RU2674554C1

RU2674554C1 - Device for butt seam welding tips of thin thermocouple wires

Info

Publication number: RU2674554C1
Application number: RU2017139733A
Authority: RU
Inventors: Юрий Джураевич Ходжаев; Юрий Алексеевич Арефьев; Алексей Геннадиевич Барков; Геннадий Алексеевич Барков; Галина Владимировна Кривошеина; Дмитрий Олегович Сомов; Владимир Владимирович Суслин
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-12-11

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention can be used for the manufacture of thermocouples used when conducting thermal tests of structures with the need to measure temperature with a minimum error. Each of the two current leads of the welding device consists of two interconnected plates and contains an electrically insulating heat-resistant insert. Current-discharge unit is connected to the current leads. One current lead fixed in the housing is stationary, and the second – with the ability to move on a sliding fit. One of the plates of each electrical power supply has a groove of a radius profile with the formation of a guide channel to accommodate welded wires in it, the width of which ensures their sliding. Clamp for the welded wires repeats the channel profile.EFFECT: device provides easy coordination in space of butt-connected thin wires from dissimilar materials, while in the welding process they have the ability to move towards each other, which allows you to choose the minimum welding force.4 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the field of temperature measurement and investigation of the thermophysical characteristics of materials, including composite. It can be used in thermal testing of structures, in aviation and astronautics, in medicine, as well as in all cases where it is necessary to accurately measure the temperature with minimal instrumental error.

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.Since any foreign body affects the thermophysical state of the studied object, including the value of the measured temperature, they always strive to reduce this effect. This is especially important when studying the thermophysical characteristics of non-metallic materials, including composite ones. In this case, temperature sensors are used, in particular thermocouples. To accurately measure the temperature, they should not introduce a significant distortion of the temperature field. Structurally, a thermocouple is two dissimilar electrodes, welded together and creating a thermoelectromotive force corresponding to a certain temperature. The diameter of the thermocouple should be as small as possible, and the place of welding (beads) - minimal or no. Therefore, the problem arises of welding the thinnest thermocouples (∅ 0.1-0.2 mm) and it is better butt-to-loop so that the bead is absent or minimal. This raises the problem of manufacturing such thermocouples in terms of organization of the process and technology for welding dissimilar wires butt.

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.Known devices and methods for welding wires between themselves that use arc welding (A. St. No. 800691, IPC G01K, 1977; A. St. No. 22246 IPC G01K, 1986; A. St. No. 610630, IPC B23K, 1978 d), however, the main drawback of these devices is the mandatory twisting of thermoelectrodes, and then welding with a non-consumable electrode. In all cases, this leads to a rather large weld and the formation of a spherical junction of a sufficiently large size at the melt point. When studying the temperature field in composite and nonmetallic materials, it will give a significant distortion of the temperature field and, therefore, significant errors in measuring the true temperature.

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].A device is known that is used for butt welding of wires, when the welded electrodes (wires) are fastened in clamps and manually reduced for welding, which requires a lot of time and labor for thin thermocouple wires and, as a rule, they remain motionless during arc welding after installation, which often leads to marriage due to a reduction in the distance between them and the subsequent rupture of the welding unit. [patent No. 2072286 IPC B23K 11/04, 1995; Temperature measurements. Kiev, Naukova Dumka, 1984, 222 p.].

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.The main disadvantages of existing devices for welding thin wires are: a large welding hot junction ("Korolek"), the difficulty of combining thin wires end-to-end, the immobility of current leads during welding, and the great complexity in manufacturing.

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.The closest in technical essence to the proposed butt welding device for thin thermocouple wires, which is the subject of the present invention, should be considered the device described in patent RU 2544327 C2, IPC V23K 26/21, V23K 26/70, 2015 “Method and device for welding wires” . The device comprises a housing on which a laser source is mounted, a nozzle for supplying heated gas to the welding site, a guide device consisting of two glass tubes through which the welded wire, movable and fixed sockets are passed. The movable socket is connected via a cable to a servo-controlled roller, and the fixed one is connected to a force sensor. Sockets are interconnected by a spring. By adjusting the roller, both ends of the wires can be brought into contact.

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.However, inconsistencies of the end surfaces of the wires are possible, since the ends of the wires emerging from the glass tubes hang (are) in the air and can take any orientation in space. In addition, the welding method and the device are quite complex, since it requires at the beginning of the welding process gas heating (Т = 250-500 ° С) of the wire docking unit (moreover, preliminary annealing of at least one wire, post-welding annealing is also required), the use of a narrow beam laser, which must precisely get to the place of joining of wires at the time of welding, which is a difficult task for thin wires with a diameter of 0.1-0.5 mm.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего сварку встык тонких (диаметром 0.1-0.5 мм), разнородных по физико-механическим свойствам проводов.The objective of the invention is to provide a device that provides butt welding of thin (diameter 0.1-0.5 mm), heterogeneous in physical and mechanical properties of the wires.

Технический результат - уменьшение трудоемкости при изготовлении термопар, получение качественного сварного спая без значительного оплавления свариваемых проводов, без королька.The technical result is a decrease in the complexity in the manufacture of thermocouples, obtaining high-quality welded junction without significant fusion of the welded wires, without a bead.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.In FIG. 1 shows a General view of the device.

На фиг. 2 представлен разрез по оси симметрии устройства для сваривания встык тонких термопарных проводов.In FIG. 2 shows a section along the axis of symmetry of a device for butt welding of thin thermocouple wires.

На фиг. 3 представлено устройство в изометрии.In FIG. 3 shows a device in isometry.

