CN111570959B - 超导带材接头焊接装置及焊接方法 - Google Patents

超导带材接头焊接装置及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超导带材接头焊接装置，包括柔性底板、定位块、移动驱动机构、移动加热压头和移动顶针压头；柔性底板上设置定位块和移动驱动机构，移动驱动机构通过支架与移动加热压头和移动顶针压头固定，支架的移动带动移动加热压头和移动顶针压头在待焊接超导带材上方移动；定位块沿超导带材的长度方向设置在超导带材的两侧；移动加热压头和移动顶针压头还连接有压力控制装置。本发明装置做出的接头电阻比熟练焊接人员焊接的小，比整体压好焊接的接头电阻小一半以上；形成的接头总厚度相比整体压好焊接形成的接头厚度变薄2um；接头各处厚度的变化从±3um变为±1um，有更好的厚度均匀性，力学性能也更好。

Description

超导带材接头焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及超导电工技术领域，具体地，涉及一种超导带材接头焊接装置和焊接方法。
背景技术
1911年卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。1986年，联邦德国科学家贝德诺尔(J.G.Bednorz)和瑞士科学家缪勒(K.A.Muller)发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将超导体的临界温度Tc提高到35K。之后的一年，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继发现了钇钡铜氧(YBCO)超导体，临界温度超过了90K。这种超导体的临界温度高于了液氮的温度(77K)，所以人们称之为高温超导体。2001年，日本科学家Akimitsu发现二硼化镁超导体(MgB2)。2008年，日本科学家Hideo Hosono发现以铁基超导体。目前这些材料都被制成了可以被应用的长带。
目前一代高温超导(BSCCO)带材和，二硼化镁(MgB2)超导带材和铁基超导带材都使用了粉末套管法。二代高温超导(YBCO)带材采用了涂层的方法制备。考虑到后续的应用中对带材电学和力学性能的要求，通常对带材采用镀铜加强或封装加强。
随着近些年超导带材的量产化突破，超导电力和磁体设备的飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导磁悬浮、核磁共振、核聚变、加速器等领域取得显著成果。
量产的超导带材还是百米等级，面向大容量的电力或磁体应用中动辄数公里到几百公里的用量，目前的单根带材长度还是不能满足超导装置对带材长度的要求。因此在实际应用中，通常是需要焊接相对短的带材来满足设备对带材长度的需求。因此在设备中通常有大量接头。
为了不影响设备的性能，一般要求接头电阻尽可能小，这样可以提高装置运行的稳定性。因为由接头电阻过大会导致的局部的发热量过大，如果热量不能及时被带走，可能造成带材的烧毁，从而引发设备的故障。
目前接头的形式分为有阻接头技术和无阻接头技术。除了低温超导，无阻接头尚处于起步阶段，还没有成功应用的案例。有阻接头主要包括钎焊、银扩散法。其中银扩散法的接头需要长时间的烧制，还没有被超导应用界接受。因此目前工业界使用最多的接头还是钎焊接头，即使用焊锡将两端超导带材焊接在一起。
接头的好坏由接头电阻来表征，不同带材由于材料不同，界面电阻不同，因此其他条件都一样的情况下，接头电阻也会有很大的差距。同一种带材的接头电阻与搭接面积有关。搭接面积越大，接头电阻越小。如果搭接面积过大，无论是焊接还是后续加工都很难操作。搭接面积过小，接头电阻又会很大，因此通常搭接面积会选择在2-10cm左右。
目前焊接的方式主要有两种。1、依赖于手工的焊接。2使用机器或工装进行焊接。
作为一个大量工业中的重复操作，为了保证稳定性还是希望使用机器或工装进行焊接。因为手工使用电烙铁的操作及其依赖于个人的能力，如果人出现了变化，接头就很难做到稳定。在实践过程中也发现：不同的人对同一种接头的差别很大甚至能大到5倍。但是刨除那些不熟练的人员，让熟练的焊接人员进行焊接，经过大量的统计发现接头电阻还是比目前机器做的接头电阻要小一半以上。
经过对现有技术的检索，申请公布号为CN 105583485A的发明专利公开了一种用于高温超导带材接头的焊接装置，其样品环架固定在固定板的一端，与固定板的水平面垂直。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。样品环架上均匀开有小孔。加热用的不锈钢带的中间部分包裹耐高温的聚酰亚胺膜。不锈钢带的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。环氧连接体位于两个铜块连接体之间，环氧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。采用该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,对应的接头电阻率为64nΩ·cm2；(2)将2根日本住友生产的DI-BSCCOTypeHT-NX导线焊接，对应的接头电阻率为1200nΩ·cm2，接头电阻率都不够小。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导带材接头焊接装置和焊接方法。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
