CN116618879A - 一种电阻焊焊点质量评估的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电阻焊质量监测技术领域，解决电阻焊焊点质量的无损高准确检测，本发明一种基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，包括：将预期的参考电功W2输入到焊接控制器中；预先获得在不加工件时通电回路的电功W3，将W3输入到电阻焊焊接控制器中；在焊接过程中，电阻焊焊接控制器电流输出阶段按照预设的采集频率对实际输出的焊接电流、电极间电压通过传感器和焊接控制器的采集系统进行实时采集，并根据电功计算公式获得每个时刻的实际电功率：计算获得焊接过程的实际电功W1；由W1、W2和W3计算获得电功敏感因子；将电功敏感因子与预先设定的焊点质量容差上下限进行比较，计算获得焊点质量评估结果。本发明实现了无损高准确检测。
Description
技术领域
本发明属于电阻焊质量监测技术领域，具体涉及一种电阻焊焊点质量评估的方法。
背景技术
电阻焊是一种广泛应用的金属件连接的焊接方法，尤其是在薄板零件焊接中应用广泛，如汽车制造、锂电池制造过程中。焊点质量是电阻焊是否合格的最为核心的要素。
电阻焊是指利用电流通过焊件及接触处产生的电阻热作为热源将焊件局部加热，同时加压进行焊接的方法。焊接时不需要填充金属，生产率高，焊件变形小，容易实现自动化。其利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。
电阻焊基本形式如图1所示，将需要焊接的材料3夹紧于两电极2之间，在施加一定的压力后，焊接控制器释放电流，电流经变压器1输出到材料3，并持续一定的时间，直到材料3的接触面间出现了熔核4，最后停止通电，被融化件材料凝固。
电阻焊是一种多参数耦合的复杂过程，给焊点质量的评估带来了一定困难。
现有技术主要通过对焊点的熔核大小、拉剪力、抗扭力等几个方面的测量得到最终的焊点质量，而上述焊点质量的检测需要经过破拆、切割等破坏性手段才可以实现；也有通过超声波检测实施的无损检测，但上述方法在实施过程中都存在局限，如破坏了零件完整性导致零件无法使用、需要涂抹超声耦合剂、效率低等。因此需要一种无损的方便快捷的电阻焊质量评估方法，特别是可以实时在线进行焊点质量评估的方法。
现有技术中，有基于电阻焊动态过程进行质量分析，如基于电流、电压、电阻、功率的动态曲线等统计信息进行质量评估，如峰值、平均值、标准差等，而且更多的是关注瞬时指标，需要多种指标数据综合才可以有一定结论。另外，该方法有一定局限性，只适用于一部分低碳钢材料。如就峰值而言，在点焊的实际过程中熔核大小会经历从无到有，从小到大再缩小的变化过程，峰值反应的是这一动态变化过程中熔核最大时的数值。但由于熔核还会缩小，因此无法反应熔核最终的大小，而焊点质量的评估中关于熔核大小的测量应是对熔核最终大小的测量，因此将峰值用于焊点的质量评估有一定缺陷。另外，电阻曲线根据不同板材与工艺可以呈现出不同的变化规律，特别是有涂层或镀层的金属在焊接时存在电阻曲线峰值本身就特别大，当发生质量问题时峰值变化和电阻曲线变化不明显，容易造成质量的误判。因此，将过程参数的统计数据用于焊点的质量评估有一定缺陷。进一步的，由于铝合金材料与低碳钢材料的性质不同，无法通过过程参数的统计数据进行焊点的质量评估。高校中也有运用神经网络等智能算法进行质量评估的，但算法复杂，需要专门的运算单元、工控机等设备，不好实现在线评估；进一步的这些算法都是针对某些特定材料优化过的，材料适用范围有限。
综上，针对现有进行焊点质量检测方式的不足：准确度高的需要破拆，而在线评估方法大多停留在实验室阶段，其准确性差、算法复杂，提取的参数有效性适用范围有限，材料覆盖范围有限等，需要设计一种可实现无损检测、可达到较高的评估准确性和具有较好的适用性的电阻焊焊点质量评估方法
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种电阻焊焊点质量评估的方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，包括如下步骤：
步骤1、将预期的参考电功W2输入到焊接控制器中：
步骤2、预先获得在不加工件时通电回路的电功W3，将W3输入到电阻焊焊接控制器中；
