柔性熱電偶線在航空熱加工中的應(yīng)用

摘要:文章研究了柔性熱電偶線在國內(nèi)航空制造業(yè)熱加工過程中的應(yīng)用，結(jié)合航空標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)描述，通過對產(chǎn)品的特點(diǎn)和使用中的問題進(jìn)行分析，給出解決方案。
1概述
　　航空用零件和原材料的熱加工是一項(xiàng)特殊工藝過程，因其某些加工質(zhì)量不易或不能通過其后的檢驗(yàn)或試驗(yàn)而得到充分驗(yàn)證，而熱加工的溫度，是影響熱加工質(zhì)量的重要因素之一。為了確保航空用零件和原材料能夠按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行熱加工，以達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)品性能，就要對熱加工設(shè)備實(shí)施高溫測量(Pyrometry)。
　　實(shí)施高溫測量即選擇合格的溫度傳感器和儀表對熱加工設(shè)備進(jìn)行溫度控制和記錄，并且根據(jù)規(guī)范，對熱加工設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)精度測試和溫度均勻性測試。高溫測量實(shí)施過程中，應(yīng)使用經(jīng)過校準(zhǔn)并符合規(guī)范要求的溫度傳感器。
　　在航空材料熱加工過程中，柔性熱電偶線因其具有輕便、熱響應(yīng)速度快、以及經(jīng)濟(jì)性，得到較廣泛的應(yīng)用。柔性熱電偶線也叫測溫線、感溫.線、易耗型熱電偶等。在AMS2750FPyrometry規(guī)范中，根據(jù)測溫元件是否暴露在熱處理設(shè)備環(huán)境中，將熱電偶劃分成了非易耗型熱電偶和易耗型熱電偶。使用塑料材質(zhì)或耐高溫纖維編織等作為熱電偶的絕緣和護(hù)套的柔性熱電偶線，一般以卷軸形式進(jìn)行包裝，在使用時，根據(jù)具體需要進(jìn)行裁剪，制做測量端進(jìn)行溫度測量使用。
2柔性熱電偶線的常用形式
　　柔性熱電偶線根據(jù)使用需要，一般由內(nèi)部熱.電極導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套等幾部分組成，塑料絕緣護(hù)套的柔性熱電偶線常見結(jié)構(gòu)如圖1所示，耐高溫?zé)o機(jī)纖維編織絕緣護(hù)套的柔性熱電偶線常見結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
　　根據(jù)具體的應(yīng)用需要，通過對熱電偶分度、絕緣護(hù)套、熱電極導(dǎo)體進(jìn)行選擇，就能夠確定滿足需要的柔性熱電偶線產(chǎn)品。因?yàn)闊犭娕家c控制或監(jiān)視儀表連接配合使用，熱電偶的分度一般是已經(jīng)確定的，所以只要對絕緣護(hù)套和熱電極導(dǎo).體進(jìn)行選擇即可。在新的系統(tǒng)中對熱電偶分度選.擇，也有一般的標(biāo)準(zhǔn)，比如:(1)T型非常適合低溫;(2)N型和K型熱電偶在高溫下具有良好的抗氧化性能，N型與K型相比，在高溫下受精度漂移的影響較小;(3)J型在其工作的最高溫度范圍內(nèi)成本低，但因其正極為鐵，不適宜在低溫潮濕環(huán)境下使用等等，本文再次不再贅述。
2.1柔性熱電偶絕緣護(hù)套
　　柔性熱電偶線一般使用塑料材質(zhì)和耐高溫纖維編織作為絕緣和護(hù)套包裹住熱電極導(dǎo)體，其中包括以PFA、FEP為代表的氟塑料擠出熱電偶、聚酰亞胺繞包熱電偶，一般用于300℃以下的低溫應(yīng)用當(dāng)中，并且具有良好的防水和耐腐蝕性;還有使用玻璃纖維、高溫玻璃纖維、石英纖維、陶瓷纖維等耐高溫?zé)o機(jī)纖維材料編織的熱電偶，因具有較高的耐高溫性能，實(shí)際應(yīng)用中一般用于高溫應(yīng)用中。各種常見絕緣護(hù)套材料的使用溫度范圍和特點(diǎn)如表1所示。
 
