文靜　賈洪德

摘要：利用現(xiàn)代傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立電阻點(diǎn)焊電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程中焊接電流、電極間電壓、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電極壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電極壓力的變化規(guī)律，通過(guò)相關(guān)分析，提取表征焊接質(zhì)量的動(dòng)態(tài)電阻特征值和動(dòng)態(tài)電極壓力特征值。利用多元線性回歸分析建立點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，選用設(shè)定的焊接電流、電極壓力、焊接時(shí)間、動(dòng)態(tài)電阻特征值和動(dòng)態(tài)電極壓力特征值作為輸入變量，表征點(diǎn)焊質(zhì)量的熔核直徑作為輸出變量。試驗(yàn)結(jié)果表明，建立的點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核直徑，最大預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)0.4 mm。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);熔核直徑;特征值;質(zhì)量預(yù)測(cè)模型

中圖分類號(hào)：TG438.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0102-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.21

0 前言

電阻點(diǎn)焊是一個(gè)高度非線性、有多變量耦合作用和大量不確定因素相互影響的復(fù)雜過(guò)程，同時(shí)點(diǎn)焊熔核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程均處于封閉狀態(tài)，無(wú)法直接觀測(cè)，而且點(diǎn)焊時(shí)間極短，焊接條件的短時(shí)波動(dòng)就會(huì)造成較嚴(yán)重的飛濺、虛焊或脫焊等缺陷。因此保證焊接質(zhì)量成為電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究中的重要問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)和智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，基于點(diǎn)焊過(guò)程動(dòng)態(tài)信號(hào)特征分析進(jìn)行點(diǎn)焊質(zhì)量在線預(yù)測(cè)成為保證點(diǎn)焊質(zhì)量的重要手段，并受到持續(xù)關(guān)注。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程中的各類信號(hào)進(jìn)行了研究，從中提取表征點(diǎn)焊質(zhì)量的特征信息，建立點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的在線預(yù)測(cè)，這些信號(hào)包括焊接電流、電極間電壓、動(dòng)態(tài)電阻[1-5]、電極壓力[6-7]、電極位移[8-9]、電流與電壓、超聲波[10]、聲發(fā)射[11]、紅外輻射等。

文中設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可以安裝在焊機(jī)上的動(dòng)態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、電極壓力、動(dòng)態(tài)電阻等多種信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析點(diǎn)焊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信號(hào)，提取表征點(diǎn)焊質(zhì)量的特征值，建立點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊熔核直徑的預(yù)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以TDZ-3X100型三相次級(jí)整流點(diǎn)焊機(jī)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)Rogowski線圈電流傳感器、上下電極對(duì)的引線和高靈敏石英應(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程中焊接電流、電極間電壓、電極壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)線圈電流傳感器輸出的微分信號(hào)進(jìn)行積分處理，并對(duì)電極間電壓信號(hào)進(jìn)行隔離處理。使用Visual C++進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)，通過(guò)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡（A/D）采集焊接電流、電極間電壓、電極壓力3路信號(hào)，并對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。2 動(dòng)態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 焊接電流的監(jiān)測(cè)

考慮Rogowski線圈電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、絕緣性好、頻帶寬、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，選用Rogowski線圈電流傳感器監(jiān)測(cè)焊接電流。Rogowski線圈電流傳感器測(cè)量電流的理論依據(jù)是安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律，即：

式中 B、H、Φ分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通;n為單位長(zhǎng)度線圈匝數(shù);l為閉合線圈長(zhǎng)度;μ為空氣中的導(dǎo)磁系數(shù)，μ≈μ0=4π×10-7（H/m）（μ0為真空中的導(dǎo)磁系數(shù)）;S為線圈的截面積。由此可見，線圈電流傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)電流（即焊接電流）的變化率成線性關(guān)系，可通過(guò)改變橫截面積和單位上的線圈匝數(shù)來(lái)調(diào)整線圈電流傳感器的靈敏度。

文中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將Rogowski線圈電流傳感器安裝在焊機(jī)的次級(jí)電流回路中，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊過(guò)程中焊接電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于Rogowski線圈電流傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并非焊接電流實(shí)際值，而是與焊接電流的變化率成線性關(guān)系，因此，為了采集點(diǎn)焊過(guò)程中的焊接電流信號(hào)，需對(duì)Rogowski線圈電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理。選用失調(diào)和溫漂小的高性能運(yùn)算放大器，適當(dāng)增加積分電容，采用帶反饋電阻的近似積分器（即慣性環(huán)節(jié)）等措施來(lái)減少積分漂移問(wèn)題。積分電路如圖2所示。

