點焊生產與質量控制

關于點焊生產與質量控制第1頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻點焊的原理第2頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五概述一、定義

焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過焊件時產生的電阻熱，熔化母材金屬，冷卻后形成焊點，這種電阻焊方法稱為點焊。二、特點1.靠尺寸不大的熔核連接；2.在大電流、短時間的條件下焊接；3.在熱和機械力聯(lián)合作用下形成焊點。第3頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五第4頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五三、分類1.按焊接電流波形分工頻50或60Hz低頻3~10Hz2.5kHz~450kHz交流高頻脈沖電容儲能直流沖擊波第5頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2.按工藝特點分雙面單點單面雙點單面單點第6頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五四、對點焊質量的要求1）熔核直徑或板厚2）焊透率3）壓痕5~20%1.熔核尺寸的幾個基本概念第7頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2）少數金屬材料（如可淬硬鋼等）對焊接熱循環(huán)極為敏感，當點焊工藝不當時，接頭由于被強烈淬硬而使強度、塑性急劇降低。這時，盡管具有足夠大的熔核尺寸也是不能使用的。其點焊接頭強度不僅取決于熔核尺寸，而且與熔核及熱影響區(qū)的組織及缺陷有關。1）多數金屬材料（如低碳鋼等）對焊接熱循環(huán)不敏感，焊接區(qū)的組織無顯著變化，也不易產生組織缺陷，其點焊接頭強度主要與熔核尺寸有關；2.對點焊質量的要求第8頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊時的電阻及加熱一、點焊時的電阻第9頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五1.接觸電阻接觸電阻形成原因示意圖1）形成原因：焊件表面的微觀凸凹不平及不良導體層。第10頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2)影響因素：（1)表面狀態(tài)a)清理方法b)存放時間c)表面粗糙度(2)壓力電極壓力接觸電阻“滯后”效應(3)溫度第11頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五等于與并聯(lián)值2.焊件內部電阻1)幾何特點:導電區(qū)域遠遠大于以電極與焊件接觸面為底，焊件厚度為高的圓柱體體積

第12頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2）邊緣效應與繞流現(xiàn)象邊緣效應：在點焊過程中，當電流流過焊件時，電流將從板的中部向邊緣擴展，使整個焊件的電流場呈雙鼓形。

原因：焊件的橫截面積遠大于焊件與電極間的橫截面積。繞流效應：由于焊接區(qū)溫度不均勻，促使電流線從中間向四周擴散的現(xiàn)象。

第13頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五3）影響因素：

綜上所述，邊緣效應、繞流現(xiàn)象，均使點焊時焊件的導電范圍不能只限制在以電極與焊件接觸面為底的圓柱體內，而要向外有所擴展，因而使悍件的內部電阻比圓柱體所具有的電阻要小。凡是影響電流場分布的因素必然影響內部電阻。這些因素可歸納為；（1）金屬材料的熱物理性質（2）機械性能（3）點焊規(guī)范參數及特征（4）焊件厚度等。第14頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五3.焊接區(qū)的總電阻

點焊過程中，焊件—焊件和電極—電極的接觸狀態(tài)、焊接溫度場及電場都在不斷地變化，因此，引起焊接區(qū)的電阻也不斷交化。描述焊接過程中電阻變化的曲線叫做動態(tài)電阻曲線。需要強調的是，由于材料性能的不同，不同金屬材料在加熱過程中焊接區(qū)動態(tài)總電阻變化相差很大。第15頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五低碳鋼動態(tài)電阻曲線第16頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五不同焊接電流時動態(tài)電阻曲線

第17頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五二、點焊時的加熱特點

1.電阻對點焊加熱的影響

1）接觸電阻：產熱5~10%作用：接觸電阻產熱對建立焊接初期的溫度場及焊接電流的均勻化流過起重要作用

2）內部電阻：90~95%作用：這部分熱量是形核的基礎，與電流場共同建立了焊接區(qū)的溫度場分布及其變化規(guī)律。

第18頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2.電流場分布對點焊加熱的影響

點焊時的電場

其中電流線的含義是在它所限定的范圍內的電流占總電流的百分數，例如，80％的電流線是指它限定的范圍內通過的電流占總電流的80％。第19頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五1)集中加熱

