DE1665790B2 - Verfahren zum Herstellen eines aus supraleitenden und elektrisch normalleitenden Metallen zusammengesetzten Leiters - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines aus supraleitenden und elektrisch normalleitenden Metallen zusammengesetzten LeitersInfo
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Description
zeichnet, daß das Verschweißen der Sup, aleitcr (71)
mit dem Normalleiter (72) und das Aufschweißen des hochfesten Metalls (71) auf den Normalleiter
(71) in getrennten Arbeitsgängen erfolgt.
Ib. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Leiter im Anschluß an das Ultraschallschweißen
einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Verwendung vom Aluminium als Normalleiter der zusammengesetzte Leiter wenige
Minuten bis etwa 1 Stunde lang einer Temperatur von etwa 200 bis 300"C ausgesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch Ib. dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung von weichgeglühtem Kupfer als Noriualleitcr der zusammengesetzte Leiter
etwa 5 Minuten lang einer Temperatur von etwa 500 bis b00°C ausgesetzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17. dadurch gekennzeichne!,
daß als Normalleitcr ein Aluminiumband von wenigstens 99,95% Reinheit verwendet wird,
dab zu wenigstens 10% kalt verformt isi, und uer zusammengesetzte Leiter etwa 5 Minuten lang
einer Temperatur von etwa 200 bis iOO'C ausgesetzt
wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 19.
dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen mittels einer Ulirasehall-Rollennaht-Schweißmaschine
mit aufgerauhter Sonotrode und Amboßrolle rrfolgt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines aus supraleitenden und elektrisch normallcitcndcn Metallen zusammengesetzten Leiters, bei dem
mehrere parallel zueinander verlaufende Supraleiter mit einem Normalleiter aus Kupfer oder Aluminium,
welcher einen größeren Querschnitt besitzt als die Su priilciter, fest verbunden werden.
Für den Bau von Supraleitungsspulen, insbesondere von supraleitenden Großmagneten, haben sich sogenannte
stabilisierte Leiter, die aus supraleitenden und bei der Betriebstemperatur der Spulen gut elektrisch
leitenden, normalleitcnden Metallen zusammengesetzt sind, als vorteilhaft erwiesen. Um eine gute elektrische
Stabilität der Spule zu erreichen, sollen dabei Quer
schnitt und Tieftempcraturleitfähigkeil des normalleitenden
Metalls so bemessen werden, daß der zusam mengesetzte Leiter bei guter Kühlung in der Spule kei
nc wesentliche Stromdcgradation aufweist und daß beim Übergang des Supraleiters in den kritischen Zustand
durch Überschreitung des kritischen Stromes der den Supraleiter durchfließende Strom ganz oder teilweise
von dem normalleitenden Metall übernommen werden kann, so daß der Übergang des Supraleiters
vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand kontinuierlich und reversibel erfolgt und durch eine geringfügige
Verkleinerung des Stromes der supraleitende Zustand wieder hergestellt werden kann.
Ks ist bereits ein aus supraleitendem und normalleitendem
Metall zusammengesetzter Leiter bekannt, bei dem mehrere parallel zueinander verlaufende Niob-Zirkon-Drähte
in ein Kupierband eingelagert sind (I R-PS 14 40 228). Bei der umlagerung der supraleitenden
Drähte in das Kupferband, die durch Einwalzen erfolgen kann, ist es icdoch schwierig, zwischen dem
Supraleiiermatcrial und dem normallcitendcn Metall
cnicn guten Kontakt mit möglichst kleinem Übergangswiderstand
herzustellen. Ein niedriger Übergangswiderstand ist jedoch sehr erwünscht, um einen
reversiblen Stromübergang zwischen Supraleiter und Normalleiter zu ermöglichen. Außerdem besteht beim
Einwalzen von supraleitenden Drähten in Kupferbänder die große Gefahr, daß das Kupfer eine stärkere
Längsdehnung erleidet als das mechanisch härtere Supraleitermatenal
und daß das Kupfer ferner durch die Verformung beim Walzen eine Walztextur erhält.
Durch eine solche Textur wird der Restwiderstand des Kupfers bei tiefen Temperaturen heraufgesetzt, was
eine Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit und somit eine Verschlechterung der Stabilisierungswirkung
zur Folge hat.