本发明的第一方面提供一种超导带材接头焊接装置，包括柔性底板、定位块、移动驱动机构、移动加热压头和移动顶针压头；
所述柔性底板上设置所述定位块和所述移动驱动机构，所述移动驱动机构通过支架与所述移动加热压头和所述移动顶针压头固定，所述支架的移动带动所述移动加热压头和所述移动顶针压头在待焊接超导带材上方移动；
所述定位块沿所述超导带材的长度方向设置在所述超导带材的两侧；
所述移动加热压头和所述移动顶针压头还连接有压力控制装置。
优选的，所述移动顶针压头的端部与所述移动加热压头的端部接触，防止焊接时超导带材翘起。
优选的，所述定位块包括端部定位块和中部定位块，所述中部定位块位于所述超导带材待焊接部位的两侧并将其固定夹紧；所述端部定位块位于所述超导带材两端并将其固定夹紧。
优选的，所述移动驱动机构为单轴驱动器。
优选的，所述压力控制装置为气缸或弹簧机构。
优选的，所述定位块采用耐热材料制成，所述柔性底板用橡胶制成，所述移动加热压头用铜块制作且头部呈V字形。
本发明的第二方面提供一种超导带材接头焊接方法，采用上述所述的超导带材接头焊接装置，包括以下步骤：
S1、在两条待焊接超导带材的正面待焊接部位分别预先涂焊锡；
S2、将两条超导带材上涂焊锡的待焊接部位搭接形成搭接部，然后用定位块在两条超导带材的两侧加紧定位；
S3、用移动加热压头从搭接部的第一端匀速移动到第二端完成第一次焊接，在移动加热压头移动的过程中，移动顶针压头的头部与移动加热压头的头部接触一起移动，防止超导带材翘起；
S4、经过第一次焊接后，将所述超导带材待焊接区域的中部定位块移出，端部定位块继续夹紧超导带材的两端；
S5、用移动加热压头沿搭接部的第二端向第一端进行第二次焊接，然后从搭接部的第一端向第二端进行第三次焊接，如此来回重复多次，使焊锡夹层的厚度、均匀性等达到所需要求；
S6、最后将搭接部两端挤出的多余焊锡用电烙铁去除，并在搭接部两端通过焊接封上过渡三角区域，主要起过渡作用和防止低温水气从带材侧面进入与超导反应。
优选的，所述移动加热压头移动时施加的压力每次逐渐减小。
优选的，步骤S3中，焊接时所述移动加热压头与所述超导带材的角度控制在60°，因为角度为60°超导带材受热多，有利于将两片带材弄服帖；步骤S5中，所述移动加热压头在搭接部的第二端和第一端之间重复多次焊接，最后几次焊接过程中，所述移动加热压头与所述超导带材的角度控制在90°，有利于将多余的焊锡挤出。
优选的，所述移动加热压头的压力控制在5-30N，所述移动顶针压头的压力控制在1-5N。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法，做出的接头电阻比熟练焊接人员焊接的小，比整体压好焊接的接头电阻小一半以上。
2、本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法，形成的接头总厚度相比整体压好焊接形成的接头厚度变薄2um。
3、本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法，接头各处厚度的变化从±3um变为±1um，有更好的厚度均匀性，力学性能也更好，现有技术领域，普遍认为，接头部分整体压好焊接才能形成质量最好的焊接接头，本发明克服了这种技术偏见。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明超导带材接头焊接装置的结构示意图；
图2为本发明超导带材接头焊接装置在首次焊接时的状态图；
图3为本发明超导带材接头焊接装置在最后几次焊接时的状态图；
图4为本发明超导带材接头焊接方法得到的最终接头示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至4所示，接下来结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
实施例1
一种超导带材接头焊接装置，包括柔性底板4、定位块3、单轴驱动器8、移动加热压头5和移动顶针压头6；柔性底板4上设置定位块3和单轴驱动器8，单轴驱动器8通过支架7与移动加热压头5和移动顶针压头6固定，支架7的移动带动移动加热压头5和移动顶针压头6在待焊接超导带材1上方移动；定位块3沿超导带材1的长度方向设置在超导带材1的两侧；移动加热压头5和移动顶针压头6还连接有压力控制装置2。优选的，压力控制装置2为气缸或弹簧机构。
为了防止焊接时超导带材1翘起，移动顶针压头6的端部与移动加热压头5的端部接触。
定位块3采用耐热材料(优选聚四氟乙烯等)制成，柔性底板4用橡胶制成，移动加热压头5用铜块制作且头部呈V字形，便于更好的保证焊接厚度均匀。
为了更好的定位超导带材，定位块3包括端部定位块31和中部定位块32，中部定位块32位于超导带材1待焊接部位的两侧并将其固定夹紧；端部定位块31位于超导带材1两端并将其固定夹紧。
实施例2
一种超导带材接头焊接方法，采用上述的超导带材接头焊接装置，包括以下步骤：
S1、在两条待焊接超导带材1的正面待焊接部位分别预先涂焊锡；
S2、将两条超导带材1上涂焊锡的待焊接部位搭接形成搭接部，然后用定位块3在两条超导带材1的两侧加紧定位；
S3、用移动加热压头5从搭接部的第一端匀速(优选0.3-3cm/s)移动到第二端完成第一次焊接，在移动加热压头5移动的过程中，移动顶针压头6的头部与移动加热压头5的头部接触一起移动，防止超导带材1翘起；焊接时移动加热压头5与超导带材1的角度控制在60°，因为角度为60°超导带材受热多，有利于将两片带材弄服帖；
S4、经过第一次焊接后，将超导带材1待焊接区域的中部定位块32移出，端部定位块31继续夹紧超导带材的两端；
