基于热声理论的铝合金电阻点焊熔核反演成像研究

论文摘要

电阻点焊是电阻焊技术的重要组成之一,该工艺具有能量集中、生产效率高、易于实现自动化等特点,是一种不可或缺的材料加工方法,被广泛的应用于多个领域。点焊工艺又是一个电、热、力等多因素耦合的复杂过程,工艺过程非常短,而且熔核无法直接观测,增加了对其进行有效的质量检测的难度。目前,超声波等多种检测技术取得了一定的效果,但仍存在诸多不足。因此,本文引入热声理论,结合近场声全息理论和反演理论,利用交流点焊时工件产生的周期性波动的热量及由此而激发的热声效应来反演熔核尺寸信息,以此来判断焊点质量,为电阻点焊质量检测提供新的途径。本文首先利用热声理论,根据点焊工件与平板式热声装置的相似性,建立了铝合金电阻点焊热声发射模型,分析了点焊熔核尺寸与热声发射之间的关系。接着,分析了直接测量点焊热声源声压幅值的困难,并引进了基于等效源法的近场声全息技术,建立了电阻点焊熔核热声声压场反演模型。然后,利用谱截断正则化和Tikhonov两种正则化方法对点焊热声源声压幅值进行了模拟计算。最后,进行了铝合金交流电阻点焊实验,采集了点焊熔核周围的热声信号。根据采集到的声音信号研究了电阻点焊热声发射的规律和反演模型,并将反演计算结果与实际熔核对比分析。结果表明:点焊熔核的热声发射强度会随着熔核尺寸的变化而变化,也会受到工件板厚的影响;Tikhonov正则化比谱截断正则化更适用于本文模型的计算;反演熔核图像能在一定程度上反映熔核截面尺寸的变化趋势及形貌特征。厚度为0.5mm的工件的反演结果失真比较严重;厚度为1.0mm和1.5mm的工件,反演图像基本能反映出熔核尺寸的相关信息,但尚不能准确描述熔核的绝对尺寸。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 电阻点焊
• 1.1.2 电阻点焊存在的问题
• 1.1.3 点焊熔核质量检测现状
• 1.2 声信号在焊接中的应用
• 1.2.1 声发射在焊接中的应用
• 1.2.2 外加声信号在焊接方面的应用
• 1.3 热声理论及其发展
• 1.3.1 热声基本理论
• 1.3.2 热声装置
• 1.4 反演理论及其应用
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 铝合金电阻点焊热声模型
• 2.1 热声理论的数值分析
• 2.1.1 热声设备的产热计算
• 2.1.2 热声声压计算
• 2.1.3 热声模型的简化
• 2.2 铝合金交流点焊熔核的热声发射
• 2.2.1 点焊熔核的离散
• 2.2.2 点焊热声模型的数值计算
• 2.3 电阻点焊热声发射数值模拟
• 2.3.1 数值模拟设计
• 2.3.2 模拟结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 铝合金点焊热声场反演模型
• 3.1 近场声全息技术
• 3.1.1 平面近场声全息理论
• 3.1.2 近场声全息技术重建算法
• 3.2 等效源法
• 3.2.1 热声源近场声全息算法的选择
• 3.2.2 等效源法模型
• 3.3 正则化理论
• 3.3.1 基于奇异系统理论的正则化策略
• 3.3.2 正则化计算方法
• 3.3.3 正则化参数的选取
• 3.4 点焊热声压反演数值模拟
• 3.4.1 数值模拟设计
• 3.4.2 点焊热声声压场计算
• 3.4.3 反演成像结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 铝合金电阻点焊反演成像研究
• 4.1 实验设备
• 4.1.1 电阻点焊机
• 4.1.2 声信号采集系统
• 4.2 实验材料
• 4.3 铝合金点焊热声发射规律实验
• 4.3.1 点焊热声发射与角度的关系
• 4.3.2 点焊热声发射与工件厚度的关系
• 4.4 点焊热声反演成像实验
• 4.4.1 实验内容
• 4.4.2 焊接实验参数
• 4.4.3 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