電阻點(diǎn)焊電極壓力在線監(jiān)測

王 博，張 勇，滕 輝，朱曉東

（西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

電阻點(diǎn)焊電極壓力在線監(jiān)測

王 博，張 勇，滕 輝，朱曉東

（西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

針對電阻點(diǎn)焊壓力信號的在線測量，設(shè)計(jì)了一種可以直接安裝在焊接電路中的應(yīng)變式點(diǎn)焊電極壓力傳感器。選用抗磁應(yīng)變片，采取電橋線路補(bǔ)償法以及測試應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片感應(yīng)電勢相互抵消等措施，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和降低通電電流對壓力傳感器輸出信號的干擾。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的壓力傳感器可以實(shí)時(shí)反映點(diǎn)焊壓力的實(shí)際變化；采取的補(bǔ)償和抗干擾措施，能夠保證大電流通電焊接條件下傳感器壓力信號的較小干擾輸出。

電阻點(diǎn)焊；電極壓力；在線監(jiān)測

0 前言

電極壓力是電阻點(diǎn)焊的主要規(guī)范參數(shù)之一，對焊點(diǎn)質(zhì)量影響較大。當(dāng)電極壓力過小時(shí)，接觸電阻增大，電流密度過大，加熱速度過快，從而產(chǎn)生噴濺；當(dāng)電極壓力過大時(shí)，焊接區(qū)接觸面積增加，接觸電阻減小，產(chǎn)生的電阻熱減小，將造成未熔合、脫焊等缺陷。而在熔核冷卻結(jié)晶時(shí)，合適的壓力可以防止縮孔及裂紋等缺陷的產(chǎn)生[1]。因此在線監(jiān)測動(dòng)態(tài)電極壓力對保證點(diǎn)焊質(zhì)量具有重要意義。

電阻點(diǎn)焊過程中電極壓力的測量主要采用兩種傳感器，即應(yīng)變片壓力傳感器和壓電壓力傳感器。S.A.Gedeon等人采用全橋應(yīng)變片測量點(diǎn)焊過程上極臂的變形，用于監(jiān)測點(diǎn)焊的飛濺缺陷[2]。C.S.Chien等人采用壓電晶體環(huán)和應(yīng)變規(guī)傳感器測量電極壓力[3]。潘存海等人采用高靈敏石英應(yīng)變傳感器和與之配套的工業(yè)電荷放大器來測量電極壓力。傳感器安裝在下電極臂，對焊機(jī)改動(dòng)較小，但傳感器距離被測工件較遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)過程受力不平衡對測量結(jié)果有影響[4]。李強(qiáng)等人采用一種安裝于氣缸內(nèi)的電阻應(yīng)變式傳感器測量電極壓力[5]。羅賢星等人在焊接電路之外安裝壓電式傳感器直接測量受力大小，對焊機(jī)改動(dòng)較大，且也不滿足受力平衡條件[6]。王鋒等人采用MEMS壓力傳感器采集點(diǎn)焊電極壓力信號，傳感器直接粘貼在下電極上，可以更加直接地監(jiān)測電極壓力[7]。

本研究應(yīng)用抗磁應(yīng)變片，設(shè)計(jì)了一種可以直接安裝在焊接電路中的應(yīng)變式點(diǎn)焊電極壓力傳感器，并通過溫度補(bǔ)償電路和抗干擾措施來提高測量精度。

1 壓力測量原理

電阻應(yīng)變式傳感器是基于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力測量的。將電阻應(yīng)變片粘貼在被測部件上，當(dāng)被測部件受外力變形時(shí)，電阻絲的電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)電阻公式

式中 ρ為電阻絲的電阻率（單位：Ω·m）；L為電阻絲的長度（單位：m）；S為電阻絲的截面積（單位：m2）。

若電阻絲長度變化ΔL，橫截面積相應(yīng)變化ΔS，則電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變?chǔ)う?，故引起電阻值的相對變化量?/p>

