CN104600535A - 超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，超导缆与铜接头经过去镍、挂锡和装配，先在真空条件下通过辐射加热至超过焊料熔点20-25°C，保温15-20分钟；然后关闭真空系统、将容器内充入2-5bar压力保持5分钟至焊料被压入接头空隙并保持稳定；最后通入液氮或者低温冷氮气于工件内部至工件降温至焊料熔点以下；通入低温氮气后当容器内压力超过10bar需要立即打开容器与大气的联通阀门。焊接过程通过温度监控和反馈控制加热保证焊接过程中的温度控制，通过真空计与压力表监控焊接过程中的容器真空度或者压力。

Description

超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺
技术领域
本发明涉及大型热核聚变装置的超导磁体馈线领域，具体是一种超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺。
背景技术
超导技术广泛应用于高能加速器、核聚变实验装置、高场磁体和贮能磁体等，电流引线连接室温电源与低温磁体，为其低温超导磁体供电，是常规导体向超导磁体的连接过渡。另外超导磁体受设计与工艺限制，不可避免也需要有连接，无论是电流引线与超导磁体的连接，还是超导磁体之间的连接基本都需要涉及低温超导缆与铜导体的连接（即使是超导磁体之间的接头通常也是通过中间铜导体过渡连接）。
CERN为LHC提供的上千根电流引线，其低温超导缆与5K铜冷端主要采用低温胶固化在一起，由于该设计将低温超导线与高温超导叠直接焊接，因此对于低温超导缆与铜接头的接头要求并不高，但这种连接工艺稳定性差，特别对于上百根超导线很难处理。
FZK为ITER研发的70kA试验件以及为W7-X生产的18.2kA电流引线采用镀金板作为电流引线低温端，但还是不可避免镀金板与导体的连接。
EAST托卡马克装置安装有1对16.5kA电流引线为TF磁体供电，主要工作在稳态电流下；13对15kA电流引线，主要工作在脉冲电流下。其圆柱铜接头外圈被加工成多个矩形凹槽，超导缆被散成多根超导线后分别放入矩形凹槽内，填焊料锡焊。这种连接无法避免焊接过程中焊料的向外漫流，容易造成虚焊，焊接表面质量也非常差。
ASIPP为ITER电流引线也先后研发了68、52和10 kA的电流引线，其工艺上先将每根超导线锡焊在铜接头外圈的槽内，然后再套入一个铜环压紧超导线后再焊接一次。这种结构工艺上非常复杂，容纳超导线对应的槽<1mm宽，很难加工；而且对于每根超导线都要单独处理，却要保证同时安装到槽内；还要保证外铜环与布满超导线的芯体有较好的装配公差，而且要经过反复焊接，这些不仅工艺复杂，而且容易带来质量不稳定。
除了电流引线涉及的超导缆与铜接头焊接，在磁体连接上广泛采用的接头分为搭接型接头与同轴式接头，两者都是在超导缆外安装铜盒体或者铜圆环来过渡超导缆，为保证较低的接头电阻，通常盒体或者铜环都被挤压，保证超导缆与铜面较好的贴合。这种接头工艺虽然能做到较低接头电阻，但工艺稳定性差，且随着时间压力慢慢释放，接头性能也会衰退。
超导缆与铜接头的焊接直接决定接头电阻、低温端热负荷、导体安全性、稳定性等诸多方面，该接头的性能可能直接决定整个大系统是否能够正常运行。是磁体等系统一项关键的工艺技术。
发明内容    本发明的目的是提供一种超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：将待焊接的超导缆与铜接头焊接之前分别进行去镍和挂锡工艺处理，所述超导缆被均分为多股子缆，所述铜接头具有盲孔结构，然后将饼状的焊料预先安装于超导缆各子缆上适当位置；之后将超导缆各子缆连同焊料埋入铜接头盲孔后形成工件，再将工件竖直放置于焊接容器内，在焊接容器内采用真空压力浸渍软钎焊工艺将焊料熔化填充铜接头中盲孔，最后采用液氮或者低温氮气急速冷却整个工件至焊料熔点以下。
所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：超导缆焊接前需要经过去镍、挂锡塑形处理；为防止焊料流失，铜接头采用盲孔结构，铜接头需要经过去氧化层挂锡处理；超导缆与铜接头盲孔内壁之间需要保持0.5-0.9mm的空隙便于焊料的流动。
