CN110867713A - 一种超导带材的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导带材的焊接方法，以超导裸带为焊接体，包括以下步骤：S1、在待焊超导裸带的焊接部位涂覆焊料，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；所述焊料包括纳米金属，且焊料的体积电阻率为10‑8Ω·m量级及以下；S2、将两焊接部位对齐固定后置于100℃～300℃的温度下保持15min‑45min，得到裸带体；S3、裸带体的外部包覆金属层。本发明能够优化超导带材裸带的焊接工艺，提高超导带材焊接接头处的性能。

Description

一种超导带材的焊接方法
技术领域
本发明涉及超导材料领域，具体涉及一种超导带材的焊接方法。
背景技术
随着超导技术在诸多领域的广泛研究和应用，对超导带材的长度要求越来越高，目前超导带材的长度已不能满足实际需要，超导带材焊接已成为形势所趋，国内许多单位对此也展开了不同程度的研究，其中成品带焊接研究较多。
超导材料焊接工艺有软钎焊、扩散焊和超导焊接。其中扩散焊要求较高的温度和压力，且对超导带材的均匀性要求比较高；超导焊接可实现无阻接头，但其工艺更复杂，目前仅有少数人在研究。传统软钎焊方法相对简单，但若要达到较低的接头电阻值则较困难，工艺实现方法也要求较高。裸带焊接后需要经过锡焊封装工艺，因此裸带焊接需选择温度较高的焊料，又因超导层晶格结构会在高温下发生改变，可能在焊接过程中因失氧而使得超导材料失去超导性，因而焊料选择的温度范围较小。因而需要探究一种适合超导带材的焊接方式，以优化超导带材的焊接工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种超导带材的焊接方法，其能够优化超导带材裸带的焊接工艺，提高超导带材焊接接头处的性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超导带材的焊接方法，以超导裸带为焊接体，包括以下步骤：
S1、在待焊超导裸带的焊接部位涂覆焊料，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；所述焊料包括纳米金属，且焊料的体积电阻率为10-8Ω·m量级及以下；
S2、将两焊接部位对齐固定后置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min，得到裸带体。
进一步的，还包括步骤S3，
S3、裸带体的外部包覆金属层。
进一步的，在步骤S1中，焊料中纳米金属的粒径为20～100nm。
进一步的，在步骤S1中，焊料的导热率大于或等于70W/K·m。
进一步的，在步骤S1中，焊料中纳米金属的浓度大于或等于85％。
进一步的，在步骤S1中，焊料的涂覆厚度小于50μm。
进一步的，在步骤S1之前还包括步骤S01和步骤S02；
S01、对待焊超导裸带的焊接端做圆角处理；
S02、对待焊超导裸带的表面进行清洁处理，并烘干。
进一步的，在步骤S2中，将两焊接部位对齐后置于固定夹具中，并将固定夹具置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min。
进一步的，纳米金属包括纳米银、纳米银合金、纳米金或纳米金合金。
本发明还提供了一种由超导带材的焊接方法制备的超导带材。
本发明的有益效果：
利用两超导裸带进行焊接，有效降低了焊接接头处的厚度，同时提高了焊接接头处的机械强度；
利用含有纳米金属的焊料涂覆在两超导裸带的镀银层表面，在100℃～300℃的温度下，焊料中的纳米金属与超导裸带的镀银层中的分子键合，使得焊接接头处的机械强度与超导裸带的机械相当；同时在焊接超导裸带时仅需保持焊料涂覆和烧结保持厚度均匀，而无需施压，因而降低了焊接时的工艺要求，便于超导带材的制备。
附图说明
图1是本发明中成品带的结构；
图2是本发明中超导带材的结构；
图3是本发明中超导裸带的焊接示意图；
图4是本发明中焊接接头电阻率的测试曲线；
图5是本发明中焊接接头的电阻拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种超导带材的焊接方法的一实施例，包括以下步骤：
S01、对待焊超导裸带的焊接端做圆角处理，以减小焊接后接头处的焊接应力，提高焊机接头处的机械强度；
S02、对待焊超导裸带的表面进行清洁处理，并烘干；本实施例中可以利用酒精或者磷酸溶液清洗两超导裸带的表面，以保持焊接处的清洁，提高焊接接头处的机械强度；
S1、在待焊超导裸带的焊接部位涂覆焊料，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；焊料包括纳米金属，且焊料的体积电阻率为10-8Ω·m量级及以下；焊料的导热率大于或等于70W/K·m；焊料中纳米颗粒的粒径为20～100nm；焊料中纳米金属的浓度大于或等于85％；
