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1、无锡科技职业学院毕业设计（论文）说明书设计（论文）题目：高频感应钎焊测温装置设计姓 名： 学 号： 000051515 系 部：机电工程系专 业：机电一体化指导教师： 媛 职 称：助教 2008 年 4 月 25 日高频感应钎焊测温装置设计摘要: 该装置是一套高频感应钎焊金刚石刀具用的测温装置。为了能快速加热和稳定测温在这套装置的设计中运用了高频感应加热的原理和热电偶测温原理。由法拉第电磁感应原理发展而来的高频感应加热是一种新型的加热方法，具有很多传统加热方法不具备的优点，能安全、快速的加热。该装置测量温度范围为-10到960，温度响应要求灵敏度较高且有强电磁场干扰，半人工热电偶法测温时不必考
2、虑绝缘问题，故采用了半人工热电偶测温。设计的装置既可以满足钎焊条件，又可以准确测量温度。关键词：高频加热 热电偶 测温Abstract:This equipment is the temperature measurement installment which a set of high frequency induction brazing diamond cutting tool uses. For could the fast heating and the stable temperature measurement has utilized the high frequency i
3、nduction heating principle and the thermo-element temperature measurement principle in this equipments design. Dares the high frequency induction heating which by the Faraday electromagnetism the principle development comes is one new heating means that has merit which many tradition heating means d
4、o not have, can safe, the fast heating. As the temperature measurement range is -10 to 960 , the temperature response needs high sensitivity and there is a strong electromagnetic interference in high frequency induction heating, semi-manual thermocouple are applied to measure temperature which do no
5、t need to consider insulation. The designed device can not only satisfy the required brazing conditions, measure brazing temperature accurately. Keywords: High-frequency heating, thermocouple, temperature measurement目录绪论（4）1 高频感应钎焊加热（5）1.1高频感应加热的了解 （5）1.1.1高频钎焊加热的方法 （5）1.1.2感应加热的发展 （5）1.1.3感应加热原理 （6
6、）1.1.4电流透入深度与集肤效益 （8）1.1.5高频感应钎焊的优点 （8）1.1.6感应加热应用的场合 （9）1. 2高频感应钎焊（9） 1.2.1钎焊的定义 （9）1.2.2钎焊的分类 （10）2. 温度测量系统的选择 （11）2.1温度测量方法 （11）2.1.1测温方法的选择 （11）2.2热电偶测温方法(12)2.2.1热电偶测温原理(12)2.2.2热电偶特性 (13)2.2.3常用热电偶(13)2.2.4热电偶回路基本定律(14)2.2.5热电偶冷端温度补偿-补偿电桥法 (15)2. 3高频感应钎焊热电偶测温方法 (15)2.3.1热电偶测温方式(15)2.3.2本课题的测温方
7、式(17)3装置设计(19)3.1 总体设计 (19)3.2移动及定位结构设计(19)3. 3零件的校核 (21)总结与展望(24)中英文翻译 （25）英文原文 （25）中文译文 （30）参考文献 （35）绪论一、 本设计的内容和要求1. 本设计的内容设计一套高频感应钎焊金刚石刀具用的测温装置，该装置采用高频感应加热和热电偶测温。2. 本设计的要求1）该装置要能满足焊接所要的条件，也要能实现测温的要求。2）了解感应加热的原理，高频感应加热电流的分布特点，了解钎焊的焊接方法，以及感应加热钎焊的特点、优势。3）了解测量温度的方法，掌握热电偶测温的基本原理，热电回路的基本定律及热电偶测温的特点，确定
8、本课题所用的热电偶测温方法半人工热电偶测温，用两种热电偶丝同时测温，观察不同区域温度之间的差异，加热温度0960。4）为防止高温下的氧化，测温装置必须是密封且可拆装的。5）装置中要有惰性气体的通入和排出的通道。6）热电偶丝可以在装置中上下移动，避免被焊接到基体块上，为了能看到加热过程以及偶丝与加热表面的接触情况，在加热区域装置应该有可视的观察窗口。7）完成热电偶测温后电势与温度的转换工作。最后根据要求设计装置，将装置装配图和零件图绘制好。二、 设计所要完成的技术文件1.用AutoCAD绘制装配图和零件图。2.对装置的个别零部件进行强度校核。三、 本课题需要解决的问题热电偶丝的上下移动和被加热基
9、体的固定。1 高频感应钎焊加热1.1高频感应加热的了解在众多的加热方法中，由于在对金属进行感应式的加热(非接触性的)时，具有能对金属极快的加热，有省电、体积小、安装方便、操作方便、安全可靠、加热速度快等的优点。高频感应钎焊加热逐渐脱颖而出，越来越受到人们的广泛应用和青睐。高频加热主要适合于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别适用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的焊接。加热过程是将装配好钎料的工件进行加热焊接，这其中还需要用还原性气体或惰性气体保护，以使加热比较均匀和防止金属表面被氧化。高频加热可用于机械零件淬火、退火、焊接、回火。如：硬质合金刀具、