S5、用移动加热压头5沿搭接部的第二端向第一端进行第二次焊接，然后从搭接部的第一端向第二端进行第三次焊接，如此来回重复多次，使焊锡夹层的厚度、均匀性等达到所需要求；移动加热压头5在搭接部的第二端和第一端之间重复多次焊接，最后几次焊接过程中，移动加热压头5与超导带材1的角度控制在90°，有利于将多余的焊锡挤出。在焊接过程中，移动加热压头5的压力控制在5-30N，移动顶针压头6的压力控制在1-5N移动加热压头5移动时施加的压力每次逐渐减小。
S6、最后将搭接部两端挤出的多余焊锡用电烙铁去除，并在搭接部两端通过焊接封上过渡三角区域9，主要起过渡作用和防止低温水气从带材侧面进入与超导反应。
通过本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法得到的焊接接头，接头电阻达到30nΩcm2，而现有接头机得到的焊接接头，接头电阻为70nΩcm2。
通过本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法得到的焊接接头，以原始厚度180μm的尺寸封装后的带材举例，经过多次测量，做完接头的厚度在363μm±1μm；而现有接头机得到的焊接接头，接头的厚度取决带材封装后的原始厚度，以原始厚度180μm的封装后带材举例，经过多次测量，做完接头的厚度在365μm±3μm。
本发明的超导带材接头焊接装置及焊接方法，做出的接头电阻比熟练焊接人员焊接的小，比整体压好焊接的接头电阻小一半以上；形成的接头总厚度相比整体压好焊接形成的接头厚度变薄2um；接头各处厚度的变化从±3um变为±1um，有更好的厚度均匀性，力学性能也更好，现有技术领域，普遍认为，接头部分整体压好焊接才能形成质量最好的焊接接头，本发明克服了这种技术偏见。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，采用的超导带材接头焊接装置，包括柔性底板(4)、定位块(3)、移动驱动机构、移动加热压头(5)和移动顶针压头(6)；所述柔性底板(4)上设置所述定位块(3)和所述移动驱动机构，所述移动驱动机构通过支架(7)与所述移动加热压头(5)和所述移动顶针压头(6)固定，所述支架(7)的移动带动所述移动加热压头(5)和所述移动顶针压头(6)在待焊接超导带材(1)上方移动；所述定位块(3)沿所述超导带材(1)的长度方向设置在所述超导带材(1)的两侧；所述移动加热压头(5)和所述移动顶针压头(6)还连接有压力控制装置(2)；
焊接方法包括以下步骤：
S1、在两条待焊接超导带材(1)的正面待焊接部位分别预先涂焊锡；
S2、将两条超导带材(1)上涂焊锡的待焊接部位搭接形成搭接部，然后用定位块(3)在两条超导带材(1)的两侧夹紧定位；
S3、用移动加热压头(5)从搭接部的第一端匀速移动到第二端完成第一次焊接，在移动加热压头(5)移动的过程中，移动顶针压头(6)的头部与移动加热压头(5)的头部接触一起移动，防止超导带材(1)翘起；
S4、经过第一次焊接后，将所述超导带材(1)待焊接区域的中部定位块(32)移出，端部定位块(31)继续夹紧超导带材的两端；
S5、用移动加热压头(5)沿搭接部的第二端向第一端进行第二次焊接，然后从搭接部的第一端向第二端进行第三次焊接，如此来回重复多次；
S6、最后将搭接部两端挤出的多余焊锡用电烙铁去除，并在搭接部两端通过焊接封上过渡三角区域(9)；
焊接后的超导带材接头电阻达到30nΩcm2。
2.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述移动顶针压头(6)的端部与所述移动加热压头(5)的端部接触，防止焊接时超导带材(1)翘起。
3.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述定位块(3)包括端部定位块(31)和中部定位块(32)，所述中部定位块(32)位于所述超导带材(1)待焊接部位的两侧并将其固定夹紧；所述端部定位块(31) 位于所述超导带材(1)两端并将其固定夹紧。
4.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述移动驱动机构为单轴驱动器(8)。
5.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述压力控制装置(2)为气缸或弹簧机构。
6.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述定位块(3)采用耐热材料制成，所述柔性底板(4)用橡胶制成，所述移动加热压头(5)用铜块制作且头部呈V字形。
7.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述移动加热压头(5)移动时施加的压力每次逐渐减小。
8.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，步骤S3中，焊接时所述移动加热压头(5)与所述超导带材(1)的角度控制在60°，步骤S5中，所述移动加热压头(5)在搭接部的第二端和第一端之间重复多次焊接，最后几次焊接过程中，所述移动加热压头(5)与所述超导带材(1)的角度控制在90°。
9.根据权利要求1所述的一种超导带材接头焊接方法，其特征在于，所述移动加热压头(5)的压力控制在5-30N，所述移动顶针压头(6)的压力控制在1-5N。
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