CN101075496B - 一种高温超导磁体双饼线圈间的接头及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种高温超导磁体中双饼线圈间的接头及其焊接方法，包括凹形基体[1]、NbTi桥[7]、凸形盖[8]；凹形基体[1]为接头母体，是由紫铜等低电阻率金属加工而成的弧形体，辐向截面为矩形，固定在磁体上；NbTi桥[7]嵌在基体[1]上的槽[C1、C2]内，凸形盖[8]的凸形梁[9]卡入基体[1]上的槽[C1、C2]内压紧、固定NbTi桥[7]。应用本发明接头的焊接方法，可实现双饼线圈D1的下抽头[11]与双饼线圈D2上抽头[12]的低阻值焊接。本发明把低温超导NbTi线易于造型的机械特性，成功的应用于高温超导接头焊接中，通过NbTi桥有效的把高温超导磁体的接头电阻值降到液氦温区运行所允许的范围内，提高了磁体的稳定性，降低了磁体低温***的运行费用。

Description

一种高温超导磁体双饼线圈间的接头及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高温超导磁体中双饼线圈间的接头及其焊接方法，特别涉及工作在液氦温区高温超导磁体的双饼线圈间接头及其焊接方法。

背景技术

高温超导磁体在液氦温区具有高稳定性、大电流密度和低温超导无法达到的高临界磁场等优点，在核磁共振成像、强磁场、储能等应用方面具有广阔的前景。

可用于绕制高温超导磁体的导体有已经商业化生产的铋系银包套带材(Bi-2223/Ag)和目前正在研发的YBCO涂层高温超导带材，长度都有限，通常为100米～200米，并且导体越长，产品的成品率越低，相应的售价也越高。由于这种超导体的带状结构、脆性易损的机械特性以及长度有限等特点决定了高温超导磁体一般采用双饼线圈结构，再通过多个高温超导双饼线圈的串、并联组装成高温超导磁体。

在液氦温区冷却方式通常采用制冷机或液氦浸泡，代价都很昂贵，因此尽量减小磁体中各双饼线圈间接头电阻的焦耳热损耗，是提高磁体稳定性、降低磁体与低温***的运行成本、决定该***能否长期运行的关键。由于目前尚没有一种方便可靠、达到工程应用水平的高温超导无阻接头技术，因此把接头电阻降到磁体的低温***运行所允许的范围内，是磁体研制的关键技术之一。高温超导磁体中各双饼线圈间的连接接头通常有两种方法：搭接法与过渡金属法。搭接法是把相邻两个双饼线圈的超导带抽头用焊锡沿绕组走线方向把两带的带面焊接在一起；这种方法结构简单，但两双饼间轴向有一定的跨度，两搭接抽头易扭伤；用烙铁直接焊接，不能控温，过热容易对焊接点造成损伤；焊锡层均匀度很难掌握，容易虚焊；以上诸因素导致接头电阻偏大。过渡金属法是把相邻两个双饼线圈的超导带抽头锡焊在纯铜或银等低电阻率金属片上，通过低电阻率金属片把相邻两个双饼线圈焊接在一起；与搭接法相比，可以避免相邻两个双饼线圈轴向跨度对搭接抽头的影响，但也用烙铁直接焊接难于控温，超导带与金属片间的焊锡层的厚度具有很大随机性，并且容易虚焊，从而导致接头电阻值差别大。

发明内容

为克服已有技术存在的缺点，本发明提供一种工作在液氦温区高温超导磁体的双饼线圈间接头及其焊接方法。本发明利用低温超导NbTi线易于造型的机械特性，弥补了高温超导带脆性不可小半径弯折的缺陷，把低温超导与高温超导有机的结合在一起，不仅使高温超导磁体中各双饼线圈间的焊接简便易于操作，而且有效地把接头电阻值降到磁体低温***所允许的范围内。

