航天用熱電偶插頭自動(dòng)焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 前言

航天器在研制過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)熱試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其空間環(huán)境適應(yīng)能力。熱試驗(yàn)過(guò)程中一般采用銅-康銅熱電偶來(lái)測(cè)量特征點(diǎn)的溫度變化。銅-康銅熱電偶是一種常用的測(cè)溫元件[1]，由于其響應(yīng)速度快、制作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、測(cè)溫范圍寬且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用。

目前，熱試驗(yàn)改造中熱電偶插頭的焊接工作采用手工焊接方式將航天器甩出的銅線焊接在插頭焊杯中[2]。隨著型號(hào)研制工作的增多，手工焊接費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低的缺點(diǎn)顯現(xiàn)無(wú)遺。為了提高生產(chǎn)效率，改變現(xiàn)有熱電偶插頭的制作工藝，將制作好的熱電偶插頭上的銅線與航天器甩出的銅線通過(guò)自動(dòng)焊接機(jī)器人焊接在一起。該工藝方法制作的熱電偶插頭可以重復(fù)利用，因此能夠有效提升熱電偶插頭的制作效率。

傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝的區(qū)別在于熱電偶增加了一個(gè)焊點(diǎn)，并且由于熱電偶插頭反復(fù)利用造成插頭銅線與航天器甩出銅線批次不盡相同。為此，本研究將兩種工藝下制作的熱電偶進(jìn)行工藝對(duì)比試驗(yàn)，包括拉力試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，研究自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶插頭的測(cè)溫性能，為分析該種熱電偶插頭的可靠性提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理

銅-康銅熱電偶由銅線與康銅線通過(guò)電弧焊、水銀焊接、鹽水焊接等方法焊接制作而成[3]。采用工業(yè)上常用的熱電偶校準(zhǔn)方法比較法來(lái)驗(yàn)證自動(dòng)焊接工藝熱電偶的測(cè)溫性能[4]。比較法的原理是用被校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同時(shí)測(cè)量同一個(gè)對(duì)象的溫度，然后比較兩者示值，以確定被檢熱電偶的基本誤差等質(zhì)量指標(biāo)[5]。在航天器熱試驗(yàn)中，將熱電偶粘貼在航天器上的測(cè)溫端，引出的銅線焊接在插頭焊杯中，焊杯中的49與50針短接引出銅線與溫度參考點(diǎn)銅線連接，引出的康銅線匯成一股與溫度參考點(diǎn)康銅線連接。熱電偶插頭通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜與真空罐外測(cè)試儀器連接。航天器熱試驗(yàn)銅-康銅熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)示意

2 試驗(yàn)過(guò)程

參照GB/T 34035-2017《熱電偶現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法》要求及試驗(yàn)原理，分別用傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶和自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶進(jìn)行耐拉力試驗(yàn)、正常工況測(cè)溫性能試驗(yàn)和極限拉偏測(cè)溫性能試驗(yàn)，分別從焊點(diǎn)的力學(xué)性能及熱電偶測(cè)溫性能等方面進(jìn)行對(duì)比分析[6]。

2.1 耐拉力試驗(yàn)

耐拉力試驗(yàn)將自動(dòng)焊接工藝與手工焊接工藝分為兩組，每組12個(gè)樣品。用MPT-250B導(dǎo)線拉力測(cè)試儀對(duì)兩組試驗(yàn)樣品進(jìn)行耐拉力測(cè)試[7]，試驗(yàn)過(guò)程和拉斷效果如圖2所示。

圖2 熱電偶引線耐拉力試驗(yàn)

2.2 正常工況測(cè)溫性能試驗(yàn)

在同一熱試驗(yàn)工況下的兩塊銅板上設(shè)置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)上粘貼4個(gè)熱電偶。其中，2個(gè)按照傳統(tǒng)工藝制作，另外2個(gè)按照自動(dòng)焊接工藝制作。自動(dòng)焊接工藝插頭一端的熱電偶銅線，選擇時(shí)間相差較遠(yuǎn)的批次，分別為2001年12月生產(chǎn)、2005年1月生產(chǎn)、2008年2月生產(chǎn)和2015年11月生產(chǎn)的批次。熱電偶制作完成后，將2塊銅板分別放于衛(wèi)星電池板下側(cè)和熱沉表面進(jìn)行試驗(yàn)并測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)溫點(diǎn)與試驗(yàn)插頭如圖3所示。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)與試驗(yàn)插頭

