（材料加工工程專業(yè)論文）低碳鋼點(diǎn)焊過程飛濺動態(tài)特征參量的提取.pdf

墮璽鎏三些奎蘭三蘭堡圭耋竺鯊蘭 摘要 本文針對汽車構(gòu)件點(diǎn)焊車間生產(chǎn)，開發(fā)出了一套點(diǎn)焊過程動態(tài)數(shù)據(jù)采集 裝置用以采集和分析點(diǎn)焊過程的飛濺特征。由于點(diǎn)焊質(zhì)量非破壞性檢驗難度 較大，而點(diǎn)焊過程中的飛濺又是影響點(diǎn)焊質(zhì)量的重要因素之一，同時又會帶 來污染，因此，分析點(diǎn)焊飛濺的產(chǎn)生過程及特征，提取飛濺動態(tài)特征參量， 以通過在線監(jiān)測飛濺特征參量的方法控制點(diǎn)焊過程質(zhì)量以減少飛濺的產(chǎn)生， 這對于提高點(diǎn)焊接頭質(zhì)量具有重要意義。 針對傳統(tǒng)的點(diǎn)焊過程檢測系統(tǒng)存在參數(shù)檢測精度不高、實時性較差、電 路復(fù)雜和抗干擾性差等缺點(diǎn)，以運(yùn)算速度較快、資源豐富的c 8 0 5 1 f 0 2 0 單 片機(jī)為核心，設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)和便于維護(hù)及擴(kuò)展開 發(fā)的硬件電路，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)各模塊電路，編制了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。 理論研究表明：點(diǎn)焊過程中的動態(tài)電阻的變化趨勢可以真接反映熔核的 形成過程，即反映焊點(diǎn)的質(zhì)量。為了提取點(diǎn)焊過程的飛濺動態(tài)特征參量，本 文從采集點(diǎn)焊過程的原端電壓、原端電流和次極電壓等電參數(shù)入手，通過分 析各種飛濺情況下動態(tài)電阻的特點(diǎn)，提取了它們各自的飛濺特征，并通過點(diǎn) 焊車間現(xiàn)場采樣進(jìn)行了驗證。 動態(tài)電阻的計算方法是本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵性技術(shù)，為了滿足實時性要 求，采用了種新型的動態(tài)電阻采集方法。利用每個周波電流峰值點(diǎn)時刻的 瞬時值以及對應(yīng)時刻的電壓瞬時值計算點(diǎn)焊過程的動態(tài)電阻，并給出其推導(dǎo) 過程。 利用本系統(tǒng)對實驗室環(huán)境下的點(diǎn)焊過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對各種飛濺條 件下的動態(tài)電阻曲線進(jìn)行分析，提取了各種條件下飛濺的特征參量，推斷出 低碳鋼點(diǎn)焊過程飛濺時的動態(tài)特征參量為動態(tài)電阻曲線及其變化率曲線的不 同程度突變。 利用本系統(tǒng)對點(diǎn)焊現(xiàn)場進(jìn)行在線實時監(jiān)測以及對其飛濺特點(diǎn)分析的結(jié)果 表明：本文所研制的點(diǎn)焊過程動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的實用價值。 關(guān)鍵詞電阻點(diǎn)焊；飛濺；動態(tài)電阻：單片機(jī) a b s t r a c t ak i n do fd y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h a ta i ma tt h ep r o d u c t i o no f a u t o m o b i l ep l a n tw a sd e v e l o p e di nt h i sa r t i c l et og a t h e ra n da n a l y s et h ec h a r a c t e r o fs p a t t e ri nr e s i s t a n c es p o r tw e l d i n g ( r s w ) p r o c e s s a st h en o n e d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n d e ) o f t h eq u a l i t yo fr s wi sv e r yd i f f i c u l t ，a n dt h es p a t t e rd u r i n g t h ep r o c e s so fr s wi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt h a tw i l la f f e c tt h eq u a l i t y o fr s w ：i tw i l la l s ob r i n gt h ep r o b l e mo fp o l l u t i o n a sar e s u l t ，t oa n a l y s et h e c o u r s eo ft h es p a t t e ra n dt o p i c ku pt h ec h a r a c t e ro fi t i no r d e rt oc o n t r o li t s q u a l i t ya n dr e d u c et h es p a r e rd u r i n gt h er s wp r o c e s sh a sn o to n l yt h et h e o r y s i g n i f i c a n c eb u t a l s ot h em a g n i t u d ea p p l i a n c em e r i t b e c a u s eo ft h el o w p r e c i s i o n ，b a dq u a l i t y o fr e a l t i m e m o n i t o r i n g ， c o m p l e x i t yo f t h ec i r c u i ta n dt h ew e a ka n t i - j a m m i n go ft h et r a d i t i o n a ld y n a m i c d a t am o n i t o r i n gi nr s w p r o c e s s t h ec 8 0 5 1f 0 2 0s i n g l ec h i pm i c y o c o ( s c m ) t h a th a s h i g hs p e e d ，a b u n d a n tr e s o u r c e ，g o o da n t i - j a m m i n g ，c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c ea n de x p a n s i o nw a su s e di nt h er e s e a r c h t h em o d u l eo fc i r c u i ta n d t h es o f t w