　　由表1可以看出，氟塑料(FEP和PFA)可以長期在200℃和260℃條件下使用，可以滿足絕大多數(shù)航空用復(fù)合材料熱加工需要;金屬熱處理則需要用到耐高溫?zé)o機(jī)纖維材料編織絕緣護(hù)套。塑料材質(zhì)可以通過增加色母使絕緣著色，按照色標(biāo)體系區(qū)分熱電偶分度和正負(fù)極;耐高溫?zé)o機(jī)纖維材料則需要加入染色的紗線進(jìn)行編織，達(dá)到著色目的。有一點(diǎn)需要注意的是，一般的無機(jī)纖維著色，在超過200℃時會因高溫而消失。為了獲得更好的耐磨性，可以在無機(jī)纖維編織外層增加不銹鋼或鎳基高溫合金絲編織。
2.2柔性熱電偶熱電極導(dǎo)體
　　熱電極導(dǎo)體作為熱電偶傳感器的測溫元件，通常有實(shí)心導(dǎo)體和多股細(xì)導(dǎo)體絞合導(dǎo)體兩種形式。實(shí)心導(dǎo)體更容易焊接，并具有更高的性價(jià)比，是使用較多的形式;多股細(xì)導(dǎo)體絞合可以帶來更好的柔性，更加靈活。通常導(dǎo)體的直徑用美國線規(guī)AWG來表示，對于同一種熱電極，線徑越大，耐受高溫能力越強(qiáng);線徑越小，熱響應(yīng)速度越快，同時也越靈活。
3柔性熱電偶線的應(yīng)用問題
3.1柔性熱電偶線的校準(zhǔn)
　　柔性熱電偶線是將熱電極導(dǎo)體拉拔到所需的直徑，使用擠出工藝在熱電極導(dǎo)體外添加塑料絕緣護(hù)套，或使用耐高溫?zé)o機(jī)纖維材料在熱電極導(dǎo)體外側(cè)編織絕緣護(hù)套，整個加工過程相對與鎧裝熱電偶加工過程，對熱電極材料產(chǎn)生的拉拔形變幾乎可忽略，擠塑過程中雖然有加熱，但相比之下較低，而編織過程完全在常溫下進(jìn)行。所以，生產(chǎn)過程對熱電極的影響非常小，可以很好地維持熱電極導(dǎo)體的精度和均一性。
　　在AMS2750F規(guī)范當(dāng)中，對于廉金屬熱電偶，允許在卷軸最大長度不超過5000英尺(1525m)的情況下，在卷軸兩端取樣進(jìn)行校準(zhǔn)，每個取樣的校準(zhǔn)精度滿足要求，并且兩端取樣的校準(zhǔn)值相差不超過1.1℃，將兩端樣品的校準(zhǔn)值的平均值作為整卷熱電偶的校準(zhǔn)值。這樣的要求是基于材料長度方向.上均勻的前提，所以對總長度和兩端校準(zhǔn)值的差異有限制。在波音的高溫測量規(guī)范BAC5621L中，對長度和兩端差異做個更加嚴(yán)格的要求，即:允許的卷軸最大長度不超過3000英尺(915m)，兩端取樣的校準(zhǔn)值相差不超過0.6℃。這樣的要求，是為了保證整卷熱電偶具有更好的校準(zhǔn)精度均一性，在做溫度均勻性測試，或者做負(fù)載溫度測試時，能夠提供校準(zhǔn)精度相同的多支成品熱電偶組件。同時，這樣的校準(zhǔn)要求，可以用較少的校準(zhǔn)費(fèi)用，解決校準(zhǔn)問題。
3.2柔性熱電偶測量端的制做
　　在AMS2750F中，要求了熱電偶的測量端應(yīng)將熱電極的正負(fù)極，在不增加填充金屬的情況下，紐絞和/或焊接在一起，形成測量端。將正負(fù)極僅僅紐絞在一起，作為測量端使用進(jìn)行測溫，這樣的做法比較簡單，但是紐絞的接觸面在高溫環(huán)境中，會因?yàn)檠趸?、松動、熱膨脹變形等因素，造成接觸電阻變化，使得到測試結(jié)果存在較大的不確定性。圖3中，測量端形式由上到下分別為:平行焊接、紐絞焊接、紐絞。
 
　　焊接一般使用熱電偶專用焊接機(jī)進(jìn)行焊接，可以在空氣中或者在氬氣等保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行焊接。有些使用者在焊接時，為了便于焊接，并且使焊接牢固，會選擇在焊接前先將熱電極紐絞幾圈再焊接的方式。使用規(guī)范中，并沒有禁止這樣的做法，但從筆者的角度來看，正負(fù)極導(dǎo)體平行進(jìn)行焊接更為可靠。一方面，紐絞后，改變了測量端的位置，紐絞的圈數(shù)會影響實(shí)際的測量端位置;前面所述的因接觸電阻對測量結(jié)果帶來的影響，也同樣存在。除此之外，紐絞之后的焊接，如果出現(xiàn)焊點(diǎn)斷裂，正負(fù)極導(dǎo)體不會因斷裂而立即斷開，此時會出現(xiàn)一個不易被發(fā)現(xiàn)的不可靠的測量。使用平行焊接的方式，測量端即為焊點(diǎn)，不會出現(xiàn)偏移和因熱電極導(dǎo)體表面氧化帶來的接觸不良;另外，-一旦焊點(diǎn)出現(xiàn)斷裂，會被及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了測量問題，并采取相應(yīng)措施，而不是繼續(xù)使用一個可能有誤的讀數(shù)。
當(dāng)然紐絞焊接也有其優(yōu)點(diǎn)，如果選擇紐絞方式焊接，就要在這些方面多加注意。
3.3柔性熱電偶線使用過程中的其他問題
　　柔性熱電偶線制做成熱電偶組件后，用于負(fù)載溫度測量時，需要布置在被測零件表面或內(nèi)部。在布置時，應(yīng)確保熱電偶測量端與被測零件可靠接觸，以獲得準(zhǔn)確的溫度。
在一些測量應(yīng)用當(dāng)中，要將熱電偶測量端壓在兩件零件之間，此時應(yīng)注意必要的防護(hù)，防止外界壓力對測量端產(chǎn)生破壞。
　　有些情況使用氟塑料絕緣護(hù)套的柔性熱電偶線對一-些氣體或液體溫度進(jìn)行測量，為防止被測介質(zhì)對熱電極導(dǎo)體的腐蝕，可以使用專用工具，對熱電偶護(hù)套進(jìn)行熱壓重新成型，使測量端被密封在護(hù)套套管當(dāng)中，隔斷熱電極導(dǎo)體與外界的直接接觸。.
4結(jié)束語
　　柔性熱電偶線在國內(nèi)已有應(yīng)用，但還沒有專門的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)該類產(chǎn)品使用，相信隨著各個行業(yè)對該產(chǎn)品的認(rèn)識不斷加深，能夠使用適當(dāng)方法加以應(yīng)用，使柔性熱電偶線產(chǎn)品得以廣泛使用，在保證使用性能的前提下，降低成本，提高精度。