Ferner isi zum Herstellen von Leitern mit Aluminium als normalleitendem Metall ein Verfahren bekannt,
bei welchem die supraleitenden Drähte durch Strangpressen mit Aluminium ummantelt werden (FR-PS
14 52 32fa). Da jedoch bei einem solchen Strangpreßverfahren
das Aluminium nicht auf zu hohe Temperaturen erhitzt werden darf, um eine Schädigung der Supraleiter,
insbesondere eine stärkere Herabsetzung der kritischen Stromdichte, zu vermeiden, wird zwischen
den Supraleitern und dem Aluminium weitgehend nur ein Preßkontakt erzielt, der einen verhältnismäßig gro
Ben Übergangswiderstand besitzt und zudem altcrungsanfällig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs erwähnte Verfahren weiter zu verbessern. Insbesondere soll unter
Vermeidung einer zu starken Verformung des normalleitenden Metalls eine möglichst innige und dauerhafte
Verbindung zwischen den Supraleitern und dem elektrisch normalleitenden Metall erzielt werden, die
einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die Supraleiter über ihre ganze Länge mit dem
normalleitenden Metall mittels Ultraschallschweißens verbunden.
In anderem Zusammenhang, nämlich zur Herstellung einer dünnen Schicht aus einer supraleitenden Legierung
bzw. intermetallischen supraleitenden Verbindung, ist es durch die GB-PS 1004 179 bereits bekannt,
zwei aus den Komponenten der zu erzeugenden Verbindung bzw. Legierung bestehende Bänder mittels Ultraschall
miteinander zu verschweißen. Als Supraleiter wird dann die Zwischenschicht zwischen den Bändern
ausgenutzt. Daß bei diesem Verfahren gegebenenfalls ein aus Supraleitermaterial und normalleitendem Metall,
wie Aluminium, bestehender Leiter entsteht, ist rein zufällig. Angestrebt ist die Herstellung der Schicht
aus der supraleitenden Verbindung bzw. Legierung, nicht aber die Herstellung eines aus Supraleitermaterial
und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten stabilisierten Leiters. Ferner ist durch die
OFPS 2 49 773 ein Verfahren zum Herstellen von Bändern mit Schichten aus einer zweikomponentigen, intermetallischen,
supraleitenden Verbindung bekannt, bei dem die niedriger schmelzende Komponente der
herzustellenden supraleitenden Verbindung zwischen zwei Bändern aus der höher schmelzenden Komponente
der Verbindung gebracht wird, deren Ränder dann verschweißt werden. Die Schichten aus der supraleiter
den Verbindung werden erst anschließend durch eine Wärmebehandlung hergestellt. Falls die Bänder aus der
höher schmelzenden Komponente aus Niob oder Tantal bestehen, kann das Verschweißen ihrer Ränder
durch Ultraschallschweißen erfolgen. Dabei werden jedoch immer jeweils gleiche Materialien miteinander
verschweißt und die später als Supraleiter ausgenutzten Schichten aus der intermetallischen Verbindung
sind beim Schweißvorgang überhaupt noch nicht vorhanden. Auch dieses Verfahren betrifft demnach nicht
die Herstellung von aus Supraleitermaterial und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten stabilisierten
Leitern.
Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leitern wird durch den großen Querschnitt
des Normatieiters eine gute elektrische Stabilisierung der Supraleiter gewährleistet. Bei Verwendung
des Leiters, beispielsweise in einer Supraleitungsmagnetspule, sind die parallel zueinander verlaufenden Supraleiter
auch elektrisch parallel geschaltet und können sich daher bei Überlastung eines Supraleiters gegenseitig
entlasten.
Zur Herstellung des zusammengesetzten Leiters werden vorzugsweise Supraleiter aus Hochfeldsupraleitermaterial
verwendet, beispielsweise eignen sich besonders Drähte und Bänder aus supraleitenden
Niob-Zirkon- und Niob-Titan-Legierungen und Bänder mit Schichten aus supraleitenden, intermetallischen
Verbindungen, vorzugsweise Niob-Zmn (NbsSn). Für besondere Anwendungen können auch andere sogenannte
harte Supraleiter, beispielsweise Niob, in Frage kommen.
Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten zusammengesetzten Leitern treten überraschend
geringe Übergangswiderstände zwischen den Supraleitern und dem Normalleiter auf. Die auf den Supraleitern,
insbesondere den Niob-Zirkon- und Niob-Titan-Legierungen üblicherweise vorhandenen Passivierungsschichten
und die an der Oberfläche der aus Aluminium und Kupfer bestehenden Normalleiter üblicherweise vorhandenen dünnen Oxidschichten, die
einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Metallen behindern, werden beim Ultraschallschweißvorgang
weitgehend zerstört, so daß ein hervorragender elektrischer Kontakt zwischen den Metallen auftritt. Da die
durch das Ultraschallschweißen bewirkte Verbindung zwischen den Metallen sehr innig ist, findet an der Verbindungsstelle
auch keine Neubildung derartiger Passivierungs- und Oxidschichten statt, so daß der Kontakt
zwischen Supraleiter und Normalleiter sehr alterungsbeständig ist; dies gilt insbesondere, wenn der Supraleiter
vom normalleitenden Metall völlig umschlossen wird. Ferner tritt beim Ultraschallschweißen keine
Längsdehnung und keine wesentliche Kaltverformung des Normalleiters auf. Lediglich an der Schweißstelle
wird der Normalleiter in geringem Maße örtlich verformt, der Hauptteil seines Querschnittes bleibt jedoch
unverändert. Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird der Restwiderstand des Normalleiters
daher praktisch kaum erhöht.
Um ein leichtes Einschweißen des Supraleiters zu ermöglichen, wird bei Verwendung von Kupfer als Normalleiter
vorzugsweise weichgeglühtes Kupfer vorgesehen. Dabei wird SE-Kupfer, d.h. sauerstoffarmes
Kupfer, wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen bevorzugt.
Die Verwendung eines Normalleiters aus Alumin:um
beim erfindungsgemäßen Verfahren kann zusätzlich noch besondere Vorteile bieten. So hat Aluminium ein
mehr als dreimal geringeres spezifisches Gewicht, eine niedrigere Rekristallisationstemperatur, eine höhere
Duktilität und bei genügender Reinheit bei tiefen Temperaturen eine bessere elektrische Leitfähigkeit, bessere
Wärmeleitfähigkeit sowie eine kleinere spezifische Wärme als Kupfer aufzuweisen. Bei der Verwendung
von Aluminium ist somit wegen der günstigeren elektrischen Werte bei tiefen Temperaturen eine noch bessere
Stabilisierungswirkung als bei Kupfer zu erwarten. Ferner wird das Gewicht der Supraleitungsspulen, das
insbesondere bei Großmagneten von Bedeutung sein kann, beim Einsatz von Aluminium wesentlich vermindert.
Wegen des besonders niedrigen Restwiderstandes bei tiefen Temperaturen wird vorzugsweise Aluminium
einer Reinheit von wenigstens 99,95% verwendet. Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als
Normalleiter ist es von besonderer Bedeutung, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren durch das Ultraschallschweißen
die auf dem Aluminium befindliche Oxidschicht zerstört wird, die sonst eine innige Berührung
zwischen Aluminium und Supraleiter verhindern würde. Erst durch das Ultraschallschweißen wird ein
guter Kontakt zwischen Aluminium und Supraleiter herbeigeführt. Aluminium besitzt zwar bei Temperaturen
unterhalb von etwa U0K Supraleitungseigenschaften,
ist jedoch wegen dieser niedrigen Sprungtemperatur und wegen seines niedrigen kritischen Magnetfeldes
beim Betrieb der erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leiter, der üblicherweise bei etwa 4,2° K erfolgt,
elektrisch normalleitend. Es ist daher im Sinne der Erfindung als Normalleiter anzusehen.
Die Verbindung der Supraleiter mit dem normalleitenden Metall kann beim erfindungsgemäßen Verfahren
in verschiedener Weise erfolgen.
