CN101356660B - 线在沟道内超导体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造铜包铝沟道超导导体的方法，所述方法包括：从包括具有至少一层外部金属包层(32)的金属或合金芯(30)的导电线来制造金属沟道(40)，并且在其表面中具有纵向延伸的凹槽(42)；并且将线(12)焊接(18)到所述凹槽中，所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料(14)。
Description
技术领域
本发明涉及一种在诸如通常见于磁共振成像机、粒子加速器等中的超导磁体中所使用的类型的线在沟道内型超导导体以及这种线在沟道内型超导导体的生产方法。
背景技术
在线在沟道内超导导体(wire-in-channel superconductive donductor)中，超导线被焊入具有相应尺寸的通常导电的沟道中。图1是常规的线在沟道内超导体10的示意图。超导线12典型地在通常导电的基体材料(matrix material)16(例如铜)中包括超导材料(例如NbTi)的多个丝14。这种超导线12被焊接18到导电沟道20中的相应凹槽内。沟道20典型地是铜，并且典型地具有近似矩形的截面。沟道20外表面可以例如利用适当的焊料被涂锡。
这种线在沟道内超导导体已被认为在获得长的连续长度以及提供适用于持久磁体的超导导体方面是有效的。这种类型的线在沟道内超导导体典型地通过聚酯编织物24绝缘。
已知的铜沟道线在沟道内超导导体10被设计用于为了稳定性而提供高的铜-超导体比，而无需对具有超导体的全部铜进行处理。因此，相比于需要处理具有超导体的全部铜的生产方法，生产成本显著被降低。
由于在许多应用中大量材料被用于导电沟道，期望降低沟道20的重量并且也使其更柔韧而便于磁体制造。铝是常用的铜的极好的替代材料，成本更低，柔韧性更好并且重量更轻；但是，采用铝作为铜的直接替代品存在许多制造困难，例如焊料结合的质量、焊接温度和助熔剂的兼容性以及所制成的线在沟道内导体的柔韧性。因此，铝还没有被用作通常用于在图1中所示的沟道20的铜材料的直接替代品。
日本专利申请JP04071112A描述了一种布置，其中形成铝沟道20，并且至少凹槽22的内部通过诸如电镀、浸渍或气相沉积的工艺来以铜涂覆。然后超导线被焊接18到凹槽22内的铜涂层上，然后所得的复合材料遭受拉拔(drawing)工艺。
发明内容
本发明提供可替代的并改进的方法，用来生产铜包铝导电沟道以及利用该沟道在铜包铝沟道导体中的超导线。
本发明还提供线在沟道内超导导体，其中导电沟道由具有至少一层金属包层的导电金属或合金芯制成，其中所述至少一层金属包层包括高强度合金层以及外部铜层。
相应地，本发明提供如在后文中所陈述的沟道导体和沟道导体的制造方法。
根据本发明的一种用于制造铜包铝沟道超导导体的方法，所述方法包括：从包括具有至少一层外部金属包层的金属或合金芯的导电线来制造金属沟道，并且所述沟道在所述金属或合金芯的表面中具有纵向延伸的凹槽；并且将包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的线焊接到所述凹槽中，其中所述金属或合金芯包括铝，且所述至少一层外部金属包层包括铜层。
在所述的方法中，优选地，所述至少一层包层包括：高强度合金层；以及外部铜层。在形成沟道导体时，与线和沟道一起包括另一伸长的部件用以在机械方面强化沟道导体。在焊接操作之前、期间或之后，该另一伸长的部件以线性或螺旋形方式被合并。所述线包含在通常导体的基体材料中在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的多个丝。所述基体材料包括铜。所述的方法可进一步包括步骤：在将线焊接到凹槽中之前至少在凹槽中或附近至少部分地对金属沟道的外部铜层涂锡。在将线焊接结合到沟道中之前、期间或之后，另一伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。该另一伸长的部件被处理用以接受焊料。
根据本发明的一种沟道导体，包括：在其表面中具有纵向延伸的凹槽的金属沟道，以及被焊接到所述凹槽中的线；其中所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料；以及所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯制成，其中所述金属包层包括：高强度合金层；以及外部铜层。
对于所述的沟道导体，优选的是，所述导电金属或合金芯包括铝。所述线包括在通常导电的基体材料中在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的多个丝。所述基体材料包括铜。金属沟道的外部铜层至少在凹槽中或附近至少部分地被涂锡。另一伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。
根据本发明的又一种沟道导体，包括：在其表面中具有纵向延伸的凹槽的金属沟道，以及被焊接到所述凹槽中的线；其中所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料；以及所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯制成，其中所述金属包层包括外部铜层；并且其中与线和沟道一起包括一第二伸长的部件，用以在机械方面强化沟道导体。
