CN103071874A - 一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种大型磁体电流引线用高温超导叠的真空焊制装置及方法，包括独立加热的真空室和真空室内放置的冷、热基座，真空室内还包括一个可活动的焊接模具，以及可使模具在真空室内活动的活动部件，通过活动部件使焊接模具与热基座接触加热到指定温度后，与热基座脱离接触并与冷基座接触，实现迅速降温。本发明得到的超导叠具有良好的致密度、焊接效果和载流能力，在自场、77K下测量，7层叠的临界电流可达到原始带材的70％，4层叠的临界电流超过原始带材的80％，可作为通流导体应用于大型磁体电流引线，实现降低引线发热和传热的效果，节约制冷功率，改善磁体运行环境。

Description

一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种大型超导磁体的高温超导电流引线的超导叠的焊接装置及方法。

背景技术

大型磁体可广泛应用于能源、医学、国防和大科学研究等领域，为医用磁共振成像、可控核聚变、粒子加速器等提供大范围、高强度的磁场。高温超导(HTS)电流引线减少了引线发热和传热损耗，可提高磁体能效，改善运行条件，是目前大型磁体技术发展的前沿方向之一。根据对比实验，欧洲强子对撞机采用的大型磁体，使用常规铜电流引线时热损耗达47W/kA，采用液氦冷却铜引线时为1.04W/kA，而采用高温超导引线可使热损耗下降到0.1W/kA。近年来，国内外磁体研制和应用机构已逐步采用高温超导引线替代传统的铜电流引线，并为磁体产品带来了显著的性能突破。在我国，随着国际热核聚变实验堆(ITER)项目的开展和深入，在国家“863”等科技计划的支持下，也开展了采用高温超导材料研制大型磁体电流引线的研究工作，并应用在中国热核聚变实验堆(EAST)等大型磁体装置中。

高温超导叠(HTS叠)是超导电流引线的基本载电流元件，HTS叠研制的技术目标是在保证大通流能力的同时尽量降低漏热，主要实现途径包括采用低热导率的银金合金代替银作为高温超导带材的包套材料；通过改善线叠制作工艺提高单位截面载流能力，进而通过减少导热面积来降低漏热等。实现这些目标的主要技术难点在于良好、可靠的焊接工艺及相应装置，提高HTS叠制作的尺寸精度，改善超导叠的致密度，减少在焊接过程中的损伤和杂质入侵等。

HTS叠的焊接质量对HTS组件的载流能力、漏热和其电阻有很大的影响。因为HTS组件是由十几个HTS叠并联而成的，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，也会增加纵向漏热，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。

欧洲核子研究中心(CERN)等单位提出了采用真空焊接工艺解决焊接过程中超导带材和焊锡氧化等问题，采用无铅、无助焊剂工艺减少焊接引入的杂质等方案，部分解决了上述问题。前采用的方法多是将模具放置在外部加热的常规真空炉内进行焊接，焊接用模具的体积较大，因此真空炉的体积也较大，升降温过程较长，焊锡凝固较慢，导致易虚焊等问题，同时加热能耗也大，焊接周期长，效率低。为了解决上述问题，专利CN200810021330.3中提出了一种用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及装置，其采用在真空条件下，将模具放置在平板电加热器上加热，并利用在模具底板与平板电加热器之间插入有冷却水管的铜板进行冷却。但这样的对真空系统要求比较高，同时存在的升、降温速度慢会引起虚焊问题。

发明内容

本发明提出了另一种真空焊接电流引线用超导叠的焊接装置及焊接方法，目的是克服现有超导叠焊接方法及装置存在的升、降温速度慢及其引起的虚焊问题，提高超导叠的焊接效率和质量。根据真空焊接的技术要求，提供了一种在不破坏真空度、不影响超导叠致密度的前提下快速冷却超导叠的装置。本发明可实现单个和多个超导叠的快速焊制，得到的超导叠具有良好的致密度、焊接效果和载流能力，在自场、77K下测量，7层叠的临界电流可达到原始带材的70％，4层叠的临界电流超过原始带材的80％，可满足大型磁体电流引线降低发热与传热的要求，节约制冷功率，改善磁体运行环境。

本发明提供的真空焊接装置如下：

有一个独立加热的真空室，在所述的真空室内设置有冷基座和热基座，真空室内还包括一个可活动的焊接模具，以及可使模具在真空室内活动的活动部件。

首先，所述的真空焊接装置有一个独立加热的真空室，真空室为不锈钢制成的管状或是方形，真空室外缠绕加热丝或加热带并连接独立的电源和控制器，可独立调整真空室外壁的温度，并保持恒定。真空室连接真空抽气装置，保证真空度可好于10Pa。

