电阻焊质量监测与控制

电阻焊质量监测与控制必要性在大批量生产中，一个产品往往需要几十台甚至上百台点焊机配套工作，这将使电网电压、气压产生很大的波动，再加上难以避免的分流、电极磨损等不利因素的存在，致使点焊质量极不稳定，严重时将成批出现不合格的焊点。另一方面，由于点焊独特的接头形式和工艺的限制，致使在电弧焊生产中应用效果很好的焊后无损检测方法在点焊生产中却难以应用，同时也将使生产效率降低、产品成本剧增。必要性为了保证焊点质量，国内外几乎所有的汽车生产厂家几十年来都一直采用焊前打试片、焊后进行破坏性抽样检验的方法来保证焊点质量。显然，这种方法已无法满足汽车工业发展对点焊质量提出的高可靠性、低成本的要求。为了改变这种现状，有必要研制新型点焊质量监测系统。采用点焊质量监测系统，可以在线监测每一台焊机、每一焊点的质量，及时指出不合格的焊点及其形成原因，使操作者及时进行在线补救，以有效提高和稳定焊点质量。焊接参数的划分焊接规范参数：焊接电流、电极压力、焊接时间、电极端面尺寸等；焊接过程参数：监测信息，如：动态电阻、红外辐射、电极间电压、能量等；焊接质量参数：熔核直径、焊透率、压痕深度、拉剪强度、拉伸强度、疲劳强度等；质量监控的难度电阻点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，同时由于点焊的形核处于封闭状态而无法观测，特征信号的提取比较困难；而且形核过程的时间极短，焊接条件短时间的波动就会造成较严重的后果。因此，点焊质量的监测和控制难度极大。点焊质量监测信息焊接电流电极间电压能量积分动态电阻热膨胀电极位移红外辐射超声波焊接通电时间动态电阻(Cycle)1---6.30kA2---6.48kA3---6.88kA4---8.38kA181614121086420455055606570758580不同焊接电流时动态电阻曲线热膨胀电极位移与焊点质量的关系监控方法的现状及发展趋势监控焊接热量这类方法包括恒流控制法、恒压控制法等。其原理是：在焊接过程中，适时测量焊接热量参数值，并与给定值比较，当出现偏差时，调节可控硅的控制角，以维持焊接热量参数的恒定。这类方法的优点是简单可靠、易于实现。目前，欧、美及日本的各大汽车公司几乎均采用这类方法，我国各大汽车厂大部分也采用这类方法。可见这类方法的普及性;缺点是对电极压力波动、电极磨损及分流的影响等无补偿作用。监控过程参数的某个特征量在点焊过程中，有许多过程参数的变化可以反映焊点的形成过程，可以作为质量监测的依据。但是，这些过程参数与焊点质量之间的关系却难以用数学公式来清晰地描述，因此人们往往用过程参数的某个特征量作为焊点质量监测的依据。AA特征量薄板厚板电极端面直径焊点强度特征量与焊点质量的关系当特征量T过小时，熔核没有完全形成。当特征量T达到一定值后，熔核形成，焊点强度F随着特征量T的增大而增加，当熔核直径达到或比电极端面直径稍大时，特征量T达到饱和。如再增加特征量T值，则产生飞溅，导致焊点质量下降。因此，A点对应的T值，就是期望值。此外，焊件愈厚，过A点后曲线变化愈陡峭，特征量T的变化对焊点强度的影响愈敏感，A点愈不易确定，控制难度也将增大。常用过程参数及其特征量过程参数特征量焊接电流积分值电极间电压积分值、下降量、下降率、方差、最大值动态电阻积分值、下降量、下降率能量积分值热膨胀电极位移最大位移量声发射振铃次数红外辐射最大辐射量超声波“W”波形的宽度、高度具体应用方法应用这种监控方式在监控某产品的点焊质量之前，应根据工艺实验找出特征量T值与熔核直径以及焊点强度之间的关系，并求出特征量的控制带。根据控制带确定监控仪上的特征量上、下限预置开关，当实测的特征量值超出上、下限时，仪器将报警，指出该焊点质量不可靠，应作处理。效果不好？这些装置实质上是使用点焊过程中监测信息的某一特征量与质量参数之间的一元线性回归模型关系来间接地监控焊点质量的。由于一个特征量只能片面地反映点焊加热过程，而一元线性回归模型也只能描述监测信息与质量参数之间局部线性关系，难以描述整体的非线性关系，因此在焊接过程中无法及时获知焊点质量参数的准确值。