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        銅-康銅微細熱電偶制作新工藝

        2012-11-28 02:22:38孫興華錢北行
        航天器環(huán)境工程 2012年1期
        關(guān)鍵詞:熱電偶新工藝材質(zhì)

        周 艷,孫興華,錢北行

        (北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

        0 引言

        真空熱試驗是航天器研制過程中必不可缺的試驗項目。試驗中需要監(jiān)控大量的溫度數(shù)據(jù),因而離不開溫度傳感器。熱電偶以其靈敏度高、穩(wěn)定可靠、互換性好、價格低廉等特點,成為航天器熱試驗中應用最為廣泛的溫度傳感器。它將兩種不同材質(zhì)的導體連接在一起形成回路,如果連接兩端處于不同的溫度場,在回路中就會產(chǎn)生溫差,可利用熱電動勢的原理來實現(xiàn)溫度測量。目前,熱試驗中應用的熱電偶是利用經(jīng)過標定的熱偶絲焊接制成,其制作工藝將直接影響到傳感器的測量精度和可靠性,是決定熱試驗成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。傳統(tǒng)工藝方法存在著操作復雜、質(zhì)量難以控制并且不可避免地引入其他材質(zhì)等問題,因此,對于熱電偶制作工藝的研究具有很大的實用價值。

        1 熱電偶制作的一般要求和常用方法

        根據(jù)熱電偶測溫原理,熱電偶回路中的熱電動勢只與構(gòu)成回路的兩個電極材料和熱電偶的兩個接點溫度有關(guān),因此,熱電偶接點焊接的質(zhì)量對測量結(jié)果有直接的影響。對于熱電偶制作的一般要求是:焊點必須光滑、牢固,不得有砂眼和裂紋;為了減小傳熱誤差和動態(tài)響應誤差,焊點的尺寸要盡量小,通常為熱電偶絲直徑的2倍~3倍,這對于低溫熱電偶來說尤為重要[3]。此外,如果接點摻雜了其他雜質(zhì),還會產(chǎn)生寄生電勢,所以進行焊接操作時,應避免引入第三種介質(zhì)。

        目前,熱電偶常用的焊接方法主要有氣焊法和電弧焊法。這兩種方法都存在技術(shù)上的缺陷:例如氣焊法只適用于直徑在2 mm以上的熱電偶焊接,并且需要氣焊設備,焊接工藝較復雜,溫度和時間難以掌握,焊接質(zhì)量不易控制;而通過電弧焊接方法通常要使用石墨或碳粉,因此易在焊接點和附近的電極上產(chǎn)生滲碳玷污,并且成品率不高。另外,利用上述方法焊接都是暴露在空氣中完成的,焊接過程中難免會使熱偶材質(zhì)發(fā)生氧化給熱電偶引入第三種介質(zhì)雜質(zhì),從而給測量結(jié)果帶來一定的理論誤差[4-5]。

        下面以航天器真空熱試驗中應用最廣泛、直徑為0.2 mm的銅-康銅熱電偶的焊接為例,介紹一種在惰性氣體保護條件下利用高壓放電技術(shù)實現(xiàn)熱電偶焊接的新工藝方法。

        2 熱電偶制作新工藝

        2.1 工藝流程

        新工藝方法主要包括剝線、擰制、裁剪和焊接4個步驟。如圖1所示,首先用熱脫器除去銅和康銅熱偶線端部絕緣層,剝線長度約12 mm,然后將裸露金屬絲部分穿過縫衣針的針孔均勻擰制出2~3個“麻花”,如圖2所示。擰制完成后將端部裁剪齊整,進行最后的焊接工作。焊接時擰制處將被燒熔,形成熱偶頭。整個工藝流程中,最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是熱電偶的焊接,焊接效果的好壞直接影響到熱電偶的質(zhì)量和可靠性。

        圖1 新工藝流程圖Fig. 1 Flowchart of the new process

        圖2 擰制方法示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the twisting method

        2.2 熱電偶焊接系統(tǒng)原理

        在新工藝中,熱電偶的焊接過程是利用一套專門的電氣系統(tǒng)完成,該系統(tǒng)主要包括電路和氣路2個部分,其結(jié)構(gòu)和原理如圖3所示。

        圖3 熱電偶焊接系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Principle diagram of the welding system for thermo-couple welding

        電路部分主要是通過產(chǎn)生瞬時大電流將熱偶絲熔結(jié)在一起;氣路部分則是焊接時通過向氣密室內(nèi)通入惰性氣體以達到防氧化的目的。

        具體操作步驟如下:首先打開氣罐截止閥;待壓力表示數(shù)穩(wěn)定后,通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥和觀察流量計,將一定流量的惰性氣體通入焊接氣密室,從而將焊接氣密室的空氣排空;然后將前面擰制完成的成對熱偶絲從氣密室通孔中穿入,啟動時間繼電器,從觀察窗中可以看到正負電極之間產(chǎn)生電弧將熱偶絲擰制“麻花”部分熔結(jié)在一起,形成熱偶頭,從而完成整個焊接過程。