在真空室内，设置有冷基座和热基座，两基座各有一个抛光的金属平面，材质可为铝或不锈钢。在热基座内有加热丝5、6、7，并分别连接控温装置，3根加热丝分别安装在热基座长度方向的头、中、尾部，可分别控制输入电流，改善加热均匀性。冷基座与真空室内壁保持良好热接触，热基座与真空室内壁之间用绝热材料支撑，减少由真空室向热基座的传热。

焊接时焊接模具置于真空室内的热基座上，加热到指定温度后，通过活动部件使模具与热基座脱离并与冷基座接触，实现迅速降温。焊接模具与冷基座或热基座接触的表面抛光。焊接模具一侧与活动部件接触，未与活动部件接触的那一侧与轨道接触。所述的使模具在真空室内活动的活动部件为推杆或转轴，推杆或转轴可配有轨道，轨道为不锈钢导向斜面或是滚动导轨，在通过推杆或转轴使得焊接模具与冷基座或热基座接触时方便移动。所述的活动部件穿过真空室外壁处设置两道或多道橡胶密封环，形成真空密封，并可在不破坏真空室真空度的情况下自由转动或滑动。

焊接模具包括有U型模槽，根据待焊接线叠的长度，U型模槽的长度保证两端各超出待焊接线叠约5cm，在所述的U型模槽内嵌入两个压条，压条为钛合金、耐高温不锈钢或者硬铝合金，其中，一个为与U型模槽固定的固定压条，另一个为活动压条，可通过螺丝来调整与固定压条间的距离，使得两个压条与超导叠紧密接触。压条与超导叠接触的部分进行滚花处理，花纹作为焊锡熔化后溢出的通道，这一部分同时进行表面钝化，避免焊锡将超导叠和模具焊在一起，使焊制后的超导叠可以自由取出。

所述的焊接模具还包括有一个与模槽等长的压块，压块与模槽间由螺丝和弹簧连接。U型模槽和压块为同种材料，为耐高温不锈钢或者硬铝合金，以保证加热时热膨胀率一致。压块横截面为T字型，下表面宽度与超导叠宽度相等，上表面与U型模槽宽度相等并实现滑动配合，T字型台阶的高度保证压块与两个压条不接触，压块的下表面抛光。压块上方有螺丝和弹簧，通过螺丝和弹簧将U型模槽与压块螺纹旋紧，通过调整螺丝的松紧可调节压块对超导叠施加的压力，使带材平整、整齐排列并与锡带保持良好接触，在焊锡熔化时，弹簧的弹力可保证持续向超导叠加压，压块压于超导叠上的压力为0.1-1kg/cm2。

焊接模具的长度方向头、中、尾部分别安装3组热电偶21、22、23，热电偶头部通过压块上方小孔直接与待焊超导叠表面接触，采集超导叠的当前温度。安装在热基座内的加热丝5、6、7分别由控温装置根据热电偶21、22、23采集到的温度数据进行控制，保证焊接温度的一致性。

使用本发明的焊接装置，提高超导叠焊接效率，采用了一次多个超导叠同时焊接的方式，减小模具和真空炉的尺寸，同时缩短焊锡凝固时间，以解决由此引起的虚焊问题。

用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置焊接超导叠的方法，包括如下步骤：

超导带材和锡带依次水平排列放入所述的焊接模具中，由螺丝和弹簧连接固定压块与模槽。

在焊接前，通过真空室外的加热丝，将真空室的外壁加热到设定温度并保持恒定。

将模具装入真空室，通过活动部件使模具与热基座保持良好热接触，密封真空室，抽真空到真空度好于10Pa。

等待真空室外壁温度恢复到设定温度并保持恒定。

通过控温装置给热基座通电，使热电偶采集到的温度保持同步地上升到设定温度。

通过活动部件使模具与热基座脱离，并与冷基座接触，加速冷却过程，同时切断对热基座的供电。

待热电偶采集到的温度降低到170℃以下后，向真空室内充入一个大气压的干燥氮气并开启真空室，完成焊接。

本发明的有益效果是：超导叠在焊接模具中，通过与热基座和冷基座分别接触实现可精确控温的加热和迅速降温，升、降温过程均依靠固体传热，在保证焊接过程中真空室的真空度不降低的前提下加快了升、降温速度，改善了焊锡凝固条件，避免了因焊锡凝固时间过长造成的虚焊问题，使焊制的超导叠具有良好的致密度和载流能力，并且操作较简易。

