Устройство для сваривания встык тонких термопарных проводов
DEVICE FOR BUTT SEAM WELDING TIPS OF THIN THERMOCOUPLE WIRES

Изобретение относится к области техники измерения температур и исследования теплофизических характеристик материалов, в том числе композитных. Оно может быть использовано при проведении тепловых испытаний конструкций, в авиации и космонавтике, в медицине, а также во всех случаях, где необходимо точно измерять температуру с минимальной инструментальной погрешностью.
Так как любое инородное тело оказывает влияние на теплофизическое состояние исследуемого объекта, в том числе на величину измеряемой температуры, то всегда стремятся уменьшить это влияние. Особенно это важно при исследовании теплофизических характеристик неметаллических материалов, в том числе композиционных. В этом случае используются датчики температуры, в частности термопары. Для точного измерения температуры они не должны вносить существенного искажения температурного поля. Конструктивно термопара представляет собой два разнородных электрода, сваренные между собой и создающих термоэлектродвижущую силу, соответствующую определенной температуре. Диаметр термопары должен быть как можно меньше, а место сварки (королек) - минимальным или вообще отсутствовать. Поэтому появляется задача сваривать самые тонкие термопары (∅ 0,1-0,2 мм) и лучше встык, чтобы королек отсутствовал или был минимальным. Отсюда возникает проблема изготовления таких термопар в части организации процесса и технологии сваривания разнородных проводов встык.
Известны устройства и способы сваривания проводов между собой, которые используют дуговую сварку (А.св. №800691, МПК G01K, 1977 г; А.св. №224610 МПК G01K, 1986 г; А.св. №610630, МПК B23K, 1978 г), однако главным недостатком этих устройств является обязательная скрутка термоэлектродов, а затем сварка неплавящимся электродом. Это во всех случаях приводит к довольно большому сварному шву и образованию в точке расплава спая сферической формы достаточно большой величины. При исследовании температурного поля в композитных и неметаллических материалах он будет давать значительное искажение температурного поля и, значит, значительные погрешности измерения истинной температуры.
Известно устройство, используемое при сварке проводов встык, когда свариваемые электроды (провода) закрепляют в зажимах и вручную сводят для сварки, что для тонких термопарных проводов требует большого времени и трудоемкости и, как правило, в процессе дуговой сварки после установки они остаются неподвижными, что часто приводит к браку из-за сокращения расстояния между ними и последующего разрыва сварочного узла. [патент №2072286 МПК B23K 11/04, 1995 г.; Температурные измерения. Киев, «Наукова думка», 1984, 222 с].
Главными недостатками существующих устройств для сварки тонких проводов являются: большой сварочный горячий спай («королек»), трудность совмещения тонких проводов встык, неподвижность токоподводов при сварке, большая трудоемкость при изготовлении.
Наиболее близко по технической сущности к предлагаемому устройству сварки встык тонких термопарных проводов, являющемуся предметом настоящего изобретения, следует считать устройство, описанное в патенте RU 2544327 С2, МПК В23К 26/21, В23К 26/70, 2015 «Способ и устройство для сварки проволок». Устройство содержит корпус, на котором установлен лазерный источник, сопло для подачи нагретого газа в место сварки, направляющее приспособление, состоящее из двух стеклянных трубок, через которые пропускают свариваемую проволоку, подвижного и неподвижного гнезд. Подвижное гнездо соединено с помощью троса с сервоуправляемым роликом, а неподвижное - с датчиком силы. Гнезда между собой соединены пружиной. Регулируя роликом можно привести оба конца проволок в соприкосновение.
Однако, возможна нестыковки торцевых плоскостей проволок, так как выходящие из стеклянных трубочек концы проволок висят (находятся) в воздухе и могут принимать любую ориентацию в пространстве. Кроме того, способ сварки и устройство достаточно сложны, так как требует в начале процесса сварки подогрева газом (Т=250-500°С) узла стыковки проволок (причем необходим еще и предварительный отжиг хотя бы одной проволоки, послесварочный отжиг), использования узконаправленного луча лазера, который должен точно попасть в место стыковки проволок в момент сварки, что для тонких проволок, диаметр которых составляет 0,1-0,5 мм, является непростой задачей.
Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего сварку встык тонких (диаметром 0.1-0.5 мм), разнородных по физико-механическим свойствам проводов.
Технический результат - уменьшение трудоемкости при изготовлении термопар, получение качественного сварного спая без значительного оплавления свариваемых проводов, без королька.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства.
На фиг. 2 представлен разрез по оси симметрии устройства для сваривания встык тонких термопарных проводов.
На фиг. 3 представлено устройство в изометрии.