        2.3 焊接工藝參數(shù)的影響

        從新工藝熱電偶焊接的實現(xiàn)過程可以看出:影響焊接效果的工藝參數(shù)主要有焊接電流、放電時間和氣體流量。

        1)焊接電流

        焊接電流的大小決定了焊接能力。焊接電流的選擇主要與熱偶絲材質(zhì)和直徑有關(guān),通常熔點高、直徑大的材質(zhì)需要的電流也較大。對于同一種材質(zhì)和直徑的熱偶絲,電流如果過大,則瞬間產(chǎn)生巨大的能量,將很難實現(xiàn)對熱偶頭形態(tài)的控制;而電流過小則無法將熱偶絲徹底燒熔,影響熱偶頭的焊接強度。

        2)放電時間

        放電時間主要用于實現(xiàn)對熱偶頭形態(tài)的控制。放電時間太短熱偶頭熔結(jié)不牢,而時間過長熱偶頭尺寸會很大,達不到熱電偶的制作要求。

        3)氣體流量

        本系統(tǒng)采用的惰性氣體為 He。合適的氣體流量可以實現(xiàn)焊點的光亮、美觀。如果流量太大,則熱偶絲在氣密室里無法保持穩(wěn)定;流量過小,則無法完全達到防氧化的目的。

        綜上可以看出,焊接參數(shù)的設定也是一項關(guān)鍵因素。因此系統(tǒng)提供了調(diào)節(jié)焊接電流、放電時間和氣體流量的功能,使用時,可以根據(jù)熱偶絲的材質(zhì)和直徑進行設定。

        3 新工藝制作效果

        為了對此新工藝的效果進行客觀、有效的評價,委托中國科學院低溫計量測試站對采用新工藝制作的銅-康銅熱電偶進行了技術(shù)評價測試試驗。取兩組各10支分別采用傳統(tǒng)工藝和新工藝制作的熱電偶,對這些熱電偶在-196 ℃、-40 ℃、100 ℃三個溫度點熱電勢的穩(wěn)定性和一致性進行考察,對比結(jié)果見表1。此外,對根據(jù)實際操作反饋的效果也進行了比較,具體見表2。

        表1 熱電勢穩(wěn)定性和一致性對比結(jié)果Table 1 Comparison of the stability and consistency of thermocouple

        表2 熱電偶外觀和工藝操作對比結(jié)果Table 2 Comparison of thermocouple’s appearance and processing

        從表1可以看出,新工藝制作的熱電偶在熱電勢的穩(wěn)定性和一致性方面與傳統(tǒng)工藝在同一水平,表明新工藝對熱電偶的測量結(jié)果沒有影響。而從表 2可見在工藝操作和外觀上新工藝明顯優(yōu)于原工藝,最大的優(yōu)點在于很大程度上降低了操作人員技能水平等人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,提高了熱電偶制作的效率和可靠性。

        4 結(jié)束語

        本文提出并實現(xiàn)了一種常用的銅-康銅熱電偶制作新工藝。該工藝在熱電偶焊接時使用了一套專門的自動化系統(tǒng),操作簡單,使得熱電偶的制作效率和成品率得到了極大的提高;同時,采用了惰性氣體保護焊接技術(shù),徹底解決了焊接過程中因氧化而引入第三種介質(zhì)的問題,對于提高熱電偶測溫精度有重要的意義。

        (References)

        [1]郭贛. 真空熱試驗溫度測量系統(tǒng)[J]. 航天器環(huán)境工程,2009, 26(1): 34 Guo Gan. Temperature measurement system for spacecraft thermal vacuum tests[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(1): 34

        [2]吳大軍. 真空熱試驗試件數(shù)據(jù)測量軟件的通用化設計[J].航天器環(huán)境工程, 2003, 20(2): 56 Wu Dajun. The design of versatile measurement software for vacuum thermal test[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2003, 20(2): 56

        [3]陳良, 侯予, 習蘭. 銅-康銅熱電偶的標定與誤差分析[J].低溫工程, 2008(6): 166 Chen Liang, Hou Yu, Xi Lan. Calibration of copperconstantan thermocouple and related error analysis[J].Cryogenics, 2008(6): 166

        [4]林貽強, 芮冬梅. 熱電偶測量端的焊接方法[J]. 儀器儀表標準化與計量, 2001(6): 38-39 Lin Yiqiang, Rui Dongmei. Welding method of thermocouple’s measuring part[J]. Instrument Standardization & Metrology, 2001(6): 38-39

        [5]薛鄭生. 一種熱電偶制作方法[J]. 現(xiàn)代制造工程,2003(7): 88-89 Xue Zhengsheng. Research of thermocouple making[J].Modern Manufacturing Engineering, 2003(7): 88-89

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