CN111540560A - 一种万安级ybco高温超导电流引线装置及其制作方法 - Google Patents

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CN111540560A CN202010438535.2A CN202010438535A CN111540560A CN 111540560 A CN111540560 A CN 111540560A CN 202010438535 A CN202010438535 A CN 202010438535A CN 111540560 A CN111540560 A CN 111540560A
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张硕
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Abstract

本发明涉及一种万安级YBCO高温超导电流引线装置及其制作方法，包括外层高温超导段和内层高温超导段，所述外层高温超导段包括：外层温端铜连接头、外层不锈钢分流器、外层高温超导带材、外层冷端铜连接头；所述内层高温超导段包括内层温端铜连接头、内层不锈钢分流器、内层高温超导带材、内层冷端铜连接头；所述内、外层不锈钢分流器以及两端铜连接头均在外表面均匀开槽用于嵌入焊接高温超导带材组件；所述内层冷端铜连接头内部设有冷却剂通路用于通入冷却剂来冷却电流引线冷端；外层温端铜连接头与电流引线铜换热器段焊接相连，高温超导带材组件及冷端铜连接头与低温超导线焊接相连。

Description

一种万安级YBCO高温超导电流引线装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及高温超导技术领域，尤其涉及一种万安级YBCO高温超导电流引线装置及其制作工艺。
背景技术
大型超导磁体装置中所需的电流引线是室温电源和低温磁体之间重要的电连接部件，一般用于传输大电流，电流引线的漏热是超导磁体的主要热源之一，与常规电流引线相比，采用高温超导段的电流引线结构能够有效降低冷端热负荷并减小氦消耗，进而降低制冷设备投资和运行费用。
以YBCO(钇钡铜氧，或称钇钡铜氧化物)为代表的二代超导材料在液氮温区下具有高临界电流密度、低热导率、优异的磁场性能，且其机械性能相比于一代高温超导材料有着显著的提升，因而其在高温超导电流引线领域有着广阔的应用前景。随着制备工艺的进步，二代超导带材的成本也在不断下降，当前正处于商业化初期。
分流器是高温超导带材的结构支撑部件，具有在失超状态下分走大部分电流的功能，其工作温区在5K至65K之间，分流器的漏热和分流性能是影响高温超导电流引线总体性能的关键因素。
对于万安级YBCO高温超导电流引线，受限于单根超导带材的临界电流，通常采用多带材并联的结构以实现万安级的载流要求，进一步的，通常需要大直径分流器为大量的超导带材提供支撑，从而提高了高温超导段的冷却难度。另一方面，多带材并联的结构中存在大量的焊接接头，接头电阻对电流引线高温超导段的载流性能和失超特性具有重要影响。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种传导漏热率低、便于冷却、具有双层套筒式分流器结构，并且各部分接头电阻很小的万安级YBCO高温超导电流引线装置及其制作与焊接工艺。考虑到万安级的载流要求以及YBCO超导带材的临界电流，即需要使用能够承载大量YBCO超导带材的大尺径分流器，本发明设计了一种双层套筒式分流器结构，从而减小了分流器的外径尺寸，降低了高温超导段的冷却难度，并提出了相应的制作与焊接工艺方法，使得各部分的接头电阻能够满足设计要求。
本发明提出一种万安级YBCO高温超导电流引线装置，包括外层高温超导段和内层高温超导段，所述外层高温超导段包括：外层温端铜连接头、外层不锈钢分流器、外层高温超导带材、外层冷端铜连接头；所述内层高温超导段包括内层温端铜连接头、内层不锈钢分流器、内层高温超导带材、内层冷端铜连接头；
所述内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头均在外表面均匀开槽嵌入焊接高温超导带材组件，其中内、外层两端铜连接头包括内层温端铜连接头、内层冷端铜连接头、外层温端铜连接头和外层冷端铜连接头；
所述内层冷端铜连接头内部设有冷却剂通路用于通入冷却剂来冷却电流引线冷端；
外层温端铜连接头与电流引线铜换热器段焊接相连，高温超导带材组件及内、外层冷端铜连接头与低温超导线焊接相连。