變換式（2）得

式中 ΔR為電阻絲受力后電阻變化值（單位：Ω）；R為電阻絲原有電阻值（單位：Ω）；KS為電阻絲的靈敏度系數(shù)；ε為應(yīng)變值。

用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，測得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR，便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為

式中 E為試件材料的彈性模量。

將式（3）代入式（4）可得

2 傳感器及其采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

采用應(yīng)變式壓力傳感器，傳感器安裝在下電極與下電極握桿之間，靠近被焊工件，能有效地降低運(yùn)動(dòng)過程中受力不平衡帶來的影響，保證測量的準(zhǔn)確性。為了保證焊接過程中電流與冷卻水的正常通過，傳感器主體（彈性體）采用銅材并加工成中空方式；為使傳感器具有通用性，傳感器的上下錐面分別按照標(biāo)準(zhǔn)電極和標(biāo)準(zhǔn)電極握桿設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)利用扳手或楔鐵插入柱面的兩種拆卸方式，可實(shí)現(xiàn)快速拆卸；保護(hù)罩采用順磁性的鋁材，可防止其在強(qiáng)磁場下產(chǎn)生振動(dòng)，配合O型密封圈可實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)械保護(hù)和防水保護(hù)。壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器補(bǔ)償、抗干擾措施及采樣調(diào)理電路

2.2.1 傳感器補(bǔ)償措施

電阻點(diǎn)焊焊接電流大，安裝在焊接電路中的傳感器不可避免會(huì)遇到強(qiáng)磁干擾問題。普通應(yīng)變片在強(qiáng)磁場作用下會(huì)發(fā)生磁阻效應(yīng)，測量精度和可靠性難以保證。選用抗磁應(yīng)變片可實(shí)現(xiàn)傳感器的磁補(bǔ)償功能?？勾艖?yīng)變片采用特殊的完全重合雙層敏感柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將上下兩個(gè)敏感柵串聯(lián)，使通過兩個(gè)敏感柵的電流方向相反，形成對磁場干擾的抵消作用。

針對環(huán)境溫度變化帶來的測量誤差問題，采用線路補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償功能。電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法原理如圖2所示。

電橋輸出電壓ΔU與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

式中 A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)；R1為測量應(yīng)變片電阻（單位：Ω）；R2為補(bǔ)償應(yīng)變片電阻（單位：Ω）；R3和R4為固定電阻（單位：Ω）。

由式（6）可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和R2對電橋輸出電壓ΔU起反作用。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。測量應(yīng)變時(shí)，測量應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片R2粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅測量應(yīng)變片承受應(yīng)變。測量應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片的安裝位置如圖1中的4和5所示。

2.2.2 傳感器抗干擾措施

未采取抗干擾措施時(shí)，測得的壓力信號和焊接電流信號波形如圖3所示。由圖3可知，壓力信號存在較大的干擾，其最大峰峰值已超過1 000 mV，這必將影響壓力的檢測精度；比較圖中兩信號，壓力信號的變化規(guī)律與焊接電流信號完全相同，說明壓力信號的干擾是由通電焊接時(shí)電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場引起的。

圖2 電橋補(bǔ)償法原理

圖3 未采取抗干擾措施時(shí)的壓力信號與電流信號

磁場中壓力傳感器的簡化模型如圖4所示。在圖4a中，由應(yīng)變片雙絞引出線形成的閉合線圈，在變化磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢E，其值為

式中 μ0為真空中的導(dǎo)磁系數(shù)；S為應(yīng)變片引出線包圍的橫截面積；r為電極半徑；μ為相對導(dǎo)磁系數(shù)。

布置應(yīng)變片引出線時(shí)，只要保證由測量應(yīng)變片產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E1和補(bǔ)償應(yīng)變片產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E2方向如圖4b所示，則可使其相互抵消從而減小干擾。

采取上述的抗干擾措施后，測得的壓力信號和焊接電流信號波形如圖5所示。盡管壓力信號仍然存在干擾，但其最大峰值已減小為500 mV。后續(xù)采樣時(shí)，再采取適當(dāng)?shù)能浖?shù)字平滑措施，即可實(shí)現(xiàn)壓力的精確測量。

