趙一舟 王亞軍 王濤 趙建華

摘 要 熱裂傾向是金屬材料的重要成型性能，定量測定鑄造合金的熱裂抗力是材料成型及控制專業(yè)學(xué)生需要掌握的基本技能。采用測力傳感器進(jìn)行收縮力采集，選用合適的數(shù)字記錄儀，對接口及信號進(jìn)行匹配，研制數(shù)字化熱裂傾向測試儀。對其進(jìn)行實驗驗證，改進(jìn)后的測試儀操作簡單，數(shù)據(jù)記錄可讀性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，取得良好的實驗效果。

關(guān)鍵詞 材料成型及控制專業(yè)；熱裂傾向?qū)嶒?；?shù)字化熱裂傾向測試儀；無紙記錄儀

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）22-0112-03

Abstract The thermal crack tendency is an important forming pro-perty of metal materials. It is a basic skill for the students of Material Forming and Control Engineering to test the thermal crack resistance quantitatively. In this paper， the contractile force was obtained by a force sensor. An appropriate paperless recorder was used to match with the equipment interface and signal in the process of experiment. And then， the digital thermal crack test system was designed. In order to examine the test system， a series of experiments were taken. Its showed that the improved equipment can be used conveniently. Whats more， the experimental data can be obtained much more easily and exactly. In a word， a better experimental result can be ac-quired by the improved tester.

Key words material forming and control； experiment of thermal crack tendency； digital thermal crack tester； paperless recorde

1 前言

熱裂傾向是金屬材料的重要成型性能，由熱裂傾向引起的熱裂紋也是鑄造生產(chǎn)中嚴(yán)重的缺陷之一[1]。因此，合金熱裂傾向的測試對學(xué)生直觀認(rèn)識材料成型性能，對鑄造生產(chǎn)，有著重要意義。國內(nèi)高校熱裂傾向?qū)嶒灤蠖嗖捎秒p試棒合金熱裂—線收縮測試儀，在數(shù)據(jù)記錄與處理方面存在操作煩瑣、靈敏度低和可讀性差等缺點。本文在ZQS-2000型熱裂測試儀[2]的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)：采用測力傳感器進(jìn)行收縮力采集，選用合適的數(shù)字記錄儀對接口及信號進(jìn)行匹配，研制數(shù)字化熱裂傾向測試儀。對其進(jìn)行實驗驗證，改進(jìn)后的測試儀操作簡單，數(shù)據(jù)記錄可讀性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，取得很好的實驗效果。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

熱裂測試工位及其工作原理 如圖1所示的熱裂測試工位是采用臨界載荷法的方式測量鑄造合金熱裂抗力，從而反映合金熱裂傾向的大小。為了保證測量過程中僅有沿拉壓傳感器軸線方向的單向應(yīng)力，在造型時需將砂箱固定在基座上，并在基座上造型。合金液經(jīng)直澆道進(jìn)入型腔后，靠近直澆道一端的合金液將鎖緊螺紋銷包裹，靠近夾緊螺栓一端的合金液將連接件包裹，從而在金屬液凝固后能夠很好地與儀器的固定端連接。

另一方面，鑄型中的合金在凝固冷卻過程中會出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象。因此，在合金凝固收縮時會受到外界的阻礙，從而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，若該力超過合金的強(qiáng)度，則會產(chǎn)生熱裂紋。在測試過程中，合金由于受阻收縮產(chǎn)生的外應(yīng)力經(jīng)連接件、冷卻水池等部件傳遞到測力傳感器，從而得到合金冷卻過程中的受阻收縮應(yīng)力。測試工位測力傳感器的型號為CL-YB-13，其參數(shù)如表1所示。

無紙記錄儀選用 無紙記錄儀是以時間為基軸，把通過傳感器等部件采集的數(shù)據(jù)以及記錄儀內(nèi)部運(yùn)算的數(shù)據(jù)記錄在儀器內(nèi)部的存儲系統(tǒng)中，并且在此過程中不消耗如紙張、筆墨等記錄器材。記錄在儀器中的數(shù)據(jù)通過運(yùn)算、模擬之后顯示在液晶顯示屏上。本課題主要將無紙記錄儀的顯示屏、ADC分辨率以及存儲方式等三個主要參數(shù)作為選型標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇XSR90專用彩色無紙記錄儀。

XSR90彩色無紙記錄儀配置了分辨率為640×480點（橫×豎）的TFT彩色液晶顯示屏，實驗所測數(shù)據(jù)均可在顯示屏上進(jìn)行實時棒狀圖顯示、數(shù)字顯示和曲線顯示，并且可以在總貌畫面下同時顯示并檢測所有測量數(shù)據(jù)。ADC分辨率具有分辨量化最小信號的能力，通常選用12位ADC芯片（分辨率0.025%）。XSR90彩色無紙記錄儀將所得數(shù)據(jù)自動存儲在內(nèi)部存儲器上，并可通過轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)操作將數(shù)據(jù)拷貝至移動存儲器。XSR90的內(nèi)部存儲容量為4 GB，并且最大支持32 GB容量的移動存儲設(shè)備[3]。

