智能电阻焊接在线检测系统助力汽车工业提升效率和质量

前言

⽬前汽车制造工业发展迅速。汽车生产线上一项重要工艺是焊接。电阻点焊在汽车白车身焊装中占据主导地位。汽车车身、车架、侧围、五门一罩等所有大件的焊接均由电阻焊接工艺完成。一辆汽车白车身上约有5千多个电阻焊点。焊接质量与效率对于汽车产品的⽣产率、安全性以及成本具有决定性影响。然而，虚焊、未熔合等质量隐患问题因缺少自动检测手段而存在潜在风险，面临挑战。

智能电阻焊接在线检测系统（IRWI- Intelligent Resistance Welding Inspection）应运而生。该系统将机器人焊接、数据采集、自动信息处理、人工智能综合集成一体化。产品采用深度学习模式先进算法，模式识别，对大数据进行分析，实现在线检测和系统优化，并预测焊接质量变化趋势。广州正田科技有限公司自主研发的智能电阻焊接在线检测IRWI技术属国内首创，国际领先，受到制造业青睐。

本文概述智能电阻焊接在线检测系统（IRWI）的研究背景、功能特点、体系结构、技术规格和应用前景。IRWI系统贯穿多传感融合与AI技术，由多类别传感器、智能数据处理模块和电控部分组成，实现电阻焊接质量在线监测和整个焊接生产线的智能化管理。IRWI实时性强，检测精度高，抗干扰能力强，稳定性好，易于安装操控。随着在汽车制造业的推广，必将产生巨大的市场效应。

一、汽车工业电阻焊接久未克服的痛点

汽车电阻焊接缺乏在线检测手段和成熟的自动化检测方案。汽车车身是一个典型的焊接结构件，应用最多的是电阻焊，占整个焊接工作量的60％以上。电阻点焊一般要经过加压、通电、保持、卸压四个过程，在压力持续作用下完成。 电阻点焊将置于两电极之间的工件加压，并在焊接处通以电流，利用电流通过工件本身产的电阻热来加热并形成金属局部熔化，使两块分离的金属达到原子间结合，形成永久性连接。焊接电流停止并工件冷却时，在电极压力继续作用下而形成牢固接头。

焊点内部质量检验主要从熔核直径、熔透、机械性能三个方面进行判断。在电阻焊领域，多数汽车制造企业仍采⽤人工目测、凿检、超声等抽检方法进⾏焊接质量评估，效率低，存在漏检、误检，无法满足100%焊点在线检测的需求。通常为此而增加10%左右的冗余焊点，这不仅增加了材料和⼈⼒成本，并对产能形成压制。

焊接工业现状急需寻求并解决无损在线检测方法。智能电阻焊接在线检测系统IRWI采集多传感信号，提取信号特征，经大数据分析处理，实现质量监控，有效降低误检和漏检的风险。

二、IRWI产品主要功能

IRWI产品主要功能如下：

1. 焊接缺陷检测功能。从焊钳（电极）处直接采集焊接信号获取熔核生长、飞溅、焊接热过程瞬时状态信息，消除信号传递误差，在线检测包括虚焊、漏焊、未熔合、裂纹、压痕过深、喷溅、过烧等缺陷。
2. 状态数据处理功能。计算统计每台机器人焊接设备的焊接数据，形成日报表、月报表、年报表，对焊接设备工作状态进行评估。
3. 焊接参数优化功能。对焊接大数据进行筛选分析，挖掘数据潜能，预测焊接质量变化趋势，获取焊接控制优化参数，降低焊接不良率、能耗和成本。
4. 焊接质量监控功能。实时监测焊接参数，显示数据波动曲线，反映运行势态， 识别异常波动，判断状态合格或异常，提前采取防控措施，保证焊接质量稳定。
5. 实时推送报警功能。对异常焊点和焊接设备异常变化趋势产生预警信号，推送至指定移动终端，进行报警干预，并支持云服务功能。
6. 控制系统联网功能。与焊接机器人控制系统通讯链接，形成数字化车间物联网，实现智能化管理和移动终端远程控制。

