CN108762328A - 高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置 - Google Patents

Abstract

高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，包括有一焊接压力主支架，焊接压力主支架的前侧设有通槽，通槽内设有位置调节块；位置调节块下方设有样品压力施加块；样品压力施加块上设有超磁滞伸缩驱动器；通槽的下侧框体中设有加热器；调节螺栓中设有力传感器；将高温超导样品表面涂抹焊锡膏材料，将两个样品涂抹好焊锡材料的面对接到一起，置于夹具中；调节调节螺栓，使位置调节块带动样品压力施加块下移，设定驱动线圈中的励磁电流，采用PID利用焊接压力作为目标值，控制励磁电源的电流强度，达到控制超磁致伸缩棒材的伸缩量，使焊接压力的大小恒定；用加热器对高温超导样品加热焊接；具有结构简单、经济实用、集成度高、操作简单的特点。

Description

高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置

技术领域

本发明属于高温超导带材的焊接技术领域，具体涉及高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置。

背景技术

近几十年来，高温超导带材的接头问题一直是高温超导研究及应用领域研究热点及难点问题。实际应用中，由于高温带材受诸如晶界角、材料的各项异性等特殊的物理性质对其临界电流的影响，导致其制备难度非常高，目前世界最好的制备工艺所能制备的YBCO涂层导体长度也仅仅只有千米量级，然而现实制备高温超导磁体所需要的高温超导带材往往超导几十千米，因此，在磁体制备中，高温超导带材与带材之间的间接接头问题是不可避免的。同时，研究发现接头的电学、力学性能直接决定着整个磁体的安全稳定性和使用寿命。截止目前，基于国内外研究表明，高温超导接头的电学性能及机械性能与接头的制作工艺紧密相关，同时结合理论分析，可以发现接头处焊接层焊锡的厚度、分布的均匀性等因素都会影响接头的电阻大小与力学性能。然而，由于国内高温超导研究起步相对落后于国外，加之目前研究多处在理论阶段，对实际应用尚处在初期，缺乏对高温超导接头制作工艺展开全面细致的研究测试。

根据已有的文献调研可知，截止目前，国内外研究上还没有对焊接压力展开研究，然而通过理论分析及前期的研究可知，焊锡层的厚度对接头的总电阻存在影响，因此从研究方面该装置有提出的理论及实验依据。高温超导接头的制作，对传统的电烙铁焊接方式提出了挑战，高温超导如YBCO涂层导体为陶瓷脆性材料，因此对研究压力是有严格要求的，过大可能将其压损，过小无法达到将焊锡层控制到想要的厚度。同时，针对目前国内已申请的发明专利，如刘会霞等人在2015年申请的《一种多滚轮式激光投射焊接加紧装置》发明装置。采用液压控制系统，针对的是大型焊接件，无法精确的控制位移等参数，因此对于现实情况，也有必要提出一套更能满足高温超导接头现实需求的焊接装置。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，既可以研究焊接压力对高温超导接头电阻影响的研究。同时，还可以利用超磁滞伸缩材料的高频相应快、机械转化效率高的优越性能，研究测试高温超导接头在低温环境下（77K或者4.2K），外加循环压力对其寿命影响的问题；具有结构简单、经济实用、集成度高、操作简单的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，包括有一焊接压力主支架，焊接压力主支架的前侧设有通槽，通槽内设有位置调节块；位置调节块下方设有样品压力施加块；样品压力施加块上设有超磁滞伸缩驱动器；通槽的下侧框体中设有加热器；调节螺栓中设有力传感器。

所述的力传感器直接嵌套在调节螺栓的下端，它的下表面与位置调节块的上表面接触。

所述的超磁滞伸缩驱动器整体嵌套于样品压力施加块的内部，其上表面与位置调节块接触，当驱动器在外磁场驱动下动作时，直接将位移变化传递给位置调节块, 位置调节块再将位置的变化量传递给力传感器，最终由力传感器把位移信号转化为力信号；超磁滞伸缩驱动器的数量有三个。

