电阻点焊接头质量超声波在线监控系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种电阻点焊接头质量超声波在线监控系统及方法，属于焊接质量控制领域。针对现阶段电阻点焊在线质量监控领域所采用的电参数、动态位移等监控方法的局限性，以超声波无损检测为基本技术手段，将超声波探头与电阻点焊上电极集成在一起构成复合电极；监控主机与电阻点焊设备相连，通过超声控制卡与复合点焊电极中的超声探头相连；被焊工件置于复合点焊电极（上电极）与下电极之间，所述复合点焊电极、下电极分别与电阻点焊设备相连。监控主机在焊接通电过程中根据超声波反射信号实时判断点焊熔核的形成与生长状态，并以此为依据对点焊设备进行反馈控制，确保点焊熔核尺寸达到接头的设计要求，最终实现电阻点焊接头质量的在线监测与控制。
【专利说明】
电阻点焊接头质量超声波在线监控系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及焊接质量控制领域，特别涉及一种电阻点焊接头质量超声波在线监控系统及方法。适用于汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等技术领域。
【背景技术】
[0002]电阻点焊因其具有工艺方法简单，机械化、自动化程度高，操作者劳动强度较低、无污染等优点，广泛应用于汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等工业制造领域。但是，由于电阻点焊是一个非线性、多参数相互耦合的过程，任何电、磁、力等相关焊接参数的波动都会对最终的焊接质量造成影响。因此电阻点焊质量控制，尤其是在线监控问题一直是焊接工作者关注的热点，同时也是汽车、轨道客车等制造领域亟需解决的重点问题。
[0003]目前，较为常用的电阻点焊质量监控方法多是基于点焊过程参数的在线监控，如电流电压监控法、电极动态位移监控法等。其基本思想是通过实时监测点焊过程中的一种或多种物理参数(电、力、磁、热、声等)，并确定被监测参数与点焊熔核形成过程的某种对应关系，以此为依据间接的反映点焊接头的质量。但是，实际点焊过程中熔核的形成与生长受制于多种因素的共同影响，且这种影响规律往往不能用一些简单的函数关系来表示。因此，这种以点焊过程参数为依据的监控方法只能在较窄的条件内提供一定的质量信息，致使其存在监测效果不够稳定、使用范围有限等问题，严重地阻碍了其进一步推广和应用。随着计算机技术的发展，出现了基于模糊算法、人工神经网络算法的电阻点焊在线监控方法。但这些方法的核心仍然是在过程参数监控的基础上，增加了一些复杂的评判算法，提高了多参数信息融合程度。虽然其在某种程度上能够对点焊质量作出评估，但仍没有摆脱间接质量监控的思想，在准确率、易用性、可靠性等方面仍无法满足不断提高的对电阻点焊在线质量监控的要求。监控技术创新升级是解决上述问题的重要选择对策。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种电阻点焊接头质量超声波在线监控系统及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现阶段电阻点焊质量监控领域所采用的电参数、动态位移等方法的局限性，以超声波无损检测为基本技术手段，将超声波探头与电阻点焊电极集成在一起，在焊接通电过程中根据超声波反射信号实时判断点焊熔核的形成与生长状态，并以此为依据对点焊设备进行反馈控制，确保点焊熔核尺寸达到接头的设计要求，最终实现电阻点焊接头质量的在线监测与控制。
[0005]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，本发明的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，监控主机I通过反馈控制总线4与电阻点焊设备3相连，通过其内部的超声控制卡与复合点焊电极中的超声探头54相连;被焊工件6置于上电极与下电极7之间，所述上电极即复合点焊电极5，所述复合点焊电极5、下电极7分别与电阻点焊设备3相连；
所述复合点焊电极5包括电极杆连接套51、壳体52、绝缘保护套53、超声探头54、锁紧块55、探头线56、超声耦合垫57、电极帽58;所述超声探头54位于壳体52内部，且与壳体52之间设置有绝缘保护套53;超声探头54下端设有超声耦合垫57，将超声探头54发出的超声波导入到壳体52内部;壳体52下端设有可更换的电极帽58，壳体52上端为电极杆连接套51;探头线56的一端与超声探头54相连，另一端延伸至壳体52的外部，并通过锁紧块55紧固。
