CN1416991A - 高温超导电力电缆接头的焊接方法及其专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明高温超导电力电缆接头的焊接方法及其专用装置，包括新的焊料、助焊剂、焊接工艺方法和专用设备。焊料为In－Ag，其熔点温度低、接头电阻小、分散性小。助焊剂用磷酸溶液，浓度约为20％。焊接专用装置包括调压器、温度测量控制器和加热器。加热器的座体上有加热元件对电缆接头施焊处加热，有温度传感器、温度测量控制器和调压器控制加热温度。采用本发明焊接工艺、焊料、助焊剂和专用设备，在1m/1kA高温超导电缆上获得总接头(两个接头)的电阻为0.06μΩ，在6m/2kA高温超导电缆上获得总接头(两个接头)电阻为0.1μΩ的好结果。
Description
技术领域
本发明属于超导工艺技术，涉及高温超导电力电缆接头的焊接方法及其专用焊接设备，主要用于高温超导电力电缆接头的焊接，也适用于一些要求焊接温度低于160℃的接头焊接。
背景技术
采用高温超导电力电缆可以实现低损耗、大容量输电，大大降低运行费用，应用前景非常看好。各技术先进的国家都在竟相开展相关的研究开发工作，其中，高温超导电力电缆的焊接是研究开发的关键技术之
高温超导电力电缆(下文中简称时称之为电缆)是由多根超导带绕制而成的。对电缆接头焊接的主要要求是：
(1)电缆焊接接头的电阻值要尽可能的小，以降低运行时电缆接头的热损耗，提高电缆运行的稳定性，电缆接头的电阻值一般要求小于1μΩ。
(2)焊接温度要控制在160℃以下，以免破坏超导材料的导电性能。
(3)焊接操作简便、可靠、容易实施。
软钎焊是焊接温度比较低的焊接方法，它是利用低熔点焊料和焊件一起加热，焊料熔化后浸润并填满焊件连接处的间隙，形成牢固的结合。然而，现有软钎焊技术包括焊接所需要的焊料和焊接工艺方法都不能满足高温超导电力电缆接头的焊接要求。存在的主要问题是：市售焊料的熔点一般都高于180℃，并且焊接接头的电阻也比较大，超导材料在这样高的温度下焊接将导致其导电性能下降。焊接接头电阻大则运行时热损耗大、稳定性差。因此需要研究开发新的焊料和焊接技术来满足高温超导电缆的焊接要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导电力电缆接头的焊接方法及其专用装置，包括新的焊料、助焊剂、焊接工艺方法和专用设备。
研制性能优良的焊料是实施高温超导电力电缆接头良好焊接的基础。我们选择几种焊接性能比较好的焊料进行了焊接筛选试验，根据试验结果和焊料成分相图的分析，配制出几种新的焊料，再对每种新焊料分别焊接制作了8-10个接头样品并进行测试，样品采用两根高温超导带焊接，接头的搭接长度均为1cm，表1是4种不同焊料焊接接头样品测试结果比较。
表1 几种不同焊料焊接接头样品的性能比较
| 编号 | 焊料成分 | 熔点(℃) | 接头电阻(μΩ) | 分散性 |
| 1 | Sn-Pb | 183 | 4.5 | 大 |
| 2 | Sn-Ag | 190 | 5.6 | 大 |
| 3 | In-Ag | 145 | 2.5 | 小 |
| 4 | In-Sn | 120 | 5 | 大 |
从表1可见，3号焊料In-Ag合金的焊接性能最好，其熔点145℃完全能满足高温超导电力电缆接头焊接的要求，接头电阻较小，分散性也小。3号焊料In-Ag合金中，其配方是Ag约占3％(重量百分比)，其余为In。我们选用它作为电缆接头的焊料。这两种材料的纯度要求达到99.99％以上。助焊剂采用磷酸溶液，浓度约为20％。
