CN104710186A - Ybco高温超导薄膜带材的连接工艺及其专用辅助夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺及其专用辅助夹具，通过特定的连接夹具及技术工艺参数，使用低温焊料可以在短时间内迅速将两根高温超导薄膜带材连接在一起，并且拥有较低的接头电阻值和很好的机械强度。将整个工艺参数优化精确，对熔点低于140℃的焊料，焊接温度接近155℃，加热时间为20分钟，夹具温度冷却至129℃时放置在钢板上使其迅速降温。通过以上参数可以确保连接长度即使在1cm时接头电阻数量级能达到10^-7Ω，若连接长度大于1cm则电阻值会更低。本发明YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺操作快速、便捷、高效，连接过程中的温度低，时间短，适合工业化应用。

Description

YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺及其专用辅助夹具

技术领域

本发明涉及一种超导材料的连接方法和辅助连接工具，特别是涉及一种高温超导薄膜带材的焊接连接方法和辅助连接工具，适用于第二代高温超导薄膜带材构成的超导电缆、超导电机、以及超导变压器等，属于超导电工技术领域。

背景技术

超导带材可实现低损耗，载流能力超强、占用空间小等诸多优点，特别是第二代高温超导YBCO薄膜带材，其临界温度可在90K左右，足以满足带材在液氮中运行，相比第一代超导在液氦中运行，大大降低了运行成本，得到了国际上包括美国的AMSC、SuperPower、日本的住友、韩国的SuNAM等发达国家的超导技术公司广泛关注，由于其很好的应用前景使得开展相关研究工作就显得非常迫切，而其中带材之间的连接工艺是研发工作中关键技术之一。对于第二代高温超导YBCO薄膜带材而言，市场上规模化生产的产品一般有几百米到几千米不等，但在实际应用中，往往需要几十千米甚至上百千米，因此现场操作时快速高效的连接工艺便显得尤为重要。

       现场快速连接超导带材时对接头的要求是：

       1. 操作快速、便捷、高效；

       2.接头电阻尽可能的小，且必须保证足够强度的机械性能；

       3.连接过程中的温度尽可能低，时间尽可能短；

能实现以上要求的方法以钎焊为主，它是先用助焊剂来浸润带材表面，还原保护层表面的氧化层，然后将低熔点焊料均匀的涂抹或放置在带材的超导面与超导面之间，使用连接夹具对其加压，再使用箱式电炉、加热平台或热风枪等对其进行加热使焊料熔化，最后形成电阻值低、机械性能强的接头。因为温度较高时，如在200℃以上容易氧化或损坏带材最外的保护层，因此我们推荐使用熔点低于140℃的焊料如：熔点为118℃的In52Sn48、熔点为138℃的Sn43Bi57。

对于第二代高温超导YBCO薄膜带材而言，其在高温下超导层的晶格结构会因为氧原子的缺失从正交相转变为四方相，从而失去超导性。但对于低温焊料而言，300℃以下的高温几乎对超导层的原子计量比没有什么影响。但在空气中操作时，过高的温度容易使得保护层过快地被氧化或氮化，导致接触电阻非常大。因此，在整个过程中，我们必须严格控制连接热处理过程中的温度，使其尽可能的低。但低温下务必需要增加连接时间，影响连接工艺的效率和质量。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺及其专用辅助夹具，实现快速高效的第二代高温超导薄膜带材连接接头，本发明优化了相关参数，用于实现现场操作时快速连接高温超导薄膜带材，并能保证较小的接头电阻及良好的机械性能，可轻易的实现连接电阻值为10^-7Ω，并且有较高的重复率及很好的稳定性。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，具体工艺步骤为：

1）根据待连接的YBCO高温超导薄膜带材表面形貌区分带材的超导面和基底面，判定方法为：若只有一面镀有银保护层，则该面为超导面；若两面均镀有银保护层，则使用电烙铁和焊锡丝将表面银层去除，其中乌黑发亮的一面为超导面；若两边均镀有铜保护层则根据带材弯曲方向，向内的一面为超导面；

