Realization and expulsion control of piezoelectric actuator assisted resistance spot welding
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摘要: 电阻点焊是一种多物理场耦合且封闭不可见的金属成形过程，焊接过程中电流大且通电时间短，电极力与熔核区热熔化程度匹配不当，极易造成飞溅问题，影响表面成形并降低焊点强度. 针对此问题，文中提出了一种压电致动器辅助电阻点焊的方法，利用压电致动器自身响应时间短、输出推力大的特点，将压电致动器辅助压力施加于焊接过程，实现电阻点焊过程中宏观静压力与压电致动器辅助快速动态可编程压力调节. 结果表明，压电致动器在电阻点焊气缸宏观预紧力下可实现可控的压力输出，不同频率的振动可辅助加载于原始压力波形之上，在保持焊接参数不变的情况下，压电致动器的振动输入可有效改善熔核区热分布，实现对焊接飞溅的抑制并增大熔核直径，综合提升接头性能.Abstract: Resistance spot welding (RSW) is a metal forming process with multi physical field coupling and invisible. High current in a short welding duration will make improper matching between electrode force and melting of the nugget. Expulsion is a typical welding defects, it will reduce the nugget strength and the using life of the electrode cap. In this study, a piezoelectric actuator assisted resistance spot welding system was proposed and built, which benefit from short response time and high output of the piezoelectric actuator. The force from piezoelectric actuator was added on the main cylinder force during the welding process. In this way, macro static force and high dynamic programmable force regulation were realized. Experiments showed that expected piezoelectric actuator out-puts were obtained. A series of piezoelectric frequency was added into the electrode force. The oscillation of piezoelectric actuator improved the heat distribution in nugget zone. Expulsion was reduced and the nugget sizes increased significantly under the piezoelectric oscillation.
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0. 序言
目前，电阻点焊(resistance spot welding, RSW)仍是汽车行业作为金属连接的主要手段，典型轿车车身大概由300 ~ 400个薄板件经3000 ~ 6000个焊点装配而成[1-3]，因此焊点质量及后续检测工序将直接影响焊接结构的可靠性和生产效率. 焊接飞溅是典型的焊核区熔化程度与电极压力不匹配而产生的金属从板间飞出或表面飞出的一类点焊缺陷，此类缺陷不仅降低焊点质量，而且破坏熔核成形，造成电极端头使用寿命降低.
针对此问题国内、外学者进行了大量研究[4-6]，主要包括焊接过程信号飞溅典型特征提取、建模、质量评估和飞溅控制方法等方面. 甘肃工业大学张鹏贤等人[7-8]对电阻点焊各个焊接参数信号特点进行了系统研究，提取了多个与接头有关的特征参数，利用径向基函数神经网络算法、样本矩阵和Som神经网络等多种方法，建立了模型并预测结果良好. 华中科技大学Wan等人[9]，搭建了一套依据焊接过程动态电阻的点焊质量监测系统，选取动态电阻曲线对熔核直径和峰值载荷进行预测取得一定效果. 此外，重庆理工大学罗怡等人[10]利用实时监测结构负载声发射信号研究了镀锌钢板电阻点焊飞溅的主控因素. 由此可见，焊接参数信号特征与焊点形核状态变化有一定关联，通过传感监测系统采集各焊接参数信号并对质量进行分析与评估的方法是可行的.
天津理工大学Zhang等人[11]在对电极位移特征提取分析的基础上，引入切尔诺夫脸谱图对焊接质量进行评估，获得良好效果. 北京工业大学Wu等人[12]针对焊接过程飞溅现象，提出了一种基于小波分解及峰-峰值、峭度指标和冲击指标联合的焊点质量评估方法，该方法将信号处理方法和统计指标引入点焊飞溅研究中. 沈阳工业大学贺优优等人[13]研究了新型高强塑积富B-Al合金材料点焊飞溅，建立点焊熔核力矩平衡条件，在焊件翘起情况下得出电极有效压力的不足是造成点焊飞溅的重要原因. Mikno等人[14]同步采集了焊接过程中的压力信号、电流信号、电压信号、电极位移信号以及过程高速摄像，在对飞溅信号的检测中发现压力信号是最敏感的，通过将焊接电流在飞溅前停止的方式对飞溅进行抑制，取得良好效果. 上海交通大学张旭强等人[15]对伺服焊枪与气动焊枪在渐进、预压与焊接3个阶段的焊接特性进行了对比分析，提出伺服焊枪的动态调整时间为60 ms. 而要实现对飞溅在更短时间内的控制，则对压力动态调节时间提出更高要求.
