借助电阻点焊熔核形核过程中实时检测到的结构负载声发射信号检测、评估电阻点焊熔核尺寸和熔核拉剪载荷，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熔核形核阶段的声发射信号；

（3）由熔核形核阶段声发射信号中提取出最后五个信号周期；

（4）计算形核阶段最后五个信号周期的频谱，并绘制出频谱图；

（5）利用带通滤波器提取频率在500Hz～5000Hz之间的频谱线；

（6）计算频率在500Hz～5000Hz之间的频谱线的峰值；

（7）采用至少五组不同的焊接工艺参数进行上述测试，获得谱线峰值的至少五个实验测试点，以及至少五个实验测试点所对应的电阻点焊熔核直径和熔核拉剪载荷；

（8）以谱线峰值为X轴，熔核直径或熔核拉剪载荷为Y轴，分别进行拟合计算，得到拟合数学模型；

（9）根据建立的拟合数学模型对焊接获得的电阻点焊熔核检测、评估熔核直径和熔核拉剪载荷。

所述方法对熔核尺寸或熔核拉剪载荷定量评定的判断原则为：频率在500Hz～5000Hz之间的谱线峰值越大，熔核直径越大，熔核拉剪载荷也越大。

所述方法对频谱的分析计算既可以采用幅度谱，也可以采用功率谱。

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，以电阻点焊形核末期已经成形的熔核为传感媒介，通过检测形核末期的结构负载声发射信号，提取该信号的幅频信息或功率谱信息，并利用谱线峰值的大小，实现对电阻点焊熔核尺寸、拉剪载荷的快速、无损检测和评估。

本发明适用于实时、快速检测和定量评定电阻点焊熔核的尺寸、拉剪载荷等质量信息。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熔核形核阶段的结构负载声发射信号，采集系统容易实现，采集系统设计制造成本较为低廉；

（2）提取的声发射信号为熔核形核末期所释放，该时期熔核已接近完成形核，传感数据与熔核形核的状况更加接近，使检测结果可靠性高；

（3）信息计算量小，能够比较快捷地检测和评定熔核尺寸、拉剪载荷等情况，形成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，适用的材料范围较广，实用性较强。

附图说明

图1是实施例1检测到的铝合金板材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熔核形核声发射信号波形。

图3是图2所示熔核形核阶段最后五个信号周期的波形。

图4是图3所示形核阶段最后五个信号周期的频谱图。

图5是利用带通滤波器提取图4所示信号频率在500Hz～5000Hz之间的频谱图。

图6是五个实验测试点所对应的电阻点焊熔核直径的散点分布及拟合直线。

图7是五个实验测试点所对应的电阻点焊拉剪载荷的散点分布及拟合直线。

图8是实施例2检测到的铝合金板材电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。

图9是图8所示结构负载声发射信号中提取出的熔核形核声发射信号波形。

图10是图9所示熔核形核阶段最后五个信号周期的波形。

图11是图10所示形核阶段最后五个信号周期的频谱图。

图12是利用带通滤波器提取图11所示信号频率在500Hz～5000Hz之间的频谱图。

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2mm的2024铝合金材料薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为18000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.1MPa。

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，提取出熔核形核信号波形，如图2所示。

由熔核形核阶段声发射信号中提取出最后五个信号周期，如图3所示。

计算形核阶段最后五个信号周期的幅度谱，并绘制出频谱图，如图4所示。

利用带通滤波器提取频率在500Hz～5000Hz之间的幅度谱线，如图5所示。

计算频率在500Hz～5000Hz之间的幅度谱线的峰值为0.00512。

在检测前，先采用五组不同的焊接工艺参数进行上述测试，获得五组焊接工艺参数下的五个电阻点焊试样，测得试样所对应的熔核直径和熔核拉剪载荷，以及五组焊接工艺参数焊接所获得上述声发射信号谱线峰值的五个实验测试点。以谱线峰值为X轴，熔核直径或熔核拉剪载荷为Y轴，分别进行拟合计算，实验测试点及其拟合直线分别如图6、图7所示。得到熔核直径的拟合数学模型为：Y=-0.84041+651.53835X；得到熔核拉剪载荷的拟合数学模型为：Y=-1.22641+612.95859X。

根据建立的拟合数学模型对实施例1中焊接参数获得的焊点熔核直径进行计算得2.495mm，实测直径为2.553mm，误差为2.27%；对焊点拉剪载荷进行计算得1.912kN，实测拉剪载荷为1.813kN，误差为5.46%。

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熔核的直径和焊点拉剪载荷的无损检测和评估。

实施例2：

待焊接的工件为两块厚度2mm的2024铝合金材料薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为24000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.1MPa。

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8所示。

由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出熔核形核信号波形，如图9所示。

由熔核形核阶段声发射信号中提取出最后五个信号周期，如图10所示。

计算形核阶段最后五个信号周期的幅度谱，并绘制出频谱图，如图11所示。

利用带通滤波器提取频率在500Hz～5000Hz之间的幅度谱线，如图12所示。

计算频率在500Hz～5000Hz之间的幅度谱线的峰值为0.0107。

在检测前，先采用五组不同的焊接工艺参数进行上述测试，获得五组焊接工艺参数下的五个电阻点焊试样，测得试样所对应的熔核直径和熔核拉剪载荷，以及五组焊接工艺参数焊接所获得上述声发射信号谱线峰值的五个实验测试点。以谱线峰值为X轴，熔核直径或熔核拉剪载荷为Y轴，分别进行拟合计算，其拟合直线分别如图6、图7所示。得到熔核直径的拟合数学模型为：Y=-0.84041+651.53835X；得到熔核拉剪载荷的拟合数学模型为：Y=-1.22641+612.95859X。

根据建立的拟合数学模型对实施例2中焊接参数获得的焊点熔核直径进行计算得6.131mm，实测直径为6.009mm，误差为2.03%；对焊点拉剪载荷进行计算得5.332kN，实测拉剪载荷为5.252kN，误差为1.52%。

Claims

1.一种利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，该方法借助电阻点焊熔核形核过程中实时检测到的结构负载声发射信号检测、评估电阻点焊熔核尺寸和熔核拉剪载荷，所述检测方法的步骤如下：

（4）计算最后五个信号周期的频谱，并绘制出频谱图；

（5）利用带通滤波器提取频率在500Hz～5000Hz之间的频谱线；

（6）计算频率在500Hz～5000Hz之间的频谱线的峰值；

（7）采用至少五组不同的焊接工艺参数进行上述测试，获得频谱线峰值的至少五个实验测试点，以及至少五个实验测试点所对应的电阻点焊熔核直径和熔核拉剪载荷；

2.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，对熔核尺寸或熔核拉剪载荷定量评定的判断原则为：频率在500Hz～5000Hz之间的谱线峰值越大，熔核直径越大，熔核拉剪载荷也越大。

3.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，其特征在于：频谱的分析计算既可以采用幅度谱，也可以采用功率谱。

4.根据权利要求1所述的利用声发射信号频谱定量检测电阻点焊熔核形核质量的方法，其特征在于：所述方法针对常用金属薄板结构材料的电阻点焊的检测。