0前言在电阻点焊中,电极力是一个重要的焊接工艺参数。电极力的作用是保证电极与焊件以及焊件 与焊件之间必要的电接触,且限制焊接区金属的飞溅。焊接时,电极力首先在预压阶段上升到设定 值,并趋于稳定(如果预压时间设得足够长的话)。当进入焊接阶段,理论上电极力在稳定值下不 变并保持一段时间,最后当断电进入锻压阶段时,电极力保持短暂时间后松开,见图1。图1焊接 力示意图然而,在实际焊接过程中,在预压阶段,当上电极下落接触到工件时,相当于一冲击载荷 作用在下电极上,激励起了整个电极系统的振动,表现为电极力的波动上升,最终稳定下来达到设 定值;在焊接阶段,由于工件焊接区通电受热软化、甚至飞溅,电极发生微小位移,导致电极力发 生变化,如在发生飞溅时,电极力突然减小。因此,电极力在焊接过程中是一个动态信号。电极力 在预压阶段的动态变化主要对电极的使用寿命有影响,而对焊接质量无明显影响<1~3>。在焊 接阶段,电极力的动态变化会影响工件接触面间动态电阻的变化,因此它与焊核的形成及焊接质量 密切相关,电极力作为一个重要的焊接参数,可用于焊接过程的监测和焊接质量的在线控制<4> 。特别是最近的研究表明,监控电极力是探测焊接区金属飞溅的最有效方法之一<5>。由于电阻 焊使用的是高电流,即强磁场环境,对测试不利,因此,在焊接阶段实现正确的测试电极力,减小 电磁力及测试噪声的影响,从而得到可靠有效的力信号就显得尤为重要。早期的研究大都用电阻应 变片的方式测量,即在电极臂贴电阻应变片通过测电极臂的变形间接地来测试电极力。但由于电阻 应变计的频率响应较低,所以这一方法实际测试电极的静态力较好,测试动态力会有一定的误差。 为此,近年来采用压电晶体传感器测试动态电极力,其安装方式主要有两种:①做成手持式测力计 ,测试时夹于两电极间,这种手持式测力计常用于在不启动电系统的情况下测试,不能用于在焊接 情况下长期监测动态电极力。有时在用电阻应变计测电极力时,也用手持式测力计来标定。②采用 附加支撑将传感器安装在下电极伸出端的下方,见图2。图2利用附加支撑测试电极力这种方法可 实现在焊接阶段连续地直接测试电极力,但由于下电极臂支撑的影响,测试精度不高。文中设计了 一种新型的压电式测力传感器,并在结构上采取了防电磁影响的屏蔽措施。该传感器直接安装于下 电极的下方,可在焊接的整个过程中直接监测电极力的动态变化。1新型电极力传感器的设计新设 计的电极力测试传感器见图3。其中心部件为一压电晶体,该压电晶体由绝缘材料密封屏蔽后,置 于传感器壳体内,传感器壳体由铜合金制造,且与下电极座做成一体。焊接电流通过电极、壳体及 底板导通,这样压电晶体就不受磁感应的影响,可获得较精确的测量结果。测试时,电极力通过传 感器壳体作用在压电晶体上,在压电晶体的表面产生与力变化率成正比的电荷。该电荷信号经电荷 放大器放大,得到与力信号成正比的适合测试的电信号,从而实现对力的测量。为了增加传感器壳 体的弹性、提高传感器的灵敏度,在传感器壳体上沿径向放射性地开槽,各槽内充填密封弹性隔膜 ;为了减小壳体通电受热膨胀对测试产生影响,在下电极座内通冷却水,下电极座是与传感器壳体 做成一体的。在测试前,传感器在压力机上作了标定。标定方程为F=1.024U+0.194(1)式中:F为电极力;U为输出电信号的幅值。图3力传感器结构简图标定方程中有一常数项,即标定曲线不是从零点开始,说明该传感器只能测试0.194kN以上的力。这是因为压电晶体顶面与壳体之间有间隙,需要0.194kN的力使壳体变形消除 间隙后,才能与压电晶体接触上。考虑到在固定焊机上,实际使用的电极力都比这一力大,因此,该传感器能满足实际需要,经实验,该传感器的测试范围为0.194~40kN。2新型传感器的应用实例将新设计的传感器用在一单相交流气动电阻点焊机(TECNA,250 kVA,20 kN)上,交流电阻焊机由于其价格低廉,使用最为普遍。试验是将一低碳钢圆片凸焊到一不锈钢圆 环上,焊件见图4。在焊接过程中,用所研制的传感器测试电极力,同时还用Rogowsky线 圈测试了焊接电流,测试系统见图5。图6为焊接质量较好且没有发生飞溅的情况,图7为发生了 飞溅的情况,两种工况的焊接工艺参数见表1。从图6和图7可以看出,在两种工况下,测试到的 静态电极力(通电前)与设定值接近,其误差主要来自于设定误差,因为电极力的设定值是通过设 定气缸的气压、读气压表读数计算出来的,这很难做到与实际一致。在通电阶段,电极力是波动的 ,而且在每一通电半周,电极力是减小的,这可能是由两方面的原因造成的,一是由于电磁力的影 响,因为电磁力的作用是使电图4凸焊试件图5测试系统图6无飞溅时的情况图7有飞溅时的情况 极力减小;二是在通电半周金属受热软化,电极发生微小位移,电极力减小。当发生飞溅时,电极 力突然减小(图7),这相当于两电极间突然失去了接触,但在气缸压力的作用下,很快再次接触 ,又形成一次冲击振动,表现为电极力又突然升高,然后衰减地趋于稳定。