对于该沟道导体，优选的是，一第三伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。
附图说明
通过结合附图考虑本发明特定实施例的以下描述，本发明的上述以及其他目的、特征以及优点将变得更清楚，其中：
图1示出现有技术的线在沟道内超导导体的截面图；
图2A示出在本发明方法中有用的铜包铝线的截面图；
图2B示出根据本发明一方面由图2A的铜包铝线形成的铜包铝沟道导体的截面图；
图3示出本发明的线在沟道内超导导体的截面图。
具体实施方式
根据本发明，在生产铜包铝(copper clad alumimum)沟道中的超导线中所采用的铜包铝导电沟道由如在图2A中所示的涂覆有冶金结合铜层32的铝线30制成。
胜于形成铝沟道部分，所述铝沟道部分然后通过诸如电镀、浸渍或气相沉积的工艺至少部分地用铜涂覆，本发明提供一种节省成本的且有效的方法，用于利用如在图2A的截面图中所示的商业上可获得的铜包铝线来生产适用于产生复合线在沟道内超导导体的铜包铝沟道部分。在圆形截面的情况下按截面面积具有10％或15％铜的铜包铝线在商业上可获得。
商业上可获得的电工级(electrical grade)铜包铝线的成本在每单位长度的价格方面低于固体铜。因为铝的重量更轻而在重量方面更轻。10％铜包铝线的长度是包括相同重量铜的类似线的2.8倍。
通过采用这种复合线来替代固体铜(例如在常规线在沟道内超导体中用于沟道20的固体铜)，降低了制造成本，降低了最终导体的重量并且生产工艺不需改变。
通过采用这种复合线，可以采用一种与如通过现有技术所描述的将铜涂层沉积到至少部分铝沟道表面上相比更简单的制造方法。
通过对在图2A中所示的铜包铝线应用常规的线拉拔和成形技术，可以形成铜包铝沟道40，如在图2B的截面图中所示。
在根据本发明的一方面的制造工艺的例子中，商业上可获得的并且可由已知的工业制造工艺制造的圆形截面铜包铝线利用线拉拔和成形技术通常在自身中被处理成凹槽沟道，在轮廓上接近矩形(图2B)。为了说明，将假设该矩形在截面中为1.27mm×3.175mm并包含0.813mm宽的凹槽42。该沟道不必是矩形或接近矩形，但是应包含凹槽42。
所述的铜包铝线比固体铜线更柔软，这推知在形成沟道时生产速度更高并且冲模磨损更少，与采用固体铜线来形成沟道20的相应方法相比较，这两方面都降低了形成沟道40的成本。
凹槽沟道40和0.813mm直径的超导线12然后一起通过金属熔化浴(solderbath)，其中超导线12被压入铜包铝沟道40中的凹槽42内。这样所形成的复合超导导体然后可以通过金属熔化浴内的冲模(die)来将超导线12压入凹槽42内。冲模也可用于将导体拉拔成最终的截面，并且在此过程中可以使沟道40变形以更牢固地保持超导线12，如图3中所示。
铜包沟道的比热容低于常规的固体铜沟道的比热容，这导致在焊接工艺中更高的速度。在设定生产线速度中的控制参数是沟道能被加热至焊接温度的速率，并且由于与常规的铜沟道相比，加热铜包铝沟道至焊接温度需要更少的能量，所以与采用固体铜沟道的类似方法相比，生产线速度能适当地被提高。
在从金属熔化浴退出时可使所得的结构淬火或者允许自然冷却用以使焊料固化并将结构结合在一起。图3是根据本发明的方法所制造的具有焊接18在适当位置处的超导线12的完成的铜包铝沟道的截面图。然后将该导体缠绕好准备用于任何所需的后续处理。
根据本发明形成具有焊接(solder)18到铜32包铝30沟道的凹槽42内的超导线12的复合超导导体的方法不需要诸如如由现有技术所需要的电镀、浸渍或气相沉积的步骤，从而得出简化的并且成本低廉的制造方法，又使最终产品的可靠性更大并且成本降低。
虽然铜包铝线在商业上可获得，并且铜包铝线的形成不构成本发明的部分，但应当注意到用于形成复合铜包铝线的几种方法可用。所述方法中的一些列举如下并且选择再次取决于应用。如果需要，可以就地为使用而根据本发明通过以下任一工艺生产铜包铝线。
·热结合工艺——在铝芯上结合相对厚的铜层。
·电镀——在铝上铜的电镀通常被限制为多达几微米的薄铜层。
·共同挤压
·共同拉拔
根据本发明所采用的用于将铜包铝线转化为铜包沟道40轮廓的方法与由现有技术所建议的铝沟道的铜涂覆相比更简单并且工业上更可接受。
可以由任何适当的铝合金或其他适当的合金替代用于形成沟道的铝30。选择应取决于应用。在一种情况下，电导率可能决定选择，而在其他情况下机械强度可能是占优势的标准。尽管已经描述了商业上可获得的铜包铝线，但是本发明不局限于这种单一配置。通过合并多层结构，可得到加固的沟道导体。例如，可以使用包括装入具有外部铜层的高强度合金层(例如钢)内的铝或其他导电合金芯的线。这种线可以在商业上生产出具有适宜的截面、典型地是圆形，并通过上述方法形成所需的沟道轮廓。高强度合金的存在将增加最终的线在沟道内导体的机械强度，而不明显损害其电或热特性，并且无需在线在沟道内导体的制造方法中引入其他步骤。这种替代实施例的最终装配可以在现在用于常规铜沟道的相同生产线上进行。
