CN104607747A - 一种超导叠与分流器焊接工装及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导叠与分流器焊接工装及焊接工艺，焊接工作包括基座、硅橡胶带、不锈钢压板、温度计、紧固箍、预紧螺钉、加热棒、屏蔽罩。分流器超导叠槽底部铺垫一层焊锡带，超导叠通过专用工装固定于分流器槽后施加适当压强，在真空条件下，通过辐射加热至超过钎焊焊带熔点20-25°C，即加热至203~208°C保温15-20分钟，并采用液氮急速冷却整个工件与工装至焊料熔点以下。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炉体真空度或者压力。

Description

一种超导叠与分流器焊接工装及焊接工艺
技术领域
本发明涉及大型热核聚变装置领域，具体是一种超导叠与分流器焊接工装及焊接工艺。
背景技术
高温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，高温超导（HTS）电流引线为巨型低温超导磁体供电，同时是磁体主要的热负荷来源，采用HTS电流引线可使致冷电耗节省2/3。
随着磁体的大型化，为其供电的电流引线运行电流往往高达数万安培。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。德国卡尔斯鲁厄技术物理所（FI-ITP）的70kA电流引线。国内在2003年以后，才开始研究HTS大电流引线，包括我国EAST托卡马克装置的16. 5kA电流引线，以及中科院等离子体物理研究所为ITER预研的68kA电流引线。这些万安级HTS电流引线需要多达几十甚至上百件高温超导叠焊接于分流器来满足需要的大载流能力。
高温超导应用于电流引线的关键技术问题之一就是高温超导叠与分流器的焊接接头质量，特别对于大电流传输将直接决定载流能力、接头电阻与4.5K低温热负荷。高温超导叠与分流器的焊接需要稳定可靠的质量，否则将会导致电流在各超导叠分布不均；另外由于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，因此过多的接头焊料也会导致纵向漏热的增加。
低热导率Bi-2223超导叠价格高昂，仅超导带材料就达近1000元/米，超导叠的价格基本是所使用超导带材料费用的几乎2倍；而且HTS 材料很脆弱，过度的弯曲或扭折都会导致失去超导性，而几十乃至上百根的超导叠与分流器的焊接只能一次完成，要在焊接过程中保护好每根超导叠，且保证每根超导叠与分流器焊接接头稳定一致的质量这对于焊接工艺的要求非常高，否则造成的损失也是相当巨大。
发明内容    本发明的目的是提供一种超导叠与分流器焊接工装及焊接工艺，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：
一种超导叠与分流器焊接工装，包括有可移动的基座，其特征在于：基座上水平设置有筒状的屏蔽罩，屏蔽罩内壁设置多道沿环形排列且分别与屏蔽罩中心轴线平行的加热棒，屏蔽罩内共中心轴设置有管状的分流器，分流器外壁上设置有多道形状相同且分别与分流器中心轴线平行的超导叠槽，超导叠槽中布置有焊料带，每个焊料带上分别放置有超导叠，每个超导叠上分别压有硅橡胶带，每个硅橡胶带上分别压有不锈钢压板，不锈钢压板沿分流器中心轴线的两端分别超过超导叠槽两端，且不锈钢压板两端分别通过螺栓固定在分流器上，所述分流器外圈上套有多道紧固箍，多道紧固箍沿分流器中心轴线方向排列，多道紧固箍分别压在各个不锈钢压板上，每道紧固箍对应各个不锈钢压板位置分别拧入紧固螺钉，且紧固螺钉分别顶压对应的不锈钢压板施加预紧力。
所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：超导叠槽中的超导叠与硅橡胶带之间分别设置有三个PT100温度计，三个PT100温度计分别位于超导叠两端和中间位置，且PT100温度计的感温面与超导叠贴合。
所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：屏蔽罩内壁中未设置加热棒时，可将分流器接入电流利用自身电阻加热，或者利用箍状加热器传导加热。
所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述分流器材质为铜-不锈钢-铜钎焊的组件，分流器外壁采用Ag72Cu真空硬钎焊后再铣削加工用于容纳超导叠的超导叠槽，超导叠槽中采用镀银处理后利于与超导叠的焊接。
所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述焊料带材质采用183度熔点的Sn63Pb37。