所述的加热器嵌套在焊接压力主支架的内部，通过通电加热主支架，再通过热传导的方式加热样品；加热器的数量有三个，保证加热温度更加均匀。

所述的样品压力施加块下侧放置高温超导带材样品。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明结合高温超导焊接需求，基于超磁滞伸缩材料优于的性能：单位体积的推动力很大（可达200N/cm3）、变形量大（低温下可达5000—6000ppm）、响应速度快（μs量级）、机械转化效率高（75%）、无疲劳老化等优越性能，提出一套对高温超导焊接接头施加实时载荷的压力控制及性能测试装置，该装置可以实现对焊接压力、位移实现精确的控制。同时，该装置还可以在超低温下（如液氮77K、液氦4.2下）测试高温超导接头电学及力学性能，随外加载荷的变化情况，包括实际应用中关注的疲劳寿命问题。本发明借助实验仪器通过深入实验研究接头焊接压力对接头性能的影响，有助于为超导器件的功能性及安全性设计提供有力的支撑。因此，该装置的研究、开发，能够对高温超导接头由制作到实验测试进行全面、深入的测试研究，具有重要的现实需求和科学意义。

本发明提供了一种基于超磁滞伸缩材料的高温超导带材焊接压力控制及性能测试装置，该装置原理简单、经济实用、集成度高、操作简单，既可以研究焊接压力对高温超导接头电阻影响的研究。同时，还可以利用超磁滞伸缩材料的高频相应快、机械转化效率高的优越性能，研究测试高温超导接头在低温环境下（77K或者4.2K），外加循环压力对其寿命影响的问题，这是目前已有的装置都无法做到的一点。

本发明通过基于超磁滞伸缩材料单位体积的推动力大、变形量大、响应速度快（μs量级）、机械转化效率高、无疲劳老化等优越性能，首先可实现对高温超导接头焊接压力进行精确的调节与控制，同时，又可实现高频动态加载情况下对高温超导带材接头进行电学、力学性能测试，并可以研究其疲劳寿命问题。该装置的提出及实现，不仅可以全面的对高温超导接头电阻及电学性能随焊接压力的变化情况进行详细的研究，而且也可用于超导磁体接头制备中，提高高温超导焊接接头的性能，推动高温超导产业化的发展。

本发明采用基于超磁滞伸缩材料对高温超导带材施加恒定的焊接压力装置；基于超磁滞伸缩材料利用其优越的动态响应速度及较高的机械转化率，实现高频动态加载情况下对高温超导带材接头进行电学、力学性能测试，并能研究其疲劳寿命问题的装置。

附图说明

图1（a）为本发明的整体结构示意图。

图1（b）为本发明图1的半剖视图。

图2为本发明超磁滞伸缩驱动器的结构示意图。

图3为本发明图1的局部结构示意图。

图4为本发明的高温超导接头电学、力学性能测试原理图。

图中：1.调节螺栓；2.焊接压力主支架； 3.位置调节块；4.样品压力施加块；5.高温超导带材样品； 6.加热器；7.力传感器；8.超磁滞伸缩驱动器；9.超磁滞伸缩材料；10.驱动线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1（a）、（b）、2、3，高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，包括有一焊接压力主支架2，焊接压力主支架2的前侧设有通槽，通槽内设有位置调节块3；位置调节块3下方设有样品压力施加块4；样品压力施加块4上设有超磁滞伸缩驱动器8；通槽的下侧框体中设有加热器6；调节螺栓1中设有力传感器7。

所述的力传感器7直接嵌套在调节螺栓1的下端内，它的下表面与位置调节块3的上表面接触。

所述的超磁滞伸缩驱动器8整体嵌套于样品压力施加块4的内部，其上表面与位置调节块3接触，当驱动器在外磁场驱动下动作时，直接将位移变化传递给位置调节块3, 位置调节块3再将位置的变化量传递给力传感器7，最终由7把位移信号转化为力信号。超磁滞伸缩驱动器8的数量有三个，目的主要是保证各个位置施加的力更加均匀。

