微细热电偶的激光制作研究

《微细热电偶的激光制作研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn微细热电偶的激光制作研究阳建华张帅陈继民（北京工业大学激光工程研究院北京100022）E-mail:(Yjh_1@emails.bjut.edu.cn)摘要：本文以微细铜-康铜热电偶的激光制作过程为例介绍了微细热电偶的激光制作方法，并通过实验标定的方法证明利用激光制作的微细热电偶性能是可靠的，而且利用激光可以制作多种不同种类、大小尺寸的微细热电偶，且制作方便快捷，效率高，具有广泛的应用前景。关键字：微细热电偶微细焊接测量端参比端1、引言利用热电偶测温是温度测量的一种主要方法，由于其响应速度快，制作简单，重复性好、测温

2、范围宽且环境适应性强，而被广泛采用。在特殊的精密电子仪器设备中，常需要针对快速变化的温度场进行瞬态测量，因此必须要求使用热容量小，对被测物体或流体的温度场干扰小，没有保护套的裸露细丝热电偶作为测温元件，并且希望其测量端的接触点几何尺度尽可能小，因此，制作合适的微细热电偶对这些设备的灵敏、准确测温非常重要。目前市场上工业所常用的热电偶产品其最小尺寸也为Φ1mm，其测量端由两种不同金属丝采用焊接而进行制作，通常采用的焊接方法主要有两种：1）气焊法，包括氩弧焊、乙炔焊等，这种方法需要较多的气焊设备，焊接工艺复杂，温度和时间难于掌握，焊接质量不容易控制；2）电弧焊：包括

3、直流电弧焊接和交流电弧焊接。这种焊接方法通常使用到石墨或碳粉，因此易在焊接点和附近的电极上产生渗碳玷污。而且这些制作方法均适用于直径较大（≥200μm）的热电偶制作，对于微细热电偶，由于偶丝的直径太小，通常的方法操作困难，并且在气焊或电弧焊接过程中容易导致微细的热偶丝脆断，得到的测量端质地不均匀，合格率低等[1～4]。为了寻找相对简单的微细热电偶的制作方法，得到所需高灵敏测温微细热电偶，本文尝试利用激光微焊接的优势，成功制作了直径为200μm的铜-康铜微细热电偶，并通过实验的方法对其进行了分析及标定，使用表明，利用激光制作的微细热电偶的方法是可靠的。2、微细热电

4、偶的激光制作方法2.1热电偶测温原理两种不同材料的导体两端分别互相焊接成闭合回路，若使两个结点分别保持不同的温度时，在回路中将产生热电势。这种现象叫做热电效应[5]。热电势由两种导体的接触电势和导体的温差电势组成。当热电偶电极材料成分确定之后，其热电势大小只与热电偶两端的温度有关。即热电势是两端温差的单值函数：E=μ（T-T0）式中：E为热电偶两端点的热电势（mV）；-1-http://www.paper.edu.cμ为热电系数（mV/℃）。大小与组成热电偶的材料及两端点的温度差有关，而与热电偶的长度和直径无关。T为测量端温度（℃）；T0为参比端温度（℃）。如果

5、保持测量端温度T0不变，就可以根据热电势E大小来确定热端温度T的大小。2.2微细热电偶材质选择热电偶的种类很多，不同材料组成的热电偶其测温范围、适用条件、灵敏度等也不同，实际应用中应有所选择。铜—康铜热电偶，一方面质地均匀，具有较高的热电势，在较低的温度范围内灵敏度高，另一方面，铜—康铜热电偶易于焊接，成本低廉，因此铜—康铜热电偶在工业生产中得到广泛应用。根据以上特点，实验中选用直径为200μm材质为铜（Cu100%红色）及康铜丝(Cu55%,Ni45%银白色)作为热偶丝。2.3微细热电偶的制作本实验中采用的是光纤激光微加工系统，其输出激光光束质量好(㎡≈1)，

6、激光聚焦光斑小，功率密度高等优点，可用于金属材料的精密切割、微细焊接等。用于本制作过程的光纤激光微加工系统主要组成部分如下：光纤激光器，λ≈1.07μm，Pmax=50W，最小聚焦光斑直径10μm焊接过程保护气：氩气流速5～10l/min高分辨率自动监视系统高精密运动平移台重复定位精度1μm激光制作微细热电偶，即对微细热电偶测量端的激光焊接，具体过程由以下步骤组成：1)确定使用的热电偶材料：选用两段长度分别为30mm直径为200μm的铜丝和康铜丝。使用砂纸将其表面的漆包层和氧化层打磨掉，使其洁净光亮，清洗并烘干；2)将铜丝和康铜丝被焊接端绞成如图(1)所示麻花状

7、，两偶丝端部平齐；图(1)微细铜-康铜丝的焊接前铰合处理3)开启微加工系统氦氖指示激光，将要被焊接的测量端精确定位于激光焊接头下，调节工作台面高度，使测量端距端部约0.2mm位置位于激光焦点位置；4)如图(2)所示，调节激光输出功率（40W）及保护气流（5l/min），开启激光及保护2http://www.paper.edu.cn气，双金属丝在激光的作用下熔化，形成微小的热电偶结点（测量端）；5)关闭激光，待热电偶结点冷却后，关闭保护气气流。即成功得到制作成型的微细铜—康铜热电偶。图(2)微细热电偶焊接2.4热偶丝激光焊接过程各参数确定采用激光焊接微细热电偶，根

8、据热偶丝的直径和种类不同