CN101409129B - 用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及模具，将需要焊接的超导带和钎焊焊带交替地放入由良导热金属材料制作的模腔内，将模芯和配重压于超导带上，在真空条件下，通过对模具加热至钎焊温度，保温10-15分钟，然后迅速冷却模具至钎料凝固点，完成焊接。低热导率高温超导带在77K自场下的临界电流仅100-120A，比大型超导磁体的运行电流数千～数万安培小得多，超导带必须并焊成叠使用。用Ag-5.3wt.％Au合金作为基体的铋系超导带的价格是普通铋系超导带的5-6倍；而国外高温超导公司的超导叠报价几乎又翻倍。本发明的方法与模具焊接超导叠，能保证其不使载流性能退化，不会增加纵向漏热，超导带之间焊接均匀，满足低层间电阻性能要求。

Description

用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及模具
技术领域：
本发明涉及大型超导磁体的高温超导电流引线叠钎焊方法及模具。
背景技术：
21世纪中国将把超导技术大规模地应用于高能加速器、核聚变实验装置、高场磁体和贮能磁体等。4K低温致冷技术的难度和昂贵的运行费用曾阻碍了低温超导的应用，其中为大型超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷。采用高温超导(HTS)电流引线可使4.5K热负荷下降一个数量级。用于小型超导磁体的高温超导电流引线已能买到商用的产品，但大电流引线需用低热导率Bi-2223带材自行制作。
出于大型磁体的安全，其运行电流往往高达数千或数万安培。而目前制造商可提供的用于电流引线的低热导率HTS带(～4mm宽，～0.2mm厚)在77K液氮温度和无外场的临界电流通常只有100-140A，所以需将多条超导带并焊成叠，并把数十个叠围成一直径适当的圆筒状，以降低自场对HTS载流性能的影响。例如欧洲核中心(CERN)用于超级强粒子对撞机(LHC)的13kA电流引线由36个HTS叠组成，每叠含7层超导带。我国大型超导托克马克装置EAST的16.5kA电流引线由50个超导叠组成，每叠5条HTS带。德国卡尔斯鲁厄技术物理所(FZK-ITP)的70kA电流引线由12个HTS元件组成，每个元件含7个HTS叠，每叠有13层HTS带。可见，HTS叠是大电流引线的基本载电流元件。LHC和EAST电流引线超导叠都采用了钎焊工艺，只有美国超导公司13层超导叠采用高温烧结法。CERN对烧结叠进行了金相观察，发现存在裂隙，故选择钎焊法。他们用石墨制作模具，在真空条件下钎焊，焊料用Sn-3.5wt.％Ag。石墨可避免HTS叠与模具钎焊粘连，但石墨的强度较差，使用时易损坏。在2003年以前，国内有人做过HTS块材小电流引线，但HTS大电流引线研究是空白。
HTS叠钎焊的质量对HTS组件的载流能力、漏热和其电阻有很大的影响。因为HTS组件由几十个HTS叠并联组成，而超导带之间的钎焊层是有电阻的，差的钎焊质量将增加层间电阻。不均匀的超导叠电阻将导致电流不均匀分布，并使HTS组件产生额外的焦耳热。其次，如果层间钎料过多，也增加纵向漏热，因为焊锡的热导率略比银金合金低，而比分流器材料锡磷青铜和不锈钢大得多。
低热导率Bi-2223超导带采用含金的银合金作为基体材料，又由于工艺原因使其价格高达80欧元/米，是普通银基Bi-2223超导带的5-6倍。2007年欧洲超导公司(EAS)的超导叠报价又是超导带价格翻倍。与机械性能优秀的铌钛合金系低温超导材料不同，HTS带很脆弱，过度的弯曲或扭折都会导致失去超导性。或者说，在超导叠制作与钎焊过程中如果不小心会损失部分超导带，造成重大的经济损失。
我国大型超导托克马克装置EAST需13对15-16.5kA电流引线，若购买现成的超导叠，需多支付几百万人民币。
发明内容
本发明的目的是解决HTS叠的真空钎焊工艺，提供一种用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及模具，其工艺、焊料、模具和设备都容易实现，而且效果很好。
本发明的技术方案如下：
