CN104777191B - 一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法，借助电阻点焊焊接过程中实时检测到的焊接电流信号和电极电压信号计算焊点形成过程产生的热功率变化及其自功率谱，并基于计算得到的自功率谱位于100Hz的谱线峰值和对应焊点破坏性检测到的焊点直径、焊点最大承载力绘制关系曲线，建立谱线峰值‑焊点直径数学模型和谱线峰值‑焊点最大承载力数学模型。在实际焊接过程中，在数据库中调用相应的数学模型，输入检测计算得到的100Hz谱线峰值，计算机系统即计算并输出焊点直径值和最大承载力值，如小于相应的设定阈值，该焊点被判定为不合格。利用本发明可以快速实现对电阻点焊焊点直径、最大承载力的非破坏检测和评估。

Description

一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测 方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊焊点质量检测方法，适用于常用金属薄板结构材料的焊点质量评估，尤其适用于生产现场在线质量检测。

背景技术

电阻点焊是一种广泛应用于汽车制造的焊接方法，在现代轿车的车身金属结构焊接中得到了大量应用。因此，电阻点焊焊点质量的检测非常重要，焊接过程中高效率地对焊点质量进行传感和检测评估对于提高生产效率和焊接质量、节约生产成本具有重要意义。然而，电阻点焊过程中，焊点的形成隐藏于工件之中，并不能被直接观测到，这为对焊接质量进行实时传感以及在线评估焊点质量带来了困难。因此，在生产企业中，通常情况下均在焊后根据质量检验需要对生产的焊接结构产品抽取一定比例，并进行破坏性实验检测。检测主要针对焊点直径与焊点最大承载力这两个重要指标。其中，检测焊点直径需要撕开焊点焊接结构，测量其宏观尺寸；检测焊点最大承载力，需要进行拉剪强度测试。这样的检测方法不但效率低下，增加了生产成本，且不能保证未检测产品的质量可靠性。因此，电阻点焊过程中焊点质量信息的传感对于利用无损检测方法在线评估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焊点以表征其质量。

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，焊点形成所需要的能量主要由焊接过程产生的电阻热效应来提供。而电阻热效应则主要由流过二次回路的焊接电流产生，随着焊点形成过程变化，焊点两端的电极电压也会发生相应的变化。因此，计算时变的焊接电流信号和电极电压信号的乘积即可计算得到焊点形成过程所产生电阻热效应的热功率变化。如式(1)所示：

P(t)＝U(t)·I(t) (1)

其中，P(t)为电阻热效应的热功率变化，U(t)为电极电压的变化，I(t)为焊接电流的变化。可见，实现对电阻点焊过程成核热功率的实时检测和计算为电阻点焊焊点质量信息的在线传感和评估提供了可能。

发明内容

本发明针对常用金属薄板结构材料的电阻点焊，提供一种热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法，该方法采用与焊点形成过程关系密切的焊接电流、电极电压为信息源，因此，检测结果可靠，检测成本消耗低，且尤其适合焊接生产现场的在线质量检测。

本发明采取以下技术方案：

一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法，该方法借助电阻点焊焊接过程中实时检测到的焊接电流信号、电极电压信号计算焊点形成过程产生的热功率，并利用对热功率信号自功率谱的统计计算检测、评估电阻点焊焊点尺寸和焊点最大承载力，所述检测方法的步骤如下：

(1)对于不同材料不同厚度，分别设定不少于十五组焊接电流、焊接电流持续时间、电极压力参数进行电阻点焊，对每一焊接过程实时采集电阻点焊机次级回路中的电阻点焊过程焊接电流信号和电极电压信号；

(2)在计算机系统中绘制出焊接电流和电极电压随时间变化的信号波形，检查波形的波动幅值和周期的可靠性；

(3)利用计算机系统对焊接电流信号、电极电压信号波形作乘法运算，得到焊接过程成核过程热效应的热功率变化波形；

(4)基于热功率波形计算信号的自功率谱，并绘制出自功率谱图；

(5)基于热功率波形自功率谱提取频率为100Hz的自功率谱线；

(6)计算频率为100Hz自功率谱线的峰值；

(7)通过截取焊点横截面检测获得上述各组焊接工艺参数焊接所得焊点的直径，通过拉剪实验获得焊点最大承载力；

(8)以计算得到的自功率谱100Hz谱线峰值为X轴，以检测得到的焊点直径或最大承载力为Y轴，利用计算机系统绘制出关系曲线，并拟合得到100Hz谱线峰值-焊点直径数学模型或100Hz谱线峰值-焊点最大承载力数学模型；

