CN116706573A - 一种高温超导带材的扩散连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导带材的扩散连接装置，包括压力机和扩散连接工装；压力机包括支架平台、隔热板、温控器、压力控制器以及依次连接的驱动电机、减速器、传动杆、压力传感器、隔热垫圈和压头；扩散连接工装包括压块、盖板和底座；底座安装在隔热板上，底座上设有用于放置带材的凹槽，凹槽的底面两侧设有定位凸台，底座内嵌有加热棒和第一热电偶；盖板底端设置与凹槽配合的凸块，凸块下表面设有加热槽，加热槽侧壁设有进气口，加热槽两端设有出气孔，加热槽中插设有第二热电偶；盖板上设有用于压块进入加热槽的通孔，压块下端设有用于下压带材的凸条。本发明能够实现第二代高温超导带材银层的扩散连接，简便地制备低电阻率的银扩散接头。
Description
技术领域
本发明涉及超导电工技术领域，特别是涉及一种高温超导带材的扩散连接装置。
背景技术
基于稀土钡铜氧(REBa2Cu3O7-x，简称REBCO，RE为Y、Gd等稀土元素)材料的第二代高温超导带材(也被称为涂层导体、REBCO带材)具有高临界转变温度(～93K，可应用于液氮温区)、强载流能力等优点，在电力、能源、强磁场及磁悬浮输运等领域有着广泛的应用前景。商业化的单根带材一般在几十米到几百米，而在绕制磁体、研制电缆等实际应用中往往需要数千乃至数十千米长的带材，因此不可避免地需要对带材进行连接。
REBCO带材一般是由金属合金基带、缓冲层、REBCO超导层、银层及铜层依次复合而成。在带材的铜层之间采用低温钎料焊接形成接头是一种被广泛采用的简单可靠的方法，缺点是接头区域的REBCO超导层之间存在银层、铜层、焊料层及它们之间的异质界面，由此产生较高的接头电阻率(>30nΩ·cm2)。因此，将REBCO带材的铜层去除，直接以银层扩散连接形成接头可以大幅降低接头电阻(<10nΩ·cm2)。一般地，带材中的REBCO超导层需要在350～550℃氧气氛中退火才能保持超导性能，因此银扩散的温度需要在此条件下进行。现有针对高温超导带材的银扩散连接装置功能单一、工艺过程不稳定，难以简便高效地实现高温超导带材之间的银扩散连接，制备的银扩散接头性能也较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导带材的扩散连接装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现第二代高温超导带材银层的扩散连接，简便地制备低电阻率的银扩散接头。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高温超导带材的扩散连接装置，包括压力机和扩散连接工装；
所述压力机包括支架平台、隔热板、温控器、压力控制器以及依次连接的驱动电机、减速器、传动杆、压力传感器、隔热垫圈和压头，所述隔热板、所述温控器和所述减速器安装在所述支架平台上，所述压力传感器和所述驱动电机与所述压力控制器电连接，所述压头位于所述隔热板上方，通过所述驱动电机能够驱动所述压头上下移动；
所述扩散连接工装包括压块、盖板和底座；所述底座安装在所述隔热板上，所述底座上设有用于放置带材的凹槽，所述凹槽的底面两侧设有用于引导和定位带材重叠搭接的定位凸台，所述底座侧面设有连通所述凹槽的进气管，所述底座内嵌有加热棒和第一热电偶，所述第一热电偶位于所述凹槽的底面下方；所述盖板底端设置与所述凹槽配合的凸块，所述凸块下表面设有加热槽，所述加热槽侧壁设有与所述进气管连通的进气口，所述加热槽两端设有出气孔，所述加热槽中插设有第二热电偶，所述第二热电偶位于所述凹槽的底面上方，所述第一热电偶和所述第二热电偶与所述温控器电连接；所述压块位于所述压头下方，所述盖板上设有与所述压块配合用于所述压块进入所述加热槽的通孔，所述压块下端设有用于下压带材重叠搭接区域的凸条，所述凸条中设有用于所述第二热电偶穿过的测温孔；所述压头向下移动通过所述压块下压带材重叠搭接区域。
优选地，所述凸条两侧设有定位块，所述定位块与所述定位凸台配合实现对所述压块的定位。
优选地，所述底座内嵌有两个对称分布的所述加热棒，用于对所述加热槽内部空间进行加热；所述底座两侧各设置一个所述进气管，所述加热槽的两侧壁上各设置一个所述进气口，两个所述进气口分别与两个所述进气管连通。
优选地，所述底座两端设有定位槽，所述盖板上设有与所述定位槽配合的定位凸块。
优选地，所述压头的下端面和所述压块的上端面均为弧形面，两个所述弧形面的轴线相互垂直，两个所述弧形面在下压接触时形成点接触。
