基于功率信號(hào)動(dòng)態(tài)特征的鈦合金電阻點(diǎn)焊熔核直徑預(yù)測(cè)

趙大偉，王元?jiǎng)?，梁東杰，Yuriy Bezgans

(1.South Ural State University，Chelyabinsk，54080，Russia；2.華中科技大學(xué)，武漢，430074；3.廣西計(jì)量檢測(cè)研究院，南寧，530007)

0 序言

電阻點(diǎn)焊是一種重要的連接技術(shù)，由于它具有操作簡單、自動(dòng)化程度高、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶以及電子等行業(yè)領(lǐng)域[1].TC2 鈦合金是一種近α 鈦合金，具有良好的塑性、焊接性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，近些年來廣泛應(yīng)用于飛行器以及發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件中.對(duì)于電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的評(píng)定，傳統(tǒng)上常常采用焊后破壞性試驗(yàn)來加以確定，這種檢驗(yàn)手段效率較低，易造成浪費(fèi).因此，國內(nèi)外許多學(xué)者嘗試多種方法實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接質(zhì)量.Xia 等人[2]發(fā)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊過程中電極位移的變化情況與焊接接頭質(zhì)量之間有密切的關(guān)系，并通過回歸分析有效地對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè).Summerville 等人[3]利用電阻點(diǎn)焊過程中的動(dòng)態(tài)電阻信號(hào)與超聲波掃描信號(hào)預(yù)測(cè)電阻點(diǎn)焊熔核直徑的大小做了比較，結(jié)果表明，運(yùn)用動(dòng)態(tài)電阻曲線監(jiān)測(cè)焊接質(zhì)量的精度更高.Bag 等人[4]也發(fā)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊過程中動(dòng)態(tài)電阻的變化與熔核生長過程存在對(duì)應(yīng)關(guān)系.Guan 等人[5]對(duì)焊接過程中的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)現(xiàn)超聲波的變化與熔核直徑密切相關(guān).在此基礎(chǔ)上，研究者利用超聲波預(yù)測(cè)熔核直徑.陳樹君等人[6]通過監(jiān)測(cè)焊接過程中電極壓力的變化以監(jiān)控是否發(fā)生噴濺，研究表明，電極壓力曲線的突變可準(zhǔn)確地檢測(cè)出發(fā)生噴濺的焊接接頭.曾凱等人[7]研究了雙相鋼DP780 的電阻點(diǎn)焊焊接過程，研究表明，焊接熱輸入是決定熔核直徑的重要因素，焊接過程中焊接功率曲線的變化直接決定了焊接熱輸入的變化情況，因此焊接功率曲線與焊接質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，而目前國內(nèi)外對(duì)此方面的研究卻鮮有文獻(xiàn)參考.

采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取了0.4 mm 厚度的TC2鈦合金在電阻點(diǎn)焊過程中功率曲線的動(dòng)態(tài)變化過程，分析焊接功率曲線變化與熔核直徑的之間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用克里金算法得到了焊接功率曲線特征值與熔核直徑之間的預(yù)測(cè)模型.該模型可作為一種有效預(yù)測(cè)熔核直徑，并有望在實(shí)際電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)中加以推廣應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用美國Amada Weld Tech 公司研制的HF27 精密電阻點(diǎn)焊機(jī)，該焊機(jī)采用高頻交流電流進(jìn)行焊接，其頻率為25 kHz.焊機(jī)的最大額定值為20 kVA，可提供的電極壓力范圍為22～ 450 N.利用羅氏線圈測(cè)量焊接過程中焊接電流的變化情況，采用加持于上、下電極的雙絞線獲取電壓的變化情況(圖1).焊接電流和電壓信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波等一系列處理后獲取.

圖1 信號(hào)采集裝置Fig.1 Data pickup assembly

選取的焊接材料為TC2 鈦合金[8]，作為一種α +β 型鈦合金，TC2 鈦合金集合了α 型鈦合金和β 型鈦合金的優(yōu)點(diǎn).鈦合金在高溫狀態(tài)下極易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在點(diǎn)焊過程中，熔融金屬產(chǎn)生于上、下焊板接觸面處，且一直在上、下電極壓力作用下，保證了其與外界空氣隔絕[9]，所以鈦合金的電阻點(diǎn)焊不需要特殊的保護(hù)措施.焊前，對(duì)鈦合金分別進(jìn)行化學(xué)清洗與機(jī)械清洗，以防工件的表面質(zhì)量影響焊接質(zhì)量.

通過改變焊接工藝參數(shù)以獲取不同的焊接接頭.焊接工藝參數(shù)的范圍為：焊接時(shí)間為4～ 12 ms，焊接電流為1.0～ 2.4 kA，電極壓力76.2～ 203.2 N.采用平頭銅合金電極，電極端面的直徑為3 mm，冷卻方式為空冷.在焊接過程中將焊接電流設(shè)置為恒定值，如圖2 所示.