依据上述分析，采取合适的飞溅识别方法，并从热-力角度对焊接过程进行快速控制，可达到飞溅缺陷的抑制效果. 文中选取电阻点焊过程的电极力信号进行分析与研究，通过监测到压力下降特征进行飞溅缺陷的识别，从改善电极力角度对焊接过程进行控制. 选取具有响应快、输出推力大且体积小的压电致动器元件作为辅助压力，将其集成到电阻点焊施力单元内，探索电极力动态变化对电阻点焊飞溅过程影响.
1. 试验系统
文中试验系统包括电阻点焊基本单元，新型压电致动器辅助电阻点焊电极单元，压电致动器运动控制系统及数据采集系统. 搭建的压电致动器辅助振动电阻点焊平台与飞溅控制试验系统如图1所示. 该系统可以实现如下功能：(1)焊接电流、焊接电压、电极力信号采集及存储；(2)焊接电压触发压电致动器启动功能；(3)压电致动器启动时间、振动持续时间、振动强度及振动频率可控调节.
文中试验采用中频直流点焊机，输出电源频率为1 kHz，电源容量90 kV，最大可输出焊接电流21 kA，加压方式为气缸加压，电极材料为铬锆铜，电极头端面直径选用4 mm和6 mm. 焊接过程参数通过不同传感器获得，电流信号通过固定于上电极外侧的霍尔电流传感器获得；电压信号直接测量上、下电极间的电压降得到；压力传感器采用微型电阻应变式压力传感器. 以上各路传感信号通过NI PCI6220多功能数据采集卡实时输入工控机进行存储和分析，采样频率最高为10 kHz. 系统压电致动器采用封装式压电陶瓷PSt150/10/80 VS15系列压电致动器，该元件可在一定预紧力下输出一定频率的推力，其谐振频率为12 kHz，输出最大推力可达2300 N，标准行程76 μm. 焊接过程中，通过采集的焊接电压(经信号放大器放大)识别焊接通电时刻，触发信号发生器向驱动器中输入控制信号，进而压电致动器输出相应的振动形式，文中主要的输入控制信号为方波信号. 压电致动器前端连接金属运动端头由环形电极内部伸出，与环形电极端部形成锥台形式的新型电极，如图1所示. 运动端头侧面与环形电极侧壁配合，保证整个点击端部的电流导通. 焊接材料为1 mm铝合金6061薄板，采用搭接方式进行焊接. 试验工艺参数见表1，试验1-试验5电极端头直径为4 mm，试验6-试验8电极端头直径为6 mm.
表 1 压电致动器振动辅助的电阻点焊飞溅抑制工艺参数Table 1. Process parameters of piezoelectric assisted RSW to control expulsion试验序号 焊接电流I/kA 焊接压力F/kN 焊接时间t/ms 压电致动器输出力Fy/N 压电致动器频率f/Hz 压电致动器振动时间ty/ms 1 16 3.2 120 0 0 0 2 16 3.2 120 800 3 100 3 16 3.2 120 800 12.5 100 4 16 3.2 120 800 25 100 5 16 3.2 120 800 50 100 6 19 4.0 120 0 0 0 7 19 4.0 120 600 50 600 8 19 4.0 120 600 100 600 2. 结果与分析
2.1 压电致动器辅助振动实现
此节主要对压电致动器辅助振动的实现结果进行分析. 为了验证压电致动器的快速可控，试验同步采集压电致动器控制信号以及压电致动器输出信号，如图2所示. 由图可知，压电致动器在脉冲方波驱动作用下可准确的实现方波的输出，并且由图2纵向虚线所示同步性良好，因此，压电致动器可作为快速压力调节的辅助元件.
