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1、Chapter 6 电阻焊的质量控制压 力 焊,1.电阻焊接头的缺陷,电阻焊的缺陷按显现部位不同，可分为外表缺陷与内部缺陷。由于工艺过程的差别，在搭接接头与对接接头中产生的缺陷不尽相同。,1.1 搭接接头中的缺陷,未熔合与未完全熔合缩孔裂纹结合线伸入喷溅压痕过深,1.未熔合与未完全熔合,未熔合与未完全熔合：是指母材与母材之间未熔化或未完全熔化结合的部分。是一种严重影响强度及密封性能的缺陷，不允许存在于要求力学性能及密封性能的零件之中。原因：焊接区热输入不足及散失热量过多。检验：主要靠常规的破坏性检验发现，仅对少数铝或镁合金可用射线检测去发现。预防：加强焊接参数的监控。,2.缩孔,产生原因：金属
2、加热时体积膨胀，当熔核金属为液态时具有最大的体积。冷却收缩时如周围塑性环未及时变形使内部体积相应减小，则产生缩孔。影响：缩孔呈不规则的空穴，虽会成小熔核截面，但对结合面的静载强度影响不大，而对动载或冲击则有一定影响。,2.缩孔,影响因素：缩孔的产生往往与电极压力不足有关。冷却时，塑性环变形不足或不及时，特别是在焊接厚板、高温强度高的材料或冷却速度快的材料时，电极的惯性造成加压不足是产生缩孔的主要原因。预防：点焊时可用低惯性电极和增加锻压力来克服，亦可采用减缓冷却速度的规范措施，缝焊时仅能采用后一种方案。,3.裂纹,裂纹产生的部位：有熔核内部、结合线上、热影响区及焊件表面。其中后三个部位的裂纹因
3、形成应力集中，危害严重，在承力件中不允许存在。在一般焊件中，熔核内部裂纹的长度应限制在不超过熔核直径的13。预防：主要措施为减缓冷却速度和及时加压，以减小熔核结晶时的内部拉应力。,4.结合线伸入,产生原因：当焊接高温合金或铝合金时，如清理不佳，表面将残留过厚的熔点高、致密且硬的氧化膜。在熔核形成过程中这层氧化膜未及彻底破碎，残留在焊件表面，不但在塑性环区界面存在，且限制了枝晶的生长，在熔核边缘形成突入熔核的晶界夹杂物，称结合线伸入。影响：该处应力集中，极易在运行时扩展成裂纹，一般不允许存在。,5.喷溅,点焊、凸焊或缝焊时，从焊件结合面或电极与焊件接触面间飞出熔化金属颗粒的现象，称为喷溅。喷溅处
4、在外表将影响美观，造成应力集中，严重时形成烧穿，影响使用性能。,6.压痕过深,影响：过深的压痕将引起应力集中，降低动载性能，应当避免。表面压痕应不大于单板厚度的10-20。预防：尽可能采用较硬的焊接规范及加强电极冷却，降低焊件表面温度。,1.2 对接接头中的缺陷,错位表面烧伤未焊透灰斑铁素体带（白带）层状撕裂脆性组织,1.错位,错位是指两被焊部分的轴线在接头上不相交而造成偏差。结果：错位造成焊着面积的减少，影响力学性能，故一般技术条件中的对此均有规定。产生原因：焊机刚度不够、顶锻力过大及伸出长度过长等。预防:最有效的是缩短伸出长度。,2.表面烧伤,部位：表面烧伤产生在钳口夹持部位而非焊口上。原
5、因：当夹紧力过小或夹持部位焊件表面清理不佳时，电流分布疏密严重不一，引起局部烧伤；当焊接可淬硬钢时，由于水冷钳口与焊件温差很大，还可在钳口外侧产生裂纹。,2.表面烧伤,预防：焊前应对焊件的夹持导电部位彻底清除氧化杂质，直至露出金属光泽。夹紧力必须足够大。焊接合金钢时，水冷导电块内侧与焊件接触处应修成圆滑过渡，以免温差过陡及应力集中引发裂纹。,3.未焊透,未焊透是指对接焊缝深度未达到设计要求的现象。在焊口内部存在大量夹杂物，原始界面未完全消失，严重时稍作敲打即可断成两截。这是最危险的缺陷。未焊透主要由顶锻不足引起的，在去毛刺前从接头外形可初步判别。检测：已去毛刺或机械加工后的零件中，仅有扩展到表
