CN114799463A - 一种纳欧级高温超导接头的焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳欧级高温超导接头的焊接装置，包括支撑模块、压力施加模块和接头焊接模块；支撑模块与压力施加模块和接头焊接模块连接，用于提供支撑；压力施加模块用于提供压力来源并在焊接过程中对压力进行调控，从而提高接头焊接成功率；接头焊接模块嵌入支撑模块的支撑台中，且根据接头需求灵活更换。由于本发明提供的焊接装置采用了与接头形状相匹配的焊头，其好处在于体积较小的焊头中各方向上的温度梯度变化较小，温度分布较为均衡，且其他区域带材的超导性能不受热源的影响，且针对块状焊头可均匀施加焊接压力，因此提高了接头制作的质量与效率。

Description

一种纳欧级高温超导接头的焊接装置

技术领域

本发明属于超导材料连接及超导电工技术领域，更具体地，涉及一种具有纳欧级的高温超导接头焊接装置。

背景技术

超导材料的零电阻特性可以使电流在超导线圈中闭环持续流动而不会产生焦耳热损耗。相比于低温超导材料，高温超导材料具有更高的临界电流密度和上临界磁场，可以液氮为制冷工质，从而摆脱使用稀缺资源液氦作为制冷工质的资源限制，因而被广泛应用于超导电缆、超导限流器、超导磁悬浮列车、超导风力电机、核共振成像磁体中，具有更宽广的应用范围和前景。

高温超导材料发展至今，无论是第一代高温超导体铋锶钙铜氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O），还是第二代高温超导体钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O），由于制备工艺的局限性，超导带材仍未实现千米级规模化稳定生产。对于长距离超导电缆而言，将超导短带以接头的方式连接使用仍是目前必要的手段。在绕制大型超导磁体线圈时，由于高温超导体载流能力、电压阻抗以及长度的限制，需要将绕制的线圈以串联或并联的方式配置，线圈之间也需要通过接头进行连接处理。虽然超导带材处于超导态时表现出零电阻无损耗的特性，但接头的焊接电阻与结构缺陷将不可避免地造成局部发热，产生热损耗。在对磁场稳定性要求较高的闭环持续运行模式应用中，接头电阻所造成的热损耗将会极大的影响超导磁体系统的磁场稳定性。因此，超导接头作为大型超导装备示范工程中不必可少的环节之一，始终是被广泛关注的重要问题，然而目前国内外尚未出现一款实用的高温超导接头焊接装置。

中国专利CN 105583485 A提出了一种高温超导接头焊接装置，但由于其使用环状不锈钢带，在接头放置于焊接模具的条件下未能均匀受力，并且钢带易变形，无法与铝制样品环架紧密贴合，进一步加大了压力分布不均的程度，这将导致焊锡层厚度不均，影响接头质量。另一方面，由于装置使用添加配重块的方式进行施压，压力大小无法连续变化，不利于控制焊接压力。中国专利CN 105618967 A和CN 106975855 A均通过设置加热台或加热棒的方式，对高温超导带材间接加热。其缺点在于加热台温度分布不均匀、无法实时控制超导带材焊接面温度，且大面积的加热区域将会导致接头外部区域的带材性能受损，这将极大地影响接头的焊接质量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种纳欧级高温超导接头的焊接装置，旨在解决现有装置中由于温度或压力分布不均影响接头质量的问题。

本发明提供了一种纳欧级高温超导接头的焊接装置，包括支撑模块、压力施加模块和接头焊接模块；支撑模块与所述压力施加模块和所述接头焊接模块连接，用于提供支撑；压力施加模块用于提供压力来源并在焊接过程中对压力进行调控，从而提高接头焊接成功率；接头焊接模块嵌入所述支撑模块的支撑台中，且可根据接头需求灵活更换。

本发明可以通过更换接头焊接模块中的加热块完成不同形状（可以为扁平状或弯曲状）接头的焊接；且在焊接过程中，可以通过调整压力模块中的压力调节单元，实时改变焊接压力，便于研究不同压力条件下接头的焊接条件。

更进一步地，压力施加模块包括：压力检测单元、压力调节单元和压力传递单元；压力检测单元用于检测所施加的压力大小；压力调节单元用于根据需要实时调节压力大小；压力传递单元用于在传递压力的过程中通过保证压力施加模块与接头焊接模块位置达到同心使得压力传递不会发生偏移。

更进一步地，压力调节单元为包括上端、中端和下端的圆柱形结构，上端设有旋转功能，中端为螺纹结构且与支撑模块中的支撑台上端螺纹孔形成螺纹螺杆配合，下端设有凹槽且用于容纳压力检测单元与压力传递单元。

其中，压力检测单元可以为圆饼状压电陶瓷片。

更进一步地，压力传递单元由两段圆柱构成，上段圆柱的半径与压力检测单元的半径相同，下段圆柱的底部中心开有凹槽且用于容纳不锈钢焊头上端。

更进一步地，接头焊接模块包括：加热块和焊接底架；所述加热块用于熔化接头焊接样品中的焊料；所述焊接底架用于固定焊接样品，并通过防止其偏移来减少焊接漏热，加速焊接效率。

