熱電偶溫度傳感器灌封工藝方法

趙慧芳，李 偉，扈春玲，張 蓓，張 爽

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

熱電偶溫度傳感器常用于腔體或管路內(nèi)氣體、蒸汽或液體等介質(zhì)的溫度測量[1-2]。在火箭推進(jìn)領(lǐng)域，熱電偶溫度傳感器主要為發(fā)動(dòng)機(jī)的試車、飛行提供溫度測量數(shù)據(jù)，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行判斷[3-5]。

本文的主要研究對(duì)象為K型熱電偶溫度傳感器[6-11](以下簡稱傳感器)，該傳感器在應(yīng)用初期質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定，但隨著試車工況由額定工況的50%提高至105%、試車時(shí)間由200 s延長至400 s，傳感器便不能很好地適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的強(qiáng)振動(dòng)力學(xué)環(huán)境要求，出現(xiàn)熱偶絲斷線問題。分析原因，主要是灌封材料未在傳感器殼體內(nèi)部填充致密，氣泡缺陷使傳感器內(nèi)部熱偶絲不能有效抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中產(chǎn)生的強(qiáng)振動(dòng)、沖擊環(huán)境。

解決灌封過程中的氣泡缺陷問題一般采用離心脫泡和真空脫泡兩種方法[12]。傳感器內(nèi)部灌封的微晶玻璃粉需在燒結(jié)爐內(nèi)高溫?zé)Y(jié)，同時(shí)受傳感器結(jié)構(gòu)限制，使其無法采用上述兩種方法去除氣泡。因此，本文針對(duì)傳感器的自身特點(diǎn)，進(jìn)行了灌封材料及灌封工藝的研究。

1 傳感器原理及結(jié)構(gòu)

1.1 傳感器原理

傳感器的工作原理是基于導(dǎo)體的熱電效應(yīng)[13-14]。如圖1所示，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A,B的接點(diǎn)處于不同的溫度T,Tr時(shí)，由于熱電效應(yīng)，回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電流。一般把處于較高溫度(T)的一端稱為測溫端，處于較低溫度(Tr)的一端稱為參考端。

圖1 傳感器原理圖Fig.1 The principle diagram of sensor

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

為了滿足200～350℃的工作環(huán)境溫度要求，傳感器的熱偶絲選用0.5 mm的鎳鉻-鎳硅絲、殼體選用耐溫650℃的高溫合金、絕緣套管選用耐1 000℃的石英纖維管。

受發(fā)動(dòng)機(jī)安裝空間的限制，傳感器殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)為3.2 mm。熱偶絲穿套石英纖維管后穿入殼體，并與殼體焊接。在熱偶絲與殼體內(nèi)壁之間存在狹小的間隙。為了固定熱偶絲、提高傳感器在高溫環(huán)境下的絕緣性能，對(duì)傳感器殼體內(nèi)腔進(jìn)行灌封。

灌封材料是灌封技術(shù)的基礎(chǔ)，常用的灌封材料如環(huán)氧樹脂、硅橡膠等使用溫度最高為180℃[15]，不能滿足傳感器的高溫工作環(huán)境要求；氧化鎂等材料極易吸潮，會(huì)降低產(chǎn)品的絕緣性能[16]；高溫?zé)o機(jī)膠流動(dòng)性差，不利于狹小空間的灌封。因此，選用耐高溫、絕緣性能好、易流動(dòng)的微晶玻璃粉作為灌封材料[17]。

灌封工藝分為人工灌封和設(shè)備灌封，傳感器結(jié)構(gòu)尺寸小、內(nèi)置兩根懸空狀態(tài)的熱偶絲、批產(chǎn)數(shù)量少，不便采用設(shè)備進(jìn)行灌封。因此，采用手工灌封的形式將微晶玻璃粉灌入傳感器殼體。微晶玻璃粉的熔點(diǎn)為550℃，為了使微晶玻璃粉達(dá)到符合成型要求的液態(tài)玻璃狀態(tài)，將灌封微晶玻璃粉的傳感器置于燒結(jié)爐內(nèi)，用120 min將燒結(jié)爐溫度由室溫升至550℃，并在此溫度下保溫60 min，以便內(nèi)部氣泡能夠充分排出。完成上述灌封、燒結(jié)工序的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—熱偶絲；2—?dú)んw；3—石英纖維管；4—微晶玻璃。圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of sensor

2 玻璃灌封工藝改進(jìn)

長期以來，關(guān)于灌封技術(shù)氣泡缺陷的討論在業(yè)內(nèi)一直是個(gè)敏感問題，氣泡不僅影響產(chǎn)品的外觀，更重要的是影響產(chǎn)品的電氣性能、機(jī)械性能等，嚴(yán)重威脅產(chǎn)品的可靠性[12]。灌封過程中產(chǎn)生的氣泡缺陷對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)可靠性產(chǎn)生了直接影響，導(dǎo)致了傳感器在強(qiáng)振動(dòng)、沖擊環(huán)境下出現(xiàn)斷線問題。為了解決這一問題，本文對(duì)玻璃灌封工藝進(jìn)行深入分析和改進(jìn)研究，有望較好地解決傳感器絕緣、耐熱和抗振動(dòng)、沖擊等多個(gè)問題[18-19]。