6、面的未焊透可用磁粉、萤光等法检出，内部未焊透可用超声波检测。,4.灰斑,闪光对焊时在端面形成一薄层液态金属，而其表面必有氧化膜。顶锻时当氧化膜不能完全随液态金属挤出接口时，将残留在接口局部组成脆性的灰斑区，而在冷弯或冲击时极易在此开裂。预防：加大顶锻留量，彻底挤出液态金属面上的氧化物，是很有效的手段。,5.铁素体带（白带）,现象：碳素钢闪光对焊的接头金相试样上，常出现一条窄的铁素体明显富集带，色泽淡于基体。此区硬度低、强度亦低。在静载时因带窄而反映不出强度下陷，但动载性能则有所下降。形成原因：闪光时碳元素先于其它元素烧损，后续碳元素来不及扩散而引起贫碳现象。预防：减少加热宽度与适当增大顶锻留量
7、。,6.层状撕裂,某些铝及铝合金闪光对焊时，在较大的顶锻留量下，轧制纤维各层的扭曲程度不同，而层间的带状夹杂物在位移时极易开裂呈层状撕裂。预防：采用强迫成形顶锻工艺，改变接头处受力状态。选用合适的焊接参数，以保证在最少的顶锻留量下完全挤出液态金属。,7.脆性组织,焊接高碳钢、合金钢等时，由于温度差别大，冷却快，常出现淬硬组织，有时会发展成裂纹。一般均需作后热处理。对裂纹倾向大的材料，必须从工艺上采取措施，防止冷却过快。,2.电阻焊接头的质量检验,1.电阻焊接头的等级划分,一级：承受很大的静、动载荷或交变载荷。接头的破坏会危及人员的生命安全。二级：承受较大的静、动载荷或交变载荷。接头的破坏会导致
8、系统失效，但不危及人员的安全。三级：承受较小静载荷或动载荷的一般接头。,2.接头检验方法与内容,破坏性检验撕破检验断口检验低倍检验金相检验力学性能试验,无损检验目视检验密封性检验射线检验超声波检验其它检验,破坏性检验,破坏性检验能提供各种确切的定量数据，如力学性能、熔核尺寸、缺陷性质和多寡以及耐腐蚀性能等。因此是取得接头质量定量数据的主要手段。但检验试祥已经破坏，而实际产品仍未直接检验，因此检验结果仅能提供代表性的参考信息。如何使试祥更真实地代表产品本身，是一个复杂的数学问题。因此在样品的分组、取样数量和方法上各专业标准均作具体现定。,撕破检验,这是一种针对薄板点、凸和缝焊接头的简易检验方法，
9、用于粗略判断熔核大小和力学性能。便于现场操作，常用来作为确定焊接参数的前期筛选手段和生产中考查质量稳定性的自检手段。,断口检验,这是一种针对对焊接头检验的简易现场检验方法，亦用于确定焊接参数的前期筛选及生产过程中定期自检。,断口检验的内容有无裂纹、过烧和夹杂等缺陷；观察到灰斑的多寡与分布状态。这是观察灰斑分布情况的唯一方法。,低倍检验,适用场合：主要针对点、凸及缝焊接头。具体步骤：磨片、腐蚀、读数显微镜检验。检验内容：测定熔核直径、焊透率及压痕深度等数值 观察有无宏观缩孔、裂纹和夹杂等缺陷的数量。,金相检验,用于检验接头显微组织，如结晶特征、组织形貌及微观缺陷等，亦用于鉴别冶金缺陷如裂纹、胡须
10、等。点、凸和缝焊时，一般仅作为对低倍捡验疑问的裁定手段；对焊时常作为重要产品的必检项目。,电阻焊接头力学性能试验,无损检验,无损检验以不损坏产品使用性能为前提的检测方法，可以推广到每个零件的每个焊接接头，因此是保证产品安全的最可靠手段。但在电阻焊接头中由于接头的特殊性，仅有少量方法获得工业应用，大多数方法处于实验研究阶段。,目视检验,目视检验是用小于20倍的放大镜作外部缺陷的检验。此法能发现表面裂纹、烧穿、压痕过深、电极粘附、焊件错位等多种外表缺陷。同时，从接头外形尚能对焊透情况粗略判断。,密封性检验,任何有密封要求的焊缝均作密封性检验。要求作此项检验的焊缝有缝焊、对接缝焊和对焊几类。,射线检
11、验,射线检验在压力容器制造业广为采用，它能有效地发现焊接区的裂纹、夹杂、末焊透及缩孔等缺陷。在电阻焊接头中，亦可用来发现裂纹、缩孔及内部飞溅等。点焊及缝焊接头一船均用于薄板结构，除少数热敏感性强的合金钢和有色合金外，较少出现裂纹，其它缺陷对强度影响较少。而影响强度最敏感的熔核大小一般用射线检验。,超声波检验,超声波检验主要用于厚板探伤。在点、缝焊等的薄板焊件中未见应用报导。在大型对接零件的探伤检阅中该法应用甚广。例如铁路钢轨对接焊接头、石油钻杆对接焊口等均采用该法。它能发现末熔合、夹杂物和裂纹等缺陷。但对严重影响塑性指标的灰斑缺陷尚不能用此法检验。,其它检验方法,磁粉、涡流和萤光这些方法均用于
