CN106124624A - 一种薄板点焊质量自动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄板点焊质量自动检测装置及方法，其装置包括机械手臂、探头和耦合剂循环系统，探头固定在机械手臂上，探头与检测仪和计算机连接，探头的外侧固定有外罩，外罩上设有与耦合剂循环系统连通的进入孔和流出孔；其方法包括以下步骤：S1，将探头固定在机械手臂上，控制变换机械手臂的方位，使探头压入焊点上方；S2，启动耦合剂循环系统，耦合剂通过管道进入探头的外罩；S3，当耦合剂充满外罩时，超声检测仪将显示检测波形，将波形导入计算机中保存并计算，同时切断耦合剂循环系统；S4，对点焊超声检测波形图进行处理，对点焊的质量进行评价。本发明能满足检测所必须的自动化、准确度高、成本低、效率高、操作简便、可靠性强等条件。

Description

一种薄板点焊质量自动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及点焊质量检测领域，更具体地说，涉及一种薄板点焊质量自动检测装置及方法。

背景技术

电阻点焊是一种简便高效的焊接方法，焊接效率高、成本低、易于实现自动化，广泛应用于航天航空、船舶、汽车制造等生产中。在汽车制造业中，电阻点焊可完成90％以上的装配工作量，点焊质量是保证车身连接强度及结构安全的关键。由于电阻点焊过程是热、电、力等多种因素相互作用的复杂耦合过程，点焊质量容易受到多种因素的影响，如焊接参数不合理、电极磨损、电极不对中、人为失误等都可能导致焊接质量不合格，出现熔核偏小、裂纹、气孔、压痕过深、虚焊、漏焊、喷溅等缺陷。因此有必要对焊点的质量进行检测，及时检查出不合格的焊点并分析产生缺陷的原因，防止因焊接质量问题导致安全事故。由于焊核的成形过程在材料内部，焊核的尺寸、形貌、是否存在缺陷等都无法直接观测到，难以直接提取质量信息。国内外常用的传统点焊质量评估方法主要有三种，一是基于焊接过程参数的在线评估，该方法主要是通过监测焊接电流、电极电压、电极压力、电极位移等焊接参数，研究焊接参数与焊接质量的之间的关系，通过它们的数学模型对焊点的质量进行预测^[4,5]。但由于焊接过程是非线性、多场耦合问题，难以建立精确的计算模型，利用这种方法预测点焊质量还存在一定的误差。二是焊后的破坏性检测，是目前多数企业所采用的方法，即通过抽检对部分焊点进行剥离、扭转等破坏获得点焊直径和强度的相关信息。这种方法相对可靠但是检测效率较低，造成材料浪费和成本增加，不适合作为点焊质量的在线检测方法。三是宏观金相检测法，通过沿焊点直径处切割以观察熔核的形貌，测量结果准确但是操作繁琐耗时长，往往是实 验室验证熔核尺寸的有效手段，但不适用于大规模的生产制造。

随着汽车工业的迅速发展，每天所产生的焊点数量也在急速的增加，据统计，一辆轿车白车身的焊装需要约3000～6000个焊点，对于目前高产量、高自动化的汽车生产线，传统的破坏性实验、金相检验等方法已经难以应对如此大量焊点的质量检测，为了寻找一种非破坏性、检测效率高、检测速度快的点焊质量检测方法，近些年来，无损检测技术受到了越来越多的重视，并在航空航天、船舶、汽车、零件制造等领域得到了广泛应用。其中以超声、X射线为主，随着超声检测技术的日臻成熟以及X射线本身所具有的放射性，射线检测法也正在被淘汰。超声检测已形成了一系列较成熟的技术，按成像方法主要分为A型成像、B型成像、C型成像、超声相控阵成像及超声波衍射时差法成像等。在点焊质量检测方面，常见的是方法是利用测厚探头或聚焦探头进行A、B、C型成像，根据检测波形或图像对焊点质量进行评估，三种方法具有各自的优缺点。A型成像探头位置固定，操作方便、快捷，可根据检测波形图大致判断焊点质量类型，但不能精确地检测出熔核尺寸，较依赖于检测人员的经验。B、C型成像是两种不同的焊点截面成像方法，可以得到焊点不同截面方向的图像，它们的检测结果更为直观，精度也较高，但探头需要液浸在水箱中并通过机械扫查平台进行固定，检测时要多次采样，检测时间较长，难以对大型件进行检测。对于结构形状复杂、尺寸庞大、焊点广泛分布的汽车车身而言，B、C型检测方法难以满足实际的生产要求，A型检测方法具有探头结构简单、无需扫查装置、波形易识别等优点，问题在于目前利用A型成像进行点焊质量检测是一种定性化的方法，焊点的质量类别往往是检测员根据A扫波形图的特征按照经验进行判别的，还未在A扫波形图和焊点质量关键参数之间建立有效的数学计算模型，未对实验过程中各种误差因素对检测结果的影响进行分析，造成点焊质量误判、错判等情况发生。

