RU2114404C1 - Process of manufacture of thermocouples - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement of temperature of fast-going processes. SUBSTANCE: given process can be used in manufacture of thermocouples enabling temperature of fast-going processes in objects with high temperature gradient to be taken. Diffusion welding is employed to butt-weld butts of two bars made of different materials or alloys. Turning tool takes away layer of joined metals so that weld is positioned along manufacture band. Hammering reduces level of roughness of band to specified value, then band is rolled along weld and thermocouple is cut out of it. EFFECT: thermocouple so manufactured displays low sluggishness and provides for high accuracy of measurements. 2 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии изготовления микротермопар и может быть использовано для изготовления термопар, позволяющих измерять температуру быстропротекающих процессов в объектах, имеющих большой градиент температур. The invention relates to the technology of manufacturing microthermocouples and can be used for the manufacture of thermocouples, allowing to measure the temperature of fast processes in objects with a large temperature gradient.

Известен способ изготовления термопары, включающий гальваническое осаждение металлов термоэлектродов при поочередном нанесении их на подложку с образованием зоны перекрытия. Осажденные слои шлифуют до требуемой толщины, затем растворяют подложку (авт. св. N 399470, G 01 K 7/02, 1973). Однако такой способ не позволяет получать термопары толщиной порядка 5-10 мкм, так как эта величина соизмерима с величиной шероховатости покрытия, получаемой в процессе роста осадков, кроме того, наличие широкой зоны перекрытия существенно снизит точность и повысит инерционность измерения температуры. A known method of manufacturing a thermocouple, including galvanic deposition of metals of thermoelectrodes when alternately applying them to a substrate with the formation of a zone of overlap. The deposited layers are ground to the required thickness, then the substrate is dissolved (ed. St. N 399470, G 01 K 7/02, 1973). However, this method does not allow obtaining thermocouples with a thickness of the order of 5-10 μm, since this value is commensurate with the value of the surface roughness obtained in the process of precipitation growth, in addition, the presence of a wide overlap zone will significantly reduce the accuracy and increase the inertia of the temperature measurement.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения ленточных термопар, включающий изготовление чувствительного элемента в виде ленты из сваренных встык двух разных металлов и последующую прокатку ее до заданной толщины (Гордов А.Н. Основы пирометрии - М.: Металлургия, 1971, с. 225). The closest in technical essence to the claimed is a method of producing tape thermocouples, including the manufacture of a sensitive element in the form of a tape from butt welded two different metals and its subsequent rolling to a predetermined thickness (A. Gordov, Fundamentals of Pyrometry - M .: Metallurgy, 1971, p. . 225).

Данный способ позволяет получать тонкие ленты термоэлектродов. Однако в процессе раскатки увеличивается ширина переходной зоны - сварочного шва, что снижает точность и повышает инерционность измерения температуры. Значительная инерционность не позволяет использовать такие термопары при измерениях в объектах, имеющих большой градиент температур в различных точках. This method allows to obtain thin ribbons of thermoelectrodes. However, during the rolling process, the width of the transition zone — the weld — increases, which reduces accuracy and increases the inertia of temperature measurement. Significant inertia does not allow the use of such thermocouples when measuring in objects with a large temperature gradient at various points.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления термопар, имеющих повышенную точность и сниженную инерционность при измерении температур быстропротекающих процессов и в объектах с большим градиентом температур. The basis of the invention is the creation of a method of manufacturing thermocouples having increased accuracy and reduced inertia when measuring temperatures of fast processes and in objects with a large temperature gradient.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления термопары, включающем изготовление ленты из сваренных встык двух разных металлов или сплавов и прокатку ее до заданной толщины, согласно изобретению перед изготовлением ленты диффузионной сваркой сваривают торцами два прутка из разных металлов или сплавов, ленту изготавливают снятием слоя соединенных металлов так, чтобы получить расположение сварного шва вдоль ленты, перед прокаткой ленту обрабатывают, обеспечивая шероховатость поверхности не более 30% от заданной толщины ленты, а прокатку ленты проводят вдоль линии сварного шва. The problem is solved in that in a method of manufacturing a thermocouple, including the manufacture of a strip of butt welded two different metals or alloys and rolling it to a predetermined thickness, according to the invention, two rods of different metals or alloys are welded by the ends to produce the strip by diffusion welding, the tape is made by removing the layer connected metals so that to obtain the location of the weld along the tape, they are processed before rolling, providing a surface roughness of not more than 30% of the specified thickness l Options, and rolling the tape is guided along the weld line.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что обеспечено проведение качественной диффузионной сварки встык за счет значительных площадей соприкосновения свариваемых деталей, что позволило получить сварной шов с малой величиной зоны переменного состава. Последующее увеличение ширины зоны переменного состава предотвращено проведением процесса раскатки вдоль линии сварного шва. The possibility of solving this problem is due to the fact that high-quality diffusion butt welding is ensured due to the significant contact areas of the parts to be welded, which made it possible to obtain a weld with a small area of variable composition. A subsequent increase in the width of the zone of variable composition is prevented by the rolling process along the line of the weld.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна". The presence of distinctive features from the prototype features allows us to conclude that the proposed method meets the criterion of "novelty."

