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熱電対の溶接について

熱電対の接点を溶接する

熱電対(ねつでんつい) とは

熱電対を測定対象に溶接する

熱電対の原理図

 2種類の金属線接続し、一方の接続点を熱すると電位差が生じて金属線に電気が流れます。発生する電圧を計測することで温度がわかります。

鋼に熱電対を溶接
測定対象に溶接する場合はこちら

   

熱電対の接点をつくる

熱電対接点の作り方

【 より線 】 単にねじり合わせただけですが、某半導体メーカでも実際にパッケージの温度測定に使用しています。
機械的な安定性が心配されます。

【ガス溶接】 俗に玉作り溶接と言われているアルゴンガス雰囲気で使用するアーク溶接機です。
溶接部が玉状になるため外見も溶接具合も良いのですが、ガスを必要とする専用の溶接機が必要です。

【スポット溶接】 熱電対を電極ではさみ一瞬で溶接します。短時間で、接点を作成できます。
Yokodai.JPの溶接はこれに当たります。

※Yokodai.JPでは線径0.65〜0..002mmまでの熱電対を溶接できることを確認しています。 詳しくは、こちら

アルメル・クロメル熱電対

白金・白金ロジウム熱電対

 K熱電対の溶接
写真クリックでビデオ再生(別ウィンドウ)

 (註)撮影のため、スプラッシュを発生させています。

 

白金熱電対
<写真クリックで拡大>
【試験片】 白金・白金ロジウム 0.2mmステム部
       白金・白金ロジウム 0.05mm中央部
【使用機】 HSW-02
AHSW-PC1(パワーコントローラ)
HSW-TC1(熱電対用ピンセット電極) 目視にて

アルメル・クロメル熱電対

銅・コンスタンタン熱電対

K熱電対0.1mmと0.025mm


【試験片】  0.1mm と 0.025mm
【使用機】 HSW-02A + HSW-PC1(パワーコントローラ)
     HSW-TC1(熱電対用ピンセット電極) 目視にて

   K型熱電対接点の溶接
【試験片】 K熱電対 0.3mm  <目視にて平行に溶接>
【使用機】 HSW-02A HSW-TC1(熱電対用ピンセット)


K型熱電対の接点クロス溶接

【試験片】 K熱電対 0.3mm <目視にて溶接>
【使用機】 HSW-01A  HSW-EB1(棒状電極)
 HSW-PC1(パワーコントローラ)使用

T型熱電対の接点パラレル溶接

【試験片】 銅・コンスタンタン 0.65mm(芯線径)
<目視にて平行に溶接>
【使用機】 HSW-03 HSW-W2(ピンセット電極)

     T型熱電対のクロス溶接

【試験片】 銅・コンスタンタン 0.1mm(芯線径) 
<目視にてクロスさせ溶接>
【使用機】 HSW-01AHSW-PC1(パワーコントローラ)
HSW-EB1(棒状電極)


熱電対の溶接に用いる電極

棒状電極
溶接ピンセット電極
熱電対用溶接ピンセット電極

@ 棒状電極と溶接ペン

A 溶接ピンセット

B 熱電対溶接ピンセット

EB1電極を用いた熱電対の溶接
ピンセット電極を用いた熱電対の溶接
熱電対用溶接ピンセット電極で溶接
棒状電極を用いる
棒状電極+が上
棒状電極上に、熱電対を置き、溶接ペン先端の腹で押さえて溶接します。0.3mm以上の熱電対に適しています。
溶接ピンセットを用いる
溶接ピンセット
溶接ピンセットで熱電対を挟みます。0.3mm以上の熱電対に適しています。
※先端寸法図(参考値)
溶接ピンセットを用いる
溶接ピンセット
熱電対用溶接ピンセットで熱電対を挟みます。0.3mm以下の熱電対に最適。
 【電極の選択】 @Aは一般的な電極、Bは裸眼目視の場合、Cは顕微鏡下での作業に適します
 