圖2 焊接電流波形Fig.2 Welding current curve

采用Instron?5900R 萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)在常溫下對(duì)焊接接頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)，加載速度為1 mm/min.采用游標(biāo)卡尺測(cè)量拉伸后的試樣以獲得熔核直徑.為了減小誤差，從3 個(gè)方向測(cè)量同一焊點(diǎn)，取其平均值.焊點(diǎn)的抗剪力和失效能量從剪切試驗(yàn)中的載荷位移曲線中獲取，焊點(diǎn)的失效能量為載荷位移曲線中載荷峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線包圍的面積.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔核直徑對(duì)焊接功率曲線的影響

圖3 和圖4 分別為電極壓力152.4 N、焊接時(shí)間12 ms、焊接電流1.6 kA 時(shí)焊接功率和動(dòng)態(tài)電阻曲線.圖中3 個(gè)標(biāo)記的位置分別代表1 ms 時(shí)功率值、功率的峰值以及拐點(diǎn)值.從圖3 可以看出，在焊接初始階段，焊接功率值迅速由零增大至峰值后緩慢減小到拐點(diǎn)，隨之迅速減小.由于焊接試驗(yàn)采用高頻交流焊接電流，且焊接模式為恒電流模式，根據(jù)公式P=I2R，焊接功率曲線在一定程度上反映了焊接過程中上、下電極之間動(dòng)態(tài)電阻的變化情況.峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)電阻曲線中的極值點(diǎn)，已有的研究表明，達(dá)到峰值點(diǎn)的時(shí)間與峰值反映了熔核的生長情況.此后液態(tài)熔融金屬的形成引起電阻值下降以及電流曲線的變化導(dǎo)致了焊接功率的下降.焊接功率曲線包圍的面積表明了整個(gè)焊接過程中輸入到焊接區(qū)域的熱量值.需要指出的是，圖3 與圖4中兩信號(hào)并不完全一致，故而功率曲線中的大約前1 ms 與后1 ms 的變化趨勢(shì)與電阻信號(hào)有所不同.此外，焊接熱輸入可以僅僅通過焊接功率信號(hào)的積分獲取，而如果需要利用動(dòng)態(tài)電阻獲取焊接熱輸入，需要?jiǎng)討B(tài)電阻與電極間電壓或者焊接電流相乘后且積分后才能獲取.因此，與動(dòng)態(tài)電阻信號(hào)相比，焊接功率曲線與焊接熱輸入的關(guān)系更為密切.

圖3 動(dòng)態(tài)焊接功率曲線Fig.3 Dynamic welding power curve

圖4 動(dòng)態(tài)電阻曲線Fig.4 Dynamic resistance curve

表1 為選取10 個(gè)焊接試樣在不同焊接工藝參數(shù)下的熔核直徑、接頭抗剪力以及失效能量值.從表中可以看出，熔核直徑、抗剪力和失效能量之間為正相關(guān).經(jīng)過計(jì)算可知，熔核直徑與抗剪力之間的相關(guān)系數(shù)是0.964，熔核直徑與失效能量之間的相關(guān)系數(shù)為0.871.因此可以將熔核直徑作為評(píng)判焊接質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo).根據(jù)美國焊接學(xué)會(huì)的規(guī)范[10]，認(rèn)為熔核直徑D大于的焊點(diǎn)為合格焊點(diǎn)(t為焊板的厚度)，然而對(duì)于微電阻點(diǎn)焊而言，該判定公式誤差較大[11].根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將該公式進(jìn)行修正，認(rèn)為對(duì)于0.4 mm 厚度的鈦合金，當(dāng)熔核直徑大于1.76 mm 時(shí)，該焊點(diǎn)合格.根據(jù)此判定規(guī)范，將所有的焊點(diǎn)分為3 類：不合格焊點(diǎn)、合格焊點(diǎn)以及發(fā)生噴濺的焊點(diǎn).

表1 焊接試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results for the resistance spot welding

圖5 為3 類焊點(diǎn)的焊接功率曲線.從圖5 可以看出，不同焊接質(zhì)量的焊接功率曲線有很大差別.發(fā)生噴濺的焊點(diǎn)，動(dòng)態(tài)功率曲線在焊接的后半進(jìn)程中有一個(gè)突降，這是由于噴濺導(dǎo)致焊接區(qū)域部分熔融金屬從上、下焊板飛出后電阻值突降造成的，因此可以將這一特征作為判定噴濺是否發(fā)生的依據(jù).而虛焊情況下，功率曲線的峰值與拐點(diǎn)之間功率的差值明顯小得多.3 類焊點(diǎn)功率達(dá)到峰值的時(shí)刻以及峰值的大小也明顯不同.它們的區(qū)別主要體現(xiàn)為：1 ms 時(shí)刻的功率值P1、峰值時(shí)刻tm、峰值Pm、拐點(diǎn)值Pn以及功率曲線包圍的面積.在此基礎(chǔ)上，從功率曲線中選取表征焊接質(zhì)量的特征值、峰值與1 ms 時(shí)刻功率值的差ΔP、峰值與拐點(diǎn)值的差ΔP1、功率曲線的下降率Ps=ΔP1/Pm、功率曲線包圍的面積S.由于焊接電流在1 ms 時(shí)突變，為了指明這一變化，故選取 1 ms時(shí)刻的功率值.選取的特征值之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，一般需要采用主成分分析法進(jìn)行處理.然而已有的研究表明，主成分分析對(duì)最終結(jié)果影響不大.故不再對(duì)特征值進(jìn)行處理[11].表2列出了提取的特征量與熔核直徑之間的相關(guān)系數(shù)，所有的相關(guān)系數(shù)值均大于0.5.圖6 為所提取的4 個(gè)特征量與熔核直徑之間的散點(diǎn)圖.該散點(diǎn)圖是通過170 個(gè)試驗(yàn)樣本獲取，初步描述了4 個(gè)特征量與熔核直徑之間的線性回歸關(guān)系，因此可判定特征量與熔核直徑有一定的映射關(guān)系.需要采用具有非線性映射能力的計(jì)算方法更進(jìn)一步獲取提取的特征量與熔核直徑之間更為精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