10、金刚石刀具、钎头、刃具、钻具焊接，钻花轧制；钳子、剪刀、菜刀、斧头等淬火；粉末冶金烧结、金属熔炼等。1.1.1高频钎焊加热的方法利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：（1）电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热）电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。我们日常所用的微波炉就是利用这个原理。当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。（2）应加热：利用高频电流钎焊常用的工艺方法较多，主要是按使用的设备和工作原理区分的。如按热源区分则有红外、电子束、激光、等离子、辉
11、光放电钎焊等；按工作过程分有接触反应钎焊和扩散钎焊等。接触反应钎焊是利用钎料与母材反应生成液相填充接头间隙。扩散钎焊是增加保温扩散时间，使焊缝与母材充分均匀化，从而获得与母材性能相同的接头。1.1.2感应加热的发展感应加热是有着悠久的历史的。早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。长期以来技术人员都对这一现象有较好了解，并且在各种场合想尽办法来抑止这种发热现象，来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在19世纪末期，技术人员又发现这一现象有利的一面，就是利用这种热源可进行有目
12、的的加热、熔炼、淬火、焊接、热处理等，来代替传统的加工方法。所以直到19世纪末才开始开发和随之出现了各种形式的感应加热设备用于各行各业中。感应加热的原理的理论基础来源于1831年法拉第提出的电磁感应原理。电磁感应的内容为当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。而感应加热则是用交流电流向电磁感应线圈，由此产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属体，在与磁束自缴的方向产生涡电流（旋转电流），于是感应电流在涡电流的影响下产生发热。基于这一原理，感应加热具有了以下优点：(1)非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触(2)加热效率高，速度快，可以减小表
13、面氧化现(3)容易控制温度，提高加工精度(4)可实现局部加热（5）可实现自动化控制（6）可减小占地，热辐射，噪声和灰尘。由于感应加热具有以上的优点，大量的工程技术人员对此进行了研究，1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉开槽式有芯炉，1916年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。在20世纪30年代产生了工频炉，随后高频电源、倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。而后，20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大的促进了感应加热技术的发展。1957年，美国
14、研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始。同时，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。80年代后，电力电子器件再次飞速发展，GTO，MOSFET，IGBT，MCT，SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000KW，频率超过50K。而MOSFET较合适高频场合，通常在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500K以上，
15、甚至几M。然而国外也有推出采用MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000KW/400KHz的装置。国内的电力电子技术起步比较完，所以感应加热技术也落后于国外很多。但是由于市场前景广阔，所以研制的感应加热的技术人员逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的为浙江大学，但是离国外先进技术还有相当距离。感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域。1.1.3感应加热原理感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流,达到加热的效果(即集肤效应)。当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流，从
16、而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，使加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。感应加热设备选用的主要技术指标有两个:输出功率和振荡频率. 频率越高, 加热深度越浅, 频率越低, 透热性越好; 因此, 应根据实际应用,选择合适输出频率的感应加热设备, 以达到最佳的加热效果. 功率影响加热速度, 按需加热工件的重量和加热温度及加热速度的要求, 选择功率的大小。感应加热的原理图如图（1-1）所示： 如下图，当感应线圈上通以交变
17、的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势e。根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为： (1)式中N是线圈匝数，假如磁通是按正统规律变化的，则有： (2)那么可得到感应电动势： (3)因此感应电动势的有效值： (4)式中，m磁通的幅值，f为频率。图1-1感应加热的原理图 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应
18、加热却是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件中产生感应电流(涡流)i，使工件加热。其焦耳热为： Q=0.24I2Rt (5) 式中，Q：电流通过电阻产生的热量(J)；I：电流有效值(A)； R：工件的等效电阻(W)； t：工件通电的时间(S)。 由式(4)可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。1.1.4电流透入深度与集肤效益
