一種基于數據統計的電阻點焊飛濺快速識別方法

路向琨　徐昊　翟寶亮　尉學森　薛金磊

摘要：鍍鋅板電阻點焊時飛濺問題日益突出，嚴重影響汽車白車身的焊接質量。提出一種基于數據統計的電阻點焊飛濺快速識別方法，通過采集點焊過程的焊接電流、焊接電壓，計算出焊接過程的動態電阻曲線，運用數據統計方法分析曲線的變化過程，實現了焊點飛濺的快速識別，并給出了飛濺嚴重程序的指標。該方法簡化了飛濺識別算法，可以方便地移植到MCU中實現焊點飛濺在線識別的邊緣計算。

關鍵詞：電阻點焊;飛濺;動態電阻;標準差;特征值

中圖分類號：TG453.9文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0098-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.20

0 前言

電阻點焊是一種效率高、實現簡單、成本低的連接方法，廣泛應用于工業生產[1-3]。其焊接缺陷主要包括焊點變形、焊點壓痕過深、飛濺、燒穿等[4]。近年來，汽車白車身制造過程中越來越多地應用鍍鋅板，其電阻點焊較傳統鋼材更為困難，更易產生飛濺，造成焊接質量的不穩定。由于焊點質量檢測往往需要破壞性檢驗，既浪費成本又不具代表性，因此實現電阻點焊飛濺快速識別方法和在線監測是工業現場的迫切需求[5]。

在點焊過程中，由焊件貼合面或電極與焊件表面間噴出微細熔化金屬顆粒的現象被稱為“點焊飛濺”[6]。產生飛濺的根本原因是由于塑性環失效，失去了對熔池金屬的包容作用，造成金屬飛出現象。而金屬飛出會造成電極兩端所壓工件的電阻發生突變。電阻點焊通常無法直接測量電極兩端的電阻，但是電流和電壓較易測量。文中針對1.2 mm厚鍍鋅板的電阻點焊，通過搭建點焊設備信號采集系統，采集焊接過程中的電流和電壓信號，由歐姆定律計算得到整個焊接過程電阻隨時間動態變化的動態電阻曲線[7]，運用統計分析和歸一化的方法對動態電阻曲線進行特征指標提取，通過與閾值比較得出是否發生飛濺的定性指標以及飛濺發生時刻和飛濺嚴重程度的定量指標。

1 采集系統

試驗采用天津七所高科技有限公司生產的焊接控制器和焊鉗，其中中頻直流點焊機型號為KDB-600，逆變頻率1 kHz，一體化焊鉗變壓器容量為90 kVA，最大焊接電流20 kA，采用比例閥連接氣缸進行加壓，電極材料為鉻鋯銅，采樣頻率1 kHz。電流信號由羅氏線圈傳感器采集，傳感器封裝于焊鉗變壓器次級輸出端。電壓信號通過連接在上、下電極間的導線直接測量。為避免點焊過程中磁場的干擾，引出的導線均采用屏蔽雙絞線接入焊接控制器中[8]。焊接完成后焊接控制器通過設備的以太網接口將采集的電流和電壓數據發送到上位機后通過Python語言進行波形顯示和數據處理，并給出飛濺的定性和定量指標。

2 動態電阻曲線分析

2.1 動態電阻獲取

鍍鋅板是工件表面鍍有一層鋅的鋼板，可以有效防止工件表面遭受腐蝕并延長其使用壽命。試件為1.2 mm厚鍍鋅板，尺寸65 mm×180 mm。

動態電阻表征導體兩端電壓隨電流變化的快慢[8]。通過采集點焊過程中的電流和電壓信號，按照歐姆定律經計算得到點焊過程中的動態電阻曲線。焊接控制器能夠實時并同步監測焊接過程中的電流、電壓信號，從而實時獲取準確的動態電阻信號。

2.2 動態電阻特征分析

2.2.1 無飛濺焊點動態電阻分析

無飛濺焊點的動態電阻曲線如圖1所示。在焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊點區溫度快速升高，整體接觸電阻迅速減小，焊點區溫度增加但未熔化，表現為前10 ms的陡降區;隨著焊點區域溫度的升高，試件電阻率逐漸變大，電阻逐漸變大。在此階段后期金屬開始熔化，表現為第10～100 ms的上升區;隨著溫度不斷升高，液態熔核逐漸長大，電阻變小，動態電阻由最大值緩慢下降直到焊接結束，表現為第100～300 ms的緩降區。

2.2.2 有飛濺焊點動態電阻分析

有飛濺焊點的動態電阻曲線如圖2所示。在動態電阻緩降區，電阻下降得越多，說明熔化形成的液相金屬越多。在不發生飛濺時，熔化的金屬越多，熔核直徑越大，但是如果塑性環失效就會發生飛濺，此時動態電阻會出現驟降，而且陡降變化越大，表明產生的飛濺越嚴重。

3 飛濺焊點特征值提取

標準差的定義是總體各單位標準值與其平均數離差平方的算術平均數的平方根，反映了組內個體間的離散程度[9-11]。分析動態電阻信號特性可知，焊點發生飛濺時，動態電阻信號會發生驟降，且驟降時長通常持續10 ms。針對這一特點通過Python語言建立焊點飛濺識別模型，通過計算數據標準差和提取特征值，將特征值與閾值進行比較，得出是否飛濺以及飛濺的定量指標。該方法實現簡單，計算速度快，可以方便地移植到各種MCU中，在控制器上即可實現焊點飛濺的在線識別，具體實現流程如圖3所示。