a r es y s t e m i sa l s oa n a l y s e d t h et h e o r yr e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ed y n a m i cr e s i s t a n c ec u r v e ( d r c ) c o u l dd i r e c t l yr e f l e c tt h ef o r m a t i o nc o u r s eo ft h en u g g e t ，n a m e l yr e f l e c tt h e q u a l i t yo f t h ew e l d i n gs p o t t op i c k - u pt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h es p a t t e r , t h i sp r o j e c ts t a r t e dw i t ht h ea c q u i s i t i o no ft h eo r i g i n a lv o l t a g e ，t h e o r i g i n a lc u r r e n ta n dt h es e c o n d a r yv o l t a g ed u r i n gt h er s wp r o c e s s a f t e rt h e a n a l y s i so f t h ed r cu n d e ra l lg i v e nk i n d so ft h es p a t t e rm o d e i t sc h a r a c t e rw a s p ! e k e d u p u n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo fs p o r t w e l d i n gp l a n t t h i s s y s t e m w a s v a l i d a t e d t h ea r i t h m e t i co ft h ed r ci so n eo ft h ep r i m a r yf a c t o ro ft h i s s y s t e m ，i n o r d e rt o m e e tt h ed e m a n d o f g o o dr e a l - t i m em o n i t o r i n g ，an e w m e t h o do fd r c a c q u i s i t i o n w a s a d o p t e d u s i n g t h e p e a k v a l u eo f e v e r yc y c l e a n dt h e c o r r e s p o n d i n gv o l t a g e ，w ec o u l dc a l c u l a t et h ed r cd u r i n gr s wp r o c e s s t h e p r o c e s so f t h ed e d u c t i o nw a sa l s og i v e ni nt h i sp r o j e c t t h i ss y s t e mw a s u s e di nt h el a b o r a t o r yc i r c u m s t a n c et oa c q u i r et h ed a t ao f r s w a f t e r a n a l y s i n g t h ec h a r a c t e ro f s p a t t e r i n e v e r yc o n d i t i o n ，t h e 1 1 墮璽鎏三些當(dāng)：三蘭璺占蘭竺鎏蘭。，。，。，。，。- t 一 c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri sp i c k e du p i tc a nb ec o n c l u d e d t h ec h a r a c t e ro f s p a t t e r i nt h er s w p r o c e s so f l o wc a r b o ns t e e li ns o m ee x t e n ti sr e f l e c t e db yt h eb r e a k o fd r ca n di t ss l o p er a t e t h i ss y s t e mw a su s e di nt h ep l a n to fs p o tw e l d i n gt o e x e c u t et h eo n 。l i n e m o n i t o ro ft h er e a l t i m ep a r a m e t e rd u r i n gr s wp r o c e s s ，t h ec h a r a c t e ro fi t s s p a t t e rw a sa l s oa n a l y s e d ，t h er e s u l t s h o w st h a t ：t h ed y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e md e v e l o p e d i nt h i sp r o j e c th a sh i g h e rp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g ；s p a t t e r ；d y n a m i c r e s i s t a n c ec u r v e ； s i n g l ec h i pm i c y o e o 1 i 卜 蘭璽鎏三些盔竺三蘭璧圭蘭竺鎏塞 一 。一 1 1 課題背景及意義 第1 章緒論 電阻焊方法自1 8 7 7 年問世以來，由于具有熱量集中、加熱時間短、熱影 響區(qū)小、焊接變形小、冶金及工藝過程簡單、生產(chǎn)率高，成本低、勞動環(huán)境較 好、污染小、易于實現(xiàn)機(jī)械化及自動化等優(yōu)點(diǎn)，隨著汽車工業(yè)等大批量生產(chǎn)企 業(yè)的興起，在現(xiàn)代工業(yè)制造中被廣泛采用。 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(chǎn)生的 電阻熱熔化母材金屬，冷卻后形成焊點(diǎn)，這種電阻焊方法稱為點(diǎn)焊。 點(diǎn)焊過程涉及電、熱、冶金、機(jī)械等的強(qiáng)烈相互作用，為保證點(diǎn)焊質(zhì)量， 通常采用焊后質(zhì)量檢測和在線質(zhì)量監(jiān)測兩種措施。質(zhì)量檢測又分為破壞性檢測 和無損檢測。由于抽樣檢查并不能保證所有焊點(diǎn)都合格，而采用無損檢測方 法，雖可對每一焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行檢驗，但是檢驗結(jié)果受檢驗設(shè)備復(fù)雜和檢驗精度 有限、檢驗人員的素質(zhì)及材料和接頭形式的局限等影響，檢驗效果往往并不理 想，同時也使生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品成本增加。