航天热电偶插头自动焊接工艺对比分析范文

摘要：航天器热试验所用热电偶插头采用手工焊接的方式。随着我国型号研制任务的增多，手工焊接工艺效率低、焊接质量无法保证的问题暴露无遗。为了保证生产进度，提高插头焊接效率和焊点质量，引入焊接机器人，实现热电偶插头的自动焊接工艺。针对自动焊接工艺下不同批次铜线对焊和热电偶多一个焊点的问题，采用比较法开展了耐拉力试验、正常工况测温性能试验和极限拉偏测温性能试验等工艺对比试验，通过试验数据的对比分析，验证了热电偶插头自动焊接工艺的可靠性。

关键词：热电偶插头；自动焊接；工艺试验

前言

航天器在研制过程中需要经过热试验来验证其空间环境适应能力。热试验过程中一般采用铜-康铜热电偶来测量特征点的温度变化。铜-康铜热电偶是一种常用的测温元件[1]，由于其响应速度快、制作简单、重复性好、测温范围宽且环境适应性强而得到广泛应用。目前，热试验改造中热电偶插头的焊接工作采用手工焊接方式将航天器甩出的铜线焊接在插头焊杯中[2]。随着型号研制工作的增多，手工焊接费时费力、效率低的缺点显现无遗。为了提高生产效率，改变现有热电偶插头的制作工艺，将制作好的热电偶插头上的铜线与航天器甩出的铜线通过自动焊接机器人焊接在一起。该工艺方法制作的热电偶插头可以重复利用，因此能够有效提升热电偶插头的制作效率。传统工艺与自动焊接工艺的区别在于热电偶增加了一个焊点，并且由于热电偶插头反复利用造成插头铜线与航天器甩出铜线批次不尽相同。为此，本研究将两种工艺下制作的热电偶进行工艺对比试验，包括拉力试验和环境适应性试验，研究自动焊接工艺制作的热电偶插头的测温性能，为分析该种热电偶插头的可靠性提供依据。

1试验系统及原理

铜-康铜热电偶由铜线与康铜线通过电弧焊、水银焊接、盐水焊接等方法焊接制作而成[3]。采用工业上常用的热电偶校准方法比较法来验证自动焊接工艺热电偶的测温性能[4]。比较法的原理是用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一个对象的温度，然后比较两者示值，以确定被检热电偶的基本误差等质量指标[5]。在航天器热试验中，将热电偶粘贴在航天器上的测温端，引出的铜线焊接在插头焊杯中，焊杯中的49与50针短接引出铜线与温度参考点铜线连接，引出的康铜线汇成一股与温度参考点康铜线连接。热电偶插头通过转接电缆与真空罐外测试仪器连接。航天器热试验铜-康铜热电偶测温系统如图1所示。

2试验过程

参照GB/T34035-2017《热电偶现场试验方法》要求及试验原理，分别用传统工艺制作的热电偶和自动焊接工艺制作的热电偶进行耐拉力试验、正常工况测温性能试验和极限拉偏测温性能试验，分别从焊点的力学性能及热电偶测温性能等方面进行对比分析[6]。

2.1耐拉力试验耐拉力试验将自动焊接工艺与手工焊接工艺分为两组，每组12个样品。用MPT-250B导线拉力测试仪对两组试验样品进行耐拉力测试[7]，试验过程和拉断效果如图2所示。

2.2正常工况测温性能试验在同一热试验工况下的两块铜板上设置2个测温点，每个测温点上粘贴4个热电偶。其中，2个按照传统工艺制作，另外2个按照自动焊接工艺制作。自动焊接工艺插头一端的热电偶铜线，选择时间相差较远的批次，分别为2001年12月生产、2005年1月生产、2008年2月生产和2015年11月生产的批次。热电偶制作完成后，将2块铜板分别放于卫星电池板下侧和热沉表面进行试验并测量数据，测温点与试验插头如图3所示。 