(9)在计算机系统中根据上述步骤建立不同厚度、不同材料的电阻点焊焊点质量数学模型数据库；

(10)根据采用的质量检验标准，设定不同厚度、不同材料的电阻点焊焊点直径参考阈值和最大承载力参考阈值；

(11)在实际焊接过程中，在数据库中调用相应的数学模型，输入检测得到的100Hz谱线峰值，计算机系统即计算并输出焊点直径值和最大承载力值，如小于相应的设定阈值，该焊点被判定为不合格。

本发明既适用于焊接生产现场在线快速检测和评定电阻点焊焊点质量信息，也适用于焊点质量的焊后离线检测与评估。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)所采用的信息源——焊接电流和电极电压与焊点形成过程关系密切，计算得到的焊点成核热功率变化与焊点质量相关性强，使检测结果可靠性高；

(2)采集系统设计制造成本较为低廉；

(3)计算方法简单，计算量小，检测方法容易实现；

(3)能够比较快捷地检测焊点质量信息，形成对电阻点焊工艺和质量的评估，适用的材料范围较广，实用性较强；

(4)检测效率高，评定方法简单，既适用于生产现场的在线质量检测，也适用于焊后离线质量评定。

附图说明

图1是实施例1检测到的低碳钢板材电阻点焊过程的焊接电流信号波形。

图2是实施例1检测到的低碳钢板材电阻点焊过程的电极电压信号波形。

图3是实施例1计算得到的电阻点焊过程的热功率信号波形。

图4是实施例1计算得到的焊接过程热功率信号的自功率谱谱线特征。

图5是建立的热功率100Hz谱线峰值与焊点直径关系曲线。

图6是建立的热功率100Hz谱线峰值与焊点最大承载力关系曲线。

图7是实施例1破坏性检测得到的熔核宏观形貌。

图8是实施例1破坏性检测得到的焊点拉剪力学性能曲线。

图9是实施例2检测到的低碳钢板材电阻点焊过程的焊接电流信号波形。

图10是实施例2检测到的低碳钢板材电阻点焊过程的电极电压信号波形。

图11是实施例2计算得到的电阻点焊过程的热功率信号波形。

图12是实施例2计算得到的焊接过程热功率信号的自功率谱谱线特征。

图13是实施例2破坏性检测得到的熔核宏观形貌。

图14是实施例2破坏性检测得到的焊点拉剪力学性能曲线。

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的低碳钢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6000A，焊接电流持续时间为0.28s，电极压力为0.15MPa。

焊接中，实时采集电阻点焊过程的焊接电流信号和电极电压信号，由分析软件绘出信号波形图，分别如图1和图2所示。

根据焊接电流信号和电极电压信号计算出电阻点焊过程的热功率信号波形如图3所示，进而计算得到的焊接过程热功率信号的自功率谱谱线特征分布如图4所示。提取100Hz特征谱线，计算得到谱线峰值为79366.9。

采用十五组不同的焊接工艺参数进行上述测试和计算，焊接电流为4500A～8000A，电极压力为0.1MPa～0.2MPa，焊接电流持续时间为0.16s～0.38s。根据实时检测得到的焊接电流和电极电压，计算得到十五组焊接工艺所形成焊点的焊接过程热功率信号的自功率谱，统计得到各自的100Hz谱线峰值。进行焊点直径和最大承载力破坏性检测。建立100Hz谱线峰值与焊点直径、焊点最大承载力关系曲线如图5和图6所示。其中，根据图5中的关系，拟合得到谱线峰值-焊点直径数学模型为：

D＝1.667+4.324×10^-5M-1.492×10^-10M²

根据图6中的关系，拟合得到的谱线峰值-焊点最大承载力数学模型为：

F＝5.008-11.381exp(-M/19796.085)