本发明接头主要由凹形基体、NbTi桥、凸形盖等组成。凹形基体固定在磁体上，是接头母体，NbTi桥镶嵌在基体上的凹形槽内，凸形盖的凸形梁则卡入基体上的凹形槽内压紧、固定NbTi桥。凹形基体长约10-25cm，是通常超导带搭接焊长度的两倍，是由紫铜等低电阻率金属加工而成的弧形体，辐向截面为矩形。基体外环面上有两条平行的焊接凹形槽，凹形槽的宽度比双饼线圈所用高温超导带的宽度稍宽，凹形槽的深度h以公式(1)计算：

h＝2[nt1+(n+2)t2+t3]       (1)

其中：t1为超导带厚度、n为绕制双饼线圈的超导带根数、t2为锡箔条厚度、t3为NbTi桥厚度。

例如：超导带宽4.8mm厚0.3mm，锡箔厚0.2mm，NbTi桥厚1.5mm，则用单根超导带绕制的双饼线圈，焊接凹形槽宽5mm，深4.8mm；双带并绕的双饼线圈，焊接槽宽5mm，深5.8mm。

两条凹形槽间有“隔墙”，“隔墙”的厚度与组装磁体时两个双饼线圈间的绝缘垫片的厚度相等。在“隔墙”的中间位置有一个连接两凹形槽的缺口，是NbTi桥在两个焊接凹形槽间的过渡槽，其宽度以能顺利嵌入NbTi桥为宜。在垂直焊接凹形槽方向上有多个通孔放置加热器，通孔的孔径和数目由所采用的加热器的功率和尺寸决定，以能较快的加热接头、装卸方便为宜；一个小通孔放置温度探头，通孔的孔径较温度探头稍大，以能顺利***为宜。基体的径向有基体固定孔和凸形盖与基体的固定螺孔。

NbTi桥是采用矩形截面的NbTi带经简单加工而成，其宽度与超导带宽度相近。截取长度比凹形基体稍长的NbTi带，在中间位置折一个“S”形弯。然后从NbTi桥的一端开始，依次嵌入基体的左侧凹形槽、过渡槽和右侧凹形槽内，把长出基体的部分剪掉即成，取出备用。凸形盖是嵌入基体上的凹形槽内、焊接时起压紧、固定作用的凸形部件，凸形梁宽度稍小于凹形槽的宽度，高度约为2h/3。把厚约0.1～0.5mm的普通锡箔(溶点183℃)裁剪成宽度与超导带宽度相近，长为凹形基体长度的二分之一的带，清洗干净备用。

本发明高温超导磁体中各双饼线圈间的接头焊接方法如下：

磁体组装、紧固完毕后，对各双饼线圈进行焊接，实现各双饼线圈的串并接。焊接顺序如下：(1)清洁处理：各双饼线圈抽头以及接头各部件用纱布、酒精擦拭干净；(2)基体定位与固定：把凹形基体嵌入磁体***加强梁上事先加工好的凹形槽内(该槽与凹形基体配合加工)，用沉头螺拴把基体与磁体***加强梁固定，并保证基体焊接槽的底面与加强梁表面在同一面上(径向定位)，所要焊接的两个相邻双饼线圈的超导带抽头拉直后分别通过基体的上下凹形槽(轴向定位)；(3)放置槽底锡箔带：把一片裁剪好的锡箔带双面均匀涂上10％-15％的助焊剂磷酸后，依托稀磷酸的表面张力把锡箔带紧贴在上侧凹形槽的底面上；(4)放置超导带抽头：上侧双饼线圈的下抽头放入上侧凹形槽内，并用手轻轻拉着抽头尾部，使超导带面紧贴槽底的锡箔带；(5)放置锡箔带：重复(3)并把锡箔带贴在槽底的超导带面上；(6)按照步骤(3)～(5)把下侧双饼线圈的上抽头及锡箔带安置于下侧凹形槽内；(7)安置NbTi桥：一端嵌入基体的上侧凹形槽内并紧贴槽内的锡箔带，“S”形弯嵌入两凹形槽之间的过渡槽内，另一端嵌入基体的下侧凹形槽内并紧贴槽内的锡箔片；(8)放置锡箔带：重复(3)上下槽内均放置锡箔带，并把它们贴在槽内的NbTi桥面上；(9)上侧凸形盖固定：把凸形盖的凸形梁卡入上侧的凹形槽内，并把四个通孔与基体上的四个螺孔对正，用手把上侧槽内的双饼线圈抽头拉紧，用螺钉适度拧紧凸形盖，使凸形梁、槽内层叠体间紧密接触；(10)用同样的方法固定下侧凸形盖；(11)放置加热器与温度探头：把多个加热器与一个温度探头分别***基体上的加热孔与温度探头孔内；(12)控温加热：利用控温加热装置缓慢升温并控温在185℃，等两个凹形槽的端口有焊锡溢出时，拉紧超导带抽头的尾部，同时拧紧凸形盖的固定螺丝，挤出多余的焊锡，然后停止加热，撤掉加热器与温度探头；(13)修剪与清洗：冷却后剪掉抽头的尾部，处理溢出的焊锡，用酒精擦掉助焊剂磷酸以及污物。至此完成一个双饼线圈间接头的焊接，采用上述步骤完成其它接头的焊接。

