攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型的固相連接技術，具有一系列傳統(tǒng)焊接無法比擬的優(yōu)點[1-2]。如焊接時的無飛濺、不需要氣體保護、焊后工件殘余應力和變形小、焊接接頭抗拉伸性能和抗彎曲性能良好、生產(chǎn)成本低和無污染等，這些性能在鋁合金焊接方面具有得天獨厚的優(yōu)勢[3-4]。攪拌摩擦焊在加工過程中涉及到溫度場、材料組織變化、材料流動、應力應變和振動等多方面的問題[5-8]。為了提高攪拌摩擦焊的焊接質量，必須要設計一套能同時檢測攪拌摩擦焊加工過程中的溫度、三向力和振動信號的在線檢測系統(tǒng)。
系統(tǒng)的構成
攪拌摩擦焊在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有硬件和軟件兩個部分構成, 系統(tǒng)結構如圖1所示。硬件部分包括自行設計制造的攪拌摩擦焊測力八角環(huán)、K型熱電偶、加
速度傳感器、電阻應變片等信號感應元件、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和連接線路。軟件部分主要是用能夠對數(shù)據(jù)采集卡進行相應的參數(shù)設置和對采集信號的實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲LabVIEW開發(fā)的操作設置界面。
系統(tǒng)硬件的設計
1 測力八角環(huán)的設計
攪拌摩擦焊在加工過程中要產(chǎn)生三向力的作用，如圖2所示。其中下壓力比較大；徑向力有一定的波動；側向力比較微弱。據(jù)此特點設計制造的測力八角環(huán)能夠檢測攪拌摩擦焊加工三向力，如圖3所示。
2 傳感器
本系統(tǒng)中涉及到的傳感器有熱電偶、電阻應變片和
加速度傳感器。熱電偶是測溫傳感器，K型熱電偶結構簡單, 熱慣性小, 動態(tài)響應速度快，能夠遠距離傳送信號和多點測量[9]。考慮到攪拌摩擦焊對象多為低熔點工件, 所以本系統(tǒng)采用1級鎳鉻-鎳硅簡裝式K型熱電偶, 其性能指標見表1。
因為本系統(tǒng)中測力過程是借助自行設計制作的測力八角環(huán)完成的，所以感應元件既要滿足量程靈敏度的要求，又要便于貼在八角環(huán)上組成測力傳感器。綜合考慮以上因素，本系統(tǒng)采用Bx120-2AA型電阻應變片，其性能指標如表2所示。
振動測量用型號為ULT2404/V壓電式加速度傳感器，其性能參數(shù)如表3所示。該傳感器不但具有極好的溫度變化隔離作用、較高的共振頻率和良好的線性，而且結構簡單、成本低、便于固定。
3 信號調理電路
由于傳感器產(chǎn)生的都是比較微弱的電壓信號，但本采集卡采集數(shù)據(jù)用到的采集電壓是0~10V，為此需要對傳感器產(chǎn)生的微弱信號進行放大處理。此外，熱電偶還要考慮冷端補償問題，其冷端補償電路如圖4所示。加速度傳感器采集的振動信號受外界環(huán)境的影響較大，為此需要進行濾波處理，其濾波電路如圖5所示。
4 數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)采用研華PCI—1710L型多功能數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有32位PCI
總線、12位A/D轉化器、16路單端或8路差分模擬量輸入、16路數(shù)字輸入，采樣速率可達100kHz。采集卡有即插即用功能，不需要設置任何跳線和DIP撥碼開關；測量精度高，速度快；編程簡單，連接方便，并且與LabVIEW有良好接口。此外，本系統(tǒng)還在輸出管腳處設置了短路保護器件，能夠對多數(shù)據(jù)采集卡進行短路保護。
4 數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)采用研華PCI—1710L型多功能數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有32位PCI總線、12位A/D轉化器、16路單端或8路差分模擬量輸入、16路數(shù)字輸入，采樣速率可達100kHz。采集卡有即插即用功能，不需要設置任何跳線和DIP撥碼開關；測量精度高，速度快；編程簡單，連接方便，并且與LabVIEW有良好接口。此外，本系統(tǒng)還在輸出管腳處設置了短路保護器件，能夠對多數(shù)據(jù)采集卡進行短路保護。