2）在不超过150℃的温度条件下，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂，涂敷长度不小于1cm，然后，在其中一根带材涂敷的助焊剂层上放置熔点不高于140℃的焊料，沿着带材延伸方向放置的焊料两端各超出所涂敷的助焊剂的两端边界接近0.5cm，然后将其中另一根带材涂敷助焊剂的一面向下放至焊料上，使得两根待连接的超导带材以“超导面对超导面”形式放置，并保持两根带材对齐叠放；助焊剂优选采用松香和磷酸中的任意一种或其混合物，并优选控制在接近150℃的温度条件下，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂；焊料优选采用In52Sn48或Sn43Bi57；

3）使用夹具对两根带材进行持续加压，使两根待连接的超导带材的重叠搭接部分完全处于均匀加压的环境中，压力以夹紧两根待连接的带材并且不会导致带材晃动为准；

4）将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠搭接部分一同进行加热，控制加热温度在200℃以下，保持加热环境气氛为空气，加热时间为20min；在整个加热过程中，优选夹具持续加压到加热过程结束后；优选控制加热温度为155℃，优选采用箱式电炉、加热平台或热风枪进行加热；

5）加热停止后，冷却至129℃，将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠部分一同取出，使其快速冷却至接近70℃时打开夹具，取出连接好的具有不小于1cm连接长度的超导带材；在整个冷却过程中，优选夹具持续加压，直到冷却过程结束后打开夹具。

作为本发明优选的技术方案，在步骤2）中，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂，涂敷长度为1~3cm；在步骤5）中，最终得到具有1~3cm的连接长度的超导带材。

    一种实施本发明YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺的辅助夹具，由上下两个方形的压块和四根加压杆构成，每根加压杆皆为带有螺纹的引导杆，各导杆的螺纹部位皆配有螺母，拧紧各螺母能对夹持于两个方形的压块之间的待连接的超导带材的重叠搭接部分进行均匀施压。

作为优选的技术方案，沿着待连接的超导带材长度方向的两个压块的长度大于两根待连接的超导带材的重叠搭接部分的长度。

两个上述压块皆优选采用平整的不锈钢块。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明通过特定的连接夹具及技术工艺参数，使用低温焊料可以在短时间内迅速将两根高温超导薄膜带材连接在一起，并且拥有较低的接头电阻值和很好的机械强度；

2. 本发明通过以上参数可以确保连接长度即使在1cm时接头电阻数量级能达到10^-7Ω，若连接长度大于1cm则电阻值会更低；

3. 本发明制备的带材接头具有较高的重复率及很好的稳定性；

4. 本发明YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺操作快速、便捷、高效，连接过程中的温度低，时间短，适合工业化应用。

附图说明

图1是本发明实施例一采用的待连接的YBCO高温超导薄膜带材的结构示意图。

图2是本发明实施例一采用的两根待连接高温超导带材“超导面对超导面”放置示意图。

图3是本发明实施例一采用的两根待连接高温超导带材“超导面对超导面”放置时的在金相显微镜下连接处截面金相结构图。

图4是本发明实施例一YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺采用的专用辅助夹具压制带材示意图。

图5是本发明实施例一YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺过程升温曲线图。

图6是本发明各实施例采用不同连接长度的高温超导带材接头和对比例高温超导带材的I-V曲线对比图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1~图6，快速高效连接YBCO高温超导薄膜带材工艺，具体工艺步骤为：

步骤1：根据待连接的YBCO高温超导薄膜带材表面形貌区分带材的超导面和基底面，如图1所示，判定方法为：若只有一面镀有银保护层3，则该面为YBCO超导层2面，在YBCO超导层2另一侧的是缓冲层及基底层1；若两面均镀有银保护层3，则使用电烙铁将表面银层去除，其中乌黑发亮的一面为YBCO超导层2面；若两边均镀有铜保护层3则根据带材弯曲方向，向内弯曲的一面为YBCO超导层2面，向外弯曲的一面为缓冲层及基底层1面；