进一步的，所述电流引线采用双层套管式的结构，分为外层高温超导段和内层高温超导段，内、外层高温超导段通过温端的螺纹焊接，以及通过冷端的填料焊接进行连接。
进一步的，所述高温超导组件包括20个Panel，将4条长度相同的YBCO超导带材并列平铺并将带材两头点焊固定制作成一个Panel，并将每个Panel焊接在内、外层分流器及内、外层两端铜连接头外表面的槽内。
进一步的，内层不锈钢分流器与内层两端铜连接头之间采用银铜焊接进行连接，超导带材采用锡焊的方式焊接在内层不锈钢分流器及内层两端铜连接头的表面槽内，在内层温端铜连接头外表面加工有外螺纹。
进一步的，外层不锈钢分流器与外层两端铜连接头之间采用银铜焊接进行连接，超导带材采用锡焊的方式焊接在外层不锈钢分流器及外层两端铜连接头的表面槽内，在外层温端铜连接头内表面加工有内螺纹。
进一步的，分流器材质为304不锈钢，铜连接头的材质为剩余电阻率(RRR)值为50的纯铜，高温超导组件采用YBCO超导带材。
根据本发明的另一方面，提出一种万安级YBCO高温超导电流引线装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤(1)采用铣床以及数控机床完成对高温超导段组件机械结构的加工；
步骤(2)分别将外表面有开槽的内、外层不锈钢分流器与内、外层两端铜连接头进行银铜焊接，然后用丙酮清洗；
步骤(3)进行低温超导线与内、外层高温超导段的焊接；
步骤(4)进行高温超导带材组件与内、外层高温超导段的焊接；
步骤(5)将制作完成的内、外层高温超导段通过温端的螺纹焊接和冷端的填料焊接连接成为一个整体，完成对万安级YBCO电流引线高温超导段的制作；
步骤(6)焊接完成后取下内、外层高温超导段上的夹紧模具及工装，完成对内、外层高温超导段的制作。
进一步的，所述步骤(1)中，高温超导组件的加工包括：内、外层冷端铜连接头的低温超导线槽的加工、内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头外表面槽的加工、内层冷端铜连接头内部冷却剂通路的加工、内层温端铜连接头外螺纹的加工修正、外层温端铜连接头内螺纹的加工修正。
进一步的，所述步骤(3)中，低温超导线与内、外层高温超导段的焊接工艺包括：焊接前先用丙酮清洗并将低温超导线一端微微压扁以增大与YBCO超导带材的接触面积，并将压扁的一端搭接在内、外层冷端铜连接头的外表面槽内，采用熔点为217℃的Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料进行焊接。
进一步的，所述步骤(4)中，高温超导带材组件与内、外层高温超导段的焊接工艺包括：先将YBCO超导带材Panel经过183℃锡焊料池挂上一薄层焊料，并将熔点为217℃的Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料薄带平铺在内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头开槽内，再将YBCO超导带材Panel装入开槽内，然后添加松香酒精混合溶液作为助焊剂，最后按顺序安装硅橡胶软垫和不锈钢夹具并通过不锈钢夹具两端螺栓和中间位置的圆箍压紧，最后对装配好的内、外层高温超导段进行焊接；
对于装配好的内、外层高温超导段的焊接工艺包括：其两端铜连接头采用热箍加热，中间采用加热带包裹加热，用锡纸包裹整个内层高温超导段放入真空室中，并设置6个温度计两两一组共3组分布在分流器的前部、中部和后部测量各部分温度变化，利用电子调控仪控制加热功率使温度均匀上升，并在温度达到160℃、210℃和232℃时分别保温15分钟、15分钟、10分钟，最后通入氮气使其冷却到焊料熔点温度217℃以下，再自然冷却至室温。
进一步的，所述步骤(5)中，内、外层高温超导段之间的焊接工艺包括：首先在内层温端铜连接头的螺纹上缠绕焊丝和助焊剂，加热内层温端铜连接头超过焊料熔点温度15℃以上，旋紧内层高温超导段使其与外层高温超导段通过螺纹固定，然后进行内、外层高温超导段冷端的填料焊接，用加热至熔点温度15℃以上的熔化焊料来填充缝隙，直至焊料刚好溢出。
进一步的，所述冷端焊接之前，装配内、外层高温超导段时将橡胶圈垫在外层冷端铜连接头的内部凸台上，内层高温超导段与之配合压紧刚搞填充内、外层配合的缝隙防止熔化焊料下漏而影响焊接效果，焊接时沿内层冷端铜连接头外壁将熔化焊料填充至缝隙中，直至焊料刚好溢出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种万安级YBCO高温超导电流引线装置，采用双层套管式的分流器结构，相比于单层的分流器结构，在满足能够承载80根YBCO超导带材的要求下，双层套管式结构具有更高的空间利用率，能够显著减小分流器的最大外径，从而节省空间并能够降低冷却难度。