三、IRWI产品主要技术规格

智能电阻焊接在线检测系统（IRWI）的主要技术规格如表1所示。

该产品的主要优势体现在：

1. 提⾼焊接产品质量和可靠性。
2. 提升生产运行工效，⼤幅减少⼈⼒成本。
3. 实现⽣产线优化、节能减排，建设智能⻋间。
4. 通过深度智能分析，对焊接质量体系作出评估。
5. 对现行的生产线，无需拆解改造，直接联上系统，即装即用。
6. 利于制订和实施新⾏业标准，降低潜在的法律⻛险。
7. 促进采集形成⼯业⼤数据，开发⼯业⼈⼯智能技术。

表1 智能电阻焊接在线检测系统（IRWI）的主要技术规格

四、IRWI在线检测系统组成

IRWI在线检测系统架构组成如图1所示。每个焊接机上安装有多个传感器，每台电阻焊接检测机对应一个焊接机器人，系统可显示实时电流、电压、电阻变化曲线，及时反映运作状态。中控台可监控百余个焊接机器人，并联网和提供云服务。远程移动终端如手机，可实时监测焊接流程。

图1  IRWI系统组成示意方块图

五、 IRWI在线检测原理

电阻点焊过程由预压阶段、加热阶段、压力维持、压力休止四个基本阶段组成。传感器采集焊接电流、电极压力、电极位移、电极电压等动态参数，进行数据处理，建立电阻焊接质量检测评估模型，以实现焊接质量的在线检测。

建立检测模型的主要关联参数如下：

1. 焊接电流：焊接动态电流是点焊过程中加热焊件的一个决定性参数。焊接时的电阻热与焊接电流值的平方成正比。一般要求焊接电流值在一定范围（7000-13500A)内。低于该范围的下限将不能形成焊点，降低焊点强度；高于该范围上限，板件表面会出现凹坑，并挤出熔化的金属，同时还会烧蚀电极头。焊接电流有时过大、说明控制模式非最优，或焊接时间过长，就会造成飞溅过大。
2. 电极位移：电极位移最大值和增长速率与熔核存在有强相关性。位移传感器直接安装在焊接臂上，并反映位移参数。
3. 电极压力：热膨胀对加压机构产生反作用力，反映熔核生长过程。正确施加电极压力对焊接结果有直接影响。若对板件压力过大，会导致板件加热不足，焊点尺寸和焊透率减小，焊点强度下降。若压力过小，待焊板件接触不良，电流从旁边的焊点分流，使待焊板件难以焊接，焊点减小。
4. 焊接时间：焊接时间与焊接过程密切相关，也与焊接能耗成比例。在焊接系统优化后，焊接时间还可缩短，从而降低能耗。
5. 温度场分布：温度场分布直接反映热连接状态。焊接热量过大会降低焊接部位的强度。在焊装车间经常看到熔核金属随飞溅飞出。随着控制参数优化，飞溅随之减少。
6. 动态电阻：动态电阻与飞溅、熔核成形直接相关，需要准确计算并分析其特征，探索出其与焊接缺陷之间的对应规律, 实现焊接状态的准确评估。

IRWI在线系统检测参数随时间变化的曲线经函数计算可反映不同焊接缺陷的状态，例如虚焊和飞溅缺陷，如图2所示。

图2  IRWI在线系统检测参数曲线反映焊接缺陷状态[1]

六． IRWI系统的应用前景

电阻焊是汽车制造的核心工艺。国内拥有百余家汽车制造企业，每条汽车⽣产线配备数百至数千台电阻焊机。每台都是IRWI系统产品的潜在应用终端。IRWI实时检测监控、储存和分析生产数据，创造工业大数据，必将促进工业人工智能业务的发展和工业4.0技术的普及。图3为IRWI可应用的领域范围。

图3 智能电阻焊接在线检测系统的应用范围

智能电阻焊接在线检测系统（IRWI）作为AI技术深入工业的典型范例，应用前景广泛。在汽车船泊制造、锂电池新能源、航空航天、以及半导体设备等产品的⽣产中均有重要用途。

参考文献：

[1] Weile Yang, Perry P. Gao, Xiangdong Gao. Online evaluation of resistance spot welding quality and defect classification. Measurement Science and Technology. 2023，34: 095016.