Способ изготовления тепловоспринимающего элемента датчика теплового потока с поперечным градиентом температуры Российский патент 2024 года по МПК G01K17/20 G01K17/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении датчиков теплового потока, используемых для измерения тепловых потоков на поверхности различных объектов, в частности, при измерении нестационарных тепловых потоков в условиях воздействия аэродинамических нагрузок при проведении наземных тепловых и теплопрочностных испытаний элементов конструкции скоростных летательных аппаратов и объектов космической техники, а также для управления тепловыми потоками при проведении испытаний.

Известны различные датчики теплового потока, например ФОА 013-03 (Ю.Н.Коптев Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т.1 (кн. 1) / под общ. Ред. Ю.Н.Коптева, 1998, стр.364-366), основной частью которых являются тепловоспринимающие элементы.

Известен способ изготовления тепловоспринимающего элемента (ТВЭ) одиночного датчика теплового потока (Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971, с.48-50, Рис.27), при котором заготовки штампуются из листового материала: константановые чистые круги толщиной 0,6 мм, медные круги толщиной 0,1 мм с токосъемными выступами. Токосъемные провода привариваются к выступам на медных пластинах, затем токосъемные пластины на конденсаторной сварочной машине привариваются к основной.

Общий недостаток датчиков со съемом сигнала по периферии - высокая инерционность работы и большой разброс данных в последовательно проводимых градуировках.

Наиболее близким по технической сущности (прототип) к заявляемому изобретению является способ изготовления ТВЭ (Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971, с.81). В константановом диске по центру сверлится отверстие с последующей зенковкой. Токосъемные проводники изготавливаются из медного провода ∅ 0,2 - 0,25мм. Медный провод продевается через отверстие в константановом диске. На продетом конце провод оплавляется в шарик ∅0,8 - 0,9мм. Для оплавления продетый конец погружают в ванночку из графитового порошка и пропускают через провод ток. Шарик протравливают в серной кислоте с примесью азотной, промывают и сушат. Протравленный шарик за провод втягивается в зенковку, вдавливается с небольшой остаточной деформацией специальной струбциной и несколькими разрядами на конденсаторной сварочной машине приваривается к пластине. Выступающие части медных шариков снимаются на торцевом алмазном круге с последующей механической обработкой.

Недостатком известного способа изготовления ТВЭ является большой размер шарика относительно диаметра провода, из-за большого диаметра шарика получается большой королек, что является негативным фактором. В шарике во время оплавления частицы графита привариваются к меди, а в самом шарике также образуются окислы меди, поскольку фактически плавление меди происходит в воздушной среде (между частицами графита находится воздух). Последующая химическая обработка шарика не в полной мере удаляет побочные продукты химического взаимодействия расплавленной меди с графитом и воздухом. В силу перечисленных причин при сварке меди с константаном в корольке содержится большое количество побочных продуктов, что противоречит основным требованиям предъявляемых к термопарным спаям (Геращенко О.В., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения: Справочное руководство. Киев, Наукова думка, 1965, с.9). Поскольку у меди удельное сопротивление равно 0,017 Ом⋅мм²/м, а у константана 0,5 Ом⋅мм²/м, то есть разница примерно 30 раз, при конденсаторной электросварке, осуществляемой за счет электрического сопротивления в месте сварки, сильно разогревается диск из константана в зоне контакта с медным шариком. Поскольку диск изготавливается из тонкой фольги толщиной 0,1-0,5мм, локальный перегрев приводит к сквозной проварке константанового диска (браку). Кроме этого, из-за перегрева константановый диск может покоробиться, что также недопустимо.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение технологического процесса изготовления ТВЭ и повышение качества ТВЭ.

Указанная задача решается тем, что предложен:

1. Способ изготовления тепловоспринимающего элемента датчика теплового потока с поперечным градиентом температуры, включающий изготовление диска из константана с отверстием в центре, последующую зенковку отверстия с одной из сторон диска, продевание в отверстие медного провода, формирование на конце медного провода шарика методом оплавления, вдавливание с деформацией шарика в зенковку, его приваривание к диску из константана и последующую механическую обработку королька, отличающийся тем, что формирование шарика на медном проводе осуществляют лазерным импульсом в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна оси медного провода и пересекается с ней, а приваривание сдеформированного медного шарика к диску из константана производят методом локального расплавления медного шарика посредством воздействия импульсного лазерного излучения в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна плоскости диска из константана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологического газа используют смесь аргона и водорода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что технологический газ при сварке сдеформированного медного шарика и константанового диска подают на обе стороны константанового диска.

Пример реализации предлагаемого способа иллюстрируется на фиг 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

На фиг.1 схематически показано формообразование шарика 1 на медном проводе 2.

На фиг.2 схематически показана приварка к диску 3 из константана сдеформированного медного шарика 4 в зенковке 5 канала.

На фиг.3 схематически показан тепловоспринимающий элемент после механической обработки сдеформированного медного шарика (королька) 4.

На фиг.4 показано фото медного провода 2 перед формообразованием шарика 1 лазерным импульсом.

На фиг.5 показано фото медного провода 2 после формообразования шарика 1.

На фиг.6 показан внешний вид ТВЭ, причем для демонстрации малых размеров ТВЭ приложена спичечная головка.