为了验证不同频率的压电致动器振动可施加于焊接过程中，采集焊接全过程压力时域波形并进行傅里叶变换求其频谱，对比了不施加振动以及压电致动器振动频率为50 Hz和100 Hz的情况，焊接参数见表1. 试验6、试验7和试验8，分别如图3a、3b和3c所示. 由图可知，在未加入压电致动器振动情况下，压力时域波形仅存在一定的噪声波动，整体压力平稳，频谱图中仅有50 Hz的工频频率. 加入了压电致动器振动后，从时域波形可发现持续的振动方波，其输出力的范围与设定范围相符. 加入振动后的频谱图中依然存在50 Hz的工频成分，当振动频率为50 Hz时，其幅值显著增强. 根据Fourier级数展开公式，方波的频谱由其频率和奇数次倍频组成，因此，当振动频率为50 Hz时，频谱图中存在50 Hz (1倍频/工频)，150 Hz (3倍频)和250 Hz (5倍频)的频率；当振动频率为100 Hz时，频谱表现为50 Hz (工频)，100 Hz (1倍频)和300 Hz (3倍频). 以上结果满足理论推导，可见不同频率的压电致动器振动可施加于焊接过程.
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图 3 焊接电流、电极力信号时域波形图及频谱图Figure 3. Current, time domain & spectrum of electrode force. (a) without oscillation; (b) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 100 Hz2.2 焊接过程飞溅特征
通过增大电流密度人为制造焊接飞溅，焊接参数选取为试验1，其电极力信号时域波形如图4a所示，正常焊接情况下其压力波形如图4b所示. 当焊接飞溅发生，压力波形出现了明显的下降现象，第一次压力的下降程度更陡峭(黑色箭头1)，第二次压力下降呈现缓降情况(红色箭头2). 图4c为仅发生表面飞溅时压力波形图，可见其与图4a箭头所指缓降形式相同，因此可进一步确定下降程度陡峭的为板间飞溅，呈现缓降的为表面飞溅. 在对焊后焊点表面情况检查以及剥离测试中同样验证了以上结果，即图4a焊点表面和内部均有飞溅发生.
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图 4 电极力信号时域波形图及焊点成形Figure 4. Time domain of electrode force and welds. (a) time domain of the electrode force and expulsion weld; (b) time domain of the electrode force and normal weld; (c) time domain of the electrode force and surface expulsion weld电阻点焊飞溅过程所呈现的压力下降与压力传感器测量原理有关. 压力传感器串入到施力单元中，该压力传感器为电阻应变式压力传感器，其测量原理是应变片受力发生弹性变形，引起电阻变化，经电路处理后的以电信号的方式输出力的数值. 当飞溅发生金属液体飞出，此时被压的位移程度获得释放，因此传感器显示的压力数值下降.
2.3 压电致动器辅助飞溅抑制
在对飞溅特征及产生原理分析基础上，此节应用压电致动器快速响应及输出推力大的特点，通过压电振动辅助来抑制飞溅缺陷. 经过11组对飞溅的重复试验，在文中条件下，飞溅常在通电20 ms后出现，因此将压电致动器辅助施压启动时间设为通电后20 ms，进行试验2−试验5. 结果见图5，图6.
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图 5 振动辅助下电极力信号时域波形图Figure 5. Time domain of electrode force with piezoelectric oscillation. (a) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (b) piezoelectric oscillation frequency: 25 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 12.5 Hz; (d) piezoelectric oscillation frequency: 3 Hz![]()
图 6 振动辅助下焊点成形Figure 6. Welds with piezoelectric oscillation. (a) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (b) piezoelectric oscillation frequency: 25 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 12.5 Hz; (d) piezoelectric oscillation frequency: 3 Hz随着振动频率的增加，出现在通电阶段的完整振动周期越少，当振动频率在3 Hz的时候，基本可实现在通电阶段的恒定压力输出，即可保证在一定时间段内的压电致动器的持续膨胀输出状态. 在施加了压电致动器补充振动后，通电阶段内电极力数值得到了明显的提升，高电极力最低可维持在3300 ~ 3400 N水平，可以达到前文中正常状态下的电极力值；当振动频率降低至3 Hz时，通电阶段的最低电极力可保持在3316 N，达到并高于正常焊接条件下的电极力数值，因此可实现通电阶段的压力补充，实现对飞溅的抑制作用.
