陳 材，祁俊峰，陳樹君

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022）

0 前言

航天器密封艙為焊接結(jié)構(gòu)，涉及點(diǎn)焊位置達(dá)幾百處。電阻點(diǎn)焊是一個高度非線性、多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素相互影響的過程，焊接條件短時波動就可能造成較嚴(yán)重的飛濺、虛焊或脫焊[1]。在航天領(lǐng)域，許多關(guān)鍵部件不允許整體解剖，需要人工檢查每一個焊點(diǎn)，難以準(zhǔn)確判定虛焊（或熔核偏?。?。由于點(diǎn)焊形核時間極短，無法直接觀測，對于點(diǎn)焊質(zhì)量目前還缺乏可靠、實(shí)用的無損檢測手段。因此，在點(diǎn)焊過程中監(jiān)測和控制熔核的尺寸、冶金缺陷和接頭強(qiáng)度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對接頭質(zhì)量的控制十分迫切[2-3]。

近年來，基于焊接過程動態(tài)信號特征分析進(jìn)行接頭質(zhì)量在線監(jiān)控的研究受到關(guān)注。如利用動態(tài)電阻曲線特點(diǎn)或電極壓力進(jìn)行點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控的單參量監(jiān)測技術(shù)得到了應(yīng)用[4-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，采用統(tǒng)計(jì)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等方法建立焊接參數(shù)與質(zhì)量信息之間的關(guān)系，預(yù)測焊點(diǎn)質(zhì)量的多參量監(jiān)測技術(shù)也得到廣泛研究[6-9]?，F(xiàn)階段研究對象一般集中在低碳鋼、鈦合金等，對鋁合金點(diǎn)焊信息監(jiān)測研究較少[4，7]。

針對航天器密封艙點(diǎn)焊質(zhì)量在線監(jiān)測的需求，建立了一套點(diǎn)焊信息在線監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng)，通過統(tǒng)計(jì)分析采集到的原始特征信息值，實(shí)現(xiàn)對焊點(diǎn)飛濺、虛焊（或焊點(diǎn)熔核偏小）質(zhì)量的在線評估。系統(tǒng)硬件包括點(diǎn)焊設(shè)備、4種傳感器、濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware of the system

1 質(zhì)量信息特征的提取和判斷方法

除了材料表面狀態(tài)及裝配等因素，點(diǎn)焊質(zhì)量主要由點(diǎn)焊能量、焊點(diǎn)受力和焊接時間決定。針對焊點(diǎn)飛濺、虛焊（或焊點(diǎn)熔核偏?。?，選取點(diǎn)焊電流、電壓、電極壓力、電極位移等參數(shù)進(jìn)行分析。

（1）電流、電壓信號。

采用瑞士蘇萊特點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接過程電流較為穩(wěn)定，焊接能量的大小與電流直接相關(guān)，焊接電壓由焊接過程的動態(tài)電阻決定。某金屬正常點(diǎn)焊條件下的電流、電壓波形如圖2所示。由測得的焊接電流、焊接電壓，可以得出動態(tài)電阻曲線。

圖2 正常焊接條件下的電流、電壓波形Fig.2 Welding current and voltage curves under normal conditions

（2）動態(tài)電阻信號。

不同熱量輸入下動態(tài)電阻曲線如圖3所示（縱軸單位是mΩ，橫軸表示采樣點(diǎn)數(shù)，采樣頻率10kHz）。點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻變化分為3個階段：焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊接區(qū)溫度快速升高，試件表面的氧化薄膜迅速燒結(jié)，粗糙的表面迅速瓦解，由于接觸電阻的快速下降，動態(tài)電阻曲線出現(xiàn)陡降區(qū)。隨著焊接推進(jìn)，表面接觸電阻基本消失，同時焊接區(qū)溫度升高使材料內(nèi)阻增加，出現(xiàn)平緩區(qū)；此后，材料發(fā)生熔化，由于液態(tài)金屬的電阻低于固態(tài)金屬，所以動態(tài)電阻再次緩降。在動態(tài)電阻再次緩降過程中，動態(tài)電阻下降越多，表明熔化的液相金屬越多，在不發(fā)生飛濺時熔核直徑越大，但如果焊接電流過大，電極壓力不足以將液相金屬保留在塑性環(huán)內(nèi)，過多的液相金屬會飛出熔核區(qū)，即發(fā)生飛濺。