用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于包括以下步骤：将需要焊接的叠放的超导带与钎焊焊带交替放入由良导热金属材料制作的模腔内，然后把侧板固定在中模板上，并将模芯压于超导带上，施加适当压强，在真空条件下，通过对模腔侧壁与底面加热至超过钎焊焊带熔点20-25℃，保温10-15分钟，然后迅速冷却模腔至焊带凝固点，完成焊接。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于如所述的钎焊焊带为松香芯焊丝轧制，则所述真空条件指真空度要求在1-10Pa水平；如所述的钎焊焊带为无松香焊带，则所述真空条件指真空度优于10-2Pa水平。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的焊带厚度为0.04-0.05mm，所述的模芯压于钎焊焊带上的压力为120-150g/cm2。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的超导带为2-14条，焊接前用酒精擦拭干净。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的迅速冷却模腔至焊带凝固点是指在1-2分钟内冷却模腔至焊料凝固点。
用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于包括有底板，底板上连接有中模板，中模板两侧壁上分别有侧面敞开的模槽，所述的模槽内插接有模芯，所述的模槽外侧盖有侧板并固定于中模板上，所述的底板、中模板、侧板材质为良导热金属材料并与融化的焊料不亲和。所述的模具底板与平板电炉之间通过铜板传热，铜板侧面上布有水冷管道。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于中模板两侧有插槽，所述的模芯两侧边与插槽活动配合，插入到模槽中后上下移动自如。
所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于所述的良导热金属材料指硬铝合金。
如果超导磁体的设计寿命为15年以上，高温超导电流引线的钎焊是不容许使用腐蚀性的钎剂，真空钎焊可避免使用钎剂，并保证钎焊质量。HTS叠的钎焊在真空炉内进行，由于钎焊温度不超过250℃，对真空度要求不高，达到1Pa水平，或者说配备好的旋片式真空泵即可。
对模具底板进行电加热的电加热器选择平板式电炉，其面积应大于模具的底面。模具的侧板也需加热，可使用电加热带或其他加热板/管。
轧制好的HTS带纵向并非笔直的，往往带U形弯。采用模具钎焊使超导带升温均匀，可使U形弯校直，模具钎焊也保证了HTS叠的外形尺寸(宽度与厚度)规矩。模具的长度大于HTS叠长-5cm，其宽度可同时钎焊2摞HTS叠，中模板与底板氩弧焊，利于底板向中模板传热。模具必须用不沾焊锡的材料，且导热较好，本发明选择硬铝合金LY11。考虑到底板与中模板氩弧焊，可选用防锈铝。模具的底板与侧板厚度应适中，既保证有足够的刚度，避免使用几次后变形，又不宜过厚而延缓升降温度速率。钎焊加热主要靠模具底板下的平板式电炉辐射和传导热，为提高钎焊效率，模具宜设计成可同时平行地钎焊2摞HTS叠。打开侧模板后超导带与焊料带从侧面装入或取出。为便于装带和钎焊后脱模，中模板的插槽两端面有45度斜角，槽底的长度比HTS叠大1mm。每摞的HTS叠数与每叠的层数相关，叠数过多会延长钎焊保温时间，导致锡银间化合物生长增厚，层间电阻增大。若每叠5-6层，每摞4叠为宜。当每叠含超导带多于10层时每摞最多3叠。叠间需采用0.8mm厚的铝条隔开，防止HTS叠间被挤出的焊料粘连。在钎焊时每摞HTS叠必须被均匀地压紧，压强可取150g/cm2。采用重力压紧最简单，即压板上固定一个质量合适的钢棒。侧板的高度不仅仅满足一摞HTS叠的钎焊高度，而且要保证压板的姿态准直性，一般取50mm即可。中模板的模槽宽应比HTS叠宽度大0.2-0.3mm，如果HTS带的U形弯不大，可取0.2mm；否则可取0.3mm 。