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень". In the search process, no technical solutions were found that contain features similar to the distinguishing features of the proposed solution, which allows us to conclude that the proposed method meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 приведена схема реализации способа; на фиг.2 - пример схемы раскроя термопары. Figure 1 shows a diagram of the implementation of the method; figure 2 is an example of a circuit for cutting thermocouples.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Заготовку 1 из материала одного термоэлектрода и заготовку 2 из материала второго термоэлектрода, например в виде брусков с круглым или прямоугольным сечением, приводят в соприкосновение по торцевым поверхностям, прикладывают давление и осуществляют диффузионную сварку с получением сварного шва 3, который обеспечивает высокую прочность соединения при минимальных размерах зоны переменного химического состава между электродами. The workpiece 1 from the material of one thermoelectrode and the workpiece 2 from the material of the second thermoelectrode, for example, in the form of bars with a round or rectangular cross section, are brought into contact on the end surfaces, pressure is applied and diffusion welding is carried out to obtain a weld 3, which provides high bond strength at minimum the size of the zone of variable chemical composition between the electrodes.

Затем, например, токарным способом снимают биметаллическую ленту 4 так, чтобы получить расположение сварного шва 3 вдоль ленты 4. В связи с различием физико-механических свойств материалов термоэлектродов 1 и 2 на ленте образуется дефектный слой в виде изгибов и гофр. Поверхность ленты 4, контактирующая с резцом, имеет шероховатость не более 1 мкм, что составляет порядка 10% от конечной толщины ленты, а на противоположной поверхности вследствие пластической деформации образуется рельеф с шероховатостью 50-100 мкм. Then, for example, the bimetallic tape 4 is removed by turning in such a way that the weld 3 is located along the tape 4. Due to the difference in the physical and mechanical properties of the materials of thermoelectrodes 1 and 2, a defective layer forms in the form of bends and corrugations. The surface of the tape 4 in contact with the cutter has a roughness of not more than 1 μm, which is about 10% of the final thickness of the tape, and a relief with a roughness of 50-100 μm is formed on the opposite surface due to plastic deformation.

Опыты показали, что получение прокаткой фольги для термоэлектродов из такой ленты без дефектов невозможно, так как при деформировании шероховатость рельефа приводит к дефектам в виде сквозных пор, разрывов и трещин. The experiments showed that obtaining rolled foil for thermoelectrodes from such a tape without defects is impossible, since during deformation, the roughness of the relief leads to defects in the form of through pores, tears and cracks.

Поэтому перед прокаткой осуществляли выравнивание поверхности, например, проковывали ленту таким образом, чтобы шероховатость ее поверхности составила не более 30% от заданной толщины ленты. Уровень шероховатости определен экспериментально. При прокатке ленты с шероховатостью более 30% не удается избежать образования дефектов в виде разрывов, сквозных пор и трещин. Это объясняется, по-видимому, снятием выступов с формированием дефектного поверхностного слоя. При последующем утонении ленты наличие такого поверхностного слоя приводит к образованию сквозных пор. Therefore, before rolling, the surface was leveled, for example, the tape was forged so that its surface roughness was not more than 30% of the specified tape thickness. The level of roughness is determined experimentally. When rolling a tape with a roughness of more than 30%, it is not possible to avoid the formation of defects in the form of breaks, through pores and cracks. This is apparently explained by the removal of protrusions with the formation of a defective surface layer. With subsequent thinning of the tape, the presence of such a surface layer leads to the formation of through pores.