(2)本发明提出了针对采用该结构分流器的YBCO高温超导电流引线的制作工艺。
(3)经实验验证，本发明所提出的焊接工艺的焊接接头电阻能够满足万安级超导电流引线的设计要求。
(4)测试结果表明，采用本发明技术方案生产的YBCO高温超导电流引线具备万安级的稳态载流能力以及良好的LOFA表现，且相较于采用一代高温超导体的万安级电流引线具备更低的冷端漏热。
附图说明
图1为本发明所述的一种万安级YBCO高温超导电流引线装置的结构示意图；
图2为本发明的YBCO超导带材Panel。
其中，附图标记说明如下：1、外层温端铜连接头；2、内层温端铜连接头；3、外层不锈钢分流器；4、内层不锈钢分流器；5、外层冷端铜连接头；6、内层冷端铜连接头；7、高温超导带材组件；8、电流引线铜换热器段；9、低温超导线；10、冷端铜头低温超导线槽；11、冷却剂入口；12、冷却剂出口；13、YBCO超导带材。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述及进一步说明，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为了节省空间从而便于冷却，本发明设计了一种万安级YBCO高温超导电流引线装置，主体包括外层高温超导段和内层高温超导段，所述外层高温超导段包括：外层温端铜连接头1、外层不锈钢分流器3、外层冷端铜连接头5；所述内层高温超导段包括内层温端铜连接头2、内层不锈钢分流器4、内层冷端铜连接头6。
优选地，内、外层高温超导段之间通过温端的螺纹焊接和冷端的填料焊接固定相连，从而保证连接紧密和较低的接头电阻。其中，温端的螺纹焊接方式为：先在内层温端铜连接头2上缠绕焊丝和助焊剂，加热超过焊料熔点温度15℃以上，旋紧内层高温超导段使其与外层高温超导段通过螺纹固定，待自然冷却，焊接完成。冷端的填料焊接方式为：先将橡胶圈垫在外层高温超导段冷端内部凸台上，内层高温超导段与之配合压紧刚好填充内、外层配合的缝隙防止熔化焊料下漏，焊接时沿内层冷端铜连接头6外壁将熔化焊料填充缝隙直至焊料刚好溢出，待自然冷却，焊接完成。
优选地，对于YBCO超导带材13来说，根据实验测试结果，相比于采用堆叠的结构，采用并联平铺的结构制作YBCO超导带材Panel能够使其临界电流线性叠加，如图2所示，本方案的所使用的超导带材Panel由4条长度相同的YBCO超导带材13并联平铺组成，将带材两头点焊固定以使4条YBCO超导带材13两端对齐防止两端层次不齐影响后续焊接时与外层温端铜连接头1、内层温端铜连接头2和低温超导线9的接触面积。
优选地，所述铜连接头外层温端铜连接头1、内层温端铜连接头2、外层冷端铜连接头5、内层冷端铜连接头6所选材料为剩余电阻率(RRR)值为50的纯铜。
优选地，将由20个YBCO超导带材Panel所组成的高温超导带材组件7安装固定于外层温端铜连接头1和外层冷端铜连接头5、外层不锈钢分流器3、内层温端铜连接头2和内层冷端铜连接头6、内层不锈钢分流器4外表面开槽内实现电流的高温超导传输；本发明中高温超导带材组件即YBCO超导带材组件。
优选地，所述外层不锈钢分流器3、内层不锈钢分流器4所选材料为304不锈钢。
优选地，所述YBCO超导带材选用的是基于物理气相沉积法制备的无钉扎双面镀铜的带材。
优选地，外层温端铜连接头1与电流引线铜换热器段8焊接相连，高温超导带材组件7、外层冷端铜连接头5和内层冷端铜连接头6与低温超导线9焊接相连，构成整个电流引线电流通路。
优选地，本方案所述低温超导线9焊接在内、外层高温超导段冷端，并与YBCO超导带材13搭接长度为30mm，其中，焊接前将低温超导线9一端微微压扁以增大与YBCO高温超导带材的接触面积，并将压扁的一端焊接在冷端铜连接头5和6的外表面槽内并通过冷端铜头低温超导线槽10引出，每一个YBCO超导带材Panel与两组低温超导线搭接，每组低温超导线由两根组成，共80根低温超导线。
优选地，外层冷端铜连接头5、内层冷端铜连接头6外表面加工有线槽10用于固定并引出低温超导线9。
优选地，氦冷却剂从冷却剂入口11流入，经内层冷端铜连接头6内部的冷却剂通路，从冷却剂出口12流出，实现对电流引线冷端的冷却。
针对所述的高温超导电流引线装置结构，需要采用如下所述的制作步骤：
第一步，按设计要求分别完成外层温端铜连接头1、内层温端铜连接头2、外层冷端铜连接头5、内层冷端铜连接头6的机械加工、套筒式分流器外层不锈钢分流器3、内层不锈钢分流器4的机械加工以及超导带材Panel的制作。