由此可见，在汽车工业的迅速发展过程中面临着一个问题，即缺少一种对车身点焊质量进行自动检测并有效评估的有效方法。通过研究超声A扫点焊质量的检测机理，建立点焊质量评价方法，设计一种非破坏性、高效、低成本的点焊质量在线检测评估系统，对于汽车焊接质量评价、车身结构安全性等具 有重要的理论意义和实用价值。

中国专利文献CN200610057994.6公开了一种适用于各种金属板材的点焊熔核直径的无损检测方法，通过计算超声信号中第一主回波和第一中间回波脉冲幅度的比值t，测量其实际直径d，根据大量实验绘制d-t曲线从而预测其它检测结果的熔核直径。该方法指出了熔核直径的计算方法，但未建立熔核直径的数学计算模型，需要通过大量实验绘制d-t曲线图，效率较低，且不能给出衰减系数、压痕深度等参数信息，也未对点焊的质量进行判别和分类。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种薄板点焊质量自动检测装置及方法，能满足检测所必须的自动化、准确度高、成本低、效率高、操作简便、可靠性强等条件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄板点焊质量自动检测装置，包括机械手臂、探头和耦合剂循环系统，所述探头固定在机械手臂上，所述探头与检测仪和计算机连接，所述探头的外侧固定有外罩，所述外罩上设有与所述耦合剂循环系统连通的进入孔和流出孔。

上述方案中，检测装置还包括控制器，所述耦合剂循环系统和机械手臂与所述控制器连接，所述外罩上设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接。

上述方案中，所述耦合剂循环系统包括盛放耦合剂的容器、水泵和电磁阀，水泵将容器中的耦合剂抽入至外罩中，所述电磁阀与所述控制器和水泵电连接。

上述方案中，所述探头通过夹持装置固定在所述机械手臂上，所述夹持装置包括法兰盘、连接杆和连接块，所述法兰盘固定在机械手臂上，所述连杆的一端固定在所述法兰盘上，另一端通过弹簧与所述连接块连接，所述探头固定在连接块上。

本发明还提供了一种利用上述薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将探头固定在机械手臂上，控制变换机械手臂的方位，使探头压入 焊点上方；

S2，启动耦合剂循环系统，耦合剂通过管道进入探头的外罩；

S3，当耦合剂充满外罩时，超声检测仪将显示检测波形，将波形导入计算机中保存并计算，同时切断耦合剂循环系统；

S4，对点焊超声检测波形图进行处理，对点焊的质量进行评价。

上述方案中，在所述步骤S4中，对检测波形进行图像处理，获取各个回波的横纵坐标值，计算波峰数、熔核直径、衰减系数、压痕深度和气孔直径，并根据计算结果对点焊质量进行评价。

上述方案中，熔核直径d的计算公式为：

$d=D/\sqrt{1/(P_2/P_1-r_1)+1}$

其中，D表示检测探头晶片直径，P_i表示第i次声波的声压幅值，r₁表示声波在薄板界面的反射率。

上述方案中，衰减系数α的计算公式为：

α＝-10log(P_n/P_m)/[(n-m)h](m,n＝2,4,6…)

其中，P_i表示第i次声波的声压幅值，h表示板厚。

上述方案中，压痕深度h_i的计算公式为：

$h_i=2h-(x_{P_6}-x_{P_2})/2$

h表示板厚，代表第i次声波的声程。

实施本发明的薄板点焊质量自动检测装置及方法，具有以下有益效果：

采用机械手布置探头，对检测图像进行自动处理计算，自动化程度高。定量计算熔核直径、衰减系数、压痕深度等参数，对多种熔核质量类型进行判别和分类，结果更加准确可靠。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是薄板点焊质量自动检测装置的示意图；

图2是夹持装置的结构示意图；

图3是图2中的A处局部放大示意图；

图4是点焊质量判别方法流程图；

图5是不同质量焊点检测波形图；

图6是点焊质量判别评估软件界面。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明薄板点焊质量自动检测装置包括机械手臂8、探头5、控制器14和耦合剂循环系统。探头5固定在机械手臂8上，探头5与检测仪9和计算机10连接，探头5的外侧固定有外罩6，外罩6上设有与耦合剂循环系统连通的进入孔和流出孔。通过机械手臂8将探头5置于待检测的薄板7的表面。

耦合剂循环系统和机械手臂8与控制器14连接，外罩6上设有压力传感器15，压力传感器15与控制器14电连接。耦合剂循环系统包括盛放耦合剂的容器11、水泵12和电磁阀13，水泵12将容器11中的耦合剂抽入至外罩6中，电磁阀13与控制器14和水泵12电连接。

