CN108857027B - 微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法 - Google Patents

微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法，属于微型电阻点焊领域。采用单光子探测器监测微型点焊过程，单光子探测器采集的信号依次传送到信号调理电路板，数据采集处理模块。单光子探测器的响应时间可达到纳秒量级，利用该响应特性，获得反应熔核形成过程中光子数随时间的变化。提取不同点焊接头质量等级的微型点焊过程中光子的变化特征量，建立微型点焊接头质量等级分类模型。这种监测装置使用方便，检测效率高，实用性强。

Description

微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及微型电阻点焊领域，特别涉及一种微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法，是一种通过检测微型点焊过程温度场的熔焊过程的监测装置及监测方法。
背景技术
微型电阻点焊技术在电池包装、医疗器械、电子装置等制造过程中得到广泛应用，随着智能化技术的发展，对微型电阻点焊质量的要求不断提高。新能源汽车动力电池组中锂电池的串联与并联均采用微型电阻点焊连接方法，点焊接头质量对动力电池组的稳定性与安全性起着重要作用，通过焊接无损检测及在线监测等方法对微型点焊接质量进行评估有重要现实意义。
目前对普通点焊质量评估的方法较多，如焊接过程中的电参数监测、电极位移监测、超声波检测、射线检测等。
一般电参数的监测常用于焊接过程的稳定性，微型电阻点焊焊接时间极短，因此该方法对微型点焊质量评估的可靠性较差。
电极位移监测需要微型的位移传感器，在普通点焊质量监控中多处于实验室的研究阶段，电极位移量较小，在实际生产车间易受到焊接结构的影响，尤其对于微型电阻点焊，较薄的焊件导致电极位移量甚小，实际应用效果较差。
超声波检测在普通点焊检测中取得了良好应用效果，微型点焊工件厚度较小(多数工件小于1毫米)，给超声波检测带来一定难度，尤其是动力电池包装中应用的微型点焊，焊接时间及短，一般持续在几毫秒，较高的焊接效率使得超声波在线检测较为困难。
射线检测一般用于铝合金材料的检测，检测效率较高，但是由于点焊接头内部组织结构的复杂性，检测效果并不理想。
反应点焊形成热过程的红外在线监测法在普通点焊的生产中取得较好的质量监控效果，但是微型点焊熔核形成速度较普通点焊更快，通过普通的红外传感技术很难获得微型点焊生产的全部过程信息，导致微型点焊接头质量难以评估。
微型点焊具有焊接尺寸小、工件薄、焊接时间短等特点，现有的监测方法很难满足锂电池微型点焊生产的需要, 亟待新的监测方法的提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法，解决了微型点焊现有监测技术存在的上述问题，其是一种利用单光子探测器和数据采集分析系统对微型点焊过程进行监测的装置及对微型点焊质量检测的方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
微型点焊过程中的质量监测装置，单光子探测器1通过同轴电缆线2与数据采集模块3连接，数据采集模块3与信号调理模块4连接，从信号调理模块4输出的信号经过PCI接口5传输到工业计算机6的数据处理模块7，工业计算机6与声光报警模块8相连；所述单光子探测器1通过机械夹具A9.1、机械夹具B9.2安装在点焊机电极臂11上，所述机械夹具A9.1通过转轴10与机械夹具B9.2连接，通过调整转轴10从而调整单光子探测器1与点焊机电极臂11的相对位置，具体相对位置及角度需要同时满足下述公式：
L2*sinθ1= L1*sinθ2
d1 *cosθ1= (d2-r)*cosθ2