所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述硅橡胶带宽度与超导叠相当，且略窄于超导叠槽宽度。
一种超导叠与分流器焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、采用酒精清洗焊料带，焊料带不允许有褶皱，采用细颗粒砂纸打磨去除超导叠表面氧化层后，再采用酒精清洗超导叠，再将清洗后的焊料带、超导叠按焊接工装的结构，装配在分流器上对应位置；
（2）、将焊接工装组装好后整体送入真空焊接炉中，对焊接炉抽真空至炉内真空度稳定至10-2Pa；
（3）、令屏蔽罩中加热棒通电，进行电加热，加热时根据各个PT100温度计温差设定保温点，当温差超过10度需要设置一次保温点，当温度达到175度后再设置一次保温点，至所有PT100温度计温度稳定在175±3度后继续加热升温至超过焊料熔点20-25°C，即加热至203-208°C，保温15-20分钟；
（4）、令屏蔽罩中加热棒断电，停止加热，向真空焊接炉中充入冷却介质，监视真空焊接炉内压力，当真空焊接炉内压力超过0.1MPa后，立即打开真空焊接炉的开关阀，使真空焊接炉内压强与大气压一致，同时调小充入的冷却介质流量，至工件冷却至175度以下后，关闭真空焊接炉开关阀和冷却介质供给，让工件随真空焊接炉冷却至室温。
所述的一种超导叠与分流器焊接工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，冷却介质为液氮，或者是低温氮气。
本发明提供了一种超导叠与分流器焊接方法及工装，具有良好的焊接效果，焊接后的超导叠与分流器焊接接头载流能力强，热传导性好，接头电阻低，并且性能衰退期长。
附图说明
图1为本发明焊接工装结构侧剖视图。
图2为本发明焊接工装结构正视图。
图3为本发明超导叠槽部分结构放大图。
图4为本发明具体实施方式中真空焊接炉示意图。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种超导叠与分流器焊接工装，包括有可移动的基座1，基座1上水平设置有筒状的屏蔽罩11，屏蔽罩11内共中心轴设置有管状的分流器2，屏蔽罩11内壁中设置多道沿环形排列且分别与屏蔽罩11中心轴线平行的加热棒12，分流器2外壁上设置有多道形状相同且分别与分流器2中心轴线平行的超导叠槽，超导叠槽中布置有焊料带3，每个焊料带3上分别放置有超导叠4，每个超导叠4上分别压有硅橡胶带5，每个硅橡胶带5上分别压有不锈钢压板6，不锈钢压板6沿分流器中心轴线的两端分别超过槽两端，且不锈钢压板6两端分别通过螺栓7固定在分流器2上，分流器2外圈上套有多道紧固箍9，多道紧固箍9沿分流器2中心轴线方向排列，多道紧固箍9分别压在各个不锈钢压板6上，每道紧固箍9对应各个不锈钢压板6位置分别拧入紧固螺钉10，且紧固螺钉10分别顶压对应的不锈钢压板6施加预紧力。
超导叠槽中的超导叠4与硅橡胶带5之间分别设置有三个PT100温度计8，三个PT100温度计8分别设置在所在超导叠4两端与中间位置，且PT100温度计8的感温面与超导叠4贴合。
屏蔽罩11内壁中未设置加热棒12时，可将分流器2接入电流利用自身电阻加热，或者利用箍状加热器传导加热。
分流器2材质为铜-不锈钢-铜钎焊组件，分流器2外壁采用Ag72Cu真空硬钎焊后再铣削加工用于容纳超导叠的槽，超导叠槽中采用镀银处理后利于与超导叠的焊接。
焊料带3材质采用熔点183度Sn63Pb37。
硅橡胶带5宽度与超导叠4相当，且略窄于超导叠槽宽度。
一种超导叠与分流器焊接工艺，包括以下步骤：
（1）、采用酒精清洗焊料带，焊料带不允许有褶皱，采用细颗粒砂纸打磨去除超导叠表面氧化层后，再采用酒精清洗超导叠，再将清洗后的焊料带、超导叠按焊接工装的结构装配在分流器上对应位置；
（2）、将焊接工装组装好后整体送入真空焊接炉中，对焊接炉抽真空至炉内真空度稳定至10-2Pa；
（3）、令屏蔽罩中加热棒通电进行电加热，加热时根据各个PT100温度计温差设定保温点，当温差超过10度需要设置一次保温点，当温度达到175度后再设置一次保温点，至所有PT100温度计温度稳定在175±3度后继续加热升温至超过焊料熔点20-25°C，即加热至203-208°C，保温15-20分钟；
（4）、令屏蔽罩中加热棒断电停止加热，向真空焊接炉中充入冷却介质，监视真空焊接炉内压力，当真空焊接炉内压力超过0.1MPa后，立即打开真空焊接炉的开关阀，使真空焊接炉内压强与大气压一致，同时调小充入的冷却介质流量，至工件冷却至175度以下后，关闭真空焊接炉开关阀和冷却介质供给，让工件随真空焊接炉冷却至室温。