更进一步地，加热块为凸台结构，且其左右两端均设置有螺纹孔，用于连接电流源；其上方开设有凹槽用于放置温度传感器。

更进一步地，焊接底架嵌入支撑模块的支撑底架中，所述焊接底架为长方体凸台结构，且其上端设置有用于放置高温超导带材制作接头的凹槽。

更进一步地，加热块与压力传递单元之间以及所述压力传递单元与压力调节单元之间均为间隙配合。

更进一步地，压力调节单元、所述压力检测单元、所述压力传递单元和加热块之间同心设置，使得压力传递不会受到其他方向外力的作用。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提供的高温超导接头焊接装置具有如下技术优点：

（1）由于本发明提供的焊接装置采用了与接头形状相匹配的焊头，其好处在于体积较小的焊头中各方向上的温度梯度变化较小，温度分布较为均衡，且其他区域带材的超导性能不受热源的影响，且针对块状焊头可均匀施加焊接压力，因此提高了接头制作的质量与效率。

（2）本发明提供的焊接装置由于焊接模块采用了可拆卸式结构，使得其可通过更换不同形状的加热块完成不同形状（可以为扁平状或弯曲状）的超导接头焊接。

（3）本发明提供的焊接装置可通过扭转环氧调节杆上端实现连续调节焊接压力，且该结构中设有压电陶瓷片，可实时显示压力大小。

（4）本发明提供的焊接装置的焊头内设有温度传感器插槽，可外接测温仪；两端设有螺纹孔，外接电流源；工控机可与测温仪，电流源形成温度控制系统；可满足对不同熔点的焊料进行焊接的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的焊接装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的焊接装置的剖视图；

图3是本发明实施例提供的焊接装置中施压结构的剖视图；

图4是本发明实施例提供的焊接装置使用流程图；

其中，1为超导接头焊接底架，2为加热块，3为压力传递单元，4为压力检测单元，5为压力调节单元，6为支撑底架，7为支撑台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1所示，本发明提供的超导接头的焊接装置包括：支撑模块、压力施加模块和接头焊接模块；支撑模块为本焊接装置提供主要支撑作用，其连接了压力施加模块与接头焊接模块；压力施加模块用于提供压力来源，保证在焊接过程中压力处于可控状态，可以显著提高接头焊接成功率；接头焊接模块可嵌入支撑台中，并且可以根据接头制备需求灵活更换焊接底架与加热块。支撑模块上端支撑台开有螺纹孔，与压力施加模块中的压力调节单元5中部结构形成螺纹螺杆配合，通过调整压力调节单元5，变相调压。压力调节单元5下端设置有压力传递单元3，且与不锈钢焊头上端形成间隙配合。

如附图2所示，本装置的剖面图更清晰的展示了各个模块组件的位置与配合关系，需要说明的是，为了保证本装置的最佳使用效果，压力调节单元5、压力检测单元4、压力传递单元3和加热块2尽量同心设置，可使压力传递不会受到其他方向外力的作用。

其中，支撑模块由支撑底架和支撑台组成，底架为长方体状凸台，支撑台的作用有两个：（1）为本装置提供了支撑；（2）保证了压力施加模块与接头焊接模块的同心。作为本发明的一个实施例，支撑模块的材料可以采用环氧，也可采用其他耐高温且热导率较差的材料。

如附图3所示，压力施加模块包括压力检测单元4、压力调节单元5和压力传递单元3；压力施加模块从上至下依次为压力调节单元5，压力检测单元4以及压力传递单元3；压力调节单元5为上端设有旋转功能的圆柱，中端为螺纹结构，可以与支撑模块中的支撑台7上端螺纹孔形成螺纹螺杆配合，下端设有凹槽，用于容纳压力检测单元4与压力传递单元3。其材料可以采用环氧，也可采用其他耐高温且热导率较差的材料。

在本发明实施例中，压力检测单元4可以采用压电陶瓷片，用于量化施压大小。

作为本发明的一个实施例，压力检测单元4可以采用圆饼状压电陶瓷片，也可以采用压电式传感器等其他压力检测单元。当其采用压电陶瓷片时，由于压电陶瓷片体积较小，且感应压力效果明显使得压力检测单元的检测精度高；且由于压电陶瓷片可以接入工控机实时显示压力大小，便于在实验中控制压力变量。

在本发明实施例中，压力传递单元3可以为两段圆柱构成，上段圆柱的半径与压力检测单元的半径一致，下段圆柱的底部中心开有凹槽，用于容纳不锈钢焊头上端，其材料可以采用环氧，也可以采用其他耐高温且热导率较差的材料。

在本发明实施例中，接头焊接模块包括加热块2和焊接底架1，加热块2的形状为凸台，其左右两端设有螺纹孔，用于连接电流源，上方开有凹槽用于放置温度传感器。其中，加热块2的材料可以为不锈钢。