2.3 極限拉偏測(cè)溫性能試驗(yàn)

此試驗(yàn)分為低溫拉偏和高溫拉偏兩種工況：低溫拉偏試驗(yàn)選擇熱試驗(yàn)所用溫度為-196℃的液氮作為試驗(yàn)環(huán)境，測(cè)量自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶在熱試驗(yàn)極限低溫下的測(cè)溫性能；高溫拉偏試驗(yàn)將熱風(fēng)槍溫度調(diào)至熱試驗(yàn)極限高溫220℃對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱，測(cè)量自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶在熱試驗(yàn)極限高溫下的測(cè)溫性能，具體試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 極限拉偏試驗(yàn)過(guò)程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 耐拉力試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)兩組耐拉力試驗(yàn)，得到耐拉力測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 引線自動(dòng)焊接耐拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 引線手工焊接耐拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從拉斷外觀來(lái)看，引線拉斷端口整齊，為一次拉斷。另外，從拉斷位置來(lái)看，焊點(diǎn)處均未發(fā)生斷裂，表明焊點(diǎn)強(qiáng)度大于引線本身強(qiáng)度。所以，自動(dòng)焊接樣品的耐拉力滿足要求。

3.2 正常工況測(cè)溫性能試驗(yàn)

正常工況測(cè)溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，可以看出，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的4個(gè)熱電偶的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)基本相同。分析測(cè)溫點(diǎn)1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為0.892℃，傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶1、2之間的測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為0.782℃。分析測(cè)溫點(diǎn)2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為0.925℃，傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶3、4之間的測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為1.453℃。2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫差值小于1℃，試驗(yàn)效果良好，滿足要求[8]。

圖5 測(cè)溫點(diǎn)1、2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.3 極限拉偏測(cè)溫性能試驗(yàn)

極限拉偏測(cè)溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示?？梢钥闯觯诘蜏乩囼?yàn)中，傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為0.227℃，傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為0.282℃。傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫差值較小，試驗(yàn)效果良好，滿足要求[9]。

在高溫拉偏試驗(yàn)中，傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為1.869℃，傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差最大為1.834℃?？梢钥闯觯邷乩囼?yàn)中傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值之差大于低溫拉偏試驗(yàn)的測(cè)溫?cái)?shù)值之差，但傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶測(cè)溫偏差也較大[10]。其原因?yàn)椋孩贌o(wú)法保證熱電偶的測(cè)溫位置嚴(yán)格一致，導(dǎo)致測(cè)量溫度會(huì)有偏差，②大廳中的通風(fēng)系統(tǒng)使熱風(fēng)槍的熱風(fēng)場(chǎng)難保一致，從而造成局部溫差。

4 結(jié)論

采用比較法對(duì)熱電偶插頭自動(dòng)焊接工藝進(jìn)行耐拉力試驗(yàn)、正常工況測(cè)溫性能試驗(yàn)和極限拉偏測(cè)溫性能試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶其力學(xué)性能滿足要求。

圖6 極限拉偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)正常測(cè)溫的功能，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)無(wú)中斷，連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)跳動(dòng)不超過(guò)0.1℃，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)變化平滑。

（3）與傳統(tǒng)工藝制作的熱電偶相比，在正常熱試驗(yàn)工況下，測(cè)量數(shù)據(jù)差異較小，在允許誤差范圍內(nèi)。

（4）在極限高低溫工況下，當(dāng)環(huán)境溫度絕對(duì)一致時(shí)，傳統(tǒng)工藝與自動(dòng)焊接工藝制作的熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)之差在0.3℃以內(nèi)，測(cè)溫性能良好，基本無(wú)差異。