CN104037581A - 高温超导带圆弧形接头的制备装置 - Google Patents

Abstract

一种高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于该装置包括压力单元、加热单元和结构单元。结构单元为装置的主体支撑部分，所述的压力单元安装在结构单元上，压紧和滚动高温超导带；所述的加热单元安装在压力单元上，加热高温超导带。其中，压力单元包括压力源、施压滚轮、承压滚轮，加热单元包括加热器和温度计，结构单元包括上端板及其侧架、下端板及其侧架、立臂。本装置将高温超导带接头的锡焊连接、均匀压力成形与接头弯曲成形等三步工艺同时一步完成。

Description

高温超导带圆弧形接头的制备装置

技术领域

本发明涉及一种超导接头制备装置，特别涉及一种适用于高场内插高温超导线圈的直接制备高温超导带圆弧形接头的装置。

背景技术

超导磁体由于采用了低温下几乎零电阻的超导材料，其工作电流密度比传统电磁体和永磁体可以提高数十倍甚至更高。因此超导磁体可以用更紧凑的体积、更低的能量消耗，获得极高的磁场强度和更稳定可控的磁场位形分布。在例如高能物理、新材料制备、生物医学诊断和治疗和磁悬浮列车等各领域中得到大量应用。目前超导磁体主要采用NbTi合金、Nb3Sn化合物等低温超导材料和Bi系(如Bi2223)、YBCO等高温超导材料绕制而成。根据超导材料临界性能不同，它们各自服役磁场环境各不相同。磁场低于9～10T的磁体可以全采用NbTi超导线绕制完成，10～15T的磁体需要采用Nb3Sn超导线圈作为内插入NbTi超导线圈内部的形式达到，更高磁场的磁体需要在低温超导线圈内部插入高温超导线圈来达到设计场强。

高温超导线圈采用的Bi系超导材料多为Ag包套内有Bi2223超导材料的带材形式，采用的YBCO超导材料为涂层导体带材形式。由于工艺水平限制，目前的超导带材单根长度一般都在100～300米。材料越长、单位价格越高。由于高温超导带材的带状结构、脆性易损的机械特性、以及单根长度受限等这些特点决定了高温超导线圈需要多根导线连接起来使用。目前高温超导线圈最常用的绕线方式是先将单根超导带绕制为单个的双饼线圈，再将多个双饼线圈的接头连接起来，相互叠加串并在一起后组成最终的高温超导线圈，如图1所示。

强磁场超导磁体一般是在液氦温区工作。极低温环境要求磁体内部尽量减少发热损耗，以提高磁体稳定性、降低运行成本和维持系统长期运行。超导磁体的工作电流一般达到上百安培量级，接头的电阻太大会引起严重的焦耳热损耗，可能导致磁体失超。同样，超导接头在磁体内部可能承受磁体绕制过程中的弯曲应力、工作状态下的电磁应力、和冷却过程中受到的收缩应力，因此超导接头还必须具有一定的机械强度和韧性。

目前高温超导带的接头制备技术可以分为两类，一种属于生产线制备技术，比如高温加压直接扩散连接法和超导带材冷压成形后再高温退火扩散连接等。即根据超导带制备原理，采用高温高压技术将超导带的超导层重新生长连接起来，该工艺适合工厂内对带材的连接，不适用于磁体制备现场。另一种属于现场制备技术，由于磁体制造现场不允许对磁体线圈进行高温高压处理，目前多采用锡焊连接。高温超导带接头焊接方式有两种，一种是桥接，另一种是搭接。桥接就是用另一段超导带与待连接的两根超导带分别连接起来，如图2所示；搭接是将待连接的两根超导带直接连接起来，如图3所示。选择何种接头方式需要根据实际情况决定。

