CN105583485B - 一种高温超导带材接头的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于高温超导带材接头的焊接装置，其样品环架(20)固定在固定板(10)的一端，与固定板(10)的水平面垂直。样品环架(20)的弯曲半径与高温超导带材接头的弯曲半径相匹配。样品环架(20)上均匀开有小孔。加热用的不锈钢带(30)的中间部分包裹耐高温的聚酰亚胺膜。不锈钢带(30)的端部与铜块连接体(40)相连，铜块连接体(40)的另一端与电源的电流引线连接。环氧块连接体(50)位于两个铜块连接体(40)之间，环氧块连接体(50)的中间开一个竖直孔(60)，施压装置的悬挂杆(62)置于此竖直孔(60)中。采用该焊接装置可焊接具有一定弯曲半径的高温超导带材接头，且能保证焊接过程中的热量和压力均匀分布。

Description

一种高温超导带材接头的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种高温超导带材接头的焊接装置及焊接方法。
背景技术
随着近代科学技术的飞速发展，强磁场作为一种极端条件在能源科学、凝聚态物理、 NMR、MRI和科学研究等领域中发挥重要作用。与常规磁体相比，超导磁体能在高电流密度下运行，并能提供较高的磁场，具有磁体体积小、质量轻、投资省、运行费用低的优点。由于受限于现有的高温超导材料制备技术和设备，商业化的高温超导带材长度只能达到百米量级，但实际应用中往往需要千米量级以上的带材，所以常通过将短的带材连接成长的带材。此外，由于高温超导材料多为扁平的带状结构，实际上将相对短一些的带材制成双饼，再将双饼通过接头串联起来。由于所有的双饼都通过接头串联在一起，其中任何一个发热严重的劣质接头都会破坏整个磁体的磁场稳定度，因此超导接头是超导磁体能否实现稳定运行的重要因素。
可靠的接头技术应该满足以下几点要求：
(1)接头电阻要尽可能小，在通过运行电流时接头部位的局部欧姆发热低至忽略不计的水平，以降低接头发热对磁体运行稳定性的影响，一般来说接头电阻率(接头电阻×接触面积)应小于100nΩ·cm2。
(2)尽量使焊接热量均匀分布，以避免局部过热造成高温超导带材性能退降。
(3)施加合适的压力，尽量减小焊料层厚度，以减小接头电阻。
(4)施加的压力应尽可能均匀分布，以避免高温超导带材局部受力过大而发生弯折。
(5)焊接过程中压力和温度应易于调节。
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作为焊料，将焊件和焊料加热到高于焊料熔点、低于母材熔化温度，利用液态焊料填充间隙并与母材相互扩散实现焊接的方法。钎焊工艺是超导接头最早使用的一种连接技术，工艺简易，便于操作。
常用的提前挂焊锡用电烙铁焊接超导接头的方法存在以下不足：
(1)在实际焊接中为了保证焊接接头的强度、减小接头电阻，常需增加搭接长度。但由于电烙铁是点接触(或线接触)式加热，所能加热区域较小，这容易造成局部区域温度过高，焊料不能均匀受热熔化，从而导致接头焊料层较厚，接头电阻分散性较大；
(2)先挂焊锡后焊接的方式，超导带材至少两次要承受焊接高温，增加了因焊接不当温升过高而影响接头质量的可能性；
(3)加热过程中，电烙铁与带材间的压力无法控制。焊接过程中压力过大，会造成带材局部受损；压力过小则受热缓慢，影响焊接速度。
韩国Ki Sung Chang设计出了一种可以焊接弧形高温超导接头的钎焊机，克服了上述常用电烙铁焊接方法的不足，通过可插拔的加热器提供热量、通过扭矩扳手施加压力，该装置的优点是焊接压力均匀，缺点是热量和温度不均匀。因此需要进一步研究新的焊接工艺和焊接装置来满足高温超导带材接头的焊接要求。
发明内容
为了解决高温超导带材接头焊接过程中存在的问题，本发明提出一种用于高温超导带材接头的焊接装置及方法。本发明焊接装置可焊接具有一定弯曲半径的高温超导带材接头，且能够使焊接过程中的热量和压力均匀分布。
本发明采用的焊料为扁平带状的Pb-Sn焊料，焊料的宽度和待焊接的高温超导带材接头的宽度相等，厚度约为50um。Pb-Sn焊料的组分重量百分比为：Sn约占63％，其余为Pb。助焊剂采用磷酸溶液，其浓度约为20％。
