電阻點焊應變式壓力傳感器彈性體的設計及應用

（西北工業大學凝固技術國家重點實驗室摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西西安710072）

電阻點焊應變式壓力傳感器彈性體的設計及應用

翁福娟，張 勇，葉 武，周昀蕓，滕 輝

（西北工業大學凝固技術國家重點實驗室摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西西安710072）

針對電阻點焊壓力的在線監測，根據電阻點焊電極受力分析結果，提出通過縮短壓力傳感器與電極間的安裝距離、減少受力不平衡帶來的測量誤差的方法。設計可直接安裝在下電極及其電極握桿之間的應變式壓力傳感器，并對其彈性體進行設計計算。測試結果表明，該傳感器能夠實時測量電阻點焊過程中的電極壓力，及時響應點焊熔核形成過程壓力的瞬時變化，可間接預測熔核大小、監測焊接過程中的飛濺。

電阻點焊；壓力傳感器；彈性體；飛濺

0 前言

在電阻點焊中，電極壓力是一個重要的工藝參數。當電極壓力過小時，焊接區金屬的塑性變形范圍和變形程度不足，接觸電阻增大，電流密度過大，加熱速度增大而塑性環來不及擴展，從而產生嚴重飛濺；當電極壓力過大時，焊接區接觸面積增大，總電阻和電流密度減小，散熱增加，熔核尺寸減小，甚至造成未熔合、未焊透等缺陷[1]。因此，動態電極壓力的在線監測對焊點質量的監控具有重要意義。

目前，測量壓力的傳感器很多，常用的有壓電式和應變式兩種。壓電材料受力后表面產生電荷，該電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出，壓電式壓力傳感器即基于此原理。應變式傳感器是通過應變計和彈性元件將機械構件的應變或應力轉換為電阻的微小變化再進行電量測量的裝置，應變計直接粘貼在彈性元件表面，不直接承受壓力，因此可將應變計放置于盡可能靠近焊件的位置。C.S.Chien等人[2]采用壓電晶體環和應變規傳感器測量電極壓力，其中壓電晶體環傳感器安裝在接近下電極處。高戰蛟等人[3]利用壓電環傳感器對鋁合金電阻點焊過程壓力信號進行了研究。羅賢星等人[4]在焊接回路之外安裝壓電式傳感器直接測量受力大小，該方法對焊機改動較大，且傳感器離焊件較遠，不滿足受力平衡條件，測量值與焊件實際受力存在差異。S.A.Gedeon等人[5]采用全橋應變片測量點焊過程上極臂的變形，用于監測點焊的飛濺缺陷。李強等人[6]采用一種安裝于氣缸內的電阻應變式傳感器測量電極壓力。潘存海等人[7]采用高靈敏石英應變傳感器和與之配套的工業電荷放大器測量電極壓力，傳感器安裝在下電極臂，對焊機改動較小，但傳感器距離焊件較遠，運動過程受力不平衡對測量結果有影響。

本研究建立了電阻點焊過程中電極的受力模型，設計制作了一種可以直接安裝在焊接回路中的電阻點焊壓力測試專用的應變式傳感器，分析該傳感器在監測熔核形成過程及焊接飛濺缺陷的應用。

1 電阻點焊電極受力模型

典型的氣動式電阻點焊機受力情況如圖1所示。

在機頭上升和下降過程，機頭本身受力不平衡，發生變速運動，若加速度為a（方向向下為正），根據牛頓第二定律，機頭下壓時，有

式中 m為活塞以下機械構件的質量；G為活塞以下機械構件的重力；FC為扣除氣缸中密封零件造成的損失后，氣缸作用在活塞桿上的推力；Ff為活塞桿導向襯套內，活塞桿受到的摩擦力。

機頭上升時，有

摩擦力Ff與活塞桿和活塞導向襯套間壓力FN、接觸面的摩擦系數f有關。FN則可根據力矩平衡關系求得，即

圖1 氣動式點焊機電極受力分析Fig.1 Electrode force analysis of pneumatic spot welding machine

式中 l為活塞桿軸線與電極軸線間的距離；h為活塞在導向襯套內的高度。

可見由于氣缸軸與電極軸不再同一直線，活塞桿與活塞導向襯套間的壓力將隨電極壓力變化而變化，摩擦力Ff也將隨之變化，此時有

將式（4）代入式（1）和式（2），可得機頭下壓時的電極壓力為

機頭上升時的電極壓力為

由式（5）和式（6）可知，氣缸壓力 FC、摩擦力 Ff與加速度a是影響焊接壓力的主要因素。通過測量氣缸壓強來間接評估焊接過程中工件所受壓力的方法，實際上只反映了氣缸壓力FC的變化，而未考慮其他因素的影響，測量誤差較大。

