CN103675103B - 一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法 - Google Patents

一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，包括：实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，绘制动态波形图；提取出裂纹的声发射信号；统计幅度分布；将幅度大小分为若干等级Mi，并按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数Ni分别进行累计，得到振铃计数的对数值log10Ni，得到散点分布图；进行直线拟合，形成直角三角形，求出面积，即为对应的电阻点焊熔核裂纹的能量当量。设定一能量当量门限值，当能量当量低于该门限值时，判定该声发射源为低能量声发射源；当高于该门限值时，判定该声发射源属危险性裂纹声发射源。本发明可较为准确地量化评定电阻点焊熔核裂纹缺陷的级别及其大小，实现对熔核裂纹的快速、无损检测。

Description

一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法
技术领域
本发明涉及一种利用实时检测得到的电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的无损检测方法，适用于常用金属薄板结构材料的电阻点焊熔核质量快速检测。
背景技术
电阻点焊是一种广泛应用于作为汽车制造的焊接方法，一部现代轿车上大约有3000-6000个电阻点焊焊点。因此，电阻点焊焊点质量的检测非常重要，焊接过程中高效率的焊点质量传感及其检测评估对于优化生产工艺，提高生产效率和焊接质量具有重要意义。然而，电阻点焊过程中，熔核的形核过程并不能直接观测到，这为判断电阻点焊焊点质量带来了困难。尤其是藏于电阻点焊熔核内部的裂纹一类缺陷，是电阻点焊质量检验中常见的一种焊接缺陷，不但对焊点质量危害大，而且很不容易被检出。因此，电阻点焊过程中熔核形核质量信息的传感及其分析对于评价电阻点焊焊点质量具有重要的意义。为此，研究者采用多种方法检测熔核形核过程以表征熔核形核质量。
中国专利文献CN1609622A公开的点焊熔核直径的实时检测方法采用如下步骤：取与焊接件相同厚度的焊接试样进行多点点焊，通过测量与计算获得每点的动态电阻曲线；进而获得每点的准稳态电阻值rD；沿贴合面剖开焊接试样，测量每个焊点的熔核直径d核；根据每个焊点熔核直径d核与准稳态电阻值rD的对应关系，绘制出准稳态电阻值rD与熔核直径d核关系曲线；将不同厚度材料的rD-d核曲线存储在计算机***中，当点焊某种材料时，计算机***先获得该焊点的准稳态电阻值rD，再与相同厚度材料的rD-d核曲线进行比较可获得对应的熔核直径，当熔核直径小于设定的标准值时，判定焊点质量不合格，实现实时检测。
中国专利文献CN101241001A公开的铝合金电阻点焊熔核直径实时检测方法采用如下步骤：采集点焊过程中的电极位移信号，并绘制出电极位移信号曲线图；从所得的电极位移信号曲线上提取出膨胀位移和锻压位移两个特征值；将铝合金焊接试板撕开，对电阻点焊熔核直径进行实测，建立所提取的特征值与实测的熔核直径相对应的样本对，并形成训练集；建立人工神经网络模型，并用所得样本对对模型依据BP算法进行训练，实现从特征值到熔核直径的映射；人工神经网络模型是两个输入、一个输出，中间一个隐层，隐层结点的数目是5的结构，隐层的转移函数为Sigmoid函数，输出层的转移函数为线性函数；将训练好的模型用于铝合金电阻点焊熔核直径的在线实时检测。
中国专利文献CN1220034C公开的多信息融合技术确定铝合金板材电阻点焊熔核面积的方法采用如下步骤：依据小波包变换及其能量谱原理、依据信息熵原理、依据模态分析原理，计算出点焊过程中电极电压、电流、电极位移和声音信号的特征量，建立神经网络模型，由特征量和熔核面积对神经网络模型进行训练。神经网络模型计算出的熔核面积与实测熔核面积对照，确定误差值，调整神经网络模型，直至达到误差要求范围。
在电阻点焊过程中，随着电阻点焊工艺、材料属性发生变化，能量转换的规律将发生相应的变化。尤其是熔核形核过程中发生开裂生成裂纹时，材料内部会按照一定规律释放出不同能量当量的结构负载声发射信号，且生成裂纹大小不同时，因开裂释放出的结构负载声发射裂纹信号能量当量会有相应区别，这为电阻点焊熔核裂纹信息的实时传感及快速检测、评估提供了可能。
发明内容
为了更加快捷地对电阻点焊熔核中产生的裂纹缺陷进行检验，本发明针对常用金属薄板结构材料的电阻点焊，提供一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，该方法容易实施，便于评估判断，属无损检测，具有检测灵敏度高，检测结果可靠，检测方法快捷，检测成本消耗低等优点。
本发明采取以下技术方案：
一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，该方法借助电阻点焊过程中实时检测到的结构负载声发射信号检测电阻点焊熔核裂纹信息，所述检测方法的步骤如下：
（1）实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；
（2）由电阻点焊过程结构负载声发射信号动态波形提取出熔核裂纹的声发射信号；
（3）统计裂纹声发射信号脉冲的幅度分布；
（4）根据裂纹声发射信号脉冲的幅度分布，将幅度大小分至少五个以上等级Mi，并按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数Ni分别进行累计，得到裂纹声发射信号振铃计数Ni随信号脉冲幅度变化统计；
（5）以X轴表示幅度等级值Mi，Y轴表示按超过各幅度等级值Mi累计得到的声发射信号振铃计数的对数值log10Ni，得到散点分布图；
（6）按照散点分布图进行直线拟合，得到拟合直线方程；
（7）根据拟合直线与X轴和Y轴形成的直角三角形，求出该直角三角形的面积，即为对应的电阻点焊熔核裂纹的能量当量。
所述电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，对裂纹定量评定的判断原则为：设定一能量当量门限值，当熔核裂纹的能量当量低于该门限值时，判定该熔核裂纹声发射源为低能量声发射源，即属非危险性裂纹声发射源；当熔核裂纹的能量当量高于该门限值时，判定该熔核裂纹声发射源为高能量声发射源，即属危险性裂纹声发射源。
