超聲金屬焊接中剪切力傳感器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證：一種用于過程監(jiān)測的高頻信息獲取新方法

《Welding in the World》：Shear force sensors for process monitoring in ultrasonic metal welding—design, calibration, and validation

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來源：Welding in the World 2.5

　　

在電動(dòng)汽車和電子制造領(lǐng)域，超聲金屬焊接（Ultrasonic Metal Welding, USMW）作為一種固相連接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于電池極耳、線束端子等關(guān)鍵部件的焊接。然而這一過程存在一個(gè)本質(zhì)難題：由于焊接界面始終被工件遮蓋，且焊接過程中伴隨20 kHz高頻振動(dòng)，傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以直接獲取焊接質(zhì)量的關(guān)鍵信息。目前工業(yè)界主要依靠焊接能量和焊頭壓入深度等標(biāo)量參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量判斷，但研究表明這些參數(shù)對焊接缺陷的識(shí)別能力有限，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性難以保障。

為解決這一行業(yè)痛點(diǎn)，德國亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所（ISF）與機(jī)構(gòu)理論、機(jī)器動(dòng)力學(xué)與機(jī)器人學(xué)研究所（IGMR）的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Welding in the World》發(fā)表最新研究，提出了一種基于壓電剪切力傳感器的創(chuàng)新監(jiān)測方案。該研究通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)與驗(yàn)證流程，成功開發(fā)出能夠集成于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高頻過程監(jiān)測系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)采用三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方法：首先通過有限元分析（FEA）進(jìn)行砧座結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，確保傳感器在20 kHz工作頻率下的可靠性；其次利用準(zhǔn)靜態(tài)兩點(diǎn)校準(zhǔn)法對剪切力傳感器進(jìn)行精確標(biāo)定；最后通過175組銅片焊接實(shí)驗(yàn)（涵蓋不同表面狀態(tài)、材料硬度和夾緊條件），以激光測振儀為參考，對傳感器信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 砧座設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)通過三階段設(shè)計(jì)流程確保傳感器系統(tǒng)可靠性。簡化為單質(zhì)量振蕩器模型分析顯示，系統(tǒng)需在超臨界頻率范圍（f > √2 f₀）運(yùn)行以避免共振。諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，在20-20.5 kHz工作頻段內(nèi)，傳感器振幅增益因子介于1.34-1.59之間，具體取決于結(jié)構(gòu)阻尼特性。靜力學(xué)分析表明，在1000 N載荷下，傳感器處變形僅為0.16 μm，遠(yuǎn)低于額定值4.5 μm。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

測量系統(tǒng)包含同步采集的多通道數(shù)據(jù)：剪切力傳感器信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換，與砧座測振儀信號(hào)同步記錄，采樣率達(dá)500 kS/s。信號(hào)處理采用20-21 kHz帶寬的帶通濾波和希爾伯特變換包絡(luò)提取，重點(diǎn)關(guān)注工作頻率及其諧波成分。

3 結(jié)果與討論

3.1 力傳感器校準(zhǔn)

準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)顯示，安裝狀態(tài)下的傳感器靈敏度為7.7 pC/N，比標(biāo)稱值降低6.6%。這種精度修正對量化分析至關(guān)重要。

3.2 焊接結(jié)果

五組實(shí)驗(yàn)條件（參考狀態(tài)R、化學(xué)清洗C、高硬度H、油脂污染F、無夾緊X）各35個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，剪切力傳感器信號(hào)能清晰區(qū)分不同工藝狀態(tài)。污染條件（F）的焊接過程呈現(xiàn)獨(dú)特的雙階段特征，在400-450 ms出現(xiàn)第二次力峰值，對應(yīng)污染物的排出過程。

3.3 力傳感器驗(yàn)證

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)顯示，在20 kHz工作頻段，剪切力信號(hào)與測振儀信號(hào)高度一致（R²= 0.986，nRMSE = 0.032）。然而在40 kHz二次諧波處相關(guān)性顯著下降（R²= 0.519），60 kHz三次諧波處恢復(fù)良好相關(guān)性（R²= 0.947）。這表明傳感器在主要工作頻段具有卓越性能，但對某些高頻成分的響應(yīng)存在局限性。

研究結(jié)論表明，壓電剪切力傳感器可作為激光測振儀的有效替代方案，為超聲金屬焊接過程提供可靠的高頻振幅、頻率和相位信息。這種方案成功解決了工業(yè)環(huán)境中傳感器易污染、安裝空間受限的痛點(diǎn)，為智能焊接制造提供了新的技術(shù)路徑。未來研究將重點(diǎn)評估該方法在不同砧座設(shè)計(jì)中的普適性，以及通過力分流安裝進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)剛度的可能性。