2 程序設計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主程序如圖7所示，利用相應的函數(shù)子模塊對各個通道的信號進行循環(huán)采樣，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、緩沖、顯示及存儲等功能。
（1）數(shù)據(jù)的采集和顯示。
PCI—1710L型多功能數(shù)據(jù)采集卡自帶LabVIEW驅動程序, 應用LabVIEW8.5中相應的數(shù)據(jù)采集模塊和采集函數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集函數(shù),可以很方便地采集到各路信號及其通道索引等信息，并且可以直接將采集到的數(shù)據(jù)通過波形顯示控件直觀地顯示出來。數(shù)據(jù)采集過程如圖8所示。首先，利用DeviceOpen函數(shù)（圖8（a））開啟數(shù)據(jù)采集設備并通過MuiltiChannelINTSetup子程序（圖8（b））進行多通道模擬輸入?yún)?shù)設置；其次，利用EnableEvent 函數(shù)（圖8（c））開始數(shù)據(jù)采集，同時通過BufferChangeHandler（圖8（d））開辟一個緩沖區(qū)以緩存數(shù)據(jù)，進入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)一邊通過函數(shù)補償后直接以波形的形式顯示在顯示控件上，同時利用數(shù)據(jù)寫入函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入指定的文件；最后，通過FAIStop函數(shù)（圖8（e））停止數(shù)據(jù)采集并用DevieceClose子程序（圖8（f））關閉采集設備。
（2）數(shù)據(jù)的存儲。
為了便于后期數(shù)據(jù)的處理，進入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)必須通過相應函數(shù)寫入指定文件中。LabVIEW中的寫入測量文件函數(shù)（圖9（a））能夠將緩存的數(shù)據(jù)以LVM格式寫入指定的文件中。由于數(shù)據(jù)采集速度非常大，所以，采集過程中的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過緩沖才能保證采集到的數(shù)據(jù)完整地寫入到指定文件中。本系統(tǒng)中通過獲取隊列引用函數(shù)（圖9（b））建立一個數(shù)據(jù)緩沖隊列，同時利用獲取隊列狀態(tài)函數(shù)（圖9（c））將數(shù)據(jù)采集過程中隊列的存儲狀態(tài)在前面板直觀地顯示出來，這樣就防止了在快速采集過程中的數(shù)據(jù)丟失問題。
系統(tǒng)的測試與分析
利用本系統(tǒng)對7022鋁合金進行了攪拌摩擦焊焊接接過程信號的在線監(jiān)測。試驗過程中對距焊縫距離不同點的溫度進行了測量，溫度曲線如圖10（a）所示，從該曲線可明顯的看出距離焊縫不同點的溫度峰值不同，離焊縫越近溫度峰值越高且最高峰值溫度在250℃左右；圖10（b）為焊接過程中測得的振動信號曲線，與理論分析數(shù)據(jù)相符；圖10（c）為攪拌摩擦焊加工過程中的三向力曲線，由該曲線我們可以看出，在正常焊接過程中下壓力有一定的波動，且數(shù)值較大，徑向力比較穩(wěn)定，徑向力大小趨于定值，而側向力非常小。實際應用表明，本系統(tǒng)能夠準確及時地完成攪拌摩擦焊加工過程中對溫度信號、振動信號和三向力信號的實時顯示、采集和存儲。
結束語
本文基于LabVIEW8.5完成了攪拌摩擦焊在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計。配用研華PCI— 1710L型多功能
數(shù)據(jù)采集卡使該系統(tǒng)能夠對攪拌摩擦焊加工過程中溫度信號、振動信號和三向力信號進行實時采集、顯示與存儲，而且該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、界面友好、便于操作等優(yōu)點。本文通過7022鋁合金攪拌摩擦焊焊接試驗證明了本系統(tǒng)使用的可靠性和有效性。
參 考 文 獻
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