S2、将两焊接部位对齐固定后置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min，得到裸带体；
S3、裸带体的外部包覆金属层。
在步骤S1中，利用包含纳米金属的焊料涂覆在两待焊超导裸带的镀银层表面，以利用纳米金属的烧结实现两超导裸带的连接。
现有技术中超导裸带的焊接方式主要包括超导材料焊接工艺有软钎焊、扩散焊和超导焊接。其中，扩散焊要求较高的温度和压力，且对超导带材的均匀性要求比较高；超导焊接可实现无阻接头，但其工艺更复杂，目前仅有少数人在研究。而较为常见的软钎焊在焊接超导裸带的过程中，对焊接工艺的要求较为严苛，同时焊接接头处焊料的电阻率一般在10-7Ω·m量级及以上。在利用软钎焊的过程中焊料的选择的温度范围较小，因为超导裸带焊接后需要经过锡焊封装工艺，因此在焊接超导裸带时需要选择温度较高的焊料。但是，超导层的晶格结构易在高温下发生改变，使得其可能会在焊接的过程中因失氧而使超导材料失去超导性能，因而缩小了焊料选择的温度范围。同时增大了焊接工艺的难度，不易于超导带材的制备。
而本申请在焊接超导材料时选用的焊料中包含纳米金属，且焊料的体积电阻率为10-8Ω·m量级及以下，因而利用上述焊料焊接时，焊接接头的电阻率会低于现有技术中软钎焊焊料的电阻率，提高了裸带体的导电性能。
此外，焊料的导热率大于或等于70W/K·m，因而在焊接的过程中能够快速进行热传递，避免因局部过热造成超导带材失去超导性能。此外，利用包含纳米金属的焊料能够避免软钎焊使用助焊剂造成的环境和焊件污染。
本实施例中纳米金属包括纳米银、纳米银合金、纳米金或者纳米金合金，本实施例中纳米金属选用纳米银或纳米银合金。因为银和金具有优良的导热性能和导电性能，同时，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；在焊接的过程中，纳米银或纳米银合金更易与超导裸带的纳米银颗粒键合，并且，纳米银或者纳米合金烧结后融化温度与纳米材料本身的熔点接近，因此利用纳米银或纳米银合金焊接能够提高焊接接头处的机械强度。包含纳米银或者纳米银合金的焊料，其焊料的电阻率能够达到10-8Ω·m量级及以下，同时在保证工艺条件的情况下，纳米银烧结后获得的焊接接头的电阻可以达到10-9Ω量级以下。同时，利用包含纳米银或纳米银合金的焊料，其在与超导裸带的镀银层烧结焊接两超导裸带的过程中，焊接界面组织密度高、空隙小，因此使得焊接接头处的电阻较低，提高了超导带材在接头处的性能。此外，焊料中纳米银或纳米银合金的浓度大于或等于85％，以增大焊接接头处的机械强度。当然，纳米金属也可以包括其他电阻率低、导热率高的其他纳米颗粒。
焊料中纳米金属的粒径为20～100nm，纳米颗粒的粒径是由具体的制备工艺最终决定的。当纳米金属的粒径小于20nm时，易形成分子间团聚降低了纳米金属材料的导电性能，并且金属颗粒的均匀度一般无法达到要求。当纳米金属的粒径大于100nm时，纳米金属的表面活性性能不足以使烧结温度下降很多。此外，也可以在颗粒较大的纳米或者微米材料中填充纳米颗粒，使其形成渗流理论、隧道效应理论和场致发射效应理论的导电机理，从而降低电阻率。
将两焊接部位对齐固定后置于100℃～300℃的温度下保持15mi n-45mi n，因此利用纳米银或纳米银合金在焊接两超导裸带时是在低温状态下烧结，烧结后熔点达到纳米材料自身熔点的温度，因而无需考虑后续封装工序中的工艺温度，因而降低了焊接工艺的要求，便于超导带材的制备。
本申请焊接时利用两超导裸带为焊接体，得到焊接后的裸带体；通过在裸带体的外部包覆金属层制备出超导带材。因而本申请相对于现有技术中利用成品的带材进行焊接的方式不相同。
超导裸带的焊接方式与成品带的焊接方式存在诸多不同，首先，两者在结构上不同。如图2和图3所示，超导裸带的焊接实际上是两超导裸带表面厚度为2um-3um的镀银层之间的焊接，焊接后得到裸带体需要包覆金属层以形成超导带材。参照图1，成品带焊接实际是两金属带材之间的焊接，其在焊接后直接得到所需的超导带材。其次，两者在焊接时工艺条件不同。超导裸带在焊接时其无需施加压力，只需将压合固定的两超导裸带的焊接部位置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min，即可实现纳米金属与镀银层的分子之间键合，因而超导裸带的焊接其能够在低温度、无压力的条件下完成，其对工艺条件的要求较低，因而便于超导带材的制备。而成品带在焊接时需要施加压力，其对工艺条件的要求更加严苛。此外，两者获得焊接接头的效果不同。两超导裸带焊接得到裸带体后，需要包覆金属层得到超导带材。因为焊接接头被包覆在金属层内，因而看不出焊接接头，美化了超导带材的外观。同时，通过纳米银或者纳米银合金与镀银层分子键合，提高了焊接接头处的机械强度，使得焊接接头与单根超导带材的强度相近；同时获得的超导带材位于接头处的厚度仅为单根超导带材厚度的1.5倍以下。而成品带焊接得到的超导带材位于焊接接头处的厚度大于单根超导带材厚度的2倍；并且焊接接头处的机械强度主要取决于焊接面的强度，因而使得焊接接头处的强度相较于单根超导带材的强度较低。