研究發(fā)現(xiàn)，未熔合或焊核偏小的焊點(diǎn)動態(tài)電阻均值明顯小于合格焊點(diǎn)的動態(tài)電阻均值。熱輸入量小時，焊點(diǎn)未熔合，動態(tài)電阻曲線除開始階段有陡降外（氧化膜燒結(jié)、粗糙表面瓦解），其他部分相對平緩，而正常情況下在第三階段由于金屬熔化會導(dǎo)致動態(tài)電阻再次快速下降。隨著熱量輸入的增加，開始階段由氧化薄膜燒結(jié)速度加快導(dǎo)致的接觸電阻下降更快；試件開始熔化的時間提前，反映在平緩區(qū)時間縮短；熱量輸入過大時會發(fā)生飛濺，在不發(fā)生飛濺的情況下，動態(tài)電阻曲線收尾值越小，焊接質(zhì)量越好。

（3）電極位移信號。

圖3 動態(tài)電阻曲線Fig.3 Dynamic resistance curve

電極位移能反映點(diǎn)焊過程中熱膨脹和熔核生長引起的體積變化，并以此預(yù)測焊接質(zhì)量。一個特定材料和厚度的工件，合格的焊點(diǎn)必對應(yīng)一個合適的電極位移范圍。不同熱輸入下的電極位移曲線如圖4所示。當(dāng)熱量輸入非常低時，不足以引起搭接面處的熔化或者只熔化很小一部分，電極位移主要反映接頭處的熱膨脹。冷卻后電極位移將基本回到焊接起始位置。當(dāng)熱量輸入達(dá)到一定水平后，理想的熔核才能形成。熔核形成時間越早、尺寸越大，在位移曲線上出現(xiàn)的變化越快速、越大。在冷卻過程中，由于相變和熱膨脹更大，所以電極位移曲線在停止焊接電流后的變化也更大。如果輸入的熱量過高，熔核過度生長，熔化金屬過多會導(dǎo)致熔融金屬從接頭處飛出。

雖然飛濺時位移信號變化明顯，但利用位移信號作為判斷飛濺的手段仍不夠理想，如取位移信號的方差、極差、峰度、線性擬合等方法處理后的特征值不能完全與正常焊點(diǎn)區(qū)分，存在誤判現(xiàn)象，所以位移信號在質(zhì)量監(jiān)測中起輔助評估作用。

（4）電極壓力信號。

電極壓力和焊接質(zhì)量密切相關(guān)。當(dāng)電極壓力過低時，電極與母材間的接觸電阻增大會產(chǎn)生過熱，引起飛濺并降低焊點(diǎn)強(qiáng)度；壓力過大時，焊點(diǎn)熔核的直徑和焊透率都大大減少，造成焊點(diǎn)強(qiáng)度不足。

圖4 電極位移曲線Fig.4 Electrode displacement curve

不同熱量輸入下的電極壓力曲線如圖5所示，焊接時間1.1～1.25 s。1.1 s時刻開始施加焊接電流，壓力曲線上產(chǎn)生向上的噪聲；在1.15 s時刻，工件受熱膨脹，對上電極產(chǎn)生反作用力。一般認(rèn)為，在動態(tài)壓力曲線的斜率的二階導(dǎo)數(shù)為0時，工件開始熔化，此后動態(tài)壓力曲線上升變得平滑，熔核熔化體積變大，對上電極產(chǎn)生反作用力。1.25 s時刻焊接電流結(jié)束，在壓力曲線上產(chǎn)生了向下的噪聲。從1.25 s開始，熔核區(qū)發(fā)生液固相變并冷卻，電極壓力逐級回到上氣缸對活塞的力。

由圖5可知，隨著熱量輸入的增大，熔核區(qū)固液相變的臨界點(diǎn)越靠前，曲線越來越往上移動；動態(tài)壓力曲線在熔核熔化前的斜率越來越大；熔核的相變膨脹對動態(tài)壓力的貢獻(xiàn)很小，動態(tài)壓力變化主要來源于熔核區(qū)的受熱膨脹；當(dāng)熱輸入過大時（見圖5c），熔核迅速形成，當(dāng)飛濺發(fā)生后，熔核區(qū)金屬飛出，熔核膨脹瞬間消失，壓力曲線產(chǎn)生躁動。