第二步，将加工好的外层不锈钢分流器3和内层不锈钢分流器4分别与外层温端铜连接头1、外层冷端铜连接头5和内层温端铜连接头2、内层冷端铜连接头6通过银铜焊接相连。
第三步，将图2所示的YBCO超导带材Panel经过183℃锡焊料池挂上一薄层焊料，并将熔点为217℃的SnAg3.0Cu0.5焊料薄带平铺在外层不锈钢分流器3、内层不锈钢分流器4和两端铜连接头1、2、5、6的开槽内，然后把低温超导线9焊接到冷端铜连接头5、6表面槽内边缘，再将YBCO超导带材Panel装入开槽内，然后添加松香酒精混合溶液作为助焊剂，最后按顺序安装硅橡胶软垫和不锈钢压板并通过不锈钢压板两端螺栓和中间位置的圆箍压紧并焊接，焊接完成后取下硅橡胶软垫和不锈钢压板，分别完成内、外层高温超导段的制作。
第四步，首先在内层温端铜连接头2的螺纹上缠绕熔点为156℃的铟焊丝和助焊剂并加热至超过焊料熔点温度15℃以上，然后立刻将内层高温超导段旋入外层高温超导段使其与外层高温超通过螺纹固定，然后将橡胶圈垫在外层冷端铜连接头5内部的凸台上使内、外层高温超导段配合压紧，并沿内层高温超导段冷端铜连接头6外壁将熔化焊料填充到缝隙中直至焊料刚好溢出，最后经过自然冷却完成整个高温超导电流引线的制作。
优选地，对于上述各部分的焊接，需要采用熔点不同的焊料，如熔点为217℃的SnAg3.0Cu0.5、熔点为183℃的Sn63Pn37、熔点为156℃的铟焊料以及熔点温度较高的银铜焊料，根据上述的焊接工序，先焊接的部分选用熔点较高的焊料，防止在焊接过程中已经焊接好的部分再次熔化。
低温实验测试结果表明，本发明所提出的焊接工艺的焊接接头电阻能够满足万安级超导电流引线的设计要求，熔点为217℃的SnAg3.0Cu0.5焊料在液氮温度下的接头电阻为0.3-0.4μΩ/cm2。
采用本发明技术方案生产的YBCO高温超导电流引线通过了10kA的载流测试，证明其具备万安级的稳态载流能力；进行了失冷测试，其从切断温端供冷到超导带材失超的失冷时间达到569秒，完全能够满足设计要求；
由于本发明所采用的分流器材料为热导率较低的304不锈钢，相比于采用铜-不锈钢设计的二元分流器，由温端向冷端的传导漏热更低。
以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有其他变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何更改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种万安级YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：包括外层高温超导段和内层高温超导段，所述外层高温超导段包括：外层温端铜连接头、外层不锈钢分流器、外层高温超导带材、外层冷端铜连接头；所述内层高温超导段包括内层温端铜连接头、内层不锈钢分流器、内层高温超导带材、内层冷端铜连接头；
所述内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头均在外表面均匀开槽嵌入焊接高温超导带材组件,其中内、外层两端铜连接头包括内层温端铜连接头、内层冷端铜连接头、外层温端铜连接头和外层冷端铜连接头；
所述内层冷端铜连接头内部设有冷却剂通路用于通入冷却剂来冷却电流引线冷端；
外层温端铜连接头与电流引线铜换热器段焊接相连，高温超导带材组件及内、外层冷端铜连接头与低温超导线焊接相连。
2.如权利要求1所述的一种YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：所述电流引线采用双层套管式的结构，分为外层高温超导段和内层高温超导段，内、外层高温超导段通过温端的螺纹焊接，以及通过冷端的填料焊接进行连接。
3.如权利要求1所述的一种YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：所述高温超导组件包括20个Panel，将4条长度相同的YBCO超导带材并列平铺并将带材两头点焊固定制作成一个Panel，并将每个Panel焊接在内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头外表面的槽内。
4.如权利要求2所述的一种YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：内层不锈钢分流器与内层两端铜连接头之间采用银铜焊接进行连接，超导带材采用锡焊的方式焊接在内层不锈钢分流器及内层两端铜连接头表面槽内，在内层温端铜连接头外表面加工有外螺纹。