平板电炉有较大的热惯性，不利于温控和快速降温。本发明在模具底板与平板式电炉之间插入10mm厚铜板，铜板两侧有冷却水管。一旦钎焊完成，通入冷却水1分钟后可使模具温度降至焊料凝固点，比常用的充气冷却法快得多。铜板与模具接触面应平直，利于传热。
焊料带制备是保证HTS叠钎焊质量的重要条件，其宽度略小于超导带，厚度应尽可能薄，0.04-0.05mm。过厚焊带既浪费焊料，又使多余的焊料从侧面挤出，增加叠的宽度。可用直径0.6mm焊丝轧扁制备，带松香芯的焊丝可提高焊锡铺展性，改善钎焊质量，但气化的松香会冷凝在真空炉壁和真空泵油中。因此，如果采用涡轮分子泵真空机组，最好采用无松香芯焊丝轧焊带。有3种焊料可选择：1)60Sn-40Pb普通焊锡，183℃熔点，接头电阻最小，5K下超导；2)96.5Sn-Ag，221℃熔点，5K时不超导；3)95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu，217℃熔点，5K时不超导。这些焊料的铺展性都很好，液氮温端下电阻率都较低。考虑HTS叠与组件的其他零件的后续钎焊若采用焊料1)，往往选择第2)或3)钎料为宜。如果后续钎焊采用熔点100-138℃钎料，则宜采用焊料1)钎焊HTS叠。
工艺过程对钎焊的质量至关重要，工艺的关键是：1)钎焊前准备，2)加热控温与抽真空，3)保温与冷却。
钎焊前准备超导带到货后应贮存在真空或充氮气的容器内。在超导带长度剪裁和装入模具时任何弯折都会损坏HTS带性能。待钎焊的超导带表面应无明显的氧化层，需严格地清洁，利于焊料湿润和铺展，可用工业酒精顺拉伸方向擦拭。焊料带表面也需用酒精擦拭，因为轧带时通常加油润滑。工作环境尽量干净无尘，操作时避免用手直接接触HTS带或焊带。HTS带的U形弯应朝向一致。
加热控温与抽真空 加热炉必须可控，底板与外侧板应有温度显示，侧板的加热器功率可调。在模具底板温度到达钎料熔点前应使模具的侧板温度与底板一致或接近，否则可提前停止底板的加热，等待侧板温度上升。HTS叠的钎焊温度高于焊料熔点20-25℃，保温10-15分钟。为避免超温，在温升到达钎焊温度前断开平板电炉供电，依靠侧板加热器作恒温控制。
在电炉加热前应先抽真空，但确认密封可靠后再开始加热。对于有松香焊带，真空度要求在Pa水平；无松香焊带的真空度应优于10-2Pa水平。好的真空条件利于HTS带和焊带去氧化。抽真空机组在保温结束后停机。
保温与冷却一摞HTS叠钎焊时焊带的熔化有一个过程，必须保温。过短保温会导致有些叠未焊透，过长保温会使带间电阻增加。快速降温至焊料凝固点也是避免带间电阻增加，也利于缩短钎焊周期。
发明效果
本发明已有实验结果数据的验证。16.5kA HTS组件外径81mm，由50个叠、每叠5层HTS带组成，使用63Sn-Pb带钎焊，超导带在77.3K液氮温度下的临界电流为112A(无外磁场)。此组件上端用78K液氮冷却，下端用4.5K超临界氦冷却下最大电流高达27.6kA。平均每条超导带载流110A，而最高磁场达0.14T。可见组件的性能达到了250条超导带之和，无钎焊后性能退化情况发生。说明钎焊的工艺是正确的，质量很好，展示了本发明的效果。
此外，用于68kA HTS组件由90个叠组成，每叠含12层超导带，使用95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu带钎焊，当上/下端温度65/5K情况下HTS叠的临界电流超过1.6kA，平均每条带载流＞130A。而超导带在77K的临界电流仅仅107A，说明本发明的钎焊工艺对熔点217℃焊料的效果也很好。
附图说明
图1：数层HTS带钎焊成叠的示意图。
图2：钎焊模具结构示意图。
具体实施方式
本发明所用模具包括有一个底板1，在底板1上连接有一个中模板2。中模板2侧壁上有侧面敞开的模槽3。模槽3上方插有模芯4，模芯厚度和宽度正好与插槽相匹配，能活动。在模槽3的外侧盖有一个侧板5，此侧板5固定在中模板2上。底板1、中模板3、底板2材质都为硬铝合金。
钎焊模具底板与平板电炉之间插入铜板，铜板侧面布有冷却水管。
