基于LabVIEW的異種金屬復合構件熱-力耦合電檢測系統

張昌青，陳波陽，崔國勝，劉 曉

1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 甘肅省有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

異質金屬連接構件在某些特殊的領域具有較為復雜的工況條件［1-2］。構件所承受的外界條件不僅僅是單一因素，多數情況下是多場耦合狀態，對異質構件服役可靠性的評估提出了更高的要求［3］。常用的無損檢測方式如超聲波檢測、漏磁檢測、渦流檢測等都能夠對構件內部缺陷進行檢測［4-5］，但缺乏在多場耦合條件下的動態過程揭示，因此對復合構件在多場耦合條件下的可靠性的在線評測成為一個關鍵問題。

在連接接頭失效的前期，由于多場耦合的作用，界面會出現相偏析、相的粗化和熱膨脹系數適配等問題，給復合構件的可靠性服役帶來挑戰［6］。Ma［7］等人在研究錫基焊點失效問題時發現，在焊點失效的前期，動態電阻出現了增高的現象。Chang［8］等人研究芯片倒裝焊點中空洞的擴展與電阻的關系，發現通過電阻的變化可以檢測空洞的生成與擴展。現有的研究表明，分析構件的動態電阻和延伸率，能夠得出復合構件在服役條件下的狀態，使得整體可靠性的在線檢測成為可能。

本文基于LabVIEW編程環境，結合數據采集卡和霍爾傳感器設計了一套熱-力耦合電檢測系統，能夠獲得復合構件的動態電阻和延伸率，可為復合構件可靠性的在線檢測提供指導。

1 硬件系統

搭建的熱-力耦合實驗平臺如圖1所示。整個實驗平臺包括加熱設備、恒流直流電源、數據采集卡和傳感器模塊。加熱設備為采用PID程序控制的立式管式爐，能夠滿足實驗的精度需要。直流電源為艾德克斯IT6832，可提供0～32 V、0～6 A的調節范圍，恒流模式下精度為0.2%，設定值+10 mA。采用NI USB-6009數據采集卡對熱-電耦合實驗中的電壓信號進行采集，數據采集卡提供有8個模擬輸入通道，單通道最大采樣率為48 kS/s，允許的輸入量程為±10 V。傳感模塊包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、溫度傳感器及信號放大電路組成和位移傳感器。霍爾電流傳感器為CHB-25NP，通過選擇5A的量程范圍可以對0±7A的直流、交流及脈沖電流信號進行測量，輸出與原邊相同波形的電流信號，配合放大電路使其輸出為電壓信號。電壓傳感器選擇CHV-25P，原邊輸入范圍為0±14 mA，輸出端同樣為電流信號，需要配合放大電路轉化為電壓信號。溫度傳感器為K型熱電偶搭配AD8495芯片對其進行溫度轉換，測量實驗溫度的變化值。DA-5直線位移傳感器分辨率為0.1 μm，可輸出0±5 V范圍的電壓值，測量在熱-力耦合過程中位移的變化范圍。采用立式加熱爐進行加熱，底部砝碼連接夾具施加豎直方向的載荷力。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall composition of the system

2 軟件系統

軟件系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據存儲模塊［9］。軟件系統主要對長時間的熱-力耦合過程施加在復合構件上的電流信號，產生的電壓信號、實驗溫度以及縱向位移量等數據進行采集、處理和儲存，然后計算出實驗過程中的動態電阻和延伸率。

系統前面板主要由采集路徑設置、通道設置、采樣設置、數據顯示界面組成，如圖2所示。實驗時可對文件存儲路徑、采集通道、采樣率等相關參數進行設置，同時設置均值時間，以滿足不同的精度需求。在軟件系統上主要有DAQmx創建采集通道、采樣時鐘以及讀取設置完成對各路電壓信號的同步采集。數據處理模塊要求較高的采樣率以及采樣精度的同時，還需要盡可能產生少的數據量。對原始數據進行均值化處理可以消除在量綱和數量上的影響，全面反映出原始數據中的變異程度使結果更加準確［10］。均勻化處理［11］用式（1）表明：