2.2 電極間電壓的監(jiān)測(cè)

由于點(diǎn)焊過(guò)程中的大電流會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的磁場(chǎng)干擾，而點(diǎn)焊過(guò)程中上下電極間的電壓較小（零點(diǎn)幾伏到幾伏之間），為了減少干擾，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用雙絞屏蔽線實(shí)現(xiàn)對(duì)電極間電壓的測(cè)量。同時(shí)為了穩(wěn)定安全地采集電極間電壓信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用隔離運(yùn)放模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離處理，以消除監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和焊機(jī)不同參考“地”帶來(lái)的危害。

2.3 電極壓力的監(jiān)測(cè)

點(diǎn)焊過(guò)程中，電極壓力并非按預(yù)設(shè)值不變，而是受熱膨脹、軟化、噴濺、電極系統(tǒng)振動(dòng)、電極磨損、板材進(jìn)給不正確、焊件變形等多因素影響。因此，在線監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)電極壓力對(duì)保證點(diǎn)焊質(zhì)量意義重大。文中采用高靈敏石英應(yīng)變傳感器對(duì)電極壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的傳感器，傳感器的壓電晶體受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，具有靈敏度高、頻帶寬、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用的優(yōu)點(diǎn)，適合動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。由于壓電傳感器受力時(shí)產(chǎn)生的電荷信號(hào)較微弱，且內(nèi)阻極高，因此需要放大壓電傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)，且將壓電傳感器的高阻抗變換成低阻抗輸出。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

采用PCL-818L多功能數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有16路單端模擬信號(hào)輸入、分辨率高、最高采樣頻率達(dá)到40 kHz，較高的采樣頻率可滿足與點(diǎn)焊質(zhì)量密切相關(guān)的高頻信號(hào)的采集需求。

選用PCLD-8115接線端子板，焊接電流、電極間電壓和動(dòng)態(tài)電極壓力信號(hào)3路信號(hào)以單端方式接入接線端子板，接線端子板通過(guò)20-pin的接頭與PCL-818L采集卡連接。

2.5 監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)

使用Visual C++開發(fā)監(jiān)測(cè)軟件，通過(guò)軟件向計(jì)算機(jī)I/O端口地址讀寫數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡的控制，使用內(nèi)部集成定時(shí)器對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D觸發(fā)。通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)調(diào)整軟件參數(shù)，使監(jiān)測(cè)軟件可自動(dòng)捕捉點(diǎn)焊過(guò)程。

3 焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)

采用0.9 mm厚SUS304奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9）板材進(jìn)行多組電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。為了便于數(shù)據(jù)分析，對(duì)動(dòng)態(tài)電阻和電極壓力曲線進(jìn)行平滑處理，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步采集的典型動(dòng)態(tài)電阻和電極壓力曲線如圖3所示。

點(diǎn)焊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電極壓力與熱膨脹和焊接區(qū)的變形密切相關(guān)，當(dāng)點(diǎn)焊過(guò)程中發(fā)生噴濺時(shí)，電極壓力信號(hào)會(huì)出現(xiàn)震蕩，可見動(dòng)態(tài)電極壓力與點(diǎn)焊質(zhì)量有較強(qiáng)相關(guān)性[13]。動(dòng)態(tài)電阻在一定程度上反映了焊接區(qū)金屬接觸面和熔化情況，動(dòng)態(tài)電阻中的一些特征值與點(diǎn)焊熔核尺寸有較強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)點(diǎn)焊過(guò)程中發(fā)生噴濺時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻會(huì)出現(xiàn)驟降[3]。為了實(shí)現(xiàn)有效的焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)，需從點(diǎn)焊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信號(hào)中提取表征焊接質(zhì)量的特征值。

3.1 熔核直徑特征值的提取

不銹鋼電阻點(diǎn)焊過(guò)程中動(dòng)態(tài)電阻曲線呈單調(diào)下降趨勢(shì)，通電之初動(dòng)態(tài)電阻快速下降，隨后下降速度變緩，如圖4所示。