优选地，所述压块、所述盖板和所述底座为不锈钢材质。
优选地，所述隔热板为云母板。
优选地，所述凹槽的底面和所述凸条的底面镀有陶瓷薄膜。
优选地，所述盖板和所述底座通过螺栓安装固定。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种高温超导带材的扩散连接装置，可以实现高温超导带材的银扩散连接。该装置简单紧凑，可实现自动化的扩散连接过程，包括温度和压力的自动调节，操作更方便，更实用。压块和底座中都插入热电偶，测温点分别靠近于重叠搭接区域的上下位置，可更精确的获得热处理过程中接头区域的温度，从而能够更加准确地控制银扩散的处理温度，保证银扩散连接效果，得到低电阻率的银扩散接头。
进一步地，热处理结束后，超导带材不与扩散连接工装因高温扩散连接而粘到一起，更方便取出接头。此外，装置可对接头区域施加均匀的压力，从而更容易获得低电阻率的银扩散接头。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高温超导带材的扩散连接装置的结构示意图；
图2为本发明中扩散连接工装的结构示意图；
图3为本发明中扩散连接工装的底座的结构示意图；
图4为本发明中扩散连接工装的压块的结构示意图；
图5为本发明中扩散连接工装的盖板的结构示意图；
图6为本发明中扩散连接工装的盖板的另一视角的结构示意图；
图7为本发明中扩散连接工装的剖面图；
图8为采用本发明获得的银扩散接头的V-I曲线图；
图中：1-支架平台、2-隔热板、3-温控器、4-压力控制器、5-驱动电机、6-减速器、7-传动杆、8-压力传感器、9-隔热垫圈、10-压头、11-压块、12-盖板、13-底座、14-带材、15-凹槽、16-定位凸台、17-进气管、18-加热棒、19-第一热电偶、20-凸块、21-加热槽、22-进气口、23-出气孔、24-第二热电偶、25-通孔、26-凸条、27-测温孔、28-定位块、29-定位槽、30-定位凸块、31-安装孔、32-螺纹孔、33-顶紧螺纹孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高温超导带材的扩散连接装置，以解决现有技术存在的问题，能够实现第二代高温超导带材银层的扩散连接，简便地制备低电阻率的银扩散接头。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图7所示，本实施例提供一种高温超导带材的扩散连接装置，包括压力机和扩散连接工装；
压力机包括支架平台1、隔热板2、温控器3、压力控制器4以及依次连接的驱动电机5、减速器6、传动杆7、压力传感器8、隔热垫圈9和压头10，隔热板2、温控器3和减速器6安装在支架平台1上，压力传感器8和驱动电机5与压力控制器4电连接，压头10位于隔热板2上方，通过驱动电机5能够驱动压头10上下移动；
扩散连接工装包括压块11、盖板12和底座13；底座13安装在隔热板2上，底座13上设有用于放置带材14的凹槽15，凹槽15的底面两侧设有用于引导和定位带材14重叠搭接的定位凸台16，底座13侧面设有连通凹槽15的进气管17，底座13内嵌有加热棒18和第一热电偶19，第一热电偶19位于凹槽15的底面下方；盖板12底端设置与凹槽15配合的凸块20，凸块20下表面设有加热槽21，加热槽21侧壁设有与进气管17连通的进气口22，加热槽21两端设有出气孔23，加热槽21中插设有第二热电偶24，第二热电偶24位于凹槽15的底面上方，第一热电偶19和第二热电偶24与温控器3电连接；压块11位于压头10下方，盖板12上设有与压块11配合用于压块11进入加热槽21的通孔25，压块11下端设有用于下压带材14重叠搭接区域的凸条26，凸条26中设有用于第二热电偶24穿过的测温孔27；压头10向下移动通过压块11下压带材14重叠搭接区域。
通过定位凸台16可方便快捷地引导和定位带材14重叠搭接，通过进气管17和进气口22可向加热槽21内通入氧气，提供高温超导带材的氧气氛处理环境，通过驱动电机5驱动压头10上下移动，可方便地调节压头10施加在压块11上的压力，进而调节施加在带材14重叠搭接区域的压力，通过加热棒18可方便地对加热槽21内部空间进行加热，保证带材银层扩散连接的温度，通过压力传感器8和压力控制器4的设置，能够对施加在带材14重叠区域的压力进行自动调节，通过第一热电偶19、第二热电偶24和温控器3的设置，测温点分别靠近于带材14重叠搭接区域的上下位置，可更精确的获得热处理过程中接头区域的温度，从而能够更加准确地控制银扩散的处理温度，保证银扩散连接效果，得到低电阻率的银扩散接头，操作方便，能够实现第二代高温超导带材银层的扩散连接，简便地制备低电阻率的银扩散接头。其中，通孔25为长方形孔，压块11可在通孔25中上下滑动。