如图2、图3所示，探头5通过夹持装置固定在机械手臂8上，夹持装置包括法兰盘1、连接杆2和连接块4。法兰盘1固定在机械手臂8上，连杆的一端固定在法兰盘1上，另一端通过弹簧3与连接块4连接，探头5固定在连接块4上。防止机械手臂8进给过量压坏探头5。

本发明还提供了利用上述薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1，将探头固定在机械手臂上，控制器控制变换机械手臂的方位，使探头压入焊点上方；

S2，启动耦合剂循环系统的水泵，耦合剂通过管道进入探头的外罩；

S3，当耦合剂充满外罩时，超声检测仪将显示检测波形，将波形导入计 算机中保存并计算，同时切断耦合剂循环系统；

S4，对点焊超声检测波形图进行处理，获取各个回波的横纵坐标值，计算波峰数、熔核直径、衰减系数、压痕深度和气孔直径，并根据计算结果对点焊质量进行评价。

如图4-图6所示，点焊质量的计算过程主要有三步，通过评估软件实现。第一步，对检测波形进行图像处理获取各个主回波的峰值点，保存其横纵坐标值。第二步，根据横纵坐标值计算评价点焊质量的关键参数如波峰数n、熔核直径d、衰减系数α、压痕深度h_i和气孔等，其计算公式分别为：

$d=D/\sqrt{1/(P_2/P_1-r_1)+1}$

α＝-10log(P_n/P_m)/[(n-m)h](dB/mm)(m,n＝2,4,6…)

$h_i=2h-(x_{P_6}-x_{P_2})/2$

其中D表示检测探头晶片直径，P_i表示第i次声波的声压幅值，r₁表示声波在薄板界面的反射率，h表示板厚，代表第i次声波的声程。

首先根据回波的数量可以判断是检测耦合不良(n＝0)还是点焊过烧(1≤n≤5)，其它情况再根据k₁＝P₂/P₁的值判断熔核直径的大小，根据所要求的最小熔核直径计算出k₁的分界线，然后再根据α值的大小判断熔核在厚度方向是否合格，并结合熔核直径评价焊点类型，包括虚焊、直径偏小、大熔核、熔核偏薄等，同时根据压痕深度的计算结果判别压痕深度是否在合格的范围内。

第三步，根据第二步的计算结果对焊点的质量类型进行判别，并输出其计算结果、质量类型，将对应的焊点质量信息保存入数据库中并对不良质量焊点及时予以警告。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种薄板点焊质量自动检测装置，其特征在于，包括机械手臂、探头和耦合剂循环系统，所述探头固定在机械手臂上，所述探头与检测仪和计算机连接，所述探头的外侧固定有外罩，所述外罩上设有与所述耦合剂循环系统连通的进入孔和流出孔。

2.根据权利要求1所述的薄板点焊质量自动检测装置，其特征在于，检测装置还包括控制器，所述耦合剂循环系统和机械手臂与所述控制器连接，所述外罩上设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的薄板点焊质量自动检测装置，其特征在于，所述耦合剂循环系统包括盛放耦合剂的容器、水泵和电磁阀，水泵将容器中的耦合剂抽入至外罩中，所述电磁阀与所述控制器和水泵电连接。

4.根据权利要求1所述的薄板点焊质量自动检测装置，其特征在于，所述探头通过夹持装置固定在所述机械手臂上，所述夹持装置包括法兰盘、连接杆和连接块，所述法兰盘固定在机械手臂上，所述连杆的一端固定在所述法兰盘上，另一端通过弹簧与所述连接块连接，所述探头固定在连接块上。

5.一种利用权利要求1中薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将探头固定在机械手臂上，控制变换机械手臂的方位，使探头压入焊点上方；

S2，启动耦合剂循环系统，耦合剂通过管道进入探头的外罩；

S3，当耦合剂充满外罩时，超声检测仪将显示检测波形，将波形导入计算机中保存并计算，同时切断耦合剂循环系统；

S4，对点焊超声检测波形图进行处理，对点焊的质量进行评价。

6.根据权利要求5所述的薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对检测波形进行图像处理，获取各个回波的横纵坐标值，计算波峰数、熔核直径、衰减系数、压痕深度和气孔直径，并根据计算结果对点焊质量进行评价。

7.根据权利要求6所述的薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，熔核直径d的计算公式为：

$d=D/\sqrt{1/(P_2/P_1-r_1)+1}$

其中，D表示检测探头晶片直径，P_i表示第i次声波的声压幅值，r₁表示声波在薄板界面的反射率。

8.根据权利要求6所述的薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，衰减系数α的计算公式为：

α＝-10log(P_n/P_m)/[(n-m)h] (m,n＝2,4,6…)

其中，P_i表示第i次声波的声压幅值，h表示板厚。

9.根据权利要求6所述的薄板点焊质量自动检测装置的检测方法，其特征在于，压痕深度h_i的计算公式为：

$h_i=2h-(x_{P_6}-x_{P_2})/2$

h表示板厚，代表第i次声波的声程。