При прокатке ленты, шероховатость поверхности которой менее или равна 30% от заданной толщины ленты, дефекты отсутствовали. When rolling the tape, the surface roughness of which is less than or equal to 30% of the specified thickness of the tape, there were no defects.

Проведение прокатки вдоль линии сварного шва обеспечивает сохранение ширины зоны переменного состава в процессе деформирования либо расширение ее только на величину, равную утонению ленты. Проведение прокатки в направлении, перпендикулярном направлению сварного шва, приводит к значительному расширению зоны переменного состава за счет переноса при деформировании металла переходной зоны в зону чистого металла. Carrying out rolling along the line of the weld ensures the preservation of the width of the zone of variable composition during deformation or its expansion only by an amount equal to thinning of the tape. Carrying out rolling in the direction perpendicular to the direction of the weld leads to a significant expansion of the zone of variable composition due to the transfer of the transition zone to the zone of pure metal during metal deformation.

Затем из полученной биметаллической ленты 4, толщина которой в зависимости от конструкции термопары и условий ее эксплуатации обеспечивается в разных конструкциях от 50 мкм до 10 мкм, а размеры зоны переменного состава колеблются в пределах не более 10 - 20 мкм, вырезали термопару, например вида, что дана на фиг.2. Полученные термопары имеют минимальные размеры переходной зоны 5 и термоэлектроды 6 и 7 позволяют с высокой точностью и быстродействием измерять температуру. Then, from the obtained bimetallic tape 4, the thickness of which, depending on the design of the thermocouple and the conditions of its operation, is provided in different designs from 50 μm to 10 μm, and the dimensions of the zone of variable composition vary within no more than 10 - 20 μm, a thermocouple was cut, for example, what is given in figure 2. The obtained thermocouples have the minimum dimensions of the transition zone 5 and the thermoelectrodes 6 and 7 make it possible to measure the temperature with high accuracy and speed.

При отработке способа изготовления термопар получали чувствительный элемент в виде ленты из соединенных никеля и меди. Осуществляли диффузионную сварку прутков никеля и меди диаметром 24 мм. Сварку осуществляли в вакууме встык при температуре 900^oC и давлении 1,5 кг/мм² в течение 15 мин.When practicing the method of manufacturing thermocouples, a sensitive element was obtained in the form of a tape of combined nickel and copper. Diffusion welding of nickel and copper rods with a diameter of 24 mm was carried out. The welding was carried out in vacuum butt at a temperature of 900 ^o C and a pressure of 1.5 kg / mm ² for 15 minutes

Из полученной заготовки резцом снимали ленту, содержащую оба металла, соединенных встык шириной 5 мм (толщиной 0,15 - 0,2 мм). Сварной шов проходил вдоль ленты и ширина его составляла прядка 10 мкм. A tape containing both metals joined end-to-end with a width of 5 mm (thickness 0.15 - 0.2 mm) was removed from the resulting workpiece with a cutter. The weld passed along the tape and its width was a strand of 10 microns.

Поверхность ленты, контактирующая с резцом, имеет шероховатость не более 1-3 мкм, а на противоположной поверхности имеются изгибы и гофры, создавая шероховатость на уровне 50-100 мкм. Для подготовки ленты к прокатке ее обрабатывали, снижая уровень шероховатости ленты до величины, составляющей не более 30% от конечной толщины термоэлектрода, что в нашем случае составляет порядка 1-3 мкм. Снижение шероховатости осуществляли проковкой ленты перед прокаткой, тот же эффект снижения шероховатости можно обеспечить пластическим деформированием ленты при повышенных температурах и др. The surface of the tape in contact with the cutter has a roughness of not more than 1-3 microns, and on the opposite surface there are bends and corrugations, creating a roughness of 50-100 microns. To prepare the tape for rolling, it was processed, reducing the level of roughness of the tape to a value of not more than 30% of the final thickness of the thermoelectrode, which in our case is about 1-3 μm. The roughness was reduced by forging the tape before rolling, the same effect of reducing the roughness can be achieved by plastic deformation of the tape at elevated temperatures, etc.