相比之下，采用點(diǎn)焊質(zhì)量在線監(jiān) 測方法可以跟蹤每一焊點(diǎn)的焊接過程，對外來的干擾及焊接缺陷通過自動調(diào)整 焊接規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)償，在線監(jiān)測每一焊點(diǎn)的質(zhì)量，對于一些不合格焊點(diǎn)及時進(jìn)行 在線“補(bǔ)救”。實踐證明，點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測對于保證焊點(diǎn)質(zhì)量具有重要意義，采 用點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)提高和穩(wěn)定焊點(diǎn)質(zhì)量是一種行之有效的措施。 點(diǎn)焊飛濺是一種常見的焊接缺陷。飛濺的產(chǎn)生會降低焊件的表面質(zhì)量，影 響耐腐蝕性及疲勞強(qiáng)度，降低電極的使用壽命和焊件的力學(xué)性能，增加形成裂 紋的傾向，甚至?xí)?dǎo)致各種裝置的損壞。因此，分析點(diǎn)焊飛濺的產(chǎn)生過程及特 征，提取飛濺動態(tài)特征參量，就可以通過在線監(jiān)測飛濺特征參量的方法控制點(diǎn) 焊過程質(zhì)量以減少飛濺的產(chǎn)生，這對于提高點(diǎn)焊接頭質(zhì)量具有重要意義。 1 2 研究現(xiàn)狀 1 2 1 點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀 點(diǎn)焊過程是一個涉及熱、電、金屬學(xué)、機(jī)械等強(qiáng)烈相互作用的具有高度非 線性、多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素的復(fù)雜過程( 如圖1 - 1 所示) 。 影響點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的因素包括：接頭設(shè)計、材料性能、工藝方法選擇、點(diǎn)焊設(shè) 各的可靠性與穩(wěn)定性以及焊工操作水平和生產(chǎn)環(huán)境等等【”，如圖1 - 2 所示。 圖1 - l 點(diǎn)焊過程的復(fù)雜耦合作用 圈1 - 2 影響接頭質(zhì)量的因素【1 為保證電阻點(diǎn)焊的焊接頭質(zhì)量，提高其可靠性，必須在生產(chǎn)過程中運(yùn)用先 進(jìn)的手段和設(shè)備實施質(zhì)量控制。特別是由于點(diǎn)焊工藝運(yùn)用的廣泛性、重要性和 具有代表性，點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)始終是電阻焊領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。 一般認(rèn)為電阻焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)分為以下三類【1 】：焊接參數(shù)的監(jiān)控技術(shù)、有 關(guān)熔核形成物理量的監(jiān)控技術(shù)、多因素自適應(yīng)質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，如圖1 - 3 所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 電 阻 焊 質(zhì) 量 監(jiān) 控 技 術(shù) 焊 接 參 數(shù) 監(jiān) 控 技 焊接電流監(jiān)控 電極間電壓監(jiān)控 動態(tài)電阻監(jiān)控 f 能量監(jiān)控 【 電極位移監(jiān)控 超聲波監(jiān)控 聲發(fā)射監(jiān)控 熱偶測溫法f l 電流積分監(jiān)控法 恒電流監(jiān)控法 電壓積分監(jiān)控法 電壓變化量或變化率監(jiān)控法 最大電壓值監(jiān)控法 跟蹤動態(tài)電阻曲線法 電阻變化量或變化率法 晟大動態(tài)電阻值法 電阻曲線包容面積積分法 電流平方積分法 電壓平法積分法 電流與電壓乘積法 跟蹤位移曲線臟控法 位移速度與最大位移量法 最火位移量法 反射法監(jiān)控法 透射法監(jiān)控法 振鈴計數(shù)法 事件能量法 頻譜分析法 紅外輻射強(qiáng)度法 紅外及溫度監(jiān)控 圖1 - 3 電阻焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)分類f 1 r1，j、，l，j【 ，1，j、【 統(tǒng) 赫 統(tǒng) 系 控 系 控 監(jiān) 控 監(jiān) 合 監(jiān) 合 聯(lián) 合 聯(lián) 移 聯(lián) 射 嵌 移 發(fā) 和 位 聲 量 與 與 能 流 量 流 電 能 電 ，、l 有關(guān)熔核形成物理量監(jiān)控技術(shù) 多因素自適應(yīng)質(zhì)量監(jiān)控技術(shù) 其中應(yīng)用最多的是電參數(shù)法，它具有采樣方便。不需要復(fù)雜的傳感系統(tǒng)等 特點(diǎn)。電參數(shù)法包括恒流法、動態(tài)電阻法、能量積分法、電極間電壓法等。 1 2 2 接觸電阻理論的研究現(xiàn)狀 當(dāng)兩個物體相互接觸時，電流從一物體向另一物體流動，除了受兩物體材 料自身電阻作用外，還要受接觸面附加電阻的作用，這部分附加電阻為接觸電 阻( 這里忽略接觸熱阻對電阻點(diǎn)焊過程的影響) 。 兩個宏觀平整的端面接觸時，因存在一定的微觀不平整，使實際接觸面積 ，遠(yuǎn)小于名義接觸面積。既兩個接觸面接觸時，只是若干個小塊面積相接觸，而 在每塊小面積內(nèi)，又只有若干個小的突起部分相接觸?？梢姡饘俳佑|面積比 實際截面積減小了，電流在流經(jīng)電接觸區(qū)時，從原來截面較大的導(dǎo)體突然轉(zhuǎn)入 截面很小的接觸點(diǎn)，電流線就會發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象。在實際接觸點(diǎn)兩側(cè)，電流 線先收縮后擴(kuò)張，這種收縮和擴(kuò)張使得電流路徑加長，由此產(chǎn)生的附加電阻稱 為收縮電阻( 束流電阻) 。因接觸點(diǎn)有多個，所以整個接觸面接觸的收縮電阻 為各個接觸點(diǎn)收縮電阻的并聯(lián)值。設(shè)這樣的點(diǎn)有個，則每個接觸點(diǎn)的收縮電 阻為民，2 象，總收縮電阻為匙2 玄囂。式中p 為電阻率，功為每個接觸點(diǎn) 的接觸半徑。 文獻(xiàn) 2 】給出了收縮電阻的近似表達(dá)式如下： 厲鬲 矗s = o 8 9 p 1 7 蘭羔( 1 1 ) 其中，p 為電阻率；日為硬度：f 為壓力；f 為壓力系數(shù)；n 為接觸點(diǎn)數(shù) 目。 