攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型的固相連接技術，具有一系列傳統焊接無法比擬的優點[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。
系統的構成
攪拌摩擦焊在線監測系統主要有硬件和軟件兩個部分構成, 系統結構如圖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、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、數據采集卡、計算機和連接線路。軟件部分主要是用能夠對數據采集卡進行相應的參數設置和對采集信號的實時顯示以及數據存儲LabVIEW開發的操作設置界面。
系統硬件的設計
1 測力八角環的設計
攪拌摩擦焊在加工過程中要產生三向力的作用，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。據此特點設計制造的測力八角環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。
因為本系統中測力過程是借助自行設計制作的測力八角環完成的，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上組成測力傳感器。綜合考慮以上因素，本系統采用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
由于傳感器產生的都是比較微弱的電壓信號，但本采集卡采集數據用到的采集電壓是0~10V，為此需要對傳感器產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 數據采集卡
本系統采用研華PCI—1710L型多功能數據采集卡。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，本系統還在輸出管腳處設置了短路保護器件，能夠對多數據采集卡進行短路保護。
4 數據采集卡
本系統采用研華PCI—1710L型多功能數據采集卡。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，本系統還在輸出管腳處設置了短路保護器件，能夠對多數據采集卡進行短路保護。
2 程序設計
數據采集系統的主程序如圖7所示，利用相應的函數子模塊對各個通道的信號進行循環采樣，主要實現數據的采集、緩沖、顯示及存儲等功能。
（1）數據的采集和顯示。
PCI—1710L型多功能數據采集卡自帶LabVIEW驅動程序, 應用LabVIEW8.5中相應的數據采集模塊和采集函數的多通道數據采集函數,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據通過波形顯示控件直觀地顯示出來。數據采集過程如圖8所示。首先，利用DeviceOpen函數（圖8（a））開啟數據采集設備并通過MuiltiChannelINTSetup子程序（圖8（b））進行多通道模擬輸入參數設置；其次，利用EnableEvent 函數（圖8（c））開始數據采集，同時通過BufferChangeHandler（圖8（d））開辟一個緩沖區以緩存數據，進入緩存區的數據一邊通過函數補償后直接以波形的形式顯示在顯示控件上，同時利用數據寫入函數將數據寫入指定的文件；最后，通過FAIStop函數（圖8（e））停止數據采集并用DevieceClose子程序（圖8（f））關閉采集設備。
（2）數據的存儲。
為了便于后期數據的處理，進入緩存區的數據必須通過相應函數寫入指定文件中。LabVIEW中的寫入測量文件函數（圖9（a））能夠將緩存的數據以LVM格式寫入指定的文件中。由于數據采集速度非常大，所以，采集過程中的數據必須經過緩沖才能保證采集到的數據完整地寫入到指定文件中。本系統中通過獲取隊列引用函數（圖9（b））建立一個數據緩沖隊列，同時利用獲取隊列狀態函數（圖9（c））將數據采集過程中隊列的存儲狀態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據丟失問題。
系統的測試與分析
利用本系統對7022鋁合金進行了攪拌摩擦焊焊接接過程信號的在線監測。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，與理論分析數據相符；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，且數值較大，徑向力比較穩定，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測系統的設計。配用研華PCI— 1710L型多功能
數據采集卡使該系統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，而且該系統具有結構簡單、成本低、界面友好、便于操作等優點。本文通過7022鋁合金攪拌摩擦焊焊接試驗證明了本系統使用的可靠性和有效性。
參 考 文 獻
[1]柯黎明，刑麗，劉鴿平,等.攪拌摩擦焊工藝及應用. 焊接技術，2000,29（2）：6-9.
[2]Dawes C,Thomas WM.Friction stirjoining of ailuminum alloys.Bulletin 6,TWI,1995,12-34.
[3]張華，林三寶，吳林.AZ31鎂合金攪拌摩擦焊焊接頭力學性能的.焊接學報，2003,24(5)：65-68.
[4]劉小文，鄢君輝，林隨更,等.LY12攪拌摩擦焊技術.焊接學報，2001,22(4)：55-57.
[5]張彥富，柯黎明，孫德超,等.攪拌摩擦焊焊縫區溫度分布及對材料流動的影響.南昌航空工業學院學報，2003,17(3):11-17.
[6]張昭，陳金濤，張洪武.攪拌摩擦焊中壓緊力的變化對焊接過程的影響.航空材料報，2005,25（6）：32-38.
[7]李慶華，李付國.LY12合金焊接過程的熱力耦合有限元數字模擬.西北工業大學學報，2005,23（1）：129-136.
[8]Ulysee P.Three-dimensional modelingof the friction stir-welding process.InternationalJournal of Machine,2002,42:1549-1557.
[9]AbeAskari, StewantStilling,BlairLondon, etal.Modeling and analysis of friction stirwelding process. The Minerals, Metals MaterialsSociety.America,2001，267-288.
[10]趙易彬，周以琳.基于LabVIEW的數據采集系統.青島科技大學學報，2005，26(5):23-25.
[11]王建群，南金瑞.基于LabVIEW的數據采集系統的實現、計算工程與應用，003,21:122-125.
[12]Livishits AG.Universal qualityassurance method for ressistance spot welding based on dnamic resistance. Welding Journal,1997，76(5):400-420.(e