為了提高測量精度，應盡可能將傳感器放置在電極軸線上，滿足力矩平衡關系；且傳感器應盡可能靠近被焊工件，這樣測試位置與電極端面間機械構件的質量減少，從而在動態壓力測試過程中，由加速度a帶來的測量誤差相應減少。

2 電阻點焊專用壓力傳感器彈性體的設計

根據上述分析結果，設計電阻點焊專用壓力測試傳感器如圖2所示，主要由彈性體、應變片、密封圈和保護罩等組成。傳感器通過其內錐面和外錐面分別與點焊機的下電極和下電極握桿相連，滿足力矩平衡條件，又通過縮短傳感器與電極間的安裝距離，減少由加速度a帶來的測量誤差。焊接時，電極壓力使彈性體產生應變，測量應變的大小即可得到被焊工件的受力情況。

圖2 壓力傳感器的組成及結構Fig.2 Structure of the force sensor

傳感器彈性體采用與電極握桿相同的H62銅合金材料。測試應變片粘貼在彈性體中部外壁，此處橫截面積最小，應力分布較均勻，可獲得最大的應變，從而提高傳感器的測量靈敏度。測試應變片粘貼位置的截面積不能太小，其尺寸設計是傳感器彈性體設計的關鍵，必須保證彈性體在受到最大軸向應力時不發生塑性變形。

為保證彈性體卸載后能夠恢復初始狀態，彈性體所受最大軸向應力必須小于H62黃銅的彈性極限。H62黃銅的力學性能如表1所示。

表1 黃銅H62室溫下的力學性能Table 1 Mechanical properties of H62

取安全系數 n=1.5，則許用應力[σ]為

彈性體所受應力大小為

式中 d為中空彈性體內徑；D為中空彈性體外徑。

根據所測電極壓力的最大值及冷卻水通道直徑，即可由式（8）求得彈性體的最小外徑。

為使應變計粘貼部位應力分布比較均勻，其高度不能太小，對于空心圓柱體彈性體，高度H設計一般為

式中 L為應變片基底的長度。

3 傳感器的測試及應用

3.1 傳感器的測試

電極壓力傳感器的測試采用NA-200-4型氣動式交流電阻點焊機。不通電空程運行時不同壓力下的測試結果如圖3所示。

圖3 不通電空程時電極壓力的測試結果Fig.3 Test results of electrode pressure with no current

由圖3可知，隨著電極壓力的增加，測試得到的壓力信號增大，壓力從開始施壓到達到穩定階段的時間越長。上述結果反映了測試點焊機儲氣能力不足，且氣源較遠，不能及時補充高壓氣體的實際情況。

設定電極壓力5.0 kN、焊接電流8.1kA、通電時間0.3 s條件下，焊接兩層1.5 mm厚低碳鋼板無飛濺時，壓力傳感器輸出信號與焊接電流的測試結果如圖4所示。

由圖4可知，在通電電流上升階段，焊接區金屬受熱體積膨脹，電極壓力隨之逐漸升高；隨著通電時間延長，開始形成熔化核心并快速增大，促使上電極隨之向上位移，電極壓力也隨之快速升高；隨著加熱過程的繼續，當通電時間超過約0.2s后，由于熔化金屬進一步增多，熔核周圍塑性環進一步擴大，使得焊接區金屬軟化面積增大，電極壓力隨之下降；切斷焊接電流后，點焊熔核即進入快速冷卻結晶過程，焊接區金屬體積收縮，并使電極壓力也進一步減小；當點焊熔核冷卻結晶過程結束后，焊接區金屬體積達到穩定狀態，電極壓力逐漸恢復平穩。

圖4 焊接兩層1.5 mm厚低碳鋼板測試結果Fig.4 Welding test results of 1.5mm thick low carbon steels