所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：真空压力浸渍软钎焊工艺过程如下：在真空条件下，在焊接容器内通过辐射加热整个工件至超过焊料熔点20-25°C，保温10~15分钟后再向焊接容器内通入2~5bar压力的常温氮气，充入氮气过程中保持温控加热，维持压力5分钟待焊料充分填入铜接头盲孔空隙，切换至液氮或者低温氮气急速冷却，将整个工件温度降至焊料熔点以下后随炉冷却。
所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：所述的焊料材料为217°C熔点的95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu，焊接前适当重量的焊料被成形为饼状，且焊料中按圆周阵列设置有与超导缆中子缆数量对应的多个圆孔，圆孔直径比子缆直径大0.5mm，焊接前焊料中圆孔分别套在超导缆各子缆上，完成焊料与超导缆的安装工作。
所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：所述焊接容器的底部设有G10材料的隔热板，工件通过夹持工装被竖直立于该隔热板之上，通过夹持工装将铜接头牢牢夹持住，并保持超导缆与铜接头安装后竖直固定，保证其安装直线度，夹持工装上设有吊耳，方便焊接组件的吊入和吊出焊接容器；焊接容器外部配备有真空、加热、测量、充气接口，并且安装有压力和真空计用于容器内部压力与真空度的检测；采用由机械泵和罗兹泵构成的真空机组，维持焊接容器内部真空度10-2Pa水平；压力供给通过常温氮气瓶提供；低温冷却也是通过液氮瓶或者低温氮气瓶提供；电加热通过外部电源连接焊接容器上的陶瓷电极接入内部加热器，并通过自动反馈控制工件焊接温度；焊接容器上设置正对焊接区域的可视窗口，由玻璃镜片与焊接容器上法兰接口密封圈固定，通过可视窗口可以观测接头区域焊料的熔化与浸渍状况。
所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：通过安装于工件的温度计进行温度反馈，采用PT100温度传感器布置于铜接头和超导缆各子缆表面或者内部，且表面的温度传感器需要外置一层铝箔，避免直接被加热器辐射，在加热过程中可以采用分步保温保证工件温度均匀，在温度到达钎料熔点前应进行一次保温使各个位置温度一致或接近；焊接温度高于焊料熔点20-25°C，即加热至237-242°C，保温10~15分钟，为避免超温，需要考虑工件与工装的热惯性，可以通过实验模拟获得。
本发明已有大量实验结果数据的验证。等离子所承担ITER所有66根（含备份）高温超导电流引线研制，其5 K 位置就是采用低温超导缆经过分缆、去镍、挂锡、塑形后与分流器上5 K铜接头软钎焊连接，2013年分别对ITER TF 68 kA和CC 10 kA高温超导电流引线该接头进行了工艺研制与测试，其接头电阻分别达到了TF 0.02 nΩ，CC 0.18 nΩ, 性能远高于要求的1 nΩ和2.5 nΩ，是要求电阻值的2%~7.2%，可见该焊接工艺具有突出的性能优势。
附图说明
图 1为超导缆与铜接头的结构示意图。
图2为饼状焊料图。
图3为真空压力浸渍软钎焊设备示意图。
具体实施方式
超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，将待焊接的超导缆与铜接头焊接之前分别进行去镍和挂锡工艺处理，所述超导缆被均分为多股子缆，所述铜接头具有盲孔结构，然后将饼状的焊料预先安装于超导缆各子缆上适当位置；之后将超导缆各子缆连同焊料埋入铜接头盲孔后形成工件，再将工件竖直放置于焊接容器内，在焊接容器内采用真空压力浸渍软钎焊工艺将焊料熔化填充铜接头中盲孔，最后采用液氮或者低温氮气急速冷却整个工件至焊料熔点以下。
超导缆焊接前需要经过去镍、挂锡塑形处理；为防止焊料流失，铜接头采用盲孔结构，铜接头需要经过去氧化层挂锡处理；超导缆与铜接头盲孔内壁之间需要保持0.5-0.9mm的空隙便于焊料的流动。
真空压力浸渍软钎焊工艺过程如下：在真空条件下，在焊接容器内通过辐射加热整个工件至超过焊料熔点20-25°C，保温10~15分钟后再向焊接容器内通入2~5bar压力的常温氮气，充入氮气过程中保持温控加热，维持压力5分钟待焊料充分填入铜接头盲孔空隙，切换至液氮或者低温氮气急速冷却，将整个工件温度降至焊料熔点以下后随炉冷却。
焊料材料为217°C熔点的95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu，焊接前适当重量的焊料被成形为饼状，且焊料中按圆周阵列设置有与超导缆中子缆数量对应的多个圆孔，圆孔直径比子缆直径大0.5mm，焊接前焊料中圆孔分别套在超导缆各子缆上，完成焊料与超导缆的安装工作。