點焊時，電流線在兩焊件的貼合面處要產生集中收縮，其結果就使貼合面處產生了集中加熱效果，而該處正是點焊時所需要連接的部位．第20頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2)塑性環(huán)

貼合面的邊緣電流密度出現(xiàn)峰值，該處加熱強度最大，因而將首先出現(xiàn)密封的塑性連接區(qū)，此密封環(huán)對保證熔核的正常生長，防止氧化和飛濺的產生有利。第21頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五3)不均勻的溫度場

第22頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五4.點焊的熱平衡

熔化母材金屬形成熔核的熱量，占總產熱量的10~30%，其大小取決于金屬熱物理性質

、熔核大小（熔化金屬量），與規(guī)范特征無關。

由散熱而損失的熱量，占總產熱量的70~90%。散熱途徑：工件熱傳導，對流，輻射。最主要是電極散熱，占30~50%（銅電極水冷）其次是工件熱傳導20%，對流輻射占5%，與電極形狀，材料物理性質，焊接規(guī)范均有關.

第23頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五5.點焊熱源的特點1)電阻焊熱源產生于焊件內部，與熔化焊時的外部熱源相比，對焊接區(qū)的加熱更為迅速、集中。2)內部熱源使整個焊接區(qū)發(fā)熱，為獲得合理的溫度分布（例如，點焊時應使焊件貼合面處溫度高，而表面溫度低），散熱作用在電阻點焊的加熱中具有重要意義。第24頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻點焊工藝第25頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊過程分析一、焊接循環(huán)

1.定義：在電阻焊接過程中，完成一個焊點或焊縫所需要的全部過程或全部階段

2.點焊的基本焊接循環(huán)

F，I加壓通電焊接維持休止加壓第26頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五F，I3.復雜的點焊焊接循環(huán)

第27頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五二、點焊接頭形成過程

點焊接頭形成的三個階段a)預壓b)、c)通電加熱d)冷卻結晶第28頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五1.預壓階段

1）機電特點：Ｆ＞０，Ｉ=０

2）作用：減少接觸電阻，增大導電截面，增加物理接觸點，為以后焊接電流順利通過創(chuàng)造條件；此外，在壓力作用下，金屬擠向間隙所引起的塑性變形，有助于在熔核四周形成密封熔核的環(huán)帶(密封環(huán))。

第29頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五預壓時，電極壓力的應力分布第30頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2.通電加熱階段

1)機電特點：Ｆ＞０，Ｉ＞０

2)作用：在熱和機械力聯(lián)合作用下，形成塑性環(huán)和熔核，直到熔核長到所要求尺寸.

第31頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五3.冷卻結晶階段

1)機電特點：Ｆ＞０，Ｉ=０

2)作用：保證熔核在壓力狀態(tài)下進行冷卻結晶，冷卻結晶時間很短（一般１~２周波），但是結晶凝固過程符合金屬學的凝固理論

第32頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊時的分流第33頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊分流的影響因素焊點距的影響：連續(xù)點焊時，點距愈小，板材愈厚，分流愈大；如果所焊材料是導電性良好的輕合金，分流將更嚴重，為此必須加大點距。焊件表面狀態(tài)的影響焊接順序的影響電極(或二次回路)與工件的非焊接區(qū)相接觸單面點焊工藝特點的影響第34頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五分流的不良影響使焊點強度降低單面點焊產生局部接觸表面過熱和噴濺第35頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五消除和減少分流的措施選擇合理的焊點距嚴格清理被焊工件表面注意結構設計的合理性連續(xù)點焊時，可適當提高焊接電流。單面多點焊時，采用調幅焊接電流波形第36頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊時各種電流波形