Затем ленту, толщина которой составляла 50 мкм, а шероховатость 1-3 мкм подвергали прокатке, при этом направление прокатки выбирали вдоль линии сварного шва. Прокатку осуществляли в 2-3 перехода, между переходами проводили отжиг при t = 900^oC. В результате получали ленту толщиной 10-12 мкм с шероховатостью не более 30% (шероховатость составляла 1-3 мкм), ширина зоны переменного состава порядка 10 мкм. Из полученной заготовки вырезали термопару, высота спая у которой составляла 0,61 мм, ширина термоэлектродов 1,0 мм.Then a tape with a thickness of 50 μm and a roughness of 1-3 μm was subjected to rolling, while the direction of rolling was chosen along the line of the weld. Rolling was carried out in 2-3 transitions, between the transitions annealing was carried out at t = 900 ^o C. As a result, a strip was obtained with a thickness of 10-12 μm with a roughness of not more than 30% (roughness was 1-3 μm), the width of the zone of variable composition was about 10 μm . A thermocouple was cut out of the obtained preform, the junction height of which was 0.61 mm, and the width of thermoelectrodes was 1.0 mm.

Термопары использовали в газодинамических экспериментах. Результаты испытаний приведены в таблице. Thermocouples were used in gasdynamic experiments. The test results are shown in the table.

Термопары N 1-3 изготовляли диффузионной сваркой внахлест из термоэлектродов, вырезанных из фольги никеля и меди, полученной прокаткой. Thermocouples N 1-3 were made by diffusion overlap welding of thermoelectrodes cut from nickel and copper foil obtained by rolling.

Термопары N 4 и 6 изготовляли диффузионной сваркой внахлест из термоэлектродов, вырезанных из фольги, полученной электрохимическим осаждением. Thermocouples Nos. 4 and 6 were made by diffusion overlap welding of thermoelectrodes cut from foil obtained by electrochemical deposition.

Термопара N 6 получена по технологии, описанной в заявляемом способе. Thermocouple N 6 obtained by the technology described in the claimed method.

В процессе эксперимента термопары сравнивали по следующим параметрам:
t_ж - время жизни, т.е. интервал времени, в течение которого сигнал не искажен помехами, шунтированием, обрывом проводов и т.д.;
t_ф - время нарастания выходного сигнала термопар, являющееся мерой инерционности термопары.During the experiment, thermocouples were compared by the following parameters:
t _W - life time, i.e. time interval during which the signal is not distorted by interference, bypass, wire breakage, etc .;
t _f - rise time of the output signal of thermocouples, which is a measure of the inertia of the thermocouple.

Полученные результаты показали, что термопара, изготовленная по предложенному способу, обладает наименьшей инерционностью (t_ф, мин) и одновременно обеспечивает максимальное время жизниоThe results showed that the thermocouple manufactured by the proposed method has the lowest inertia (t _f , min) and at the same time provides the maximum lifetime

Claims (1)

Способ изготовления термопар, включающий изготовление ленты из сваренных встык двух разных металлов или сплавов и прокатку ее до заданной толщины, отличающийся тем, что перед изготовлением ленты диффузионной сваркой сваривают торцами два прутка из разных металлов или сплавов, ленты изготавливают снятием слоя соединенных металлов так, чтобы получить расположение сварного шва вдоль ленты, перед прокаткой ленту обрабатывают, обеспечивая шероховатость поверхностей слоя не более 30% от заданной толщины ленты, а прокатку ленты проводят вдоль линии сварного шва. A method of manufacturing thermocouples, including the manufacture of a strip of butt welded two different metals or alloys and rolling it to a predetermined thickness, characterized in that before the manufacture of the strip by diffusion welding, two rods of different metals or alloys are welded by the ends, the ribbons are made by removing a layer of connected metals so that get the location of the weld along the tape, before rolling the tape is processed, providing a surface roughness of the layer of not more than 30% of the specified tape thickness, and the tape is rolled along line weld.

Images