簡単に作れる!熱電対の溶接に用いる治具

(1) 熱電対先端部を平行にして溶接する時の治具(詳細はこちら
  ・焼き鳥の串のような、竹串の先端に割りをいれて、熱電対を挟み込み平行状態に保持し、
   HSW-TC1(熱電対ピンセット電極)で上下に挟んで溶接します。
(2) 素線径 0.025mm を保持する治具
  ・ボール紙小片に、素線をクロスさせて状態で、片持ち状態でテープ固定します。
  ・ボール紙を指で押して湾曲させると、クロスした部分が紙から離れますので
  ・HSW-TC1(熱電対ピンセット)でクロス部分を挟み溶接します。
 

C 平板電極 (HSW-FB2) と 精密溶接電極 (PSW-T1)

     スポット溶接機用平板電極    スポット溶接機用精密電極
熱電対25μ顕微鏡写真   TC25μ写真   TC25μ写真

(Step1) 平板電極上に、熱電対の組線を、クロスさせた状態にしてテープで固定します。

棒状電極を用いる
棒状電極+が上

(Step2) 2倍程度の実体顕微鏡ステージに平板電極を置きます。

 

(Step3) 精密溶接電極で、交点部分を押さえて溶接します。20μmまで対応

 

熱電対溶接時の電極選択ガイド

@ HSW-EB1・・汎用性の高い電極です。溶接ペンと併用し、下敷きとして使います。
          放熱効果が大きいため、溶けやすい金属に当てる電極として使用すると効果的です。
          もう一方の電極は、溶接スティック(PSW-P2)、溶接ペン(HSW-P1N)、精密溶接電極(PSW-T1)
A HSW-W2・・・比較的太目の線材(0.3mm以上)で使用します。上下から線材を挟んで溶接します。
B HSW-TC1・・0.1mm以下の細線の溶接に最適です。ピンセットのように対象を挟んで溶接します。
C PSW-T1, HSW-FB2 ・・・顕微鏡下の溶接に最適 (PSW-T1の大電流対応版PSW-TPN もあります)

熱電対溶接時の機種選択ガイド

@ HSW-01A ・・・パワーコントローラを併用することによって電圧を調整することが可能になります。
A HSW-02A ・・・パルス幅調整可能なため単体で広範囲に使用可能。パワーコントローラを併用することに
           よって、0.1mm以下の細線の溶接時に調整が楽にできるようになります。
B HSW-03 ・・・・電圧・パルス幅ともに調節可能です。またLCDで設定値が読めるため操作性も向上します。

 

2本の熱電対素線を平行させた状態の接点を作る方法

  熱電対接点部の拡大表示

   熱電対接点を平行に保ち溶接熱電対接点を平行に保ち溶接する
 素線を平行させた状態で溶接すると強度も上がり、測定対象へも溶接しやすくなります。素線径が0.3mm以上ならば、指先で押さえながら溶接することもできますが,右のように簡単な治具を作ると便利です。    竹串に割りを入れたところに熱電対素線を挟み、熱電対ピンセット電極を使用して溶接します。 溶接箇所を増やせば強度も上がります。測定対象に溶接する場合も、溶接しやすく熱抵抗も下がります。
     

熱電対の種類と物性

【概要】 熱電対(thermocouple)には、使用温度範囲によって異なる種類の金属の組み合わせが用いられます。よく使用される組み合わせとして、K型と呼ばれるクロメル・アルメル(共にニッケル合金)、T型と呼ばれる銅・コンスタンタン(コンスタンタンは銅とニッケルの合金)や、精度が高く、高温にも耐える白金・白金ロジウム熱電対などがあります。

K型 熱電対の物理的性質

T型 熱電対の物理的性質

アルメル

【 組 成 】 Ni94%, Al2%, M2%, Fe, Si等の合金
【 融 点 】 1315-1390 ℃
【電気抵抗】 29-33 μΩ・cm
【 比 熱 】 

クロメル

【 組 成 】 Ni 80%,Cr20%
【 融 点 】 1420 ℃
【電気抵抗】 70-110 μΩ・cm
【 比 熱 】 0.106 kcal/s・℃
【熱伝導率】 19 W m-1 K-1

(参考文献:理科年表ほか)

