基于點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)波形的焊接質(zhì)量在線判定

李　顯，李　強(qiáng)

（1.北京市工業(yè)技師學(xué)院機(jī)電應(yīng)用技術(shù)系，北京100023；2.北京奔馳汽車有限公司北京100176）

基于點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)波形的焊接質(zhì)量在線判定

李顯1，李強(qiáng)2

（1.北京市工業(yè)技師學(xué)院機(jī)電應(yīng)用技術(shù)系，北京100023；2.北京奔馳汽車有限公司北京100176）

利用傳感技術(shù)形成電阻點(diǎn)焊信息采集系統(tǒng)，采集點(diǎn)焊過(guò)程質(zhì)量信息，包括焊接電流、焊接電壓、動(dòng)態(tài)電阻和電極位移等。實(shí)時(shí)輸出各參數(shù)波形，并依據(jù)波形變化特征對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行在線判定，同時(shí)分析焊接熱量變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響，從而定量分析焊件熔核尺寸、壓痕深度、是否飛濺等質(zhì)量信息，并可對(duì)焊核的焊接強(qiáng)度做出定性判定。

點(diǎn)焊；監(jiān)測(cè)波形；焊接質(zhì)量；焊接熱量

0　前言

電阻點(diǎn)焊是在對(duì)焊件施加壓力的過(guò)程中接通電流，從而產(chǎn)生焊接熱量，熔化成形的一種焊接方法。由于焊核成形過(guò)程的復(fù)雜性，所以對(duì)焊核質(zhì)量的傳感測(cè)量尤為重要。建立點(diǎn)焊信息采集系統(tǒng)，根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)信息來(lái)判斷焊接質(zhì)量。

在此詳細(xì)分析監(jiān)測(cè)波形與焊接質(zhì)量的關(guān)系，并多參數(shù)、多角度判定焊核好壞，彌補(bǔ)波形分析的簡(jiǎn)陋性、不深刻徹底性及單一參數(shù)的不確定性。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)分析采集到的焊接電流波形、焊接電壓波形、動(dòng)態(tài)電阻波形和電極位移波形特點(diǎn)，與焊接質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)并加以驗(yàn)證，最終形成了一套完整的判別焊接質(zhì)量理論—波形分析理論。

1　點(diǎn)焊信息采集系統(tǒng)

點(diǎn)焊機(jī)采用中頻直流點(diǎn)焊機(jī)，輸出電源頻率1 000 Hz，電源容量90 kVA，最大焊接電流19 kA。

選擇不銹鋼304L；三層板焊接，尺寸120 mm× 30mm×1.8mm、30mm×30mm×1.8mm、120mm×30mm× 2.8mm，厚度為1.8mm+1.8mm+2.8mm=6.4mm；30mm× 30mm×1.8mm板放在其他兩板之間，搭接長(zhǎng)度30mm。

選擇恒電流控制法，即在每次焊接工藝中把每段電流值設(shè)定為恒定值，電流的大小不隨焊接過(guò)程而變化。其中，焊接電流所取的不同恒定值反映了焊接熱量Q的變化。

在焊機(jī)上安裝電流、電壓、位移傳感器，通過(guò)與數(shù)據(jù)采集卡的連接，在工控機(jī)上顯示監(jiān)測(cè)波形。

2　波形分析原理

采集到的波形曲線實(shí)時(shí)地反映了焊接過(guò)程的變化信息，所以正確分析波形特點(diǎn)，形成一套完整的分析方法，對(duì)判斷被焊工件以及提高效率都有重要影響。

