一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的電阻點(diǎn)焊飛濺快速識別方法

路向琨　徐昊　翟寶亮　尉學(xué)森　薛金磊

摘要：鍍鋅板電阻點(diǎn)焊時飛濺問題日益突出，嚴(yán)重影響汽車白車身的焊接質(zhì)量。提出一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的電阻點(diǎn)焊飛濺快速識別方法，通過采集點(diǎn)焊過程的焊接電流、焊接電壓，計(jì)算出焊接過程的動態(tài)電阻曲線，運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法分析曲線的變化過程，實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)飛濺的快速識別，并給出了飛濺嚴(yán)重程序的指標(biāo)。該方法簡化了飛濺識別算法，可以方便地移植到MCU中實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)飛濺在線識別的邊緣計(jì)算。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊;飛濺;動態(tài)電阻;標(biāo)準(zhǔn)差;特征值

中圖分類號：TG453.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0098-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.20

0 前言

電阻點(diǎn)焊是一種效率高、實(shí)現(xiàn)簡單、成本低的連接方法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[1-3]。其焊接缺陷主要包括焊點(diǎn)變形、焊點(diǎn)壓痕過深、飛濺、燒穿等[4]。近年來，汽車白車身制造過程中越來越多地應(yīng)用鍍鋅板，其電阻點(diǎn)焊較傳統(tǒng)鋼材更為困難，更易產(chǎn)生飛濺，造成焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。由于焊點(diǎn)質(zhì)量檢測往往需要破壞性檢驗(yàn)，既浪費(fèi)成本又不具代表性，因此實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊飛濺快速識別方法和在線監(jiān)測是工業(yè)現(xiàn)場的迫切需求[5]。

在點(diǎn)焊過程中，由焊件貼合面或電極與焊件表面間噴出微細(xì)熔化金屬顆粒的現(xiàn)象被稱為“點(diǎn)焊飛濺”[6]。產(chǎn)生飛濺的根本原因是由于塑性環(huán)失效，失去了對熔池金屬的包容作用，造成金屬飛出現(xiàn)象。而金屬飛出會造成電極兩端所壓工件的電阻發(fā)生突變。電阻點(diǎn)焊通常無法直接測量電極兩端的電阻，但是電流和電壓較易測量。文中針對1.2 mm厚鍍鋅板的電阻點(diǎn)焊，通過搭建點(diǎn)焊設(shè)備信號采集系統(tǒng)，采集焊接過程中的電流和電壓信號，由歐姆定律計(jì)算得到整個焊接過程電阻隨時間動態(tài)變化的動態(tài)電阻曲線[7]，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析和歸一化的方法對動態(tài)電阻曲線進(jìn)行特征指標(biāo)提取，通過與閾值比較得出是否發(fā)生飛濺的定性指標(biāo)以及飛濺發(fā)生時刻和飛濺嚴(yán)重程度的定量指標(biāo)。

1 采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用天津七所高科技有限公司生產(chǎn)的焊接控制器和焊鉗，其中中頻直流點(diǎn)焊機(jī)型號為KDB-600，逆變頻率1 kHz，一體化焊鉗變壓器容量為90 kVA，最大焊接電流20 kA，采用比例閥連接氣缸進(jìn)行加壓，電極材料為鉻鋯銅，采樣頻率1 kHz。電流信號由羅氏線圈傳感器采集，傳感器封裝于焊鉗變壓器次級輸出端。電壓信號通過連接在上、下電極間的導(dǎo)線直接測量。為避免點(diǎn)焊過程中磁場的干擾，引出的導(dǎo)線均采用屏蔽雙絞線接入焊接控制器中[8]。焊接完成后焊接控制器通過設(shè)備的以太網(wǎng)接口將采集的電流和電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)后通過Python語言進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)處理，并給出飛濺的定性和定量指標(biāo)。

2 動態(tài)電阻曲線分析

2.1 動態(tài)電阻獲取

鍍鋅板是工件表面鍍有一層鋅的鋼板，可以有效防止工件表面遭受腐蝕并延長其使用壽命。試件為1.2 mm厚鍍鋅板，尺寸65 mm×180 mm。

動態(tài)電阻表征導(dǎo)體兩端電壓隨電流變化的快慢[8]。通過采集點(diǎn)焊過程中的電流和電壓信號，按照歐姆定律經(jīng)計(jì)算得到點(diǎn)焊過程中的動態(tài)電阻曲線。焊接控制器能夠?qū)崟r并同步監(jiān)測焊接過程中的電流、電壓信號，從而實(shí)時獲取準(zhǔn)確的動態(tài)電阻信號。