Vorzugsweise werden die Supraleiter vollständig in den Normalleiter eingebettet. Dadurch wird erreicht,
daß die Supraleiter an ihrer gesamten Oberfläche in gutem elektrischen Kontakt mit dem normalleitenden
Metall stehen. Zum Einbetten der Supraleiter werde·· bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Supraleiter in ein Band aus dem Normalleiter so vollständig eingeschweißt, daß sich der
Normalleiter über den Supraleitern weitgehend schließt. Bei einer anderen Ausführungsform werden
die Supraleiter in ein Band aus dem Normalleiter eingeschweißt und anschließend ein zweites Band aus dem
gleichen Metall auf das erste aufgeschweißt. Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Supraleiter zwischen zwei Bänder aus dem Normalleiter gebracht und die Bänder und
die Supraleiter gleichzeitig miteinander verschweißt. Aus Gründer der mechanischen Stabilität kann es gegebenenfalls
vorteilhaft sein, dabei ein Aluminiumband und ein Kupferband zu verwenden. Für spezielle Zwekke
kann es auch vorteilhaft sein, die Supraleiter auf eine aus dem Normalleiter bestehende, vorzugsweise
bandförmige Unterlage aufzuschweißen. Bei dieser Verfahrensvariante werden die Supraleiter nicht vollständig
vom normalleitenden Metall umschlossen.
Zum Einbetten in den Normalleiter sind vorzugsweise draht- oder bandförmige Supraleiter geeignet. Zum
Aufschweißen auf die normalleitende Unterlage werden dagegen vorzugsweise bandförmige Supraleiter
verwendet.
Gegebenenfalls kann es auch vorteilhaft scm. zum
Verschweißen mit dem Normallciter Supraleiter /u verwenden, die mit einer Schicht aus dem gleichen normallcitcnden
Metall überzogen sind, mit dem sie durch
das Ulifaschallschweißcn verbunden werden Durch
cmc derartige Verfahrensweise kann tinier I imsiandcn
eine weitere Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen Supraleitern und Normalleitern erzielt werden.
Es ist dabei insbesondere an Supraleiter gedacht, die auf elektrochemischem Wege, vorzugsweise in aiiiminiumorganischen
Bädern, mit einer etwa 10 bis 50 μ starken Aluminiumschicht überzogen sind. Durch eine
derartige Schicht wird die Supraleiteroberfläche auch bei längerer Aufbewahrungszeit vor den Atmosphärilien
geschützt.
ίο Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der zusammengesetzten
Leiter kann beim erfindungsgemäßen Verfahren ferner auf den Normalleiter ein mechanisch
hochfestes Metall mittels Ultraschall aufgeschweißt werden. Derart hergestellte armierte Leiter
eignen sich insbesondere für Großmagnete, bei denen große Kräfte innerhalb der Wicklung auftreten können.
Das Verschweißen der Supraleiter und des hochfesten Metalls mit den Normalleiter kann dabei gleichzeitig
erfolgen. Bei einer anderen Ausführungsart de«, Verfahrens
kann das Verbinden der Supraleiter mit dem Normalleiter und das Aufschweißen des hochfesten Metalls
auf den Normalleiter auch in getrennten Arbeitsgängen erfolgen. Zur Armierung zusammengesetzter Leiter,
bei denen Kupfer als Normalleiter verwendet ist, eignet sich insbesondere wegen der nahezu gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten Edelstahl. Bei zusammengesetzten Leitern mit Aluminium können als Armierung
vorteilhaft hochfeste Aluminiumlegierungcn, beispielsweise Duraluminium oder die aus Aluminium.
Magnesium und Silizium bestehende sogenannte Aldrey-Legierung, verwendet werden.
Ferner kann beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausheilen der geringfügigen lokalen Verformungen
des Normalleiters gegebenenfalls im Anschluß an das Ultraschallschweißen eine kurzzeitige Wärmebehandlung
vorgenommen werden. Bei Verwendung von Aluminium als Normalleiter kann dabei der zusammengesetzte
Leiter wenige Minuten bis etwa 1 Stunde, vor zugsweise etwa 20 Minuten lang auf 200 bis 300' C crhitzt
werden. Bei Verwendung von weichgtglühtem Kupfer als Normalleiter kann eine etwa 5 Minuten lange
Erwärmung auf 400 bis 600"C vorteilhaft sein. Ob eine derartige Wärmebehandlung vorgenommen wird
richtet sich nach dem verwendeten Supralcitermaterial Bei Verwendung bestimmter Legierungssupraleitcr
beispielsweise Niob-33-Zirkon, kann diese Wärmebe handlung gleichzeitig zur Erhöhung des kritischen Stro
mes bzw. bei Bändern aus dieser supraleitenden l.egic
rung zur Aufhebung der Anisotropie des Supraleiter materialb genützt werden.