作为本发明的一个实施例，加热块2与压力传递单元3，压力传递单元3与压力调节单元5之间均为间隙配合，此结构使以上三个工件的同心度较好，能有效传递、检测压力，且压力不会偏移。

在本发明实施例中，焊接底架1可以嵌入支撑模块的1支撑底架中；焊接底架1的形状可以为一长方体凸台，上端有凹槽，用于放置高温超导带材制作接头，焊接底架1的材料可以为不锈钢。

采用焊接底架1的优点在于：（1）焊接底架与加热块配套使用，满足对不同形状接头焊接的需求；（2）与加热块同时采用不锈钢材料，可以使温度上升更迅速，减少了热量损失；（3）通过施加模块可以使焊接底架与加热块几乎完全贴合，更利于熔化带材中部焊料。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的焊接装置，现以焊接扁平状接头为例，结合附图1~图4详述本发明的具体实施方法如下：

将处理好的带材以带材-焊料-搭接带材的方式放置于结构接头焊接底架1的凹槽中，凹槽上方放置加热块2。将压力传递单元3的底部凹槽放置于加热块2上的凸台中，压力检测单元4放置于压力传递单元3与压力调节单元5之间。通过顺时针扭转压力调节单元5上端，缓慢向下施加压力，待带材固定完毕之后，完成接头焊接装置的压力施加模块装配。加热块2与压力传递单元3，压力传递单元3与压力调节单元5之间均为间隙配合，此结构使以上三个工件的同心度较好，能有效传递、检测压力，且压力不会偏移。

作为本发明的实施例之一，焊头加热块可以为长方体凸台，也可以为弧形凸台，可根据焊接需求灵活更换。

加热块两端螺纹孔通过导线接入电流源，并在其中部插入温度传感器，外接入测温仪。两仪器共同接入工控机，通过程序实时显示焊接情况并控制焊接工序。

仪器准备连接完毕后，启动程序，预设加热温度，保温时间等参数。焊接过程完成后，待焊接区温度降至室温后，逆时针旋转环氧调节杆，取出不锈钢焊头与焊接接头样品，完成本次焊接。

由于本发明采用了与接头形状相匹配的焊头，其体积较小的焊头中各方向上的温度梯度变化较小，温度分布较为均衡，且其他区域带材的超导性能不受热源的影响，且针对块状焊头可均匀施加焊接压力，因此提高了接头制作的质量与效率。同时，由于焊接模块采用了可拆卸式结构，使得其可通过更换不同形状的加热块完成不同形状的超导接头焊接。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳欧级高温超导接头的焊接装置，其特征在于，包括支撑模块、压力施加模块和接头焊接模块；

所述支撑模块与所述压力施加模块和所述接头焊接模块连接，用于提供支撑；

所述压力施加模块用于提供压力来源并在焊接过程中对压力进行调控，从而提高接头焊接成功率；

所述接头焊接模块嵌入所述支撑模块的支撑台中，且根据接头需求灵活更换。

2.如权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，所述压力施加模块包括：压力检测单元、压力调节单元和压力传递单元；

所述压力检测单元用于检测所施加的压力大小 ；

所述压力调节单元用于根据需要实时调节压力大小；

所述压力传递单元用于在传递压力的过程中通过保证压力施加模块与接头焊接模块位置达到同心使得压力传递不会发生偏移。

3.如权利要求2所述的焊接装置，其特征在于，所述压力调节单元为包括上端、中端和下端的圆柱形结构，上端设有旋转功能，中端为螺纹结构且与支撑模块中的支撑台上端螺纹孔形成螺纹螺杆配合，下端设有凹槽且用于容纳压力检测单元与压力传递单元。

4.如权利要求2所述的焊接装置，其特征在于，所述压力检测单元为圆饼状压电陶瓷片。

5.如权利要求2所述的焊接装置，其特征在于，所述压力传递单元由两段圆柱构成，上段圆柱的半径与压力检测单元的半径相同，下段圆柱的底部中心开有凹槽且用于容纳不锈钢焊头上端。

6.如权利要求2-5任一项所述的焊接装置，其特征在于，所述接头焊接模块包括：加热块和焊接底架；

所述加热块用于熔化接头焊接样品中的焊料；

所述焊接底架用于固定焊接样品，并通过防止其偏移来减少焊接漏热，加速焊接效率。

7.如权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述加热块为凸台结构，且其左右两端均设置有螺纹孔，用于连接电流源；其上方开设有凹槽用于放置温度传感器。

8.如权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述焊接底架嵌入支撑模块的支撑底架中，所述焊接底架为长方体凸台结构，且其上端设置有用于放置高温超导带材制作接头的凹槽。

9.如权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述加热块与压力传递单元之间以及所述压力传递单元与压力调节单元之间均为间隙配合。

10.如权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述压力调节单元、所述压力检测单元、所述压力传递单元和加热块之间同心设置，使得压力传递不会受到其他方向外力的作用。

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