由于高温超导电力电缆接头焊接要焊接多根超导带，需要有好的焊接工艺和设备才能保证得到优良的焊接质量。为此，本发明提供了一套电缆接头焊接专用设备。
本发明用于高温超导电力电缆接头焊接的专用装置，包括调压器、温度测量控制器，和一个加热器。该加热器的主要构件包括座体、加热元件、温度传感器和操作手柄。其中座体为一圆柱体或小锥度圆锥体，其圆柱体外径与电缆引出头的内孔为小间隙滑动配合，或与锥度相同的电缆引出头的圆锥内孔配合。操作手柄从座体一个端面的中心伸出，几个加热元件在同一圆柱面均匀分布并与轴线平行装在座体中。温度传感器固定在电缆头表面上。
本发明高温超导电力电缆接头的焊接按以下步骤进行：
(1)施焊表面预处理：包括对电缆端头超导带材，和电缆引出头的洁净处理，处理的长度应超过焊接长度。
(2)绑扎和固定：把电缆端头的超导带材均匀分布并用绑扎膜带绑扎在电缆引出头的圆柱表面上，再把电缆端头不施焊处的边缘用紧固环固定好。
(3)加热与保温：把加热器插入电缆引出头的孔中，对施焊处开始加热，在达到155℃后控制并保持这个温度；
(4)实施焊接：当施焊处的温度稳定在155℃左右时，打开绑扎膜带，涂上适量的助焊剂和焊料，涂抹焊料时转动电缆，使焊料均匀地充满缝隙，再用绑扎膜带刮去多余焊料，然后再用绑扎膜带绑紧；
焊料采用In-Ag合金，助焊剂采用磷酸溶液，绑扎膜带用的是聚酰亚胺薄膜材料。
(5)停止加热：关闭电源，把加热器从电缆引出头的孔中取出；
(6)完成焊接：焊接接头自然冷却至室温，取下紧固环，电缆接头焊接完成。
本发明高温超导电力电缆接头焊料In-Ag合金熔点温度低、接头电阻较小、分散性小，选用的助焊剂效果好，焊接专用设备简单适用。采用本发明焊接工艺、焊料、助焊剂和专用装置，在1m/1kA高温超导电力电缆上获得总接头(两个接头)电阻为0.06μΩ。在6m/2kA高温超导电力电缆上获得总接头(两个接头)的接头电阻为0.1μΩ，而国外同类接头电阻为几个μΩ，由此证明本发明方法和装置是先进的。
附图说明
图1 高温超导电力电缆接头焊接专用装置原理框图。
图2 高温超导电力电缆接头焊接专用装置加热器的工作状态图。
图3 是图2中A-A剖视图。
具体实施方式
本发明提供的用于高温超导电力电缆接头焊料是In-Ag合金，其组分的重量百分比是Ag约占3％，其余为In。要求这两种材料的纯度达到99.99％以上。
本发明提供的助焊剂是磷酸溶液，浓度约为20％。
请参见附图。图1示出了本发明电缆接头软钎焊专用装置原理框图。单相交流电源10给调压器20供电，调压器20连接加热电压显示器40和加热器30中的加热元件17(图2)，温度测量控制器50连接加热器30，检测施焊温度。
图2所示本发明电缆接头焊接专用装置的加热器中，电缆引出头11是用紫铜制成的，呈圆柱筒状，表面有台阶，台阶低处是电缆引出头11与超导带材13的焊接连接处。电缆引出头11的内孔为圆柱孔或小锥度锥孔。加热器30的座体12插入电缆引出头11的内孔中对施焊处加热。
如图2和图3所示，本发明电缆接头焊接专用装置中加热器30的主要构件，包括座体12、加热元件17和操作手柄16。座体12是紫铜制造的圆柱体或小锥度圆锥体，其外径与电缆引出头11的内孔间为小间隙滑动配合，或二者为小锥度的圆锥孔配合。操作手柄16从座体12的一个端面(图中为左端面)中心伸出。几个加热元件17(图中为四个)在同一圆柱面均匀分布并且平行于轴线装在座体12中。温度传感器18装在电缆引出头11的表面。
