RU2681859C2 - Device for microthermocouples manufacturing - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.SUBSTANCE: invention relates to devices for the manufacture of microthermocouples with a working junction formed by welding to form a ball at the junction of the wires, and can be used in the preparation and performance of thermophysical and thermal tests in the construction of aerospace engineering, nuclear energy and metallurgy. Device contains a hopper with graphite powder, a jig with jaws on the tip, an optical binocular microscope, a clip for twisting wires. Tip jaws of the jig are made with copper plates brazed on their inner surfaces with arched ends.EFFECT: invention provides stable ball sizes and shapes for various wires with minimal manual labor and time.4 cl, 3 dwg

Description

Устройство предназначено для сварки микротермопар с шариком на стыке проволок. При исследовании теплофизических характеристик конструкционных, теплозащитных и теплоизоляционных материалов, а также тепловых режимов конструкций на их основе в условиях высокоинтенсивного динамического нагрева, характерного для материалов и конструкций, используемых в аэрокосмической технике, ядерной энергетике и металлургии для измерения температуры широко используются термопары различного типа. Термопары размещаются на поверхности и/или внутри образцов исследуемых материалов и элементов конструкций. Для измерения температуры на поверхности образцов обычно используются термопары с шариком в месте сварки, который позволяет также осуществлять его контакт с металлической поверхностью точечной сваркой.The device is intended for welding microthermocouples with a ball at the junction of wires. In studying the thermophysical characteristics of structural, heat-shielding and heat-insulating materials, as well as the thermal regimes of structures based on them under the conditions of high-intensity dynamic heating, characteristic of materials and structures used in aerospace engineering, nuclear energy and metallurgy, various types of thermocouples are widely used to measure temperature. Thermocouples are placed on the surface and / or inside the samples of the studied materials and structural elements. To measure the temperature on the surface of the samples, thermocouples with a ball at the welding site are usually used, which also allows its contact with the metal surface by spot welding.

При использовании современных нестационарных методов определения теплофизических свойств материалов и диагностики тепловых режимов конструкций в широком диапазоне температур и темпов нагрева, например, методов основанных на решении обратных задач теплообмена [Алифанов О.М Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с.] важными факторами, влияющими на точность этих методов, являются искажения, вносимые термопарами в поле температур в образце, отток тепла по термопарным проводам, а также инерционность измерений, связанная с теплоемкостью материала термопар. Особое значение эти факторы приобретают при исследовании материалов с низкой теплопроводностью. Наши исследования показали, что в этих случаях необходимо использовать микротермопары диаметром 200 и менее микрон. Серьезной проблемой изготовления микротермопар являются трудности работы с очень тонкой проволокой.When using modern non-stationary methods for determining the thermophysical properties of materials and diagnosing the thermal conditions of structures in a wide range of temperatures and heating rates, for example, methods based on solving inverse heat transfer problems [Alifanov OM. Inverse heat transfer problems. - M .: Mashinostroenie, 1988, 280 p.] Important factors affecting the accuracy of these methods are the distortions introduced by thermocouples into the temperature field in the sample, the outflow of heat along the thermocouple wires, and the inertia of the measurements associated with the heat capacity of the thermocouple material. Of particular importance are these factors in the study of materials with low thermal conductivity. Our studies have shown that in these cases it is necessary to use microthermocouples with a diameter of 200 microns or less. A serious problem in the manufacture of microthermocouples is the difficulty of working with very thin wire.