[0006]所述的超声探头54设置于复合点焊电极5内部，并与复合点焊电极5同轴布置;复合点焊电极5在执行正常点焊功能的同时，其内部的超声探头54在监控主机的控制之下向被焊工件6内部发射超声波，同时实现在线检测或监控功能。
[0007 ]所述的壳体52、电极杆连接套51及电极帽58采用铜合金材料制作。
[0008]所述的超声耦合垫57采用橡胶材料，且上下表面涂有润滑脂。
[0009]所述的壳体52内部设置有冷却水通路，冷却水由复合电极侧壁流入，流经壳体52与电极帽58的连接面处，最后从壳体52的另一侧流出；冷却水同时提供电极帽58和壳体52之间的超声耦合功能。
[0010]本发明的另一目的在于提供电阻点焊接头质量超声波在线监控方法，包括如下步骤:
步骤1:将基于计算机的超声波在线监控系统(监控主机)与电阻点焊设备3集成在一起，超声探头54安装在点复合点焊电极5的内部，并与复合点焊电极5同轴布置;监控主机通过反馈控制总线2与电阻点焊设备3的控制器连接；
步骤2:在每个接头的通电施焊过程中，监控主机通过超声控制卡4控制超声探头54以固定的重复频率发射出超声波，超声波经过复合电极5传播至被焊工件6的内部;监控主机I根据反射波的信号特征，对焊接过程进行实时分析和评判，并通过反馈控制总线2向电阻点焊设备3发送指令，以控制焊机对焊接参数进行调整，从而保证熔核尺寸达到工艺要求；步骤3:监控主机以熔核尺寸对两层金属板接触面处的超声波反射信号的影响规律为依据，实时监测熔核的形成与生长状态，并通过对焊机的反馈实现点焊质量控制。
[0011]监控系统采用全自动工作模式，系统启动后，首先加载各项超声控制参数，然后进入焊接信号等待状态;焊机在每次电极下压后，通过反馈数据总线2向超声波在线监控系统发送焊接开始指令;超声波在线监控系统接收到该指令后，按照设定的重复频率控制超声探头发射脉冲超声波，根据所检测到的反射波信号对点焊熔核的生长状态，即几何尺寸，进行实时评估，并根据内置算法向电阻点焊设备3发送调整指令，最终完成该次焊接过程的监测与反馈控制。
[0012]本发明的有益效果在于:电阻点焊超声波在线监控方法是无损检测与焊接控制技术的有机结合，其监控对象直接反映了点焊接头内部熔核的几何特征，与间接参数监控方法相比能够提供定量的质量指标(熔核直径)。另外，由于该方法能够记录熔核的最终尺寸，可以省略后续的无损检验环节(一个焊点的无损检验时间约为10分钟);且该过程与焊接过程同时进行，无额外时间成本，极大地提高了生产效率并降低检验成本，可以实现点焊部件的全检检验。
【附图说明】
[0013]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0014]图1为本发明的在线监控系统构成示意图；
图2为本发明的点焊熔核尺寸(无熔核)与超声波检测信号的对应关系示意图；
图3为本发明的点焊熔核尺寸(小熔核)与超声波检测信号的对应关系示意图；
图4为本发明的点焊熔核尺寸(大熔核)与超声波检测信号的对应关系示意图；
图5为本发明的复合点焊电极结构示意图；
图6为本发明的复合点焊电极的立体外观示意图；
图7至图10为本发明的复合点焊电极的工作原理图；
图11为本发明的在线监控方法的流程图。
[0015]图中:1、监控主机;2、反馈控制总线;3、电阻点焊设备;4、超声控制卡;5、复合点焊电极;6、被焊工件;7、下电极;51、电极杆连接套;52、壳体;53、绝缘保护套；54、超声探头；55、锁紧块;56、探头线;57、超声耦合垫;58、电极帽。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0017]参见图1至图11所示，本发明的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，监控主机I通过反馈控制总线4与电阻点焊设备3相连，通过其内部的超声控制卡与复合点焊电极中的超声探头54相连;被焊工件6置于复合点焊电极5(上电极)与下电极7之间，所述复合点焊电极5、下电极7分别与电阻点焊设备3相连；
参见图5所示，所述复合点焊电极5包括电极杆连接套51、壳体52、绝缘保护套53、超声探头54、锁紧块55、探头线56、超声耦合垫57、电极帽58，所述超声探头54位于壳体52内部，且与壳体52之间设置有绝缘保护套53;超声探头54下端设有超声耦合垫57，将超声探头54发出的超声波导入到壳体52内部;壳体52下端设有可更换的电极帽58，壳体52上端为电极杆连接套51，实现复合电极的整体安装功能，其内径根据点焊设备电极杆的具体尺寸而定；探头线56的一端与超声探头54相连，另一端延伸至壳体52的外部，并通过锁紧块55紧固。复合点焊电极将常规电极和超声探头整合在一起，在焊接过程中实现焊接压力、焊接电流及超声波的传递。复合点焊电极是超声探头和点焊电极的一体化设计结构，可同时满足焊接、超声监控这两个关键系统功能的需求。