根据建立的数学模型对实施例1中的焊点直径进行计算得4.159mm，实测直径为4.014mm，熔核宏观形貌如图7所示，误差为3.61％；对焊点最大承载力进行计算得4.80kN，实测拉剪载荷为4.92kN，焊点拉剪力学性能曲线如图8所示，误差为2.44％。

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对电阻点焊焊点直径和最大承载力的非破坏性检测和评估。

实施例2：

待焊接的工件为两块厚度1mm的低碳钢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7000A，焊接电流持续时间为0.28s，电极压力为0.15MPa。

焊接中，实时采集电阻点焊过程的焊接电流信号和电极电压信号，由分析软件绘出信号波形图，分别如图9和图10所示。

根据焊接电流信号和电极电压信号计算出电阻点焊过程的热功率信号波形如图11所示，进而计算得到的焊接过程热功率信号的自功率谱谱线特征分布如图12所示。提取100Hz特征谱线，计算得到谱线峰值为133698.0。

采用十五组不同的焊接工艺参数进行上述测试和计算，焊接电流为4500A～8000A，电极压力为0.1MPa～0.2MPa，焊接电流持续时间为0.16s～0.38s。根据实时检测得到的焊接电流和电极电压，计算得到十五组焊接工艺所形成焊点的焊接过程热功率信号的自功率谱，统计得到各自的100Hz谱线峰值。进行焊点直径和最大承载力破坏性检测。建立100Hz谱线峰值与焊点直径、焊点最大承载力关系曲线如图5和图6所示。其中，根据图5中的关系，拟合得到谱线峰值-焊点直径数学模型为：

D＝1.667+4.324×10^-5M-1.492×10^-10M²

根据图6中的关系，拟合得到的谱线峰值-焊点最大承载力数学模型为：

F＝5.008-11.381exp(-M/19796.085)

根据建立的数学模型对实施例2中的焊点直径进行计算得4.781mm，实测直径为4.674mm，熔核宏观形貌如图13所示，误差为2.29％；对焊点最大承载力进行计算得4.99kN，实测拉剪载荷为5.10kN，焊点拉剪力学性能曲线如图14所示，误差为2.16％。

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对电阻点焊焊点直径和最大承载力的非破坏性检测和评估。

Claims (1)

1.一种基于热功率信号自功率谱统计的电阻点焊焊点质量检测方法，该方法借助电阻点焊焊接过程中实时检测到的焊接电流信号、电极电压信号计算焊点形成过程产生的热功率，并利用对热功率信号自功率谱的统计计算检测、评估电阻点焊焊点尺寸和焊点最大承载力，所述检测方法的步骤如下：

（1）对于不同材料不同厚度的电阻点焊焊点，分别设定不少于十五组焊接电流、焊接电流持续时间、电极压力参数进行电阻点焊，对每一焊接过程实时采集电阻点焊机次级回路中的电阻点焊过程焊接电流信号和电极电压信号；

（2）在计算机系统中绘制出焊接电流和电极电压随时间变化的信号波形，检查波形的波动幅值和周期的可靠性；

（3）利用计算机系统对焊接电流信号、电极电压信号波形作乘法运算，得到焊接过程成核过程热效应的热功率变化波形；

（4）基于热功率波形计算信号的自功率谱，并绘制出自功率谱图；

（5）基于热功率波形自功率谱提取频率为100Hz的自功率谱线；

（6）计算频率为100Hz自功率谱线的峰值；

（7）通过截取焊点横截面检测获得上述各组焊接工艺参数焊接所得焊点的直径，通过拉剪实验获得焊点最大承载力；

（8）以计算得到的自功率谱100Hz谱线峰值为X轴，以检测得到的焊点直径或最大承载力为Y轴，利用计算机系统绘制出关系曲线，并拟合得到谱线峰值-焊点直径数学模型或谱线峰值-焊点最大承载力数学模型；

（9）在计算机系统中根据上述步骤建立不同厚度、不同材料的电阻点焊焊点质量数学模型数据库；

（10）根据采用的质量检验标准，设定不同厚度、不同材料的电阻点焊焊点直径参考阈值和最大承载力参考阈值；

（11）在实际焊接过程中，在数据库中调用相应的数学模型，输入检测得到的100Hz谱线峰值，计算机系统即计算并输出焊点直径值和最大承载力值，如小于相应的设定阈值，该焊点被判定为不合格。