銅-康銅微細(xì)熱電偶制作新工藝

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(yàn)是航天器研制過程中必不可缺的試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)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(jià)格低廉等特點(diǎn)，成為航天器熱試驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛的溫度傳感器。它將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體連接在一起形成回路，如果連接兩端處于不同的溫度場(chǎng)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差，可利用熱電動(dòng)勢(shì)的原理來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。目前，熱試驗(yàn)中應(yīng)用的熱電偶是利用經(jīng)過標(biāo)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(cè)量精度和可靠性，是決定熱試驗(yàn)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(fù)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(duì)于熱電偶制作工藝的研究具有很大的實(shí)用價(jià)值。

1 熱電偶制作的一般要求和常用方法

根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢(shì)只與構(gòu)成回路的兩個(gè)電極材料和熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)溫度有關(guān)，因此，熱電偶接點(diǎn)焊接的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接的影響。對(duì)于熱電偶制作的一般要求是：焊點(diǎn)必須光滑、牢固，不得有砂眼和裂紋；為了減小傳熱誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，焊點(diǎn)的尺寸要盡量小，通常為熱電偶絲直徑的2倍～3倍，這對(duì)于低溫?zé)犭娕紒碚f尤為重要[3]。此外，如果接點(diǎn)摻雜了其他雜質(zhì)，還會(huì)產(chǎn)生寄生電勢(shì)，所以進(jìn)行焊接操作時(shí)，應(yīng)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?dú)夂冈O(shè)備，焊接工藝較復(fù)雜，溫度和時(shí)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(diǎn)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(huì)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(cè)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(yàn)中應(yīng)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(hù)條件下利用高壓放電技術(shù)實(shí)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(gè)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(gè)“麻花”，如圖2所示。擰制完成后將端部裁剪齊整，進(jìn)行最后的焊接工作。焊接時(shí)擰制處將被燒熔，形成熱偶頭。整個(gè)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(gè)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(shí)大電流將熱偶絲熔結(jié)在一起；氣路部分則是焊接時(shí)通過向氣密室內(nèi)通入惰性氣體以達(dá)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(jì)，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(duì)熱偶絲從氣密室通孔中穿入，啟動(dòng)時(shí)間繼電器，從觀察窗中可以看到正負(fù)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(gè)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(shí)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(shí)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(diǎn)高、直徑大的材質(zhì)需要的電流也較大。對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)度。

2）放電時(shí)間

放電時(shí)間主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)熱偶頭形態(tài)的控制。放電時(shí)間太短熱偶頭熔結(jié)不牢，而時(shí)間過長熱偶頭尺寸會(huì)很大，達(dá)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(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)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(dá)到防氧化的目的。

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

3 新工藝制作效果

為了對(duì)此新工藝的效果進(jìn)行客觀、有效的評(píng)價(jià)，委托中國科學(xué)院低溫計(jì)量測(cè)試站對(duì)采用新工藝制作的銅-康銅熱電偶進(jìn)行了技術(shù)評(píng)價(jià)測(cè)試試驗(yàn)。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(duì)這些熱電偶在-196 ℃、-40 ℃、100 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)熱電勢(shì)的穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行考察，對(duì)比結(jié)果見表1。此外，對(duì)根據(jù)實(shí)際操作反饋的效果也進(jìn)行了比較，具體見表2。

表1 熱電勢(shì)穩(wěn)定性和一致性對(duì)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(duì)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(shì)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(duì)熱電偶的測(cè)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(diǎn)在于很大程度上降低了操作人員技能水平等人為因素對(duì)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(shí)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(shí)使用了一套專門的自動(dòng)化系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)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(shí)，采用了惰性氣體保護(hù)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(duì)于提高熱電偶測(cè)溫精度有重要的意義。

（References）

[1]郭贛. 真空熱試驗(yàn)溫度測(cè)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(yàn)試件數(shù)據(jù)測(cè)量軟件的通用化設(shè)計(jì)[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(xí)蘭. 銅-康銅熱電偶的標(biāo)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(qiáng), 芮冬梅. 熱電偶測(cè)量端的焊接方法[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)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