所述电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，对裂纹尺寸评定的判断原则为：熔核裂纹能量当量值越大，表明裂纹尺寸越大，即裂纹缺陷的危险性越高。
本发明的创新在于以实时监测到的电阻点焊过程中的结构负载声发射信号作为信息源，通过检测裂纹生成的结构负载声发射信号，提取裂纹信号的幅度、振铃计数等特征参数，并利用能量当量法量化裂纹缺陷的级别及其大小，实现对电阻点焊熔核裂纹的快速、无损检测。
本发明适用于实时、快速检测和评定电阻点焊熔核的裂纹缺陷。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）仅需要采集电阻点焊过程的结构负载声发射一种信号，采集***容易实现，采集***设计制造成本较为低廉；
（2）提取的熔核开裂时的结构负载声发射裂纹信号幅度、振铃计数等特征参数都是与裂纹变化关系密切的关键参数，使检测结果可靠性高；
（3）能够比较快捷地检测和评定裂纹生成、危险性级别、大小等情况，形成对电阻点焊熔核质量的评价；
（4）检测效率高，评定方法简单，适用于电阻点焊过程的实时质量检测和快速质量评定，适用的材料范围较广，尤其是电阻点焊可焊性差的金属材料，实用性较强。
附图说明
图1是实施例1检测到的铝合金板电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。
图2是图1所示结构负载声发射信号中提取出的裂纹声发射信号波形。
图3是图2所示裂纹信号的脉冲幅度与分段振铃计数对数值对应的散点分布及拟合直线。
图4是实施例1焊接得到的熔核裂纹宏观形貌。
图5是实施例2检测到的铝合金板电阻点焊过程的结构负载声发射信号波形。
图6是图4所示结构负载声发射信号中提取出的裂纹声发射信号波形。
图7是图5所示裂纹信号的脉冲幅度与分段振铃计数对数值对应的散点分布及拟合直线。
图8是实施例2焊接得到的熔核裂纹宏观形貌。
图中：1实施例1波形中的裂纹信号、2实施例1波形中的裂纹信号。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
待焊接的工件为两块厚度2mm的铝合金板薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为22000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.15MPa。
焊接中，实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，由分析软件绘出结构负载声发射信号动态曲线图，如图1所示。
由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出裂纹信号1，如图2所示。
统计裂纹声发射信号脉冲的幅度分布。根据该分布，将幅度大小分为10个等级，即M1=0.3，M2=0.6，M3=0.9，M4=1.2，M5=1.5，M6=1.8，M7=2.1，M8=2.4，M9=2.7，M10=3.0。按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数Ni分别进行累计，得到裂纹声发射信号振铃计数Ni随信号脉冲十个幅度值变化的统计：N1=280，N2=174，N3=125，N4=85，N5=58，N6=45，N7=31，N8=24，N9=12，N10=9。
以X轴表示十个幅度等级值Mi，Y轴表示与幅度等级值Mi对应的声发射信号振铃计数的对数值log10Ni，得到散点分布图，如图3所示。
对散点分布图直线拟合，得到拟合直线如图3所示，其拟合方程为Y=2.59-0.54X。求出拟合直线与X轴和Y轴形成的直角三角形的面积值为：6.21，即熔核中产生的裂纹的能量当量为6.21。图4所示为该焊接工艺下所得熔核1/2处横截面的裂纹宏观形貌，该截面上的裂纹长度为1.52mm，即该熔核中在1/2横截面处所产生的1.52mm长的裂纹所对应的能量当量为6.21。
该结果表明，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现电阻点焊过程中产生的熔核裂纹的无损检测。
实施例2：
待焊接的工件为两块厚度2mm的铝合金板薄板结构的搭接。采用的主要焊接工艺参数为：焊接电流为22000A，焊接电流持续时间为8周波，电极压力为0.15MPa。
焊接中，实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，由分析软件绘出结构负载声发射信号动态曲线图，如图5所示。
由波形图可以辨识出焊接过程不同阶段，提取出裂纹信号1，如图6所示。
统计裂纹声发射信号脉冲的幅度分布。根据该分布，将幅度大小分为10个等级，即M1=0.3，M2=0.6，M3=0.9，M4=1.2，M5=1.5，M6=1.8，M7=2.1，M8=2.4，M9=2.7，M10=3.0。按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数Ni分别进行累计，得到裂纹声发射信号振铃计数Ni随信号脉冲十个幅度值变化的统计：N1=328，N2=182，N3=130，N4=104，N5=67，N6=57，N7=42，N8=32，N9=25，N10=16。
以X轴表示十个幅度等级值Mi，Y轴表示与幅度等级值Mi对应的声发射信号振铃计数的对数值log10Ni，得到散点分布图，如图7所示。
对散点分布图直线拟合，得到拟合直线如图7所示，其拟合方程为Y=2.56-0.45X。求出拟合直线与X轴和Y轴形成的直角三角形的面积值为：7.28，即熔核中产生的裂纹的能量当量为7.28。图8所示为该焊接工艺下所得熔核1/2处横截面的裂纹宏观形貌，该截面上的裂纹长度为1.74mm，即该熔核中在1/2横截面处所产生的1.74mm长的裂纹所对应的能量当量为7.28。
该结果表明，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现电阻点焊过程中产生的熔核裂纹的无损检测。
比较以上两个实例可以看出，尽管采用相同的焊接参数，得到的熔核质量各不相同，且实例1中检测出的熔核裂纹当量小于实例2中检测出的熔核裂纹当量，即实例1中的熔核裂纹尺寸小于实例2中的熔核裂纹尺寸。通过对熔核1/2横截面处产生的裂纹的实际测量得到的裂纹长度数据符合这一能量当量对比结果。这也表明了由本发明所述方法所具有的快捷性、灵敏性与可靠性。