如图5，图6所示，压力的补充降低了接触电阻，从而降低了能量快速集中聚集，焊后熔核表面无明显飞溅，对试样进行剥离试验后未发现板间飞溅的形成. 图7对比了飞溅焊点尺寸与施振后焊点尺寸，施振后改善了焊接过程热量分布，降低了熔核中心区的过热度，从而避免因热量过快聚集造成的飞溅. 由上分析，压电致动器辅助压力补充后对抑制飞溅的发生有积极影响.
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图 7 飞溅及施振后无飞溅熔核尺寸Figure 7. Nugget size of expulsion & surface expulsion and without expulsion under piezoelectric oscillation3. 结论
(1)提出了压电致动器辅助的电阻点焊飞溅控制新方法，建立了一套集数据采集与控制和试验全套的新型电阻点焊系统，通过主动驱动压电致动器振动而对焊接过程进行控制.
(2)通过测量获得压电致动器可在一定预紧力下进行可控输出并与输入控制信号同步性良好，波形准确. 求取50 Hz和100 Hz频率振动下的电极力波形频谱图，除信号中存在的工频频率外，分别识别出了方波频率的奇数次倍频成分，与方波信号傅里叶级数展开理论吻合，证明压电致动器振动可以附加在原有压力输出过程中.
(3)试验获得了电阻点焊飞溅特征并分析其产生机理，通过压电致动器振动辅助后，焊接过程热量分布得到改善，熔核中心区的过热度降低，从而避免因热量过快聚集造成的飞溅，熔核尺寸显著提升.
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图 3 焊接电流、电极力信号时域波形图及频谱图
Figure 3. Current, time domain & spectrum of electrode force. (a) without oscillation; (b) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 100 Hz
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图 4 电极力信号时域波形图及焊点成形
Figure 4. Time domain of electrode force and welds. (a) time domain of the electrode force and expulsion weld; (b) time domain of the electrode force and normal weld; (c) time domain of the electrode force and surface expulsion weld
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图 5 振动辅助下电极力信号时域波形图
Figure 5. Time domain of electrode force with piezoelectric oscillation. (a) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (b) piezoelectric oscillation frequency: 25 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 12.5 Hz; (d) piezoelectric oscillation frequency: 3 Hz
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图 6 振动辅助下焊点成形
Figure 6. Welds with piezoelectric oscillation. (a) piezoelectric oscillation frequency: 50 Hz; (b) piezoelectric oscillation frequency: 25 Hz; (c) piezoelectric oscillation frequency: 12.5 Hz; (d) piezoelectric oscillation frequency: 3 Hz
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图 7 飞溅及施振后无飞溅熔核尺寸
Figure 7. Nugget size of expulsion & surface expulsion and without expulsion under piezoelectric oscillation
表 1 压电致动器振动辅助的电阻点焊飞溅抑制工艺参数
Table 1 Process parameters of piezoelectric assisted RSW to control expulsion
试验序号 焊接电流I/kA 焊接压力F/kN 焊接时间t/ms 压电致动器输出力Fy/N 压电致动器频率f/Hz 压电致动器振动时间ty/ms 1 16 3.2 120 0 0 0 2 16 3.2 120 800 3 100 3 16 3.2 120 800 12.5 100 4 16 3.2 120 800 25 100 5 16 3.2 120 800 50 100 6 19 4.0 120 0 0 0 7 19 4.0 120 600 50 600 8 19 4.0 120 600 100 600 
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1. 郑煜. 电网中整流电源电阻点焊焊接电压控制技术. 焊接技术. 2023(07): 94-98 . 
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