因為接觸面存在表面膜等導(dǎo)電性很差的物質(zhì)而產(chǎn)生的附加電阻稱為表面膜 電阻。表面膜主要包括塵埃膜、吸附膜、無機(jī)膜、有機(jī)膜等等。 表面膜電阻的近似計算公式如下 2 】= 恥等( 1 - 2 ) 式中，j d ，表示單位面積上的表面膜電阻率，稱為隧道電阻系數(shù)；h 為硬 度；f 為壓力；f 為壓力系數(shù)。 收縮電阻和表面膜電阻一起構(gòu)成接觸電阻，對新加工的表面，可忽略表面 膜電阻。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 一般情況下接觸電阻可按下式近似計算【l ： r c = 屹f “ ( 1 - 3 ) 其中：表示單位壓力下的接觸電阻值；f 表示電極力或接觸面承受的壓 力；m 是與材料性質(zhì)和表面狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。 影響接觸電阻的因素包括：接觸形式( 點(diǎn)，線，面) 、材料性質(zhì)、接觸壓 力f 、接觸面的加工情況、加熱溫度、接觸密封結(jié)構(gòu)以及接觸電阻在長期工作 中的穩(wěn)定性等等。 有關(guān)接觸電阻的研究很早就引起人們的重視。早在1 9 3 9 年，s t u d e r 就對 點(diǎn)焊的接觸電阻進(jìn)行了研究p 】。從1 9 4 1 年到1 9 5 2 年，k o u w e n h o v e n 和l i t t l e 對不銹鋼、鋁、銅等棒材的對接面接觸電阻進(jìn)行了研究，得出接觸電阻與接觸 點(diǎn)數(shù)，載荷大小等參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式1 4 】： 恥焉等一半+ “_ ) + 盟f ( 1 - 4 ) 式中p 為電阻率：h 為束點(diǎn)數(shù)目；h 為硬度；比為束點(diǎn)接觸面直徑；r 為 膜電阻；，為電極壓力。 到1 9 6 7 年，電接觸學(xué)科的奠基人r h o l m 關(guān)于電接觸專著的出版，形成 了電接觸的專門理論體系。h o l m 就導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻給出了明晰的物理模 型和數(shù)學(xué)表達(dá)式【5 】： 辟：魚+ 旦+ 罷( 1 5 1 。 2 口2 a 翮 式中，r c 為接觸電阻；a 為導(dǎo)電斑點(diǎn)的直徑：島，島分別為接觸元件1 、 2 的電阻率；盯為導(dǎo)電斑點(diǎn)上表面膜的電阻率。 1 9 8 3 年，k a i s e r 研究了低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼接觸電阻與壓力和焊接電流 之間的關(guān)系，得出壓力增大，接觸電阻減?。缓附与娏髟龃?，接觸電阻減小的 結(jié)論，并對這種變化規(guī)律作了定性的解釋 6 1 。一般認(rèn)為，對于低碳鋼而言，其 接觸電阻到6 0 0 * ( 2 左右時接近為0 1 7 , s l 。 1 9 9 3 年，v o g l e r 對低碳鋼、鍍鋅鋼、低合金高強(qiáng)鋼等材料點(diǎn)焊時的接觸電 阻進(jìn)行了研究，得出接觸電阻隨溫度和壓力變化的結(jié)論【9 】。 1 9 9 7 年，吳豐順利用q e 2 5 2 - l 型電阻測試儀對表面狀態(tài)比較差的焊件 ( 有大量鐵銹) 和新加工表面的接觸電阻進(jìn)行了測量，得到了不同壓力時焊件 間的接觸電阻，結(jié)論如下： ( 1 ) 壓力增大，接觸電阻減小，焊件表面的微觀束點(diǎn)在壓力的作用下發(fā)生 塑性變形，束點(diǎn)面積擴(kuò)大，數(shù)目增多，同時壓力的作用使表面膜( 氧化膜或有 機(jī)物) 破碎，實際接觸面積快速增加，接觸電阻減小。 ( 2 ) 接觸電阻在加載和卸載過程中，存在接觸電阻的滯反現(xiàn)象。 ( 3 ) 有銹時接觸電阻高達(dá)2 5 m q ，這是造成焊接前期飛濺的主要原因。 ( 4 ) 對于得到的焊接剛開始時的接觸電阻可以將其看成靜態(tài)接觸電阻。 1 2 3 點(diǎn)焊過程動態(tài)電阻規(guī)律的研究現(xiàn)狀 早在1 9 3 8 年，h e s s 和r i n g e r 首先發(fā)現(xiàn)在拋光的不銹鋼電阻點(diǎn)焊時工件之 間的動態(tài)電阻首先迅速升高，到達(dá)最大值之后由于熔核的形成和長大而逐漸減 小”。由于當(dāng)時采用交流中每半個周波的電壓峰值除以電流峰值得到電阻值， 故精確度很差。1 9 5 1 年，r o b e r t s 在實驗中發(fā)現(xiàn)不銹鋼和低碳鋼在電阻點(diǎn)焊過 程中動態(tài)電阻的變化【12 1 。在不銹鋼點(diǎn)焊中，在整個熔核形成的過程中，動態(tài)電 阻會持續(xù)下降，而在低碳鋼點(diǎn)焊中，電阻在開始階段迅速下降，之后逐漸上升 到一個最大值，最后逐漸減小。這一動態(tài)電阻變化曲線的發(fā)現(xiàn)成為后來點(diǎn)焊質(zhì) 量監(jiān)控的基礎(chǔ)之一。 s a v a g e 等人測量了不同表面狀況的工件的靜態(tài)電阻，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)電阻值與表 面狀況有很大的關(guān)系，同時探討不同材料組合( 鍍鋅與非鍍鋅) 及表面狀態(tài) 下，在不同的焊接電流下動態(tài)電阻曲線的變化情況。發(fā)現(xiàn)變化的趨勢是相同 的，但形狀有明顯的差異i ”1 。 1 9 8 2 年，k a i s e r 等人對于低碳鋼的動態(tài)電阻進(jìn)行了研究，得到了如圖1 _ 4 的動態(tài)電阻曲線i j 4 j 。 在電阻點(diǎn)焊過程的開始通電階段，由于接觸表面的凸凹不平被壓潰，電極 間的電阻會迅速減小直到最小值，焊接區(qū)金屬未熔化，但有明顯的加熱痕跡。 之后的一段時間內(nèi)，焊接區(qū)溫度升高，金屬的電阻率隨溫度的升高增加很快， 而由于焊接區(qū)金屬基本上處于固態(tài)，接觸面增長緩慢，動態(tài)電阻迅速增大，當(dāng) 溫度增高的一定程度，材料的電阻率增長幅度減小，而同時焊接區(qū)導(dǎo)電面積的 增加加快，使得動態(tài)電阻增加的速度減慢，最終逐漸增大到一個峰值。這一階 段內(nèi)，金屬不斷有固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變，熔核逐漸長大。之后，由于金屬的明顯軟 化，使得導(dǎo)電面積迸一步增大，電阻減小。慢慢地由于電極與焊件接觸面積的 限制及塑性金屬被擠到兩焊件之間，使焊件之間的間隙加大，限制了焊核和導(dǎo) 墮壘鎏三些奎蘭三蘭罌圭蘭竺鎏蘭 電面積的增大，同時由于電流場和溫度場均進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熔核和塑性環(huán)尺寸保 持不變，動態(tài)電阻進(jìn)入平穩(wěn)期。