電阻點焊是一種基于焦耳定律開發(fā)的焊接方法,世界上首臺點焊機是利用變壓器作為電源來實現電阻點焊的[1-2]。點焊機工作時,通過壓緊兩端電極臂,使兩層或多層金屬薄板在焊接處緊密貼合,再控制電流大小和通電時間,使工件接觸界面局部熔化并冷卻形核[3]。電阻點焊工藝過程涉及電、熱、機械和冶金的相互作用,熔核尺寸和組織形態(tài)對焊點質量有決定性作用[4-5]。當前,電阻點焊常用的熔核無損檢測方法主要有紅外輻射法[6]、焊接參數監(jiān)測[7]、渦流磁感應[8]、X射線透視、超聲波掃查[9]等。 

羅怡等[10]利用紅外輻射監(jiān)視熔核變化,發(fā)現接頭狀態(tài)與開裂、飛濺等焊接缺陷可通過紅外信號特征予以判定。然而,由于點焊熔核在封閉環(huán)境下形核生長,難以做到焊核內部溫度的直接監(jiān)測。白志范等[11]利用傳感器準確采集焊接電流、電極間電壓等參數信息,并計算焊接電流有效值來進行監(jiān)測,但是焊接參數監(jiān)測法難以直接反映熔核質量檢測信息[12]。TARAM等[13-14]利用渦流熱成像技術可發(fā)現近表面微小裂紋,但是該方法較難識別焊點內部缺陷。鄧云生等[15]利用X射線對鋁合金點焊接頭進行了檢測,指出脫焊的“白環(huán)”與正常焊點存在明顯差異。但X射線對人體有害且難以實現原位監(jiān)測。吳剛等[16]針對點焊超聲檢測信號波峰差異化衰減影響熔核尺寸判定的問題,提出信號增益補償后計算熔核尺寸的方法,結果表明,該方法所計算熔核直徑誤差在0.1 mm以內,檢測精度較高。焊后超聲檢測因操作便捷而獲得廣泛應用[17],但點焊質量在線超聲檢測的研究較少。針對上述問題,筆者開發(fā)了內嵌超聲傳感器的水冷電極臂,實現電阻點焊質量原位在線監(jiān)測,研究超聲數據特征與虛焊缺陷、焊核直徑的關系。 

1.   超聲原位監(jiān)測平臺

超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)主要由運動控制模塊與數據處理模塊兩部分構成。運動控制模塊由機械臂控制系統(tǒng)、點焊焊鉗等組成,機械臂夾持工件上下料到點焊鉗工位并保持焊件姿態(tài),點焊焊鉗夾緊進行焊接。數據處理模塊主要由超聲傳感器、脈沖收發(fā)儀與數據采集卡組成。利用霍爾傳感器監(jiān)測焊接電流上升沿,通電后激勵超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號,超聲探頭的中心頻率為10 MHz,脈沖的重復頻率為1 kHz。在焊核熔化和凝固過程中,超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測固液界面位置,進而檢測熔核厚度,并利用熔核厚度計算熔核直徑。超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖1所示。 

圖  1  超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構成

原位監(jiān)測超聲傳感器內嵌式水冷電極臂結構如圖2所示,其通過循環(huán)冷卻水的保護,可避免超聲傳感器因過熱而損壞,同時也為超聲傳播提供良好耦合。使用重新設計的電極臂,可以同時進行電阻點焊和超聲檢測工作。 

圖  2  原位監(jiān)測超聲傳感器內嵌式水冷電極臂結構

點焊焊接過程的典型超聲回波特征如圖3所示,點焊工件為3 mm厚低碳鋼薄板搭接而成,通電開始前,A1為工件上表面與銅電極臂接觸面,A2為兩層搭接鋼板之間的一次回波,A3為兩層搭接鋼板之間的二次回波；通電開始后,兩層低碳鋼板之間接觸點處電流最大,鋼板瞬間熔化,且熔化范圍隨著通電時間增加逐漸變大,此時B掃描信號出現固液界面回波特征,如圖中C1（焊核固液界面上界面）、C2（焊核固液界面下界面）所示；當電流停止時,通常對應焊點熔核的最大值,此時B2為最大熔核上頂點,B3為熔核下頂點；焊接電流停止后,熔核冷卻凝固,水冷電極臂接觸工件處上下表面溫度最低,焊核中心溫度最高,受溫度梯度影響,固液界面逐步向焊核中心凝固,若熔核質量良好,兩層板搭接面回波消失。綜上,焊點熔核熔化和凝固過程對應菱形超聲B掃描特征區(qū)如圖3中橙色區(qū)域所示。 

圖  3  點焊焊接過程的典型超聲回波特征

2.   點焊試驗與數據分析

電阻點焊工藝參數主要有焊接電流、通電時間和電極壓力。影響焊接熱輸入的主要是焊接電流和通電時間,在250 ms通電時間工況下,采用多組不同焊接電流進行點焊試驗時的超聲檢測B掃描圖像如圖4,5所示。 