本发明把低温超导NbTi线易于造型的机械特性，成功的应用于高温超导接头焊接中，通过NbTi桥有效的把高温超导磁体的接头电阻值降到液氦温区运行所允许的范围内，提高了磁体的稳定性，降低了磁体低温***的运行费用。

附图说明

图1凹形基体结构图，图中：1凹形基体，2沉头孔，3螺孔，4NbTi桥过渡槽，5加热器通孔，6温度探头孔，A、B凹基体1左右两端，C1、C2两个焊接凹形槽；

图2NbTi桥示意图，图中7NbTi桥；

图3凸形盖结构图，图中8凸形盖，9凸形梁，10通孔；

图4两个双饼线圈示意图，D1上侧双饼线圈，D2下侧双饼线圈，11双饼线圈D1的下超导带抽头，12双饼线圈D2的上超导带抽头；

图5各部件组装焊接顺序图，图中13沉头螺栓，14-1、14-2、14-3、15-1、15-2、15-3锡箔带，8凸形盖，16固定螺栓，17凸形盖；

图6并-串-并结构凹形基体；

图7并一串结构凹形基体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明主要由凹形基体1、NbTi桥7、凸形盖8等组成。如图1所示，凹形基体1固定在磁体上，是接头母体，NbTi桥7嵌在基体1上的凹形槽C1、C2内，凸形盖8的凸形梁9则卡入基体1上的凹形槽C1、C2内压紧，、固定NbTi桥7。凹形基体1长约10-25cm，是通常超导带搭接焊长度的两倍，是由紫铜等低电阻率金属加工而成的弧形体，是本发明的主要部件。凹形槽C1、C2的宽度比双饼线圈D1、D2所用高温超导带11与12的宽度稍宽些，槽的深度h以公式：h＝2[nt1+(n+2)t2+t3]计算，其中：t1为超导带11与12的厚度，n为绕制双饼线圈D1、D2的超导带根数，t2为锡箔条14的厚度，t3为NbTi桥7的厚度。

例如超导带11、12的宽4.8mm厚0.3mm，锡箔14的厚0.2mm，NbTi桥7厚1.5mm，则用单根超导带绕制的双饼线圈D1、D2，焊接凹形槽C1、C2的宽5mm，深4.8mm；双带并绕的双饼线圈，焊接槽C1、C2宽5mm，深5.8mm。

两条凹形槽C1、C2间有“隔墙”，“隔墙”的厚度与组装磁体时两个双饼线圈D1、D2间的绝缘垫片的厚度相等。在“隔墙”的中间位置有一个连接两凹形槽的缺口，是NbTi桥7在两个焊接凹形槽C1、C2间的过渡槽4，其宽度以能顺利嵌入NbTi桥7为宜。在垂直于焊接槽C1、C2方向上有多个通孔5放置加热器，加热器通孔5的大小和数目由所采用的加热器决定，以能较快的加热接头为宜；一个小通孔6放置温度探头，两种通孔的孔径较加热器和温度探头稍大，以能顺利***为宜。基体1的径向有基体1固定沉头孔2和凸形盖与基体的固定螺孔3。