19、透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度内。透入深度可用下式来表示： （6）式中：为材料电阻率（m）；表示磁导率（H/m）；f表示电流频率（Hz）。分析一下式(6)，当材料的电阻率，相对磁导率 确定以后，透入深度仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如
20、淬火、热处理等。1.1.5高频感应钎焊的优点钎焊超硬磨料工具有着很好的应用前景，可带来巨大的社会效益和经济效益。具有以下特点：磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长；磨粒的出露高度大（可达磨粒高度的70%80%），容屑空间大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；磨削力、功率消耗和磨削温度更低；具有环保意义，符合当今倡导的绿色制造发展趋势。高频加热还具有以下优点：对特定部分，急速加热，以节省材料费和加工费；缩短工作时间，可以使用自动化操作；能得到很浅的渗透度，可以精密处理；可以做到局部加热；能得到良好的渗透效果；效率高相对节省电力；高频表面热处理制品的表层很均匀
21、。最主要的是金属在感应加热方式下，热量的密度高，没有火焰所以没有火灾、火伤等安全隐患。随意瞬间加热或停止使用自动化很方便，几乎没有设备的维修和易损零件。1.1.6感应加热应用场合感应加热可以用于多种场合，主要有：（1） 冶金：有色金属的冶炼，金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等型材生产的偷热；焊管生产的焊缝。（2） 机械制造：各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热。压力加工前的透热。（3） 轻工：罐头以及其它包装的封口，比如著名的利乐砖的封口包装。（4） 电子：电子管真空除气的加热被加热物质，有诸条件要求，但只要是金属就可以加热。所谓的诸条件，主要是加热频率数，高频输出
22、。通常大的被加热物体使用低频率，小的物体使用高频率。根据被加热物体的质量/处理时间，温度，来决定高频的输出。1.2高频感应钎焊1.21钎焊的定义钎焊属于固相连接，他与熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化，采用比母材熔化温度低的钎料，加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散和在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接。钎焊变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如蜂窝结构板、透平叶片、硬质合金刀具和印刷电路板等。钎焊前对工件必须进行细致加工和严
23、格清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。间隙一般要求在 0.010.1毫米之间。1.22钎焊的分类根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于450称为软钎焊，高于450称为硬钎焊。软钎焊 多用于电子和食品工业中导电、气密和水密器件的焊接。以锡铅合金作为钎料的锡焊最为常用。软钎料一般需要用钎剂,以清除氧化膜,改善钎料的润湿性能。钎剂种类很多，电子工业中多用松香酒精溶液软钎焊。这种钎剂焊后的残渣对工件无腐蚀作用，称为无腐蚀性钎剂。焊接铜、铁等材料时用的钎剂，由氯化锌、氯化铵和凡士林等组成。焊铝时需要用氟化物和氟硼酸盐作为钎剂，还有用盐酸加氯化锌等作为钎剂的。这些钎剂焊后的残
24、渣有腐蚀作用，称为腐蚀性钎剂，焊后必须清洗干净。 硬钎焊 接头强度高，有的可在高温下工作。硬钎焊的钎料种类繁多，以铝、银、铜、锰和镍为基的钎料应用最广。铝基钎料常用于铝制品钎焊。银基、铜基钎料常用于铜、铁零件的钎焊。锰基和镍基钎料多用来焊接在高温下工作的不锈钢、耐热钢和高温合金等零件。焊接铍、钛、锆等难熔金属、石墨和陶瓷等材料则常用钯基、锆基和钛基等钎料。选用钎料时要考虑母材的特点和对接头性能的要求。硬钎焊钎剂通常由碱金属和重金属的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸盐等组成，可制成粉状、糊状和液状。在有些钎料中还加入锂、硼和磷，以增强其去除氧化膜和润湿的能力。焊后钎剂残渣用温水、柠檬酸或草酸
25、清洗干净。2 温度测量系统的选择2.1温度测量方法温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。华氏温标规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度。摄氏温度()规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为。热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K
26、。国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的1968年国际实用温标-1975年修订版，记为：IPTS-68(Rev-75)。但由于IPTS-68温示存在一定的不足，国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90，ITS-90温标替代IPTS-68。我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。2.1.1测温方法的选择各种测温方法大都是利用物体的某些物理化学性质（如物体的膨胀率、包阻率、热电势、辐射强度和颜色等）与温度具有定关系的原理。测
27、温方法可为接触式与非接触式两大类。用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。当用光学高温计、辐射高温汁、红外探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要定时间，因而会产生测温的滞后现象。此外，感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀。非接触式测温是通过热辐射来测量温度的，感温速度一般比较快，多用于测量高温， 但由于受物体的发射率、热辐射传递空间的距离、烟尘和水蒸气的影响，故测量误差较大。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。由
