点焊信息在线监测与评估在航天器舱体结构中的应用

陈 材，祁俊峰，陈树君

（1.北京卫星制造厂，北京 100190；2.北京工业大学，北京 100022）

0 前言

航天器密封舱为焊接结构，涉及点焊位置达几百处。电阻点焊是一个高度非线性、多变量耦合作用和大量随机不确定因素相互影响的过程，焊接条件短时波动就可能造成较严重的飞溅、虚焊或脱焊[1]。在航天领域，许多关键部件不允许整体解剖，需要人工检查每一个焊点，难以准确判定虚焊（或熔核偏小）。由于点焊形核时间极短，无法直接观测，对于点焊质量目前还缺乏可靠、实用的无损检测手段。因此，在点焊过程中监测和控制熔核的尺寸、冶金缺陷和接头强度的稳定性，实现对接头质量的控制十分迫切[2-3]。

近年来，基于焊接过程动态信号特征分析进行接头质量在线监控的研究受到关注。如利用动态电阻曲线特点或电极压力进行点焊质量监控的单参量监测技术得到了应用[4-5]。随着计算机技术和人工智能的发展，采用统计分析、人工神经网络、模糊控制等方法建立焊接参数与质量信息之间的关系，预测焊点质量的多参量监测技术也得到广泛研究[6-9]。现阶段研究对象一般集中在低碳钢、钛合金等，对铝合金点焊信息监测研究较少[4，7]。

针对航天器密封舱点焊质量在线监测的需求，建立了一套点焊信息在线监测与评价系统，通过统计分析采集到的原始特征信息值，实现对焊点飞溅、虚焊（或焊点熔核偏小）质量的在线评估。系统硬件包括点焊设备、4种传感器、滤波电路、数据采集卡、工控机，其结构框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图Fig.1 Hardware of the system

1 质量信息特征的提取和判断方法

除了材料表面状态及装配等因素，点焊质量主要由点焊能量、焊点受力和焊接时间决定。针对焊点飞溅、虚焊（或焊点熔核偏小），选取点焊电流、电压、电极压力、电极位移等参数进行分析。

（1）电流、电压信号。

采用瑞士苏莱特点焊机进行焊接，焊接过程电流较为稳定，焊接能量的大小与电流直接相关，焊接电压由焊接过程的动态电阻决定。某金属正常点焊条件下的电流、电压波形如图2所示。由测得的焊接电流、焊接电压，可以得出动态电阻曲线。

图2 正常焊接条件下的电流、电压波形Fig.2 Welding current and voltage curves under normal conditions

（2）动态电阻信号。

不同热量输入下动态电阻曲线如图3所示（纵轴单位是mΩ，横轴表示采样点数，采样频率10kHz）。点焊过程中动态电阻变化分为3个阶段：焊接开始阶段，在压力和电流的共同作用下，焊接区温度快速升高，试件表面的氧化薄膜迅速烧结，粗糙的表面迅速瓦解，由于接触电阻的快速下降，动态电阻曲线出现陡降区。随着焊接推进，表面接触电阻基本消失，同时焊接区温度升高使材料内阻增加，出现平缓区；此后，材料发生熔化，由于液态金属的电阻低于固态金属，所以动态电阻再次缓降。在动态电阻再次缓降过程中，动态电阻下降越多，表明熔化的液相金属越多，在不发生飞溅时熔核直径越大，但如果焊接电流过大，电极压力不足以将液相金属保留在塑性环内，过多的液相金属会飞出熔核区，即发生飞溅。

研究发现，未熔合或焊核偏小的焊点动态电阻均值明显小于合格焊点的动态电阻均值。热输入量小时，焊点未熔合，动态电阻曲线除开始阶段有陡降外（氧化膜烧结、粗糙表面瓦解），其他部分相对平缓，而正常情况下在第三阶段由于金属熔化会导致动态电阻再次快速下降。随着热量输入的增加，开始阶段由氧化薄膜烧结速度加快导致的接触电阻下降更快；试件开始熔化的时间提前，反映在平缓区时间缩短；热量输入过大时会发生飞溅，在不发生飞溅的情况下，动态电阻曲线收尾值越小，焊接质量越好。

（3）电极位移信号。

图3 动态电阻曲线Fig.3 Dynamic resistance curve

电极位移能反映点焊过程中热膨胀和熔核生长引起的体积变化，并以此预测焊接质量。一个特定材料和厚度的工件，合格的焊点必对应一个合适的电极位移范围。不同热输入下的电极位移曲线如图4所示。当热量输入非常低时，不足以引起搭接面处的熔化或者只熔化很小一部分，电极位移主要反映接头处的热膨胀。冷却后电极位移将基本回到焊接起始位置。当热量输入达到一定水平后，理想的熔核才能形成。熔核形成时间越早、尺寸越大，在位移曲线上出现的变化越快速、越大。在冷却过程中，由于相变和热膨胀更大，所以电极位移曲线在停止焊接电流后的变化也更大。如果输入的热量过高，熔核过度生长，熔化金属过多会导致熔融金属从接头处飞出。