12、检测接头表层的缺陷，主要是延伸到表层的细小裂纹。,3.电阻焊质量监测与控制,必要性,在大批量生产中，一个产品往往需要几十台甚至上百台点焊机配套工作，这将使电网电压、气压产生很大的波动，再加上难以避免的分流、电极磨损等不利因素的存在，致使点焊质量极不稳定，严重时将成批出现不合格的焊点。由于点焊独特的接头形式和工艺的限制，致使在电弧焊生产中应用效果很好的焊后无损检测方法在点焊生产中却难以应用，同时也将使生产效率降低、产品成本剧增。,必要性,为了保证焊点质量，国内外几乎所有的汽车生产厂家几十年来都一直采用焊前打试片、焊后进行破坏性抽样检验的方法来保证焊点质量。显然，这种方法已无法满足汽车工业发展对点
13、焊质量提出的高可靠性、低成本的要求。为了改变这种现状，有必要研制新型点焊质量监测系统。采用点焊质量监测系统，可以在线监测每一台焊机、每一焊点的质量，及时指出不合格的焊点及其形成原因，使操作者及时进行在线补救，以有效提高和稳定焊点质量。,焊接参数的划分,焊接规范参数：焊接电流、电极压力、焊接时间、电极端面尺寸等；焊接过程参数（监测信息）：动态电阻、红外辐射、电极间电压、能量等；焊接质量参数：熔核直径、焊透率、压痕深度、拉剪强度、拉伸强度、疲劳强度等；,质量监控的难度,电阻点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程；点焊的形核处于封闭状态而无法观测，特征信号的提取比较困难
14、；形核过程的时间极短，焊接条件短时间的波动就会造成较严重的后果。因此，点焊质量的监测和控制难度极大。,三种常用的点焊质量监控方式,1.恒流控制法原理：在焊接过程中逐个周波地检测焊接电流有效值，并与设定的电流有效值进行比较。当有偏差时，自动改变下一周波的触发角，使预期的下一周波电流趋于给定值，在整个通电期间不断重复上述调节。,三种常用的点焊质量监控方式,1.恒流控制法 特点：简单可靠、易于实现。对网压波动、次级回路阻抗变化等干扰有良好的补偿性能。不能对分流及电极磨损进行补偿。为此，可在恒流控制的基础上采用电流递增的方法进行适当补偿，即自动改变工件上顺序各点的电流强度，或每隔一定数量焊点就自动递增
15、一定的电流增量。,三种常用的点焊质量监控方式,2.热膨胀电极位移法原理：点焊时焊接区的金属因加热熔化而膨胀，使焊机的上下电极产生一个微小的相对位移，该位移与熔核的形成长大及最后尺寸有关。故可采用高灵敏度传感器进行检测，以此对点焊质量进行监控，保证得到合格的焊点尺寸。,热膨胀电极位移与焊点质量的关系,三种常用的点焊质量监控方式,2.热膨胀电极位移法 特点：可对网压波动、电极磨损、分流及二次回路阻抗变化进行补偿。但是要求焊机机臂刚性好、加压机构摩擦力小、随动性能好才适用。对于薄板（0.5mm）的点焊，因熔核尺寸小，位移量小不易检测。国外有采用对数值较大的位移加速度进行检测以实现反馈控制。,三种常用
16、的点焊质量监控方式,3.动态电阻（动态电极电压）法低碳钢点焊时动态电阻的变化过程是与熔核形成情况对应的，故可在焊接过程中不断检测动态电阻值，并据此实现对点焊质量的实时监控。动态电阻法可用于低碳钢、不锈钢的点焊，但却不适于铝合金、镀锌板等材料的点焊。三种控制模式,由于在表面存在着低熔点的锌层，动态电阻曲线会出现两个峰值。在焊接过程中开始阶段，由于接触面上接触点的增多，电阻值下降。当温度逐渐升高，镀锌层金属电阻率增大，曲线上升，出现第一个峰值。之后镀锌层开始熔化并发生软化，焊接区挤出使得接触面积增大，减小电阻，曲线下降。接下来的动态电阻的变化与低碳钢点焊时的动态电阻变化趋势相同。,铝合金点焊时，在