步骤（4）中，冷却介质为液氮，或者是低温氮气。
本发明中分流器超导叠槽底部铺垫一层焊料带，超导叠通过专用工装固定于分流器槽后施加适当压强，在真空条件下，通过辐射加热至超过钎焊焊带熔点20-25°C，保温15-20分钟，并采用介质急速冷却整个工件与工装至焊料熔点以下。
本发明中分流器是铜-不锈钢-铜，采用Ag72Cu真空硬钎焊后再铣削加工用于容纳超导叠的槽，分流器上的槽内表面采用镀银处理后利于与超导叠的焊接。
本发明中冷却是采用液氮，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。超导组件热惯性大，不利于温控和快速降温。本发明将低温冷却介质直接通入分流器内腔，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。
本发明中加热也可以采用加热棒或者箍状加热器传导加热或者对分流器接入电流，利用自身电阻加热。
本发明中焊料带熔点为183度Sn63Pb37，厚度为0. 04-0. 05mm，焊接真空度要求高于10-2Pa水平。Sn63Pb37焊料具有接头电阻低，铺展性好的综合优势，且其熔点低于上一级超导带焊接成超导叠所使用的95. 5Sn_3. 8Ag-0. 7Cu，217°C熔点；过厚焊带既浪费焊料，且多余的焊料从侧面挤出，影响焊接美观；由于锡与银表面具有良好的焊接性，在真空条件下，无需采用助焊剂。
本发明中分流器支撑于基座上，该基座可以在焊接容器内滑动，将焊接组件移动至真空容器内部；超导叠置于分流器槽内，表面放置一层3~5mm厚硅橡胶带，再用8~10mm不锈钢压板压住硅橡胶带；不锈钢压板两端螺纹拧紧于分流器，中间多处采用紧固箍上的螺栓顶住压板，进而通过硅橡胶压紧超导叠；整个焊接工件与专用工装辐射屏蔽罩封闭并加热。
本发明中硅橡胶带可以提供焊接所需的压强，同时不会损伤超导叠，宽度与超导叠相当，但略窄于槽宽~0.2mm。
本发明中不锈钢压板多块独立并联使用；具有一定的刚性，避免使用几次后变形，又不宜过厚而延缓升降温度速率。
本发明中紧固箍圆环上根据超导叠间距分布螺纹孔，M6螺栓装配于圆环，通过螺纹拧紧对超导叠施加压力，所施加的加强150~200g/cm2。
本发明中防辐射屏蔽罩为上下半瓦片结构，瓦片内侧固定有多个加热棒，为保证加热的均匀性，一般6~8个加热棒，每个加热棒功率300~500瓦。
本发明中用于焊接的超导叠表面有可能表面氧化层以及残留助焊剂，氧化层会影响焊料的湿润和铺展，助焊剂会影响焊接真空度，也会对产品带来腐蚀，需采用细颗粒砂纸轻轻打磨后酒精清洁，所有工具也必须酒精清理。
本发明中加热棒需要通过控制器进行温度控制，超导叠表面需要布置温度计，可以采用PT100布置于超导叠两端和中间，PT100片状温度计在硅橡胶带的压力下始终与超导叠保持较好的贴合。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（175度）应进行一次保温使各个位置温度一致或接近。HTS叠与分流器的钎焊温度高于焊料熔点20-25°C，保温15~20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。
本发明中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15~20分钟的保温。
由于过长的保温温度会增加超导叠与分流器锡银间化合物生长增厚，因此保温时间也不能过长，待保温完成后，应采用主动冷却将工件温度迅速降低到熔点以下，之后可以随炉冷却。
本发明所用模具包括有一个可滑动的基座1，分流器2支撑于基座1上，分流器的底部布置一层焊料带3，再放置一层超导叠4，再将超导叠4放置于分流器2槽内，超导叠4上面压上硅橡胶带5，再将不锈钢压板6压在硅橡胶带5上，两端螺栓7先将不锈钢压板6定位，在固定不锈钢压板前先要将PT100温度计8分别置于超导叠4与硅橡胶带5之间，两端和中间共三处，温度计8的感温面与超导叠4表面贴合；紧固箍9套在分流器2外圈，通过紧固螺钉10施加预紧力。整个工件与模具被封闭在不锈钢辐射屏蔽罩11内，屏蔽罩11内壁阵列布置加热棒12，加热棒的总功率要求高于3kW。
焊接前根据超导叠的长度制备焊料带，焊料采用183度熔点Sn63Pb37，厚度为0. 04-0. 05mm，在放入之前必须仔细酒精清洗；超导叠在放置之前也必须采用细颗粒砂纸轻轻打磨去除氧化层后酒精清洁，焊料带与超导叠都要并排整理布置，焊料带不允许有褶皱，不锈钢压板先通过两端螺钉定位于分流器，然后通过螺纹拧紧对超导叠施加压力，所施加的加强150~200g/cm2。
