超声金属焊接中剪切力传感器的设计与验证：一种用于过程监测的高频信息获取新方法

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

为解决超声金属焊接（USMW）过程监测中激光测振仪成本高、易污染的问题，本研究开发了集成压电剪切力传感器的砧座系统。通过175组焊接实验验证，该传感器与参考测振仪信号在20 kHz工作频率下决定系数R2达0.986，为工业环境提供了一种低成本、可集成的过程监测方案。

　　

在电动汽车和电子制造领域，超声金属焊接（Ultrasonic Metal Welding, USMW）作为一种固相连接技术，被广泛应用于电池极耳、线束端子等关键部件的焊接。然而这一过程存在一个本质难题：由于焊接界面始终被工件遮盖，且焊接过程中伴随20 kHz高频振动，传统监测手段难以直接获取焊接质量的关键信息。目前工业界主要依靠焊接能量和焊头压入深度等标量参数进行质量判断，但研究表明这些参数对焊接缺陷的识别能力有限，导致产品质量稳定性难以保障。

为解决这一行业痛点，德国亚琛工业大学焊接研究所（ISF）与机构理论、机器动力学与机器人学研究所（IGMR）的联合团队在《Welding in the World》发表最新研究，提出了一种基于压电剪切力传感器的创新监测方案。该研究通过系统化的设计、校准与验证流程，成功开发出能够集成于工业生产环境的高频过程监测系统。

研究团队采用三个关键技术方法：首先通过有限元分析（FEA）进行砧座结构动力学优化，确保传感器在20 kHz工作频率下的可靠性；其次利用准静态两点校准法对剪切力传感器进行精确标定；最后通过175组铜片焊接实验（涵盖不同表面状态、材料硬度和夹紧条件），以激光测振仪为参考，对传感器信号进行验证。

2.1 砧座设计

研究团队通过三阶段设计流程确保传感器系统可靠性。简化为单质量振荡器模型分析显示，系统需在超临界频率范围（f > √2 f₀）运行以避免共振。谐响应分析发现，在20-20.5 kHz工作频段内，传感器振幅增益因子介于1.34-1.59之间，具体取决于结构阻尼特性。静力学分析表明，在1000 N载荷下，传感器处变形仅为0.16 μm，远低于额定值4.5 μm。

2.2 数据采集与分析

测量系统包含同步采集的多通道数据：剪切力传感器信号经电荷放大器转换，与砧座测振仪信号同步记录，采样率达500 kS/s。信号处理采用20-21 kHz带宽的带通滤波和希尔伯特变换包络提取，重点关注工作频率及其谐波成分。

3 结果与讨论

3.1 力传感器校准

准静态校准显示，安装状态下的传感器灵敏度为7.7 pC/N，比标称值降低6.6%。这种精度修正对量化分析至关重要。

3.2 焊接结果

五组实验条件（参考状态R、化学清洗C、高硬度H、油脂污染F、无夹紧X）各35个样本的统计数据显示，剪切力传感器信号能清晰区分不同工艺状态。污染条件（F）的焊接过程呈现独特的双阶段特征，在400-450 ms出现第二次力峰值，对应污染物的排出过程。

3.3 力传感器验证

关键发现显示，在20 kHz工作频段，剪切力信号与测振仪信号高度一致（R²= 0.986，nRMSE = 0.032）。然而在40 kHz二次谐波处相关性显著下降（R²= 0.519），60 kHz三次谐波处恢复良好相关性（R²= 0.947）。这表明传感器在主要工作频段具有卓越性能，但对某些高频成分的响应存在局限性。

研究结论表明，压电剪切力传感器可作为激光测振仪的有效替代方案，为超声金属焊接过程提供可靠的高频振幅、频率和相位信息。这种方案成功解决了工业环境中传感器易污染、安装空间受限的痛点，为智能焊接制造提供了新的技术路径。未来研究将重点评估该方法在不同砧座设计中的普适性，以及通过力分流安装进一步优化系统刚度的可能性。