Die bei diesen Legierungssupraleitern bisher bei dci
Draht- bzw. Bandherstellung abschließend vorgcnom menen Wärmebehandlungen können dann entfallen
Falls eine Wärmebehandlung vorgesehen ist. kann e ferner vorteilhaft sein, als Normalleiter Aluminiun
einer Reinheit von mehr als 99.95% zu verwenden, da zu wenigstens 10% kalt verformt ist. Bei einer ctwi
fünfminütigen Erwärmung auf 200 bis 3000C" rekristalli
siert dieses vorverformte Aluminium unter Aushciluni
der Störungen, so daß es nach der Wärmebchandiun]
einen äußerst niedrigeren Restwiderstand besitzt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Vcrfah rens eignet sich insbesondere eine Ultraschall Rollen
naht-Schweißmaschine. Mit geeignet geformten Sono trodcn können dabei gleichzeitig mehrere Supraleitc
mn dem Normallciicc verschweißt werden. Durch Pat
allelschahen mehrerer Sonotrodcn können auch breit Bander aus normalk-itcndcm Metall mit Stipraicitcrma
terial gefüllt werden. Um einen guten mechanischen Kontakt mit den zu verschweißenden Materialien herzustellen,
werden die Oberflächen von Sonotrode und Amboßrolle der Ultraschallschweißtnaschine aufgerauht.
An Haid einiger Figuren und Eleispiele soll die Erfindung
noch näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchfür rung des erfindungsgemäßen Verfahrens; die
F i g. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten,
aus supraleitenden und normalleitenden Metallen zusammengesetzten Leitern; die
F i g. 6 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Leitern, die mit einem hochfesten Metall armiert sind.
Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Ultraschall-Rollennaht-Schweißmaschine
1. Der vorzugsweise in Bandform vorliegende, beispielsweise aus Aluminium bestehende
Normalleiter 2, der von einer Vorratsrolle 3 abgewikkelt
wird, und die beispielsweise aus Niob-Zirkon-Drähten bestehenden Supraleiter 4, die sich auf einer
Vorratsrolle 5 befinden, werden auf einem Tisch 6 durch eine Führungsrolle 7 in ihrer Lage zueinander
fixiert und anschließend zwischen der Sonotrode 8 und der Amboßrolle 9 der Ultraschallschweißmaschine 1
miteinander verschweißt. Der Weitertransport des Leiters wird durch Rotation der Sonotrode 8 und der Amboßrolle
9 bewirkt. Der fertige zusammengesetzte Leiter wird auf eine motorisch angetriebene Rolle 10 aufgewicke
t. Zur Durchführung des Verfahrens sind handelsübliche Ultraschall-Rollennaht-Schweißmaschinen
geeignet. Die im folgenden beschriebenen Versuche wurden auf einer Ultraschallschweißmaschine der Firma
Dr. Lehfeldt, Typ RPMA 22/2500 ausgeführt. Die Maschine wurde mit einem Hochfrequenzgenerator gespeist,
dessen Hochfrequenznennleistung bei 2,4 kW und dessen Frequenz bei 21,7 kH liegi. Die Rollennahtsonotrode,
welche die erzeugten mechanischen Schwingungen den zu verschweißenden Werkstücken
zuleitet, wurde ebenso wie die Amboßrolle mit verschiedenen Oberflächenrauhigkeiten versehen. Diese
wurden der Dicke des zu verschweißenden Materials angepaßt. Je nach Tiefe der Rauhigkeiten wurden die
Rollen vorzugsweise kordierl oder sandgestrahlt. Auf Grund der Oberflächenrauhigkeiten nehmen die Rollen
die zu verschweißenden Teile besser mit, bewirken eine Konzentration der Reibung auf die Schweißstelle und
gewährleisten einen störungsfreien Transport der zu verschweißenden Teile. Die verwendete Sonotrode
hatte auf ihrer ganzen Länge einen gleichbleibenden Durchmesser von etwa 40 mm. Die für die Schweißnahtbreite
bestimmende Breite der Amboßrolle betrug 20 mm.
