熱電偶可靠性技術分析

傅海波，彭春增

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州215151）

熱電偶在工業、航空、航天等領域均有廣泛的應用[1-3]，我國的熱電偶生產通過近些年的科技攻關，在質量上有了很大的提高，部分產品技術水平與國外同類產品相當，但是，從總體水平來看還有較大的差距，特別是與熱電偶生產大國的美國和日本相比。熱電偶的突出問題是三性差：一致性、穩定性和可靠性差。從熱電偶的失效觀點分析，歸根結底是可靠性差。所以，從結構的設計到材料的可靠性、工藝的可靠性和封裝技術等方面進一步深入開展研究，盡快掌握開發具有自主知識產權的高可靠性熱電偶技術和產品是具有實際意義的一項重要任務。

本文從上述幾方面入手，歸納總結了決定熱電偶可靠性的五大因素，并以其中的決定性因素，即熱電偶結構設計及零部件間的連接為例，介紹了通過改進結構設計和焊接工藝來提高熱電偶可靠性的有效措施。

1 熱電偶的可靠性

1.1 高可靠性熱電偶的性能

可靠性是指系統或原件在規定條件下與特定時間內，完成所要求功能的能力[4]。具有高可靠性的熱電偶傳感器不僅具有相應的技術性能，而且能耐住惡劣環境，如高溫、高濕、鹽霧、霉菌、腐蝕、輻射、沖擊和振動的考驗。熱電偶可靠性指標僅以平均無故障工作時間為例，國外主要廠家的產品已經達到了相當高的水平，如霍尼韋爾公司的高可靠性熱電偶本身的無故障平均工作時間達到30萬小時，長期穩定性低于0.1%/年，典型靜態誤差范圍：包括非線性、滯后和重復性低于0.1，對振動和沖擊具有高容差性。

1.2 決定熱電偶可靠性的因素

從熱電偶的使用材料、設計結構、制造工藝、封裝技術等方面分析，可總結出熱電偶的可靠性主要取決于以下五個方面：

（1）熱電偶熱電極材料的選擇

熱電極材料的熱電特性、物理性能及機械性能是否優良是判定熱電偶是否可靠，是否優越的重要條件。熱電特性好的熱電偶，其熱電極配對后應具有較大的熱電勢與塞貝克系數（熱電勢率），能具有較似于線性的函數關系，且熱電特性具有良好的穩定性和均勻性。此外，還要求每批材料具有良好的復現性，良好的物理性能，如高的電導率、小的比熱容與電阻溫度系數，無相變，不發生再結晶等，良好的機械性能使熱電偶便于冷加工。

（2）熱電偶保護套管材料的選擇

熱電偶的保護裝置被稱為保護套管，它可以使熱電極和被測介質不直接接觸，能防止或減少火焰和氣流的沖刷與輻射，以保證它具有較長的使用壽命。為提高熱電偶的可靠性，保護熱電極，制作高溫條件下應用的熱電偶保護套管，材料除具備普通熱電偶要求的氣密性、穩定性及導熱性外，還要求：

a.耐高溫：在熱電偶溫度測量上限時適用，不產生變質和變形，在高溫下抗氧化性能好。

b.熱強性：在熱電偶使用溫度下不軟化。

c.耐蝕性：當熱電偶保護套管必須浸入熔融金屬、玻璃、熔鹽及腐蝕性氣體中時，應具有對這些介質的耐蝕性。

d.一定的耐溫度劇變的性能，抗熱震的綜合性能，熱導高，熱膨脹小。

（3）熱電偶的結構設計及零部件間的連接

熱電偶的可靠性最主要取決于其結構設計以及各零部件間的可靠連接。熱電偶整體結構的設計極為重要，特別是當熱電偶工作在惡劣的環境條件下，如有劇烈振動、氣壓變化范圍大、過載、濕熱等，優化緊湊的結構設計可以延長熱電偶的使用壽命，減小熱電偶的重量和體積。同時各零部件之間的可靠連接可以避免熱電偶在嚴酷環境工作時出現斷裂、松動現象，導致信號輸出中斷或異常。焊接作為熱電偶零部件連接的主要方式，其質量也決定了最終整個熱電偶的可靠性。焊接方面主要涉及焊接方法及焊料的選擇，焊接結構設計、焊接工藝的處理等。因此，要提高熱電偶的可靠性，其基本著眼點應放在它的設計和連接工藝（機械連接或焊接）上。