对于在用来形成沟道的线内使用高强度合金层可替代地或附加地，在形成复合线在沟道内导体时，与超导线12和沟道40一起可能包含伸长的高强度部件(例如线或带)用以在在机械方面强化复合导体。在焊接操作之前、期间或之后，该高强度部件可以以线性或螺旋形方式被合并。
在将超导线焊接到铜包铝轮廓来形成复合导体的步骤可以使用包括但不限于Pb、Cu、Sb、Sn和Zn的合金的任何适当的软焊料来执行。可采用的一种特定焊料按重量计算含有Sn-5％Sb。
在铜包铝线中所用的铝应优选地为高纯度铝、电工级铝或高强度铝。
在铜包铝线中所用的铜应优选地为高导电率铜，例如1100(OFHC)级铜。
在铜包铝线中所用的铜可以是用于改进的强度的合金铜。
可以认为有益的是，在沟道的外部铜层32的至少部分、尤其是凹槽42中或附近的表面上应用涂锡层，其中所述表面将接收并被焊接到超导线。已知这种涂锡层有助于焊接。涂锡层可能具有锡或任何适当的焊料。一旦沟道40和超导线12已被焊接18在一起，所得到的线在沟道内超导体的整个外表面将更像被涂锡。
在本发明的其他实施例中，在将超导线焊接结合到沟道轮廓之前、期间或之后，具有高比热容的材料的伸长部件可合并到复合导体中，以提高热稳定性。这种材料可通过挤压、电镀或共同拉拔等被处理用以接受焊料。
Claims (17)
1.一种用于制造铜包铝沟道超导导体的方法，所述方法包括：从包括具有至少一层外部金属包层(32)的金属或合金芯(30)的导电线来制造金属沟道(40)，并且所述沟道在所述金属或合金芯(30)的表面中具有纵向延伸的凹槽(42)；并且将包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的线(12)焊接(18)到所述凹槽中，其中所述金属或合金芯包括铝，且所述至少一层外部金属包层包括铜层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一层包层包括：
高强度合金层；以及
外部铜层。
3.如权利要求1-2之一所述的方法，其中在形成沟道导体时，与线(12)和沟道(40)一起包括另一伸长的部件用以在机械方面强化沟道导体。
4.如权利要求3所述的方法，其中在焊接操作之前、期间或之后，该另一伸长的部件以线性或螺旋形方式被合并。
5.如权利要求1-2中任一权利要求所述的方法，其中所述线(12)包含在通常导电的基体材料(16)中在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的多个丝(14)。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述基体材料(16)包括铜。
7.如权利要求1-2中任一权利要求所述的方法，进一步包括步骤：在将线焊接到凹槽中之前至少在凹槽(42)中或附近至少部分地对金属沟道(40)的外部铜层涂锡。
8.如权利要求1-2中任一权利要求所述的方法，其中在将线(12)焊接结合到沟道(40)中之前、期间或之后，另一伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。
9.权利要求8的方法，其中该另一伸长的部件被处理用以接受焊料。
10.一种沟道导体，包括：
在表面中具有纵向延伸的凹槽(42)的金属沟道(40)，以及
被焊接(18)到所述凹槽中的线(12)；其中，
所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料；以及
所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯(30)制成，其中所述金属包层包括：
高强度合金层；以及
外部铜层。
11.如权利要求10所述的沟道导体，其中所述导电金属或合金芯包括铝。
12.如权利要求10或11所述的沟道导体，其中所述线(12)包括在通常导电的基体材料(16)中在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的多个丝(14)。
13.如权利要求12所述的沟道导体，其中所述基体材料(16)包括铜。
14.如权利要求10-11中任一权利要求所述的沟道导体，其中金属沟道(40)的外部铜层至少在凹槽(42)中或附近至少部分地被涂锡。
15.如权利要求10-11中任一权利要求所述的沟道导体，其中另一伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。
16.一种沟道导体，包括：
在表面中具有纵向延伸的凹槽(42)的金属沟道(40)，以及
被焊接(18)到所述凹槽中的线(12)；其中，
所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料；以及
所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯(30)制成，其中所述金属包层包括外部铜层；并且其中
与线(12)和沟道(40)一起包括另一伸长的部件，用以在机械方面强化沟道导体。
17.如权利要求16所述的沟道导体，其中又一伸长的部件被合并到沟道导体中用以提高热稳定性。
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