圖  4  小電流參數控制組的超聲檢測B掃描圖像

圖  5  大電流參數控制組的超聲檢測B掃描圖像

可見,在通電時間和電極壓力不變（250 ms和3.4 kN）條件下,焊接電流由小到大改變（6,6.5,7.0 kA）,在焊接電流較低（不超過7 kA）時,焊點接收的熱輸入量不足以形核,不會出現明顯菱形超聲B掃特征,據此可以判定存在未熔合缺陷。 

隨著焊接電流增大（7.5,8.0,8.5 kA）,焊點出現明顯形核長大和冷卻凝固過程,對應菱形超聲B掃特征區(qū)域也會明顯增大,菱形區(qū)域高度最大值,即超聲波飛行時間（TOF）對應焊核長大的最大厚度。 

焊接時間和焊接電流由小到大改變,電極壓力不變時,獲得的在線監(jiān)測B掃描圖像如表1所示。由表1可以看出,在焊接電流較?。?.5 kA）時,隨著焊接時間的增加,難以實現有效形核。在焊接電流為7 kA時,焊接時間較短時形核較小,但隨著焊接時間增加,菱形超聲B掃特征區(qū)域逐漸增大。即最小焊接有效電流為7 kA。在焊接電流為7.5 kA時,即便很短的焊接時間,也可以有效形核,隨著焊接時間的增加,焊核尺寸會逐步增大,對應的超聲波飛行時間也變大。 

Table  1.  時間參數控制組在線監(jiān)測B掃描圖像

焊接電流/kA	焊接時間/ms
	250	280	310
6.5
7.0
7.5

能夠有效形核的情況下,再增加電流和通電時間時的B掃圖像特征變化如表2所示,可以看出,每組B掃圖像的菱形特征區(qū)域與超聲波飛行時間都會隨焊接電流和焊接時間的增加而增大。 

Table  2.  焊接參數增大對照組的在線監(jiān)測B掃描圖像

焊接電流/kA	焊接時間/ms
	340	370	400
7.5
8.0
8.5

為了驗證超聲在線監(jiān)測結果準確性,對測試焊點試件進行了焊后C掃描檢測。通過焊后C掃描圖像可識別焊核尺寸,通常取最大和最小直徑平均值作為焊核直徑。在線監(jiān)測和焊后檢測結果比較如表3所示,可以看出,在焊接電流和電極壓力不變（8.0 kA和3.4 kN）條件下,隨焊接時間增加（400,450,500 ms）,在線監(jiān)測菱形特征區(qū)尺寸和焊后C掃描圖像中的熔核直徑都會增大,據此可以通過在線監(jiān)測菱形特征區(qū)尺寸來預測焊點熔核直徑。 

Table  3.  TOF特征與焊后C掃描直徑對比

焊接時間/ms	在線監(jiān)測	焊后檢測
400
450
500

3.   焊核直徑量化方法

通過上述分析可知,熔核直徑越大,實時監(jiān)測菱形區(qū)也越大。菱形區(qū)高度對應焊核厚度,焊核越厚對應熔核也會越大,冷卻凝固時間也會越長。因此,可以采用熔核厚度對應的TOF時間作為判據,與熔核直徑進行相關分析,兩者的相關性比較如圖6所示。汽車領域標準要求板厚為3 mm搭接接頭熔核直徑的合格值為不低于4 mm。由熔核直徑與TOF擬合結果得知,TOF時間與焊核直徑具有較好的線性關系,4 mm直徑對應TOF時間為0.38 μs。 

圖  6  C掃描熔核直徑與在線TOF對比結果

筆者統(tǒng)計了TOF時間與焊接參數（焊接電流和通電時間）之間的關系,其對比結果如圖7,8所示,據此可以給出合理的工藝參數區(qū)間范圍,例如,當TOF值小于0.38 μs時,無法獲得有效熔核直徑。且低于有效電流時,均有未熔合缺陷產生,高于有效電流時,熔核質量都滿足標準。 

圖  7  有效電流以下時TOF與通電時間對比結果

圖  8  有效電流以上時TOF與通電時間對比結果

4.   結語

設計了-套電阻點焊熔核質量的超聲原位監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)含有內嵌超聲傳感器的水冷電極臂,通過循環(huán)冷卻水在防止傳感器過熱的同時提供良好耦合；并分析了超聲傳播時間與焊核直徑的相關性,發(fā)現大于有效焊核尺寸時的超聲傳播時間和焊核直徑具有較好線性關系。依據超聲傳播時間也可以判定焊接電流和通電時間等焊接參數對形核大小的影響,進而評價焊接工藝參數有效性。

文章來源——材料與測試網