文中提取9個(gè)特征參數(shù)來(lái)表征點(diǎn)焊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電阻變化過(guò)程，包括初始電阻值（r1）、拐點(diǎn)電阻值（r2）、通電結(jié)束時(shí)的電阻值（r3）、動(dòng)態(tài)電阻從快速下降階段到緩慢下降階段的拐點(diǎn)時(shí)間（r4）、動(dòng)態(tài)電阻拐點(diǎn)處的電阻下降幅度（r5）、通電結(jié)束時(shí)電阻下降幅度（r6）、快速下降階段的下降速率（r7）以及整個(gè)通電期間動(dòng)態(tài)電阻平均值（r8）和動(dòng)態(tài)電阻標(biāo)準(zhǔn)差（r9）。

利用相關(guān)分析檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)電阻特征值r1～r9與熔核直徑D之間的相關(guān)關(guān)系，動(dòng)態(tài)電阻特征值與熔核直徑D之間的相關(guān)系數(shù)如表1所示。通過(guò)對(duì)大量樣本的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和熔核直徑進(jìn)行分析，最終得到動(dòng)態(tài)電阻特征值r3、r8與熔核直徑之間的相關(guān)系數(shù)較大，可作為表征熔核直徑的特征信息。

點(diǎn)焊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電極壓力并非按照預(yù)設(shè)電極壓力值保持不變，在整個(gè)通電過(guò)程中焊接系統(tǒng)的慣性力和摩擦力使動(dòng)態(tài)電極壓力增大[14]，且隨著焊接時(shí)間的增加，動(dòng)態(tài)電極壓力上升速度趨緩，如圖5所示。文中提取6個(gè)特征參數(shù)表征點(diǎn)焊過(guò)程中動(dòng)態(tài)電極壓力的變化規(guī)律，包括電極壓力從快速上升階段到緩慢上升階段的拐點(diǎn)時(shí)間（f1）、拐點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)壓力上升幅度（f2）、通電結(jié)束時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力上升幅度（f3）、快速上升階段壓力上升速率（f4）以及整個(gè)通電過(guò)程中的動(dòng)態(tài)壓力平均值（f5）和標(biāo)準(zhǔn)差（f6）。同樣，利用相關(guān)分析檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)電極壓力特征值f1～f6與熔核直徑D之間的相關(guān)關(guān)系，最終得到動(dòng)態(tài)電極壓力特征值f2、f3、f6與熔核直徑上之間的相關(guān)系數(shù)較大，可以作為表征熔核直徑的特征信息。動(dòng)態(tài)電極壓力特征值與熔核直徑D之間的相關(guān)系數(shù)如表2所示。

3.2 點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)

利用多元線性回歸分析建立點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，選用I（設(shè)定的焊接電流）、F（設(shè)定的電極壓力）、T（焊接時(shí)間）以及動(dòng)態(tài)信號(hào)中表征熔核直徑的特征值r3、r8、f3、f6、f2作為輸入變量，表征點(diǎn)焊質(zhì)量的熔核直徑D作為輸出變量。考慮到上述輸入變量之間也存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，因此使用逐步回歸方法（Stepward）進(jìn)行輸入變量的選擇。上述信息總結(jié)如表3所示。

為了建立點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本不僅包含合格焊點(diǎn)，還包括熔核尺寸不足、未熔合以及發(fā)生噴濺的焊點(diǎn)?；貧w分析最終得到的電阻點(diǎn)焊熔核直徑預(yù)測(cè)模型為：

D=-12.083+1.193I+0.290T+0.030r3+0.754f3（5）

3.3 點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型的性能評(píng)價(jià)

使用另一組試驗(yàn)樣本對(duì)上述回歸模型的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖6所示。從整體上看，回歸模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)焊熔核直徑的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與熔核直徑的實(shí)測(cè)值基本保持一致，特別是在有熔核出現(xiàn)的情況下，模型的預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)0.4 mm，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

（1）建立了電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集點(diǎn)焊過(guò)程中焊接電流、電極間電壓和電極壓力3路信號(hào)，計(jì)算得到動(dòng)態(tài)電阻，為點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

（2）利用相關(guān)分析確定與熔核直徑相關(guān)系數(shù)最大的動(dòng)態(tài)電阻特征值有：r3（通電結(jié)束時(shí)的電阻值）、r8（動(dòng)態(tài)電阻值的平均值）以及動(dòng)態(tài)電極壓力特征值f3（通電結(jié)束時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力上升幅度）、f6（焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力值標(biāo)準(zhǔn)差）和f2（拐點(diǎn)處動(dòng)態(tài)壓力上升幅度）。

（3）基于多元線性回歸分析建立了點(diǎn)焊質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核直徑，最大預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)0.4 mm。

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