（西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

電阻點(diǎn)焊應(yīng)變式壓力傳感器彈性體的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

翁福娟，張 勇，葉 武，周昀蕓，滕 輝

（西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

針對(duì)電阻點(diǎn)焊壓力的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)電阻點(diǎn)焊電極受力分析結(jié)果，提出通過(guò)縮短壓力傳感器與電極間的安裝距離、減少受力不平衡帶來(lái)的測(cè)量誤差的方法。設(shè)計(jì)可直接安裝在下電極及其電極握桿之間的應(yīng)變式壓力傳感器，并對(duì)其彈性體進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電阻點(diǎn)焊過(guò)程中的電極壓力，及時(shí)響應(yīng)點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程壓力的瞬時(shí)變化，可間接預(yù)測(cè)熔核大小、監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的飛濺。

電阻點(diǎn)焊；壓力傳感器；彈性體；飛濺

0 前言

在電阻點(diǎn)焊中，電極壓力是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。當(dāng)電極壓力過(guò)小時(shí)，焊接區(qū)金屬的塑性變形范圍和變形程度不足，接觸電阻增大，電流密度過(guò)大，加熱速度增大而塑性環(huán)來(lái)不及擴(kuò)展，從而產(chǎn)生嚴(yán)重飛濺；當(dāng)電極壓力過(guò)大時(shí)，焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度減小，散熱增加，熔核尺寸減小，甚至造成未熔合、未焊透等缺陷[1]。因此，動(dòng)態(tài)電極壓力的在線監(jiān)測(cè)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的監(jiān)控具有重要意義。

目前，測(cè)量壓力的傳感器很多，常用的有壓電式和應(yīng)變式兩種。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，該電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出，壓電式壓力傳感器即基于此原理。應(yīng)變式傳感器是通過(guò)應(yīng)變計(jì)和彈性元件將機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進(jìn)行電量測(cè)量的裝置，應(yīng)變計(jì)直接粘貼在彈性元件表面，不直接承受壓力，因此可將應(yīng)變計(jì)放置于盡可能靠近焊件的位置。C.S.Chien等人[2]采用壓電晶體環(huán)和應(yīng)變規(guī)傳感器測(cè)量電極壓力，其中壓電晶體環(huán)傳感器安裝在接近下電極處。高戰(zhàn)蛟等人[3]利用壓電環(huán)傳感器對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程壓力信號(hào)進(jìn)行了研究。羅賢星等人[4]在焊接回路之外安裝壓電式傳感器直接測(cè)量受力大小，該方法對(duì)焊機(jī)改動(dòng)較大，且傳感器離焊件較遠(yuǎn)，不滿足受力平衡條件，測(cè)量值與焊件實(shí)際受力存在差異。S.A.Gedeon等人[5]采用全橋應(yīng)變片測(cè)量點(diǎn)焊過(guò)程上極臂的變形，用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)焊的飛濺缺陷。李強(qiáng)等人[6]采用一種安裝于氣缸內(nèi)的電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電極壓力。潘存海等人[7]采用高靈敏石英應(yīng)變傳感器和與之配套的工業(yè)電荷放大器測(cè)量電極壓力，傳感器安裝在下電極臂，對(duì)焊機(jī)改動(dòng)較小，但傳感器距離焊件較遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力不平衡對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。

本研究建立了電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電極的受力模型，設(shè)計(jì)制作了一種可以直接安裝在焊接回路中的電阻點(diǎn)焊壓力測(cè)試專用的應(yīng)變式傳感器，分析該傳感器在監(jiān)測(cè)熔核形成過(guò)程及焊接飛濺缺陷的應(yīng)用。

1 電阻點(diǎn)焊電極受力模型

典型的氣動(dòng)式電阻點(diǎn)焊機(jī)受力情況如圖1所示。

在機(jī)頭上升和下降過(guò)程，機(jī)頭本身受力不平衡，發(fā)生變速運(yùn)動(dòng)，若加速度為a（方向向下為正），根據(jù)牛頓第二定律，機(jī)頭下壓時(shí)，有