虽然飞溅时位移信号变化明显，但利用位移信号作为判断飞溅的手段仍不够理想，如取位移信号的方差、极差、峰度、线性拟合等方法处理后的特征值不能完全与正常焊点区分，存在误判现象，所以位移信号在质量监测中起辅助评估作用。

（4）电极压力信号。

电极压力和焊接质量密切相关。当电极压力过低时，电极与母材间的接触电阻增大会产生过热，引起飞溅并降低焊点强度；压力过大时，焊点熔核的直径和焊透率都大大减少，造成焊点强度不足。

图4 电极位移曲线Fig.4 Electrode displacement curve

不同热量输入下的电极压力曲线如图5所示，焊接时间1.1～1.25 s。1.1 s时刻开始施加焊接电流，压力曲线上产生向上的噪声；在1.15 s时刻，工件受热膨胀，对上电极产生反作用力。一般认为，在动态压力曲线的斜率的二阶导数为0时，工件开始熔化，此后动态压力曲线上升变得平滑，熔核熔化体积变大，对上电极产生反作用力。1.25 s时刻焊接电流结束，在压力曲线上产生了向下的噪声。从1.25 s开始，熔核区发生液固相变并冷却，电极压力逐级回到上气缸对活塞的力。

由图5可知，随着热量输入的增大，熔核区固液相变的临界点越靠前，曲线越来越往上移动；动态压力曲线在熔核熔化前的斜率越来越大；熔核的相变膨胀对动态压力的贡献很小，动态压力变化主要来源于熔核区的受热膨胀；当热输入过大时（见图5c），熔核迅速形成，当飞溅发生后，熔核区金属飞出，熔核膨胀瞬间消失，压力曲线产生躁动。

综上可知，当焊点产生飞溅时，电极位移曲线上出现波纹，电极压力信号上出现剧烈的振荡，因此压力曲线和位移曲线可以作为飞溅焊点的特征来分析，而压力曲线表现更显著。评估焊点是否飞溅可以从焊接电流最大值后截取电极压力信号进行曲线拟合，将实际曲线与其拟合曲线相比较从而获得特征值，对比该特征值与临界阈值从而判断是否产生飞溅。未熔合或焊核偏小的焊点动态电阻曲线除开始阶段有陡降外，其他部分相对平缓，其均值明显小于合格焊点的均值。因此，可以通过对比动态电阻的曲线走势（斜率）或均值与临界阈值关系来评估熔核偏小或未熔合。

图5 电极压力曲线Fig.5 Electrode pressure curve

2 点焊数据信息的评价和验证

利用统计过程控制（SPC）方法统计分析采集到的点焊原始特征信息值，得到飞溅焊点和小熔核焊点质量评定的临界阈值，铝合金电阻特征值如表1所示，若两个工件的厚度和为x，电阻阈值为y，则y=0.009x+0.105。可见未熔合焊点（含焊点过小、脱焊）的电阻特征值明显大于正常焊点的电阻特征值，有较大的区分度。

表1 铝合金点焊未熔合电阻特征值Table 1 Resistance characteristic value of aluminum alloy spot welding with incomplete fusion

铝合金飞溅特征值如表2所示。厚度和在5 mm以下飞溅特征阈值设定为160，厚度和在5 mm以上的飞溅阈值设定为220。可以看出正常焊点与飞溅焊点的特征值差距很大，压力特征值阈值可以明显判断飞溅。

表2 铝合金点焊飞溅压力特征值Table 2 Pressure characteristic value of aluminum alloy spot welding with spatter joint

焊接TB2钛合金1.8 mm+1.8 mm未熔合时的系统软件界面如图6a所示，当右上方“未熔合”指示灯呈绿色时，动态电阻均值约为0.235 mΩ（见图6b），而正常焊点动态电阻平均值约为0.27 mΩ（见图6c）。由图可知，焊核偏小时均值小、波形平稳，而正常的焊点均值较大、波形呈缓慢下降趋势，动态电阻下降越多，说明熔化的液相金属越多。

图6 动态电阻曲线Fig.6 Dynamic resistance curve

拉开点焊接头以验证系统评估的准确性，焊点熔核直径小于6 mm时即认为熔核直径偏小。LF6铝合金点焊验证结果如表3所示，系统对飞溅的在线判断准确率达100%，对未熔合（含熔核偏小、虚焊）判断的准确率也很高，但尚有少量的轻微未熔合未判断出来。从验证结果看，该系统基本达到预期目标。

表3 LF6铝合金点焊验证结果Table 3 Validation results of LF6 aluminum alloy spot welding

3 结论

开发了点焊过程信息综合评价分析系统，基于电极压力信号的躁动能够准确判定飞溅，基于顶锻过程动态电阻值的阈值能够判定未熔合。验证结果表明该系统具有较高的可靠性。研究成果已应用于某型号密封舱桁条加强筋的焊接生产中，将为持续提高航天器密封舱焊缝质量稳定性、结构的可靠性和生产管理高效性发挥作用。

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