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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@) 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（≥200 μm ）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 200 μm 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 - .c μ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 （Cu 100% 红色）及康铜丝 (Cu 55%,Ni 45% 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)，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