如图2所示，NbTi桥是采用矩形截面的NbTi带简单加工而成，其宽度与超导带宽度相近，在接头中实现超导无阻分流，使电流从双饼线圈D1的超导带抽头11无阻或低阻的流至超导带抽头12。截取长度比凹形基体1稍长的NbTi带，在中间位置折一个“S”形弯。然后从NbTi桥7的一端开始，依次嵌入基体的凹形槽C1、NbTi桥过渡槽4和凹形槽C2内，把长出基体1的部分剪掉即成，取出备用。

凸形盖8的结构如图3所示，凸形盖8是嵌入基体1上的凹形槽C1、C2内，焊接时起压紧、固定作用的凸形部件；凸形盖8上有4个通孔10与基体1上一端的4个M3的螺孔3相配，通过螺拴实现凸形盖8与基体1固定；在凹形基体1A端的凸形梁9与凹形槽C1相配，在B端凸形梁9凹形槽C2相配，凸形梁9的宽度比凹形槽C1、C2的宽度稍窄，高度约为2h/3。把厚约0.1～0.5mm的普通锡箔(溶点183℃)裁剪成宽度与超导带宽度相近，长为凹形基体长的二分之一带，清洗干净备用。

图4为高气温超导磁体中任意两个双饼线圈示意图，本发明接头实现双饼线圈D1的下抽头11与双饼线圈D2上抽头12的低阻值焊接。

磁体组装、紧固完毕后，对各双饼线圈进行焊接，实现各双饼线圈的串、并接。如图5所示，焊接工艺步骤顺序如下：

(1)清洁处理：各双饼线圈抽头以及凹形基体1、NbTi桥7、凸形盖8、锡箔带14-15以及各固定螺栓等用纱布、酒精擦拭干净；

(2)基体1定位与固定：把凹形基体1嵌入磁体***加强梁上事先加工好的凹形槽C1、C2内(该槽与凹形基体1配合加工)，用沉头螺拴13把基体1与磁体***加强梁固定，并保证基体1、凹形槽C1、C2的底面与加强梁表面在同一面上(径向定位)，两个相邻双饼线圈D1、D2的超导带抽头11与12拉直后分别通过凹形槽C1、C2(轴向定位)；

(3)放置锡箔条14-1：把裁剪好的锡箔条14-1双面均匀涂上10％-15％的助焊剂磷酸后，依托稀磷酸的表面张力把锡箔片14-1紧贴在凹形槽C1的底面上；

(4)放置超导带抽头11：双饼线圈D1的下抽头11放入凹形槽C1内，并用手轻轻拉着抽头11的尾部，使超导带面紧贴槽底的锡片14-1；

(5)放置锡箔条14-2：重复(3)并把锡箔条14-2贴在槽底的超导带面上；

(6)按照步骤(3)～(5)把双饼线圈D2的上抽头12及锡箔片15-1和15-2放置于凹形槽C2内；

(7)嵌入NbTi桥7：一端嵌入基体1的A端凹形槽C1内并紧贴槽内的锡箔条14-2，“S”形弯嵌入两凹形槽之间的过渡缺口4，另一端嵌入基体1B端的槽C2内并紧贴槽内的锡箔条15-2；

(8)放置锡箔条14-3和15-3：重复(3)，在槽C1C2内分别安置锡箔条14-3和15-3，并把它们贴在槽内的NbTi桥7上；

(9)凸形盖8的定位与固定：把凸形盖8的凸形梁9卡入凹形槽C1内，并把四个通孔10与基体1的A端四个螺孔3对正，用手把双饼线圈D1抽头11拉紧，用螺钉16适度拧紧凸形盖8，使凸形梁9以及槽C1内多层叠体间紧密接触；

(10)用同样的方法固定凸形盖17；

(11)放置加热器与温度探头：把6个加热器与一个温度探头分别***基体1上的加热孔5与温度探头孔6内；

(12)控温加热：利用控温加热装置缓慢升温并控温在185℃～200℃之间，待凹形槽C1、C2的端口有焊锡溢出时，同时拉紧超导带抽头11、12的尾部，拧紧凸形盖8、17的固定螺丝16，挤出多余的焊锡，然后停止加热，撤掉加热器与温度探头；