由于高温超导带材的力学性能较差，过度弯曲和扭折都会造成临界性能衰退或丧失。高温超导带材焊接后的力学性能更差。而高温超导线圈的接头一般位于线圈的外部圆周上，需要贴服在弯曲的弧面上。但是目前多采用的两种方法是：直线状焊接接头后再进行外力强制弯曲，或者采用在线圈外圆周面上直接焊接接头。前者极易造成接头弯曲损伤临界性能，后者极易将焊剂流入线圈内部腐蚀线圈。现有的高温超导带材接头制备技术并没有很好解决弧形接头的问题。

综合现有的用于超导磁体的高温超导带接头制备技术发现，目前尚无一种理想的适用于超导线圈的高温超导带的弧形高温超导接头制备技术和装置。需要开发一种电阻率低、力学性能好、质量稳定、制备简单的高温超导带的弧形连接技术及装置，满足高场超导磁体中对高温超导内插线圈制造过程的工艺技术需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的超导磁体高温超导带接头制备技术中存在的高场磁体内插高温超导线圈弧形接头现场制备难题，提出一种电阻率低、力学性能好、质量稳定、制备方法简便的制备高温超导带圆弧形接头的装置，满足强磁场超导磁体中对高温超导内插线圈制造过程的工艺技术需求。

本发明采用的技术方案在于：

一种高温超导带圆弧形接头的制备装置，该装置包括：压力单元、加热单元和结构单元等三个功能单元；其中，结构单元为装置的主体支撑部分，压力单元安装在结构单元上，作用是压紧和滚动高温超导带，加热单元安装在压力单元上，作用是加热高温超导带。

所述的结构单元包括：上端板及其侧架、下端板及其侧架，以及立臂。所述的结构单元中，上端板和下端板分别位于本发明高温超导带圆弧形接头制备装置的上部和下部，并由立臂将上端板和下端板固定连接起来，构成装置的主体框架。上端板侧架是上端板的前、后两面分别向下垂直延伸出的部分，分为前、后两板。上端板侧架的前、后两板上分别前后对齐各开有一个竖直方向的长槽孔，压力单元的施压滚轮的轴在长槽孔内上下滑动。长槽孔起到支撑和限制压力单元的施压滚轮的作用，并起到施压滚轮滑动导轨的作用。下端板侧架是下端板前、后两面分别向上垂直延伸出的部分，分为前、后两板。下端板侧架的前、后两板上分别前、后对齐开有一个孔，该开孔用于固定压力单元的承压滚轮的轴两端，从而起到支撑和限制压力单元的承压滚轮的作用。

所述的压力单元包括：压力源、施压滚轮和承压滚轮。

所述的压力单元中，施压滚轮和承压滚轮位于结构单元的上端板和下端板之间。施压滚轮位于承压滚轮的正上方，施压滚轮和承压滚轮两者相互咬合压紧，将待连接的高温超导带压在两者之间。压力源固定在所述的上端板上面，且压力源的压力杆垂直穿过上端板的开孔作用于施压滚轮的轴上，将外部压力传递并垂直施加于施压滚轮。

所述的施压滚轮为铝合金材料制作，外圆弧面有环形的凸台，凸台截面为矩形；凸台表面喷涂有特氟龙涂层。施压滚轮的侧面开有用于安装加热器的圆弧形槽和用于安装温度计的孔，所述的圆弧形槽和孔都位于凸台附近。施压滚轮中心安装轴承和轴；轴的两端穿过上端板侧架上的前、后两个长槽孔、并连接在长槽孔内，使施压滚轮连接在上端板侧架的前、后两板之间，且施压滚轮及轴能够沿长槽孔上下滑动。

所述的承压滚轮为铝合金材料制作，外圆弧面开有环形的凹槽。所述凹槽的截面为矩形；凹槽表面喷涂有特氟龙涂层。承压滚轮中心安装轴承和轴，轴的两端穿过并固定在下端板侧架上的前、后两个孔内，使承压滚轮连接在下端板侧架的前、后两板之间。