本实施例中，凸条26两侧设有定位块28，定位块28与定位凸台16配合实现对压块11的定位。其中，每侧的定位凸台16分散间隔设置，两侧的定位凸台16一一对齐。每侧的定位块28分散间隔设置，两侧的定位块28一一对齐。通过将定位块28插入与其同一侧的定位凸台16的间隙中，通过两端的定位凸台16对定位块28形成限位，实现对压块11的定位。凸条26的长度可设置为与带材14重叠搭接的长度相等，从而得以对带材14重叠搭接区域各处施加压力。
本实施例中，底座13内嵌有两个对称分布的加热棒18，用于对加热槽21内部空间进行加热；底座13两侧各设置一个进气管17，加热槽21的两侧壁上各设置一个进气口22，两个进气口22分别与两个进气管17连通。通过两个加热棒18能够更好地对加热槽21内部空间进行加热，保证各处温度的一致性；底座13两侧各设有两个顶紧螺纹孔33，加热棒18插入底座13中后，通过螺栓螺纹连接在顶紧螺纹孔33中以将加热棒18顶紧固定于底座中；通过两个进气管17向加热槽21通入氧气，氧气由加热槽21两端的出气孔23流出。在需要时，可将加热槽21两端的出气孔23堵住，可以使加热槽21内部空间形成正气压环境。
本实施例中，底座13两端设有定位槽29，盖板12上设有与定位槽29配合的定位凸块30，能够方便快捷地将盖板12与底座13进行定位连接。其中，底座13的凹槽15的两侧各设置两个定位槽29，同侧的两个定位槽29分别位于底座13的两端并对称分布，两侧的定位槽29对称分布。
本实施例中，压头10的下端面和压块11的上端面均为弧形面，两个所述弧形面的轴线相互垂直，两个所述弧形面在下压接触时形成点接触，能够使接头区域实现均匀的压力分布，并且减少压块11与压头10之间的传热。
本实施例中，压块11、盖板12和底座13为不锈钢材质，便于进行加工制作。
本实施例中，隔热板2为云母板，耐高温，并能够减少底座13与支架平台1的传热。
本实施例中，凹槽15的底面和凸条26的底面镀有陶瓷薄膜，陶瓷薄膜为Al2O3、AlN等陶瓷薄膜，防止超导带材与凹槽15和凸条26之间形成扩散连接，方便取出接头。
本实施例中，盖板12和底座13通过螺栓安装固定，盖板12的两端各设置两个安装孔31，对应的底座13两端各设置两个螺纹孔32，通过螺栓穿过安装孔31螺纹连接在螺纹孔32中将盖板12与底座13固定安装。
采用本发明的扩散连接装置进行高温超导带材的扩散连接，其扩散连接过程如下：
将两根高温超导带材14的端部放入底座13上的定位凸台16之间对齐并重叠搭接；然后将压块11插入定位凸台16之间，通过定位块28对压块11进行定位，通过凸条26压设于带材14的重叠搭接区域上；接着将盖板12与底座13通过定位凸块30和定位槽29配合固定，并使压块11从盖板12上的通孔25向上穿出，然后以螺栓将盖板12与底座13连接在一起；通过压力控制器4设定压力并结合压力传感器8控制驱动电机5(伺服电机)通过传动杆7带动压头10上下移动来控制施加在压块11上的压力；通过温控器3设定热处理温度并结合第一热电偶19和第二热电偶24控制加热棒18的功率来调节温度；将气源与进气管17连接通入氧气。
下面以具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
(1)将两根带材14的端部放入底座13上的定位凸台16之间对齐并重叠搭接，带材的宽度为4mm，重叠搭接长度为4cm，即接头区域面积为1.6cm2；然后将压块11插入定位凸台16之间，通过定位块28对压块11进行定位，通过凸条26压设于带材14的重叠搭接区域上；接着将盖板12与底座13通过定位凸块30和定位槽29配合固定，并使压块11从盖板12上的通孔25向上穿出，然后以螺栓将盖板12与底座13连接在一起；通过压力控制器4设定压力为320kg，结合压力传感器8控制驱动电机5通过传动杆7带动压头10上下移动来控制施加在压块11上的压力，根据接头区域面积计算施加的扩散连接压力为20MPa；通过温控器3设定热处理温度为450℃，结合第一热电偶19和第二热电偶24控制加热棒18的功率来调节温度，热处理时间为1h；将气源与进气管17连接通入氧气，流量为200sccm；热处理结束后，等扩散连接工装冷却至室温后取出接头。图8为对本实施例获得的银扩散接头进行四引线法测得的V-I曲线图，接头电阻为6nΩ·cm2，临界电流为110A，表明采用本发明所述扩散连接装置可以获得低电阻率和高临界电流的银扩散接头。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：包括压力机和扩散连接工装；
