CN111390367A - 一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，包括以下步骤：S1、采集系统采集焊接过程焊钳次级侧的电流和电压，分别得到数组数据I(n)和数组数据V(n)；S2、根据欧姆定律得到数组数据R1(n)；S3、设定一个长度为t1的时间窗口；S4、通过移动时间窗计算时间窗内的R1(n)的标准差，得到一个标准差数组σ1(m)；S5、对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)；S6、对σ2(n)做归一化得到σ3(n)数组；S7、计算σ3(n)数组的算数平均值μ；S8、将3倍的平均值μ与阈值1比较，识别是否飞溅，以及飞溅的定量指标。本发明所述的通过采集焊接过程中的电流和电压，计算得到动态电阻，针对动态电阻运用该发明所述方法即可识别出焊点是否发生飞溅的定性指标并给出飞溅严重程度的定量指标。

Description

一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其是涉及一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法。

背景技术

电阻点焊是将被焊接的两种不同材质或同种材质的工件压紧于上下两个电极之间，并通以焊接电流，当电流流经工作接触面及邻近区域产生的电阻热，将其加工到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。因其操作简单、焊接成本低、劳动条件较好、生产率高等优点，广泛应用于航空航天、电子、汽车、家用电器等行业。

电阻点焊过程中所产生的飞溅对零件质量影响很大，会使核心液态金属量减少，降低了机械性能，对飞溅表面需投入大量的人力进行打磨，增加了劳动强度，此外飞溅还会恶化操作环境。所以在生产过程中，要尽量避免飞溅的产生。更进一步的近年来随着热成型钢和镀锌板越来越多的应用于汽车车身制造过程中，其电阻点焊较传统钢更容易产生飞溅的缺陷，造成车身焊接质量不稳定。由于焊点质量检测往往需要抽样破坏性检验，此举既浪费成本又不具代表性，因此实现电阻点焊飞溅快速识别和在线监测是工业现场的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，以解决电阻点焊过程中所产生的飞溅对零件质量影响很大，会使核心液态金属量减少，降低了机械性能，对飞溅表面需投入大量的人力进行打磨，增加了劳动强度，此外飞溅还会恶化操作环境的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，包括以下步骤：

S1、通过采集系统采集一次焊点的整个焊接过程焊钳次级侧的电流和电压，分别得到电流随时间变化的一维数组数据I(n)和电压随时间变化的一维数组数据V(n)；

S2、根据欧姆定律计算得到焊接过程的动态电阻的一维数组数据R1(n)；

S3、设定一个长度为t1的时间窗口；

S4、从0时刻按照时间逐次移动时间窗，计算不同时间窗内R1(n)的标准差，得到一个标准差数组σ1(m)；

S5、对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)；

S6、对σ2(n)做归一化得到σ3(n)数组；

S7、计算σ3(n)数组的算数平均值μ；

S8、将3倍的平均值μ与阈值1比较，根据比较结果识别是否飞溅，以及飞溅的定量指标。

进一步的，所述步骤S1中的采集系统包括电压传感器，电流传感器，传感器信号滤波，信号采样保持，A/D转转和运算单元，电流传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元；电压传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元；

进一步的，所述运算单元为具有运算能力的设备或芯片。

进一步的，所述步骤S4中得到标准差数组σ1(m)的步骤如下：

①、对R1(n)计算[0，t1]时间窗口内的标准差，即R1(0)，R1(1)，R1(2)，…，R1(t1)的标准差，该标准差即为σ1(1)的数值；

②、时间窗口向后移动1个时间刻度，即时间窗口为[1，t1+1]，计算该时间窗口内R1(n)的标准差，也即R1(1)，R1(2)，R1(3)，…，R1(t1+1)的标准差，该标准差即为σ1(2)的数值；

③、依次向后移动时间窗口，直到时间窗口移动到数据结尾，即时间窗为[L-t1，L]，并得到σ1(L-t1+1)；

④、最终得到每个时间窗内关于R1(n)的标准差，即得到一个长度为L-t1+1的标准差数组σ1(m)，其中m＝1，2，…，L-t1+1。

进一步的，所述步骤S5中的对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)过程如下，通过预处理将标准差σ1(m)数组中焊接时间前20％内的数据滤除，并将标准差σ1(m)数组长度处理为与R1(n)数组长度一致。

进一步的，所述标准差σ1(m)数组长度处理过程如下：

①、结尾补0：对σ1(m)数组通过对结尾补若干个0元素的方式，将σ1(m)数组长度补充处理为和R1(n)数组长度一致，具体为在σ1(m)后面补充t1/2个0元素，t1/2为时间窗口对2的取整；