（4）熱電偶耐高溫涂層材料的配置與涂覆工藝

表面涂層技術能賦予零件表面耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等多種特殊性能，是提高熱電偶可靠性的有效途徑。涂層技術在熱電偶保護套管及熱電偶偶絲上已得到廣泛的應用。

（5）熱電偶的封裝

對熱電偶進行裝配時，應考慮到熱電偶的絕緣性和密封性。絕緣對熱電偶測溫準確度影響很大，熱電偶熱電極中不同組偶絲及偶絲與殼體之間均應絕緣良好，絕緣破壞或絕緣電阻太小，會引入較大的測量誤差，甚至無法測量。熱電偶在使用過程中因高溫和吸潮也可能引起絕緣材料和密封材料的絕緣電阻下降。因此，設計熱電偶時，應根據使用溫度上限選用合適的絕緣、密封材料。

2 提高熱電偶可靠性的措施

通過上述分析可知，在決定熱電偶可靠性的五大因素中，熱電偶的結構設計和零部件之間的可靠連接起決定作用。因此，本文以某型熱電偶的設計為例，具體介紹了通過改進結構設計和焊接工藝來提高熱電偶可靠性的有效措施。

某型熱電偶為R分度鎧裝熱電偶，用于測量某型航空發動機渦輪后燃氣溫度。由于熱電偶測溫高達1327℃，因此整個熱電偶采用了多種合金材料，如安裝座材料為鎳基合金，熱電極外殼材料為鉑銠合金，保護套管材料為鈮鎢合金。為保證上述不同合金材料加工而成的零件之間的焊接強度及解決各零件在焊接時的定位問題，對零件結構進行了優化設計并對焊接工藝進行了改進。目前，按改進后的方案設計的該型熱電偶已完成了相關環境試驗，結果表明上述零件之間的焊接操作簡單，焊接強度大，可靠性高。以下是該熱電偶設計中采用的三種零組件焊接結構設計和焊接方法。

2.1 螺紋連接后釬焊

焊接部位：鈮鎢合金保護套管與高溫合金外襯套之間的焊接。

如圖1、圖2所示，在保護套管外表面加工了環形凹槽和M12外螺紋，相應地在外襯套的內表面加工了M12內螺紋。焊接時，先在保護套管的環形凹槽內填上漿糊狀的金基釬料，待釬料干燥后將外襯套與保護套管對接擰緊。最后再將這一組件進行真空釬焊（如圖3所示），使得釬料在熔化后由上而下地滲透到螺紋間隙中。該方法不僅省去了焊接時的定位工裝，直接靠螺紋位置定位，而且較單獨真空釬焊時大大增加了兩零件連接的可靠性。

圖1 保護套管局部剖視圖

圖2 外襯套剖視圖

2.2 壓接后釬焊

焊接部位：鉑銠熱電極與高溫合金套管之間的焊接。

如圖4所示，在套管的外表面加工了用于壓六方的環形凹槽，并在套管的一端加工了喇叭口。焊接時，先將熱電極與套管按需要的尺寸進行壓六方，為保證兩零件連接的可靠性，再在套管的喇叭口處填上金基釬料后將這一組件進行真空釬焊（如圖4所示）。該方法結合下述方法三非常適用于熱電偶中鎧裝熱電極的固定。由于鎧裝熱電極的外殼壁厚一般比較薄，采用激光焊或氬弧焊使其與保護套管直接固定不僅焊接強度低而且容易造成熱電極的外殼被焊穿，若兩者之間直接采用釬焊，則又存在熱電極定位困難的問題。將熱電極通過上述套管轉接后將有利于后續熱電極與保護套管的進一步固定。