圖2 測量模塊前面板Fig.2 Measurement module front panel

式中P為采樣率；t為均值時間；x1為處理后數據。

對處理后各通道數據增加標簽和相應時間，以文本的形式儲存在計算機中。程序的后面板如圖3所示。

圖3 測量模塊后面板Fig.3 Measurement module rear panel

3 鋁/鋼摩擦焊接頭熱循環應用實例

軌道交通中的導電軌、電解鋁中的陽極導桿均為鋁/鋼復合構件，通常要經歷熱-力耦合、熱循環、熱-電耦合等各種復雜的工況條件。連續驅動摩擦焊基于繞中心旋轉的特性，非常適合用于軸類桿件的連接。鋁/鋼連續驅動摩擦焊構件在半徑2/3R界面處存在金屬初始接觸產熱導致塑化而產生深塑區［12］的現象。由于深塑區容易產生硬脆的金屬間化合物，在經歷復雜工況時容易出現脆性斷裂。為了探究在熱循環條件下鋁/鋼連續驅動摩擦焊接構件的可靠性以及深塑區的演變，實驗采用外徑25 mm的連續驅動摩擦焊鋁/鋼異質構件，在豎直方向施加600 N的靜載力。熱循環加熱爐溫度設定為50～500℃，單次循環周期為3 h，總循環周期240次，其中加熱0.5 h、保溫1 h（據溫度采集分析，實際溫度在0.5 h達到400℃，構件在保溫階段溫度一直緩慢增加），冷卻1.5 h。對構件施加5 A的檢測電流，并在夾具的兩側位置利用霍爾電壓傳感器記錄電壓信號，通過對電壓、電流信號處理得到動態電阻值。

構件在熱循環時受到豎直方向的載荷會產生彈性和塑性變形，通過測量位移變化量得出構件的延伸率變化曲線，夾具夾持構件的標距為60 mm。圖4為實驗周期內構件高溫、低溫階段的延伸率與位移幅值變化曲線。根據構件延伸率和位移幅值變化量分為四個階段：階段一和階段二，高溫和低溫延伸率呈現穩態線性增長并在階段二時出現平臺，位移的幅值變化量由逐步增加轉變為穩定值；階段三，高溫延伸率的增速超過了低溫時期，位移幅值出現了拋物線式的增長；階段四，兩種延伸率曲線增長速率保持相同，位移的幅值變化量又重新保持在一個穩定值。起初構件界面連接平滑，實驗完成后出現了明顯的頸縮現象。

圖4 延伸率變化曲線Fig.4 Elongation change curve

從構件的延伸率反映了構件宏觀的變化。為了闡明微觀界面動態電阻的變化，單個周期不同階段內動態電阻曲線如圖5所示，實驗結束后的拉伸界面形貌如圖6所示，可以清楚地觀察到平整光亮的深塑區。階段一，在加熱階段出現了“突起”冷卻時曲線平穩過渡，動態電阻曲線隨著溫度的變化而變化（見圖5a），動態電阻幅值較小為3.1 mΩ，此階段為構件的一個穩定期；階段二，加熱階段曲線變化與階段一保持相同，冷卻時出現了“平臺”，階段二的幅值為第一階段的5倍，深塑區裂紋開始萌生（見圖5b）；階段三，前一階段加熱的“突起”和冷卻的“平臺”發生了較大的突變（見圖5c），此階段內溫度變化引起了形態和幅值大幅度變化，為裂紋在深塑區開始擴展。在循環過程中熱應力的釋放導致連接面積的變化，是動態電阻曲線變化的根本原因，這一點在延伸率上也充分體現；階段四，在冷卻過程中動態電阻出現了穩定值，“突起”和“平臺”出現了后移（見圖5d），裂紋在深塑區充分擴展并達到穩定，經過分析證明了動態電阻能夠反應出界面行為的變化。結合伸長率與動態電阻變化曲線可以發現在實驗過程中異種金屬界面所經歷的不同階段，是一種對金屬界面可靠性評估的方法。

圖5 動態電阻曲線Fig.5 Dynamic resistance curve

圖6 熱循環實驗后拉伸界面Fig.6 Stretch interface after thermal cycling experiment

4 結論

（1）利用LabVIEW開發了一套適合長時間進行異質構件熱-力耦合實驗的采集系統，系統具有采集精度高、可靠性強等優點，通過對動態電阻的采集分析得出復合構件可靠性的評估。

（2）通過鋁/鋼連續驅動焊接構件實例對采集系統進行了驗證。宏觀上構件延伸率的增加導致界面位置出現明顯的頸縮現象。微觀上依據動態電阻的變化可以分為穩態期、裂紋萌生期、深塑區裂紋擴展期、界面穩定期四個階段。利用電阻檢測技術，揭示了裂紋在鋁鋼復合構件深塑區的演變趨勢。