點焊信息在線監測與評估在航天器艙體結構中的應用

陳 材，祁俊峰，陳樹君

（1.北京衛星制造廠，北京 100190；2.北京工業大學，北京 100022）

0 前言

航天器密封艙為焊接結構，涉及點焊位置達幾百處。電阻點焊是一個高度非線性、多變量耦合作用和大量隨機不確定因素相互影響的過程，焊接條件短時波動就可能造成較嚴重的飛濺、虛焊或脫焊[1]。在航天領域，許多關鍵部件不允許整體解剖，需要人工檢查每一個焊點，難以準確判定虛焊（或熔核偏小）。由于點焊形核時間極短，無法直接觀測，對于點焊質量目前還缺乏可靠、實用的無損檢測手段。因此，在點焊過程中監測和控制熔核的尺寸、冶金缺陷和接頭強度的穩定性，實現對接頭質量的控制十分迫切[2-3]。

近年來，基于焊接過程動態信號特征分析進行接頭質量在線監控的研究受到關注。如利用動態電阻曲線特點或電極壓力進行點焊質量監控的單參量監測技術得到了應用[4-5]。隨著計算機技術和人工智能的發展，采用統計分析、人工神經網絡、模糊控制等方法建立焊接參數與質量信息之間的關系，預測焊點質量的多參量監測技術也得到廣泛研究[6-9]。現階段研究對象一般集中在低碳鋼、鈦合金等，對鋁合金點焊信息監測研究較少[4，7]。

針對航天器密封艙點焊質量在線監測的需求，建立了一套點焊信息在線監測與評價系統，通過統計分析采集到的原始特征信息值，實現對焊點飛濺、虛焊（或焊點熔核偏小）質量的在線評估。系統硬件包括點焊設備、4種傳感器、濾波電路、數據采集卡、工控機，其結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 Hardware of the system

1 質量信息特征的提取和判斷方法

除了材料表面狀態及裝配等因素，點焊質量主要由點焊能量、焊點受力和焊接時間決定。針對焊點飛濺、虛焊（或焊點熔核偏小），選取點焊電流、電壓、電極壓力、電極位移等參數進行分析。

（1）電流、電壓信號。

采用瑞士蘇萊特點焊機進行焊接，焊接過程電流較為穩定，焊接能量的大小與電流直接相關，焊接電壓由焊接過程的動態電阻決定。某金屬正常點焊條件下的電流、電壓波形如圖2所示。由測得的焊接電流、焊接電壓，可以得出動態電阻曲線。

圖2 正常焊接條件下的電流、電壓波形Fig.2 Welding current and voltage curves under normal conditions

（2）動態電阻信號。

不同熱量輸入下動態電阻曲線如圖3所示（縱軸單位是mΩ，橫軸表示采樣點數，采樣頻率10kHz）。點焊過程中動態電阻變化分為3個階段：焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊接區溫度快速升高，試件表面的氧化薄膜迅速燒結，粗糙的表面迅速瓦解，由于接觸電阻的快速下降，動態電阻曲線出現陡降區。隨著焊接推進，表面接觸電阻基本消失，同時焊接區溫度升高使材料內阻增加，出現平緩區；此后，材料發生熔化，由于液態金屬的電阻低于固態金屬，所以動態電阻再次緩降。在動態電阻再次緩降過程中，動態電阻下降越多，表明熔化的液相金屬越多，在不發生飛濺時熔核直徑越大，但如果焊接電流過大，電極壓力不足以將液相金屬保留在塑性環內，過多的液相金屬會飛出熔核區，即發生飛濺。

研究發現，未熔合或焊核偏小的焊點動態電阻均值明顯小于合格焊點的動態電阻均值。熱輸入量小時，焊點未熔合，動態電阻曲線除開始階段有陡降外（氧化膜燒結、粗糙表面瓦解），其他部分相對平緩，而正常情況下在第三階段由于金屬熔化會導致動態電阻再次快速下降。隨著熱量輸入的增加，開始階段由氧化薄膜燒結速度加快導致的接觸電阻下降更快；試件開始熔化的時間提前，反映在平緩區時間縮短；熱量輸入過大時會發生飛濺，在不發生飛濺的情況下，動態電阻曲線收尾值越小，焊接質量越好。

（3）電極位移信號。

圖3 動態電阻曲線Fig.3 Dynamic resistance curve

電極位移能反映點焊過程中熱膨脹和熔核生長引起的體積變化，并以此預測焊接質量。一個特定材料和厚度的工件，合格的焊點必對應一個合適的電極位移范圍。不同熱輸入下的電極位移曲線如圖4所示。當熱量輸入非常低時，不足以引起搭接面處的熔化或者只熔化很小一部分，電極位移主要反映接頭處的熱膨脹。冷卻后電極位移將基本回到焊接起始位置。當熱量輸入達到一定水平后，理想的熔核才能形成。熔核形成時間越早、尺寸越大，在位移曲線上出現的變化越快速、越大。在冷卻過程中，由于相變和熱膨脹更大，所以電極位移曲線在停止焊接電流后的變化也更大。如果輸入的熱量過高，熔核過度生長，熔化金屬過多會導致熔融金屬從接頭處飛出。