Устройство для сваривания встык тонких термопарных проводов (фиг. 1) состоит из основания 1 с закрепленным на нем корпусом 2, выполненных из электроизоляционного материала, двух токоподводов 3, разделяющей электроизоляционной термостойкой вставки 4 (фиг. 2), токоразрядного блока 5. Корпус 2 выполнен в виде параллелепипеда, имеющего несквозную выборку 6 (фиг. 2) с параллельными боковыми и торцевыми стенками, в которой установлены подключенные к токоразрядному блоку 5 (фиг. 1) неподвижный правый и подвижный левый токоподводы 3. Между ними размещена разделяющая электроизоляционная термостойкая вставка 4 (фиг. 2). Каждый токоподвод 3 состоит из двух соединенных винтами пластин 8 прямоугольной формы, различающихся по высоте и обработке стыкуемых между собой поверхностей: большая из пластин имеет гладкую поверхность, а вторая, меньшая по высоте, имеет проточку, фрезерованную по радиусу, и скос для улучшения видимости в зоне сваривания проводов.
В сборе пластины 8 (фиг. 2) образуют направляющий канал токоподвода для свариваемых проводов 9, ширина которого равна диаметру свариваемых проводов и увеличенная на 0,05-0,08 мм. Для прижатия проводов 9 к радиусному профилю в направляющих каналах токоподводов установлены пластинчатые прижимы 10, повторяющие профиль и толщину направляющего канала токоподводов 3, закрепленные на оси вращения 11 и фиксируемые винтами 17 для фиксации проводов к профилю направляющего канала (к прижиму). Неподвижный токоподвод 3 упирается в торцевую стенку выемки и является неподвижной частью устройства. Подвижный токоподвод 3 может перемещаться в корпусе 2 вдоль стенок выборки по скользящей посадке, которая обеспечивает соосность стыковки свариваемых между собой проводов, закрепленных отдельно в левом и правом токоподводах. Перемещение подвижного токоподвода обеспечено за счет поступательного движения пластины 16 (фиг. 2), встроенного в нее винта 12 в гайке 13 с мелкой резьбой, расположенной в торцевой части корпуса. В винт встроен шарик скольжения 14 и пружина 15, обеспечивающая дополнительное прижатие и перемещение подвижного токоподвода в процессе сваривания проводов, движение которого ограничено электроизоляционной термостойкой вставкой 4. Вставка 4 служит также столом для стыковки свариваемых проводов и электроизолятором между токоподводами. Общий вид устройства в изометрии представлен на фигуре 3.
Работает устройство следующим образом. Тонкий термопарный провод 9 закладывают в направляющий канал неподвижного токоподвода 3 таким образом, чтобы на электроизоляционной термостойкой вставке 4 до ее середины выступал (лежал) конец провода. В таком положении его фиксируют пластинчатым прижимом 10, который в свою очередь фиксируют винтом 17. В подвижном токоподводе 3, предварительно отодвинутом от термостойкой вставки 4 на некоторое расстояние, также устанавливают второй провод 9, который требуется сварить встык с первым проводом, фиксируют своим пластинчатым прижимом 10, причем выпущенный конец провода по длине превышает половину толщины термостойкой вставки 4. Таким образом, концы проводов оказываются закоординированными в трех направлениях так, что их торцевые поверхности располагаются соосно друг против друга.
Затем с помощью винта 12, встроенного в гайке 13 с мелкой резьбой через пластину 16 создают силу, величина которой несколько превышает сопротивление трения между подвижным токоподводом 3, установленным по скользящей посадке в корпусе устройства. В результате подвижный токоподвод 3 плавно перемещают в сторону неподвижного токоподвода 3 до стыковки концов свариваемых тонких термопарных проводов по торцевым поверхностям. При этом остается зазор между подвижным токоподводом 3 и вставкой 4. С помощью винта 12 и пружины 15 может создаваться незначительное (минимальное) усилие, определяемое экспериментальным путем, обеспечивающее перемещение по скользящей посадке подвижного токоподвода 3 в сторону вставки 4, когда в процессе сварки происходит сокращение выпущенных концов проводов. При этом усилие автоматически уменьшается до нуля за счет уравновешивания усилия с силой трения за счет увеличения расстояния между торцом стенки и токоподводом. Затем производят подключение токоподводов к выходам токоразрядного блока 5 или выходам вторичной обмотки сварочного транформатора. При подаче токоразрядного напряжения происходит разогрев концов проводов в месте их контакта и сварка проводов встык практически без королька, например с помощью разрядного конденсаторного устройства, обеспечивающего создание энергии от 30 до 100 Дж. В месте сварки между токоподводами для защиты от окислов сварочного узла может находится небольшое количество спирта или трансформаторного масла. После сварки сваренная термопара (например хромель-алюмель или вольфрам-рений) освобождаются от прижимов 10 путем расфиксации (откручивания) винтов 17 и поворотом прижимов 10 вокруг оси 11 на 120°. Затем готовая термопара вынимается из направляющего канала для последующего использования.
Использование изобретения позволяет
1. Установить и закрепить два тонких термопарных провода, служащих электродами.
2. Закоординировать концы проводов таким образом, чтобы их торцевые поверхности располагались соосно друг против друга.
3. Обеспечить неподвижность одного провода и подвижность другого провода без смещения их соосности при сварке.
4. Подвижность проводов обеспечивать подбором минимального усилия, создаваемого при монтаже и подготовке к сварке проводов, в процессе которой при изменении расстояния между проводами происходит движение навстречу подвижного провода.