除了上述三個主要選型標(biāo)準(zhǔn)之外，XSR90在測量、顯示、存儲和報表功能方面也有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)可靠性工程的設(shè)計準(zhǔn)則，結(jié)合最新的數(shù)字技術(shù)以及多年的工控產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗，XSR90記錄儀具有可靠性高、壽命長、現(xiàn)場適應(yīng)能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大和操作方便等特點。除此之外，該無紙記錄儀還具有信號萬能輸入、精度高、低溫漂、抗干擾能力強(qiáng)以及顯示分辨率高的特點。

測試工位改進(jìn) 原有熱裂測試系統(tǒng)在工作時，由測力傳感器和數(shù)顯調(diào)節(jié)儀分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和顯示，數(shù)據(jù)可讀性較差。通過對熱裂測試儀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得實驗中測得的熱裂抗力值與溫度能夠一一對應(yīng)地顯示，從而提升了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可讀性。在原測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，選用XSR90彩色無紙記錄儀與數(shù)顯調(diào)節(jié)儀并聯(lián)，通過測力傳感器將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，將電信號放大并穩(wěn)定，最終在彩色無紙記錄儀上顯示具體數(shù)值或曲線變化情況；溫度則直接通過熱電偶轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號量，并在彩色無紙記錄儀上顯示出具體數(shù)值。圖2為測力傳感器與彩色無紙記錄儀的連線簡圖。

3 實驗驗證

選用的合金是牌號為ZL203的鋁銅合金。熔煉時，將石墨坩堝（含材料）放入井式電阻爐中，設(shè)置溫度為300 ℃，預(yù)熱2 h（此過程的主要目的是去除爐內(nèi)和材料上的水分等易在鋁合金中產(chǎn)生氫氣的有害物質(zhì)）；隨后即可將溫度調(diào)到700 ℃，讓鋁合金在此溫度下熔化，為澆注做準(zhǔn)備。澆注前，需對鋁液進(jìn)行除氣、扒渣處理。

實際測試前，對測試系統(tǒng)上的拉壓傳感器和熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，同時對無紙記錄儀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在實驗驗證過程中，選用無紙記錄儀的第1、2通道分別記錄熱裂抗力信號和溫度信號。通道1中的輸入信號項設(shè)置為K偶，量程上限和量程下限分別為2000和-1000，零點修正為0，濾波常數(shù)設(shè)為02。通道2測量溫度信號，輸入信號設(shè)置為K偶，量程上限和量程下限分別為800和0，濾波常數(shù)為01。

待無紙記錄儀各通道數(shù)據(jù)區(qū)域穩(wěn)定時，將保溫700 ℃的鋁合金液澆注到測量工位。在合金液在型腔中冷卻過程中，時刻觀察無紙記錄儀上熱裂抗力和溫度變化情況，待記錄儀上的溫度示數(shù)接近100 ℃，便可結(jié)束記錄，緊接著進(jìn)行落砂清理工作，隨后便可初步觀察鑄件上是否存在熱裂紋缺陷。

圖3是ZL203鋁合金的溫度與熱裂抗力的曲線關(guān)系圖。從圖3可以看出，合金液進(jìn)入鑄型，在凝固初期產(chǎn)生的熱裂抗力幾乎為0；當(dāng)熱裂抗力曲線到達(dá)a點，對應(yīng)時間為100 s，此時鑄件內(nèi)部開始產(chǎn)生應(yīng)力，并逐漸增大，結(jié)合溫度曲線，鑄件內(nèi)部開始產(chǎn)生應(yīng)力時的溫度約為560 ℃；當(dāng)溫度降低到385 ℃左右，熱裂抗力曲線在上升到256 N，在b點出現(xiàn)明顯的拐點。由此可推斷，鑄件在此處有微裂紋產(chǎn)生，從而引起應(yīng)力釋放，導(dǎo)致熱裂抗力曲線出現(xiàn)拐點。結(jié)合時間軸，可以看出該合金自澆注到產(chǎn)生熱裂傾向的時間約為430 s。

4 結(jié)語

將數(shù)字化熱裂傾向測試儀應(yīng)用在材料成型及控制專業(yè)本科實驗教學(xué)中，結(jié)果表明，改進(jìn)后的測試儀操作簡單，數(shù)據(jù)記錄可讀性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高。通過運(yùn)用數(shù)字化、可視化先進(jìn)設(shè)備，學(xué)生可以動態(tài)觀察合金收縮應(yīng)力的變化及熱裂的形成，加深對熱裂形成機(jī)理的認(rèn)識，提高動手能力，取得很好的實驗效果。

參考文獻(xiàn)

[1]石磊，鄭洪亮，田學(xué)雷.鑄造Al合金熱裂性能的研究進(jìn)展[M]//第五屆中國環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)鑄造論壇論文集.2013：1-17.

[2]陳光昀，劉旭麟，金蘊(yùn)琳，等.ZQS-2000型雙試棒合金熱裂：線收縮儀的設(shè)計及試驗研究[J].鑄造，1988（1）：13-19.

[3]周建.無紙記錄儀的原理及其選型[J].石油化工自動化，2001（6）：42-44，46.