步骤2：分别给两根带材的超导面一侧涂抹助焊剂，如图2和图3所示，150℃的温度条件下，用电烙铁将松香助焊剂9均匀涂敷在两根带材的超导面一侧，根据实际搭接面积确定涂敷长度为1cm；然后，在其中一段带材涂敷松香部分上放置熔点为138℃的Sn43Bi57的焊料8，沿着带材延伸方向放置的焊料8两端各超出所涂敷的助焊剂9的两端边界0.5cm，然后将另一根带材涂有松香的一面向下放至焊料8上，使得两根超导带材以“超导面对超导面”形式放置，并保持两根带材对齐叠放；

步骤3：使用夹具对两根带材进行持续加压，使两根待连接的超导带材的重叠搭接部分完全处于均匀加压的环境中，实际使用连接夹具加压时很难详细计算压力大小，因此经过实验验证，压力应以夹紧两根待连接的带材并且不会导致带材晃动为准，如图4所示；本步骤采用的连接工艺的辅助夹具，由上下两个方形的压块（4、5）和四根加压杆构成，沿着待连接的超导带材长度方向的两个压块（4、5）的长度大于两根待连接的超导带材的重叠搭接部分的长度；

步骤4：将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠搭接部分皆放置箱式电炉中一同进行加热，控制加热温度为155℃，保持加热环境气氛为空气，加热时间为20min，其具体的温度曲线如图5所示；

步骤5：加热停止后，冷却至129℃，将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠部分一同从箱式电炉中取出，并放置钢板上使其快速冷却至70℃较为烫手的温度时，打开夹具，取出连接好的具有1cm连接长度的超导带材。并且从图6中可以看出，在电流为临界电流以下，测量的超导带材接头的I-V曲线线性斜率，可知超导带材接头的电阻极低。

本实施例针对熔点在140℃以下的焊料，推荐最佳参数为温度155℃，连接时间20分钟，连接距离最短为1cm。通过实施例本快速高效实现薄膜带材连接工艺过程。连接1cm时的接头电阻数量级可以轻易实现10^-7Ω， 在上述步骤3中，实际使用连接夹具加压时不可能详细计算压力大小，因此经过实验验证，压力仅需保证夹紧带材不使其晃动即可；另外，在整个加热与冷却过程中夹具须持续加压，直到冷却过程结束才可打开。本发明使用的连接夹具由不锈钢构成，其结构如图4所示，由上下两个方形的压块（4、5）和四根加压杆构成，每根加压杆皆为带有螺纹的引导杆6，各导杆6的螺纹部位皆配有螺母7，拧紧各螺母7能对夹持于两个方形的压块（4、5）之间的待连接的超导带材的重叠搭接部分进行均匀施压。在本实施例中，四个角的柱子为引导杆6，防止夹具在施压过程中倾斜，每个引导杆6的上部均有螺纹，并配有螺母7。拧紧螺母7可以为带材均匀施压，上下两个压块（4、5）均为平整的不锈钢块。夹具中间压制的为待连接的超导带材。本装置俯视为正方形，其边长大小可根据需要连接的长度进行设计，为了保证能均匀施压，边长需大于连接长度。

本实施专用辅助夹具施加压力可由公式 SPL=2πN 求得。其中S是面积，单位平方米；P是压强，单位为帕斯卡；L是螺母每拧紧一圈所移动的距离，单位为米；N是螺母的扭矩，单位为牛·米。但在实际操作时，不可能每次精确计算压力大小，因此夹具压力仅需保证夹紧带材不使其晃动即可。由于热膨胀的原因，在整个热处理过程中夹具压力会发生变化，但对最终的连接结果影响不大。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图6，快速高效连接YBCO高温超导薄膜带材工艺，，具体工艺步骤为：

步骤1：本步骤与实施例一相同；

步骤2：分别给两根带材的超导面一侧涂抹助焊剂，150℃的温度条件下，用电烙铁将松香助焊剂9均匀涂敷在两根带材的超导面一侧，根据实际搭接面积确定涂敷长度为3cm；然后，在其中一段带材涂敷松香部分上放置熔点为138℃的Sn43Bi57的焊料8，沿着带材延伸方向放置的焊料8两端各超出所涂敷的助焊剂9的两端边界0.5cm，然后将另一根带材涂有松香的一面向下放至焊料8上，使得两根超导带材以“超导面对超导面”形式放置，并保持两根带材对齐叠放；