2.2 動態(tài)電阻特征分析

2.2.1 無飛濺焊點(diǎn)動態(tài)電阻分析

無飛濺焊點(diǎn)的動態(tài)電阻曲線如圖1所示。在焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊點(diǎn)區(qū)溫度快速升高，整體接觸電阻迅速減小，焊點(diǎn)區(qū)溫度增加但未熔化，表現(xiàn)為前10 ms的陡降區(qū);隨著焊點(diǎn)區(qū)域溫度的升高，試件電阻率逐漸變大，電阻逐漸變大。在此階段后期金屬開始熔化，表現(xiàn)為第10～100 ms的上升區(qū);隨著溫度不斷升高，液態(tài)熔核逐漸長大，電阻變小，動態(tài)電阻由最大值緩慢下降直到焊接結(jié)束，表現(xiàn)為第100～300 ms的緩降區(qū)。

2.2.2 有飛濺焊點(diǎn)動態(tài)電阻分析

有飛濺焊點(diǎn)的動態(tài)電阻曲線如圖2所示。在動態(tài)電阻緩降區(qū)，電阻下降得越多，說明熔化形成的液相金屬越多。在不發(fā)生飛濺時，熔化的金屬越多，熔核直徑越大，但是如果塑性環(huán)失效就會發(fā)生飛濺，此時動態(tài)電阻會出現(xiàn)驟降，而且陡降變化越大，表明產(chǎn)生的飛濺越嚴(yán)重。

3 飛濺焊點(diǎn)特征值提取

標(biāo)準(zhǔn)差的定義是總體各單位標(biāo)準(zhǔn)值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，反映了組內(nèi)個體間的離散程度[9-11]。分析動態(tài)電阻信號特性可知，焊點(diǎn)發(fā)生飛濺時，動態(tài)電阻信號會發(fā)生驟降，且驟降時長通常持續(xù)10 ms。針對這一特點(diǎn)通過Python語言建立焊點(diǎn)飛濺識別模型，通過計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和提取特征值，將特征值與閾值進(jìn)行比較，得出是否飛濺以及飛濺的定量指標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算速度快，可以方便地移植到各種MCU中，在控制器上即可實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)飛濺的在線識別，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

（1）求取標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)：建立一個長度10 ms的時間窗，對時間窗內(nèi)的動態(tài)電阻數(shù)據(jù)求取標(biāo)準(zhǔn)差，通過逐漸移動時間窗的方式依次計(jì)算整個動態(tài)電阻在對應(yīng)時間窗內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）對標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：一是通過前后對稱補(bǔ)0將標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)長度補(bǔ)充到與動態(tài)電阻數(shù)據(jù)的長度相同;二是通過分析焊接波形可知，焊接前20%時間內(nèi)焊點(diǎn)還未形成液態(tài)金屬，不會發(fā)生飛濺，所以對焊接前20%時間范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)置0，濾除該段波形的干擾。

（3）對標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化：歸一化是一種簡化計(jì)算的方式，即將有量綱的表達(dá)式經(jīng)過變換，化為無量綱的表達(dá)式，成為標(biāo)量，經(jīng)過歸一化數(shù)據(jù)范圍變?yōu)閇0，1]。文中采取的歸一化算式為

式中 Xnorm為歸一化后的數(shù)據(jù);X為原始數(shù)據(jù);Xmax、Xmin分別為原始數(shù)據(jù)集的最大值和最小值。

（4）提取特征值：將歸一化后的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)求取算數(shù)平均值μ，即飛濺特征值。

（5）閾值比較：設(shè)定1作為閾值，根據(jù)飛濺特征值的3倍與閾值比較得出飛濺的定性指標(biāo)，當(dāng)發(fā)生飛濺時，以飛濺特征值與閾值的偏離程度作為飛濺嚴(yán)重程度的定量指標(biāo)，即（1-μ）%，飛濺發(fā)生時刻為歸一化標(biāo)準(zhǔn)差取得最大值時刻。

4 試驗(yàn)結(jié)果

針對鍍鋅板電阻點(diǎn)焊過程，開展點(diǎn)焊過程參數(shù)在線監(jiān)測及焊點(diǎn)飛濺在線評估，通過選取一定量的點(diǎn)焊試片進(jìn)行焊接試驗(yàn)，將系統(tǒng)識別結(jié)果與實(shí)際焊點(diǎn)飛濺情況進(jìn)行對比，驗(yàn)證鍍鋅板電阻點(diǎn)焊飛濺識別系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性。