圖4 磁場中壓力傳感器簡化模型

圖5 采取抗干擾措施后的壓力信號與電流信號

2.2.3 采樣調(diào)理電路

由測量電橋獲得的電極壓力信號，在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。電極壓力信號調(diào)理電路由電源電路、高阻抗差分放大電路、濾波電路、調(diào)零電路、電壓跟隨電路、抗混疊濾波電路等組成，如圖6所示。

圖6 電極壓力信號調(diào)理電路模塊示意

3 電極壓力信號測試結(jié)果

電極壓力的測試采用微機(jī)控制的DN-200-4交流工頻點(diǎn)焊機(jī)，它可實(shí)現(xiàn)如圖7所示的具有恒定壓力的簡單點(diǎn)焊循環(huán)。測試時(shí)，使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄經(jīng)采樣調(diào)理電路處理后的壓力信號。

圖7 簡單的點(diǎn)焊循環(huán)

焊機(jī)空程運(yùn)行時(shí)測得的不同壓力的信號波形如圖8所示。隨焊接壓力的增大，所測壓力信號也增大。焊機(jī)在開始加壓時(shí)有一個(gè)沖擊力的存在，說明焊機(jī)加壓系統(tǒng)的減震不好。此外，隨焊接壓力的增大，壓力從開始施加到穩(wěn)定所需時(shí)間也隨之延長。上述結(jié)果反映了測試焊機(jī)儲(chǔ)氣能力不足，且氣源較遠(yuǎn)，不能及時(shí)補(bǔ)充高壓氣體的實(shí)際情況。使用該焊機(jī)進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)使預(yù)壓階段時(shí)間大于壓力穩(wěn)定所需時(shí)間，這樣才能保證在通電焊接階段壓力穩(wěn)定，確保焊接質(zhì)量。

預(yù)壓時(shí)間800 ms，焊接壓力6.9 kN，焊接時(shí)間300 ms，焊接電流10 000 A，維持時(shí)間200 ms，進(jìn)行短路焊接測試所得的壓力信號如圖9所示。由于上電極下降階段，上、下電極并沒有接觸，所以圖中壓力作用的實(shí)際值短于設(shè)定參數(shù)值。

由圖9可知，采取測量應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片引出線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相互抵消的措施后，壓力信號上疊加的干擾信號較小，說明采取的措施降低了通電焊接電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場對壓力信號的影響，設(shè)計(jì)的傳感器及其采樣調(diào)理電路可以保證壓力信號的在線測量。

4 結(jié)論

（1）以銅材加工的中空方式作為傳感器彈性體，采用標(biāo)準(zhǔn)化錐面設(shè)計(jì)，將其安裝在下電極與下電極握桿之間，能有效降低加壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中受力不平衡帶來的影響，實(shí)時(shí)感知焊接壓力的變化，且安裝方便，無需改動(dòng)設(shè)備。

圖8 空程運(yùn)行時(shí)不同壓力的信號波形

（2）利用磁補(bǔ)償以及測試應(yīng)變片和

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Online measurement of the electrode force on resistance spot welding

WANG Bo，ZHANG Yong，TENG Hui，ZHU Xiaodong
（State Key Laboratory of Solidification Processing，Shannxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Based on the online measuring of pressure signal in resistance spot welding，a strain type electrode pressure sensor which can be directly installed in welding circuit was developed.Diamagnetic strain gauge was employed，and measures such as bridge compensation and the counterbalance of the induced potential of measure strain gauge and compensation strain gauge were taken in order to fulfill temperature compensation and to lower the interference of current on the output single.The results showed that the pressure measurement method proposed can obtain real-time pressure signal，and the applied compensation and anti-jamming measures ensure a low interference on the output pressure single under high current welding conditions.

resistance spot welding；electrode force；online monitor

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0025-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.06

2015-04-07；

2015-04-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275418）；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014KCT-12)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2012HBSZS021）

王 博（1992—），女，山西永濟(jì)人，在讀碩士，主要從事電阻點(diǎn)焊質(zhì)量多信息智能預(yù)測研究工作。