其中，电极12与工件13的接触面边界，即近熔核区域，单光子探测器对准所述接触面边界的一点称之为光子探测点14，L1为单光子探测器1轴心方向上，光子探测点14到机械夹具A9.1的距离；L2为光子探测点14到固定机械夹具B9.2的距离；r为点焊电极12的半径，d1为转轴10中心点到点焊机电极臂11轴线的距离；d2为转轴10中心点到单光子探测器1轴线的距离；转轴10中心点到光子探测点14的连线称为c，则θ1为连线c与d1的夹角；θ2为连线c与d2的夹角。
单光子探测器1相对于点焊机电极臂11的位置及探测角度对准光子探测点14，为防止环境红外对光子信号的影响，在点焊机电极臂11下端安装防干扰光罩15。
所述的防干扰光罩15为红外滤波片组成，所述红外滤波片中心波段与单光子探测器1的响应频段范围相匹配。
保持转轴10到点焊机电极臂11轴线的距离d1、机械夹具A9.1与机械夹具B9.2之间的夹角θ1+θ2不变，以验证光子探测点14的光子信号是关于点焊电极12轴线的轴对称关系；通过调整机械夹具A9.1的角度，获得到微型点焊熔核一周的光子信号，且在旋转过程中，始终保证单光子探测器1与防干扰光罩15上的红外滤波片光路相匹配。
本发明的另一目的在于提供一种微型点焊过程中的质量监测方法，步骤如下：
微型点焊过程中的质量监测装置的单光子探测器1与信号采集模块3采集到的光子信号，经过信号调理模块4、PCI接口5送入工业计算机6的数据处理模块7，以微型点焊过程中光子信号为变化量，绘制微型点焊过程中的光子数随时间的变化曲线；
数据处理模块7设置最多光子数点与最低光子数点的范围，通过光子数阈值的设定，对于不满足要求的光子变化曲线通过声光报警模块8对点焊予以报警处理。
本发明的有益效果在于：本发明提出一种新的焊接质量监测方法，通过该基于光子信号的点焊监测系统采集微型点焊近熔核区域的光子信号变化，获得反应点焊接头质量的光子特征量，为评估微型点焊接头质量提供了新的方法。单光子探测器属于非接触式检测，排除了接触式检测方式受机械结构等的干扰，而且单光子探测器的响应速度极快，可达到纳秒量级，微型点焊焊接时间极短，避免了一般检测方法对微型点焊全过程的信息检测不全面的缺点。本发明监测手段新颖，有较好的应用前景。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的监测装置的结构示意图；
图2为本发明的监测装置的原理图；
图3为本发明的监测方法的流程图；
图4为本发明的点焊监测中光子随时间变化曲线示意图。
图中：1、单光子探测器；2、同轴电缆线；3、数据采集模块；4、光子信号处理模块；5、PCI接口；6、工业计算机；7、数据处理模块；8、声光报警模块；9.1、机械夹具A；9.2、机械夹具B； 10、转轴；11、点焊机电极臂；12、点焊电极；13、工件；14、光子探测点；15、防干扰光罩。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
微型电阻点焊是新能源汽车动力电池组中锂电池串、并联的主要连接方法，一直以来缺乏可靠的质量监控手段。参见图1至图4所示，本发明的微型点焊过程中的质量监测装置及监测方法，采用单光子探测器监测微型点焊过程，单光子探测器采集的信号依次传送到信号调理电路板，数据采集处理模块。单光子探测器的响应时间可达到纳秒量级，利用该响应特性，获得反应熔核形成过程中光子数随时间的变化。提取不同点焊接头质量等级的微型点焊过程中光子的变化特征量，建立微型点焊接头质量等级分类模型。这种监测装置使用方便，检测效率高，实用性强。
参见图1所示，本发明的微型点焊过程中的质量监测装置由以下几部分组：单光子探测器1、同轴电缆线2、数据采集模块3、信号调理模块4、PCI接口5、工业计算机6、数据处理模块7、声光报警模块8、机械夹具A9.1、机械夹具B9.2、转轴10、防干扰光罩15，所述单光子探测器1通过同轴电缆线2与数据采集模块3连接，数据采集模块3与信号调理模块4连接，从信号调理模块4输出的信号经过PCI接口5传输到工业计算机6的数据处理模块7，工业计算机6与声光报警模块8相连；所述单光子探测器1通过机械夹具A9.1、固定机械夹具B9.2固定在点焊机电极臂11上，所述机械夹具A9.1通过转轴10与机械夹具B9.2连接，通过调整转轴10确认单光子探测器1与点焊机电极臂11的相对位置，获得单光子探测器1的最佳探测位置，具体相对位置及角度需要同时满足下述公式：