所述的承压滚轮的凹槽与施压滚轮的凸台之间为滑动配合，所述凹槽的深度略小于所述凸台的高度，凹槽的宽度略大于凸台的宽度。

所述承压滚轮凹槽的底部圆弧直径等于高温超导带圆弧形接头的弯曲直径。

采用桥接方式连接超导带接头时，承压滚轮凹槽的宽度等于相邻两个高温超导双饼线圈之间的间隙与两根超导带宽度之和。

采用搭接方式连接超导带接头时，承压滚轮凹槽的宽度略大于单根超导带宽度。

所述的压力源包括：压力杆、压力缸、操作杆和压力表。压力源安装在结构单元的上端板上面；压力缸作为液压传动机构，能够通过调整内部的液压缸活塞面积从而达到提高传递压力的目的；操作杆安装在压力缸的侧面，操作人员上下压动操作杆能够将外部功以作用力的形式通过压力缸的增压作用、平稳地传递给位于压力缸下面的压力杆。压力杆垂直穿过所述上端板的开孔，作用于施压滚轮的轴上，从而垂直压紧施压滚轮；压力表位于压力缸上，用于显示压力杆的实时压力。

所述的加热单元包括：加热器和温度计。

所述的加热单元中，加热器为圆弧形，安装在施压滚轮侧面的圆弧形槽内，温度计安装在施压滚轮侧面的开孔内，开孔和加热器都位于施压滚轮的凸台附近。

应用所述制备高温超导带圆弧形接头制备装置的制备高温超导带圆弧形接头的步骤如下：

①首先将待连接的高温超导带清洁处理，并在超导带的待连接一面均匀地镀一薄层焊料；

②将待连接的高温超导带放置在承压滚轮的凹槽底部内，并将高温超导带沿凹槽底部固定为圆弧形状，高温超导带有焊料的面需要面对面放置；

③将施压滚轮的凸台压在承压滚轮的凹槽内，压住高温超导带；

④将加热器、温度计分别与外部的温度测控仪连接好，通过加热器对施压滚轮加热，使滚轮温度稳定控制在焊料熔点以上；

⑤操作压力源的操作杆，通过压力杆向下压紧施压滚轮，压力大小保持稳定，使高温超导带的压紧部位的焊料熔化，并浸润满该部位的高温超导带接触面，并将多余的焊料挤走，使高温超导带的该压紧部位紧密焊接起来；

⑥缓慢转动承压滚轮，通过承压滚轮与高温超导带的摩擦带动高温超导带转动，使高温超导带上的压紧受热部位及焊接部位发生移动变换，移出滚轮的压力接触点后的高温超导带与热的施压滚轮脱离，使高温超导带温度降低到焊料熔点以下，该部位超导带焊料凝固达到紧密焊接。与此同时，后面的高温超导带的压紧受热部位发生焊料熔化和压紧；

⑦待高温超导带的焊料层全部通过施压滚轮和承压滚轮的压力接触点后，高温超导带的全部接触面焊接起来，关闭加热器使施压滚轮降温，将施压滚轮的凸台从承压滚轮的凹槽中抬起并脱开，取出已经完成焊接的高温超导带及圆弧形接头。

