超声波金属焊接信号采集与分析系统

尹天罡，曹 彪

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

0 前言

随着现代工业的发展，特别是在新能源、航天以及微电子互联、封装等行业，有色金属的应用越来越广泛，而各种应用对焊接质量的要求也越来越高，从而对焊接设备以及焊接工艺提出了更高的要求。超声金属焊接是一种在压力作用下，利用超声振动促进界面塑性变形进而形成固相连接的焊接方法[1]。由于具有效率高、焊接周期短、清洁等特点，在微小有色金属元件连接中应用较为广泛。但是超声波金属焊接的质量无法直接检测，现在大部分生产采用以下方法进行质量检测：正式生产前，通过大量试验获得设备的优化参数[2-3]；生产后，离线抽样进行破坏性检测。由于超声波金属焊接是一个多变量耦合的复杂的动态变化过程[4-5]，目前实用的在线质量检测方法还没有形成。在实际超声波焊接试验中，随着焊接过程的进行，换能器驱动信号是不断变化的，并且与焊接质量呈现一定的关系。本质上，超声波金属焊接就是一个能量消耗、界面微观特征逐渐形成的过程。采集分析换能器驱动信号的变化，即能量输入变化的过程，不仅能反应焊接过程中真实的物理过程，而且也能发现焊接质量与驱动信号之间的关系。因此结合本实验室超声波焊接设备的特点，研发了一套信号采集与分析系统。

1 超声波焊接系统的组成

数据采集系统的开发是以本实验室的超声波焊接系统为试验对象，整体结构如图1所示，主要由超声电源、换能器系统两部分组成。超声电源具有快速的频率跟踪功能。换能器系统主要由压电换能器、变幅杆、工具头等组成。其工作原理为：压电换能器将电信号转化为机械振动，机械振动经变幅杆传输、放大，再经过工具头作用于工件，在压力的共同作用下，实现焊件的连接。

图1 超声波金属焊接系统结构示意

2 采集系统硬件设计

本系统主要是以传感器、数据采集卡和计算机对信号进行自动采集、分析、显示和存储，其工作过程为：各个被测信号经过相应的传感器后转换为电压信号，再经信号调理电路滤波、放大处理后，由数据采集卡输入计算机，最后计算机对信号进行显示、存储、分析等处理。其整体结构框图如图2所示。

图2 数据采集系统整体框图

2.1 数据采集卡

本系统选用NI公司的PCI-6133数据采集卡，这是一种基于PCI总线的数据采集卡，该卡可同步采样8路模拟信号，每个通道最高采样率可达3 M/s，分辨率为14位，板上存储量为16M。此采集卡配合台式电脑组成高性能的数据采集系统，符合本系统的要求。

2.2 传感器和信号调理

换能器驱动电压高达1 000 V，远高于数据采集卡能够承受的最高电压10 V，所以电压信号需要采用分压电路衰减400倍后输入数据采集卡进行采集，衰减后输出电压U1。电流通过高频电流互感器TAK12-01测量，测得电压为U2。振动信号通过基恩士LK-G5000系列超高速、高精度CMOS激光位移传感器测量，电压为U3。最后把所有通过传感器测得的信号经过调理电路接入采集卡PCI-6133中。其接线原理如图3所示

图3 信号采集接线示意

测量信号与实际信号的关系：电压U=400U1；电流 I=U2；振幅 A=300 U3。

由于焊接过程中存在高频干扰，所以设计了有源二阶巴特沃斯低通滤波器，采用二阶MFB（Multiple Feedback）电路，设计截止频率fc=100 kHz，如图4所示。前级为差分电路，采用精密运放INA117，具有非常高的共模输入电压±500 V，对后面的电路起隔离保护作用。驱动电压、电流信号采用该调理电路，振动信号采用位移传感器自带的调理电路。

图4 调理电路

3 采集系统软件设计

数据采集系统使用软件LabView2010，编程采用的是G语言，是一个LabVIEW程序的编程环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是虚拟仪器的用户交互接口，其功能相当于实际仪器的面板。流程图窗口用于编辑虚拟仪器的图形化源代码。软件前面板设计如图5所示，采集系统程序流程如图6所示。

除了具有采集功能，软件还具有采集参数设置、采集数据显示、数据保存、数据初步处理、意外错误处理等功能。系统软件总体结构设计如图7所示。

数据采集模块可实时显示采集到的各种参数的波形，通过一个选择开关还可控制是否对焊接各种数据进行保存。

数据处理模块可进行波形回放、时域分析、频域分析和小波分析等，其中每一分析程序又做成了子模块，以供调用。该模块的前面板设计类似主界面的前面板。其中波形回放具有对已存储电压电流位移数据进行动、静态回放，分别、层叠和错开显示等功能；时域分析主要是对信号进行求平均值、有效值等；频域分析主要是对信号进行快速傅里叶变换；小波分析主要是对信号进行小波分解、小波重构等。

