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(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，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(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(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(yīng)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?zé)犭娕紒碚f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(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，并且需要氣焊設(shè)備，焊接工藝較復(fù)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(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(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(shè)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(shè)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(xué)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）

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[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