其中，超导带接头采用搭接锡焊方式连接的时候，待连接的高温超导带上下搭接在一起，叠放入承压滚轮的凹槽底部内。

其中，超导带接头采用桥接锡焊方式连接的时候，待连接的两根高温超导带平行放入承压滚轮的凹槽底部内，并在两根高温超导带上面平放桥接用的超导带。

本发明的特点在于将高温超导带接头的锡焊连接、均匀压力成形与接头弯曲成形等三步工艺同时一步完成，具备明显的技术优势。其中，焊料熔化状态下对超导带的弯曲作用消除了后续焊料凝固时弯曲对超导带临界性能的损伤；锡焊过程中正压力的施加对减少焊料层厚度、增加连接质量有促进作用；承压滚轮带动超导带的转动使接头制备时受到的正压力均匀统一，利于稳定接头的锡焊质量，并且均匀稳定的压力大小避免了压力波动对接头的损伤危胁。并且，本发明在施压滚轮上加热的方法既可以准确控制超导带压力点局部焊接温度，又能达到在焊接完成后超导带局部焊料迅速降温凝固完成焊接。本发明接头制备方法简便易行，超导带接头的制备是在线圈以外完成，然后再将高温双饼线圈组装固定在一起。这种将接头制备工艺与线圈组装过程相结合的方法能够避免接头制备中的焊料或者化学试剂的意外溅洒腐蚀对线圈本身的潜在危害。

附图说明

图1采用高温超导带绕制的双饼式线圈组装示意图；

图2双饼式线圈中高温超导带接头的桥接方式；

图3双饼式线圈中高温超导带接头的搭接方式；

图4本发明装置的结构示意图；

图5施压滚轮的结构示意图；

图6压力源的结构示意图；

图中：1压力源，2上端板，3施压滚轮，4立臂，5承压滚轮，6下端板，7和14轴承，8和15轴，9加热器，10温度计，11高温超导带，12上端板侧架，13下端板侧架，16压力缸，17压力表，18压力杆，19操作杆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图4所示，本发明高温超导带圆弧形接头的制备装置由压力单元、加热单元和结构单元组成。所述的结构单元为本发明装置的主体支撑部分，压力单元安装在结构单元上，作用是压紧和滚动高温超导带，加热单元安装在压力单元上，作用是加热高温超导带。

所述的结构单元包括：上端板2、上端板侧架12、下端板6、下端板侧架13，以及立臂4。

所述的结构单元中，上端板2和下端板6分别位于本发明装置的上部和下部，并由立臂4将上端板2和下端板6固定连接起来构成装置的主体框架。上端板侧架12是上端板2的前、后两面分别向下垂直延伸出的部分，分为前、后两板。上端板侧架12的前、后两板上分别前后对齐各开有一个竖直方向的长槽孔，使施压滚轮的轴8能在长槽孔内上下滑动，从而起到支撑和限制压力单元的施压滚轮3的作用，并起到施压滚轮3滑动导轨的作用。下端板侧架13是下端板6前、后两面分别向上垂直延伸出的部分，分为前、后两板。下端板侧架13的前、后两板上分别前后对齐各开有一个孔，用于固定承压滚轮轴15的两端，从而起到支撑和限制压力单元的承压滚轮5的作用。

所述的压力单元包括压力源1、施压滚轮3和承压滚轮5。

所述的压力单元中，施压滚轮3和承压滚轮5位于结构单元的上端板2和下端板6之间。施压滚轮3位于承压滚轮5的正上方，施压滚轮3和承压滚轮5两者相互咬合压紧，将待连接的高温超导带11压在两者之间。压力源1固定在上端板2上面、且压力源1的压力杆18穿过上端板2的开孔与施压滚轮3的轴8接触，作用是将外部压力传递并垂直施加于施压滚轮3。

施压滚轮3为铝合金材料制作，外圆弧面有环形的凸台，凸台截面为矩形；凸台表面喷涂有特氟龙涂层，施压滚轮3的侧面开有安装加热器9的圆弧形槽和安装温度计10的孔，圆弧形槽和孔都位于凸台附近。施压滚轮3的中心安装有轴8和轴承7；轴8的两端穿过上端板侧架12上的前、后两个长槽孔、并连接在长槽孔内，使施压滚轮3连接在上端板侧架12的前、后两板之间，且施压滚轮3及轴8能够沿长槽孔上下滑动。

承压滚轮5为铝合金材料制作，外圆弧面开有环形的凹槽，凹槽截面为矩形；凹槽表面喷涂有特氟龙涂层。承压滚轮5的中心安装有轴承14和轴15；轴15的两端穿过并固定在下端板侧架13上的前、后两个孔内，使承压滚轮5连接在下端板侧架13的前、后两板之间。如图4所示。承压滚轮5的凹槽底部圆弧直径等于高温超导带11圆弧形接头的弯曲直径。