L2*sinθ1= L1*sinθ2
d1 *cosθ1= (d2-r)*cosθ2
其中，电极12与工件13的接触面边界（即近熔核区域），单光子探测器对准所述边界的一点称之为光子探测点14，L1为单光子探测器1轴心方向上，光子探测点14到机械夹具A9.1的距离；L2为光子探测点14到机械夹具B9.2的距离；r为点焊电极12的半径，d1为转轴10中心点到点焊机电极臂11轴线的距离；d2为转轴10中心点到单光子探测器1轴线的距离；转轴10中心点到光子探测点14的连线称为c，则θ1为连线c与d1的夹角；θ2为连线c与d2的夹角。
在满足上述监测角度条件下，使单光子探测器1相对点焊机电极臂11的高度及探测角度对准光子探测点14，为防止环境红外对光子信号的影响，在点焊机电极臂11下端安装防干扰光罩15。
所述的防干扰光罩15为红外滤波片组成，所述红外滤波片中心波段与单光子探测器1的响应频段范围相匹配。一般红外滤波片覆盖范围比与单光子探测器1的探测头尺寸略大。
点焊过程中的温度场一般与电极轴线呈轴对称关系，根据黑体辐射定律可知光子信号是关于点焊电极12轴线的轴对称关系。可以保持转轴10到点焊机电极臂11轴线的距离d1、机械夹具A9.1与机械夹具B9.2之间的夹角（θ1+θ2）不变，以验证光子探测点14的光子信号是关于点焊电极12轴线的轴对称关系；通过旋转机械夹具A9.1的角度，获得到微型点焊熔核一周的光子信号，且在旋转过程中，始终保证单光子探测器1与防干扰光罩15上的红外滤波片光路相匹配。
参见图2至图4所示，本发明的利用上述监测装置的微型点焊过程中的质量监测方法，步骤如下：
单光子探测器1与信号采集模块3采集到的光子信号，经过信号调理模块4、PCI接口5送入工业计算机6的数据处理模块7，以微型点焊过程中光子信号为变化量，绘制微型点焊过程中的光子数随时间的变化曲线；
数据处理模块7根据经验设置最多光子数点与最低光子数点的范围，通过光子数阈值的设定，对于不满足要求的光子变化曲线通过声光报警模块8对该点焊予以报警处理。
在焊接领域，首次应用光子信号来监测焊接过程，上述的经验阈值在初始过程中不存在的情况下，可以随机设置，当系统中点焊的光子数样本达到一定数量，即可得到最多光子数点与最低光子数点的范围。
实施例1：
以新能源汽车动力电池组中锂电池串、并联的微型电阻点焊为例，其中电芯的正负极为0.3mm的不锈钢壳，汇流排为0.1mm 的镍片，焊接电流为1.5kA，焊接时间为2ms，电极直径为1.5mm。
微型电阻点焊熔核中液态金属在电磁力的搅拌作用下，温度场处于工件13平面垂直方向的轴对称状态。光子探测点14的同一位置的温度在点焊形成全过程中不断变化，其变化反应了熔核内部的温度场变化情况，因此要将单光子探测器1与点焊机电极臂11的位置相对固定，保证探测位置不发生变化。
本实例实施中采用工作波长范围为900~1700nm的近红外单光子探测器，最快响应速度高达10ns，红外单光子探测器外型尺寸是半径为50mm、高为100mm的圆柱体，数据采集模块3的采集频率为500Mhz。
在上述微型点焊工艺条件下，采集光子探测点14的光子信号，光子信号依次经过数据采集模块3、信号调理模块4及PCI接口5进入工业计算机6的数据处理模块7。
利用上述装置进行微型点焊过程中的质量监测的方法，步骤如下：
在微型点焊焊接时间内，通过数据采集模块3可获得106个光子数据，在数据处理模块7中依次采用均值滤波、带通滤波的方式对光子信号进行处理，得到该工艺条件下的光子信号随时间的变化曲线，并在工业计算机6的监测系统中显示微型点焊过程中的光子曲线于图4。
所述的工业计算机6中，根据光子曲线特征最多光子数点与最低光子数点，设置其允许的波动范围，对于不满足要求的光子变化曲线给予报警处理。
本发明的原理是：使用响应速度快的单光子探测器，监测微型点焊过程的光子变化光子的变化反映了点焊接头形成的全过程。根据普朗克定律可知绝对黑体的辐射能力与波长和温度之间的关系表达式：M(λ，T)=C1λ-5/[exp(C2/λT)-1]