若在后期發(fā)生飛濺現(xiàn)象，動態(tài)電阻會出現(xiàn)突 降。飛濺的產(chǎn)生是在大的焊接熱量輸入的情況下，當(dāng)熔核區(qū)長大到一定程度， 超過了電極的作用范圍，周圍的固體金屬無法將其包圍住，液態(tài)金屬將向兩側(cè) 濺出，飛濺發(fā)生i j 。 許多的相關(guān)實驗結(jié)果已經(jīng)得到鋼板的接觸電阻值，認(rèn)為動態(tài)電阻曲線的峰 值的出現(xiàn)是與金屬的熔化相關(guān)的，金屬開始熔化的時間應(yīng)該在曲線上升的階 段，發(fā)生熔化相對于動態(tài)電阻曲線的位景與電流的大小有關(guān)，當(dāng)電流增大，熔 化的位置要低于曲線。另外，在薄板焊接中，熔化一旦開始，熔核將在接下來 的2 至4 個焊接周波內(nèi)形成。此外電流的大小、電極力及被焊材料的差異，都 會造成動態(tài)電阻曲線形狀的改變。 在1 9 8 4 年g e d e o n 等人發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼板點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻的變化有著與低 碳鋼相同的趨勢，如圖1 5 所示【15 】。由于在表面存在著低熔點(diǎn)的鋅層，動態(tài)電 阻曲線會出現(xiàn)兩個峰值。在焊接過程中開始階段由于接觸面上接觸點(diǎn)的增多， 電阻值下降。而當(dāng)溫度逐漸升高，鍍鋅層金屬電阻率增大，曲線上升，第一個 峰值將出現(xiàn)。之后鍍鋅層開始熔化并發(fā)生軟化，由焊接區(qū)擠出使得接觸面積增 大，電阻減小，曲線下降。接下來的動態(tài)電阻的變化與低碳鋼點(diǎn)焊時的動態(tài)電 阻變化趨勢相同。 圖1 - 4 低碳鋼點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻曲線l 4 1 圖1 - 5 鍍鋅鋼板點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻曲線【1 5 】 t h o r n t o n 等人對鋁合金的動態(tài)電阻曲線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在工件與工件界 面上的接觸電阻及工件與電極之間的接觸電阻值會在一個很大的范圍變動【1 6 1 。 鋁合金的動態(tài)電阻( 見圖i - 6 所示) 在開始時很大，初始值的大小決定于工 件的表面狀態(tài)和焊接前表面氧化膜的厚度。在開始焊接的半個周波內(nèi)，電阻值 就會降到很低。因此鋁合金焊點(diǎn)的熔核是在最初的一個或兩個周波內(nèi)形成。 近來加拿大的t h 等人研究了薄鎳板小型電阻點(diǎn)焊過程中的動態(tài)電阻的變 化【2 】。鎳板的動態(tài)電阻曲線見圖1 7 。在整個點(diǎn)焊過程中大體經(jīng)歷了以下幾個 階段：在開始加熱的階段動態(tài)電阻由于溫度的升高而增大，這在其它點(diǎn)焊過程 中沒有出現(xiàn)過，作者認(rèn)為這是由于工件表面上有相對潔凈和薄的絕緣膜以及很 小的電流增長速率造成的。接下來由于表面絕緣層的潰裂和金屬的軟化，使得 動態(tài)電阻值開始減小，金屬逐漸熔化，熔核逐漸形成，第二個峰值表明熔核的 形成，可以通過第二個峰值的出現(xiàn)來進(jìn)行焊點(diǎn)質(zhì)量的控制。 i 。 “弋叫一 ：、汝：漆 ：= = = 三 t o拍韓抽朝特神拍 1 l m i 哪j 圖 - 6 鋁合金點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻曲線【1 1 圖1 7 鎳板點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻曲線【2 】 1 , 2 4 點(diǎn)焊飛濺過程的相關(guān)研究 孫肩政論述了點(diǎn)焊和凸焊中產(chǎn)生金屬飛濺是由于焊接壓力不夠形成的，提 出了自感電流、電位差、塞貝克效應(yīng)對產(chǎn)生焊接飛濺的影響 i s 】。 羅震等通過點(diǎn)焊過程中電壓信號進(jìn)行小波包分析，獲得了不同頻帶中的電 流信號時域波形的不同形態(tài)和特征，以此來判斷點(diǎn)焊過程中飛濺的發(fā)生【l 9 】。 程方杰等在分析鋁合金點(diǎn)焊過程中電極燒損與飛濺機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了 一種新的電流控制方法，將電流分為焊接狀態(tài)穩(wěn)定化脈沖和焊接脈沖。前者是 幾個不連續(xù)的小幅值電流脈沖，主要是使表面接觸均勻化，接觸電阻穩(wěn)定在一 個較小值；后者的作用是加熱工件，形成熔核。實驗表明，該控制方法可以有 效的減少飛濺的發(fā)生【2 們。 吳志生等研究了鍍鋅鋼板點(diǎn)焊表面飛濺率和電極壽命隨焊前電流脈沖的幅 值，焊前電流通電時間的變化規(guī)律，認(rèn)為表面飛濺與焊前電流脈沖幅值，焊前 電流通電時間有關(guān)【2 1 1 。 珊 懈 哳 盤i口t_k 墮j ：鎏三些查蘭：；蘭堡圭蘭堡鎏蘭 房振明研究了鋁合金點(diǎn)焊過程中各種不同情況下的機(jī)頭振動的加速度信 號，得到了點(diǎn)焊內(nèi)部飛濺發(fā)生時力的變化特征，建立了飛濺產(chǎn)生及飛濺大小的 模糊評價系統(tǒng)口2 1 。 1 3 電阻點(diǎn)焊發(fā)展概況 1 3 1 電阻焊技術(shù)的新進(jìn)展 隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在電阻焊中新技術(shù)的應(yīng)用目趨廣泛，主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 發(fā)展節(jié)能型設(shè)備和工藝電阻焊機(jī)的瞬時功率極大，且較多為單相， 因此在大容量設(shè)備上正逐步采用三相二次整流、逆變、低頻等電源，以平衡電 網(wǎng)負(fù)荷。在工藝上則發(fā)展如薄焊輪縫焊、不帶有電頂鍛閃光焊、脈動閃光焊等 節(jié)能型工藝。 ( 2 ) 采用計算機(jī)技術(shù)隨著汁算機(jī)的飛速發(fā)展，電阻焊機(jī)的控制部分日益 革新，目前己從分離元件經(jīng)短暫的小規(guī)模集成元件時代進(jìn)入單片機(jī)和微機(jī)控制 時代。在這方面充分利用計算機(jī)的特點(diǎn)，實現(xiàn)了群控、多參數(shù)存儲、自動補(bǔ)償 電壓波動及恒流等以前較難實現(xiàn)的功能。 同時隨著機(jī)電一體化技術(shù)的推廣應(yīng)用，電阻焊工藝與機(jī)械手和機(jī)器人的結(jié) 合，已廣泛應(yīng)用于轎車焊裝等自動化程度高的生產(chǎn)線上1 2 3 1 。 1 3 2 點(diǎn)焊質(zhì)量控制方法的新進(jìn)展 點(diǎn)焊過程是具有非線性、時變和多因素耦合的復(fù)雜過程，人們對與之相關(guān) 的物理實質(zhì)還缺乏深入的了解，不斷地嘗試著采用多種方法來對點(diǎn)焊過程與質(zhì) 量的控制進(jìn)行研究。 