Zur Herstellung des in F i g. 2 dargestellten zusammengesetzten
Leiters wurden zwei 0,25 mm dicke Niob-Zirkon-Drähte 21 in ein 1 mm starkes, etwa 2 cm
breites Aluminiumband 22 eingebettet. Unter dem Druck und der Vibration der Ultraschallschweißung ar
bettete sich der harte Niob-Zirkon-Draht in das weiche
Aluminium ein und das letztere schloß sich über ihm weitgehend wieder zusammen. Die Rauhtiefe der So
notrode betrug etwa 0,03 mm, die Hochfrequen/Ici stung etwa 180 Watt, die an der Schweißstelle ausge
übte Druckkraft etwa 50 kp und die Schweißgeschwin
digkeit etwa 1 m pro Minute
Bei der Herstellung des in F i g. 3 dargestellten zusammengesetzten
Leiters wurden zunächst zwei wiederum 0,25 mm starke Niob-Zirkon-Drähte 31 auf ein
1 mm starkes Aluminiumband 32 gelegt und in einem ersten Arbeitsgang durch Überrollen mit der Sonotrode
mittels Ultraschall in das Aluminiumband eingeschweißt. Anschließend wurde ein weiteres, etwa
0,3 mm starkes Aluminiumband 33 auf das Band 32 gelegt und in einem zweiten Arbeitsgang durch nochmaliges
Überrollen mit der Sonotrode als Deckschicht aufgeschweißt. Die Schweißbedingungen beim ersten Arbeitsgang
entsprachen den Schweißbedingungen des Bandes nach F i g. 2. Zum Aufschweißen des Aluminiumbandes
33 wurde die Hochfrequenzleistung auf 1600 Watt gesteigert und die Druckkraft auf etwa
130 kp erhöht. Die Schweißgeschwindigkeit betrug beim zweiten Arbeitsgang 0,4 m pro Minute.
Der in F i g. 4 dargestellte zusammengesetzte Leiter wurde in einem Arbeitsgang hergestellt. Auf ein 1 mm
starkes Aluminiumband 41 wurden zwei 0,25 mm dicke Niob-Zirkon-Drähte 42 und auf diese ein zweites wiederum
1 mm starkes Aluminiumband 43 gelegt. Durch einmaliges Überrollen mit der Sonotrode wurden die
Normalleiter und die Supraleiter miteinander verschweißt. Die Sonotrodenrauhtiefe betrug dabei etwa
0.2 mm, die Hochfrequenzleistung 2400 Watt, die Druckkraft etwa 130kp und die Schweißgeschwindigkeit
etwa 0,4 m pro Minute.
In ähnlicher Weise wurden auch mit dünnen Aluminiumschichten überzogene Niob-Zirkon-Drähte in Aluminiumbänder
eingeschweißt. Das für die Bänder verwendete Aluminium hatte eine Reinheit von 99,99%.
Die Bänder wurden sowohl in geätzten als auch im ungeätzten Zustand für die Herstellung der zusammengesetzten
Leiter verwendet. Wie Schliffbilder zeigen, wurde die an den Aluminiumoberflächen vorhandene
Oxidschicht beim Ultraschallschweißen zerstört, so daß ein guter Wärmekontakt und ein guter elektrischer
Kontakt zwischc" dem Supraleiter und dem Aluminiumband
hergestellt wurde.
Bei dem in F i g. 5 dargestellten Supraleiter sind zwei schmale Niob-Zirkon-Bänder SI auf ein Aluminiumband
52 mittels Ultraschall aufgeschweißt. In diesem Fall wird das Supraleitermaterial vom Normalleiter
nicht vollständig umschlossen.