2.1焊接電流波形

焊接電流是電阻點(diǎn)焊的三要素之一，在焊點(diǎn)形成的過(guò)程中，對(duì)焊接電流進(jìn)行準(zhǔn)確控制是保障焊接質(zhì)量的必要條件，而精確監(jiān)測(cè)是精確控制焊接電流的前提，也是得到可靠的動(dòng)態(tài)電阻的前提。中頻逆變直流焊機(jī)是將工頻（50 Hz）交流變換為中頻（1 000 Hz）直流輸出，時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)1 ms，控制精度隨之提高，并且輸出電流不受次級(jí)輸出回路的變化影響，熱效率也較高，輸出功率也很大，焊接質(zhì)量也更好。實(shí)測(cè)電流傳感器輸出波形如圖1所示，可以看出在預(yù)熱電流、焊接電流和回火電流的每一段都采用恒電流控制。

圖1　實(shí)際電流波形

2.2焊接電壓波形及其導(dǎo)出的動(dòng)態(tài)電阻波形

2.2.1電壓信號(hào)

應(yīng)用中頻直流點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程是恒電流焊接，因此焊接電壓由焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)電阻決定，U=IR。304L不銹鋼點(diǎn)焊的無(wú)飛濺和有飛濺的電壓波形如圖2、圖3所示。動(dòng)態(tài)焊接電壓的來(lái)源是動(dòng)態(tài)電阻，動(dòng)態(tài)電阻反映了焊核形成的全過(guò)程，下面主要分析動(dòng)態(tài)電阻曲線的形成機(jī)理。

圖2　無(wú)飛濺的電壓波形

圖3　有飛濺的電壓波形

2.2.2動(dòng)態(tài)電阻信號(hào)

通過(guò)歐姆定律可知R=U/t，通過(guò)對(duì)焊接電流、電壓的精確檢測(cè)，可以通過(guò)運(yùn)算得出動(dòng)態(tài)電阻曲線。

304L不銹鋼動(dòng)態(tài)電阻變化如圖4所示。將動(dòng)態(tài)電阻曲線分為：陡降區(qū)、緩降區(qū)1、平緩區(qū)、緩降區(qū)2。焊接結(jié)束時(shí)刻出現(xiàn)向上的尖峰，是由于焊接電流突然消失，電壓信號(hào)稍有滯后造成的，在此不作分析。如圖4所示，在焊接開始階段，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(dòng)態(tài)電阻曲線出現(xiàn)陡降，出現(xiàn)陡降區(qū)；隨著焊接時(shí)間的推進(jìn)，表面接觸電阻已經(jīng)基本消失，動(dòng)態(tài)電阻緩降，出現(xiàn)緩降區(qū)1；同時(shí)，焊接區(qū)的溫度升高，材料內(nèi)阻增加，這個(gè)階段接觸電阻降低和材料內(nèi)阻增加之間相互競(jìng)爭(zhēng)，整體趨勢(shì)是內(nèi)阻不斷增加，工件間的接觸電阻逐漸消失，出現(xiàn)平緩區(qū)；在此之后，材料發(fā)生了熔化，由于液態(tài)金屬的電阻比固態(tài)金屬低，所以動(dòng)態(tài)電阻再次緩降，出現(xiàn)緩降區(qū)2。在動(dòng)態(tài)電阻再次緩降區(qū)，動(dòng)態(tài)電阻下降的越多，說(shuō)明熔化的液相金屬越多。在不發(fā)生飛濺時(shí)，熔化的金屬越多，熔核直徑越大，但是如果焊接電流過(guò)大，電極壓力不足以將液相金屬保留在塑性環(huán)內(nèi)，過(guò)多的液相金屬會(huì)飛出熔核區(qū)，即發(fā)生飛濺。所以當(dāng)動(dòng)態(tài)電阻變化較大時(shí)，表明產(chǎn)生了飛濺。