及其適應范圍第37頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五工頻交流電流波形這種電源是電能由電網經開關進入單相焊接變壓器降壓后輸給焊件。設備簡單，因此使用最為廣泛。其特點是電流每周有二次過零。雖簡單的工頻點焊機的電流幅值，用調節(jié)焊接變壓器的變壓比來進行有級調節(jié)(非同期有觸點開關時)。因合閘時的過渡過程導致起始時的沖擊電流可能很大，使電網負荷嚴重不平衡，故焊機容量不宜過大。對于容量大或要求調節(jié)精度高的場合，一般采用同期控制(或稱同步控制)，這樣在同一級內尚可用改變晶閘管導通角來進行熱量調節(jié)，并可避免起始時的不正常沖擊電流，還能精確控制通電時間為20ms(50Hz時)的整倍數。這種同期控制的焊機能滿足常用厚度的各種鋼材(碳鋼、合金結構鋼、不銹鋼)、高溫合金及鍍層鋼板的點焊。第38頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五低頻電流波形將電能由電網經復雜的變頻電路變成<20Hz，再降壓至l0V之內輸人焊件。因低頻，二次回路的感抗極小，再加上三相輸入，電網負荷平衡，故焊機容量大、電流峰值高，且具有緩饅上升、下降的特性。但設備昂貴，只有在工藝上需要緩慢上升、電流峰值大的場合(例鋁合金點焊或厚鋼板點焊時)采用。第39頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五二次整流將電能由電網先經焊接變壓器降壓再用二極管整流后輸入焊件，二次回路的感抗幾乎為零。它有單相、三相及逆變式三種，后二種電網負荷平衡，一般用于需要大電流和電感變化較大的場合(例如厚板、長臂和鐵磁體在回路中大幅變動等)。第40頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電容放電電能先從電網向電容器充電，當達到一定電壓后停止充電，焊接時瞬時向焊接變壓器一次繞組放電，在其二次側感應出一個高的脈沖電流施入焊件。其特點是電流上升極快，一般在3ms左右，峰值大。主要用于點焊熱時間常數很小的超薄板及有色金屬，亦用于點焊厚薄差較大的板材等。第41頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊接頭的質量檢驗第42頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻焊接頭的等級劃分一級：承受很大的靜、動載荷或交變載荷。接頭的破壞會危及人員的生命安全。二級：承受較大的靜、動載荷或交變載荷。接頭的破壞會導致系統(tǒng)失效，但不危及人員的安全。三級：承受較小靜載荷或動載荷的一般接頭。第43頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五接頭檢驗方法與內容破壞性檢驗撕破檢驗斷口檢驗低倍檢驗金相檢驗力學性能試驗無損檢驗目視檢驗密封性檢驗射線檢驗超聲波檢驗其它檢驗第44頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五破壞性檢驗破壞性檢驗能提供各種確切的定量數據，如力學性能、熔核尺寸、缺陷性質和多寡以及耐腐蝕性能等。因此它是取得接頭質量定量數據的主要手段。但檢驗試祥已經破壞，而實際產品仍未直接檢驗，因此檢驗結果僅能提供代表性的參考信息。如何使試祥更真實地代表產品本身，是一個復雜的數學問題。因此在樣品的分組、取樣數量和方法上各專業(yè)標準均作具體現(xiàn)定。第45頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五撕破檢驗這是一種針對薄板點、凸和縫焊接頭的簡易檢驗方法，用于粗略判斷熔核大小和力學性能。便于現(xiàn)場操作，常用來作為確定焊接參數的前期篩選手段和生產中考查質量穩(wěn)定性的自檢手段。第46頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五斷口檢驗這是一種針對對焊接頭檢驗的簡易現(xiàn)場檢驗方法，亦用于確定焊接參數的前期篩選及生產過程中定期自檢。第47頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五斷口檢驗的內容斷口檢驗，除了能觀察到有無裂紋、過燒和夾雜等缺陷外，還能觀察到灰斑的多寡與分布狀態(tài)。也是觀察灰斑分布情況的唯一方法。閃光對焊時在端面形成一薄層液態(tài)金屬，而其表面必有氧化膜，頂鍛時當氧化膜不能完全隨液態(tài)金屬擠出接口時．將殘留在接口局部組成脆性的灰斑區(qū)，而在冷彎或沖擊時極易在此開裂。第48頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五低倍檢驗適用場合：主要針對點、凸及縫焊接頭。具體步驟：磨片、腐蝕、讀數顯微鏡檢驗檢驗內容：測定熔核直徑、焊透率及壓痕深度等數值觀察有無宏觀縮孔、裂紋和夾雜等缺陷的數量。第49頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五金相檢驗用于檢驗接頭顯微組織，如結晶特征、組織形貌及微觀缺陷等，亦用于鑒別冶金缺陷如裂紋、胡須等。點、凸和縫焊時，一般僅作為對低倍撿驗疑問的裁定手段；對焊時常作為重要產品的必檢項目。第50頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻焊接頭力學性能試驗第51頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五無損檢驗無損檢驗以不損壞產品使用性能為前提的檢測方法，可以推廣到每個零件的每個焊接接頭，因此是保證產品安全的最可靠手段。但在電阻焊接頭中由于接頭的特殊性，僅有少量方法獲得工業(yè)應用，大多數方法處于實驗研究階段。第52頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五目視檢驗目視檢驗是用小于20倍的放大鏡作外部缺陷的檢驗。此法能發(fā)現(xiàn)表面裂紋、燒穿、壓痕過深、電極粘附、焊件錯位等多種外表缺陷。同時，從接頭外形尚能對焊透情況粗略判斷。第53頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五密封性檢驗任何有密封要求的焊縫均作密封性檢驗。要求作此項檢驗的焊縫有縫焊、對接縫焊和對焊幾類。第54頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五射線檢驗