雖然飛濺時位移信號變化明顯，但利用位移信號作為判斷飛濺的手段仍不夠理想，如取位移信號的方差、極差、峰度、線性擬合等方法處理后的特征值不能完全與正常焊點區分，存在誤判現象，所以位移信號在質量監測中起輔助評估作用。

（4）電極壓力信號。

電極壓力和焊接質量密切相關。當電極壓力過低時，電極與母材間的接觸電阻增大會產生過熱，引起飛濺并降低焊點強度；壓力過大時，焊點熔核的直徑和焊透率都大大減少，造成焊點強度不足。

圖4 電極位移曲線Fig.4 Electrode displacement curve

不同熱量輸入下的電極壓力曲線如圖5所示，焊接時間1.1～1.25 s。1.1 s時刻開始施加焊接電流，壓力曲線上產生向上的噪聲；在1.15 s時刻，工件受熱膨脹，對上電極產生反作用力。一般認為，在動態壓力曲線的斜率的二階導數為0時，工件開始熔化，此后動態壓力曲線上升變得平滑，熔核熔化體積變大，對上電極產生反作用力。1.25 s時刻焊接電流結束，在壓力曲線上產生了向下的噪聲。從1.25 s開始，熔核區發生液固相變并冷卻，電極壓力逐級回到上氣缸對活塞的力。

由圖5可知，隨著熱量輸入的增大，熔核區固液相變的臨界點越靠前，曲線越來越往上移動；動態壓力曲線在熔核熔化前的斜率越來越大；熔核的相變膨脹對動態壓力的貢獻很小，動態壓力變化主要來源于熔核區的受熱膨脹；當熱輸入過大時（見圖5c），熔核迅速形成，當飛濺發生后，熔核區金屬飛出，熔核膨脹瞬間消失，壓力曲線產生躁動。

綜上可知，當焊點產生飛濺時，電極位移曲線上出現波紋，電極壓力信號上出現劇烈的振蕩，因此壓力曲線和位移曲線可以作為飛濺焊點的特征來分析，而壓力曲線表現更顯著。評估焊點是否飛濺可以從焊接電流最大值后截取電極壓力信號進行曲線擬合，將實際曲線與其擬合曲線相比較從而獲得特征值，對比該特征值與臨界閾值從而判斷是否產生飛濺。未熔合或焊核偏小的焊點動態電阻曲線除開始階段有陡降外，其他部分相對平緩，其均值明顯小于合格焊點的均值。因此，可以通過對比動態電阻的曲線走勢（斜率）或均值與臨界閾值關系來評估熔核偏小或未熔合。

圖5 電極壓力曲線Fig.5 Electrode pressure curve

2 點焊數據信息的評價和驗證

利用統計過程控制（SPC）方法統計分析采集到的點焊原始特征信息值，得到飛濺焊點和小熔核焊點質量評定的臨界閾值，鋁合金電阻特征值如表1所示，若兩個工件的厚度和為x，電阻閾值為y，則y=0.009x+0.105。可見未熔合焊點（含焊點過小、脫焊）的電阻特征值明顯大于正常焊點的電阻特征值，有較大的區分度。

表1 鋁合金點焊未熔合電阻特征值Table 1 Resistance characteristic value of aluminum alloy spot welding with incomplete fusion

鋁合金飛濺特征值如表2所示。厚度和在5 mm以下飛濺特征閾值設定為160，厚度和在5 mm以上的飛濺閾值設定為220。可以看出正常焊點與飛濺焊點的特征值差距很大，壓力特征值閾值可以明顯判斷飛濺。

表2 鋁合金點焊飛濺壓力特征值Table 2 Pressure characteristic value of aluminum alloy spot welding with spatter joint

焊接TB2鈦合金1.8 mm+1.8 mm未熔合時的系統軟件界面如圖6a所示，當右上方“未熔合”指示燈呈綠色時，動態電阻均值約為0.235 mΩ（見圖6b），而正常焊點動態電阻平均值約為0.27 mΩ（見圖6c）。由圖可知，焊核偏小時均值小、波形平穩，而正常的焊點均值較大、波形呈緩慢下降趨勢，動態電阻下降越多，說明熔化的液相金屬越多。

圖6 動態電阻曲線Fig.6 Dynamic resistance curve

拉開點焊接頭以驗證系統評估的準確性，焊點熔核直徑小于6 mm時即認為熔核直徑偏小。LF6鋁合金點焊驗證結果如表3所示，系統對飛濺的在線判斷準確率達100%，對未熔合（含熔核偏小、虛焊）判斷的準確率也很高，但尚有少量的輕微未熔合未判斷出來。從驗證結果看，該系統基本達到預期目標。

表3 LF6鋁合金點焊驗證結果Table 3 Validation results of LF6 aluminum alloy spot welding

3 結論

開發了點焊過程信息綜合評價分析系統，基于電極壓力信號的躁動能夠準確判定飛濺，基于頂鍛過程動態電阻值的閾值能夠判定未熔合。驗證結果表明該系統具有較高的可靠性。研究成果已應用于某型號密封艙桁條加強筋的焊接生產中，將為持續提高航天器密封艙焊縫質量穩定性、結構的可靠性和生產管理高效性發揮作用。

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