圖4　304L動(dòng)態(tài)電阻曲線

（1）動(dòng)態(tài)電阻波形分析。

隨著焊接輸入熱量Q的不斷增加，實(shí)際采集計(jì)算出的動(dòng)態(tài)電阻波形如圖5所示。

由圖5可知，隨著焊接電流不斷增大，即熱量輸入的增加，出現(xiàn)以下現(xiàn)象：（1）在焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，隨著熱輸入增加，試件表面的氧化薄膜燒結(jié)速度越來(lái)越快，粗糙的表面瓦解越快，接觸電阻下降越快；（2）隨著熱輸入的增加，平緩區(qū)的時(shí)間越來(lái)越短，緩降2的開始時(shí)間節(jié)點(diǎn)也越來(lái)越靠前，說(shuō)明試件開始熔化的時(shí)間越來(lái)越靠前；（3）圖5e所示的動(dòng)態(tài)電阻曲線在緩降2的區(qū)域內(nèi)發(fā)生了陡降，說(shuō)明熱輸入過(guò)大，發(fā)生了飛濺；（4）隨著熱輸入的增加，在焊接電流結(jié)束的最后時(shí)刻，在不發(fā)生飛濺的情況下，動(dòng)態(tài)電阻曲線收尾值越來(lái)越小，由于液態(tài)金屬比固態(tài)金屬電阻低，所以說(shuō)明動(dòng)態(tài)電阻收尾值越小，熔化的液相金屬越多，焊接質(zhì)量越好。

圖5　不同熱量輸入下動(dòng)態(tài)電阻曲線

2.3電極位移波形

監(jiān)測(cè)電極位移的變化是確定熔核大小的一種實(shí)用方法，在焊接過(guò)程中熱膨脹和工件從固體到液體的體積變化引起的電極位移變化能夠很好的反映和預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量。那么，對(duì)一個(gè)特定材料和厚度的工件，必然存在一個(gè)合格焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)熔核大小的范圍，所以也將有一個(gè)合格焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極位移范圍，如圖6所示。如果最終電極位移在最低和最高值之間，那就可以保證一個(gè)良好的焊接質(zhì)量。輸入焊件的能量導(dǎo)致了電極位移的變化，同時(shí)也是決定焊接質(zhì)量的因素。反過(guò)來(lái)，傳遞給焊件的總能量是由焊接電流和焊接時(shí)間決定的。為了控制焊接質(zhì)量，就需要建立熱輸入和電極位移之間的關(guān)系。

圖6　電極位移變化曲線

在電流流過(guò)焊件期間，由于焦耳熱導(dǎo)致的溫度上升，使焊接接頭部分開始膨脹。同樣，一旦焊接電流終止，焊接接頭就會(huì)受冷收縮。由于焊接過(guò)程中的冷熱變化，接頭處始終發(fā)生著改變，這種現(xiàn)象能夠在電極位移上反復(fù)表現(xiàn)出來(lái)。不同熱輸入下的電極位移曲線如圖7所示。

如圖7a所示，當(dāng)輸入熱量非常小時(shí)，接頭內(nèi)阻和由大壓力導(dǎo)致的工件表面的接觸電阻因熱量輸入而膨脹，電極位移曲線反映了接頭處的熱膨脹。但是，熱量很小的輸入不足以引起搭接面的熔化或者只熔化很少一部分，所以基本沒有形成熔核組織和固體到液體轉(zhuǎn)換而引起的體積膨脹。一旦電流終止，供熱結(jié)束，接頭開始冷卻，電極位移會(huì)基本回到焊接起始時(shí)的位置。

隨著熱輸入量的增加，溫度和焦耳熱速率也隨著增加。首先，由圖7b可知，焊接接頭進(jìn)入焊接過(guò)程后開始熔化，形成熔核，然后熔核開始增長(zhǎng)。然而，在這種特殊情況下，熱輸入仍不夠高，以至于不能形成一個(gè)足夠大的熔核，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)未成形的熔核，焊接強(qiáng)度較低。當(dāng)在這種情況下停止熱源，熱膨脹隨之消失，熔核也從液相變回固相，體積變小引起電極位移下降。