射線檢驗在壓力容器制造業(yè)廣為采用，它能有效地發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)的裂紋、夾雜、末焊透及縮孔等缺陷。在電阻焊接頭中，亦可用來發(fā)現(xiàn)裂紋、縮孔及內部飛濺等。點焊及縫焊接頭一船均用于薄板結構，除少數熱敏感性強的合金鋼和有色合金外，較少出現(xiàn)裂紋，其它缺陷對強度影響較少。而影響強度最敏感的熔核大小一般用射線檢驗。第55頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五超聲波檢驗超聲波檢驗主要用于厚板探傷。在點、縫焊等的薄板焊件中未見應用報導。在大型對接零件的探傷檢閱中該法應用甚廣．例如鐵路鋼軌對接焊接頭、石油鉆桿對接焊口等均采用該法。它能發(fā)現(xiàn)末熔合、夾雜物和裂紋等缺陷。但對嚴重影響塑性指標的灰斑缺陷尚不能用此法檢驗。第56頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五其它檢驗方法磁粉、渦流和螢光這些方法均用于檢測接頭表層的缺陷，主要是延伸到表層的細小裂紋。第57頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻焊接頭的缺陷電阻焊的缺陷按顯現(xiàn)部位不同，可分為外表缺陷與內部缺陷。缺陷的形成原因眾多，分析時應抓住主導原因。由于工藝過程的差別，在搭接接頭與對接接頭中產生的缺陷不盡相同，分別敘述如下：第58頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五搭接接頭中的缺陷末熔合與未完全熔合縮孔裂紋結合線伸入噴濺壓痕過深第59頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五縮孔由于金屬加熱時體積膨脹，因此當熔核金屬為液態(tài)時具有最大的體積，冷卻收縮時如周圍塑性環(huán)未及時變形使內部體積相應減小，則產生縮孔?？s孔呈不規(guī)則的空穴，雖會成小熔核截面，但對結合面的靜載強度影響不大，而對動載或沖擊則有一定影響。第60頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五縮孔縮孔的產生往往與電極壓力不足有關。冷卻時，塑性環(huán)變形不足或不及時，特別是在焊接厚板、高溫強度高的材料或冷卻速度快的材料時，電極的慣性造成加壓不足是產生縮孔的主要原因。點焊時可用低慣性電極和增加鍛壓力來克服，亦可采用減緩冷卻速度的規(guī)范措施，縫焊時僅能采用后一種方案。第61頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五裂紋裂紋產生的部位有熔核內部、結合線上、熱影響區(qū)及焊件表面。其中后三個部位的裂紋因形成應力集中，危害嚴重，在承力件中不允許存在。在一般焊件中，熔核內部裂紋的長度應限制在不超過熔核直徑的1／3。避免裂紋的主要措施為減緩冷卻速度和及時加壓，以減小熔核結晶時的內部拉應力。第62頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五結合線伸入當焊接高溫合金或鋁合金時，如清理不佳，表面將殘留過厚的熔點高、致密且硬的氧化膜。