コンスタンタン

【 組 成 】 銅 Cu 55%,Ni45% からなる合金
【 融 点 】 1225-1300 ℃
【電気抵抗】 500 nΩ·m(20℃) 490nΩ·m(0℃)
【 比 熱 】 0.41 kJ/(kg·K)  0.098 kcal/s・℃
【熱伝導率】 19.5 W m-1 K-1(23℃)    

  銅
【 組 成 】 銅 Cu
【 融 点 】 1084.62 ℃  
【電気抵抗】 16.78 nΩ·m (20℃) 15.5 nΩ·m(0℃)
【 比 熱 】 0.379 kJ/kg・K  0.0915kcal/s・℃
【熱伝導率】 401 W·m-1·K-1 (300 K)

K型 熱電対の溶接時の留意事項

T型 熱電対の溶接時の留意事項

K 型 熱電対
融点に注目すると、クロメルの融点はアルメルより高いが、電気抵抗もアルメルより高く発熱しやいなど、アルメルとクロメルは溶接時の温度上昇要因にT型ほど大きな差がないことが解ります。

 

 

 

T 型 熱電対
融点に注目すると、銅の方がコンスタンタンより溶けやすいのですが、銅は電気抵抗がコンスタンタンより1桁以上小さいためスポット溶接時の電流による発熱が少ないのです。その結果、銅はコンスタンタンより溶けにくいということになります。 
そこで熱電対の銅素線に接する電極の極性を(+)としそこでの発熱量を大きくします。また、コンスタンタン側では、電極との間の熱抵抗を下げ(電極の熱容量を大きく、接触面積も大きく)、ペルチェ効果による吸熱側となるよう電極の極性を(−)側とします。
   
   

熱電対の物性と ペルチェ効果の積極的利用

 銅は、電気抵抗が低く溶接するために電流を流しても発熱が少ないためスポット溶接しづらい金属です。また、電気抵抗が低い金属は熱伝導率が高いため、せっかく発熱させても熱は急速に逃げるため、溶接したい部分の温度が上がりにくいのです。従って、銅素線側の温度を充分高くするため、次の二点に配慮することが重要です。一つ目は電極形状で、銅素線に接する電極の面積を許す限り小さくして熱が電極へ逃げるのを妨ぐことです。二つ目はペルチェ効果で、直流スポット溶接機の特性を生かして温度を上げにくい銅線に接する電極側をペルチェ効果の発熱側とすることです。

 反対に@コンスタンタン側に接触させる電極の放熱効率を上げ、Aコンスタンタンと電極との間で発生する熱量を下げるよう配慮することもです。具体的に@は、熱伝導率が大きく熱容量も大きな電極を用いること、Aはペルチェ効果を考慮してコンスタンタン側の電極が吸熱になるようスポット溶接機の青ケーブル(−)側を接続することです。また、0.3mm以下の太さでは、溶接を2回に分け1回目は電圧を低めに設定し、2回目でコンスタンタンが溶断しない範囲で高めに設定する方法もあります。1回目の溶接で電気的に接続されるため、強度を上げるための2回目の溶接で、スプラッシュが発生しにくくなり、溶断する確率も低下します。

 発熱・吸熱について不明な金属においては、極性を反転してどちらが良いかをみてください。
※電極極性のほか、電極の放熱に配慮して電極形状を決定することも重要です。

熱電対の接点をスポット溶接する場合の溶接可否一覧

 熱電対を測定対象となる金属に溶接する場合は 「熱電対を測定対象に溶接する」をご覧ください。
心線径mm
使用電極

アルメル・クロメル
T
銅・コンスタンタン
E クロメル・
コンスタンタン
R
白金・ロジウム
0.65 mm

E W
×
W
   
0.5mm      
T ,T1
0.32 mm

E W T

W T
   
0.2mm    
T ,T1
 
0.1 mm

T

T
   
0.1と 0.025
---
---
   
0.025 mm
---
---
   
使用電極

T 熱電対専用ピンセット電極 (HSW-TC1)
W 溶接ピンセット電極 (HSW-W2)
E 棒状電極 (HSW-EB1)と溶接ペン (HSW-P1x)