（1）求取標準差數據：建立一個長度10 ms的時間窗，對時間窗內的動態電阻數據求取標準差，通過逐漸移動時間窗的方式依次計算整個動態電阻在對應時間窗內的標準差。

（2）對標準差數據進行預處理：一是通過前后對稱補0將標準差數據長度補充到與動態電阻數據的長度相同;二是通過分析焊接波形可知，焊接前20%時間內焊點還未形成液態金屬，不會發生飛濺，所以對焊接前20%時間范圍內的標準差數據置0，濾除該段波形的干擾。

（3）對標準差數據進行歸一化：歸一化是一種簡化計算的方式，即將有量綱的表達式經過變換，化為無量綱的表達式，成為標量，經過歸一化數據范圍變為[0，1]。文中采取的歸一化算式為

式中 Xnorm為歸一化后的數據;X為原始數據;Xmax、Xmin分別為原始數據集的最大值和最小值。

（4）提取特征值：將歸一化后的標準差數據求取算數平均值μ，即飛濺特征值。

（5）閾值比較：設定1作為閾值，根據飛濺特征值的3倍與閾值比較得出飛濺的定性指標，當發生飛濺時，以飛濺特征值與閾值的偏離程度作為飛濺嚴重程度的定量指標，即（1-μ）%，飛濺發生時刻為歸一化標準差取得最大值時刻。

4 試驗結果

針對鍍鋅板電阻點焊過程，開展點焊過程參數在線監測及焊點飛濺在線評估，通過選取一定量的點焊試片進行焊接試驗，將系統識別結果與實際焊點飛濺情況進行對比，驗證鍍鋅板電阻點焊飛濺識別系統的穩定性、可靠性及準確性。

4.1 無飛濺焊點的系統識別的驗證

為了便于動態電阻與標準差波形的觀察比較，系統將動態電阻也進行了歸一化，系統識別合格焊點波形如圖4所示。圖中橫軸虛線為提取的飛濺特征值，為0.51。由于飛濺特征值3μ>1，系統識別為未飛濺。為驗證系統的可靠性，對該焊點進行觀察后發現，焊點表面未發生飛濺（見圖5），與系統識別結果一致。

4.2 有飛濺焊點的系統識別的驗證

系統識別飛濺焊點波形如圖6所示。圖中橫軸虛線為提取的飛濺特征值，為0.121 7。由于3μ<1，故系統識別為飛濺。為驗證系統的可靠性，觀察該焊點后發現其表面發生飛濺（見圖7），與系統識別結果一致。圖6中豎軸虛線表示所識別出的飛濺發生時刻為第198 ms且飛濺嚴重程度為87.83%，與動態電阻曲線驟降最嚴重處相吻合。通過多組試驗對識別系統進行反復驗證，焊點飛濺信息識別準確，效果理想，具有良好的工程應用價值。

5 結論

（1）鍍鋅板電阻點焊動態電阻曲線可分為陡降區、上升區、緩降區。無飛濺焊點動態電阻曲線達到上升區峰值后呈現緩慢下降。飛濺焊點動態電阻曲線在緩降區發生驟降，持續約10 ms。

（2）提出一種通過時間窗對動態電阻進行劃分求取標準差并以標準差的算數平均值作為飛濺特征指標的方法，通過與閾值比較，可以有效地識別焊點飛濺，并給出焊點飛濺的定量指標。

（3）該焊點飛濺識別方法實現簡單，計算速度快，可以方便地移植到各種MCU中進行邊緣計算，實現在控制器中對焊點飛濺的在線識別。

參考文獻：

[1] 周嵐，於建偉，曹靜. 電阻點焊質量監控技術的發展現狀及趨勢[J]. 電焊機，2008，38（12）：37-40.

[2] 曾鴻志，單平. 電阻點焊過程及質量控制方法的研究進展[J]. 焊接技術，2000，29（5）：1-3.

[3] MESSLER J R. Review of control systems for resistance spot welding：past and current practices and emerging trends[J]. Science & Technology of Welding & Joining，1996，1（1）：1-9.

[4] 王亞榮，張忠典，馮吉才. 電阻點焊過程中的動態電阻的變化規律[J]. 電焊機，2006，36（2）：42-44.

[5] 劉照偉，楊立軍，史彩云，等. 電阻點焊質量監控技術的發展現狀和趨勢[J]. 電焊機，2006，36（9）：1-3.

[6] 包 曄，朱振友. 鍍鋅鋼板白車身的點焊噴濺問題[J]. 焊接，2005（7）：27-29.

[7] 胡心彬，萬斌，董仕節，等. 汽車用鍍鋅鋼板電阻點焊工藝參數的優化[J]. 熱加工工藝，2010，39（23）：206-207.

[8] 文申柳，余滕義，王非森，等. 焊接電流對鍍鋁鋅鋼板點焊接頭質量的影響[J]. 熱加工工藝，2009，38（11）：134135，137.

[9] 張軍，黃東龍，李強，等. 基于嵌入式系統的電阻點焊飛濺信息在線判讀[J]. 電焊機，2011，41（10）：21-24.

[10] 呂恕，朱宏. 統計數據中異常值的檢驗方法討論[J]. 東北師大學報（自然科學版），1993（3）：27-31.

[11] 趙慧，甘仲惟，肖明. 多變量統計數據中異常值檢驗方法的探討[J]. 華中師范大學學報（自然科學版），2003，37