在熔核形成過程中這層氧化膜未及徹底破碎，殘留在焊件表面，不但在塑性環(huán)區(qū)界面存在，且限制了枝晶的生長，在熔核邊緣形成突入熔核的晶界夾雜物，稱結合線伸入。因此該處應力集中，極易在運行時擴展成裂紋，一般不允許存在。第63頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五噴濺點焊、凸焊或縫焊時，從焊件結合面或電極與焊件接觸面間飛出熔化金屬顆粒的現(xiàn)象，稱為噴濺。噴濺處在外表將影響美觀，造成應力集中，嚴重時形成空穴稱為燒穿，會影咱使用性能。第64頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五壓痕過深過深的壓痕將引起應力集中，降低動載性能，應當避免。表面壓痕應不大于單板厚度的10％-20％。避免壓痕的措施是盡可能采用較硬的焊接規(guī)范及加強電極冷卻，降低焊件表面溫度。第65頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五末熔合與未完全熔合末熔合與未完全熔合是指母材與母材之間末熔化或未完全熔化結合的部分，是一種嚴重影響強度及密封性能的缺陷，不允許存在于要求力學性能及密封性能高的零件之中。原因：焊接區(qū)熱輸入不足及散失熱量過多。凡能引發(fā)上述原因的因素均能造成此種缺陷。該缺陷目前主要靠常規(guī)的破壞性檢驗發(fā)現(xiàn)，僅對少數鋁或鎂合金可用射線檢測去發(fā)現(xiàn)。避免此種缺陷的主要手段是加強焊接參數的監(jiān)控。第66頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五電阻焊質量監(jiān)測與控制第67頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五必要性在大批量生產中，一個產品往往需要幾十臺甚至上百臺點焊機配套工作，這將使電網電壓、氣壓產生很大的波動，再加上難以避免的分流、電極磨損等不利因素的存在，致使點焊質量極不穩(wěn)定，嚴重時將成批出現(xiàn)不合格的焊點。另一方面，由于點焊獨特的接頭形式和工藝的限制，致使在電弧焊生產中應用效果很好的焊后無損檢測方法在點焊生產中卻難以應用，同時也將使生產效率降低、產品成本劇增。第68頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五必要性為了保證焊點質量，國內外幾乎所有的汽車生產廠家?guī)资陙矶家恢辈捎煤盖按蛟嚻?、焊后進行破壞性抽樣檢驗的方法來保證焊點質量。顯然，這種方法已無法滿足汽車工業(yè)發(fā)展對點焊質量提出的高可靠性、低成本的要求。為了改變這種現(xiàn)狀，有必要研制新型點焊質量監(jiān)測系統(tǒng)。采用點焊質量監(jiān)測系統(tǒng)，可以在線監(jiān)測每一臺焊機、每一焊點的質量，及時指出不合格的焊點及其形成原因，使操作者及時進行在線"補救"，以有效提高和穩(wěn)定焊點質量。第69頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五焊接參數的劃分