用本发明专用焊接装置、焊料和焊剂实施电缆接头焊接的工艺方法实例简述如下(参见图2和图3)：
(1)电缆接头施焊表面预处理：
电缆的超导带材13为B系高温超导带材，每根的焊接处都要用细砂纸打磨干净，并在表面初步挂上一层薄薄的焊料14。电缆引出头11为紫铜材料，要用细砂纸打磨干净。焊接长度约为15～20mm，洁净处理长度应大于焊接长度，注意在处理过程中不要损伤导线。
(2)绑扎和固定：把超导带材13围绕电缆端头均匀布置，并用绑扎膜带19绑扎在电缆引出头11圆柱表面台阶低处。再把电缆端头不施焊处的边缘用紧固环15固定好。
焊接加热：把加热器的座体12插入电缆引出头11的孔中，接通电源10，调节调压器20的输出电压对加热元件17供电，温度测量控制器50监测控制升温过程。
本实施例中，升温初始调节电压为160V，大约需要8分钟，电缆引出头11的温度达到约150℃。
(4)保温施焊：
调压器电压由约160V下调到约80V左右，控制并保持电缆引出头11的温度在155℃左右。
打开绑扎膜带19，在施焊处涂上适量的助焊剂和焊料14，抹焊料时要转动电缆，使焊料均匀地充满缝隙，并用绑扎膜带刮去多余焊料，然后再用绑扎膜带绑紧。
焊料14采用In-Ag合金焊丝。助焊剂采用磷酸溶液。绑扎膜带用的是聚酰亚胺薄膜材料。
(5)停止加热：关闭电源10。
停止对电缆引出头11加热，并把加热器30从电缆引出头11中取出。
(6)完成焊接：焊接接头自然冷却至室温，取下紧固环15，电缆接头焊接完成。
Claims (5)
1.高温超导电力电缆接头的焊接方法，其特征是按以下步骤进行：
(1)施焊表面处理：包括对电缆头超导带材的处理，和电缆引出头的处理，处理的长度应超过焊接长度；
(2)绑扎和固定：把电缆端头的超导带材均匀分布，用绑扎膜带绑扎在电缆引出头的圆柱表面上；再把在电缆端头不施焊处的边缘用紧固环固定好；
(3)焊接加热：把加热器插入施焊处，即电缆引出头的孔中，对施焊处开始加热，控制加热温度升到155°并保持这个温度；
(4)保温施焊涂焊料和助焊剂：当施焊处的温度稳定在155°时，打开绑扎膜带，涂上适量的焊料和助焊剂，焊料采用In-Ag合金，助焊剂采用磷酸溶液，顺序是先涂助焊剂，后上焊料，上焊料时转动电缆，使焊料均匀地充满缝隙，然后再用绑扎膜带绑紧；
(5)停止加热：关闭电源，停止加热，把加热器从电缆引出头孔中取出；
(6)接头冷却，完成焊接：焊接接头自然冷却至室温，取下紧固环，电缆接头焊接完成。
2.按照权利要求1所述的高温超导电力电缆接头的焊接方法，其特征是焊料In-Ag合金的组分重量百分比是：Ag约占3％，其余为In，这两种材料的纯度要求达到99.99％以上。
3.按照权利要求1所述的高温超导电缆接头的焊接方法，其特征是助焊剂采用磷酸溶液，其浓度约为20％。
4.按照权利要求1所述的高温超导电缆接头的焊接方法，其特征是绑扎膜带用的是聚酰亚胺薄膜材料。
5.用于高温超导电力电缆接头焊接的专用装置，包括单相调压器、温度测量和控制器，其特征是有一个专用加热器，其主要构件包括座体、加热元件、温度传感器和操作手柄，其中座体为一圆柱体，或小锥度圆锥体，其圆柱体外径与电缆引出头的内孔为小间隙滑动配合，或与锥度相同的电缆引出头的圆锥内孔配合，操作手柄从座体一个端面的中心伸出，几个加热元件按同一圆柱面均匀分布并平行于轴线装在座体中，温度传感器装在电缆引出头的表面。
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