В печати микротермопарами обычно называются пары с диаметром проволоки 0,3 мм (300 мк) и менее, [Большая энциклопедия нефти и газа. ngpedia.ru]. Однако широко используемый способ их изготовления применяется, в основном, для сварки термопар с шариком на стыке с диаметром проволоки от 0,3 до 1-2 мм. Он состоит в том, что проволоки скручиваются на длине 3-5 мм, затем скрученный конец с помощью лабораторного автотрансформатора для регулировки напряжения оплавляется в графитовом порошке с добавлением буры в качестве флюса или просто касанием графитового стержня. Далее оставшаяся скрутка под оплавленным концом раскручивается. Результаты получаются не очень стабильными - зависят от длительности сварочного импульса, глубины погружения в порошок или силы прижатия стержня, что сказывается на форме и длине оплавленной части.In print, microthermocouples usually refer to pairs with a wire diameter of 0.3 mm (300 microns) or less, [Big Encyclopedia of Oil and Gas. ngpedia.ru]. However, the widely used method for their manufacture is used mainly for welding thermocouples with a ball at the junction with a wire diameter of 0.3 to 1-2 mm. It consists in the fact that the wires are twisted to a length of 3-5 mm, then the twisted end is melted in a graphite powder using a laboratory autotransformer to adjust the voltage with the addition of borax as a flux or simply by touching a graphite rod. Further, the remaining twist under the melted end is untwisted. The results are not very stable - they depend on the duration of the welding pulse, the depth of immersion in the powder or the pressing force of the rod, which affects the shape and length of the fused part.

Указанные проблемы не имеют значения для измерения температур в горячей среде, например, в муфеле для контроля и регулирования температуры. Однако все тепловые процессы отличаются инерцией, и если температура среды изменяется быстро, инерция термопар сказывается на результате и требуется переход на микротермопары с диаметром проволок менее 200 мк. Дополнительно действует еще один фактор. Наши исследования с помощью высокоточного тепловизора показали, что отвод тепла по термопарной проволоке при измерении температуры ленточного нагревателя из металлической фольги вносит заметное искажение в результаты измерений даже при проволоке в 100 мк, и необходим переход на проволоку диаметром 50 мк и менее со стабильными размерами шарика и отсутствием контактов проволок за пределами шарика.These problems do not matter for measuring temperatures in a hot environment, for example, in a muffle for temperature control and regulation. However, all thermal processes are characterized by inertia, and if the temperature of the medium changes rapidly, the inertia of the thermocouples affects the result and a transition to microthermocouples with a wire diameter of less than 200 microns is required. Additionally, another factor applies. Our studies using a high-precision thermal imager showed that heat removal through a thermocouple wire when measuring the temperature of a metal foil tape heater introduces a noticeable distortion in the measurement results even with a wire of 100 microns, and a transition to a wire with a diameter of 50 microns or less with stable ball sizes and lack of wire contacts outside the ball.

Известен способ изготовления термопар малого диаметра SU №263932. Две проволоки просовываются в трубку из кварцевого стекла так, чтобы они соприкасались. Это место нагревается до температуры размягчения кварца (~ 1000°С), проволоки расплавляются, затем это место вытягивается вместе с трубкой так, что диаметр слившихся проволок может дойти до одного микрона. Но этот способ пригоден только для изготовления термопар с температурой плавления проволок, менее указанной для кварца.A known method of manufacturing thermocouples of small diameter SU No. 263932. Two wires are pushed into a quartz glass tube so that they are in contact. This place is heated to the softening temperature of quartz (~ 1000 ° C), the wires melt, then this place is pulled together with the tube so that the diameter of the merged wires can reach one micron. But this method is only suitable for the manufacture of thermocouples with a melting point of wires less than that indicated for quartz.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства для надежного получения стабильных размеров микротермопар с диаметром проволоки в 100 мк, 50 мк и менее при сварке термопар с шариком на стыке и повышающих производительность процесса изготовления.The aim of the invention is to provide a device for reliably obtaining stable sizes of microthermocouples with a wire diameter of 100 microns, 50 microns or less when welding thermocouples with a ball at the junction and increase the productivity of the manufacturing process.