焊接規(guī)范參數：焊接電流、電極壓力、焊接時間、電極端面尺寸等；焊接過程參數：監(jiān)測信息，如：動態(tài)電阻、紅外輻射、電極間電壓、能量等；焊接質量參數：熔核直徑、焊透率、壓痕深度、拉剪強度、拉伸強度、疲勞強度等；第70頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五質量監(jiān)控的難度

電阻點焊過程是一個高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程，同時由于點焊的形核處于封閉狀態(tài)而無法觀測，特征信號的提取比較困難；而且形核過程的時間極短，焊接條件短時間的波動就會造成較嚴重的后果。因此，點焊質量的監(jiān)測和控制難度極大。第71頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊質量監(jiān)測信息焊接電流電極間電壓能量積分動態(tài)電阻熱膨脹電極位移紅外輻射超聲波第72頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五不同焊接電流時動態(tài)電阻曲線

第73頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五監(jiān)控方法的現(xiàn)狀及

發(fā)展趨勢第74頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五監(jiān)控焊接熱量

這類方法包括恒流控制法、恒壓控制法等。其原理是：在焊接過程中，適時測量焊接熱量參數值，并與給定值比較，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的恒定。這類方法的優(yōu)點是簡單可靠、易于實現(xiàn)。目前，歐、美及日本的各大汽車公司幾乎均采用這類方法，我國各大汽車廠大部分也采用這類方法?？梢娺@類方法的普及性;缺點是對電極壓力波動、電極磨損及分流的影響等無補償作用。第75頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五監(jiān)控過程參數的某個特征量

在點焊過程中，有許多過程參數的變化可以反映焊點的形成過程，可以作為質量監(jiān)測的依據。但是，這些過程參數與焊點質量之間的關系卻難以用數學公式來清晰地描述，因此人們往往用過程參數的某個特征量作為焊點質量監(jiān)測的依據。第76頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五第77頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五特征量與焊點質量的關系當特征量T過小時，熔核沒有完全形成。當特征量T達到一定值后，熔核形成，焊點強度F隨著特征量T的增大而增加，當熔核直徑達到或比電極端面直徑稍大時，特征量T達到飽和。如再增加特征量T值，則產生飛濺，導致焊點質量下降。因此，A點對應的T值，就是期望值。此外，焊件愈厚，過A點后曲線變化愈陡峭，特征量T的變化對焊點強度的影響愈敏感，A點愈不易確定，控制難度也將增大。第78頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五常用過程參數及其特征量

過程參數特征量

焊接電流積分值電極間電壓積分值、下降量、下降率、方差、最大值動態(tài)電阻積分值、下降量、下降率能量積分值熱膨脹電極位移最大位移量聲發(fā)射振鈴次數紅外輻射最大輻射量超聲波“W”波形的寬度、高度

第79頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五具體應用方法應用這種監(jiān)控方式在監(jiān)控某產品的點焊質量之前，應根據工藝實驗找出特征量T值與熔核直徑以及焊點強度之間的關系，并求出特征量的控制帶。根據控制帶確定監(jiān)控儀上的特征量上、下限預置開關，當實測的特征量值超出上、下限時，儀器將報警，指出該焊點質量不可靠，應作處理。

第80頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五效果不好？這些裝置實質上是使用點焊過程中監(jiān)測信息的某一特征量與質量參數之間的一元線性回歸模型關系來間接地監(jiān)控焊點質量的。由于一個特征量只能片面地反映點焊加熱過程，而一元線性回歸模型也只能描述監(jiān)測信息與質量參數之間局部線性關系，難以描述整體的非線性關系，因此在焊接過程中無法及時獲知焊點質量參數的準確值。這就是現(xiàn)有點焊質量監(jiān)控方法存在控制效果不理想、適用范圍窄的主要原因。第81頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五監(jiān)控某一過程參數的曲線

在用于批量生產之前，先把合格焊點的標準過程參數曲線儲存下來，然后通過大量的工藝實驗確定合適的容限。在用于批量生產時，需要對每一焊點的每一周波的焊接電流進行計算和調整，強制該焊點形成過程中的過程參數，按照合格焊點的標準曲線發(fā)展，焊后再將過程參數的實際曲線與標準曲線比較，觀察是否滿足容限值，以判斷質量是否合格，從而保證每一焊點的質量。

第82頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五實踐證明，這種技術的控制效果明顯優(yōu)于單個特征量監(jiān)控技術，但應用局限性很大，對工藝條件和周圍環(huán)境干擾程度要求非常嚴格，難以普及推廣。