2.3极限拉偏测温性能试验此试验分为低温拉偏和高温拉偏两种工况：低温拉偏试验选择热试验所用温度为-196℃的液氮作为试验环境，测量自动焊接工艺制作的热电偶在热试验极限低温下的测温性能；高温拉偏试验将热风枪温度调至热试验极限高温220℃对热电偶进行加热，测量自动焊接工艺制作的热电偶在热试验极限高温下的测温性能，具体试验过程如图4所示。

3试验结果及分析

3.1耐拉力试验经过两组耐拉力试验，得到耐拉力测试结果如表1、表2所示。从拉断外观来看，引线拉断端口整齐，为一次拉断。另外，从拉断位置来看，焊点处均未发生断裂，表明焊点强度大于引线本身强度。所以，自动焊接样品的耐拉力满足要求。

3.2正常工况测温性能试验正常工况测温性能试验数据曲线如图5所示，可以看出，每个测温点的4个热电偶的测温数据基本相同。分析测温点1的试验数据，传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温数值之差最大为0.892℃，传统工艺制作的热电偶1、2之间的测温数值之差最大为0.782℃。分析测温点2的试验数据得出，传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温数值之差最大为0.925℃，传统工艺制作的热电偶3、4之间的测温数值之差最大为1.453℃。2个测温点传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温差值小于1℃，试验效果良好，满足要求[8]。

3.3极限拉偏测温性能试验极限拉偏测温性能试验数据曲线如图6所示。可以看出，在低温拉偏试验中，传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温数值之差最大为0.227℃，传统工艺制作的热电偶测温数值之差最大为0.282℃。传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温差值较小，试验效果良好，满足要求[9]。在高温拉偏试验中，传统工艺制作的热电偶测温数值之差最大为1.869℃，传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温数值之差最大为1.834℃。可以看出，高温拉偏试验中传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测温数值之差大于低温拉偏试验的测温数值之差，但传统工艺制作的热电偶测温偏差也较大[10]。其原因为：①无法保证热电偶的测温位置严格一致，导致测量温度会有偏差，②大厅中的通风系统使热风枪的热风场难保一致，从而造成局部温差。

4结论

采用比较法对热电偶插头自动焊接工艺进行耐拉力试验、正常工况测温性能试验和极限拉偏测温性能试验，主要结论如下：（1）自动焊接工艺制作的热电偶其力学性能满足要求。（2）能够实现正常测温的功能，测温数据无中断，连续测量数据跳动不超过0.1℃，测温数据变化平滑。（3）与传统工艺制作的热电偶相比，在正常热试验工况下，测量数据差异较小，在允许误差范围内。（4）在极限高低温工况下，当环境温度绝对一致时，传统工艺与自动焊接工艺制作的热电偶测量数据之差在0.3℃以内，测温性能良好，基本无差异。

参考文献：

[1]陈良，侯予，习兰.铜-康铜热电偶的标定与误差分析[J].低温工程，2008（6）：18-23.

[2]胡龙灯.热电偶焊接技术研究[J].浙江大学学报（农业与生命科学版)，1989（4）：101-104.

[3]石文星，陆佩强.一种新的铜-康铜热电偶制作方法[J].天津商业大学学报，1996（1）：79-80.

[4]宋川川，李永新.铜-康铜热电偶热镀锡膜焊及其性能对比研究[J].电子测量技术，2014，37（4）：15-18.

[5]孙燕清.盐水电弧焊接法制作铜-康铜热电偶[J].物理实验，1996（2）：90-90.

[6]李为卫，沈磊，韩林生，等.X80钢级管线钢焊接工艺试验[J].热加工工艺，2006，35（11）：26-27.

[7]朱亮，冯志鹏，李宗志.焊剂带约束电弧超窄间隙焊接工艺实验[J].热加工工艺，2011，40（15）：117-119.

[8]徐志丹.3A21铝合金-20#钢管件磁脉冲焊接数值模拟与工艺试验[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2013.

[9]王志红，赵进忠.SA213－T91钢管的焊接工艺试验[J].电焊机，2002，32（8）：31-33.

[10]邱葭菲，王瑞权，曹时增.16MnDR焊接工艺试验与分析[J].焊接技术，2013，42（11）：76-78.

作者：张宁 傅浩 刘泽元 单位：北京卫星环境工程研究所