Для решения поставленных задач разработано и изготовлено следующее устройство. Оно содержит зажимное приспособление для зажима с фиксацией термопарных проволок, выступающих из его губок. На губки изнутри напаяны пластинки из меди, которые имеют дугообразную концевую часть, зажимное приспособление снабжено клеммой для подсоединения к лабораторному автотрансформатору, далее ЛАТРу. К другой клемме ЛАТРа подключен бункер (открытая сверху емкость) с графитовым порошком. Устройство снабжено монтажным бинокулярным оптическим микроскопом с увеличением в несколько десятков раз.To solve the problems developed and manufactured the following device. It comprises a clamping device for clamping and fixing thermocouple wires protruding from its jaws. Copper plates, which have an arcuate end part, are soldered to the lips from the inside, the clamping device is equipped with a terminal for connection to a laboratory autotransformer, then LATR. A hopper (open top container) with graphite powder is connected to another LATR terminal. The device is equipped with a mounting binocular optical microscope with a magnification of several tens of times.

В качестве зажимного приспособления с фиксацией проволок полностью подходит медицинский кохер для зажима с фиксацией мелких кровеносных сосудов, выпускаемый промышленностью и широко используемый при операциях. Он позволяет осуществить зажим проволок одним движением до трех различных степеней сжатия.As a clamping device with fixation of wires, a medical kocher for clamping with fixation of small blood vessels, manufactured by the industry and widely used in operations, is fully suitable. It allows clamping wires in one motion up to three different degrees of compression.

Для создания стабильных условий в процессе изготовления и его упрощения одна деталь зажимного приспособления с губкой, расположенной плоскостью вверх, закреплена на вертикальной оси с возможностью поворота всего приспособления вокруг оси на 90° в сторону бункера с порошком и с возможностью наклона его вокруг горизонтальной оси до погружения концевой части приспособления со скруткой в бункер. Перед губками установлен подпружиненный зажим (крокодил) на горизонтальной оси, направленной в сторону губок, с возможностью поворота зажима вокруг нее для скручивания проволок. Для сварки термопарных проволок используется графитовый порошок с бурой, при необходимости в бункер с порошком перед сваркой подается нейтральный газ, например, аргон. Для создания сварочного импульса используется ЛАТР.To create stable conditions during the manufacturing process and its simplification, one part of the clamping device with a sponge located upright is fixed on the vertical axis with the ability to rotate the entire device around the axis by 90 ° towards the powder hopper and with the possibility of tilting it around the horizontal axis before immersion the end of the fixture with twisting into the hopper. A spring-loaded clamp (crocodile) is installed in front of the jaws on a horizontal axis directed towards the jaws, with the possibility of turning the clamp around it to twist the wires. For welding thermocouple wires, graphite powder with a borax is used, if necessary, a neutral gas, for example argon, is supplied to the powder hopper before welding. To create a welding pulse, LATR is used.

На фиг. 1 показан наконечник зажимного приспособления с проволоками и его сечение по А-А. На фиг. 2 изображено устройство в сборе в трех проекциях: а) боковая проекция, б) вид сверху, в) вид сзади. На фиг. 3 показаны фото получившихся шариков для диаметров проволок 100 мк и 50 мк с отходящими от шариков проволоками.In FIG. 1 shows the tip of a jig with wires and its cross section along AA. In FIG. 2 shows the complete assembly in three projections: a) side view, b) top view, c) rear view. In FIG. Figure 3 shows photos of the resulting balls for wire diameters of 100 microns and 50 microns with wires extending from the balls.

На фиг. 1 показаны в увеличенных масштабах наконечник зажимного приспособления с зажатыми проволоками и их скруткой и его сечение по А-А, где 1 - губка приспособления, 2 - проволока, 3 - медная пластинка, 4 - скрутка проволок.In FIG. 1 shows on an enlarged scale the tip of the clamping device with clamped wires and their twisting and its cross-section along AA, where 1 is the jaw of the device, 2 is the wire, 3 is the copper plate, 4 is the twisting of the wires.