[0018]所述的超声探头54设置于复合点焊电极5内部，并与复合点焊电极5同轴布置;复合点焊电极5在执行正常点焊功能的同时，其内部的超声探头54在监控主机的控制之下向被焊工件6内部发射超声波，同时实现在线检测或监控功能。
[0019]所述的壳体52、电极杆连接套51及电极帽58采用铜合金材料制作。
[0020]所述的超声耦合垫57采用橡胶材料，且上下表面涂有润滑脂。
[0021 ]所述的壳体52内部设置有冷却水通路，冷却水由复合电极侧壁流入，流经壳体52与电极帽58的连接面处，最后从壳体52的另一侧流出；冷却水同时提供电极帽58和壳体52之间的超声耦合功能。
[0022]本发明的电阻点焊接头质量超声波在线监控方法，包括如下步骤:
步骤1:将基于计算机的超声波在线监控系统(监控主机)与电阻点焊设备3集成在一起，超声探头54安装在点复合点焊电极5的内部，并与复合点焊电极5同轴布置;监控主机通过反馈控制总线2与电阻点焊设备3的控制器连接； 步骤2:在每个接头的通电施焊过程中，监控主机通过超声控制卡4控制超声探头54以固定的重复频率发射出超声波，超声波经过复合电极5传播至被焊工件6的内部;监控主机I根据反射波的信号特征，对焊接过程进行实时分析和评判，并通过反馈控制总线2向电阻点焊设备3发送指令，以控制焊机对焊接参数进行调整，从而保证熔核尺寸达到工艺要求；步骤3:监控主机以熔核尺寸对两层金属板接触面处的超声波反射信号的影响规律为依据，实时监测熔核的形成与生长状态，并通过对焊机的反馈实现点焊质量控制。
[0023]监控系统采用全自动工作模式，流程见图11所示。系统启动后，首先加载各项超声控制参数，然后进入焊接信号等待状态;焊机在每次电极下压后，通过反馈数据总线2向超声波在线监控系统发送焊接开始指令;超声波在线监控系统接收到该指令后，按照设定的重复频率控制超声探头发射脉冲超声波，根据所检测到的反射波信号对点焊熔核的生长状态，即几何尺寸，进行实时评估，并根据内置算法向电阻点焊设备3发送调整指令，最终完成该次焊接过程的监测与反馈控制。
[0024]参见图1至图11所示，本发明的工作原理是:
在每个焊点的通电施焊过程中，监控系统通过超声控制卡4控制超声探头54以固定的重复频率发射出超声波，超声波经过电极传播至被焊工件6内部。随着焊接过程的进行，点焊熔核从无到有，并不断长大。这种变化在超声反射波中表现为不同的信号特征。系统通过超声控制卡4将焊接通电过程中不同时刻所获得的超声反射波转换为数字信号，并传送至监控主机I。监控主机I根据所有反射波的信号特征，对焊接过程进行实时分析和评判，并通过反馈控制总线2向电阻点焊设备3发送指令，以控制焊机对焊接参数进行调整，从而保证熔核尺寸达到工艺要求，最终实现点焊接头质量的在线监测与控制。
[0025]参见图2至图4所示，在电阻点焊的通电施焊过程中，不同的熔核尺寸对应不同的超声波反射信号。当尚未形成点焊熔核时，超声波在上下两层金属板的接触面处产生反射，检测信号中接触面的反射波幅值处于最高状态；当形成的点焊熔核较小时(熔核直径小于超声束直径)，一部分超声波仍然在上下两层金属板的接触面处产生反射，另一部分超声波则透过熔核传播至下层金属板，此过程中检测信号中接触面的反射波幅值随着熔核尺寸的变大而降低；当熔核生长至其直径大于超声束直径以后，整个超声束的照射区域内已经不存在上下金属板的接触面，声波全部进入下层金属板，直至传播至下层板的下表面时才产生反射。此时，检测信号中两层板接触面的反射波幅值降至最低，而下层板下表面的反射波幅值处于最高值。系统通过对以上所描述的信号特征量进行实时监控，并以此为依据对点焊质量进行评判和控制。
[0026]实施例:
采用本发明的电阻点焊接头质量超声波在线监控方法对轨道客车车体所采用的电阻点焊工艺进行在线监控。焊接材料为SUS30IL不锈钢，板厚组合为1.2mm+2.0mm，焊接电流12000A，通电时间200毫秒。超声探头安装于上电极内部，与电极同轴布置。探头中心频率5MHz，超声束在两层钢板面处的直径为10mm。在上下电极压紧后，监控系统开始控制超声探头以5kHz的重复频率发射超声波，即每0.2毫秒进行一次超声波反射信号的监测。系统控制超声卡以80MHz的采用率对超声波信号进行模数转换，转换为数字量。系统以上下两层钢板接触面的反射波幅值为依据对熔核尺寸进行实时评判。若熔核直径在规定的通电时间内未达到工艺要求，系统即向点焊控制器发送指令;控制器根据指令动态调整焊接电流或通电时间，从而控制熔核尺寸符合工艺要求。