式中 m為活塞以下機(jī)械構(gòu)件的質(zhì)量；G為活塞以下機(jī)械構(gòu)件的重力；FC為扣除氣缸中密封零件造成的損失后，氣缸作用在活塞桿上的推力；Ff為活塞桿導(dǎo)向襯套內(nèi)，活塞桿受到的摩擦力。

機(jī)頭上升時(shí)，有

摩擦力Ff與活塞桿和活塞導(dǎo)向襯套間壓力FN、接觸面的摩擦系數(shù)f有關(guān)。FN則可根據(jù)力矩平衡關(guān)系求得，即

圖1 氣動(dòng)式點(diǎn)焊機(jī)電極受力分析Fig.1 Electrode force analysis of pneumatic spot welding machine

式中 l為活塞桿軸線與電極軸線間的距離；h為活塞在導(dǎo)向襯套內(nèi)的高度。

可見(jiàn)由于氣缸軸與電極軸不再同一直線，活塞桿與活塞導(dǎo)向襯套間的壓力將隨電極壓力變化而變化，摩擦力Ff也將隨之變化，此時(shí)有

將式（4）代入式（1）和式（2），可得機(jī)頭下壓時(shí)的電極壓力為

機(jī)頭上升時(shí)的電極壓力為

由式（5）和式（6）可知，氣缸壓力 FC、摩擦力 Ff與加速度a是影響焊接壓力的主要因素。通過(guò)測(cè)量氣缸壓強(qiáng)來(lái)間接評(píng)估焊接過(guò)程中工件所受壓力的方法，實(shí)際上只反映了氣缸壓力FC的變化，而未考慮其他因素的影響，測(cè)量誤差較大。

為了提高測(cè)量精度，應(yīng)盡可能將傳感器放置在電極軸線上，滿足力矩平衡關(guān)系；且傳感器應(yīng)盡可能靠近被焊工件，這樣測(cè)試位置與電極端面間機(jī)械構(gòu)件的質(zhì)量減少，從而在動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試過(guò)程中，由加速度a帶來(lái)的測(cè)量誤差相應(yīng)減少。

2 電阻點(diǎn)焊專用壓力傳感器彈性體的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計(jì)電阻點(diǎn)焊專用壓力測(cè)試傳感器如圖2所示，主要由彈性體、應(yīng)變片、密封圈和保護(hù)罩等組成。傳感器通過(guò)其內(nèi)錐面和外錐面分別與點(diǎn)焊機(jī)的下電極和下電極握桿相連，滿足力矩平衡條件，又通過(guò)縮短傳感器與電極間的安裝距離，減少由加速度a帶來(lái)的測(cè)量誤差。焊接時(shí)，電極壓力使彈性體產(chǎn)生應(yīng)變，測(cè)量應(yīng)變的大小即可得到被焊工件的受力情況。

圖2 壓力傳感器的組成及結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the force sensor

傳感器彈性體采用與電極握桿相同的H62銅合金材料。測(cè)試應(yīng)變片粘貼在彈性體中部外壁，此處橫截面積最小，應(yīng)力分布較均勻，可獲得最大的應(yīng)變，從而提高傳感器的測(cè)量靈敏度。測(cè)試應(yīng)變片粘貼位置的截面積不能太小，其尺寸設(shè)計(jì)是傳感器彈性體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，必須保證彈性體在受到最大軸向應(yīng)力時(shí)不發(fā)生塑性變形。