2.1 灌封材料

玻璃粉和絕緣套管是影響玻璃灌封的兩個(gè)關(guān)鍵材料，合理地選取灌封材料可以有效提高玻璃灌封質(zhì)量。

2.1.1 玻璃粉

平均粒度和熔點(diǎn)是玻璃粉的兩項(xiàng)重要性能參數(shù)，也是影響灌封質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。玻璃粉的平均粒度大，粉粒之間的空隙也大，更容易填充至殼體底部，同時(shí)在燒結(jié)過程中有利于氣體逸出。熔點(diǎn)越低流動(dòng)性越好，也有利于氣體逸出。

通過對(duì)比表1中參數(shù)，選用8-2玻璃粉代替微晶玻璃。

表1 8-2玻璃粉與微晶玻璃性能參數(shù)Tab.1 The performance parameter of 8-2 frosting and minicrystal

2.1.2 絕緣套管

傳感器殼體內(nèi)徑為3.2 mm，絕緣套管的外徑對(duì)玻璃灌封空間有直接影響，無堿玻璃纖維套管與石英纖維管的外徑尺寸如表2所示。

表2 無堿玻璃纖維套管與石英纖維管的尺寸Tab.2 The measurement of alkali-free glass fiber sleeve and silica fiber sleeve

無堿玻璃纖維套管的使用與石英纖維套管相比，增大了玻璃粉灌封空間，為玻璃粉流動(dòng)提供條件，有利于玻璃粉灌入殼體底部。

因此，選用無堿玻璃纖維套管代替石英纖維管。

2.2 玻璃燒結(jié)工藝

針對(duì)8-2玻璃粉的特性，制定燒結(jié)工藝參數(shù)，編制燒結(jié)工藝流程圖，如圖3所示。

8-2玻璃粉的熔點(diǎn)為380℃，為驗(yàn)證玻璃粉在該點(diǎn)的熔化程度，將玻璃粉的燒結(jié)溫度定為370℃，保溫時(shí)間60 min，即燒結(jié)工藝1。燒結(jié)完成后對(duì)試件進(jìn)行剖切，燒結(jié)曲線及剖切圖如圖4所示。

圖3 燒結(jié)工藝流程圖Fig.3 The flow diagram of sintering process

圖4 燒結(jié)工藝1Fig.4 Sintering process 1

燒結(jié)工藝1存在的問題是玻璃內(nèi)仍有未熔化的玻璃粉，去除玻璃粉后殼體內(nèi)有狹長的空腔。因此增加100℃的保溫點(diǎn)，使玻璃粉內(nèi)水分蒸發(fā)；并將燒結(jié)溫度提高10℃，保證玻璃粉全部熔化，即燒結(jié)工藝2如圖5所示。

圖5 燒結(jié)工藝2Fig.5 Sintering process 2

燒結(jié)工藝2存在的問題是玻璃內(nèi)仍有較大氣泡。此時(shí)增加了200℃的保溫點(diǎn)，使固定無堿玻璃纖維套管的瞬干膠蒸發(fā)并從殼體內(nèi)逸出，即燒結(jié)工藝3如圖6所示。

圖6 燒結(jié)工藝3Fig.6 Sintering process 3

在燒結(jié)工藝3的剖切件中，玻璃局部存在小氣泡，其余部位較致密，結(jié)果較為理想。

根據(jù)燒結(jié)情況，燒結(jié)工藝3燒制的產(chǎn)品，內(nèi)部完全充滿玻璃，只是玻璃上散落蜂窩狀小孔，沒有大氣泡存在，不會(huì)導(dǎo)致熱偶絲局部斷裂。確定為最終的工藝參數(shù)。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

利用改進(jìn)后玻璃灌封工藝生產(chǎn)的傳感器先后按發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量級(jí)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量級(jí)的1.5倍進(jìn)行考核。結(jié)果表明傳感器性能穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)斷線及其他故障。

改進(jìn)后玻璃灌封傳感器已交付100臺(tái)，其中34臺(tái)產(chǎn)品已在發(fā)動(dòng)機(jī)的試車中進(jìn)行考核，傳感器均工作正常；單臺(tái)產(chǎn)品累積試車時(shí)間最長為1 950 s，未出現(xiàn)斷線及其他故障，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。

灌封工藝改進(jìn)前交付的最后一批傳感器39臺(tái)，其中25臺(tái)在試車進(jìn)行至約100 s時(shí)出現(xiàn)斷線故障。對(duì)比試車考核情況可知，改進(jìn)后玻璃灌封工藝解決了原灌封工藝不良引發(fā)的批次性產(chǎn)品斷線問題，顯著提高了產(chǎn)品可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)熱電偶溫度傳感器玻璃封裝不到位、熱偶絲斷線問題開展工藝方法研究，得出如下結(jié)論：

1)8-2玻璃粉有利于傳感器殼體底部的氣體逸出。

2)無堿玻璃纖維套管增大了8-2玻璃粉的灌封空間。

3)燒結(jié)工藝3的工藝參數(shù)有效解決了傳感器灌封過程中存在氣泡的問題。

4)利用新的工藝方法生產(chǎn)的傳感器解決了熱偶絲斷線問題。