Claims (1)

1.一种利用电阻点焊过程声发射信号能量当量定量检测熔核裂纹的方法，该方法借助电阻点焊过程中实时检测到的结构负载声发射信号检测电阻点焊熔核裂纹信息，所述检测方法的步骤如下：
（1）实时采集电阻点焊过程的结构负载声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；
（2）由电阻点焊过程的结构负载声发射信号动态波形提取出熔核裂纹的声发射信号；
（3）统计裂纹声发射信号脉冲的幅度分布；
（4）根据裂纹声发射信号脉冲的幅度分布，将幅度大小分五个以上等级Mi，并按超过各幅度等级的声发射信号振铃计数N分别进行累计，得到裂纹声发射信号振铃计数N随信号脉冲幅度变化统计；
（5）以X轴表示幅度等级值Mi，Y轴表示按超过各幅度等级值Mi累计得到的声发射信号振铃计数的对数值log10N，得到散点分布图；
（6）按照散点分布图进行直线拟合，得到拟合直线方程；
（7）根据拟合直线与X轴和Y轴形成的直角三角形，求出该直角三角形的面积，即为对应的熔核裂纹的能量当量；
（8）设定一能量当量门限值，当熔核裂纹的能量当量低于该门限值时，判定该熔核裂纹声发射源为低能量声发射源，即属非危险性裂纹声发射源；当熔核裂纹的能量当量高于该门限值时，判定该熔核裂纹声发射源为高能量声发射源，即属危险性裂纹声发射源，熔核裂纹能量当量值越大，表明裂纹尺寸越大，即裂纹缺陷的危险性越高。
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