綜上可知，當(dāng)焊點(diǎn)產(chǎn)生飛濺時，電極位移曲線上出現(xiàn)波紋，電極壓力信號上出現(xiàn)劇烈的振蕩，因此壓力曲線和位移曲線可以作為飛濺焊點(diǎn)的特征來分析，而壓力曲線表現(xiàn)更顯著。評估焊點(diǎn)是否飛濺可以從焊接電流最大值后截取電極壓力信號進(jìn)行曲線擬合，將實(shí)際曲線與其擬合曲線相比較從而獲得特征值，對比該特征值與臨界閾值從而判斷是否產(chǎn)生飛濺。未熔合或焊核偏小的焊點(diǎn)動態(tài)電阻曲線除開始階段有陡降外，其他部分相對平緩，其均值明顯小于合格焊點(diǎn)的均值。因此，可以通過對比動態(tài)電阻的曲線走勢（斜率）或均值與臨界閾值關(guān)系來評估熔核偏小或未熔合。

圖5 電極壓力曲線Fig.5 Electrode pressure curve

2 點(diǎn)焊數(shù)據(jù)信息的評價(jià)和驗(yàn)證

利用統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）方法統(tǒng)計(jì)分析采集到的點(diǎn)焊原始特征信息值，得到飛濺焊點(diǎn)和小熔核焊點(diǎn)質(zhì)量評定的臨界閾值，鋁合金電阻特征值如表1所示，若兩個工件的厚度和為x，電阻閾值為y，則y=0.009x+0.105?？梢娢慈酆虾更c(diǎn)（含焊點(diǎn)過小、脫焊）的電阻特征值明顯大于正常焊點(diǎn)的電阻特征值，有較大的區(qū)分度。

表1 鋁合金點(diǎn)焊未熔合電阻特征值Table 1 Resistance characteristic value of aluminum alloy spot welding with incomplete fusion

鋁合金飛濺特征值如表2所示。厚度和在5 mm以下飛濺特征閾值設(shè)定為160，厚度和在5 mm以上的飛濺閾值設(shè)定為220?？梢钥闯稣：更c(diǎn)與飛濺焊點(diǎn)的特征值差距很大，壓力特征值閾值可以明顯判斷飛濺。

表2 鋁合金點(diǎn)焊飛濺壓力特征值Table 2 Pressure characteristic value of aluminum alloy spot welding with spatter joint

焊接TB2鈦合金1.8 mm+1.8 mm未熔合時的系統(tǒng)軟件界面如圖6a所示，當(dāng)右上方“未熔合”指示燈呈綠色時，動態(tài)電阻均值約為0.235 mΩ（見圖6b），而正常焊點(diǎn)動態(tài)電阻平均值約為0.27 mΩ（見圖6c）。由圖可知，焊核偏小時均值小、波形平穩(wěn)，而正常的焊點(diǎn)均值較大、波形呈緩慢下降趨勢，動態(tài)電阻下降越多，說明熔化的液相金屬越多。

圖6 動態(tài)電阻曲線Fig.6 Dynamic resistance curve

拉開點(diǎn)焊接頭以驗(yàn)證系統(tǒng)評估的準(zhǔn)確性，焊點(diǎn)熔核直徑小于6 mm時即認(rèn)為熔核直徑偏小。LF6鋁合金點(diǎn)焊驗(yàn)證結(jié)果如表3所示，系統(tǒng)對飛濺的在線判斷準(zhǔn)確率達(dá)100%，對未熔合（含熔核偏小、虛焊）判斷的準(zhǔn)確率也很高，但尚有少量的輕微未熔合未判斷出來。從驗(yàn)證結(jié)果看，該系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表3 LF6鋁合金點(diǎn)焊驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Validation results of LF6 aluminum alloy spot welding

3 結(jié)論

開發(fā)了點(diǎn)焊過程信息綜合評價(jià)分析系統(tǒng)，基于電極壓力信號的躁動能夠準(zhǔn)確判定飛濺，基于頂鍛過程動態(tài)電阻值的閾值能夠判定未熔合。驗(yàn)證結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的可靠性。研究成果已應(yīng)用于某型號密封艙桁條加強(qiáng)筋的焊接生產(chǎn)中，將為持續(xù)提高航天器密封艙焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的可靠性和生產(chǎn)管理高效性發(fā)揮作用。

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