附图说明

图1为本发明所述真空焊接装置结构示意图。图中1为真空室；2为加热丝或加热带；3为冷基座；4为热基座；5、6、7依次为嵌入热基座4头、中、尾部的加热丝；8为焊接模具9为活动部件11、12为密封环。

图2为本发明实施例1焊接装置结构示意图，9为推杆，10为导向斜面。

图3为本发明实施例2焊接装置结构示意图，9为转轴，10为滚动导轨。

图4为本发明所述焊接模具结构俯视示意图。图中8为模具本体13为超导叠；14、15为钛合金压条；16、17为调节压条14位置的螺丝。压块18在本图中未出现。

图5为本发明所述焊接模具的结构侧视示意图。图中8为模具本体；13为超导叠；14、15为钛合金压条；16、17为调节压条14位置的螺丝。18为压块；20为调整压块18松紧度的螺丝；19为调整压块18向超导叠13施加压力的弹簧；21、22、23依次为插入压块18头、中、尾部小孔的热电偶。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，用不锈钢制作一管式真空室1，在外部缠绕加热带2，内部左右两侧分别安装冷基座3和热基座4。冷基座3用螺丝固定，与真空室内壁紧密相贴，中间垫入薄铝带实现良好热接触，材质为铝材。热基座4也用螺丝固定，但与真空室壁离开1cm距离，避免热接触，同时固定螺丝顶部接触热基座的部分嵌入环氧树脂垫片，使热基座4与螺丝没有直接接触，改善绝热条件。热基座4内部头、中、尾部各嵌入一组镍铬合金加热丝5、6、7，并通过真空密封插座分别连接到外部控制器。冷基座3和热基座4之间保留的空间可放入焊接模具8。真空室1一侧开孔，焊接模具8的一侧可与通过该孔插入的不锈钢推杆9接触，推杆表面抛光。真空室1内，对应焊接模具8另一侧并且靠近热基座4处安装不锈钢导向斜面10，冷基座3、热基座4及导向斜面10的相对位置保证通过推杆9移动模具8时，模具8能够分别与冷基座3和热基座4紧密接触。在焊接过程中，推杆9只需要动作一次，即把模具8从热基座4推向冷基座3。为保证真空度，推杆9穿过真空室1外壁处焊接一段不锈钢延伸管，管内嵌入两道橡胶密封环11和12，使其与推杆9构成真空密封结构。

如图4，焊接模具8由耐高温不锈钢制作，模具8的长度根据待焊超导叠13的长度设计，两端各超出超导叠13约5cm。模具8在加工前先进行热处理，释放应力，避免长期使用反复加热导致变形。模具8的中央铣一宽度约等于超导叠13宽度三倍的槽，内部容纳超导叠和一对钛合金压条14、15，其中压条14可自由活动，压条15与模具一侧焊接固定。在模具8对应压条14的一侧壁上开两个孔并攻丝，插入调整螺丝16、17，通过调节这两个螺丝，可调节压条14的位置，从侧面压紧超导叠13。压条14、15与超导叠13接触的表面进行滚花处理，形成垂直方向的条纹，作为焊接时超导叠13内焊锡溢出时的通道，同时，对这两个表面进行阳极氧化处理，钝化这两个表面，避免焊锡将超导叠13和压条14、15焊接在一起。

如图3，采用与焊接模具8相同的耐高温不锈钢，以相同工艺加工制作长度与模具8相等的压块18，压块18的横截面为T字型，下表面宽度与超导叠13宽度相等，上表面与U型模槽宽度相等并实现滑动配合，T字型台阶的高度保证压块18与压条14、15不接触，压块18的下表面抛光。在焊接模具8上方的中部开口处攻丝，旋入直径约为开口1.5倍的平面螺丝20，螺丝下方固定一弹簧19，弹簧19与压块18上表面接触，施加压力。压块18的长度方向头、中、尾部开通孔，分别插入热电偶21、22、23，使热电偶的头部测温点处可与超导叠13直接接触。热电偶21、22、23通过真空密封插座分别连接到外部控制器。