如图4所示。焊接模具与工件组装好后将支架推进真空焊接炉13，关闭炉门14，真空焊接炉设置有抽真空接口15、加热棒电接口16、测量监控接口17、真空计18、压力表19、开关阀20、LN2供给线21。将各接口与对应系统连接，检查连线正确，无短路、监测信号正常后启动泵组抽空锡焊炉真空度并稳定至10-2Pa水平后启动电加热，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175度后再设置一次保温点，至所有温度计温度稳定在175±3度后继续加热升温至203~208°C，保温15-20分钟；结束保温后断开电加热，打开N2罐阀门充入液氮或者低温氮气，氮气管应接入工件内部或者靠近工件，增加冷却效率，充入液氮后要监视压力表，当内部压力表压力超过0.1MPa后立即打开炉体的开关阀，让内部与大气压一致，同时调小充入流量，至工件冷却至175度以下后关闭炉体阀门和气体供给，随炉冷却至室温。

Claims (8)

1.一种超导叠与分流器焊接工装，包括有可移动的基座，其特征在于：基座上水平设置有筒状的屏蔽罩，屏蔽罩内壁设置多道沿环形排列且分别与屏蔽罩中心轴线平行的加热棒，屏蔽罩内共中心轴设置有管状的分流器，分流器外壁上设置有多道形状相同且分别与分流器中心轴线平行的超导叠槽，超导叠槽中布置有焊料带，每个焊料带上分别放置有超导叠，每个超导叠上分别压有硅橡胶带，每个硅橡胶带上分别压有不锈钢压板，不锈钢压板沿分流器中心轴线的两端分别超过超导叠槽两端，且不锈钢压板两端分别通过螺栓固定在分流器上，所述分流器外圈上套有多道紧固箍，多道紧固箍沿分流器中心轴线方向排列，多道紧固箍分别压在各个不锈钢压板上，每道紧固箍对应各个不锈钢压板位置分别拧入紧固螺钉，且紧固螺钉分别顶压对应的不锈钢压板施加预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：每个超导叠槽中的超导叠与硅橡胶带之间分别设置有三个PT100温度计，三个PT100温度计分别位于超导叠两端及中间位置，且PT100温度计的感温面与超导叠贴合。
3.根据权利要求1所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：屏蔽罩内壁未设置加热棒时，可将分流器接入电流利用自身电阻加热，或者利用箍装加热器传导加热。
4.根据权利要求1所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述分流器材质为铜-不锈钢-铜钎焊的组件，分流器采用Ag72Cu真空硬钎焊后，外壁再铣削加工用于容纳超导叠的超导叠槽，超导叠槽中采用镀银处理后利于与超导叠的焊接。
5.根据权利要求1所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述焊料带材质采用183度熔点的Sn63Pb37。
6.根据权利要求1所述的一种超导叠与分流器焊接工装，其特征在于：所述硅橡胶带宽度与超导叠相当，且略窄于超导叠槽宽度。
7.一种基于权利要求1所述焊接工装的超导叠与分流器焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、采用酒精清洗焊料带，焊料带不允许有褶皱，采用细颗粒砂纸打磨去除超导叠表面氧化层后，再采用酒精清洗超导叠，再将清洗后的焊料带、超导叠按焊接工装的结构装配在分流器上对应位置；
（2）、将焊接工装组装好后整体送入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空至炉内真空度稳定至10-2Pa；
（3）、令屏蔽罩中加热棒通电进行电加热，加热时根据各个PT100温度计温差设定保温点，当温差超过10度需要设置一次保温点，当温度达到175度后再设置一次保温点，至所有PT100温度计温度稳定在175±3度后继续加热升温至超过焊料的熔点20-25°C，即加热至203-208°C，保温15-20分钟；
（4）、令屏蔽罩中加热棒断电停止加热，向真空焊接炉中充入冷却介质，监视真空焊接炉内压力，当炉内压力超过0.1MPa后，立即打开真空焊接炉的开关阀，使真空焊接炉内压强与大气压一致，同时调小充入的冷却介质流量，至工件冷却至175度以下后，关闭真空焊接炉开关阀和冷却介质供给，让工件随真空焊接炉冷却至室温。
8.根据权利要求8所述的一种超导叠与分流器焊接工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，冷却介质为液氮，或者是低温氮气。
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