②、起始补0：对σ1(m)前面用0补充剩余相差的元素个数，使得数据长度为L，即补充L-(L-t1+1)-t1/2个0元素；

③、置0：将完成①和②后的σ1(m)数组中位于焊接时间前20％范围内的数据全部置0，即将σ1(m)中[0，L*20％]范围的数据全部置0。

进一步的，所述步骤S6中对σ2(n)做归一化，即将σ2(n)的数据变换到[0，1]的范围内，得到σ3(n)数组，归一化采用如下公式：

X_norm：归一化值，X_min：最小值，X_max最大值；

σ3(n)＝(σ2(n)-Min(σ2(n)))/(Max(σ2(n))-Min(σ2(n)))

其中Max(σ2(n))为σ2(n)的最大值，Min(σ2(n))为σ2(n)的最小值，n＝1，2，…，L。

进一步的，所述步骤S7中计算算数平均值的公式为：

计算标准差的公式为：

其中，N为数组长度，μ为其平均值(算术平均值)，σ为标准差。

进一步的，所述步骤S8中比较结果识别是否飞溅的过程如下：

①1>＝3*μ，则识别判定为发生飞溅，飞溅严重程度为(1-μ)％，飞溅发生在σ3(n)数组取得最大值时刻；

②1<3*μ，则判定为未发生飞溅。

相对于现有技术，本发明所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法具有以下优势：

本发明所述的方法通过采集焊接过程中的电流和电压，计算得到动态电阻，针对动态电阻运用该发明所述方法即可识别出焊点是否发生飞溅的定性指标并给出飞溅严重程度的定量指标。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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。在附图中：

图1为本发明实施例所述的飞溅由板件中间飞出示意图；

图2为本发明实施例所述的飞溅由板件表面飞出示意图；

图3为本发明实施例所述的电阻点焊的飞溅识别方法流程图；

图4为本发明实施例所述的数据预处理流程图；

图5为本发明实施例所述的数据归一化流程图；

图6为本发明实施例所述的采集系统结构框图；

图7为本发明实施例所述的未飞溅焊点的实际焊接波形示意图；

图8为本发明实施例所述的未飞溅焊点的飞溅识别图；

图9为本发明实施例所述的飞溅焊点的实际焊接波形示意图；

图10为本发明实施例所述的飞溅焊点的飞溅识别图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

由飞溅产生的根本原因可知，当焊接过程中产生飞溅时会有金属飞出，由于金属飞出会造成电极两端所压工件的电阻会发生突变，电阻点焊通常无法直接测量电极两端的电阻，但是电流和电压是可以通过相关传感器测量的过程参数，本发明既是根据焊接过程中测量得到的电流和电压，根据欧姆定律计算得到一次焊点的整个焊接过程随时间动态变化的动态电阻曲线，然后运用本发明所述方法对动态电阻曲线进行计算，得到焊点飞溅的定性和定量指标。

为了达到上述目的，一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，包括以下步骤：

S1、通过采集系统采集一次焊点的整个焊接过程焊钳次级侧的电流和电压，分别得到电流随时间变化的一维数组数据I(n)和电压随时间变化的一维数组数据V(n)，数组长度为L，其中n＝1，2，…L；如图7和图9所示，其中“…”线表示电压波形，“—■”线表示电流波形；

S2、根据欧姆定律计算得到焊接过程的动态电阻的一维数组数据R1(n)，其中R1(n)＝V(n)/I(n)；如图7和图9所示，其中“—”线表示动态电阻波形，横轴时间长度为300ms；

S3、设定一个长度为t1的时间窗口，t1<焊接时间，通常取t1＝10-20ms；

S4、从0时刻按照时间逐次移动时间窗，计算不同时间窗内R1(n)的标准差，得到一个标准差数组σ1(m)；

S5、对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)；

S6、对σ2(n)做归一化得到σ3(n)数组；如图8和图10所示，“…”线为预处理后的标准差σ3(n)的曲线，经预处理横轴时间长度成为了300ms，为了方便图形的比较，“—”线为将R1(n)同样进行了归一化处理后的波形，并显示在图8和图10中，该处理仅是为了方便波形观测，不是必要步骤。

S7、计算σ3(n)数组的算数平均值μ；即图8中横向的“…”线段，其纵轴数值为0.51，图10中横向的“…”线段，其纵轴数值为0.10。

S8、将3倍的平均值μ与阈值1比较，根据比较结果识别是否飞溅，以及飞溅的定量指标。

如图6所示，所述步骤S1中的采集系统包括电压传感器，电流传感器，传感器信号滤波，信号采样保持，A/D转转和运算单元，电流传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元；电压传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元；