На фиг. 2 изображено устройство в сборе, где 5 - зажимное приспособление, 6 - его токоизолированная рукоятка, 7 - горизонтальная ось, 8 - вертикальная ось, 9 - стойка зажимного приспособления на основании 10, 11 - клемма приспособления, 12 - бункер с порошком и клеммой 13 к нему, 14 - стойка на основании 10 с крокодилом 15 и его барашек 16. На фиг. 2 б) показан поворот приспособления 5 вокруг вертикальной оси 8 в сторону бункера с порошком 12, на фиг. 2 в) поворот приспособления 5 вокруг горизонтальной оси 7 для ввода скрутки 4 в графитовый порошок.In FIG. 2 shows the complete assembly, where 5 is a clamping device, 6 is its current-insulated handle, 7 is a horizontal axis, 8 is a vertical axis, 9 is a clamping device stand on the base 10, 11 is a fixture terminal, 12 is a powder hopper and terminal 13 to it, 14 is a rack on the base 10 with a crocodile 15 and its lamb 16. In FIG. 2 b) shows the rotation of the device 5 around the vertical axis 8 towards the hopper with powder 12, in FIG. 2 c) the rotation of the device 5 around the horizontal axis 7 to enter the twist 4 into graphite powder.

Устройство применяется следующим образом. Концы термопарных проволок размещаются между губками 1 зажимного приспособления 5 на некотором расстоянии друг от друга и фиксируются им, проволоки 2 скручиваются с помощью барашка 16 крокодила 15, при этом подходящие к скрутке 4 их части ложатся на дугообразную часть медных пластинок 3. При скручивании необходимо следить за тем, чтобы плотное прилегание проволок доходило до самой скрутки. Это также обеспечивает подвод электроэнергии для сварки к самому началу скрутки. Затем скрутка обкусывается на расстоянии ~ 2-4 витков от торца губок (ее длину нужно поддерживать одинаковой при изготовлении партии термопар, от нее зависит диаметр шарика). Операция зажима проволок, скручивания и обкусывания проводится под контролем оптического бинокулярного микроскопа. Далее зажимное приспособление 5 поворачивается на 90 градусов вокруг вертикальной оси 8 до совпадения плоскости его поворота вокруг горизонтальной оси 7 с бункером 12. На трансформаторе выставляется необходимое для сварки напряжение, которое определяется опытным путем. Для проволок ХА 50 мк, например, оно составляет порядка 125 В. Зажимное приспособление 5 за изолированную рукоятку 6 поворачивается вокруг горизонтальной оси 7 до погружения скрутки с порошком на глубину в пределах нескольких мм на длительность порядка 0,5-1 сек. Происходит оплавление скрутки с шариком на стыке вплоть до торца губок зажима. Для некоторых материалов с целью исключения окисления проволок в бункер с порошком предварительно подается нейтральный газ, например аргон.The device is used as follows. The ends of the thermocouple wires are placed between the jaws 1 of the clamping device 5 at a certain distance from each other and are fixed by them, the wires 2 are twisted using a wing 16 of a crocodile 15, while the parts suitable for twisting 4 lie on the curved part of the copper plates 3. When twisting, you must follow so that the snug fit of the wires reaches the twist itself. It also provides power for welding to the very beginning of the twist. Then the twist is bitten at a distance of ~ 2-4 turns from the end of the jaws (its length must be maintained the same when manufacturing a batch of thermocouples, the diameter of the ball depends on it). The operation of clamping wires, twisting and biting is carried out under the control of an optical binocular microscope. Next, the clamping device 5 rotates 90 degrees around the vertical axis 8 until the plane of its rotation around the horizontal axis 7 coincides with the hopper 12. The voltage necessary for welding is set on the transformer, which is determined experimentally. For XA 50 micron wires, for example, it is of the order of 125 V. The clamping device 5 for the insulated handle 6 is rotated around the horizontal axis 7 until the twist with the powder is immersed to a depth of several mm for a duration of about 0.5-1 sec. The twisting of the twist with the ball at the junction occurs up to the end of the jaws of the clamp. For some materials, in order to prevent oxidation of the wires, a neutral gas, for example argon, is preliminarily fed into the powder hopper.