真空密封插座在图中未示出。

焊接时，将超导带材和锡带依次水平排列放入所述的焊接模具8中，由螺丝20和弹簧19连接固定压块18与U型模槽。

在焊接前，通过真空室1外的加热丝2，将真空室1的外壁加热到设定温度70-110℃并保持恒定。

将模具8装入真空室1，通过推杆9使模具8与热基座4保持良好热接触，密封真空室1，抽真空到真空度好于10Pa。

等待真空室1外壁温度恢复到设定温度70-110℃并保持恒定。

通过控温装置给热基座4的加热丝5、6、7通电，使热电偶21、22、23采集到的温度保持同步地上升到设定温度245℃。

通过活动部件9使模具8与热基座4脱离，并与冷基座3接触，加速冷却过程，同时切断对热基座4的供电。

待热电偶采集到的温度降低到170℃以下后，向真空室1内充入一个大气压的干燥氮气并开启真空室1，完成焊接。

实施例2

实施例2与实施例1中不同的是活动部件为转轴9，并配以滚动导轨10。焊接模具8的使用方法同实施例1。焊接方法中真空炉1外壁温度设定可为50-120℃间任意值。热基座4加热温度的设定值超过所选用的焊料熔点20-35℃即可。

Claims (18)

1.一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于有一个独立加热的真空室，在所述的真空室内设置有冷基座和热基座，真空室内还包括一个可活动的焊接模具，以及可使模具在真空室内活动的活动部件。

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的真空焊接装置，其特征在于所述的真空室外缠绕加热丝或加热带并连接独立电源和控制器，使得所述的真空室外壁的温度可独立调控。

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的真空焊接装置，其特征在于所述真空室为不锈钢制成的管状或是方形。

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的真空焊接装置，其特征在于所述的冷基座和热基座，两基座各有一个抛光的金属平面，材质可为铝或不锈钢。

5.根据权利要求4所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的热基座内有加热丝并连接控温装置，3根加热丝分别安装在基座长度方向的头、中、尾部，可分别控制输入电流。

6.根据权利要求4所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的热基座与真空室内壁之间用绝热材料支撑。

7.根据权利要求4所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的冷基座与真空室内壁保持良好热接触。

8.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于焊接时焊接模具置于真空室内的热基座上，加热到指定温度后，通过活动部件使模具与热基座脱离并与冷基座接触，实现迅速降温。

9.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的使模具在真空室内活动的活动部件为推杆或转轴。

10.根据权利要求9所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的推杆或转轴可配有轨道，轨道为不锈钢导向斜面或是滚动导轨，在通过推杆或转轴使得焊接模具与冷基座或热基座接触时方便移动。

11.根据权利要求9所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的活动部件穿过真空室外壁处设置两道橡胶密封环，形成真空密封，并可在不破坏真空室真空度的情况下自由转动或滑动。

12.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的焊接模具包括有U型模槽，在所述的U型模槽内嵌入两个压条，一个为与U型模槽固定的固定压条，另一个为活动压条，可通过螺丝来调整与固定压条间的距离，使得两个压条与超导叠紧密接触，所述的模具还包括有一个与U型模槽等长的压块，压块与U型模槽间由螺丝和弹簧连接。

13.根据权利要求12所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的压块横截面为T字型，下表面宽度与超导叠宽度相等，上表面与U型模槽宽度相等并实现滑动配合，T字型台阶的高度保证压块与两个压条不接触，压块的下表面抛光。

14.根据权利要求12所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述压条与超导叠接触部分进行滚花处理。

15.根据权利要求12所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的压块压于超导叠上的压力为0.1-1kg/cm²。

16.根据权利要求12所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的模具长度方向头、中、尾部分别安装3组热电偶，热电偶头部通过模具上方小孔直接与待焊超导叠表面接触，采集超导叠的当前温度。

17.根据权利要求12所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置，其特征在于所述的U型模槽和压块为同种材料，为耐高温不锈钢或者硬铝合金。

18.根据权利要求1所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置焊接超导叠的方法，包括如下步骤：

超导带材和锡带依次水平排列放入权利要求12所述的模具中，由螺丝和弹簧连接固定压块与模槽。

在焊接前，通过真空室外的加热丝，将真空室的外壁加热到设定温度并保持恒定。

将模具装入真空室，通过活动部件使模具与热基座保持良好热接触，密封真空室，抽真空到真空度好于10Pa。

等待真空室外壁温度恢复到设定温度并保持恒定。

通过控温装置给热基座通电，使热电偶采集到的温度保持同步地上升到设定温度。

通过活动部件使模具与热基座脱离，并与冷基座接触，加速冷却过程，同时切断对热基座的供电。

待热电偶采集到的温度降低到170℃以下后，向真空室内充入一个大气压的干燥氮气并开启真空室，完成焊接。

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