圖5 3 類焊點(diǎn)的功率曲線Fig.5 Welding power curves of three kinds of welding joints

表2 特征量與熔核直徑之間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among extracted features and nugget diameter

圖6 熔核直徑與特征量之間的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots of nugget diameter and extracted features.(a) value of power appreciation；(b)value of power drop；(c) power drop rate；(d)welding heat input

2.2 熔核直徑預(yù)測(cè)模型的建立與分析

電阻點(diǎn)焊熔核直徑與焊接功率曲線特征量之間存在著相關(guān)關(guān)系.為找出熔核直徑與特征量之間的映射關(guān)系，根據(jù)監(jiān)測(cè)功率曲線的變化預(yù)測(cè)熔核直徑，達(dá)到實(shí)現(xiàn)接頭質(zhì)量在線檢測(cè)的目的.

作為一種有效的模型預(yù)測(cè)手段，克里金算法的理論依據(jù)是貝葉斯插值模型，該方法最初用于估計(jì)地質(zhì)學(xué)中礦床的含量.克里金算法具有較高的精度，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、采礦業(yè)、遙感技術(shù)等領(lǐng)域中.近些年來，不少研究者嘗試將該算法應(yīng)用于焊接生產(chǎn)中，取得了良好的效果[12].

從焊接功率曲線中提取的4 個(gè)特征量作為自變量，焊接接頭的熔核直徑作為因變量.運(yùn)用Matlab 軟件中的DACE 工具箱建立克里金模型.該工具箱提供了3 類回歸模型和7 種相關(guān)函數(shù)，能預(yù)測(cè)誤差以及目標(biāo)值驗(yàn)證等.克里金算法中相關(guān)函數(shù)的選擇、多項(xiàng)式回歸模型以及相應(yīng)的初始向量設(shè)置直接影響了預(yù)測(cè)模型的精度[13].選擇高斯相關(guān)函數(shù)corrgauss，多項(xiàng)式回歸模型regpoly2，模型參數(shù)的初始值為1，其上、下限為10 和200.任意選取250 個(gè)試樣樣本中170 個(gè)來建立克里金熔核直徑預(yù)測(cè)模型，剩余的80 個(gè)樣本用于檢測(cè)該模型的誤差.

圖7 為克里金算法的預(yù)測(cè)結(jié)果.該結(jié)果是將克里金模型運(yùn)用于80 個(gè)焊接接頭得到.經(jīng)過計(jì)算可知，焊接接頭熔核直徑最大的預(yù)測(cè)誤差大約為0.17 mm，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差為8.7%.由此可見，焊接功率曲線中的4 個(gè)特征量可以有效表征3 類焊點(diǎn)的功率曲線，利用克里金算法以及焊接功率曲線可以有效地預(yù)測(cè)熔核直徑.

圖7 克里金模型的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.7 Outputs of Kriging model

由于克里金算法為一種“黑箱”算法，故而無法獲取熔核直徑與提取的特征值之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，該問題需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

(1) 在恒電流的焊接模式下，焊接功率曲線的變化與動(dòng)態(tài)電阻變化相一致；與動(dòng)態(tài)電阻相比，焊接功率曲線與焊接熱輸入的關(guān)系更為密切，而焊接熱輸入直接決定了焊接區(qū)熔核的形成與長大過程.

(2) 不同焊接質(zhì)量條件下的焊接功率曲線差別較大，從焊接功率曲線中選取了4 個(gè)特征量用以表征曲線的變化.特征量與熔核直徑之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，而焊接熱輸入與熔核直徑之間的相關(guān)系數(shù)值高達(dá)0.9.

(3) 運(yùn)用焊接過程中的焊接功率曲線來預(yù)測(cè)熔核直徑的克里金算法預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的最大誤差大約是0.17 mm，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差為8.7%，這表明焊接功率曲線可以表征焊接接頭的焊接質(zhì)量.