本申请中将压合固定的两超导裸带的焊接部位置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min，以使得纳米金属与镀银层的分子之间键合。当温度小于100℃时，达不到焊料本身的熔点，无法实现焊料和镀银层的烧结。当温度超过300℃时，易破坏超导层，使得超导带材的性能降低。此外，可以先将两涂覆有焊料的超导裸带的焊接部位对齐固定后放置在固定夹具中，然后将固定夹具放置在100℃～300℃的温度下保持15min-45min。利用固定夹具可以确保焊料涂覆厚度和烧结保持厚度的均匀，以保证焊接接头处的机械强度。
待焊超导裸带位于其焊接部位涂覆的焊料的厚度小于50μm，当焊料的厚度大于50μm时，超导带材的弯曲性能及焊接接头的电阻均会受到影响。
S01、对待焊超导裸带的焊接端做圆角处理，以减小焊接后接头处的焊接应力，提高焊机接头处的机械强度；
S02、对待焊超导裸带的表面进行清洁处理，并烘干；
S1、在待焊超导裸带的焊接部位涂覆焊料，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；焊料包括纳米金属，且焊料的体积电阻率为10-8Ω·m量级及以下；焊料的导热率大于或等于70W/K·m；焊料中纳米颗粒的粒径为20～100nm；焊料中纳米金属的浓度大于或等于85％；
S2、将两焊接部位对齐固定后置于190℃、200℃、210℃的温度下保持30mi n，得到裸带体；
S3、裸带体的外部包覆金属层。
图1焊接接头测试数据
Figure BDA0002317607350000071
在理想焊接情况下，焊接电阻计算表达式为：
Figure BDA0002317607350000072
其中R-焊接电阻，ρAg-银电阻率，dAg-银层厚度，ρSnSb-焊料电阻率，dSnSb-焊料厚度，S为焊接带材的有效搭接面积，而S＝L×a，其中L-搭接长度，a-搭接宽度。
由以上电阻计算公式知：裸带接头电阻与焊料的电阻率、焊接厚度成正比，与有效搭接面积成反比，而有效搭接面积与带材的长度成正比。因此，根据上述测试数据可知当年焊接温度为200℃，焊接长度为10cm时，其焊接接头处的电阻较小。
同时，根据图4关于焊接接头电阻率小于1nΩ的超导接头I-V曲线可知，利用超导焊接获取的焊接接头的电气性能以及临界电流转变特性较为稳定，除表现出一定电阻外，其它与无接头超导带材的I-V曲线无明显变化。
根据图5中关于超导接头拟合电阻曲线可知，电压随着电流的增加呈线性增加，其中拟合直线的斜率则表示接头电阻值，其数值为0.69nΩ。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种超导带材的焊接方法，其特征在于，以超导裸带为焊接体，包括以下步骤：
S1、在待焊超导裸带的焊接部位涂覆焊料，焊料涂覆在超导裸带的镀银层表面；所述焊料包括纳米金属，且焊料的体积电阻率为10-8Ω·m量级及以下；
S2、将两焊接部位对齐固定后置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min，得到裸带体。
2.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，还包括步骤S3，
S3、裸带体的外部包覆金属层。
3.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，焊料中纳米金属的粒径为20～100nm。
4.如权利要求1所述的超导裸带的焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，焊料的导热率大于或等于70W/K·m。
5.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，焊料中纳米金属的浓度大于或等于85％。
6.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，焊料的涂覆厚度小于50μm。
7.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括步骤S01和步骤S02；
S01、对待焊超导裸带的焊接端做圆角处理；
S02、对待焊超导裸带的表面进行清洁处理，并烘干。
8.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，在步骤S2中，将两焊接部位对齐后置于固定夹具中，并将固定夹具置于100℃～300℃的温度下保持15min-45min。
9.如权利要求1所述的超导带材的焊接方法，其特征在于，纳米金属包括纳米银、纳米银合金、纳米金或纳米金合金。
10.一种由权利要求1-9中任一权利所述的超导带材的焊接方法制备的超导带材。
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