パワーコントローラ (HSW-PC1) は必須です。
0.1mm以下はパルス幅が調整不可のため困難。

 ・記号が複数ある場合どちらも可能を意味します。
 ・溶接ペンは溶接機本体に標準装備しています。
 ・フットスイッチはオプションです。

 

溶接可能熱電対 H S W - 0 2A スポット溶接機

心線径mm
使用電極

アルメル・クロメル
T
銅・コンスタンタ
E クロメル・
コンスタンタン
R
白金・ロジウム
0.65 mm
◎○
E W
○△
W※2
   
0.5mm      
T ,T1
0.32 mm

E W T

W T
 
T ,T1
0.2mm
T ,T1

T ,T1

T ,T1
 
0.1 mm

T ,T1

T ,T1
   
0.1と 0.025

T, T1

T ,T1
   
0.025 mm

T1 ※ ※2

T1 ※ ※2
   

使用電極

T 熱電対用溶接ピンセット電極(HSW-TC1)
W 溶接ピンセット電極 (HSW-W2)
E 棒状電極 (HSW-EB1) 溶接ペン (HSW-P1x )

T1 顕微鏡下の作業は、平板電極(HSW-FB2)
  精密溶接電極 (PSW-T1) の使用を推奨。

※ パワーコントローラ (HSW-PC1)を 併用
※2 HSW-03の使用をお勧めします。

 ・記号が複数ある場合どちらも可能を意味します。
 ・溶接ペンは溶接機本体に標準装備しています。
 ・フットスイッチはオプションです。

 

 

溶接可能熱電対 H S W - 0 3 スポット溶接機

心線径mm
使用電極

アルメル・クロメル
T
銅・コンスタンタ
E クロメル・
コンスタンタン
R
白金・ロジウム
0.65 mm

E W

W
   
0.5mm      
T ,T1
0.32 mm

E W T

W T
 
T ,T1
0.2mm
T ,T1

T ,T1

T
 
0.1 mm

T ,T1

T ,T1
   
0.1と 0.025

T, T1

T ,T1
   
0.025 mm

T1

T1
   

使用電極

 T 熱電対用溶接ピンセット電極(HSW-TC1)
 W 溶接ピンセット電極 (HSW-W2)
 E 棒状電極 (HSW-EB1)溶接ペン
(HSW-P1x)

 T1 顕微鏡下の作業は平板電極 (HSW-FB2)
   精密溶接電極 (PSW-T1) の使用を推奨。

 ・記号が複数ある場合どちらも可能を意味します。
 溶接ペンは溶接機本体に標準装備しています。
 ・フットスイッチも標準装備しています。
 ・設定値は、LCDパネルにて直読可能です。

***** 熱電対用スポット溶接機 推奨セット *****

HWE-TC1

***** 熱電対用推奨セット *****

01TC

HSW-01A熱電対セット

02TC

HSW-02A熱電対セット
 

 熱電対専用 ピンセット電極(HSW-TC1)を使用すると、直径0.025mmでも、肉眼で目視確認しながら、熱電対を溶接することができます。

溶接電圧を調節する必要がありますので、HSW-01A及びHSW-02A型機ではパワーコントローラ(HSW-PC1)を併用してください。  HSW-02A型機はパルス幅も調整が出来るので,HSW-01Aより格段に溶接しやすくなります。

HSW-03溶接機は、標準で電圧調整機能も装備していますので、パワーコントローラ(HSW-PC1)は不要です。

 

TCピンセット動画アイコン
TCピンセットを使用して熱電対を溶接する様子を動画でご覧ください。

Windows標準のMediaPlayerで再生できます
顕微鏡
熱電対の溶接は肉眼で行いましたが、
状態確認と写真撮影には顕微鏡を用いました
 HSW-03型機では、溶接電流パルス幅に加えて溶接電圧も調節可能なため、HSW-02A型機で必要だったパワーコントローラも不要です。さらにLCDパネルに値が表示されるため、HSW-02Aよりも、最適値の再現性が高くなります。また、フットスイッチが付属し、HSW-02Aの2倍の溶接容量を有するため、厚手の金属材料の溶接など幅広く利用可能です。