28、于高频感应加热温度上升的很快，为了能迅速准确的测量出温度，在该装置中我们采用了热电偶测温。2.2 热电偶测温方法2.2.1 热电偶的测温原理将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接电点1 和2的温度不同时，如果T1T0 ，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端(或工作端热端)。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。 热
29、电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。 导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势EAB(t)，其大小为式中k玻耳兹曼常数，k=1.381
30、0-23J/K；e电子电荷量，e1.610-19 C；T接触处的温度；NAt，NBt分别为导体A和B的自由电子密度。 因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势EA(t,t0)。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温端（T）电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获得电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为 式中NAt为导体A在温度为t时的电子密度；dt为微元导体中的微温差元。对于同一根匀质导体，各处的温度相同，则温差电动势为零。导体A和B
31、组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势EAB(t)与EAB(t0)，又因为TT0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(t,t0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。2.2.2热电偶特性热电温度计以热电偶作为测温元件测得与温度相应的热电动势由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200-1300范围内的温度，特殊情况下，可测至2800的高温或4K的低温。它具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。由于热电偶将温度
32、转化成电量进行检测，使温度的测量、控制以及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。热电偶是热电温度计的敏感元件，是由两种不同材料的金属导体组成。两种导体的一端焊接在一起作为测量端与被测介质充分接触，另一端作为参考端与温度仪表相连接。热电偶的测温原理是基于塞贝克效应，即：如果两种不同成分的均匀导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就有电流通过，那么两端之间就存在电动势，也叫塞贝克电动势，其值大小只与组成热电偶的金属材料的性质，两端温差的大小有关，而与热电偶两热电极的几何尺寸（长度，直径）及沿电极长度方向的温度分布无关。热电偶的
33、结构简单，性能稳定，测温范围宽，测温精度高，使用方便，广泛应用于机械工业生产，科研等方面的热处理中的测温与温控程序。正确选择和安装热电偶，是合理使用热电偶的前提，不但可以准确的得到温度数值，保证产品质量，而且还可以节省热电偶材料的消耗。热电偶的选择，首先应根据被侧温度的上限和使用环境来选择热电偶的热电极和保护套管，其次根据被测对象的结构和安装特点来选择热电偶的规格尺寸。2.2.3常用热电偶常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级
34、上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。根据组成热电偶的材料及结构的不同，可将热电偶分成许多类。热电偶按结构形式不同可分为：普通工业型，恺装型，高性能实体型和特种型热电偶。常用的普通工业热电偶有以下几种：1）铂锗10-铂热电偶属于贵金属热电偶，其正极的名义成分为锗10%的铂锗合金（SP），负极为纯铂（SN）。长期使用温度1300，短期使用温度1600，物理、化学性能稳定，抗氧化性能强，宜在氧化、惰性环境中连续使用。一般用于准确度要求高的高温测量，但价格昂贵，机械强度差，热电动势小，需配用灵敏度高的显示仪表，分度号为S。2）镍铬-镍硅热电偶属于廉金属热电偶，其正
35、极为含10%的镍铬合金（KP），负极为含硅3%的镍硅合金(KN)，负极亲磁性。长期使用温度1000，短期使用温度1200，热电势比S型热电偶大4-5倍，线性度极好，使用温度范围宽，是廉金属热电偶中性能最稳定的一种，一再氧化性，惰性环境中连续使用，价格便宜，误差约在7左右，但其热电极不易做得太均匀，易氧化，尤其在低温状态，其稳定性差，分度号为K。3）镍铬-康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为镍铬合金，负极为铜镍合金。长期使用温度600，短期使用温度800，最大的特点是热电势率最大，即灵敏度最高，但极易被氧化，分度号E.4）铜-康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为纯铜（TP），负极为康铜（铜镍）合
36、金(TN)。是在低温状态普遍使用的热电偶，测温范围-200300，热电极丝的均匀性好，稳定性高，灵敏度好，价格低廉，分度号为T。恺装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中，经组合加工成可弯曲的坚实的组合体，再依所需长度截断，对其测量端和参考端进行加工即制成恺装型热电偶，改种热电偶可以做得很细很长，在使用中可随测量需要而弯曲。其测温范围宽，响应速度快，热接点处的热容量小，使用寿命长。同时其机械强度高，耐压性能高，适应性广，挠性大，安装使用方便，应用及其广泛。2.2.4热电偶回路基本定律为了能正确选择和使用热电偶必须了解其应用定律。1）热电偶回路的热电动势仅与热电偶的热电性质及两端温度有关