Исследования показали, что погружение зажима на различные глубины в порошок и различная длительность процесса сварки практически не влияют на стабильность получаемых результатов. Очевидно, это связано с тем, что медные пластины обеспечивают хороший отвод тепла от плотно прилегающих проволок, и они не отгорают, а образовавшийся шарик поддерживает круглую форму за счет поверхностного натяжения и в то же время от него также обеспечивается достаточный теплоотвод, останавливающий его разрушение. Шарик после охлаждения сохраняет круглую форму, из которой в стороны отходят проволоки, никакой раскрутки не требуется. Небольшая подводимая мощность практически не успевает в процессе сварки заметно разогреть медные пластинки на губках.Studies have shown that immersion of the clamp at various depths in the powder and various durations of the welding process practically do not affect the stability of the results. Obviously, this is due to the fact that copper plates provide good heat dissipation from tightly adjacent wires, and they do not burn out, and the resulting ball maintains a round shape due to surface tension and at the same time, sufficient heat dissipation is provided from it to stop its destruction. After cooling, the ball retains a round shape, from which the wires extend to the sides, no unwinding is required. The small input power practically does not have time to noticeably heat up the copper plates on the jaws during the welding process.

Таким образом, разработано простое устройство и отлажен надежный процесс изготовления микротермопар с шариком на стыке со стабильными размерами и формой шарика с минимальной затратой времени и ручного труда.Thus, a simple device has been developed and a reliable manufacturing process of microthermocouples with a ball at the junction with stable sizes and shape of the ball with minimal time and manual labor has been debugged.

Claims (4)

1. Устройство для изготовления микротермопар с шариком на стыке, содержащее бункер с графитовым порошком, выполненный с клеммой для подсоединения к автотрансформатору, зажимное приспособление для зажима термопарных проволок с обеспечением их фиксации, выполненное с губками на его наконечнике и с клеммой для подсоединения к автотрансформатору, оптический бинокулярный микроскоп для контроля операций зажима, скручивания и обкусывания проволок, зажим для скручивания проволок, расположенный против губок зажимного приспособления с возможностью его вращения вокруг оси, направленной в сторону упомянутых губок, отличающееся тем, что губки наконечника зажимного приспособления выполнены с напаянными на их внутренних поверхностях медными пластинками с дугообразными окончаниями.1. A device for the manufacture of microthermocouples with a ball at the junction, containing a hopper with graphite powder, made with a terminal for connecting to an autotransformer, a clamping device for clamping thermocouple wires to ensure their fixation, made with jaws on its tip and with a terminal for connecting to an autotransformer, optical binocular microscope for monitoring the operations of clamping, twisting and biting wires, a clamp for twisting wires, located against the jaws of the clamping device with awn its rotation around an axis directed towards said jaws, characterized in that the sponge tip of the jig formed with soldered on their inner surfaces with copper plates with arcuate ends. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зажимное приспособление выполнено в виде медицинского кохера.2. The device according to p. 1, characterized in that the clamping device is made in the form of a medical kocher. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зажимное приспособление жестко закреплено на вертикальной оси с возможностью поворота на 90° в сторону бункера и наклона вокруг горизонтальной оси с обеспечением погружения наконечника зажимного приспособления в графитовый порошок.3. The device according to p. 1, characterized in that the clamping device is rigidly fixed on the vertical axis with the possibility of rotation by 90 ° towards the hopper and tilt around the horizontal axis to ensure immersion of the tip of the clamping device in graphite powder. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зажим для скручивания проволок выполнен в виде зажимного крокодила.4. The device according to p. 1, characterized in that the clip for twisting the wires is made in the form of a clamping crocodile.

Images