Изобретение поясняется примером. Разработан способ изготовления ТВЭ датчика теплового потока с поперечным градиентом температуры. Для формирования шарика 1 на конце медного провода 2 и приварки сдеформированного медного шарика (королька) 4 к диску 3 из константана применяют лазерную установку ЛАТ-С-300. В качестве термоэлектродов дифференциальной термопары используют медный провод ∅ 0,5 мм (фиг.4) и фольгу из константана марки МНМц 43-0,5 толщиной 0,5мм согласно ГОСТу 5189-2018. Предварительно в центре диска 3 из константана изготавливают канал ∅ 0,5 мм с зенковкой на одной из сторон. Медный провод 2 помещают в рабочую зону лазерной установки, фиксируют его перпендикулярно оптической оси лазерной установки, далее в рабочую зону подают технологический газ. В качестве технологического газа применяют смесь газовую ТУ 2114-002-45905715-2015 аргон (99% Ar) + водород (1% Н₂). После этого на медный провод 2 подают единичный лазерный импульс, в результате чего на конце медного провода 2 формируется пятно контакта, в котором происходит расплавление меди с последующим образованием шарика 1 под действием сил поверхностного натяжения (фиг.5). Регулировка параметров лазерного импульса позволяет получать шарики 1 разного диаметра. В качестве оптимального был принят диаметр шарика 1 равный 0,6мм. Медный провод 2 пропускают через центральный канал диска 3, а шарик 1 помещают в зенковке канала 5. После этого шарик 1 вдавливают в зенковку и деформируют его до заполнения шариком объема зенковки. Подготовленную таким образом заготовку помещают в рабочую зону лазерной установки, в которую подают технологический газ, который обдувает плоскость константанового диска 3 с двух сторон. После этого на поверхность сдеформированного медного шарика 4, по его периметру, подают серию лазерных импульсов. За счет локализации нагрева, медь в пятне контакта расплавлялась и приваривалась к константановому диску с образованием королька. Поскольку плавление происходило в нейтрально-восстановительной среде аргона и водорода, окисления меди не происходило. При этом константановый диск из-за краткосрочности лазерных импульсов и обдува технологическим газом с двух сторон испытывал незначительную локальную тепловую нагрузку, не окислялся и не коробился. Финальной технологической операцией следует механическая зачистка королька 4 посредством торцевого алмазного диска. Подача при сварке технологического газа на обе поверхности константанового диска позволяет устранить окисление диска (фиг.6). Полученные по данной технологии ТВЭ используются для изготовления датчиков теплового потока с поперечным градиентом температуры.

Технологический процесс практически исключает выход ТВЭ в брак и обладает хорошей повторяемостью, что доказано изготовлением большого количества ТВЭ. Кроме этого, технологический процесс не требует дорогостоящего технологического оборудования и имеет высокую производительность. Из технологического процесса исключены вредные и дорогостоящие химические вещества, а сам технологический процесс является экологичным. Подача при сварке технологического газа на обе поверхности константанового диска позволяет устранить окисление диска (фиг.6). Также, снижается себестоимость ТВЭ, полученных по данному способу, поскольку сокращается номенклатура расходных материалов и время технологических операций, уменьшается трудоемкость, сокращается выход в брак полученных изделий.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении датчиков теплового потока, используемых для измерения тепловых потоков на поверхности различных объектов, в частности, при измерении нестационарных тепловых потоков в условиях воздействия аэродинамических нагрузок при проведении наземных тепловых и теплопрочностных испытаний элементов конструкции скоростных летательных аппаратов и объектов космической техники, а также для управления тепловыми потоками при проведении испытаний. Предложен способ изготовления тепловоспринимающего элемента датчика теплового потока с поперечным градиентом температуры, включающий изготовление диска из константана с отверстием в центре, последующую зенковку отверстия с одной из сторон диска, продевание в отверстие медного провода, формирование на конце медного провода шарика методом оплавления, вдавливание с деформацией шарика в зенковку, его приваривание к диску из константана и последующую механическую обработку королька, формирование шарика на медном проводе осуществляют лазерным импульсом в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна оси медного провода и пересекается с ней, а приваривание сдеформированного медного шарика к диску из константана производят методом локального расплавления медного шарика посредством воздействия импульсного лазерного излучения в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна плоскости диска из константана. Техническим результатом при реализации заявленного изобретения является упрощение технологического процесса изготовления ТВЭ и повышение качества ТВЭ. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления тепловоспринимающего элемента датчика теплового потока с поперечным градиентом температуры, включающий изготовление диска из константана с отверстием в центре, последующую зенковку отверстия с одной из сторон диска, продевание в отверстие медного провода, формирование на конце медного провода шарика методом оплавления, вдавливание с деформацией шарика в зенковку, его приваривание к диску из константана и последующую механическую обработку королька, отличающийся тем, что формирование шарика на медном проводе осуществляют лазерным импульсом в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна оси медного провода и пересекается с ней, а приваривание сдеформированного медного шарика к диску из константана производят методом локального расплавления медного шарика посредством воздействия импульсного лазерного излучения в среде технологического газа, при этом оптическая ось лазерного импульса перпендикулярна плоскости диска из константана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологического газа используют смесь аргона и водорода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что технологический газ при сварке сдеформированного медного шарика и константанового диска подают на обе стороны константанового диска.