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.The device for butt welding of thin thermocouple wires (Fig. 1) consists of a base 1 with a body 2 fixed on it, made of an insulating material, two current leads 3, a separating insulating heat-resistant insert 4 (Fig. 2), a current-discharge unit 5. Housing 2 is made in the form of a parallelepiped having a non-through sampling 6 (Fig. 2) with parallel side and end walls, in which a fixed right and movable left current leads 3 are connected to the current-discharge block 5 (Fig. 1). Between them is placed Split panes thermally insulating box 4 (FIG. 2). Each current lead 3 consists of two rectangular plates 8 connected by screws, differing in height and processing of surfaces joined to each other: the larger of the plates has a smooth surface, and the second, smaller in height, has a groove milled in radius and a bevel to improve visibility in zone of welding wires.

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.In the collection plate 8 (Fig. 2) form a guide channel of the current lead for the welded wires 9, the width of which is equal to the diameter of the welded wires and increased by 0.05-0.08 mm To clamp the wires 9 to the radius profile, plate clamps 10 are installed in the guide channels of the current leads, repeating the profile and thickness of the guide channel of the current leads 3, fixed on the axis of rotation 11 and fixed with screws 17 to fix the wires to the profile of the guide channel (to the clip). Fixed current supply 3 abuts against the end wall of the recess and is a fixed part of the device. The movable current lead 3 can be moved in the housing 2 along the walls of the sample along a sliding fit, which ensures alignment of the docking of the wires being welded together, fixed separately in the left and right current leads. Moving the movable current supply is provided due to the translational movement of the plate 16 (Fig. 2), a screw 12 built into it in the nut 13 with a fine thread located in the end part of the housing. A sliding ball 14 and a spring 15 are integrated in the screw, which provides additional pressing and moving the movable current supply during the welding of wires, the movement of which is limited by an insulating heat-resistant insert 4. Insert 4 also serves as a table for joining the welded wires and an electrical insulator between the current leads. A general view of the device in isometry is shown in figure 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.The device operates as follows. A thin thermocouple wire 9 is laid in the guide channel of the fixed current supply 3 so that the end of the wire protrudes (lies) on the heat-insulating heat-resistant insert 4 to its middle. In this position, it is fixed with a plate clamp 10, which in turn is fixed with a screw 17. In the movable current lead 3, previously moved away from the heat-resistant insert 4 by a certain distance, a second wire 9 is also installed, which must be butt-welded to the first wire, fixed with its plate clamp 10, and the released end of the wire is longer than half the thickness of the heat-resistant insert 4. In this way, the ends of the wires are coordinated in three directions so that their end surfaces p spolagayutsya coaxially against each other.

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.Then, with the help of a screw 12, which is embedded in the fine-threaded nut 13 through the plate 16, a force is created, the value of which slightly exceeds the friction resistance between the movable current lead 3 installed along a sliding fit in the device body. As a result, the movable current lead 3 is smoothly moved toward the stationary current lead 3 until the ends of the welded thin thermocouple wires are joined along the end surfaces. In this case, a gap remains between the movable current lead 3 and the insert 4. With the help of the screw 12 and the spring 15, an insignificant (minimum) force can be created, which is determined experimentally, providing movement along the sliding fit of the movable current lead 3 to the side of the insert 4, when a reduction occurs during welding released wire ends. In this case, the force is automatically reduced to zero due to balancing the force with the friction force by increasing the distance between the end of the wall and the current lead. Then the current leads are connected to the outputs of the current-discharge unit 5 or to the outputs of the secondary winding of the welding transformer. When a current-discharge voltage is applied, the ends of the wires are heated at the point of contact and the wires are butt-welded practically without a crown, for example, using a discharge capacitor device that provides energy from 30 to 100 J. At the place of welding between current leads to protect against oxides of the welding unit, there may be amount of alcohol or transformer oil. After welding, the welded thermocouple (for example, chromel-alumel or tungsten-rhenium) is released from the clamps 10 by unlocking (unscrewing) the screws 17 and turning the clamps 10 around the axis 11 by 120 °. The finished thermocouple is then removed from the guide channel for later use.

Использование изобретения позволяетThe use of the invention allows

1. Установить и закрепить два тонких термопарных провода, служащих электродами.1. Install and secure two thin thermocouple wires serving as electrodes.

2. Закоординировать концы проводов таким образом, чтобы их торцевые поверхности располагались соосно друг против друга.2. Coordinate the ends of the wires so that their end surfaces are aligned with each other.

3. Обеспечить неподвижность одного провода и подвижность другого провода без смещения их соосности при сварке.3. To ensure the immobility of one wire and the mobility of another wire without shifting their alignment during welding.

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.4. To ensure the mobility of the wires by selecting the minimum force created during installation and preparation for welding the wires, during which, when the distance between the wires changes, movement towards the movable wire occurs.

Claims

1. A device for butt welding of thin thermocouple wires, characterized in that it contains a housing, two current leads with an insulating heat-resistant insert placed between them, each of which consists of two plates connected to each other, a current-discharge unit connected to current leads, and a clamp for welded wires, and one current lead is fixed in the housing motionless, and the second with the ability to move along a sliding fit, while one of the plates of each current lead has a groove of a radius profile with Azov in the current supply of the guide channel for placement of welded wires in it, the width of which ensures their sliding, and the aforementioned clamp repeats the channel profile.

2. The device according to p. 1, characterized in that the insulating heat-resistant insert is made of carbonitride high-temperature material.

3. The device according to p. 1, characterized in that it is equipped with a screw for regulating the movement of the movable current supply.

4. The device according to p. 3, characterized in that the screw is made with a built-in ball of sliding and a spring, which provides additional pressing of the movable current supply.