其中λ—波长；T—绝对温度；C1、C2—辐射常数。由此可知只要测出黑体的光谱辐射功率M（λ，T），对波长进行数学积分，即可得出黑体温度。随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。为了适用普朗克定律，需对上式进行修正，为不同材料的性质及表面状态引入一个系数ε，M(λ，T)= ε*C1λ-5/[exp(C2/λT)-1]。根据红外测温原理可知，单光子探测器探测到的光子数随时间的变化可以反映出温度的变化。
微型电阻点焊熔核中液态金属在电磁力的搅拌作用下，温度场处于工件平面垂直方向的轴对称状态。近熔核区域的同一位置的温度在点焊形成全过程中不断变化，其变化与熔核内部的温度场变化情况密切相关，只需监测近熔核区域的一点位置的光子数变化即可，因此要将单光子探测器与点焊机电极臂11位置相对固定，保证光子探测点不发生变化。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种微型点焊过程中的质量监测装置，其特征在于：单光子探测器（1）通过同轴电缆线（2）与数据采集模块（3）连接，数据采集模块（3）与信号调理模块（4）连接，从信号调理模块（4）输出的信号经过PCI接口（5）传输到工业计算机（6）的数据处理模块（7），工业计算机（6）与声光报警模块（8）相连；所述单光子探测器（1）通过机械夹具A（9.1）、机械夹具B（9.2）安装在点焊机电极臂（11）上，所述机械夹具A（9.1）通过转轴（10）与机械夹具B（9.2）连接，通过调整转轴（10）从而调整单光子探测器（1）与点焊机电极臂（11）的相对位置，具体相对位置及角度需要同时满足下述公式：
L2*sinθ1= L1*sinθ2
d1 *cosθ1= (d2-r)*cosθ2
其中，电极（12）与工件（13）的接触面边界，即近熔核区域，单光子探测器对准所述接触面边界的一点称之为光子探测点（14），L1为单光子探测器（1）轴心方向上，光子探测点（14）到机械夹具A（9.1）的距离；L2为光子探测点（14）到固定机械夹具B（9.2）的距离；r为点焊电极（12）的半径，d1为转轴（10）中心点到点焊机电极臂（11）轴线的距离；d2为转轴（10）中心点到单光子探测器（1）轴线的距离；转轴（10）中心点到光子探测点（14）的连线称为c，则θ1为连线c与d1的夹角；θ2为连线c与d2的夹角；
保持转轴（10）到点焊机电极臂（11）轴线的距离d1、机械夹具A（9.1）与机械夹具B（9.2）之间的夹角θ1+θ2不变，以验证光子探测点（14）的光子信号是关于点焊电极（12）轴线的轴对称关系；通过调整机械夹具A（9.1）的角度，获得到微型点焊熔核一周的光子信号，且在旋转过程中，始终保证单光子探测器（1）与防干扰光罩（15）上的红外滤波片光路相匹配。
2.根据权利要求1所述的微型点焊过程中的质量监测装置，其特征在于：单光子探测器（1）相对于点焊机电极臂（11）的位置及探测角度对准光子探测点（14），为防止环境红外对光子信号的影响，在点焊机电极臂（11）下端安装防干扰光罩（15）。
3.根据权利要求2所述的微型点焊过程中的质量监测装置，其特征在于：所述的防干扰光罩（15）由红外滤波片组成，所述红外滤波片中心波段与单光子探测器（1）的响应频段范围相匹配。
4.一种利用权利要求1至3中任意一项所述的装置的微型点焊过程中的质量监测方法，其特征在于：步骤如下：
微型点焊过程中的质量监测装置的单光子探测器（1）与数据采集模块（3）采集到的光子信号，经过信号调理模块（4）、PCI接口（5）送入工业计算机（6）的数据处理模块（7），以微型点焊过程中光子信号为变化量，绘制微型点焊过程中的光子数随时间的变化曲线；
数据处理模块（7）设置最多光子数点与最低光子数点的范围，通过光子数阈值的设定，对于不满足要求的光子变化曲线通过声光报警模块（8）对点焊予以报警处理。
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