所述运算单元为具有运算能力的设备或芯片。

所述步骤S4中得到标准差数组σ1(m)的步骤如下：

①、对R1(n)计算[0，t1]时间窗口内的标准差，即R1(0)，R1(1)，R1(2)，…，R1(t1)的标准差，该标准差即为σ1(1)的数值；

②、时间窗口向后移动1个时间刻度，即时间窗口为[1，t1+1]，计算该时间窗口内R1(n)的标准差，也即R1(1)，R1(2)，R1(3)，…，R1(t1+1)的标准差，该标准差即为σ1(2)的数值；

③、依次向后移动时间窗口，直到时间窗口移动到数据结尾，即时间窗为[L-t1，L]，并得到σ1(L-t1+1)；

④、最终得到每个时间窗内关于R1(n)的标准差，即得到一个长度为L-t1+1的标准差数组σ1(m)，其中m＝1，2，…，L-t1+1；。

如图4所示，所述步骤S5中的对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)过程如下，通过预处理将标准差σ1(m)数组中焊接时间前20％内的数据滤除，并将标准差σ1(m)数组长度处理为与R1(n)数组长度一致。

所述标准差σ1(m)数组长度处理过程如下：

①、结尾补0：对σ1(m)数组通过对结尾补若干个0元素的方式，将σ1(m)数组长度补充处理为和R1(n)数组长度一致，具体为在σ1(m)后面补充t1/2个0元素，t1/2为时间窗口对2的取整；

②、起始补0：对σ1(m)前面用0补充剩余相差的元素个数，使得数据长度为L，即补充L-(L-t1+1)-t1/2个0元素；

③、置0：将完成①和②后的σ1(m)数组中位于焊接时间前20％范围内的数据全部置0，即将σ1(m)中[0，L*20％]范围的数据全部置0。

如图5所示，所述步骤S6中对σ2(n)做归一化，即将σ2(n)的数据变换到[0，1]的范围内，得到σ3(n)数组，归一化采用如下公式：

X_norm：归一化值，X_min：最小值，X_max最大值；

σ3(n)＝(σ2(n)-Min(σ2(n)))/(Max(σ2(n))-Min(σ2(n)))，其中Max(σ2(n))为σ2(n)的最大值，Min(σ2(n))为σ2(n)的最小值，n＝1，2，…，L。

所述步骤S7中计算算数平均值的公式为：

计算标准差的公式为：

其中，N为数组长度，μ为其平均值(算术平均值)，σ为标准差。

如图10所示，所述步骤S8中比较结果识别是否飞溅的过程如下：

①1>＝3*μ，则识别判定为发生飞溅，飞溅严重程度为(1-μ)％，飞溅发生在σ3(n)数组取得最大值时刻；

②1<3*μ，则判定为未发生飞溅。

在点焊过程中，由焊件贴合面或电极与焊件表面间喷出微细熔化金属颗粒的现象被称为“点焊飞溅”或“点焊喷溅”，见图1、图2。在点焊加热过程中，工件在大电流作用下会产生电阻热，从而将接触处的金属融化或液化形成熔核，液态熔核的外围工件由于产生的电阻热不足以融化金属，呈现高温固态的形式，在电极压力作用下产生塑性变形和强烈再结晶而形成塑性环。在通电加热阶段，它始终处于“产生、扩展，部分转化为液态熔核”这一动态变化过程，即先于熔核形成且始终伴随熔核一起变大，它的存在可防止周围气体侵入和保证熔核液体金属不至于沿板缝被挤出形成飞溅。如果加热过急，而周围塑性环还未形成，被急剧加热的接触点由于温度上升极快，使内部金属气化，便以飞溅形式向板间缝隙喷射，造成前期飞溅。形成最小尺寸熔核后，继续加热，熔核和塑性环不断向外扩展，当熔核沿径向的扩展速度大于塑性环扩展速度时，则产生后期飞溅。如果熔化核心轴向增长过高，在电极压力作用下也可能冲破塑性环向表面喷射而形成外部飞溅。因此，产生飞溅的根本原因就是由于塑性环破裂或不完整，使之失去了对熔池金属的包容作用，造成金属飞出的现象。

归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为标量。在多种计算中都经常用到这种方法。

标准差，又常称均方差，是均方差平方的算术平均数的平方根，用σ表示。在概率统计中最常使用作为统计分布程度上的测量。标准差定义是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。它反映组内个体间的离散程度，计算公式为：