17、工件/工件界面上的接触电阻以及工件/电极之间的接触电阻的大小会在一个很大的范围变动。铝合金的动态电阻在开始时很大。初始值大小决定于工件的表面状态和焊接前工件上氧化膜的厚度。在开始焊接的半个周波内，电阻值就会降到很低。因此，铝合金焊点的熔核是在最初的一个或两个周波内形成。,在开始加热阶段，动态电阻因温度升高而增大，这在其他点焊过程中没有出现过，这是因工件表面上有相对洁净和薄绝缘膜以及很小的电流增长速率造成的；接下来由于表面绝缘层的溃裂和金属的软化，动态电阻开始减小，金属逐渐熔化，熔核逐渐形成，第二个峰值表明熔核的形成，可以通过第二个峰值的出现进行焊点质量的控制。,三种常用的点焊质量监控方式,3.
18、动态电阻（动态电极电压）法Rb法点焊时在r-t曲线的峰点处开始形成熔核。随熔核长大r逐渐减小，其下降量r可反映熔核的尺寸。r增大则熔核直径增大，反之则减小。,三种常用的点焊质量监控方式,3.动态电阻（动态电极电压）法Rb法Rb控制模式是在焊接过程中逐半波检测r。当r达最大值后开始计算下降量r，并与给定的Rb比较。当r=Rb时切断电源。若有网压下降、分流、电极磨损等使加热速度减慢的干扰出现时，必然使r下降速度减慢，即可使焊接时间自动延长进行补偿，以得到合格的熔核尺寸。Rb与熔核尺寸的对应关系事先由试验得到。,三种常用的点焊质量监控方式,3.动态电阻（动态电极电压）法 DRC法实践表明，当出现使加
19、热减慢的干扰时若只是消极延长焊接时间，还不能完全保证熔核尺寸。DRC法是在监控r的同时调整dr/dt，即对熔核生成过程的加热速度进行控制，使r-t曲线的下降段斜率向标准的DRC（动态电阻特性）曲线逼近。在r=Rb时切断电源，这样可更为有效地保证熔核尺寸。,三种常用的点焊质量监控方式,3.动态电阻（动态电极电压）法 动态电极电压法经过适当的简化，点焊时电极电压UD-t变化规律与r-t变化规律相同。焊接过程中不断检测UD，以UD从峰值UDM下降到UDL为形成合格焊点的标志，切断电源。动态UD法具有采样方便、信号强抗干扰能力强的特点。,监控效果？,这些控制方式实质上是使用点焊过程中监测信息的某一特征
20、量与质量参数之间的一元线性回归模型关系来间接地监控焊点质量的，属于单特征量质量监控技术。由于一个特征量只能片面地反映点焊加热过程，而一元线性回归模型也只能描述监测信息与质量参数之间局部线性关系，难以描述整体的非线性关系，因此在焊接过程中无法及时获知焊点质量参数的准确值。这是现有点焊质量监控方法存在控制效果不理想、适用范围窄的主要原因。,监控效果？,为了解决单特征量监测技术的不足，充分利用过程参数提供的焊接质量信息，发展出现了多参量综合监测技术。这是提高点焊质量监测精度的有效途径。发展多参量综合监测技术存在两个关键点。首先，是建立合理的多元非线性监测模型，并使模型能够在相对较宽的范围内提供准确、
21、可靠的点焊质量信息。其次，是如何对点焊质量进行合理评判。衡量点焊质量的性能指标有很多项，如熔核直径、焊透率、拉剪强度、拉伸强度等。但是每个指标都不能全面反映点焊接头的质量。只有综合考虑焊点的多项性能指标，才能对焊接质量进行合理的评价。,多参量综合监测技术,基于模糊分类理论的点焊质量的等级评判 基于回归分析理论的铝合金点焊质量多参数监测方法 基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,基于模糊分类理论的点焊质量的等级评判,1994年，德国学者Burmeister采用模糊分类理论和现有的专家知识，建立了三个电参数（焊接电流、电极间电压、工件电阻）和两个机械参数（电极位移、电极加速度）与焊点质量（熔