步骤3、在焊接过程中，电阻焊焊接控制器电流输出阶段按照预设的采集频率对实际输出的焊接电流、电极间电压通过传感器和焊接控制器的采集系统进行实时采集，并根据电功计算公式获得每个时刻的实际电功率：
P(t)＝U(t)*I(t)；
步骤4、计算获得焊接过程的实际电功W1：实际电功呈现非线性变化，通过积分的方法计算焊接过程中的电功W1，即对电功率在焊接时间t的范围内求积分：
步骤5、由W1、W2和W3计算获得电功敏感因子，见下式：
ePSF＝((W1-W3)-(W2-W3))/(W2-W3)；
步骤6、计算获得焊点质量评估结果：
将ePSF与预先设定的焊点质量容差上下限e1和e2进行比较，进行焊点质量的具体评估；若ePSF大于上限e1或小于下限e2，则评估焊点质量有问题；若ePSF在上限e1和下限e2范围内，则评估焊点质量无问题。
而且，步骤1中，参考电功W2通过理论计算获得或通过反复试验优选得出具体的参考电功数值。
而且，步骤2中，通过理论计算、试验方法获得在不加工件时通电回路的电功。
而且，步骤5中，ePSF通过百分比、百分制、等级制或二值型形式保存在电阻焊设备的数据库中并呈现在电阻焊设备的人机交互系统中。
而且，步骤6中，e1、e2具体数值根据工件进行设定，其绝对值设定为2％～10％。
而且，步骤6中，设定|e1|>＝|e2|。
本发明具有的优点和积极效果为：
本发明提出了一种具体的电阻焊焊点质量评估方法，解决了现在电阻焊质量监测技术存在的问题，即：首先在电阻焊实际生产过程中对其焊接电流、电极间电压进行实时采集，计算出焊接过程中的实际电功，然后求取电功敏感因子，即将实际电功与参考电功进行比较，计算两者差值占参考电功的百分比，作为焊点质量评判的标准，实现对焊点的质量评估，具有如下优点：
1、准确性更高：本方法基于焊接结束状态参数引入电功敏感因子作为焊点质量的评估参数更加贴合实际，也就是根据焊接结束后的参数和状态再进行运算，更加关注最终被施加在工件的功，因此焊点质量评估的准确度更高。
2、更加贴合实际工况：特别是本发明在评估过程中考虑了损耗电功，更切合实际工况环境和准确，克服了以往其他方法中将回路电阻和损耗一起考虑的缺点，具有更大的适用性，提高了焊点质量评估的效果；
3、高效的在线检测：本发明计算量小，既可以将本发明的方法集成在焊机的上位机系统中也可以直接在焊机控制器资源有限的MCU上实现，达到焊接系统直接针对本次焊接过程及时给出焊接结果的评估，甚至打出分数的效果，因此利用本发明可以实现对焊点质量的在线评估，提高了在线评估检测效率。
5、适用材料的范围广：本发明不关注于过程参数，也就意味着跟不同材料的特性关系不大，因此除了应用于低碳钢、高强钢等含碳钢材的焊点质量评估，还可应用于铝合金的焊点质量评估，具有更加广泛的适用性。
附图说明
图1是电阻焊基本形式参考图；
图2是本发明电阻焊焊点质量评估的方法的流程图；
图3是本发明焊点电功曲线图。
图4是本发明实施例中焊点破拆后的焊点图；
图5是本发明实施例中焊点拉伸实验的结果图；
图6是基于动态电阻分析的焊点质量图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
电阻焊点的热源是电流通过接触区产生的电阻热。电阻焊过程中焊接系统做的电功W可以通过W＝UIt进行计算，又由于电阻焊回路是一个串电阻电路，电功主要以电阻热的形式进行能量的转换，因此电功W与电阻热Q是相等的，即W＝Q＝I^2Rt＝IUt，其中的实际焊接电流I和焊接电压可以通过外部传感器和电阻焊控制器的采集系统获得，焊接时间t是预先设置在电阻焊焊接控制器中的。
上述公式表明决定电阻焊接的热量是焊接电流、两电极之间的电压及通电时间三大因素。但其中热量的大部分是用来形成点焊的焊点，而少部分却分散流失于焊点周围的金属中。形成一定焊点所需的电流与通电时间有关，若通电时间很短，则点焊时所需的电流将增大。因此，焊接过程中的电功与最终熔核大小密切相关，而熔核大小直接影响焊点的拉剪力、抗扭力等焊点质量的评估标准，因此焊接过程中的电功与焊点质量密切相关，可以通过对电阻焊的电功分析得到熔核的相关信息，进一步实现对焊点质量的评估。
基于上述理论分析，本发明提出了一种基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，请参见图2，包括如下步骤：