公式描述：N为数组长度，μ为其平均值(算术平均值)，σ为标准差。

以下为举例数据：

图7为第12点焊接过程中的电压、电流以及计算的电阻曲线；

图8为第12点根据本发明对电阻波形数据进行处理后得到的归一化电阻值和归一化标准差曲线，其中横轴虚线表示均值，该均值为0.51，根据本发明，判断为没有发生飞溅，飞溅严重程度的指标为0；

图9为第17点焊接过程中的电压、电流以及计算的电阻曲线；

图8为第17点根据本发明对电阻波形数据进行处理后得到的归一化电阻值和归一化标准差曲线，其中横轴虚线表示均值，该均值为0.10，根据本发明，判断为发生飞溅，飞溅发生时刻为竖轴虚线处，即第275ms的时候发生了焊点飞溅，飞溅严重程度的指标为90.30；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、通过采集系统采集一次焊点的整个焊接过程焊钳次级侧的电流和电压，分别得到电流随时间变化的一维数组数据I(n)和电压随时间变化的一维数组数据V(n)；

S2、根据欧姆定律计算得到焊接过程的动态电阻的一维数组数据R1(n)；

S3、设定一个长度为t1的时间窗口；

S4、从0时刻按照时间逐次移动时间窗，计算不同时间窗内R1(n)的标准差，得到一个标准差数组σ1(m)；

S5、对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)；

S6、对σ2(n)做归一化得到σ3(n)数组；

S7、计算σ3(n)数组的算数平均值μ；

S8、将3倍的平均值μ与阈值1比较，根据比较结果识别是否飞溅，以及飞溅的定量指标。

2.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S1中的采集系统包括电压传感器，电流传感器，传感器信号滤波，信号采样保持，A/D转转和运算单元，电流传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元；电压传感器依次连接滤波，采样保持，A/D转换和运算单元。

3.根据权利要求2所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述运算单元为具有运算能力的设备或芯片。

4.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S4中得到标准差数组σ1(m)的步骤如下：

①、对R1(n)计算[0，t1]时间窗口内的标准差，即R1(0)，R1(1)，R1(2)，…，R1(t1)的标准差，该标准差即为σ1(1)的数值；

②、时间窗口向后移动1个时间刻度，即时间窗口为[1，t1+1]，计算该时间窗口内R1(n)的标准差，也即R1(1)，R1(2)，R1(3)，…，R1(t1+1)的标准差，该标准差即为σ1(2)的数值；

③、依次向后移动时间窗口，直到时间窗口移动到数据结尾，即时间窗为[L-t1，L]，并得到σ1(L-t1+1)；

④、最终得到每个时间窗内关于R1(n)的标准差，即得到一个长度为L-t1+1的标准差数组σ1(m)，其中m＝1，2，…，L-t1+1。

5.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S5中的对标准差σ1(m)数组做预处理得到σ2(n)过程如下，通过预处理将标准差σ1(m)数组中焊接时间前20％内的数据滤除，并将标准差σ1(m)数组长度处理为与R1(n)数组长度一致。

6.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述标准差σ1(m)数组长度处理过程如下：

①、结尾补0：对σ1(m)数组通过对结尾补若干个0元素的方式，将σ1(m)数组长度补充处理为和R1(n)数组长度一致，具体为在σ1(m)后面补充t1/2个0元素，t1/2为时间窗口对2的取整；

②、起始补0：对σ1(m)前面用0补充剩余相差的元素个数，使得数据长度为L，即补充L-(L-t1+1)-t1/2个0元素；

③、置0：将完成5.1和5.2后的σ1(m)数组中位于焊接时间前20％范围内的数据全部置0，即将σ1(m)中[0，L*20％]范围的数据全部置0。

7.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S6中对σ2(n)做归一化，即将σ2(n)的数据变换到[0，1]的范围内，得到σ3(n)数组，归一化采用如下公式：

X_norm：归一化值，X_min：最小值，X_max最大值；

σ3(n)＝(σ2(n)-Min(σ2(n)))/(Max(σ2(n))-Min(σ2(n)))；

其中Max(σ2(n))为σ2(n)的最大值，Min(σ2(n))为σ2(n)的最小值，n＝1，2，…，L。

8.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S7中计算算数平均值的公式为：

计算标准差的公式为：

其中，N为数组长度，μ为其平均值(算术平均值)，σ为标准差。

9.根据权利要求1所述的一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法，其特征在于：所述步骤S8中比较结果识别是否飞溅的过程如下：

①1>＝3*μ，则识别判定为发生飞溅，飞溅严重程度为(1-μ)％，飞溅发生在σ3(n)数组取得最大值时刻；

②1<3*μ，则判定为未发生飞溅。

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