上述結果表明，所設計的傳感器能夠及時響應電阻點焊熔核形成過程壓力的瞬時變化。

3.2 傳感器在監測熔核形成及飛濺中的應用

電阻點焊過程中，任何一個因素的變化都會影響焊接區熱輸入和形核過程，進而使得在焊接階段的電極壓力呈現動態變化，因此采集壓力信號可用于監控熔核形成及焊接質量。

在NA-200-4型交流點焊機上，設定電極壓力5.0 kN、通電時間0.2 s，改變焊接電流，焊接2 mm+2 mm 30CrMnSi鋼板，測得的壓力信號曲線及結合界面焊點情況如圖5所示。

由圖5可知，30CrMnSi鋼板點焊時的電極壓力曲線在通電初期逐漸升高，然后在通電階段中后期達到峰值，隨后下降。隨著焊接電流的增加，熔核直徑逐漸增大，當電流為8.3 kA時，出現嚴重飛濺。

計算通電初期壓力上升率和通電后期壓力下降率發現，隨著焊接電流的增加，通電初期壓力上升率及通電后期壓力下降率都逐漸增大。分析認為：通電初期，焊接電流產生的焦耳熱，使得焊接區金屬受熱膨脹并逐漸熔化形成熔核，電極壓力增大，曲線上升；且焊接電流越大，金屬受熱膨脹越快，熔化越多，熔核越大，壓力曲線上升率越大。通電后期，隨著通電時間的延長，輸入熱量增加，熔核熔化金屬增多，塑性環及熱影響區擴大，焊接區金屬抗塑變能力變小，電極壓力下降；且焊接電流越大，熔核金屬熔化量越多，塑性環及熱影響區擴展越大，即焊接熔核越大，電極壓力下降率越大。當焊接電流增大到一定程度，導致熔核生長速度大于其周圍的塑性環擴展速度，熔核熔化金屬會沖破塑性環的約束而形成嚴重飛濺；液態金屬快速飛出后，在電極壓力作用下熔核被迅速壓縮，壓力快速下降。由式（5）、式（6）電極下降及上升時的受力模型可知，電極壓力在下降時需減去摩擦力，上升時需加上摩擦力，因此當出現嚴重飛濺時，電極壓力有一個明顯的變化過程（見圖5d）。

綜上所述，采用本研究設計的電極壓力傳感器能夠判斷焊接區金屬的熔化量，間接預測熔核大小，并可監測焊接飛濺。

4 結論

（1）氣缸壓強、活塞桿與導向襯套間的摩擦力以及加速度是引起氣動式電阻點焊電極壓力變化的三個主要因素，通過縮短壓力傳感器與電極間的安裝距離，可減少因受力不平衡帶來的測量誤差。

（2）安裝在下電極與下電極握桿之間的中空方式應變式壓力傳感器，其彈性體中空截面積和高度是設計的關鍵。

（3）設計的傳感器能夠及時響應點焊熔核形成過程壓力的瞬時變化，可用于間接預測熔核大小、監測焊接過程飛濺。

圖5 不同焊接電流條件下2 mm+2 mm 30CrMnSi鋼板點焊測得的圧力曲線及結合界面焊點情況Fig.5 Pressure curve and the bonding interface solder joint situation of 2 mm+2 mm 30CrMnSi steel plate underdifferent welding current

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Design andapplication ofthe elastomer ofresistance spot weldingstraintype pressure sensor

WENG Fujuan，ZHANG Yong，YE Wu，ZHOU Yunyun，TENG Hui
（Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For the online monitoring of electrode force in resistance spot welding，according to the force analysis results，a method making use of shortening the mounting distance between the pressure sensor and electrode to reduce the measurement error caused by the unbalanced force is proposed.A strain type pressure sensor which can be directly arranged between the lower electrode and the electrode holder is designed，and the design and calculation of its elastomer are completed.The test results show that the sensor can measure the electrode pressure in the resistance spot welding process in real time，timely response to the transient changes of pressure in nugget formation process，indirectly predict the size of the nugget and monitor the splash during the welding.

resistance spot welding；pressure sensor；elastomer；splash

TG438.2

A

1001-2303（2017）09-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.01

本文參考文獻引用格式：翁福娟，張勇，葉武，等.電阻點焊應變式壓力傳感器彈性體的設計及應用[J].電焊機，2017，47（01）：1-5.

2017-04-07

國家自然科學基金資助項目（51275418）；陜西省重點科技創新團隊項目（2014KCT-12）；陜西省科技統籌創新工程計劃項目（2012HBSZS021）

翁福娟（1990—），女，碩士，主要從事電阻點焊質量控制的研究。E-mail：wengfuj@163.com。