1 3 2 1 數(shù)理統(tǒng)計方法 數(shù)理統(tǒng)計方法是實驗數(shù)據(jù)處理的一般方法，它以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，幫助人 們獲得直觀實驗數(shù)據(jù)以外的一些內(nèi)在的信息或規(guī)律，并可以得出規(guī)律的近似表 達(dá)式。 s m d i n w i s h 等人在正交實驗的基礎(chǔ)上，用多元回歸分析法建立了點(diǎn)焊接 頭強(qiáng)度、熔核尺寸與焊接參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系f 2 4 】。k a h a o 等人利用多元回 歸的方法對鋁合金點(diǎn)焊過程中的電參數(shù)與熔核直徑和靜態(tài)強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行 了研究睇”。白鋼等人針對建立了不銹鋼點(diǎn)焊熔核直徑、焊透率與焊接電流、焊 接時間、電極壓力、電極端面尺寸以及工件厚度之間的數(shù)學(xué)模型，并采用該模 型對熔核尺寸進(jìn)行了預(yù)測。 1 3 2 2 數(shù)值模擬方法 數(shù)值模擬技術(shù)可靈活地對電阻焊過程中的各種影響因素進(jìn)行研究，幫助人 們進(jìn)行一些不可能通過試驗而完成的研究和分析，從而為電阻焊研究提供理論 上的指導(dǎo)。目前的研究主要集中在點(diǎn)焊過程中的熱、電、力學(xué)行為，即根據(jù)物 理學(xué)中描述熱、電、力問題的基本方程，通過對方程中參數(shù)變化和邊界條件進(jìn) 行假設(shè)，建立點(diǎn)焊過程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而用數(shù)值方法對點(diǎn)焊過程的溫度場、電 流場、電勢場和應(yīng)力、應(yīng)變場進(jìn)行模擬求解，用以研究點(diǎn)焊過程機(jī)理。 以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的常用方 法。自英國學(xué)者j a g r e e n w o o d 于1 9 6 1 年發(fā)表第一個數(shù)值模型以來，許多學(xué) 者都相繼提出了各種改進(jìn)模型，使其對點(diǎn)焊過程的描述更近合理。9 0 年代以 來，t s a i 等人將有限元引入點(diǎn)焊質(zhì)量控制領(lǐng)域中，用數(shù)值模擬方法對熱膨脹電 極位移進(jìn)行了研究，得出了一些規(guī)律，可以贏接指導(dǎo)點(diǎn)焊過程與質(zhì)量的實時控 n t 2 7 1 。e f e u l v a r c h 建立了點(diǎn)焊電極和工件表面接觸情況的有限元模型【2 8 】。m i n j o u 以點(diǎn)焊熱量輸入百分比和電極位移為輸入和輸出參量，建立了點(diǎn)焊過程重 要物理參數(shù)與焊接質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系i 2 9 。曹彪等人用有限元方法建立了數(shù)學(xué)模 型，計算了點(diǎn)焊過程的熱膨脹，探討了利用熱膨脹電極位移控制點(diǎn)焊過程與質(zhì) 量的方法【3 0 l 。 1 3 2 3 人工智能方法 焊接過程是一個具有非線性、不確定性、時變性、多變量耦合的復(fù)雜過 程。這種復(fù)雜性決定了其數(shù)學(xué)模型建立的困難性，人工智能方法在處理此類復(fù) 雜過程方面有著常規(guī)方法不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢。國內(nèi)外的學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專 家系統(tǒng)和模糊控制等智能技術(shù)應(yīng)用于點(diǎn)焊過程與質(zhì)量控制領(lǐng)域，取得了一定的 進(jìn)展j “。c h oy o n g i o o n 建立了低碳鋼點(diǎn)焊動態(tài)電阻的h o p f i e l d 型人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型，并以此來實現(xiàn)對點(diǎn)焊質(zhì)量的預(yù)測【3 引。w r o b e r t 建立了一種基于模 糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)，通過變量及誤差的補(bǔ)償來實現(xiàn)對點(diǎn)焊過程 的質(zhì)量控制【3 4 】。段江海將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)行了集 散型點(diǎn)焊智能控制系統(tǒng)的研究【3 5 1 。 1 4 點(diǎn)焊過程質(zhì)量控制方法的發(fā)展趨勢 在控制模式上，由單模式發(fā)展為多模式控制。動態(tài)電阻監(jiān)控、動態(tài)電位移 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 監(jiān)控都可實現(xiàn)這種多控制的綜合模式，如動態(tài)電阻差值與動態(tài)電阻變化速率聯(lián) 合監(jiān)控，最大位移與位移速度聯(lián)合監(jiān)控等。 在控制方法上，由利用一種監(jiān)控方法發(fā)展到利用多種監(jiān)控方法進(jìn)行決策點(diǎn) 焊過程控制及質(zhì)量控制。 在調(diào)節(jié)參數(shù)方面，由初始的單變量調(diào)節(jié)發(fā)展到多變量調(diào)節(jié)。如在點(diǎn)焊過程 中對焊接電流、焊接時間和電極壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在確定點(diǎn)焊過程及質(zhì)量監(jiān)控規(guī)律方面，由初始的主要靠大量實驗的確定方 法發(fā)展為用數(shù)值分析軟件的模擬與仿真確定。 在控制決策上，由常規(guī)的控制決策模式( 由被控參數(shù)的偏差值通過查表確 定控制參數(shù)的調(diào)節(jié)量) 向人工智能( 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等) 決策方式發(fā)展。 總之，點(diǎn)焊過程質(zhì)量控制方法的發(fā)展趨勢為控制模式及控制方法的綜合化 ( 多信息融合控制) 、過程及質(zhì)量控制規(guī)律描述的數(shù)量化( 或精確化) 和控制 決策的智能化【1 1 。 