本发明高温超导带材接头的焊接装置由固定板、样品环架、不锈钢带、铜块连接体、环氧块连接体和施压装置构成。固定板放置在桌面上，样品环架固定在固定板的一端，垂直于固定板的水平面。固定板和样品环架材料均为铝。样品环架的弯曲半径与高温超导带材接头的弯曲半径相匹配，为了减小样品环架在接头制作过程中的吸热，样品环架上均匀地开有小孔。不锈钢带起加热作用，不锈钢带的中间部分包裹耐高温的聚酰亚胺膜，其端部与铜块连接体相连。铜块连接体的另一端与电源的电流引线连接。所述的环氧块连接体连接两个铜块连接体之间。环氧块连接体的中间开一个竖直孔，施压装置的悬挂杆置于此竖直孔中。所述的施压装置由悬挂杆、托盘和配重构成。悬挂杆通过环氧块连接体的竖直孔固定在环氧块连接体上。托盘水平放置于悬挂杆的底部，配重放置在托盘上，可以根据要求增减配重。本发明焊接装置可以在接头制作中提供均匀的热量和压力。
采用本发明焊接装置的焊接方法的具体步骤为：
(1)处理施焊表面：用刀片刮去待焊接高温超导带材的绝缘层，用酒精将待焊接高温超导带材的施焊表面清理干净，并在两根待焊接高温超导带材上标记搭接长度，在两根待焊接高温超导带材的施焊表面涂一层磷酸；
(2)搭接待焊接高温超导带材：按标记的搭接长度将两根待焊接高温超导带材的超导侧相对搭接，将Pb-Sn焊料放置在两根待焊接高温超导带材的中间，形成三明治结构的接头；
(3)固定：将步骤(2)制备的三明治结构的接头放在样品环架的正上方，用聚酰亚胺膜固定。将不锈钢带放置在三明治结构的接头上方，通过环氧块连接体加压固定；
(4)焊接加热：打开电源，将加热电流调至设定的加热温度，直至Pb-Sn焊料熔化。加热过程中采用温度传感器测温，确保加热温度不超过待焊接高温超导带材可承受的温度；
(5)停止加热：关闭电源，停止加热，取下加压装置上的配重，并取下加热装置；
(6)冷却接头，完成焊接。待所述的三明治结构的接头自然冷却至室温，将其从样品环架上取下，接头焊接完成。
采用本发明的焊接装置和焊接方法焊接高温超导带材接头：(1)将2根SuperPower生产的SCS4050带材超导侧对超导侧焊接,对应的接头电阻率，即接头电阻×接触面积，可低至 64nΩ·cm2；(2)将2根日本住友生产的DI-BSCCO Type HT-NX导线焊接，对应的接头电阻率可低至1200nΩ·cm2。
附图说明
图1为高温超导带材接头焊接专用装置结构示意图；
图2为高温超导带材接头焊接专用装置的施压装置的结构图；
图3为超导带材接头焊接原理图；
图4为高温超导带材接头焊接流程示意图。
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1所示，本发明高温超导带材接头焊接装置由固定板、样品环架20、不锈钢带30、铜块连接体40、环氧块连接体50和施压装置构成。固定板10放置在桌面上，样品环架20固定在固定板10的一端，与固定板10的水平面垂直。固定板10和样品环架20材料均为铝。样品环架20的弯曲半径与高温超导带材接头的弯曲半径相匹配，为了减小样品环架20在接头制作过程中的吸热，样品环架20上均匀地开有小孔。不锈钢带30起加热作用，中间部分包裹耐高温的聚酰亚胺膜，其端部与铜块连接体40相连。铜块连接体40连接于不锈钢带30 的末端与电源的电流引线之间。所述的环氧块连接体50连接于两个铜块连接体40之间。环氧块连接体50的中间开一个竖直孔60，施压装置的悬挂杆62置于此竖直孔60中。
图2所示为施压装置。如图2所示，施压装置由固定螺母61、悬挂杆62、托盘64和配重63构成。施压装置通过固定螺母61固定在环氧块连接体50上；悬挂杆62通过环氧块连接体50的竖直孔60固定在环氧块连接体50上。托盘64水平放置于悬挂杆62的底部，配重63放置在托盘64上，可以根据要求增减配重。本发明焊接装置可以在接头制作中提供均匀的热量和压力。
如图3所示，电源流经不锈钢带30，为接头焊接提供均匀的热量。施压装置通过不锈钢带30为接头焊接提供均匀的压力。温度测量装置固定在高温超导带材表面，确保焊接过程中不会因温度过高而影响接头性能。
本发明采用熔点温度为183℃的Pb37Sn63焊料。进行接头焊接前，将焊料加工成带状，厚度大约为50um，宽度与待焊接的高温超导带材接头的宽度相等，长度与接头焊接长度相等。
