CN104036914A - 高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其步骤如下：先将待连接的两个高温超导双饼线圈的超导带端部进行表面预处理；再将超导带预处理后的表面镀一薄层焊料；将高温超导带固定于模具的圆弧状槽中并弯曲为圆弧状；将压块加热保温；用压块对高温超导带的局部施以正向均匀压力；压块的施力点保持压力稳定，并从槽内高温超导带的一端缓慢移向另一端，使得焊料将两根高温超导带的待连接区域连接起来，制成圆弧形接头。

Description

高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温超导带材的连接方法，特别涉及一种适用于高温超导双饼线圈的超导带材圆弧形接头的制备方法。

背景技术

超导磁体由于采用了低温下几乎零电阻的超导材料，其工作电流密度比传统电磁体和永磁体可以提高数十倍甚至更高。因此超导磁体可以用更紧凑的体积、更低的能量消耗，获得极高的磁场强度和更稳定可控的磁场位形分布。目前超导磁体主要采用NbTi合金、Nb3Sn化合物等低温超导材料和Bi-2223、ReBCO等高温超导材料绕制而成。由于这些超导材料的临界磁场强度有高低之分，因此它们服役的磁场环境也不尽相同。磁场低于9～10T的磁体可以全采用NbTi超导线绕制完成，10～15T的磁体需要采用Nb3Sn超导线圈作为内***NbTi超导线圈内部的形式达到，更高磁场的磁体需要在Nb3Sn超导线圈内部再***高温超导线圈来达到设计场强。

高温超导材料本身具备机械脆性，而极易发生损坏，目前多采用粉末套管法(PIT)或者薄膜沉积技术制备成超导薄带的形式。例如ReBCO高温超导带材主要是采用将超导层沉积附着在基带上面生长而成的，Bi-2223高温超导带材主要是采用超导粉末套管法制备而成。由于受到工艺技术的限制，高温超导带的单根长度目前也只能做到几百米长。因此，综合考虑高温超导带的单根长度限制、截面形状、以及脆性，目前线圈绕制技术多采用的是先将单根超导带绕制为双饼式线圈，再将其相互叠加后进行接头制备连接的方式来达到设计要求的，如图1所示。

高温超导带的接头的质量稳定性与可靠性直接影响高温超导线圈的性能。高温超导带接头最基本的性能要求是接头在满足磁体运行电流值的前提下，必须具有较低的电阻值。超导磁体的工作电流一般达到上百安培量级，电阻太大会引起严重的焦耳热损耗，可能导致磁体失超。对于闭环运行的超导磁体，接头电阻导致了磁场的衰减。同样超导接头需要安装放置在磁体边缘部位，接头会受到强电磁力影响。由于接头可能承受磁体绕制过程中的弯曲应力、工作状态下的电磁应力、和冷却过程中受到的收缩应力，因此超导接头还必须具有一定的机械强度和韧性。

由于高温超导带本身的机械脆性，不可能像NbTi低温超导材料接头的制备一样采用冷压接等方式，只能采用比较温和的办法完成。目前的高温超导带接头技术主要是采用锡焊方式进行连接。接头焊接方式有两种，一种是桥接，另一种是搭接。桥接就是用待连接的两根超导带分别与另一段超导带的两端连接起来，如图2所示；搭接是将待连接的两根超导带直接连接起来，如图3所示。采用何种连接方式需要根据磁体的实际情况来决定。

现有锡焊连接的高温超导带接头的缺点在于：由于高温超导带在焊接后接头会***，可弯曲半径明显增大，接头处再进行弯曲很困难，极易发生损伤。有研究者采用将超导带材冷压成形后再高温退火扩散连接的方法或者高温加压直接扩散连接法制备Bi-2223高温超导接头。该方法的问题在于其过程中需要经受多次高温(800℃以上)和高压处理，显然这些工艺对于已经绕制完毕的双饼线圈是不适用的。

根据对目前高温超导带接头研究现状调研结果分析可知，目前尚无一种理想的适用于高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法。需要开发一种电阻率低、力学性能好、质量稳定、操作安全的高温超导带的连接技术方法，满足强磁场超导磁体中对高温超导双饼内插线圈制造过程的工艺技术需求。

发明内容

本发明的目的在于解决高场超导磁体中高温超导内插线圈的高温超导带接头的制备技术难题，提出一种高温超导双饼线圈的高温超导带材圆弧形接头制备方法。本发明方法简便，质量稳定，操作安全，可降低接头电阻。

