銅-康銅微細熱電偶制作新工藝

摘要：熱電偶是航天器真空熱試驗中應用最廣泛的溫度傳感器，它的制作工藝決定了其產品的質量和可靠性。文章以銅-康銅微細熱電偶的制作工藝為例，提出并實現了一種在惰性氣體保護條件下利用高壓放電技術進行熱電偶焊接制作的工藝方法。這種方法具有操作簡單、成品率高的特點，極大提高了熱電偶的制作效率，并且解決了熱電偶制作過程中因氧化而引入第三種材質的問題。

關鍵詞：銅-康銅熱電偶；焊接工藝；真空熱試驗；溫度測量 

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。試驗中需要監控大量的溫度數據，因而離不開溫度傳感器。熱電偶以其靈敏度高、穩定可靠、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，在回路中就會產生溫差，可利用熱電動勢的原理來實現溫度測量。目前，熱試驗中應用的熱電偶是利用經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鍵環節之一[1-2]。傳統工藝方法存在著操作復雜、質量難以控制并且不可避免地引入其他材質等問題，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

       根據熱電偶測溫原理，熱電偶回路中的熱電動勢只與構成回路的兩個電極材料和熱電偶的兩個接點溫度有關，因此，熱電偶接點焊接的質量對測量結果有直接的影響。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，還會產生寄生電勢，所以進行焊接操作時，應避免引入第三種介質。

       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上的缺陷：例如氣焊法只適用于直徑在2mm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發生氧化給熱電偶引入第三種介質雜質，從而給測量結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0.2mm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實現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12mm，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，最關鍵的環節就是熱電偶的焊接，焊接效果的好壞直接影響到熱電偶的質量和可靠性。

2.2  熱電偶焊接系統原理

      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完成，該系統主要包括電路和氣路2個部分，其結構和原理如圖3所示

       電路部分主要是通過產生瞬時大電流將熱偶絲熔結在一起；氣路部分則是焊接時通過向氣密室內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；待壓力表示數穩定后，通過調節流量調節閥和觀察流量計，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生電弧將熱偶絲擰制“麻花”部分熔結在一起，形成熱偶頭，從而完成整個焊接過程。

2.3  焊接工藝參數的影響

       從新工藝熱電偶焊接的實現過程可以看出：影響焊接效果的工藝參數主要有焊接電流、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和直徑有關，通常熔點高、直徑大的材質需要的電流也較大。對于同一種材質和直徑的熱偶絲，電流如果過大，則瞬間產生巨大的能量，將很難實現對熱偶頭形態的控制；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對熱偶頭形態的控制。放電時間太短熱偶頭熔結不牢，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

       本系統采用的惰性氣體為He。合適的氣體流量可以實現焊點的光亮、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，焊接參數的設定也是一項關鍵因素。因此系統提供了調節焊接電流、放電時間和氣體流量的功能，使用時，可以根據熱偶絲的材質和直徑進行設定。

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評價測試試驗。取兩組各10支分別采用傳統工藝和新工藝制作的熱電偶，對這些熱電偶在-196°C、-40°C、100°C三個溫度點熱電勢的穩定性和一致性進行考察，對比結果見表1。此外，對根據實際操作反饋的效果也進行了比較，具體見表2。

       從表1可以看出，新工藝制作的熱電偶在熱電勢的穩定性和一致性方面與傳統工藝在同一水平，表明新工藝對熱電偶的測量結果沒有影響。而從表2可見在工藝操作和外觀上新工藝明顯優于原工藝，最大的優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品質量的影響，提高了熱電偶制作的效率和可靠性。

4  結束語

       本文提出并實現了一種常用的銅-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，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，徹底解決了焊接過程中因氧化而引入第三種介質的問題，對于提高熱電偶測溫精度有重要的意義。

參考文獻

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Guo Gan. Temperature measurement system for spacecraft thermal     vacuum     tests[J].     Spacecraft     Environment     Engineering, 2009, 26(1): 34

[2]    吳大軍. 真空熱試驗試件數據測量軟件的通用化設計[J]. 航天器環境工程, 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  copper-  constantan  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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