37、，与热电偶的几何尺寸（粗细、长短）无关。由于这一结论，使用中，烧断的热电偶可重新焊接，并经校验合格后，再用于测温。2）由同一种匀质（电子浓度处处相同）的导体或半导体组成的闭合回路，不论其长度和截面如何，也不论其各处的温度分布如何，热电偶回路的总电动势为零。因此，热电偶必须采用两种不同的材料作为电极。根据这一结论，还可以用来校验电极材料是否匀质材料。3）如果热电偶两结点的温度相同，即t=t0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路的总电动势为零。4）在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体两端的温度相同，第三种导体的引入不会影响热电偶的热电动势。这个规律称中间导体定律。根据这一定律，可
38、以将第三导线换成测试仪表或连接导线，只要保持两接点温度相同，就可以对热电动势进行测量而不影响原电动势的数值。5）利用中间导体定律还可以得到标准电极定律。当结点温度为t、t0时，用导体A、B组成的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。2.2.5热电偶冷端温度补偿-补偿电桥法基本原理是利用不平衡电桥所产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电动势变化值，图2-1 具有补偿电桥的热电偶测温线路补偿电桥由电阻R1、R2、R3（锰铜电阻）、RCu（铜电阻）组成，并由稳压电源供电。不平衡电桥串接在热电偶的测量回路中。热电偶的冷端与电桥电阻RCu感受相同的温度。通常取室温20时使电桥平
39、衡，即使R1=R2=R3 =R20Cu，此时对角线a、b两点电位相等，电桥对仪表的读数无影响。当环境温度变化时，RCu变化，平衡被破坏，电桥将产生一不平衡电压Uab以补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，从而使仪表指示出正确值。由于电桥是在20时平衡，所以采用这种补偿电桥需把仪表的机械零件调整到20。根据补偿电桥法的原理，已为各种型号的热电偶配套生产了热电偶冷端温度补偿器，供用户选择使用。有一些测量仪表内部已含有冷端补偿电路，对该类测量仪表不必配用冷端补偿器。2.3 高频感应钎焊热电偶测温方法2.3.1热电偶测温方式在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以
40、上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中，机床作功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损，引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量非常重要。测量切削温度时，既可测定切削区域的平均温度，也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。 根据不同的测量原理和用途，热电偶法又可细分为以下几种：1）自然热电偶法 自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。采用
41、自然热电偶法的测温装置如图2-2所示。它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成闭合电路测量切削温度。刀具引出端用导线接入毫伏计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引出端应处于室温下，且刀具和工件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可在标定曲线上查出对应的温度值。采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切
42、削条件(如切削速度、进给量等)对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或(和)工件材料变换后，切削温度毫伏值曲线也必须重新标定。 图2-2自然热电偶法测量切削温度示意图2）人工热电偶法 人工热电偶法(也称热电偶插入法)可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，并可测得温度分布场和最高温度的位置。人工热电偶法测温装置如图2-3所示。在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好，通常0.5mm)，孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参
43、照热电偶标定曲线得出被测点的温度。 人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶材料可灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶传感质量。但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、PCD等)内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。3）半人工热电偶法 将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。半人工热电偶是将一根热电敏感材料金属丝(如康铜)焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同(见图2-4)。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接
44、，不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。 图2-3 人工热电偶法测量切削温度示意图 图2-4 半人工热电偶法测量切削温度示意图 2.3.2 本课题的测温方法根据高频感应钎焊金刚石测温装置对测温的要求，要求测温精确且焊接过程中钎料液化。如果选用标准热电偶，如镍铬镍硅丝，则需要把两根偶丝端部焊接到一起来测量工件表面的温度。焊接部位有一定尺寸，不能实现对工件表面温度的准确测量，这就对偶丝的端部连接提出了很高的要求，往往会对测温精度造成影响。如下图2-5左图所示：图2-5 热电偶测温方法比较图结合上面对于加工中热电偶测温方法的应用，我们知道半人工工热电偶测温方法即可以实现温度的准确测量，同时又不需要考虑绝缘问题，比较适用于本课题的温度测量。半人工热电偶法，即以一根热电偶丝焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。对于本课题测温装置，我们用基体块（45钢）作为一极偶丝，另外引一根镍铬丝作为偶丝的另一极，进行温度的测量，如2-5右图所示。但是，半人工热电偶是一个非标准的热电偶，其测温不能直接根据分度表查到。为解决这一问题