所述压力机包括支架平台、隔热板、温控器、压力控制器以及依次连接的驱动电机、减速器、传动杆、压力传感器、隔热垫圈和压头，所述隔热板、所述温控器和所述减速器安装在所述支架平台上，所述压力传感器和所述驱动电机与所述压力控制器电连接，所述压头位于所述隔热板上方，通过所述驱动电机能够驱动所述压头上下移动；
所述扩散连接工装包括压块、盖板和底座；所述底座安装在所述隔热板上，所述底座上设有用于放置带材的凹槽，所述凹槽的底面两侧设有用于引导和定位带材重叠搭接的定位凸台，所述底座侧面设有连通所述凹槽的进气管，所述底座内嵌有加热棒和第一热电偶，所述第一热电偶位于所述凹槽的底面下方；所述盖板底端设置与所述凹槽配合的凸块，所述凸块下表面设有加热槽，所述加热槽侧壁设有与所述进气管连通的进气口，所述加热槽两端设有出气孔，所述加热槽中插设有第二热电偶，所述第二热电偶位于所述凹槽的底面上方，所述第一热电偶和所述第二热电偶与所述温控器电连接；所述压块位于所述压头下方，所述盖板上设有与所述压块配合用于所述压块进入所述加热槽的通孔，所述压块下端设有用于下压带材重叠搭接区域的凸条，所述凸条中设有用于所述第二热电偶穿过的测温孔；所述压头向下移动通过所述压块下压带材重叠搭接区域。
2.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述凸条两侧设有定位块，所述定位块与所述定位凸台配合实现对所述压块的定位。
3.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述底座内嵌有两个对称分布的所述加热棒，用于对所述加热槽内部空间进行加热；所述底座两侧各设置一个所述进气管，所述加热槽的两侧壁上各设置一个所述进气口，两个所述进气口分别与两个所述进气管连通。
4.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述底座两端设有定位槽，所述盖板上设有与所述定位槽配合的定位凸块。
5.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述压头的下端面和所述压块的上端面均为弧形面，两个所述弧形面的轴线相互垂直，两个所述弧形面在下压接触时形成点接触。
6.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述压块、所述盖板和所述底座为不锈钢材质。
7.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述隔热板为云母板。
8.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述凹槽的底面和所述凸条的底面镀有陶瓷薄膜。
9.根据权利要求1所述的高温超导带材的扩散连接装置，其特征在于：所述盖板和所述底座通过螺栓安装固定。
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| CN202310771742.3A CN116706573A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种高温超导带材的扩散连接装置 |
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| CN116706573A true CN116706573A (zh) | 2023-09-05 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310771742.3A Pending CN116706573A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种高温超导带材的扩散连接装置 |
Country Status (1)
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2023
- 2023-06-28 CN CN202310771742.3A patent/CN116706573A/zh active Pending
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