5.如权利要求2所述的一种YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：外层不锈钢分流器与外层两端铜连接头之间采用银铜焊接进行连接，超导带材采用锡焊的方式焊接在外层不锈钢分流器及外层两端铜连接头表面槽内，在外层温端铜连接头内表面加工有内螺纹。
6.如权利要求2所述的一种YBCO高温超导电流引线装置，其特征在于：
分流器材质为304不锈钢，铜连接头的材质为剩余电阻率(RRR)值为50的纯铜，高温超导组件采用YBCO超导带材。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的一种万安级YBCO高温超导电流引线装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)采用铣床以及数控机床完成对高温超导段组件机械结构的加工；
步骤(2)分别将外表面有开槽的内、外层不锈钢分流器与内、外层两端铜连接头进行银铜焊接，然后用丙酮清洗；
步骤(3)进行低温超导线与内、外层高温超导段的焊接；
步骤(4)进行高温超导带材组件与内、外层高温超导段的焊接；
步骤(5)将制作完成的内、外层高温超导段通过温端的螺纹焊接和冷端的填料焊接连接成为一个整体，完成对万安级YBCO电流引线高温超导段的制作；
步骤(6)焊接完成后取下内、外层高温超导段上的夹紧模具及工装，完成对内、外层高温超导段的制作。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)中，高温超导组件的加工包括：内、外层冷端铜连接头的低温超导线槽的加工、内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头外表面槽的加工、内层冷端铜连接头内部冷却剂通路的加工、内层温端铜连接头外螺纹的加工修正、外层温端铜连接头内螺纹的加工修正。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(3)中，低温超导线与内、外层高温超导段的焊接工艺包括：焊接前先用丙酮清洗并将低温超导线一端微微压扁以增大与YBCO超导带材的接触面积，并将压扁的一端搭接在内、外层冷端铜连接头的外表面槽内，采用熔点为217℃的Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料进行焊接。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(4)中，高温超导带材组件与内、外层高温超导段的焊接工艺包括：先将YBCO超导带材Panel经过183℃锡焊料池挂上一薄层焊料，并将熔点为217℃的Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料薄带平铺在内、外层不锈钢分流器及内、外层两端铜连接头开槽内，再将YBCO超导带材Panel装入开槽内，然后添加松香酒精混合溶液作为助焊剂，最后按顺序安装硅橡胶软垫和不锈钢夹具并通过不锈钢夹具两端螺栓和中间位置的圆箍压紧，最后对装配好的内、外层高温超导段进行焊接；
对于装配好的内、外层高温超导段的焊接工艺包括：其两端铜连接头采用热箍加热，中间采用加热带包裹加热，用锡纸包裹整个内层高温超导段放入真空室中，并设置6个温度计两两一组共3组分布在内、外层不锈钢分流器的前部、中部和后部测量各部分温度变化，利用电子调控仪控制加热功率使温度均匀上升，并在温度达到160℃、210℃和232℃时分别保温15分钟、15分钟、10分钟，最后通入氮气使其冷却到焊料熔点温度217℃以下，再自然冷却至室温。
11.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(5)中，内、外层高温超导段之间的焊接工艺包括：首先在内层温端铜连接头的螺纹上缠绕焊丝和助焊剂，加热内层温端铜连接头超过焊料熔点温度15℃以上，旋紧内层高温超导段使其与外层高温超导段通过螺纹固定，然后进行内、外层高温超导段冷端的填料焊接，用加热至熔点温度15℃以上的熔化焊料来填充缝隙，直至焊料刚好溢出。
12.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述冷端焊接之前，装配内、外层高温超导段时将橡胶圈垫在外层冷端铜连接头的内部凸台上，内层高温超导段与之配合压紧刚好填充内、外层配合的缝隙防止熔化焊料下漏而影响焊接效果，焊接时沿内层冷端铜连接头外壁将熔化焊料填充至缝隙中，直至焊料刚好溢出。
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