2.3 套接后釬焊

焊接部位：高溫合金套管與鈮鎢合金保護套管之間的焊接。

如圖1、4所示，在保護套管的內壁加工了用于套管定位的臺階，在套管的外表面加工了專門用于填充焊料的環形凹槽。焊接時，先在套管的環形凹槽及壓六方部位填上金基釬料并將超出套管外徑的多余釬料擦拭干凈，待釬料干燥后，再將已和熱電極連接的套管插入保護套管內，直至套管的一端與保護套管內壁的臺階頂牢，最后再進行真空釬焊，如圖3所示。該方法具有以下兩大特點：

圖3 熱電極裝配局部剖視圖

圖4 熱電極組合

（1）保護套管內壁加工的臺階既方便套管的定位，即熱電極的定位，又大大提高了該結構的可靠性，可防止因焊接強度不夠導致套管下滑。至此，熱電極與保護套管之間已通過套管間接、安全、可靠的固定在一起。

（2）通過套管上的凹槽可以使得釬料比較均勻地分布在套管與保護套管之間的間隙中。若無凹槽，直接將釬料加在套管的一端，焊接時利用毛吸作用只能使得少量的釬料滲入間隙。此時，若增大兩零件間的間隙將容易導致釬料熔化后全部沉積在套管的另一端。在本項目中兩零件間的間隙長度較短，當長度較長時，在套管上間隔的多開幾個凹槽，填上釬料，焊接的效果會比無凹槽時更加明顯。

綜上所述，本文中介紹的三種焊接方法及焊接結構設計與直接釬焊或激光焊或氬弧焊等其他焊接方式相比具有以下四個優點：

（1）可靠性及安全性高。對于機載熱電偶其零組件的連接是否可靠對發動機的安全有重大影響，任何一個小零件掉入發動機內都會危及發動機的安全。本文中介紹的焊接方法及結構設計即便在焊接作用失效的條件下，零件也不會在短時間內脫落。

（2）操作簡單，只需在零件上加工一些螺紋或臺階或環形凹槽就可實現高強度、高可靠性的焊接。此外，利用零件自身的螺紋或臺階即可實現定位，省去了定位工裝，還解決了某些零件定位難的問題，降低了成本，提高了生產效率。在熱電偶設計中鎧裝熱電極的定位及固定一直是個難題，采用本文中的方法可以有效解決。

（3）焊接強度大，焊料分布均勻。通過在零件表面加工環形凹槽用于填充焊料，可以解決釬焊時焊料難添加的問題，并使得焊料在兩零件的間隙中均勻分布。

（4）本文中介紹的焊接方法和結構設計尤其適用于不同金屬材料加工而成的零件間的焊接，特別是當兩零件材料的熔點相差很大時，焊接后的效果要明顯優于一般的激光焊、釬焊或氬弧焊。

3 試驗與驗證

為驗證上述結構設計和焊接工藝的可行性，研制的某型號熱電偶其熱電極、套管、外襯套、保護套管等零件采用上述焊接結構和焊接方法進行焊接。產品裝配完成后將整個熱電偶按GJB150-1986中的有關規定完成了表1所列的所有環境試驗。

表1 熱電偶環境試驗項目

熱電偶在完成表1中所有試驗后，上述零件的焊接部位未出現斷裂或松動現象，產品信號輸出正常。可見，通過結構的合理設計以及焊接工藝的改進，可以有效地提高整個熱電偶的可靠性，滿足航空發動機高溫高振動環境下的使用要求。目前，本文中所述的措施已經在多型機載熱電偶上得到廣泛的應用。

4 結束語

本文從熱電偶的使用材料、設計結構、制造工藝、封裝技術等方面分析，歸納總結了決定熱電偶可靠性的五大因素，并對其中的決定性因素：結構設計及零部件間的可靠連接，進行舉例分析。結果表明，通過結構的合理設計以及焊接工藝的改進，可以有效地提高整個熱電偶的可靠性。因此，在熱電偶設計過程中，應始終貫穿可靠性思想，并重視零部件的結構設計及它們之間的焊接工藝，且有必要在產品正式生產前進行焊接工藝評審，對焊接結構和焊接工藝不斷進行優化。