當(dāng)熱量輸入達(dá)到一定水平后，一個(gè)理想的熔核才能形成。從圖5c和圖7d可以看出，材料的相變和熱膨脹引起電極位移變化的原理和圖7b一樣，但是圖7c、圖7d的熔核在整個(gè)焊接過(guò)程中形成的更早且尺寸更大，在電極位移曲線上反映出更快速和更大的變化。在冷卻過(guò)程中，相比圖7b、圖7c、圖7d，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。

圖7　不同熱輸入下電極位移曲線

如果輸入的熱量過(guò)高，熔核過(guò)度生長(zhǎng)，熔化的金屬過(guò)多會(huì)導(dǎo)致熔融金屬?gòu)慕宇^處飛出，見圖7e。飛濺是要努力避免的，因?yàn)樗鼤?huì)使接頭產(chǎn)生缺陷或縮孔，并會(huì)使焊接強(qiáng)度有所下降。

3　焊接強(qiáng)度定性判定

由各個(gè)參數(shù)波形分析可做出如下定性判定，在未發(fā)生飛濺時(shí)，隨著焊接熱量Q的增加，工件的焊接強(qiáng)度也隨著增加；剛發(fā)生飛濺時(shí)，焊接強(qiáng)度有所下降，并隨焊接熱量的增加而繼續(xù)下降。

為驗(yàn)證焊接強(qiáng)度判定，選取六種焊接規(guī)范，以電極位移波形分析為例，并對(duì)焊件做拉剪實(shí)驗(yàn)。

焊接壓力采用一段加壓，壓力選擇5 000 N，焊接時(shí)間500 ms；所有參數(shù)以實(shí)際檢測(cè)值為準(zhǔn)。將試樣在MTS-810 Material Test System上進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，拉剪載荷100 kN，拉剪速度3 mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　電極位移與拉剪力數(shù)據(jù)

由表1可知，符合焊接強(qiáng)度判定，即在規(guī)范4達(dá)到最佳焊接強(qiáng)度，規(guī)范5以后發(fā)生飛濺，強(qiáng)度也隨著降低，更進(jìn)一步驗(yàn)證了波形分析理論的可靠性。

4　結(jié)論

（1）建立精確地、高靈敏度地點(diǎn)焊信息采集系統(tǒng)對(duì)采集到的電流波形、電壓波形、動(dòng)態(tài)電阻波形和電極位移波形的真實(shí)性和分析的準(zhǔn)確性具有重要影響。

（2）利用波形整體走向、特殊位置點(diǎn)的變化趨勢(shì)和熱膨脹理論等，形成了一套完整的分析點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)波形理論，為點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)判定提供了一種完整方法。

（3）采用任一參數(shù)波形都可達(dá)到分析焊件好壞的效果，但利用多參數(shù)的波形曲線可以更準(zhǔn)確地判定介于合格與不合格之間的邊緣焊接產(chǎn)品，最大程度防止棄真存?zhèn)五e(cuò)誤的發(fā)生。

[1]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：9-36.

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Based on the welding quality of spot welding monitoring waveform online judge

LI Xian1，LI Qiang2
（1.The Industrial Technician Institute of Mechanical and Electronic Application Technology Department，Beijing 100023，China；2.BeijingBenzAutoCo.，Ltd.，Beijing100176，China）

Use of sensing technology form resistance spot welding information acquisition system，gather quality information spot welding process，including welding current，welding voltage，electrode displacement and dynamic resistance.Export parameters waveform in real-time，and online judge the quality of welding based on waveform characteristics，meanwhile analyze the influence of the welding heat on the welding quality，so as to realize butt fusion nuclear size，indentation depth，splash and other quality information to make quantitative analysis，and can make a qualitative determination of welding strength of weld nugget.

spot welding；monitoring waveform；welding quality；welding heat

TG441.7

A

1001－2303（2015）11－0122-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.25

2015-05-10

李顯（1989—），男，山東荷澤人，碩士，主要從事焊接方面的職業(yè)教育教學(xué)工作。