本发明的助焊剂为磷酸，浓度为20％。
如图4所示，采用本发明焊接装置焊接高温超导带材接头的方法如下：
(1)将两根待焊接的高温超导带材，用刀片刮去其一端待焊接部位包裹的绝缘层，用酒精将此两根的焊接高温超导带材的待焊接部位擦拭干净，并在此两根待焊接的高温超导带材上标记搭接长度，然后在此两根待焊接的高温超导带材的超导侧涂抹一层磷酸。
(2)将步骤(1)清洁后的一根待焊接的高温超导带材放置在样品环架20上，使其超导侧朝上；然后，将与焊接长度相等的Pb37Sn63焊料放置在第一根待焊接的高温超导带材带的焊接表面上；再将第二根经步骤(1)清洁后的待焊接的高温超导带材放置在焊料上，使其的超导侧朝下，形成三明治结构的接头。
(3)固定：将步骤(2)制备的三明治结构的接头放在样品环架20的正上方，用聚酰亚胺膜固定。将不锈钢带30放置在三明治结构的接头上方，通过环氧块连接体50加压固定；
(4)打开电源，将加热电流调至设定的加热温度，直至Pb-Sn焊料熔化，加热过程中用温度传感器测温，确保加热温度不超过高温超导带材的承受温度250℃。
(5)关闭电源，停止加热，取下配重63，并将不锈钢带30及与其相连的铜块连接体40 和环氧块连接体50一起取下。
(6)待焊接的高温超导带材接头自然冷却至室温，将其从样品环架20上取下，完成焊接。

Claims (2)

1.一种高温超导带材接头的焊接方法，所述的焊接方法采用的焊接装置由固定板、样品环架(20)、不锈钢带(30)、铜块连接体(40)、环氧块连接体(50)和施压装置构成；样品环架(20)固定在固定板(10)的一端，与固定板(10)的水平面垂直；样品环架(20)的弯曲半径与高温超导带材接头的弯曲半径相匹配；样品环架(20)上均匀地开有小孔，以减小样品环架(20)在接头制作过程中的吸热；不锈钢带(30)起加热作用，不锈钢带(30)的中间部分包裹耐高温的聚酰亚胺膜；不锈钢带(30)的端部与铜块连接体(40)相连；铜块连接体(40)的另一端与电源的电流引线连接；所述的环氧块连接体(50)位于两个铜块连接体(40)之间；环氧块连接体(50)的中间开一个竖直孔(60)，施压装置的悬挂杆(62)置于此竖直孔(60)中；
所述的施压装置由固定螺母(61)、悬挂杆(62)、托盘(64)和配重(63)构成；施压装置通过固定螺母(61)固定在环氧连接体(50)上；悬挂杆(62)通过环氧块连接体(50)的竖直孔(60)固定在环氧块连接体(50)上；托盘(64)水平放置于悬挂杆(62)的底部，配重(63)放置在托盘(64)上，
其特征在于：所述的焊接方法步骤如下：
(1)处理施焊表面：将两根待焊接的高温超导带材，用刀片刮去其一端待焊接部位包裹的绝缘层，用酒精将此两根的焊接高温超导带材的待焊接部位擦拭干净，并在此两根待焊接的高温超导带材上标记搭接长度，然后在此两根待焊接的高温超导带材的超导侧涂抹一层磷酸；
(2)搭接待焊接高温超导带材：将步骤(1)清洁后的一根待焊接的高温超导带材放置在样品环架(20)上，使其超导侧朝上；然后，将与焊接长度相等的Pb37Sn63焊料放置在第一根待焊接的高温超导带材带的焊接表面上；再将第二根经步骤(1)清洁后的待焊接的高温超导带材放置在焊料上，使其的超导侧朝下，形成三明治结构的接头；
(3)固定：用聚酰亚胺薄膜将步骤(2)制备的三明治结构的接头固定在样品环架(20)的正上方，将不锈钢带(30)放置在三明治结构的接头上方，通过环氧块连接体(50)加压固定；样品环架(20)上，并在施压装置上放置配重(63)；
(4)焊接加热：打开电源，将加热电流调至设定的加热温度，直至Pb-Sn焊料熔化；加热过程中采用温度传感器测温，确保加热温度不超过待焊接高温超导带材可承受的温度；
(5)停止加热：关闭电源，停止加热，取下施压装置上的配重(63)，并将不锈钢带(30)及与其相连的铜块连接体(40)和环氧块连接体(50)取下；
(6)待焊接的高温超导带材接头自然冷却至室温，将其从样品环架(20)上取下，完成焊接。
2.按照权利要求1所述的焊接高温超导带材接头的方法，其特征在于：所述的Pb-Sn焊料为扁平的带状，其宽度和待焊接的高温超导带材接头的宽度相等。
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