步骤3：本步骤与实施例一相同；

步骤4：本步骤与实施例一相同；

步骤5：加热停止后，冷却至129℃，将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠部分一同从箱式电炉中取出，并放置钢板上使其快速冷却至70℃较为烫手的温度时，打开夹具，取出连接好的具有3cm连接长度的超导带材。本实施例带材的连接长度大于1cm，采用3cm的带材连接长度，从图6中可以看出，在电流为临界电流以下，测量的超导带材接头的I-V曲线线性斜率，可知超导带材接头的电阻极低，并且相比实施例一，随着连接长度增加，超导带材接头的电阻降低。

对比例：

采用单根YBCO高温超导薄膜带材直接进行电压和电流测试，为没有接头的带材，在电流为临界电流以下，测量的本对比例超导带材的I-V曲线线性斜率。参见图6，其中“连接1cm”为中间搭接长度为1cm，“连接3cm”意思相同。可以看出，连接长长度越长电阻越小，即电阻值会随着连接长度增加而减小。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺及其专用辅助夹具的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，其特征在于，具体工艺步骤为：

1）根据待连接的YBCO高温超导薄膜带材表面形貌区分带材的超导面和基底面，判定方法为：若只有一面镀有银保护层，则该面为超导面；若两面均镀有银保护层，则使用电烙铁和焊锡丝将表面银层去除，其中乌黑发亮的一面为超导面；若两边均镀有铜保护层则根据带材弯曲方向，向内的一面为超导面；

2）在不超过150℃的温度条件下，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂，涂敷长度不小于1cm，然后，在其中一根带材涂敷的助焊剂层上放置熔点不高于140℃的焊料，沿着带材延伸方向放置的焊料两端各超出所涂敷的助焊剂的两端边界接近0.5cm，然后将其中另一根带材涂敷助焊剂的一面向下放至焊料上，使得两根待连接的超导带材以“超导面对超导面”形式放置，并保持两根带材对齐叠放；

3）使用夹具对两根带材进行持续加压，使两根待连接的超导带材的重叠搭接部分完全处于均匀加压的环境中，压力以夹紧两根待连接的带材并且不会导致带材晃动为准；

4）将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠搭接部分一同进行加热，控制加热温度在200℃以下，保持加热环境气氛为空气，加热时间为20min；

5）加热停止后，冷却至129℃，将夹具及其所夹持的两根待连接的超导带材的重叠部分一同取出，使其快速冷却至接近70℃时打开夹具，取出连接好的具有不小于1cm连接长度的超导带材。

2.根据权利要求1所述YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，其特征在于：在所述步骤2）中，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂，涂敷长度为1~3cm；在所述步骤5）中，最终得到具有1~3cm的连接长度的超导带材。

3.根据权利要求1或2所述YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，其特征在于：在所述步骤4）中的整个加热过程中和在所述步骤5）中的整个冷却过程中，夹具持续加压，直到冷却过程结束后打开夹具。

4.根据权利要求1或2所述YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，其特征在于：在所述步骤2）中，所述助焊剂采用松香和磷酸中的任意一种或其混合物，并控制在接近150℃的温度条件下，给两根待连接的带材的超导面一侧分别涂抹助焊剂；所述焊料采用In52Sn48或Sn43Bi57。

5.根据权利要求4所述YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺，其特征在于：在所述步骤4）中，控制加热温度为155℃，采用箱式电炉、加热平台或热风枪进行加热。

6. 一种实施权利要求1或2所述YBCO高温超导薄膜带材的连接工艺的辅助夹具，其特征在于：由上下两个方形的压块（4、5）和四根加压杆构成，每根所述加压杆皆为带有螺纹的引导杆（6），各所述导杆（6）的螺纹部位皆配有螺母（7），拧紧各所述螺母（7）能对夹持于两个方形的压块（4、5）之间的待连接的超导带材的重叠搭接部分进行均匀施压。

7.根据权利要求6所述辅助夹具，其特征在于：沿着待连接的超导带材长度方向的两个所述压块（4、5）的长度大于两根待连接的超导带材的重叠搭接部分的长度。

8.根据权利要求6或7所述辅助夹具，其特征在于：两个所述压块（4、5）皆为平整的不锈钢块。