4.1 無飛濺焊點(diǎn)的系統(tǒng)識別的驗(yàn)證

為了便于動態(tài)電阻與標(biāo)準(zhǔn)差波形的觀察比較，系統(tǒng)將動態(tài)電阻也進(jìn)行了歸一化，系統(tǒng)識別合格焊點(diǎn)波形如圖4所示。圖中橫軸虛線為提取的飛濺特征值，為0.51。由于飛濺特征值3μ>1，系統(tǒng)識別為未飛濺。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，對該焊點(diǎn)進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)表面未發(fā)生飛濺（見圖5），與系統(tǒng)識別結(jié)果一致。

4.2 有飛濺焊點(diǎn)的系統(tǒng)識別的驗(yàn)證

系統(tǒng)識別飛濺焊點(diǎn)波形如圖6所示。圖中橫軸虛線為提取的飛濺特征值，為0.121 7。由于3μ<1，故系統(tǒng)識別為飛濺。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，觀察該焊點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)其表面發(fā)生飛濺（見圖7），與系統(tǒng)識別結(jié)果一致。圖6中豎軸虛線表示所識別出的飛濺發(fā)生時刻為第198 ms且飛濺嚴(yán)重程度為87.83%，與動態(tài)電阻曲線驟降最嚴(yán)重處相吻合。通過多組試驗(yàn)對識別系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，焊點(diǎn)飛濺信息識別準(zhǔn)確，效果理想，具有良好的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

（1）鍍鋅板電阻點(diǎn)焊動態(tài)電阻曲線可分為陡降區(qū)、上升區(qū)、緩降區(qū)。無飛濺焊點(diǎn)動態(tài)電阻曲線達(dá)到上升區(qū)峰值后呈現(xiàn)緩慢下降。飛濺焊點(diǎn)動態(tài)電阻曲線在緩降區(qū)發(fā)生驟降，持續(xù)約10 ms。

（2）提出一種通過時間窗對動態(tài)電阻進(jìn)行劃分求取標(biāo)準(zhǔn)差并以標(biāo)準(zhǔn)差的算數(shù)平均值作為飛濺特征指標(biāo)的方法，通過與閾值比較，可以有效地識別焊點(diǎn)飛濺，并給出焊點(diǎn)飛濺的定量指標(biāo)。

（3）該焊點(diǎn)飛濺識別方法實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算速度快，可以方便地移植到各種MCU中進(jìn)行邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在控制器中對焊點(diǎn)飛濺的在線識別。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周嵐，於建偉，曹靜. 電阻點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 電焊機(jī)，2008，38（12）：37-40.

[2] 曾鴻志，單平. 電阻點(diǎn)焊過程及質(zhì)量控制方法的研究進(jìn)展[J]. 焊接技術(shù)，2000，29（5）：1-3.

[3] MESSLER J R. Review of control systems for resistance spot welding：past and current practices and emerging trends[J]. Science & Technology of Welding & Joining，1996，1（1）：1-9.

[4] 王亞榮，張忠典，馮吉才. 電阻點(diǎn)焊過程中的動態(tài)電阻的變化規(guī)律[J]. 電焊機(jī)，2006，36（2）：42-44.

[5] 劉照偉，楊立軍，史彩云，等. 電阻點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J]. 電焊機(jī)，2006，36（9）：1-3.

[6] 包 曄，朱振友. 鍍鋅鋼板白車身的點(diǎn)焊噴濺問題[J]. 焊接，2005（7）：27-29.

[7] 胡心彬，萬斌，董仕節(jié)，等. 汽車用鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)的優(yōu)化[J]. 熱加工工藝，2010，39（23）：206-207.

[8] 文申柳，余滕義，王非森，等. 焊接電流對鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的影響[J]. 熱加工工藝，2009，38（11）：134135，137.

[9] 張軍，黃東龍，李強(qiáng)，等. 基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊飛濺信息在線判讀[J]. 電焊機(jī)，2011，41（10）：21-24.

[10] 呂恕，朱宏. 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中異常值的檢驗(yàn)方法討論[J]. 東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1993（3）：27-31.

[11] 趙慧，甘仲惟，肖明. 多變量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中異常值檢驗(yàn)方法的探討[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，37