[0027]以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，其特征在于:监控主机(I)通过反馈控制总线(2)与电阻点焊设备(3)相连，通过其内部的超声控制卡(4)与复合点焊电极中的超声探头(54)相连;被焊工件(6)置于上电极与下电极(7)之间，所述上电极即复合点焊电极(5)，所述复合点焊电极(5)、下电极(7)分别与电阻点焊设备(3)相连； 所述复合点焊电极(5 )包括电极杆连接套(51)、壳体(52 )、绝缘保护套(53)、超声探头(54)、锁紧块(55)、探头线(56)、超声耦合垫(57)、电极帽(58);所述超声探头(54)位于壳体(52)内部，且与壳体(52)之间设置有绝缘保护套(53);超声探头(54)下端设有超声耦合垫(57)，将超声探头(54)发出的超声波导入到壳体(52)内部;壳体(52)下端设有可更换的电极帽(58)，壳体(52)上端为电极杆连接套(51);探头线(56)的一端与超声探头(54)相连，另一端延伸至壳体(52)的外部，并通过锁紧块(55)紧固。2.根据权利要求1所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，其特征在于:所述的超声探头(54)设置于复合点焊电极(5)内部，并与复合点焊电极(5)同轴布置;复合点焊电极(5)在执行正常点焊功能的同时，其内部的超声探头(54)在监控主机的控制之下向被焊工件(6)内部发射超声波，同时实现在线检测或监控功能。3.根据权利要求1所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，其特征在于:所述的壳体(52)、电极杆连接套(51)及电极帽(58)采用铜合金材料制作。4.根据权利要求1所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，其特征在于:所述的超声耦合垫(57)采用橡胶材料，且上下表面涂有润滑脂。5.根据权利要求1所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统，其特征在于:所述的壳体(52)内部设置有冷却水通路，冷却水由复合电极侧壁流入，流经壳体(52)与电极帽(58)的连接面处，最后从壳体(52)的另一侧流出；冷却水同时提供电极帽(58)和壳体(52)之间的超声耦合功能。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控系统的监控方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:将基于计算机的超声波在线监控系统，即监控主机与电阻点焊设备(3)集成在一起，超声探头(54)安装在点复合点焊电极(5)的内部，并与复合点焊电极(5)同轴布置;监控主机通过反馈控制总线(2)与电阻点焊设备(3)的控制器连接； 步骤2:在每个接头的通电施焊过程中，监控主机通过超声控制卡(4)控制超声探头(54)以固定的重复频率发射出超声波，超声波经过复合电极(5)传播至被焊工件(6)的内部;监控主机(I)根据反射波的信号特征，对焊接过程进行实时分析和评判，并通过反馈控制总线(2)向电阻点焊设备(3)发送指令，以控制焊机对焊接参数进行调整，从而保证熔核尺寸达到工艺要求； 步骤3:监控主机以熔核尺寸对两层金属板接触面处的超声波反射信号的影响规律为依据，实时监测熔核的形成与生长状态，并通过对焊机的反馈实现点焊质量控制。7.根据权利要求6所述的电阻点焊接头质量超声波在线监控方法，其特征在于:监控系统采用全自动工作模式，系统启动后，首先加载各项超声控制参数，然后进入焊接信号等待状态;焊机在每次电极下压后，通过反馈数据总线(2)向超声波在线监控系统发送焊接开始指令;超声波在线监控系统接收到该指令后，按照设定的重复频率控制超声探头发射脉冲超声波，根据所检测到的反射波信号对点焊熔核的生长状态，即几何尺寸，进行实时评估，并根据内置算法向电阻点焊设备(3)发送调整指令，最终完成该次焊接过程的监测与反馈控制。
【文档编号】B23K11/11GK106064282SQ201610548559
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】谷晓燕, 段珍珍, 徐国成, 谷晓鹏
【申请人】吉林大学