焊接前先制备焊料带，过厚的焊料带既浪费焊料，又使多余的焊料从侧面挤出，增加叠的宽度，所以选用的焊料带厚度应尽可能薄，一般在0.04-0.05mm之间。接着是对待钎焊的HTS带和焊带用工业酒精进行清洁，用熔点183℃的普通锡铅焊带，HTS带表面应无明显的氧化层，沾有工业酒精棉布顺HTS带拉伸方向擦去污点或手印等，这样会利于焊料湿润和铺展。清洗后，打开侧模板5，将HTS带6与焊料带从侧面装入模槽3，再使模芯4压于HTS带上，同时，对其施加120-150g/cm2的压力压强。
在真空条件下，采用平板电炉加热模具底板，并用电加热带对侧板5加热至超过钎料带熔点20-25℃，并保温10-15分钟后。通过介于模具底板与平板电炉之间的铜板通水，模具温度在1-2分钟内迅速冷却至焊料带凝固点，完成焊接。当钎料带为松香焊丝轧制时，则要求真空条件为1-10Pa水平；当钎料带不含松香时，则要求真空度优于10-2Pa水平。
EAST超导托卡马克核聚变实验装置首次工程调试使用了5对16/15kA高温超导电流引线，其高温超导叠采用所公开的模具，按所公开的工艺进行钎焊，。其高温超导组件的载流能力与250条HTS带的临界电流之和相当，上端冷却温度78K、下端5K的情况下失超电流高达27.6kA。充分说明本发明公开的方法解决了HTS叠钎焊环节，使HTS组件具有非常大的载流裕度，保障了HTS电流引线研发成功和可靠运行。
将用于68kA电流引线的12层HTS带组焊的叠，也采用相同模具和工艺，焊带熔点217℃。当上/下端温度分别为设计运行温度65/5K时HTS叠的载流能力达到1.6kA，是平均运行电流值(756A)的2倍多。此试验结果也证明，这种模具和工艺也可应用于Sn-Ag-Cu无铅焊料的超导叠。

Claims (8)

1.用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于包括以下步骤：将需要焊接的叠放的超导带与钎焊焊带交替放入由良导热金属材料制作的模腔内，然后把侧板固定在中模板上，并将模芯压于超导带上，施加适当压强，在真空条件下，通过对模腔侧壁与底面加热至超过钎焊焊带熔点20-25℃，保温10-15分钟，然后迅速冷却模腔至焊带凝固点，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于如所述的钎焊焊带为松香芯焊丝轧制，则所述真空条件指真空度要求在1-10Pa水平；如所述的钎焊焊带为无松香焊带，则所述真空条件指真空度优于10-2Pa水平。
3.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的焊带厚度为0.04-0.05mm，所述的模芯压于钎焊焊带上的压力为120-150g/cm2。
4.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的超导带为2-14条，焊接前用酒精擦拭干净。
5.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法，其特征在于所述的迅速冷却模腔至焊带凝固点是指在1-2分钟内冷却模腔至焊料凝固点。
6.用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于包括有底板，底板上连接有中模板，中模板两侧壁上分别有侧面敞开的模槽，所述的模槽内插接有模芯，所述的模槽外侧盖有侧板并固定于中模板上，所述的底板、中模板、侧板材质为良导热金属材料并与融化的焊料不亲和，所述的模具底板与平板电炉之间通过铜板传热，铜板侧面上布有水冷管道。
7.根据权利要求6所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于中模板两侧有插槽，所述的模芯两侧边与插槽活动配合，插入到插槽中后上下移动自如。
8.根据权利要求6所述的用于高温超导电流引线的超导叠钎焊模具，其特征在于所述的良导热金属材料指硬铝合金。
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Granted publication date: 20111228

Termination date: 20120717