(13)修剪与清洗：冷却后剪掉抽头11、12的尾部，处理溢出的焊锡，用酒精擦掉助焊剂磷酸。至此完成一个接头的焊接，采用上述步骤完成其它接头的焊接。

本发明接头的NbTi桥7也可以采用其它截面的NbTi扁带，磁体的运行温度高于10K时，也可以去掉NbTi桥7，其它结构不变。

以上所述为双饼线圈D1、D2串接的焊接方法，如图1-5所示。也可用于两个双饼线圈并接后与两个并接双饼线圈的串接，如图6所示。或者如图7所示，用于两个双饼线圈并接后与一个双饼线圈串接。

本发明已在1MJ高温超导储能磁体中试用，并获得液氦下最小接头电阻为5.3×10^-9Ω，所测23个接头总电阻为3.26μΩ，磁体在正常运行时39个接头总损耗小于1.8瓦，可满足***长期运行的要求。

Claims (5)

1.一种高温超导磁体双饼线圈间的接头，其特征在于主要由凹形基体、NbTi桥、两个凸形盖组成；凹形基体为接头母体，是由低电阻率金属加工而成的弧形体，辐向截面为矩形，固定在磁体上；NbTi桥嵌在基体上的上侧凹形槽和下侧凹形槽内，上侧凸形盖的凸形梁卡入基体上的上侧凹形槽内压紧，下侧凸形盖的凸形梁卡入基体上的下侧凹形槽内压紧，固定NbTi桥；凹形基体的长度是超导带搭接焊长度的两倍；平行的上侧凹形槽和下侧凹形槽的宽度比上侧双饼线圈、下侧双饼线圈所用高温超导带的宽度稍宽，上侧凹形槽和下侧凹形槽的深度h以公式：h＝2[nt1+(n+2)t2+t3]计算，其中：t1为超导带的厚度，n为绕制上侧双饼线圈、下侧双饼线圈的超导带根数，t2为锡箔条的厚度，t3为NbTi桥的厚度；上侧凹形槽和下侧凹形槽间的距离与上侧双饼线圈、下侧双饼线圈间的绝缘垫片的厚度相等；凹形基体上有放置加热器的加热器通孔及放置温度探头的温度探头孔；凹形基体通过沉头孔实现凹形基体与磁体的定位与固定；凸形梁宽度稍小于上侧凹形槽和下侧凹形槽的宽度，高度为2h/3；上侧凸形盖上的4个通孔与凹形基体A端的4个M3的螺孔相配，下侧凸形盖上的4个通孔与凹形基体上B端的4个M3的螺孔相配，通过螺拴实现上侧凸形盖、下侧凸形盖与凹形基体固定。

2.按照权利要求1所述的一种高温超导磁体双饼线圈间的接头，其特征在于上侧凹形槽和下侧凹形槽间有“隔墙”，“隔墙”的厚度与组装磁体时上侧双饼线圈、下侧双饼线圈间的绝缘垫片的厚度相等；在“隔墙”的中间位置有一个连接上侧凹形槽和下侧凹形槽的缺口，是NbTi桥在上侧凹形槽和下侧凹形槽间的过渡缺口，其宽度以能顺利嵌入NbTi桥为宜；在垂直于上侧凹形槽和下侧凹形槽方向上有多个加热器通孔用于放置加热器，加热器通孔的大小和数目由所采用的加热器决定，以能较快的加热接头为宜；温度探头孔放置温度探头，所述的加热器通孔和温度探头孔的孔径较加热器和温度探头稍大，以加热器和温度探头能顺利***为宜；凹形基体的径向有凹形基体固定沉头孔和上侧凸形盖、下侧凸形盖与凹形基体的固定螺孔。