试验结果表明,所设计 的传感器能在焊接过程中连续地测试电极力的动态变化,电极力的动态变化确实与焊接质量有关, 且可以探测飞溅的发生。用电极力来表1焊接工艺参数设定值工况焊接电流I/kA电极力F/kN焊接时间(电流周数)焊接质量图6的情况204.4 3好图7的情况24 4.4 3飞溅探测飞溅点很有意义,因为在实际焊接中,特别是焊接一种新材料时,往往首先需要寻找焊接 工艺参数的最优窗口,窗口下限是焊不上的参数点,上限是刚发生飞溅的参数点,选窗口内任何一 点所对应的焊接工艺参数都是可焊的,但是为了使焊接强度能达到最高,一般取稍低于飞溅点所对 应的焊接工艺参数。基于此,通过在线测试动态电极力探测飞溅点,就可实现焊接过程的自适应控 制,寻找到最佳焊接工艺参数点。3结论该传感器安装在点焊机下电极座上,在焊接过程中可直接 连续地测试电极力的动态变化。可用于通过在焊接过程中监测电极力的动态变化,实现焊接过程的 自适应控制或焊接质量的在线监测。电阻点焊动态电极力的测试@刘桂梅$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018
@韩靖玉$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018
@韩宝生$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018
@武佩$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018设计了一种压电晶体式电极力测试传感 器。试验表明,该传感器可在焊接过程中直接连续地测试电极力的动态变化,这对于在焊接过程中 通过监测电极力的动态变化,实现焊接质量的在线监测或焊接过程的自适应控制具有重要意义。点焊;;电极力;;自适应控制<1>Lipa M.M echan ical Properties of resistance spot and projec-tion weld ing m ach ines.W eld ing International,1992,6(8):661-667.
<2>L ipa M.M echan ical Properties of resistance(espec ially spotand projection weld ing)m ach ines.W eld ing International,1992,6(10):831-835.
<3>W u P,Zhang W,and Bay N.Characterization of dynam icm echan ical properties of resistance weld ing m ach ines.W eld-ing Journal,2005,84(1):17 s-21 s.
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<5>Primo Podr aj Ivan Polajnar.Expu lsion detection system forresistance spotweld ing based on a neural network.M easure-m ent Sc ience and Technology,2004,15:592-598.。用电极力来表1焊接工艺参数设定值工况焊接电流I/kA电极力F/kN焊接时间(电流周数)焊接质量图6的情况20 4.4 3好图7的情况24 4.4 3飞溅探测飞溅点很有意义,因为在实际焊接中,特别是焊接一种新材料时,往往首先需要寻找焊接 工艺参数的最优窗口,窗口下限是焊不上的参数点,上限是刚发生飞溅的参数点,选窗口内任何一 点所对应的焊接工艺参数都是可焊的,但是为了使焊接强度能达到最高,一般取稍低于飞溅点所对 应的焊接工艺参数。基于此,通过在线测试动态电极力探测飞溅点,就可实现焊接过程的自适应控 制,寻找到最佳焊接工艺参数点。3结论该传感器安装在点焊机下电极座上,在焊接过程中可直接 连续地测试电极力的动态变化。可用于通过在焊接过程中监测电极力的动态变化,实现焊接过程的 自适应控制或焊接质量的在线监测。电阻点焊动态电极力的测试@刘桂梅$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018
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@武佩$内蒙古农业大学机电学院!呼和浩特市010018设计了一种压电晶体式电极力测试传感 器。试验表明,该传感器可在焊接过程中直接连续地测试电极力的动态变化,这对于在焊接过程中通过
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