所述的加热器6嵌套在焊接压力主支架2的内部，通过通电加热主支架，再通过热传导的方式加热样品；加热器6的数量有三个，保证加热温度更加均匀。

在所述的样品压力施加块4下侧放置高温超导带材样品5。

参见图4，图4为高温超导接头电学、力学性能测试系统，详细的给出了当高温超导完成接头焊接后，将采用标准四点法对样品的电学性能，以及在外载荷作用下的疲劳寿命性能如何进行试验测试。

超磁滞伸缩驱动器下方放置高温超导带材样品，并在焊接过程通过控制信号使得超磁滞伸缩驱动器对需要焊接的样品施加所需的压力，高温超导带材样品、标准电阻均与电压表相连；高温超导带材样品5与标准电阻串联在电源的正负极之间；

高温超导接头制作流程：

首先，将两个高温超导样品表面较为均匀的涂抹上焊锡膏材料，然后将两个样品涂抹好焊锡材料的面对接到一起，并将其置于夹具的内部。接着调节调节螺栓1，使得位置调节块3带动样品压力施加块4下移，当力传感器7的示数变为0左右时，停止调节螺栓1。此时，根据预先准备施加的焊接压力，设定超磁滞伸缩驱动器8中的驱动线圈10中的励磁电流大小，并采用PID利用焊接压力作为目标值，自动控制励磁电源的电流强度，达到控制超磁致伸缩棒材的伸缩量，使得焊接压力的大小恒定。最后开启加热器6对高温超导样品进行加热焊接，直至整个焊接过程完成，关闭加热器，使样品接头冷却至室温，准备进行电学性能随外载荷的疲劳寿命测试。

电学性能测试过程：

首先，将图1中的焊接压力测试装置，链接至图4的测试系统中。接着将焊接压力测试装置，浸泡至低温杜瓦中，当样品完全冷却后。设定需要测试的压力值，并改变超磁滞伸缩驱动器的电流频率，将励磁电源的电流输入信号，由前面焊接时的稳定值，变为动态的值，如正弦型号、方波等，使得接头样品处在交变载荷下，以此测试接头的疲劳寿命值。当测试完成后，关闭相应的仪器电源，整理好实验设备，结束整个实验测试。

Claims (6)

1.高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，包括有一焊接压力主支架（2），其特征在于，焊接压力主支架（2）的前侧设有通槽，通槽内设有位置调节块（3）；位置调节块（3）下方设有样品压力施加块（4）；样品压力施加块（4）上设有超磁滞伸缩驱动器（8）；通槽的下侧框体中设有加热器（6）；调节螺栓（1）中设有力传感器（7）。

2.根据权利要求1所述的高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，其特征在于，所述的力传感器（7）直接嵌套在调节螺栓（1）的下端，它的下表面与位置调节块（3）的上表面接触。

3.根据权利要求1所述的高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，其特征在于，所述的超磁滞伸缩驱动器（8）整体嵌套于样品压力施加块（4）的内部，其上表面与位置调节块（3）接触，当驱动器在外磁场驱动下动作时，直接将位移变化传递给位置调节块（3）, 位置调节块（3）再将位置的变化量传递给力传感器（7），由力传感器（7）把位移信号转化为力信号。

4.根据权利要求1或3所述的高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，其特征在于，所述的超磁滞伸缩驱动器（8）的数量有三个。

5.根据权利要求1所述的高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置，其特征在于，所述的加热器（6）嵌套在焊接压力主支架（2）的内部，通过通电加热主支架，再通过热传导的方式加热样品；加热器（6）的数量有三个。

6.所述的样品压力施加块5下侧放置高温超导带材样品（5）。