步骤1、将预期的参考电功W2输入到焊接控制器中：其中参考电功W2可以通过理论计算获得，也可以通过反复试验优选得出具体的参考电功数值；
优选的，W2通过理论计算为：当焊接控制器工作在恒流模式中时，W2＝UIt，U为焊接变压器次级电压，当变压器制造完成接入电网后其次级电压可通过电网电压和变压器匝比计算得到、I为预设的焊接电流，恒流模式下该数值基本不变、t为预设的焊接时间；即工艺人员可以根据上述预先已知的工艺参数通过理论计算出W2，如设定焊接电流为10KA，时间100ms，输入电压为工业AC380V，变压器匝比为54，那么其中/>是AC380V整流后的变压器初级DC直流脉动电压，54是变压器匝比
优选的，W2可通过反复试验优选得出参考电功，即工艺人员预先焊接N次合格焊点，通过焊接控制器得到每一次的实际电功，然后剔除最大、最小的实际电功后优选出N-2个焊点的电功，最后求取剩余N-2次实际电功的平均值作为W2。
步骤2、通过理论计算、试验方法预先获得在不加工件时通电回路的电功，即损耗电功W3，预先将W3输入到电阻焊焊接控制器中；
优选的，W3可以通过理论计算，预先通过微欧计测量焊钳未夹工件在闭合状态下次级通电回路的电阻R，并根据预先设定的焊接电流I和焊接时间t计算W3，W3＝I2Rt；
优选的，还可以通过试验的方法得到W3，可以通过在不加工件的条件下焊接N次，依次获得N次的实际电功，然后求这N次实际功率的平均值作为损耗电功W3。该电功表征的是电极臂、通电回路中损耗的电功；N取值一般为大于等于1小于等于10。
步骤3、在焊接过程中，电阻焊焊接控制器电流输出阶段按照预设的采集频率对实际输出的焊接电流、电极间电压通过传感器和焊接控制器的采集系统进行实时采集，并根据电功计算公式获得每个时刻的实际电功率：
P(t)＝U(t)*I(t)；
步骤4、计算获得焊接过程的实际电功W1：焊接过程是一个动态变化的过程，实际电功呈现非线性变化，通过积分的方法计算焊接过程中的电功W1，即对电功率在焊接时间t的范围内求积分，如图3所示：
步骤5、计算获得电功敏感因子：焊接结束后将实际电功W1与参考电功W2分别减去损耗电功后进行运算，计算本次焊接的电功敏感因子ePSF，也称为电功率曲线的敏感因子，即
ePSF＝((W1-W3)-(W2-W3))/(W2-W3)；
ePSF可以通过百分比、百分制(ePSF)、等级制(ePSF)、二值型(有无问题)等形式保存在数据库中并呈现在人机交互系统中，本发明中优选二值型的二进制数据。
步骤6、计算获得焊点质量评估结果ePSF
将ePSF与预先设定的焊点质量容差上下限e1和e2进行比较，进行焊点质量的具体评估，具体为：
若ePSF大于上限e1或小于下限e2，则评估焊点质量有问题；若ePSF在上限e1和下限e2范围内，则评估焊点质量无问题；
上述步骤6中，e1、e2具体数值根据工件可以进行设定，一般其绝对值设定为2％～10％。
上述步骤6中，通常设定|e1|>＝|e2|，优选的|e1|比|e2|大10～50％；
实施例：
针对常见板材应用本方法的具体实施例为，母材型号为DC01，厚度为1.0mm，对手件板材为210P1，厚度为1.2mm，母材和对手件材料都属于典型的低碳钢类型。
通过反复试验获得W2和W3，试验过程中预先将两种板材切割成统一大小方便试验的大小，每组试片焊接1个焊点。
步骤1、通过反复试验优选得出参考电功W2，即工艺人员预先焊接30次焊点，并通过焊接控制器得到每一次的实际电功，经过破拆优选出熔核直径和拉伸强度均合格的20个焊点，然后剔除最大、最小的实际电功后优选出18个焊点的电功，最后求取这18次实际电功的平均值作为W2；
步骤2、在不加工件的条件下焊接5次，依次获得5次的实际电功，然后求这5次实际功率的平均值作为损耗电功W3。该电功表征的是电极臂、通电回路中损耗的电功。
步骤3、在焊接过程中，电阻焊焊接控制器电流输出阶段按照预设的采集频率对实际输出的焊接电流、电极间电压通过传感器和焊接控制器的采集系统进行实时采集，并根据电功计算公式获得每个时刻的实际电功率：
P(t)＝U(t)*I(t)；
步骤4、计算获得焊接过程的实际电功W1：焊接过程是一个动态变化的过程，实际电功呈现非线性变化，通过积分的方法计算焊接过程中的电功W1，即对电功率在焊接时间t的范围内求积分，如图3所示：