这就是现有点焊质量监控方法存在控制效果不理想、适用范围窄的主要原因。监控某一过程参数的曲线在用于批量生产之前，先把合格焊点的标准过程参数曲线储存下来，然后通过大量的工艺实验确定合适的容限。在用于批量生产时，需要对每一焊点的每一周波的焊接电流进行计算和调整，强制该焊点形成过程中的过程参数，按照合格焊点的标准曲线发展，焊后再将过程参数的实际曲线与标准曲线比较，观察是否满足容限值，以判断质量是否合格，从而保证每一焊点的质量。实践证明，这种技术的控制效果明显优于单个特征量监控技术，但应用局限性很大，对工艺条件和周围环境干扰程度要求非常严格，难以普及推广。为了保证控制效果的稳定性，采取的主要措施有（1）采用计算机群控技术，减小网压波动的范围。（2）严格控制电极使用时间，减小电极磨损对焊点质量的影响。据资料介绍，每个电极仅焊320个点就进行更换。（3）由于焊件的结构、形状和尺寸都是确定的，因此可以通过合理的工艺设计避免分流、铁磁物伸入对焊点质量的影响。监控点焊质量参数基于模糊分类理论的点焊质量的等级评判基于回归分析理论的铝合金点焊质量多参数监测方法基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测基于模糊分类理论的点焊质量的等级评判1994年，德国学者Burmeister采用模糊分类理论和现有的专家知识，建立了三个电参数（焊接电流、电极间电压、工件电阻）和两个机械参数（电极位移、电极加速度）与焊点质量之间的非线性关系模型，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评判。优点:综合考虑监测信息与质量指标间的非线性缺点:难以摆脱专家经验等人为因素的影响基于回归分析理论的铝合金点焊质量多参数监测方法1996年，英国学者M.HAO采用线性回归分析理论，分别建立了一些过程参数的各个特征量以及多个特征量与铝合金焊点质量之间的关系模型。结果表明：多元回归模型的误差比最佳的一元回归模型的误差大约下降30%。熔核直径预测结果一元线性回归模型预测结果多元线性回归模型预测结果均方根差/mm相关系数均方根差/mm相关系数MAY28ET0.2830.9920.2250.996MAY28CO0.3860.9650.2020.990JUN10CA0.3850.9500.2030.985基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测目前，发展点焊质量监测技术的难度，依然体现在对焊点质量参数无法直接测量，只能通过一些过程参数进行间接的推断，发展多参量综合监测技术是提高点焊质量监测精度的有效途径。如何充分利用监测信息，建立合理的多元非线性监测模型，并使监测模型能够在较宽条件内提供准确、可靠的点焊质量信息，已成为发展多参量综合监测技术的关键。目前的研究成果1997年，哈尔滨工业大学运用神经元网络技术和回归分析技术，研究了动态电阻与焊点质量之间的模型关系，证明神经元网络模型的精密度要比多元线性回归模型的精密度高2～3倍，并证明即使在加热强度变化范围是从未形成接头到强烈飞溅这样恶劣的工艺条件下，采用神经元网络模型也可以在焊接过程中实时、准确地监测焊点质量，为进一步实现以质量信息为目标的点焊质量直接控制奠定了必要的基础。各种模型的均方差均方差模型类型质量参数HRDEHRTNRT熔核直径2.8951.1830.158焊透率380.762153.71123.756拉剪强度1.2610.6460.137与多元回归模型和神经元网络模型相比，一元线性回归模型的均方差最大，这说明用单个特征量来监控焊点质量，效果将是最劣的。动态电阻特征量与点焊接头质量参数间的模型，其相应的神经元网络模型的性能远优于相应的回归模型的性能，这说明神经元网络模型比多元线性回归模型更适合用于描述点焊过程参数与质量参数之间非线性、强耦合的关系。点焊电极的研究进展点焊电极为什么容易失效？电极是点焊中的易耗零件，在点焊过程中，电极的主要功能是传输电流、加压和散热，由于电极和焊件接触时的温度较高，而且自身具有一定的电阻，也会发热，因此，电极头部的温升很快，达到了稍低于焊点熔核的高温，使电极头部在高温及高压力作用下很快失效。点焊电极的失效形式1.塑性变形电极的塑性变形都导致电极端部形成蘑菇状和电极直径的增加，这种塑性变形的产生是由于电极头部在焊接时承受压力和高温作用的结果。一般来讲，电极表面的温度与焊件表面的温度应相等，点焊时钢板的表面温度大约为700度左右，点焊镀锌钢板时，电流密度比点焊无镀层钢板电流密度要高30%左右，电极表面的温度能达到800-900度。正是由于电极头部的温度分布不均匀，使得电极头部产生了不均匀的塑性变形。此外，电极与工件表面的高温还导致了在电极头部产生低屈服强度的Zn-Cu合金，这将加重电极局部的塑性变形。塑性变形的产生，使得电极头部的直径随焊点数目的增加而增加，从而导致焊接电流密度下降，熔核焊透率降低，直到焊核直径减小，焊点强度下降趋近允许值，此时必须修整电极或更换电极。2.磨损电极的磨损主要发生在电极头部，表现为电极头部的物质转移到被焊工件表面，使得电极磨损，导致电极直径增大和焊接电流密度下降。另外，影响磨损的因素还有在正常焊接规范下电极撞击工件和电极缺乏充足的冷却。3.合金化电极的合金化主要发生在电极和镀层钢板的交界面上，合金主要产生在电极工作端面及头部的周围。电极合金化的程度取决于在焊接循环过程中电极与工件交界面作用的温度和时间，镀层元素与电极材料的扩散速度，以及生成物质在电极端面的形核和长大。一般来讲，电极端面与工件作用时间越长、工作温度越高，越易合金化，而合金化的产生不仅使电极端面的电导率下降，提高了焊接时电极表面的温度，加快了合金化，而且影响了电极表面的电流分布。4.坑蚀坑蚀是导致电极失效的主要方式之一。在点焊电极焊接镀层钢板时，由于高温的作用，在电极表层产生了低熔点合金，当电极离开工件时，有些低熔点合金在飞溅作用下离开了电极端面，即在电极端面产生了一个小的弧坑，许多小的孤坑连成一起的过程叫坑蚀，坑蚀的结果便形成了蚀坑。蚀坑的产生，提高了坑蚀周围的电流密度和工作压力，导致了蚀坑周围产生更严重的塑性变形和脱落，从而增加了电极端面的直径和降低了焊点直径。5.热疲劳点焊电极在工作过程中不仅要在高温下传递压力，而且还承受着加热和冷却的热应力作用，在两者的作用下，产生热疲劳，使得电极最终失效或电极表层脱落。6.粘附点焊电极在工作过程中由于电极头部和镀锌钢板的接触温度高于镀锌层的熔点，使熔化的镀锌层强烈粘附在电极头部而产生粘附。7.再结晶电极的再结晶温度大约在700-800'C的范围。虽然电极与工件连接界面上的温度基本低于此温度，但有些区域的温度也有可能达到此温度，这取决于工件与电极之间的接触电阻、焊接速度、冷却状况及电极合金类型。一旦电极某个区域的温度大于电极的再结晶温度，则在电极中将产生再结晶和晶粒增大，使得电极易于失效。延长点焊电极寿命的措施1.电极端面的表面改性2.粉末冶金电极3.优选焊接规范4.电极的深冷处理用电流波形控制法提高锌钢板点焊电极的寿命在接通焊接电流之前施加焊前电流，使锌层先熔化，并在电极压力作用下将其挤走，从而减弱或避免电极/工件界面铜锌合金化、提高工件/工件间接触电阻，使焊接区加热均匀，获得同样熔核所需焊接电流减小，电极寿命增加。基本原理表面飞溅率随焊前电流的变化规律(施加焊前电流时间:5周波)表面飞溅率随焊前电流通电时间的变化规律(焊前电流有效值:3ｋＡ)电极寿命随焊前电流的变化规律（焊前电流时间:5周波）利用深冷处理提高电极的使用寿命深冷处理是指在-130℃以下对材料进行处理改变材料性能的一种方法，深冷处理以液氮(-196℃)为制冷剂。试验采用气体法加工深冷电极，将电极放入深冷装置，液氮经喷管喷出后在冷箱中直接汽化，利用液氮的汽化潜热及低温氮气吸热使冷箱降温。通过控制液氮的输入量来控制降温速度、保温温度、保温时间等实现对温度的自动调节。何谓深冷处理？深冷装置结构1-箱体2-