3.按照权利要求2所述的高温超导磁体双饼线圈间的接头，其特征在于NbTi桥用NbTi带加工而成，截取一段NbTi带，在中间位置折一个“S”形弯，然后从NbTi桥的一端开始，依次嵌入凹形基体的上侧凹形槽、过渡缺口和下侧凹形槽，剪掉长出凹形基体的部分即成。

4.一种如权利要求1所述的高温超导磁体双饼线圈间的接头，其特征在于当磁体的运行温度高于10K时，去掉NbTi桥。

5.应用权利要求1所述的高温超导磁体双饼线圈间的接头的焊接方法，其特征在于工艺步骤顺序如下：

(1)清洁处理：各双饼线圈抽头以及接头各部件用纱布、酒精擦拭干净；

(2)基体定位与固定：把凹形基体嵌入磁体***加强梁上事先加工好的凹形槽内，该凹形槽与凹形基体配合加工，用沉头螺拴把凹形基体与磁体***加强梁固定，并保证凹形基体的上侧凹形槽、下侧凹形槽的底面与加强梁表面在同一面上，把所要焊接的上侧双饼线圈的超导带下抽头、下侧双饼线圈的超导带上抽头拉直后分别通过上侧凹形槽和下侧凹形槽；

(3)放置第一锡箔条：把裁剪好的第一锡箔条双面均匀涂上10％-15％的助焊剂磷酸后，依托稀磷酸的表面张力把第一锡箔条紧贴在上侧凹形槽的底面上；

(4)放置超导带下抽头：上侧双饼线圈的超导带下抽头放入上侧凹形槽内，并用手轻轻拉着超导带下抽头的尾部，使超导带面紧贴上侧凹形槽槽底的第一锡箔条；

(5)放置第二锡箔条：重复步骤(3)，把第二锡箔条贴在上侧凹形槽槽底的超导带面上；

(6)按照步骤(3)～(5)把下侧双饼线圈的超导带上抽头及第四锡箔条和第五锡箔条放置于下侧凹形槽内；

(7)嵌入NbTi桥：NbTi桥的一端嵌入基体的A端上侧凹形槽内并紧贴槽内的第二锡箔条，“S”形弯嵌入上侧凹形槽和下侧凹形槽之间的过渡缺口，NbTi桥的另一端嵌入凹形基体B端的下侧凹形槽内并紧贴下侧凹形槽内的第五锡箔条；

(8)放置第三锡箔条和第六锡箔条：重复步骤(3)，在上侧凹形槽和下侧凹形槽内分别安置第三锡箔条和第六锡箔条，并把它们分别贴在上侧凹形槽和下侧凹形槽内的NbTi桥上；

(9)上侧凸形盖的定位与固定：把上侧凸形盖的凸形梁卡入上侧凹形槽内，并把上侧凸形盖的4个通孔与凹形基体的A端四个螺孔对正，用手把上侧双饼线圈的超导带下抽头拉紧，用固定螺栓适度拧紧上侧凸形盖，使凸形梁以及上侧凹形槽内多层叠体间紧密接触；

(10)下侧凸形盖的定位与固定：把下侧凸形盖的凸形梁卡入下侧凹形槽内，并把下侧凸形盖的4个通孔与凹形基体的B端四个螺孔对正，用手把下侧双饼线圈的超导带上抽头拉紧，用固定螺栓适度拧紧下侧凸形盖，使凸形梁以及下侧凹形槽内多层叠体间紧密接触；

(11)放置加热器与温度探头：把6个加热器与一个温度探头分别***凹形基体上的加热器通孔与温度探头孔内；

(12)控温加热：利用控温加热装置缓慢升温并控温在185℃，待上侧凹形槽和下侧凹形槽的端口有焊锡溢出时，同时拉紧超导带下抽头和超导带上抽头的尾部，拧紧上侧凸形盖、下侧凸型盖的固定螺栓，挤出多余的焊锡，然后停止加热，撤掉加热器与温度探头；

(13)修剪与清洗：冷却后剪掉超导带下抽头和超导带上抽头的尾部，处理溢出的焊锡，用酒精擦掉助焊剂磷酸。至此完成一个接头的焊接，采用上述步骤完成其它接头的焊接。

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