承压滚轮5的凹槽与施压滚轮3的凸台之间为滑动配合，凹槽深度略小于凸台高度，凹槽的宽度略大于凸台的宽度。

采用桥接方式连接超导带接头时，承压滚轮5的凹槽的宽度等于相邻两个高温超导双饼线圈之间的间隙与两根超导带宽度之和。

采用搭接方式连接超导带接头时，承压滚轮5的凹槽的宽度略大于单根超导带宽度。

压力源1包括：压力杆18、压力缸16、操作杆19和压力表17。如图6所示，压力源1安装在上端板2上面。压力缸16作为液压传动机构，能够通过调整内部的液压缸活塞面积从而达到提高传递的压力的目的；操作杆19安装在压力缸16的侧面，操作人员上下压动操作杆19将外部功以作用力的形式通过压力缸16的增压作用、平稳地传递给位于压力缸19下面的压力杆18。压力杆18垂直穿过上端板2的开孔，作用于施压滚轮3的轴8上，垂直压紧施压滚轮3。压力表17位于压力缸16上，用于显示压力杆18的实时压力。

所述的加热单元包括加热器9和温度计10。

加热单元中，加热器9为圆弧形，安装在施压滚轮3侧面的圆弧形槽内。温度计10安装在施压滚轮3侧面的开孔内，开孔和圆弧形槽都位于施压滚轮3的凸台附近，如图5所示。

应用所述的高温超导带圆弧形接头制备装置制备高温超导带圆弧形接头的步骤如下：

①首先将待连接的高温超导带11清洁处理，并在高温超导带11的待连接一面均匀地镀一薄层焊料；

②将待连接的高温超导带11放置在承压滚轮5的凹槽底部内，并将高温超导带11沿凹槽底部固定为圆弧形状，温超导带11有焊料的面需要面对面放置；

③将施压滚轮3的凸台压在承压滚轮5的凹槽内，压住高温超导带11；

④将加热器9、温度计10分别与外部的温度测控仪连接好，通过加热器9对施压滚轮3加热，加热温度稳定控制在焊料熔点以上5℃；

⑤操作压力源1的操作杆19，通过压力杆18向下压紧施压滚轮3，压力稳定控制在10MPa，使高温超导带11的压紧部位的焊料熔化，并浸润满该部位的高温超导带接触面，并将多余的焊料挤走，使高温超导带11的该压紧部位紧密焊接起来；

⑥缓慢转动承压滚轮5，通过承压滚轮5与高温超导带11的摩擦力带动高温超导带11转动，使高温超导带11上的压紧受热部位及焊接部位发生移动变换，移出承压滚轮5的压力接触点后的高温超导带11与热的施压滚轮3脱离，使高温超导带11的温度降低到焊料熔点以下，该部位超导带焊料凝固达到紧密焊接。与此同时，后面的高温超导带11的压紧受热部位发生焊料熔化和压紧；

⑦待高温超导带11的焊料层全部通过施压滚轮3和承压滚轮5的压力接触点后，高温超导带11的全部接触面焊接起来，关闭加热器9使施压滚轮3降温，将施压滚轮3的凸台从承压滚轮5的凹槽中抬起并脱开，取出已经完成焊接的高温超导带11及圆弧形接头。

超导带接头采用搭接锡焊方式连接的时候，待连接的高温超导带11上下搭接在一起，叠放入承压滚轮5的凹槽底部内。

超导带接头采用桥接锡焊方式连接的时候，待连接的两根高温超导带11平行放入承压滚轮5的凹槽底部内，并在两根高温超导带上面平放桥接用的超导带。

Claims (9)