图5 数据采集系统前面板

图6 LabVIEW数据采集程序流程

4 数据采集系统实验

在吉普超声波金属焊接机上进行实验。设置焊接压强0.4 MPa，焊接时间0.35 s，驱动电压90 V。焊接试样（0.2 mm厚的铜箔）是根据ASTM关于拉伸试验的国际标准准备的，如图8所示。采集系统采样频率设置为1 MHz；使用中间触发方式，触发源为通道0（采集电压），触发电平0.5 V，触发前预采50 000点，采样时间0.6 s。等待时间设置60 s，即如果60 s内采集系统没有被触发，软件将超时退出。

图7 系统软件总体结构设计

图8 焊接试样规格

图9为上述采集系统所获得的1组典型焊接信号(电流信号、电压信号和振动位移信号)曲线。图中每条曲线展开后每个超声周期约40个采样点，足以了解焊接过程的每一个细节。

从图9中可以看出，焊接过程中电压、电流、振动位移信号随时间的变化都出现了明显的变化。电压信号在超声焊接开始后迅速出现一个峰值，达到约1 000 V，随后信号幅值降低趋于稳定，幅值约550 V。电流信号和电压信号趋势一致，在开始出现一个峰值，然后幅值降低趋于稳定，幅值约0.8 A。振动位移信号在整个焊接过程中不稳定，处于波动状态，振动幅值约15 μm。

5 实验结果分析

采用上述采集软件获得了大量超声波金属焊接过程中的电流、电压、振动位移等信号，这些信号包含了反映焊接强度生成过程的特征。

通过实验发现，在实验条件不变的条件下，电流信号的变化很大程度上反应了焊接强度，本研究主要对电流信号进行分析。使用Matlab软件，采用小波分析的方法分析电流信号。

首先采用db10小波基[6]，对电流信号进行小波分解，分解为5层，然后计算各频率段信号有效值。

采用上述小波分析方法获得的电流信号主要频率段有效值曲线如图10所示。

图9 超声金属焊接过程电压、电流、振动信号

图10 电流信号主要频率段有效值曲线

由图10可以提取如下电流信号特征：

（1）各频率段信号有效值的平均值及方差。

（2）16～32 kHz频率段信号有效值的最大值、最小值。

（3）16～32 kHz频率段信号稳定阶（150~400 ms）有效值的平均值与方差。

上述特征值与焊接强度直接的关系为：

（1）电流信号的16～32 kHz频段有效平均值A。

（2）电流信号的16～32 kHz频段有效值最大值与最小值的差值d。

若d值很小，则焊接强度低。超声波金属焊接是一个能量消耗、界面微观特征逐渐形成的过程，其消耗能量的过程应该随着焊接过程变化，其表现为阻抗、电流的变化过程。在焊接过程中，d值变化不大，说明微观界面没有形成，导致焊接失败。

6 结论

（1）根据超声波金属焊接实验平台的结构，构建了采集焊接过程中换能器驱动电压、电流信号、振动位移信号的测量电路；基于NI公司的高速数据采集卡PCI6133，采用LabView软件开发了超声波金属焊接信号采集系统，实现了焊接过程中上述信号的实时采集、数据保存、波形显示以及信号的频谱分析和处理。

（2）使用Matlab软件，采用小波分析方法分析电流信号，找到了两个与焊接质量有关的特征：若16～32 kHz频段信号有效值平均值很小，或者16～32 kHz频段信号有效值变化趋势不明显，焊接失效。

[1]赵熹华.压力焊[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]Elangovan S，Prakasan K，Jaiganesh V，Optimization of ultrasonic welding parameters for copper to copper joints usingdesignofexperiments.InternationalJournalofAdvanced Manufacturing Technology，2010（51）:163-171.

[3]PanteliA，ChenYC，StrongD，etal.OptimizationofAluminiumto-Magnesium Ultrasonic Spot Welding.JOM，2012，64：414-420.

[4]Bakavos D，Prangnell P B.Mechanisms of joint and microstructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminium automotive sheet.Materials Science and Engineering A，2010，527：6320-6334.

[5]王福亮，韩 雷，钟 掘.超声功率对引线线键合强度的影响[J].机械工程学报，2007，43(3)：107-111.

[6]张德丰.Matlab小波分析.北京：机械工业出版社，2011.