為保證彈性體卸載后能夠恢復(fù)初始狀態(tài)，彈性體所受最大軸向應(yīng)力必須小于H62黃銅的彈性極限。H62黃銅的力學(xué)性能如表1所示。

表1 黃銅H62室溫下的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of H62

取安全系數(shù) n=1.5，則許用應(yīng)力[σ]為

彈性體所受應(yīng)力大小為

式中 d為中空彈性體內(nèi)徑；D為中空彈性體外徑。

根據(jù)所測(cè)電極壓力的最大值及冷卻水通道直徑，即可由式（8）求得彈性體的最小外徑。

為使應(yīng)變計(jì)粘貼部位應(yīng)力分布比較均勻，其高度不能太小，對(duì)于空心圓柱體彈性體，高度H設(shè)計(jì)一般為

式中 L為應(yīng)變片基底的長(zhǎng)度。

3 傳感器的測(cè)試及應(yīng)用

3.1 傳感器的測(cè)試

電極壓力傳感器的測(cè)試采用NA-200-4型氣動(dòng)式交流電阻點(diǎn)焊機(jī)。不通電空程運(yùn)行時(shí)不同壓力下的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不通電空程時(shí)電極壓力的測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of electrode pressure with no current

由圖3可知，隨著電極壓力的增加，測(cè)試得到的壓力信號(hào)增大，壓力從開(kāi)始施壓到達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間越長(zhǎng)。上述結(jié)果反映了測(cè)試點(diǎn)焊機(jī)儲(chǔ)氣能力不足，且氣源較遠(yuǎn)，不能及時(shí)補(bǔ)充高壓氣體的實(shí)際情況。

設(shè)定電極壓力5.0 kN、焊接電流8.1kA、通電時(shí)間0.3 s條件下，焊接兩層1.5 mm厚低碳鋼板無(wú)飛濺時(shí)，壓力傳感器輸出信號(hào)與焊接電流的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在通電電流上升階段，焊接區(qū)金屬受熱體積膨脹，電極壓力隨之逐漸升高；隨著通電時(shí)間延長(zhǎng)，開(kāi)始形成熔化核心并快速增大，促使上電極隨之向上位移，電極壓力也隨之快速升高；隨著加熱過(guò)程的繼續(xù)，當(dāng)通電時(shí)間超過(guò)約0.2s后，由于熔化金屬進(jìn)一步增多，熔核周圍塑性環(huán)進(jìn)一步擴(kuò)大，使得焊接區(qū)金屬軟化面積增大，電極壓力隨之下降；切斷焊接電流后，點(diǎn)焊熔核即進(jìn)入快速冷卻結(jié)晶過(guò)程，焊接區(qū)金屬體積收縮，并使電極壓力也進(jìn)一步減??；當(dāng)點(diǎn)焊熔核冷卻結(jié)晶過(guò)程結(jié)束后，焊接區(qū)金屬體積達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電極壓力逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

圖4 焊接兩層1.5 mm厚低碳鋼板測(cè)試結(jié)果Fig.4 Welding test results of 1.5mm thick low carbon steels

上述結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的傳感器能夠及時(shí)響應(yīng)電阻點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程壓力的瞬時(shí)變化。

3.2 傳感器在監(jiān)測(cè)熔核形成及飛濺中的應(yīng)用

電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，任何一個(gè)因素的變化都會(huì)影響焊接區(qū)熱輸入和形核過(guò)程，進(jìn)而使得在焊接階段的電極壓力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，因此采集壓力信號(hào)可用于監(jiān)控熔核形成及焊接質(zhì)量。

在NA-200-4型交流點(diǎn)焊機(jī)上，設(shè)定電極壓力5.0 kN、通電時(shí)間0.2 s，改變焊接電流，焊接2 mm+2 mm 30CrMnSi鋼板，測(cè)得的壓力信號(hào)曲線及結(jié)合界面焊點(diǎn)情況如圖5所示。

由圖5可知，30CrMnSi鋼板點(diǎn)焊時(shí)的電極壓力曲線在通電初期逐漸升高，然后在通電階段中后期達(dá)到峰值，隨后下降。隨著焊接電流的增加，熔核直徑逐漸增大，當(dāng)電流為8.3 kA時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重飛濺。