第83頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五為了保證控制效果的穩(wěn)定性，采取的主要措施有（1）采用計算機群控技術，減小網壓波動的范圍。（2）嚴格控制電極使用時間，減小電極磨損對焊點質量的影響。據資料介紹，每個電極僅焊320個點就進行更換。（3）由于焊件的結構、形狀和尺寸都是確定的，因此可以通過合理的工藝設計避免分流、鐵磁物伸入對焊點質量的影響。

第84頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五監(jiān)控點焊質量參數

基于模糊分類理論的點焊質量的等級評判

基于回歸分析理論的鋁合金點焊質量多參數監(jiān)測方法

基于神經元網絡理論的點焊質量多參量綜合監(jiān)測

第85頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五基于模糊分類理論的點焊質量的等級評判

1994年，德國學者Burmeister采用模糊分類理論和現(xiàn)有的專家知識，建立了三個電參數（焊接電流、電極間電壓、工件電阻）和兩個機械參數（電極位移、電極加速度）與焊點質量之間的非線性關系模型，實現(xiàn)了低碳鋼點焊質量的在線等級評判。優(yōu)點:綜合考慮監(jiān)測信息與質量指標間的非線性缺點:難以擺脫專家經驗等人為因素的影響第86頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五基于回歸分析理論的鋁合金點焊質量多參數監(jiān)測方法

1996年，英國學者M.HAO采用線性回歸分析理論，分別建立了一些過程參數的各個特征量以及多個特征量與鋁合金焊點質量之間的關系模型。結果表明：多元回歸模型的誤差比最佳的一元回歸模型的誤差大約下降30%。

第87頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五熔

核

直

徑

預

測

結

果

一元線性回歸模型預測結果多元線性回歸模型預測結果

均方根差/mm相關系數均方根差/mm相關系數MAY28ET0.2830.9920.2250.996MAY28CO0.3860.9650.2020.990JUN10CA0.3850.9500.2030.985第88頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五基于神經元網絡理論的點焊質量多參量綜合監(jiān)測

目前，發(fā)展點焊質量監(jiān)測技術的難度，依然體現(xiàn)在對焊點質量參數無法直接測量，只能通過一些過程參數進行間接的推斷，發(fā)展多參量綜合監(jiān)測技術是提高點焊質量監(jiān)測精度的有效途徑。如何充分利用監(jiān)測信息，建立合理的多元非線性監(jiān)測模型，并使監(jiān)測模型能夠在較寬條件內提供準確、可靠的點焊質量信息，已成為發(fā)展多參量綜合監(jiān)測技術的關鍵。

第89頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五目前的研究成果1997年，哈爾濱工業(yè)大學運用神經元網絡技術和回歸分析技術，研究了動態(tài)電阻與焊點質量之間的模型關系，證明神經元網絡模型的精密度要比多元線性回歸模型的精密度高2～3倍，并證明即使在加熱強度變化范圍是從未形成接頭到強烈飛濺這樣惡劣的工藝條件下，采用神經元網絡模型也可以在焊接過程中實時、準確地監(jiān)測焊點質量，為進一步實現(xiàn)以質量信息為目標的點焊質量直接控制奠定了必要的基礎。

第90頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五各種模型的均方差

均方差模型類型質量參數HRDEHRTNRT熔核直徑2.8951.1830.158焊透率380.762153.71123.756拉剪強度1.2610.6460.137第91頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五與多元回歸模型和神經元網絡模型相比，一元線性回歸模型的均方差最大，這說明用單個特征量來監(jiān)控焊點質量，效果將是最劣的。

動態(tài)電阻特征量與點焊接頭質量參數間的模型，其相應的神經元網絡模型的性能遠優(yōu)于相應的回歸模型的性能，這說明神經元網絡模型比多元線性回歸模型更適合用于描述點焊過程參數與質量參數之間非線性、強耦合的關系。

第92頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊電極的研究進展第93頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊電極為什么容易失效？

