柔性熱電偶線在航空熱加工中的應用

摘要:文章研究了柔性熱電偶線在國內航空制造業熱加工過程中的應用，結合航空標準的相關描述，通過對產品的特點和使用中的問題進行分析，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特殊工藝過程，因其某些加工質量不易或不能通過其后的檢驗或試驗而得到充分驗證，而熱加工的溫度，是影響熱加工質量的重要因素之一。為了確保航空用零件和原材料能夠按照相關規范進行熱加工，以達到預期的產品性能，就要對熱加工設備實施高溫測量(Pyrometry)。
　　實施高溫測量即選擇合格的溫度傳感器和儀表對熱加工設備進行溫度控制和記錄，并且根據規范，對熱加工設備進行系統精度測試和溫度均勻性測試。高溫測量實施過程中，應使用經過校準并符合規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、熱響應速度快、以及經濟性，得到較廣泛的應用。柔性熱電偶線也叫測溫線、感溫.線、易耗型熱電偶等。在AMS2750FPyrometry規范中，根據測溫元件是否暴露在熱處理設備環境中，將熱電偶劃分成了非易耗型熱電偶和易耗型熱電偶。使用塑料材質或耐高溫纖維編織等作為熱電偶的絕緣和護套的柔性熱電偶線，一般以卷軸形式進行包裝，在使用時，根據具體需要進行裁剪，制做測量端進行溫度測量使用。
2柔性熱電偶線的常用形式
　　柔性熱電偶線根據使用需要，一般由內部熱.電極導體、絕緣、護套等幾部分組成，塑料絕緣護套的柔性熱電偶線常見結構如圖1所示，耐高溫無機纖維編織絕緣護套的柔性熱電偶線常見結構如圖2所示。
 
　　根據具體的應用需要，通過對熱電偶分度、絕緣護套、熱電極導體進行選擇，就能夠確定滿足需要的柔性熱電偶線產品。因為熱電偶要與控制或監視儀表連接配合使用，熱電偶的分度一般是已經確定的，所以只要對絕緣護套和熱電極導.體進行選擇即可。在新的系統中對熱電偶分度選.擇，也有一般的標準，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成本低，但因其正極為鐵，不適宜在低溫潮濕環境下使用等等，本文再次不再贅述。
2.1柔性熱電偶絕緣護套
　　柔性熱電偶線一般使用塑料材質和耐高溫纖維編織作為絕緣和護套包裹住熱電極導體，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℃以下的低溫應用當中，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、陶瓷纖維等耐高溫無機纖維材料編織的熱電偶，因具有較高的耐高溫性能，實際應用中一般用于高溫應用中。各種常見絕緣護套材料的使用溫度范圍和特點如表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，可以滿足絕大多數航空用復合材料熱加工需要;金屬熱處理則需要用到耐高溫無機纖維材料編織絕緣護套。塑料材質可以通過增加色母使絕緣著色，按照色標體系區分熱電偶分度和正負極;耐高溫無機纖維材料則需要加入染色的紗線進行編織，達到著色目的。有一點需要注意的是，一般的無機纖維著色，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體
　　熱電極導體作為熱電偶傳感器的測溫元件，通常有實心導體和多股細導體絞合導體兩種形式。實心導體更容易焊接，并具有更高的性價比，是使用較多的形式;多股細導體絞合可以帶來更好的柔性，更加靈活。通常導體的直徑用美國線規AWG來表示，對于同一種熱電極，線徑越大，耐受高溫能力越強;線徑越小，熱響應速度越快，同時也越靈活。
3柔性熱電偶線的應用問題
3.1柔性熱電偶線的校準
　　柔性熱電偶線是將熱電極導體拉拔到所需的直徑，使用擠出工藝在熱電極導體外添加塑料絕緣護套，或使用耐高溫無機纖維材料在熱電極導體外側編織絕緣護套，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行。所以，生產過程對熱電極的影響非常小，可以很好地維持熱電極導體的精度和均一性。
　　在AMS2750F規范當中，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，在卷軸兩端取樣進行校準，每個取樣的校準精度滿足要求，并且兩端取樣的校準值相差不超過1.1℃，將兩端樣品的校準值的平均值作為整卷熱電偶的校準值。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值的差異有限制。在波音的高溫測量規范BAC5621L中，對長度和兩端差異做個更加嚴格的要求，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精度均一性，在做溫度均勻性測試，或者做負載溫度測試時，能夠提供校準精度相同的多支成品熱電偶組件。同時，這樣的校準要求，可以用較少的校準費用，解決校準問題。
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將熱電極的正負極，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。將正負極僅僅紐絞在一起，作為測量端使用進行測溫，這樣的做法比較簡單，但是紐絞的接觸面在高溫環境中，會因為氧化、松動、熱膨脹變形等因素，造成接觸電阻變化，使得到測試結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進行焊接，可以在空氣中或者在氬氣等保護氣體環境下進行焊接。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。使用規范中，并沒有禁止這樣的做法，但從筆者的角度來看，正負極導體平行進行焊接更為可靠。一方面，紐絞后，改變了測量端的位置，紐絞的圈數會影響實際的測量端位置;前面所述的因接觸電阻對測量結果帶來的影響，也同樣存在。除此之外，紐絞之后的焊接，如果出現焊點斷裂，正負極導體不會因斷裂而立即斷開，此時會出現一個不易被發現的不可靠的測量。使用平行焊接的方式，測量端即為焊點，不會出現偏移和因熱電極導體表面氧化帶來的接觸不良;另外，-一旦焊點出現斷裂，會被及時發現出現了測量問題，并采取相應措施，而不是繼續使用一個可能有誤的讀數。
當然紐絞焊接也有其優點，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，用于負載溫度測量時，需要布置在被測零件表面或內部。在布置時，應確保熱電偶測量端與被測零件可靠接觸，以獲得準確的溫度。
在一些測量應用當中，要將熱電偶測量端壓在兩件零件之間，此時應注意必要的防護，防止外界壓力對測量端產生破壞。
　　有些情況使用氟塑料絕緣護套的柔性熱電偶線對一-些氣體或液體溫度進行測量，為防止被測介質對熱電極導體的腐蝕，可以使用專用工具，對熱電偶護套進行熱壓重新成型，使測量端被密封在護套套管當中，隔斷熱電極導體與外界的直接接觸。.
4結束語
　　柔性熱電偶線在國內已有應用，但還沒有專門的規范和標準指導該類產品使用，相信隨著各個行業對該產品的認識不斷加深，能夠使用適當方法加以應用，使柔性熱電偶線產品得以廣泛使用，在保證使用性能的前提下，降低成本，提高精度。