計(jì)算通電初期壓力上升率和通電后期壓力下降率發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增加，通電初期壓力上升率及通電后期壓力下降率都逐漸增大。分析認(rèn)為：通電初期，焊接電流產(chǎn)生的焦耳熱，使得焊接區(qū)金屬受熱膨脹并逐漸熔化形成熔核，電極壓力增大，曲線上升；且焊接電流越大，金屬受熱膨脹越快，熔化越多，熔核越大，壓力曲線上升率越大。通電后期，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，輸入熱量增加，熔核熔化金屬增多，塑性環(huán)及熱影響區(qū)擴(kuò)大，焊接區(qū)金屬抗塑變能力變小，電極壓力下降；且焊接電流越大，熔核金屬熔化量越多，塑性環(huán)及熱影響區(qū)擴(kuò)展越大，即焊接熔核越大，電極壓力下降率越大。當(dāng)焊接電流增大到一定程度，導(dǎo)致熔核生長(zhǎng)速度大于其周圍的塑性環(huán)擴(kuò)展速度，熔核熔化金屬會(huì)沖破塑性環(huán)的約束而形成嚴(yán)重飛濺；液態(tài)金屬快速飛出后，在電極壓力作用下熔核被迅速壓縮，壓力快速下降。由式（5）、式（6）電極下降及上升時(shí)的受力模型可知，電極壓力在下降時(shí)需減去摩擦力，上升時(shí)需加上摩擦力，因此當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重飛濺時(shí)，電極壓力有一個(gè)明顯的變化過(guò)程（見(jiàn)圖5d）。

綜上所述，采用本研究設(shè)計(jì)的電極壓力傳感器能夠判斷焊接區(qū)金屬的熔化量，間接預(yù)測(cè)熔核大小，并可監(jiān)測(cè)焊接飛濺。

4 結(jié)論

（1）氣缸壓強(qiáng)、活塞桿與導(dǎo)向襯套間的摩擦力以及加速度是引起氣動(dòng)式電阻點(diǎn)焊電極壓力變化的三個(gè)主要因素，通過(guò)縮短壓力傳感器與電極間的安裝距離，可減少因受力不平衡帶來(lái)的測(cè)量誤差。

（2）安裝在下電極與下電極握桿之間的中空方式應(yīng)變式壓力傳感器，其彈性體中空截面積和高度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（3）設(shè)計(jì)的傳感器能夠及時(shí)響應(yīng)點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程壓力的瞬時(shí)變化，可用于間接預(yù)測(cè)熔核大小、監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程飛濺。

圖5 不同焊接電流條件下2 mm+2 mm 30CrMnSi鋼板點(diǎn)焊測(cè)得的圧力曲線及結(jié)合界面焊點(diǎn)情況Fig.5 Pressure curve and the bonding interface solder joint situation of 2 mm+2 mm 30CrMnSi steel plate underdifferent welding current

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Design andapplication ofthe elastomer ofresistance spot weldingstraintype pressure sensor

WENG Fujuan，ZHANG Yong，YE Wu，ZHOU Yunyun，TENG Hui
（Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For the online monitoring of electrode force in resistance spot welding，according to the force analysis results，a method making use of shortening the mounting distance between the pressure sensor and electrode to reduce the measurement error caused by the unbalanced force is proposed.A strain type pressure sensor which can be directly arranged between the lower electrode and the electrode holder is designed，and the design and calculation of its elastomer are completed.The test results show that the sensor can measure the electrode pressure in the resistance spot welding process in real time，timely response to the transient changes of pressure in nugget formation process，indirectly predict the size of the nugget and monitor the splash during the welding.

resistance spot welding；pressure sensor；elastomer；splash

TG438.2

A

1001-2303（2017）09-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.01

本文參考文獻(xiàn)引用格式：翁福娟，張勇，葉武，等.電阻點(diǎn)焊應(yīng)變式壓力傳感器彈性體的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-5.

2017-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275418）；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2014KCT-12）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2012HBSZS021）

翁福娟（1990—），女，碩士，主要從事電阻點(diǎn)焊質(zhì)量控制的研究。E-mail：wengfuj@163.com。