步骤5、计算获得电功敏感因子：焊接结束后将实际电功W1与参考电功W2分别减去损耗电功后进行运算，计算本次焊接的电功敏感因子ePSF，也称为电功率曲线的敏感因子
ePSF＝((W1-W3)-(W2-W3))/(W2-W3)
ePSF通过百分比的形式保存在数据库中并呈现在人机交互系统中，经上述计算得到本次实际带工件焊接后的ePSF为2％。
步骤6、计算获得焊点质量评估结果
预先设定e1为4％，e2为-3％；将ePSF与预先设定的焊点质量容差上下限e1和e2进行比较，进行焊点质量的具体评估，具体为：
若ePSF大于上限e1或小于下限e2，则评估焊点质量有问题；若ePSF在上限e1和下限e2范围内，则评估焊点质量无问题；本实施例中ePSF在上下限容差范围内，判定为一个合格焊点，经拉伸实验得到工件焊点的实际拉力并测量熔核直径，如图4所示，经卡尺测量熔核直径达到6.96mm，如图5所示，经拉伸机测试最大拉剪力达到10.89KN，是一个合格焊点，与本方法计算的结果一致。
本方法与传统的基于动态电阻的方法相比(一种电阻点焊中焊点飞溅的识别方法CN202010404132.6)，传统的动态电阻曲线如图6所示，其中有一段明显的电阻下跌过程，因此基于动态电阻的方法判定为焊点发生飞溅，也即焊点质量有问题，而且下跌过程越明显通常意味着焊点质量越差，该结果与实际破拆并不符；原因在于在实际应用中发现虽然大部分焊点发生飞溅时其熔核直径和拉剪力会下降，但由于焊接过程的复杂性，会出现个别焊点即使发生飞溅其熔核直径和拉剪力并不一定必然会下降，因此，相比传统的动态电阻方法，本方法的准确性更高。
综上，通过以上方法，实现了对焊点质量的评估，该方法准确度高，更加贴合实际工况，可以在线进行，明显提高了生产效率，适用材料的范围广。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将预期的参考电功W2输入到焊接控制器中：
步骤2、预先获得在不加工件时通电回路的电功W3，将W3输入到电阻焊焊接控制器中；
步骤3、在焊接过程中，电阻焊焊接控制器电流输出阶段按照预设的采集频率对实际输出的焊接电流、电极间电压通过传感器和焊接控制器的采集系统进行实时采集，并根据电功计算公式获得每个时刻的实际电功率：
P(t)＝U(t)*I(t)；
步骤4、计算获得焊接过程的实际电功W1：实际电功呈现非线性变化，通过积分的方法计算焊接过程中的电功W1，即对电功率在焊接时间t的范围内求积分：
步骤5、由W1、W2和W3计算获得电功敏感因子，见下式：
ePSF＝((W1-W3)-(W2-W3))/(W2-W3)；
步骤6、计算获得焊点质量评估结果：
将ePSF与预先设定的焊点质量容差上下限e1和e2进行比较，进行焊点质量的具体评估；若ePSF大于上限e1或小于下限e2，则评估焊点质量有问题；若ePSF在上限e1和下限e2范围内，则评估焊点质量无问题。
2.根据权利要求1所述的基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于：步骤1中，参考电功W2通过理论计算获得或通过反复试验优选得出具体的参考电功数值。
3.根据权利要求1所述的基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于：步骤2中，通过理论计算、试验方法获得在不加工件时通电回路的电功。
4.根据权利要求1所述的基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于：步骤5中，ePSF通过百分比、百分制、等级制或二值型形式保存在电阻焊设备的数据库中并呈现在电阻焊设备的人机交互系统中。
5.根据权利要求1所述的基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于：步骤6中，e1、e2具体数值根据工件进行设定，其绝对值设定为2％～10％。
6.根据权利要求1所述的基于电功的电阻焊焊点质量评估的方法，其特征在于，步骤6中：设定|e1|>＝|e2|。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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