焊接容器的底部设有G10材料的隔热板，工件通过夹持工装被竖直立于该隔热板之上，通过夹持工装将铜接头牢牢夹持住，并保持超导缆与铜接头安装后竖直固定，保证其安装直线度，夹持工装上设有吊耳，方便焊接组件的吊入和吊出焊接容器；焊接容器外部配备有真空、加热、测量、充气接口，并且安装有压力和真空计用于容器内部压力与真空度的检测；采用由机械泵和罗兹泵构成的真空机组，维持焊接容器内部真空度10-2Pa水平；压力供给通过常温氮气瓶提供；低温冷却也是通过液氮瓶或者低温氮气瓶提供；电加热通过外部电源连接焊接容器上的陶瓷电极接入内部加热器，并通过自动反馈控制工件焊接温度；焊接容器上设置正对焊接区域的可视窗口，由玻璃镜片与焊接容器上法兰接口密封圈固定，通过可视窗口可以观测接头区域焊料的熔化与浸渍状况。
通过安装于工件的温度计进行温度反馈，采用PT100温度传感器布置于铜接头和超导缆各子缆表面或者内部，且表面的温度传感器需要外置一层铝箔，避免直接被加热器辐射，在加热过程中可以采用分步保温保证工件温度均匀，在温度到达钎料熔点前应进行一次保温使各个位置温度一致或接近；焊接温度高于焊料熔点20-25°C，即加热至237-242°C，保温10~15分钟，为避免超温，需要考虑工件与工装的热惯性，可以通过实验模拟获得。
冷却是采用液氮，可以在1分钟内将工件温度降低到熔点以下，也可以采用低温氮气或者其它低温气体。对于大质量铜接头由于其热惯性大，不利于温控和快速降温。本发明将低温冷却介质直接通入铜接头内腔，通入冷却液氮可以在1分钟内使工件温度降至焊料凝固点，焊接效率极大提高，降温时间的缩短可有有效避免锡银间化合物生长增厚，对接头电阻的降低也起到非常积极作用。
辐射加热将接头区域封闭于屏蔽罩内，屏蔽罩内壁分布加热丝或者加热棒，加热功率1500~3000瓦；也可以采用加热棒或者加热箍传导对铜接头进行加热。采用传导加热时需要对超导缆采用一定的加热措施控制其温度大于150度。
用于焊接的超导子缆和铜接头孔内表面挂锡层有可能表面氧化层，氧化层会影响焊料的湿润和铺展，可以采用助焊剂去除，助焊剂会影响焊接真空度，也会对产品带来腐蚀，处理完后需采用丙酮清洁，所有工具也必须酒精清理。
加热前需要将系统真空度抽到高于10-2Pa水平，在加热过程中要维持系统真空度，高的真空度避免加热后的快速氧化。
由于工件质量热惯性的存在，为达到工件不同位置温度一致，需要在加热过程中设置多次保温，特别是焊料熔化是个吸热过程，需要设置10~15分钟的保温。充入常温氮气维持2~5bar压力时工件温度也会有短暂的降温，并且焊料的浸渍也需要时间，因此也需要维持压力5分钟，至看不到焊料浸渍后液面下降的趋势。
由于过长的保温温度会增加超导接头化合物生长增厚，因此保温时间也不能过长，保温时间加上压力浸渍时间一共15~20分钟，待压力浸渍保压时间结束，应采用主动冷却将工件温度顺序降低到熔点以下，之后可以随炉冷却。
如图1-图3所示。本发明所焊接低温超导子缆1预先经过分缆、去镍、挂锡、塑形等工艺处理至要求的尺寸φ5.9±0.1mm；铜接头2装配孔加工至尺寸φ6.6±0.1mm，内孔全部预先挂锡处理，子缆和铜内孔挂锡都采用焊料95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu。
饼状焊料3（95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu）预先与超导子缆1装配，饼状焊料共300g,与超导子缆装配的孔尺寸6.4±0.1mm，仔细酒精清洗后再将超导子缆1与铜接头2装配，要求装配后饼状焊料3必须位于焊料槽内部，不可高出；焊接组件装配完成后夹持工装4固定好铜接头2和超导缆1，保持装配形位。夹持工装底部有G10隔热块5减小工件向工装和容器的传热。工件随夹持工装4吊入真空压力浸渍软钎焊容器6内部，辐射加热器7布置于焊接接头外缘，温度计8布置于铜接头和超导缆，关闭焊接容器顶盖9，要求视窗口10正对焊缝，连接真空机组11，常温氮气瓶12，液氮或者低温氮气瓶13，温度采集控制系统14连接温度计8和陶瓷电极15的信号线，检查系统没有短路，监测信号一切正常后连接加热电源。