1.一种高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于该装置包括：压力单元、加热单元和结构单元；所述的结构单元为装置的主体支撑部分；所述的压力单元安装在结构单元上，压紧和滚动高温超导带；所述的加热单元安装在压力单元上，加热高温超导带。

2.根据权利要求1所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的结构单元包括：上端板(2)、上端板侧架(12)、下端板(6)、下端板侧架(13)，以及立臂(4)；所述的上端板(2)和下端板(6)分别位于所述高温超导带圆弧形接头制备装置的上部和下部，立臂(4)将上端板(2)和下端板(6)固定连接起来，构成装置的主体框架；上端板侧架(12)是上端板(2)的前、后两面分别向下垂直延伸出的部分，分为前、后两板；上端板侧架(12)的前、后两板上分别前后对齐各开有一个竖直方向的长槽孔，使施压滚轮的轴(8)能在长槽孔内上下滑动；下端板侧架(13)是下端板(6)前、后两面分别向上垂直延伸出的部分，分为前、后两板；下端板侧架(13)的前、后两板上分别前后对齐各开有一个孔，用于固定承压滚轮轴(15)的两端。

3.根据权利要求1所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的压力单元包括：压力源(1)、施压滚轮(3)和承压滚轮(5)；所述的施压滚轮(3)和承压滚轮(5)分别位于所述结构单元的上端板(2)和下端板(6)之间；施压滚轮(3)位于承压滚轮(5)的正上方，施压滚轮(3)和承压滚轮(5)两者相互咬合压紧，将待连接的高温超导带(11)压在两者之间；压力源(1)固定在所述上端板(2)上面，压力源(1)的压力杆(18)垂直穿过上端板2的开孔，作用于施压滚轮(3)的轴(8)上，垂直压紧施压滚轮(3)。

4.根据权利要求3所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的施压滚轮(3)的外圆弧面有环形的凸台，凸台截面为矩形，凸台表面喷涂有特氟龙涂层；施压滚轮(3)的侧面开有安装加热器(9)的圆弧形槽和安装温度计(10)的孔，圆弧形槽和孔位于凸台附近；施压滚轮(3)的中心安装有轴(8)和轴承(7)，并且轴(8)的两端穿过并连接位于上端板侧架(12)上的长槽孔，使施压滚轮(3)连接在上端板侧架(12)的前、后两板之间，且施压滚轮(3)及轴(8)能够沿所述的长槽孔上下滑动。

5.根据权利要求3所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的承压滚轮(5)的外圆弧面开有环形的凹槽，凹槽截面为矩形；凹槽表面喷涂有特氟龙涂层；承压滚轮(5)的中心安装有轴承(14)和轴(15)；轴(15)的两端穿过并固定在位于下端板侧架(13)上的前、后两个孔内，使承压滚轮(5)连接在下端板侧架(13)的前、后两板之间；承压滚轮(5)的凹槽底部圆弧直径等于高温超导带(11)圆弧形接头的弯曲直径。

6.根据权利要求3或4或5所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的承压滚轮(5)的凹槽与施压滚轮(3)的凸台之间为滑动配合，所述的承压滚轮(5)的凹槽深度略小于施压滚轮(3)的凸台高度，所述凹槽的宽度略大于所述凸台的宽度。

7.根据权利要求3或5所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于采用桥接方式连接超导带接头时，所述承压滚轮(5)的凹槽的宽度等于相邻两个高温超导双饼线圈之间的间隙与两根超导带宽度之和。

8.根据权利要求3或5所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于采用搭接方式连接超导带接头时，所述承压滚轮(5)的凹槽的宽度略大于单根超导带宽度。

9.根据权利要求1所述的高温超导带圆弧形接头的制备装置，其特征在于所述的加热单元包括：加热器(9)和温度计(10)；所述的加热器(9)为圆弧形，安装在施压滚轮(3)侧面的圆弧形槽内，温度计(10)安装在施压滚轮(3)侧面的开孔内。