1 5 本課題的主要研究內(nèi)容 ( 1 ) 設(shè)計電阻點(diǎn)焊過程動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，調(diào)試相關(guān)的軟件和硬件系統(tǒng)， 分析并計算系統(tǒng)誤差： ( 2 ) 推導(dǎo)并論證峰值電流法計算動態(tài)電阻的方法，并將其結(jié)果與有效值法 計算的動態(tài)電阻進(jìn)行比較： ( 3 ) 分析低碳鋼點(diǎn)焊飛濺的影響因素，從動態(tài)電阻及其變化率角度考慮， 提取低碳鋼點(diǎn)焊過程飛濺的特征參量； ( 4 ) 通過點(diǎn)焊車間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，分析其飛濺產(chǎn)生的原因，并對實驗結(jié) 果進(jìn)行驗證。 第2 章電阻點(diǎn)焊飛濺過程及其物理規(guī)律 點(diǎn)焊過程是一個熱、電、力、冶金等因素相互耦合的復(fù)雜過程，點(diǎn)焊過程 中的飛濺是影響點(diǎn)焊質(zhì)量的重要因素之一。因此，分析和研究點(diǎn)焊過程的特點(diǎn) 特別是飛濺過程的特點(diǎn)對于提取飛濺特征參量進(jìn)而提出相應(yīng)的點(diǎn)焊質(zhì)量控制方 法以減少點(diǎn)焊過程的飛濺，提高點(diǎn)焊接頭質(zhì)量等方面都有著深遠(yuǎn)的意義。 2 1 點(diǎn)焊焊接循環(huán)過程分析 完成一個焊點(diǎn)所包括的全部程序稱為一個焊接循環(huán)。一個典型的點(diǎn)焊焊接 循環(huán)通常包括：預(yù)壓程序段、通電一程序段、間隙一程序段、通電二程序段、 間隙二程序段、通電三程序段、維持程序段和休止程序段八個程序段，圖2 1 為點(diǎn)焊焊接循環(huán)示意圖。 f 圖2 - 1 點(diǎn)焊焊接循環(huán)示意圖 其中：f 一電極壓力i l 一通電一電流 1 2 一通電二電流i s 一通電三電流l 一加壓程序 2 一通電一程序3 一間隙一程序4 一通電二程序5 一間隙二程序6 通電三程序7 一 維持程序8 休l t 程序 預(yù)壓程序段實現(xiàn)對焊件的加壓，能克服焊件的剛性，獲得低而均勻的接觸 電阻。通電一程序段的作用是對焊點(diǎn)進(jìn)行預(yù)熱：間隙一程序段作為通電一和通 電二的間隙時間，間隙二程序段作為通電二和通電三的間隙時間，為了提高生 產(chǎn)效率，間隙程序段的時間應(yīng)盡量短或為零。通電二程序段的作用是作為焊接 墮璽鎏三些奎蘭三莖堡圭蘭竺鯊蘭 。；， 電流。通電三程序段的作用是焊后的熱處理。維持程序段，當(dāng)焊接電流結(jié)束 時，焊接熔核要在壓力的作用下結(jié)晶防止熔核飛濺。維持時間到時，電磁氣閥 斷電，停止電極加壓。最后進(jìn)入休止程序，等待下一個焊接循環(huán)。 2 2 點(diǎn)焊過程的物理規(guī)律 點(diǎn)焊焊接過程的基本物理規(guī)律可用如下所示的有關(guān)力、 來描述【3 6 1 。 v 4 擊= 0 1 v ( 二v 礦) = 0 電、熱的三個方程 ( 2 1 ) ( 2 2 ) c ；要：v ( 胛卅- t 車( 2 - 3 ) 研j 其中，微分算子：v = 蘭f + 晏_ ，+ 蘭七 “ 鑼 。z ( 2 - 1 ) 式為板電極系的力學(xué)平衡方程；( 2 - 2 ) 式為決定板中與電極中電流分布 的偏微分方程；( 2 3 ) 式為求解焊接區(qū)溫度分稚及溫度循環(huán)的熱傳導(dǎo)方程。 式中：毋為應(yīng)力函數(shù)；礦為電位；p 為電阻率；c 為比熱容 k 為熱傳導(dǎo) 率：j 為電流密度；口為材質(zhì)密度；f 焊接為時間；，為熱功當(dāng)量；t 為溫度： v 為微分算子。 在點(diǎn)焊過程中的重要物理參數(shù)有電極間電壓、焊接電流、電極間電阻等， 其中電極間電壓與焊接電流可直接測出，而電極間電阻可由電極間電壓與焊接 電流計算求出。 2 3 影響點(diǎn)焊質(zhì)量穩(wěn)定的因素 影響點(diǎn)焊質(zhì)量穩(wěn)定的因素是多方面的。在材料方面主要有材質(zhì)( 導(dǎo)電、導(dǎo) 熱、導(dǎo)磁、鍍層等性能) 、板厚、形狀、表面狀況；在供電方面主要有網(wǎng)壓波 動、其它焊機(jī)或用電設(shè)備的影響、電流波動；在加壓機(jī)構(gòu)方面主要有壓力波 動、電極的沖擊性、振動性、跟隨性：在焊接工況方面主要有已焊點(diǎn)的分流、 焊點(diǎn)位置、鐵磁工件伸入極臂內(nèi)的距離、板間接觸狀態(tài)；在電極方面主要有電 極材質(zhì)、端部形狀、已焊點(diǎn)數(shù)、端部粘損與變形等因素。i l w 推薦通過考察當(dāng) 以下8 個因素變化時，控制器的精度、靈敏度以及對焊接質(zhì)量的保證能力所受 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 的影響來評價控制系統(tǒng)的性能。分別是：電流、壓力、通電時間、電極端部變 形、分流、邊緣距離、板厚、板表面的清潔度。在這些眾多的因素中，常見的 影響較大的因素除了焊接規(guī)范自身的波動外，應(yīng)是分流與電極端部的粘損與變 形。這些影響點(diǎn)焊質(zhì)量穩(wěn)定的因素都有可能對點(diǎn)焊過程的飛濺產(chǎn)生影響。 2 。4 點(diǎn)焊過程的飛濺 點(diǎn)焊時產(chǎn)生的飛濺是一種非常常見的焊接缺陷。飛濺在外表面首先降低焊 件的表面質(zhì)量，影響外觀和安全衛(wèi)生，產(chǎn)生的疤痕會影響耐腐蝕性及疲勞強(qiáng) 度，它往往會降低電極的壽命、降低焊件的力學(xué)性能，并增加形成裂紋的傾 向；從焊核濺出的金屬碎末，可能掉進(jìn)某些工件空腔，從而導(dǎo)致各種裝置的損 壞；內(nèi)部飛濺的殘跡也有可能在運(yùn)行時脫落，如進(jìn)入管路( 如油管) 會造成堵 塞等事故【2 3 】。因此，有必要對點(diǎn)焊過程中飛濺產(chǎn)生的原因、影響因素以及減少 措施等進(jìn)行研究與分析。 2 4 1 飛濺的定義與分類 點(diǎn)焊飛濺是金屬在焊接處熔化形成金屬液，同時被焊金屬膨脹，膨脹力將 電極向上、下推移，使焊接區(qū)的外加壓力降低，焊接區(qū)域不能及時擴(kuò)大，加熱 速度急劇提高，液化的金屬和塑性變形的金屬受溫度的影響不能向四周流動， 形成塑性環(huán)將熔化區(qū)的周邊封閉，使熔化區(qū)的氣壓不斷升高，而塑性環(huán)的壁厚 不可能是均勻的，當(dāng)氣壓的擠壓力超過塑性環(huán)最薄壁處的抵擋能力時，就會從 此處產(chǎn)生金屬液體的噴射，形成液態(tài)金屬的飛出，這種現(xiàn)象即為飛濺。 飛濺通常分為外部飛濺和內(nèi)部飛濺。外部飛濺通常同電極一焊件觸點(diǎn)的金 屬過熱有關(guān)。通常在電極壓力小，電流密度大，工件傾斜于電極軸線，工件或 電極表面狀態(tài)不良以及單謠焊接存在分流等情況下，都容易發(fā)生外部飛濺。內(nèi) 部飛濺又分為前期飛濺和后期飛濺。