電極是點焊中的易耗零件，在點焊過程中，電極的主要功能是傳輸電流、加壓和散熱，由于電極和焊件接觸時的溫度較高，而且自身具有一定的電阻，也會發(fā)熱，因此，電極頭部的溫升很快，達到了稍低于焊點熔核的高溫，使電極頭部在高溫及高壓力作用下很快失效。第94頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五第95頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五點焊電極的失效形式1.塑性變形

電極的塑性變形都導致電極端部形成蘑菇狀和電極直徑的增加，這種塑性變形的產生是由于電極頭部在焊接時承受壓力和高溫作用的結果。一般來講，電極表面的溫度與焊件表面的溫度應相等，點焊時鋼板的表面溫度大約為700度左右，點焊鍍鋅鋼板時，電流密度比點焊無鍍層鋼板電流密度要高30%左右，電極表面的溫度能達到800-900度。正是由于電極頭部的溫度分布不均勻，使得電極頭部產生了不均勻的塑性變形。此外，電極與工件表面的高溫還導致了在電極頭部產生低屈服強度的Zn-Cu合金，這將加重電極局部的塑性變形。塑性變形的產生，使得電極頭部的直徑隨焊點數目的增加而增加，從而導致焊接電流密度下降，熔核焊透率降低，直到焊核直徑減小，焊點強度下降趨近允許值，此時必須修整電極或更換電極。第96頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五2.磨損

電極的磨損主要發(fā)生在電極頭部，表現(xiàn)為電極頭部的物質轉移到被焊工件表面，使得電極磨損，導致電極直徑增大和焊接電流密度下降。另外，影響磨損的因素還有在正常焊接規(guī)范下電極撞擊工件和電極缺乏充足的冷卻。3.合金化

電極的合金化主要發(fā)生在電極和鍍層鋼板的交界面上，合金主要產生在電極工作端面及頭部的周圍。電極合金化的程度取決于在焊接循環(huán)過程中電極與工件交界面作用的溫度和時間，鍍層元素與電極材料的擴散速度，以及生成物質在電極端面的形核和長大。一般來講，電極端面與工件作用時間越長、工作溫度越高，越易合金化，而合金化的產生不僅使電極端面的電導率下降，提高了焊接時電極表面的溫度，加快了合金化，而且影響了電極表面的電流分布。第97頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五4.坑蝕

坑蝕是導致電極失效的主要方式之一。在點焊電極焊接鍍層鋼板時，由于高溫的作用，在電極表層產生了低熔點合金，當電極離開工件時，有些低熔點合金在飛濺作用下離開了電極端面，即在電極端面產生了一個小的弧坑，許多小的孤坑連成一起的過程叫坑蝕，坑蝕的結果便形成了蝕坑。蝕坑的產生，提高了坑蝕周圍的電流密度和工作壓力，導致了蝕坑周圍產生更嚴重的塑性變形和脫落，從而增加了電極端面的直徑和降低了焊點直徑。5.熱疲勞

點焊電極在工作過程中不僅要在高溫下傳遞壓力，而且還承受著加熱和冷卻的熱應力作用，在兩者的作用下，產生熱疲勞，使得電極最終失效或電極表層脫落。第98頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五6.粘附

點焊電極在工作過程中由于電極頭部和鍍鋅鋼板的接觸溫度高于鍍鋅層的熔點，使熔化的鍍鋅層強烈粘附在電極頭部而產生粘附。7.再結晶

電極的再結晶溫度大約在700-800'C的范圍。雖然電極與工件連接界面上的溫度基本低于此溫度，但有些區(qū)域的溫度也有可能達到此溫度，這取決于工件與電極之間的接觸電阻、焊接速度、冷卻狀況及電極合金類型。一旦電極某個區(qū)域的溫度大于電極的再結晶溫度，則在電極中將產生再結晶和晶粒增大，使得電極易于失效。第99頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五延長點焊電極壽命的措施1.電極端面的表面改性2.粉末冶金電極3.優(yōu)選焊接規(guī)范4.電極的深冷處理第100頁，共116頁，2022年，5月20日，7點15分，星期五用電流波形控制法提高鋅鋼板點焊電極的壽命