开启真空机组11抽真空至真空计16示数10-2Pa以下，在温控系统14上启动加热按钮，根据各温度计温差设定保温点，一般当温差超过10度需要设置保温点，当温度达到210度后再设置一次保温点，至所有温度计温度稳定在210±3度后继续加热升温至237-242°C，保温10-15分钟；结束保温后关死真空机组11前面的开关阀，断开真空机组11；打开常温氮气瓶12上开关阀通入常温氮气至2~5 bar压力，此时电加热和温控系统一直处于温控开启状态，维持压力5分钟，同时从视窗10目视接头处焊料铺张均匀并无液面下降趋势后关闭常温氮气阀门；打开低温N2瓶13阀门充入液氮或者低温氮气，氮气管应接入工件内部增加冷却效率，充入液氮后要监视压力表17示数，当内部压力表压力超过0.1MPa后立即打开炉体的开关阀18，让内部与大气压一致，同时调小充入流量，至工件冷却至217度以下后关闭炉体阀门和气体供给，随炉冷却至室温。

Claims (6)

1.超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：将待焊接的超导缆与铜接头焊接之前分别进行去镍和挂锡工艺处理，所述超导缆被均分为多股子缆，所述铜接头具有盲孔结构，然后将饼状的焊料预先安装于超导缆各子缆上适当位置；之后将超导缆各子缆连同焊料埋入铜接头盲孔后形成工件，再将工件竖直放置于焊接容器内，在焊接容器内采用真空压力浸渍软钎焊工艺将焊料熔化填充铜接头中盲孔，最后采用液氮或者低温氮气急速冷却整个工件至焊料熔点以下。
2.根据权利要求1所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：超导缆焊接前需要经过去镍、挂锡塑形处理；为防止焊料流失，铜接头采用盲孔结构，铜接头需要经过去氧化层挂锡处理；超导缆与铜接头盲孔内壁之间需要保持0.5-0.9mm的空隙便于焊料的流动。
3.根据权利要求1所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：真空压力浸渍软钎焊工艺过程如下：在真空条件下，在焊接容器内通过辐射加热整个工件至超过焊料熔点20-25°C，保温10~15分钟后再向焊接容器内通入2~5bar压力的常温氮气，充入氮气过程中保持温控加热，维持压力5分钟待焊料充分填入铜接头盲孔空隙，切换至液氮或者低温氮气急速冷却，将整个工件温度降至焊料熔点以下后随炉冷却。
4.根据权利要求1所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：所述的焊料材料为217°C熔点的95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu，焊接前适当重量的焊料被成形为饼状，且焊料中按圆周阵列设置有与超导缆中子缆数量对应的多个圆孔，圆孔直径比子缆直径大0.5mm，焊接前焊料中圆孔分别套在超导缆各子缆上，完成焊料与超导缆的安装工作。
5.根据权利要求1所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：所述焊接容器的底部设有G10材料的隔热板，工件通过夹持工装被竖直立于该隔热板之上，通过夹持工装将铜接头牢牢夹持住，并保持超导缆与铜接头安装后竖直固定，保证其安装直线度，夹持工装上设有吊耳，方便焊接组件的吊入和吊出焊接容器；焊接容器外部配备有真空、加热、测量、充气接口，并且安装有压力和真空计用于容器内部压力与真空度的检测；采用由机械泵和罗兹泵构成的真空机组，维持焊接容器内部真空度10-2Pa水平；压力供给通过常温氮气瓶提供；低温冷却也是通过液氮瓶或者低温氮气瓶提供；电加热通过外部电源连接焊接容器上的陶瓷电极接入内部加热器，并通过自动反馈控制工件焊接温度；焊接容器上设置正对焊接区域的可视窗口，由玻璃镜片与焊接容器上法兰接口密封圈固定，通过可视窗口可以观测接头区域焊料的熔化与浸渍状况。
6.根据权利要求1所述的超导缆与铜接头的真空压力浸渍软钎焊工艺，其特征在于：通过安装于工件的温度计进行温度反馈，采用PT100温度传感器布置于铜接头和超导缆各子缆表面或者内部，且表面的温度传感器需要外置一层铝箔，避免直接被加热器辐射，在加热过程中可以采用分步保温保证工件温度均匀，在温度到达钎料熔点前应进行一次保温使各个位置温度一致或接近；焊接温度高于焊料熔点20-25°C，即加热至237-242°C，保温10~15分钟，为避免超温，需要考虑工件与工装的热惯性，可以通过实验模拟获得。
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