F i g. 6 zeigt einen armierten Leiter, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Arbeitsgang
hergestellt werden kann. Zwei Niob-Zirkon-Bänder 61 sind gleichzeitig mit einem Aluminiumband 62 und mit
einem Band 63 aus einer hochfesten Aluminiumlegierung mittels Ultraschall verschweißt. Das harte Supraleitermaterial
drückt sich beim Schweißen praktisch nur in das weiche Aluminiumband ein, dieses wird je
doch gleichzeitig fest mit dem Band aus der hochfester Aluminiumlegierung verschweißt.
F i g. 7 zeigt einen armierten Leiter, mit dem mehre
re supraleitende Drähte 71 von beiden Seiten in einer Normalleiter aus Kupfer 72 durch Ultraschall einge
schweißt sind. Auf beide Seiten des Leiters sind dünnt Edelstahlbänder 72 ebenfalls mittels Ultraschall aufge
schweißt.
F i g. 8 zeigt einen armierten Leiter, bei dem au einen gemäß F 1 g. 4 aufgebauten Leiter 81 ein Band 8;
aus hochfestem Material einseitig aufgeschweißt ist.
In F 1 g. 9 ist ein aus supraleitenden Drähten 91 un<
einem Normalleilcr 92 zusammengesetzter Leiter dar gestellt, der mittels Ultraschall mit einem profilierte!
Band 93 aus mechanisch hochfestem Material ver
509 519/2:
•chweißt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft zur Herstellung großer Längen bandförmiger elektrisch
•tabilisierter Leiter, insbesondere für Supraleitungsmagnetspulen,
anwendbar. Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Normalleiter besteht der
»eitere Vorteil, daß beim Einbetten des Supraleiters in das Aluminium nur geringfügige lokale Erwärmungen
10
auftreten, die höchsten 200 bis 3000C betragen. Somit
können selbst thermisch empfindliche Supraleitermaterialien ohne Beeinträchtigung ihrer Supraleiterqualität
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Leiter verwendet werden.
Außerdem werden schädliche Legierungsbildungen zwischen Supraleiter und Normalleiter beim Ultraschallschweißen
vermieden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:161. Verfahren zum Herstellen eines aus supraleitenden und elektrisch normallcitcndcn Metallen zusammengcset/.ten Leiters, bei dem mehrere paralle1 zueinander verlaufende Supraleiter mit einem Normalleitcr aus Kupfer oder Aluminium, welcher einen größeren Querschnitt besitzt als die Supraleiter, fest verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter über ihre ganze Länge mit dem normalleitenden Metall mittels Ultraschallschweißens verbunden werden.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Supraleiter aus Hochfeldsupraleitcrmaterial verwendet werden.3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Normallcitcr weichgeglühtes Kupfer verwendet wird.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Normalleiter Aluminium einer Reinheit von wenigstens 99.95% verwendet wird.5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (21) in ein Band aus dem Normalleiter (22) soweit eingeschweißt werden, daß sich der Normalleitcr über den Supraleitern weitgehend schließt.b. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (31) in ein Band (32) aus einem Normalleiter eingeschweißt werden und daß anschließend ein zweites Band (33) aus dem gleichen normalleitenden Metall auf das erste mittels Ultraschall aufgeschweißt wird.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, d/^ß die Supraleiter (42) zwischen zwei Bänder (41.43) aus dem Normalleitcr gebracht werden und die Bänder und die Supralei ter gleichzeitig mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Aluminiumband und ein Kupferband verwendet werden.9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (51) auf eine aus dem Normalleiter bestehende Unterlage (52) aufgeschweißt werden.IO Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß drahtförmige Supra leiter verwendet werden.11. Verfuhren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bandförmige Supraleiter verwendet werden.12. Verfuhren nach einem der Ansprüche 10 oder11. dadurch gekennzeichnet, daß Supraleiter verwendet werden, die mit einer Schicht aus dem gleichen normulleiiendcn Metall überzogen sind, mit dem sie durch I Mtrasehallschweißer verbunden werden.1i. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Normalleitcr ein mechanisch hochfestes Metall mittel?. Ultraschall aufgeschweißt wird.14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen der Supraleiter (61) fts und des hochfesten Metalls (63) mit dem Normalleiter (62) gleichzeitig erfolgt.15. Verführen nach Anspruch 13. dadurch gekenn-790 2
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |