電阻點焊質量控制技術的方法與研究現(xiàn)狀

1、 電阻點焊質量控制技術的方法與研究 航空制造工程學院 080142 05 韋謹宗0 前言電阻點焊是一種高效的焊接方法，具有能量集中、變形小、輔助工序少、無須填加焊接材料、生產(chǎn)效率高、操作簡便和易于實現(xiàn)自動化等特點，廣泛應用于航空、航天、汽車制造等行業(yè)生產(chǎn)中，但是由于點焊過程以電流通過焊接區(qū)產(chǎn)生的電阻熱為熱源，是一個高度非線性、多變量藕合作用并伴隨著大量隨機不確定因素的過程，焊點接頭質量受各種不可測因素的影響;并且焊點熔核處于封閉狀態(tài)，使形核過程無論是在焊接期間還是在焊后都無法直接觀測到，質量信息的提取比較困難；焊點形核凝固時間短暫，同時要求特定、精確的溫度場分布，環(huán)境的瞬時改變可能造成嚴重后果

2、，出現(xiàn)裂紋、縮孔、疏松、偏析、深度壓痕、噴濺乃至虛焊、漏焊、弱焊、燒穿等缺陷，造成焊點質量不穩(wěn)定和難以控制，嚴重限制和影響了點焊技術在重要結構上的廣泛使用1.。傳統(tǒng)生產(chǎn)中，焊接質量是通過穩(wěn)定焊接工藝參數(shù)和焊后檢驗來保證的。由于焊點接頭質量受大量隨機因素的影響，僅通過穩(wěn)定工藝參數(shù)不可能全面保證焊點質接缺陷、實現(xiàn)焊接質量在線監(jiān)控，因此發(fā)展一種在線、非破壞性、低成本、診斷可靠性高的質量評判系統(tǒng)對于現(xiàn)實生產(chǎn)及點焊方法的廣泛使用是非常有意義的?，F(xiàn)代信號分析處理、人工智能、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘等信息處理方法憑借其明確的問題定義、嚴格的數(shù)學基礎、堅實的理論框架和廣泛的應用價值，為處理點焊過程監(jiān)測特征參量與焊點

3、質量評價指標之間復雜的多元非線性相關關系提供了豐富的方法。1電阻點焊質量監(jiān)測技術的方法 點焊過程通常由預壓、焊接、鍛壓三個階段構成2，是一個電場、熱場、力場等各種場禍合作用的過程，因此產(chǎn)生焊接缺陷的原因必然隱含于各種場監(jiān)測參量的動態(tài)變化之中。點焊過程的工藝參數(shù)主要有焊接電流、焊接時間、預緊力、頂鍛力等。接頭形式和焊接規(guī)范一定時，焊點質量主要取決于電極、工件表面、接觸面的微觀狀態(tài)、動態(tài)變化，它們影響點焊過程中能量的輸入與分配、局部熱積累速度和熱量的分布。1.1監(jiān)測焊接熱量這類方法包括恒流控制法(I2積分式)，恒壓控制法(U2積分式)和恒功率控制法(IU積分式)等。其原理是:在焊接過程中，適時測量

4、焊接熱量參數(shù)，并與給定值相比較，當出現(xiàn)偏差時，調節(jié)可控硅的控制角，以維持焊接熱量參數(shù)的恒定。這類方法的優(yōu)點是簡單可靠、易于實現(xiàn)。國內的研究人員以單片機為點焊過程監(jiān)測系統(tǒng)核心，借助高精度電流傳感器，設計算法實現(xiàn)電流有效值測量，為提高恒流控制精度奠定試驗基礎。目前歐洲及日本的各大汽車公司仍然以恒流控制為主，但其產(chǎn)品從精度及控制方式上比國內先進，生產(chǎn)實踐證明，監(jiān)控效果良好，使用方便，成本低。但是這類方法的缺點是對電極電壓波動、電極磨損及分流影響無補償作用2。1.2單參量監(jiān)測技術 將監(jiān)測信息作為判斷焊點質量的依據(jù)，其前提是要建立監(jiān)測信息與焊點質量如熔核直徑和接頭強度之間的關系模型，找出獲得合格焊點時監(jiān)

5、測信息特征量的范圍，由此判斷焊點質量合格與否，這方面采用較多的是測量動態(tài)電阻，因為動態(tài)電阻綜合考慮了電極間電壓和焊接電流對熔核質量的影響，與熔核生長密切相關。利用監(jiān)測特征參量監(jiān)控焊接過程中焊接區(qū)金屬狀態(tài)的變化以及焊接缺陷的產(chǎn)生。 如監(jiān)測焊接區(qū)金屬相變時刻、點焊過程的噴濺、虛焊等現(xiàn)象。點焊過程中的單一的監(jiān)測信息預測焊點質量只能在較窄的范圍內提供可靠的信息.。而實際的點焊過程是很復雜的， 因此這樣的監(jiān)測模型與被測對象之間相差很遠。在研究其應用中薛海濤等人3采用圖形化語言的虛擬儀器開發(fā)工具Labview開發(fā)點焊參數(shù)采集及缺陷信息分析系統(tǒng)，在研究采集電流、電極電壓的基礎上，建立了基于電壓曲線斜率變化反

6、映噴濺缺陷的算法和基于積分變化判讀脫焊缺陷的算法。長春工業(yè)學院的馬凱4對動態(tài)電阻點焊監(jiān)控系統(tǒng)采用多參數(shù)分時段的監(jiān)測方法，首次把動態(tài)電阻自適應控制系統(tǒng)DRC的控制模型分成不同時段，具體包括網(wǎng)壓前饋控制、谷底到達時間的模糊控制、谷底過后上升階段的PID控制和闡值前饋控制等不同時段，并同時對每個時段采用不同的控制算法實時跟蹤相同工藝條件下實際焊點的動態(tài)曲線的發(fā)展趨勢，同時與標準的特性曲線相對比，根據(jù)比較產(chǎn)生的偏差隨時調整晶閘管的導通角對焊接熱量進行調節(jié)。1.3多參量綜合監(jiān)測技術實踐證明根據(jù)點焊過程中監(jiān)測信息的某一特征預測焊點質量只能在較窄的范圍內提供可靠的信息，而實際點焊過程的復雜程度使這種監(jiān)測模型

7、與實際的被測對象之間相離甚遠，這樣預測的結果就不夠穩(wěn)定、適用范圍十分有限。只有克服單一特征量監(jiān)測技術的不足，充分利用各種監(jiān)測參量所提供的焊點質量信息，才能作出對焊點質量的合理評價。眾多研究人員提出:點焊質量監(jiān)測技術進一步的研究方向是發(fā)展多參量綜合監(jiān)測技術?，F(xiàn)代信號處理、電力電子、信息處理、計算機自動控制領域的技術發(fā)展，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、有限元元分析仿真技術的發(fā)展為實現(xiàn)焊點質量在線評估提供了大量創(chuàng)新性的思路。（1）基于統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘方法的點焊質量監(jiān)測統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)庫處理的一般方法，目的是從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)未知的、有價值的模式或規(guī)律。線性回歸分析、非線性回歸分析、因子

8、分析、主成分分析(PCA), CART決策樹、支持向量基(SVM)等方法是研究變量之間的相關關系時頻繁使用的數(shù)學工具。:哈爾濱工業(yè)大學的張忠典，李冬青等人4以動態(tài)電阻與接頭質量參數(shù)之間關系為例，用線性回歸分析技術，系統(tǒng)地研究了點焊加熱過程中監(jiān)測信息與點焊熔核尺寸之間的一元或多元回歸模型關系，并對各種數(shù)學模型的預測精度做了相應的比較，證明綜合考慮多監(jiān)測參量可以提高模型的預測精度。（2）基于數(shù)值模擬方法的焊點過程仿真為了更加精確、嚴格地描述某個過程，往往要建立其數(shù)學模型。以數(shù)學模型為基礎，利用計算機技術進行模擬是現(xiàn)代科學研究的常用方法。點焊過程的數(shù)值模擬是一個多場禍合的非線性復雜問題，涉及材料的導

9、電學、力學、熱學性能等問題。只有正確分析、理解焊接過程各種隨機現(xiàn)象的本質，才能建立起有效的數(shù)學模型，才能有助于研究人員進一步了解焊接過程的規(guī)律。國內在20世紀80年代初，開始了點焊數(shù)值模擬方面的研究工作。吉林大學王春生、趙熹華等6采用了三維有限差分數(shù)值模擬的方法，對點焊過程中的電場和溫度場進行藕合求解，并對計算過程動態(tài)數(shù)組的設定、隱格式求解法及相關的收斂模式，進行了合理的設計，自行開發(fā)了計算軟件，使點焊的數(shù)值模擬過程能在微機上運行，為進一步開展點焊形核過程的理論研究提供了條件。（3）基于現(xiàn)代信號處理技術的點焊質量監(jiān)測信號可以從頻率域(簡稱頻域)、時間域(簡稱時域)來描述。對點焊過程監(jiān)測信號進行

10、頻域、時頻分析(如功率譜分析、短時傅立葉變換、小波分析等)提取監(jiān)測特征參量，映射焊點質量還在起步階段。天津大學的羅震、單平等，采用非平穩(wěn)過程的時頻分析方法對鋁合金點焊中聲音信號的時頻能量分布進行分析，結果表明Choi-williams時頻分布是一種較好的鋁合金點焊聲音分析方法，可以區(qū)分不同熔核狀態(tài)，其計算結果可以作為鋁合金點焊過程的監(jiān)測參數(shù)和質量檢驗的依據(jù)，并且采用小波包分析鋁合金點焊飛濺現(xiàn)象7-8。蘭州理工大學的馬躍州9 等針對點焊過程焊接電流、電極間電壓、電極位移等信號進行了傅立葉譜、經(jīng)典功率譜、短時傅立葉譜、小波分析，分析表明焊接電流、電極間電壓、電極位移等信號在頻域里的變化特征不明顯，

11、點焊過程信號特征分析重點將在時域中分析和提取。2 基于人工智能的點焊質量監(jiān)測技術的研究人工智能技術是研究如何用計算機來模仿人腦思維活動的科學，在處理難以用規(guī)律描述或具有模糊性問題方面有著常規(guī)方法不可比擬的優(yōu)勢。電阻點焊是一個高度非線性，多變量復雜禍合的系統(tǒng)，不可能用明確的數(shù)學模型來建立監(jiān)測特征參量與焊點質量評價指標之間的映射關系。人工智能的發(fā)展給電阻點焊焊點質量預測、分類乃至實時控制提供了多種新的方法。國內外的學者紛紛將人工智能的主要分支神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)和模糊控制等技術應用到點焊的質量預測和監(jiān)控領域中，嘗試解決點焊質量監(jiān)測研究中長期以來較為棘手的問題。2.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡在點焊質量監(jiān)測中的應用

12、人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有能從理論上逼近任意屬于L2 的非線性函數(shù)、采用并行分布式存儲和處理信號， 容錯性很強、便于用大規(guī)模集成電路實現(xiàn)、適用于多信號的融合，可同時綜合定量和定性信號，對多輸入、多輸出系統(tǒng)特別方便和可同時實現(xiàn)在線學習或離線學習， 使之滿足某種控制要求，靈活性很大的特點。方平等人11-12在研究中利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡能在無假設情況下建模和適用于多信號的融合的特點, 對電阻點焊的動態(tài)電參數(shù)進行融合處理, 建立電阻點焊質量的智能監(jiān)測模型；為電阻點焊質量的智能控制系統(tǒng)的研究打下基礎。同時在人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術在點焊質量控制中的應用研究中方平等人還利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有解決多變量耦合、高度非線性、多信號融合

13、處理、處理嚴重不確定系統(tǒng)問題和在無需假設的情況進行建模的特點 ， 對電阻點焊過程進行多參數(shù)融合處理，建立交流點焊接頭質量監(jiān)測體系， 實現(xiàn)交流點焊接頭質量的預測和在線無損檢測。2.2模糊模型在點焊質量監(jiān)測中的應用與ANN( 人工神經(jīng)網(wǎng)絡) 相比， 模糊模型能更清晰地體現(xiàn)點焊過程中監(jiān)測特征參量對焊點質量影響的程度。 要清楚地描述一個過程， 最有效的辦法就是建立其數(shù)學模型。 點焊過程是一個多場耦合的非線性復雜問題， 只有正確分析、理解焊接過程中各種隨機現(xiàn)象的本質, 才能建立起有效的數(shù)學模型。謝林軍14等人在點焊質量模糊控制系統(tǒng)的研究中有突出表現(xiàn)，他們設計的點焊過程模糊控制器能夠有效地控制點焊過程的焊

14、接電流,補償焊接過程因素變化對焊接質量的影響,具有較強的自適應特性。Lee 10為了在能量損失最小的情況下獲得理想的熔核尺寸，引入了功率密度思想設計計算模型，監(jiān)測焊接過程隨溫度變化的動態(tài)電阻、焊接電流信號，計算輸入功率密度，以焊接過程是否發(fā)生噴濺現(xiàn)象為依據(jù)，在不發(fā)生噴濺的情況下，選擇電極位移信號的監(jiān)測參量，在發(fā)生噴濺的情況下，選擇第二到第六周波的動態(tài)電阻值為監(jiān)測參量，分別設計模糊規(guī)則，建立焊點質量的模糊監(jiān)測模型。3 結論（1）點焊過程及質量的實時監(jiān)控核心是監(jiān)測或者控制問題，以點焊過程中的焊接電流、電極間電壓、電極位移、壓力等信號為信息源，以提取的特征參數(shù)和過程診斷及質量評判的指標之間建立的智能

15、算法為技術平臺，研究出了各種質量監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。(2)在進行點焊質量監(jiān)測評估時，都是通過分析監(jiān)測信息，采取一定的手段對質量指標進行推理預測。因此，如何建立更加合理準確的模型，采用行之有效的手段，對質量指標進行精確的測量，得出準確的結果，是我們今后工作的重點和難點。無論是在質量監(jiān)測還是控制方面，在設計系統(tǒng)時，應盡可能地提高系統(tǒng)的可靠性，充分考慮干擾對系統(tǒng)的影響，并采取有效的手段排除，在軟件設計上，盡量采用模塊化的設計。參考文獻：1 趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備.北京：機械工業(yè)出版社，2005.8.2 耿正，高洪明.電阻焊設備及控制的研究進展.北京:第八次全國焊接會議論文集(I), 北京:機

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