22、核直径）之间的非线性关系模型，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评判。优点:综合考虑监测信息与质量指标间的非线性缺点:难以摆脱专家经验等人为因素的影响,基于回归分析理论的铝合金点焊质量多参数监测方法,1996年，英国学者M.HAO采用线性回归分析理论，分别建立了一些过程参数（焊接电流、电极间电压、功率、工件电阻等）的各个特征量以及多个特征量（焊接电流、电极间电压、功率）与铝合金焊点质量（熔核直径、拉伸强度）之间的关系模型。结果表明：多元回归模型的误差比最佳的一元回归模型的误差大约下降30%。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,1区：r0、rmi
23、n和tmin可以反映下降趋势的快慢和大小；2区：rmax、rmin和tmax可以反映上升趋势的快慢和大小；3区：rmax、r/r和tw-tmin-tmax可以描述动态电阻达到最大值后降低到平稳阶段。,特征参数选择,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,影响点焊接头质量的主要因素：1.电网电压不稳引起的焊接热量波动；2.气压不稳引起的电极压力波动；3.电极磨损引起的电极直径波动；4.表面状态引起的接触电阻波动；5.分流引起的焊接区热量波动；6.铁磁物伸入引起的热量波动。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,1.在恶劣生产条件下，如果不采用
24、合适的质量监控技术减小干扰的影响，点焊质量参数会在很大范围内波动。2.建模样本应具有足够大的覆盖范围。通过正交试验，可以减少试验次数，覆盖整个试验空间。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,HRDE1.动态电阻下降率与焊点质量之间存在一定相关关系（统计检验为高度显著），可以用一元线性回归模型进行点焊接头质量监测。2.决定系数较低，说明焊点质量的变异还受其他因素影响。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,HRT1.HRT决定系数大于HRDE，说明采用HRT监控点焊质量的准确度比HRDE高。2.HRT中多个回归参数统计检验没有通过，说明其
25、中存在多重共线性。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,HRT 多重共线性将增加结果的不确定性，减少模型的可靠性。常用提出变量的方法是逐步回归。剔除变量可能带来较大的说明误差。剔除变量还可能导致回归参数严重偏离。建立HRT很困难。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,均方差：评价各模型性能的优劣（反映误差的总体大小）1.HRDE均方差最大，单特征变量监控效果最差。2.NRT比HRT更适合描述点焊过程参数与质量参数之间的非线性、强耦合关系。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,误差分布正态检验：检测测量值中是否包括系统误差（服从正态分布，则不包括系统误差）1.HRDE只适用于干扰因素波动范围较小的场合。2.HRT和NTR可用于干扰因素波动范围较大的场合。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,t检验：已服从正态分布的误差，其均值是否为零。HRT和NTR的误差分布均满足“均值接近于零的正态分布”，测量结果又足够的正确度。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,F检验：模型测量误差的方差之差是否显著。HRT和NTR的误差之差非常显著。,基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测,模型误差的统计表示：反映模型结果包含真实值的可靠程度（置信概率）。1.误差的均值都很小，置信空间半长差异显著。2.NRT的精度比HRT高2-3倍。,