前期飛濺發(fā)生于熔化焊核出現(xiàn)之前，而且 往往由于工件與工件接觸處金屬的過熱造成；后期飛濺發(fā)生在熔化過程的后 期，這種飛濺同金屬熔化而產(chǎn)生的力致使密封環(huán)形成局部的張開縫隙有關(guān)。 如果焊接過程正常進(jìn)行，上述張開的縫隙往往被以一定速率進(jìn)行塑性變形 的金屬所填滿，這樣就可以使液態(tài)金屬焊核的四周保持密封。如果焊核周圍金 屬是絕對非塑性的，即絲毫不能進(jìn)行塑性變形，則飛濺就無法避免。當(dāng)然在加 熱速率和塑性環(huán)的增長速度之間應(yīng)保持一定的關(guān)系，如果塑性環(huán)的增長速度滯 后于加熱速度，它就會成為形成后期飛濺的主要原因。塑性變形的強(qiáng)烈程度取 墮筌鎏三些盔蘭王蘭堡圭蘭竺簍蘭 決于作用在觸點(diǎn)上的應(yīng)力和進(jìn)行塑性變形金屬的強(qiáng)度，隨著熔核直徑、熔深以 及觸點(diǎn)尺寸的增大，張開密封環(huán)的內(nèi)力增大及壓緊變形區(qū)的壓強(qiáng)減小，飛濺的 可能性增大。 2 4 2 點(diǎn)焊飛濺的物理過程及產(chǎn)生的原因 液體金屬噴射時，將從熔化區(qū)帶走大量的金屬，使熔化處形成凹坑。這種 凹坑的形成將使接觸處出現(xiàn)空洞。飛濺的路線上也會形成隧道，外界的氣體將 由隧道進(jìn)入空洞。金屬在焊接壓力和熱能的作用下產(chǎn)生位錯、位錯移動、位錯 攀移、金屬液流，將隧道在滯后于空洞形成時堵塞，塑性環(huán)又得到修復(fù)。 如果空洞產(chǎn)生在焊接初期，由于焊接時的加壓和加熱還可能消除。如果是 中期和后期產(chǎn)生的空洞，則因焊接接近結(jié)束，空洞內(nèi)的氣體壓力增大，外加壓 力不足，電極對中性又差時，很可能不能消除，這樣，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電 性能將明顯降低，而達(dá)不到產(chǎn)品要求。 前期飛濺產(chǎn)生的原因大致是；焊件表面清理不佳或接觸面上壓強(qiáng)分布嚴(yán)重 不勻，造成局部電流密度過高引起早期熔化，此時因無塑性環(huán)保護(hù)必發(fā)生飛 濺；后期飛濺產(chǎn)生的原因是：熔化核心長大過度，超出電極壓力有效作用范 圍，從而沖破塑性環(huán)在徑向造成內(nèi)飛濺，在軸向沖破板表面造成外飛濺。這種 情況一般產(chǎn)生在電流較大、通電時間過長的場合。 2 5 點(diǎn)焊飛濺的影響因素 點(diǎn)焊前期飛濺一般受焊件表面狀態(tài)及異種金屬接觸面上產(chǎn)生的沖擊電流 ( 帕爾帖效應(yīng)) 所影響，而后期飛濺主要受焊機(jī)隨動性、電源波動以及溫差電 流( 塞貝克效應(yīng)) 和焊后的感生電流等因素影響【1 8 】。總體說來，點(diǎn)焊飛濺的影 響因素主要有以下幾種： ( 1 ) 焊接電流的影響電流過大，使加熱過于強(qiáng)烈，引起金屬過熱、飛濺。 ( 2 ) 電極壓力的影響電極壓力過小時，由于焊接區(qū)金屬的塑性變形范圍及 變形程度不足，造成因電流密度過大而引起加熱速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度，從 而產(chǎn)生嚴(yán)重飛濺。 ( 3 ) 焊材表面狀況的影響焊件表面的油脂、氧化膜、鐵銹等會增大某些焊 材的接觸電阻，易引起點(diǎn)焊前期飛濺。 ( 4 ) 分流的影響單面點(diǎn)焊由于分流嚴(yán)重會使電極與工件局部接觸表面( 偏 向分流方向的部位) 過熱，甚至熔化，嚴(yán)重時形成初期表面飛濺。同時，分流 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 還會引起熔核歪斜并溢出焊件表面而形成晚期飛濺。 ( 5 1 焊接規(guī)范的影響軟規(guī)范和硬規(guī)范產(chǎn)生飛濺的傾向不同。例如，奧氏體 不銹鋼采用硬規(guī)范點(diǎn)焊時飛濺傾向較大。 ( 6 ) 電源網(wǎng)壓波動的影響工廠中，多臺焊機(jī)和設(shè)備共用同一電源，當(dāng)其它 設(shè)備停止工作時，焊接電路的電源電壓會突然升高，焊接回路電流突增，容易 引起點(diǎn)焊后期飛濺。 2 6 減少點(diǎn)焊飛濺的措施 防止前期飛濺的措施有：加強(qiáng)焊件清理質(zhì)量，注意預(yù)壓前的對中。有條件 時可采用漸升電流或增加預(yù)熱電流來減慢加熱速度，避免早期熔化而引起飛 濺。后期飛濺可用縮短通電時間和減小電流的方法以及增加維持時間來防止。 2 7 本章小結(jié) 本章分析了點(diǎn)焊基本焊接循環(huán)過程及物理規(guī)律，闡述了點(diǎn)焊過程飛濺的定 義與分類并分析了點(diǎn)焊飛濺的產(chǎn)生原因、影響因素及減少飛濺的措施。 第3 章電阻點(diǎn)焊過程動態(tài)電阻的計算 在電阻焊點(diǎn)焊過程中，焊接區(qū)電阻的變化規(guī)律，屬于電阻焊的基礎(chǔ)理淪問 題。經(jīng)過多年的研究，現(xiàn)已確立了電阻點(diǎn)焊各組成電阻在冷、熱狀態(tài)時的變化 規(guī)律以及它與表面狀態(tài)、電極力、焊接電流等因素的關(guān)系，并進(jìn)一步肯定了動 態(tài)電阻不但考慮了電壓、電流的因素，而且與熔核大小有著密切的關(guān)系。 由于點(diǎn)焊熱量的產(chǎn)生是基于電阻熱的影響，它由焊接區(qū)的電阻和通過該區(qū) 的電流所決定。可見，動態(tài)電阻是產(chǎn)生電阻熱的內(nèi)在因素。而低碳鋼點(diǎn)焊過程 中的實際動態(tài)電阻特性對焊接熱規(guī)范的波動十分敏感。任何引起焊接區(qū)功率密 度下降的因素都導(dǎo)致動態(tài)電阻特性曲線峰值點(diǎn)到達(dá)時刻的推移和峰值點(diǎn)過后的 下降速度變緩。反之，則會導(dǎo)致峰點(diǎn)到達(dá)時間提前及動態(tài)曲線峰點(diǎn)后的急劇下 降，甚至在有飛濺行為出現(xiàn)時發(fā)生突變。 因此，本課題關(guān)于飛濺動態(tài)特征參量的提取有必要從動態(tài)電阻曲線入手， 選擇動態(tài)電阻作為檢測點(diǎn)焊飛濺的動態(tài)特征參量，分析其變化規(guī)律及特點(diǎn)。 3 1 點(diǎn)焊時的電阻 點(diǎn)焊焊接區(qū)總電阻r ，由焊件間接觸電阻r c l 、電極與焊件間接觸電阻 2 r c 2 及焊件本身的內(nèi)部電阻2 r b 共同組成( 參見圖3 1 ) 。 圖3 - 1 點(diǎn)焊時電阻的分布示意圖 哈爾濱_ t 業(yè)大學(xué)工學(xué)碘士學(xué)位論文 r = r c l + 2 r c 2 十2 r 口 ( 3 - 1 ) 由電阻定律可知，焊件內(nèi)部電阻如= 譬，式中，p 為電阻率；z 為導(dǎo)體長 度：s 為導(dǎo)體橫截面積。 關(guān)于接觸電阻的理論及計算，本文第一章已經(jīng)做了介紹。它由收縮電阻和 表面膜電阻兩部分組成，即r c = r s + r ，；其中，凰為收縮電阻，毋為表面膜 電阻，他們可按下式計算嘲： 恥0 8 9 一警 ( 3 2 ) r ，：掣( 3 - 3 ) 3