本发明的技术方案在于：

一种高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其步骤如下：

1、首先将待连接的两个高温超导双饼线圈的高温超导带的端部进行表面预处理，露出待连接表面；

2、高温超导带预处理后的表面镀一薄层焊料；

3、将待连接的两根高温超导带放置在一起，固定于模具的圆弧状槽中，使高温超导带的待连接部位弯曲为圆弧状；

4、将压块加热，并使压块温度稳定保持在焊料熔点以上；

5、用压块对模具圆弧状槽内的待连接的两根高温超导带的局部施以正向均匀稳定压力，使高温超导带上的焊料在压块的热传导作用下熔化，在正向压力作用下使高温超导带之间相互连接，并挤出高温超导带局部之间多余的焊料；

6、压块的施力点保持压力大小稳定，并将压块从槽内高温超导带的一端缓慢移向另一端，然后去除压力，并使压块降温，使得焊料将两根高温超导带的待连接区域连接起来，制成圆弧形接头；

7、待焊料凝固后，从模具中取出接头，用绝缘胶带包好；

8、将已经做好圆弧形接头的两个双饼线圈靠近后拼接起来，然后相对旋转两个双饼线圈，使高温超导带和圆弧形接头缠绕贴伏在线圈外圆上，在高温超导带及圆弧形接头的悬空部位填充导热固化材料；

9、固定两个双饼线圈使之不再旋转，防止损伤接头和高温超导带材，完成高温双饼线圈高温超导带材的弧形接头的制备和固定。

其中，所述的高温超导带放置的方式包括搭接或桥接。采用搭接方式是将待连接的两根高温超导带上下叠放在一起，采用桥接方式是将待连接的两根高温超导带并排靠在一起，然后用另外的高温超导带分别和待连接的两根高温超导带连接在一起。

其中，所述的模具的弯曲半径、放置在模具中的高温超导带待连接部位的圆弧状弯曲段的弯曲半径，以及高温超导带圆弧形接头所要求的弯曲半径三者相等。

其中，所述的高温超导带的超导材料成分包括Bi-2223或ReBCuO。本发明中的Bi-2223高温超导带采用超导粉末套管法制备而成，ReBCO高温超导带材是采用薄膜沉积技术将超导层沉积附着在基带上面生长而成的。高温ReBCO超导带为分层结构，截面结构从上到下分别为：绝缘层、稳定层、覆盖层、超导层、缓冲层、基层、稳定层、绝缘层。其中，稳定层材质为高纯铜，覆盖层材质为纯银，超导层材质为ReBCO超导材料，缓冲层由多层多种氧化物层构成，基层材质为Hastelloy镍基合金。

其中，所述的高温超导带材为ReBCO时，对所述高温超导带材端部进行表面预处理的方法是去除绝缘层和靠近超导层一侧的稳定层，露出覆盖层，然后再将超导带表面镀一薄层焊料进行接头制备。

其中，所述的高温超导带材为Bi-2223时，对所述高温超导带材端部进行表面预处理的方法是去除绝缘层。

其中，所述的高温超导带材为ReBCO时，其接头的两根超导带将各自靠近超导层的一侧面对面连接在一起，即其接头的截面结构由上向下分别为：稳定层，基层，缓冲层，超导层，覆盖层，焊料层，覆盖层，超导层，缓冲层，基层，稳定层。此种接头连接结构减少了两层铜质稳定层的过渡，如果电流经过不具超导性能的铜材料必定会增加接头的电阻值。本发明的设计在超导层之间去除了铜质稳定层，仅保留了银质的覆盖层的存在，大大降低了接头电阻值。稳定层一般厚度较大，去除后对电阻降低较多。

其中，所述的高温超导带材为ReBCO，并且高温超导带接头连接方式为搭接时，待连接的两个相邻双饼线圈的超导带绕制面相反，即其中一个双饼线圈的超导带的ReBCO超导层朝里，另一个双饼线圈的ReBCO超导层朝外。这样做的目的在于避免接头内电流流经缓冲层和基层材料，有利于降低接头电阻。

本发明的特点在于通过将高温超导带固定在特定弯曲半径的圆弧模具内，在高温超导带之间熔化焊料凝固的同时对高温超导带进行均匀压接，一方面挤出了多余的超导带材之间的焊料，减小焊料层厚度，从而减小焊料电阻，另一方面加热的压块保持移动可以防止长时间在超导带某一处加热造成的超导带局部性能下降，进而得到的高温超导带接头厚度均匀、质量稳定。同时由于接头制备是在模具内进行，而避免在线圈外表面直接焊接造成的焊液流到线圈内部损伤线圈的威胁，操作安全性大大提高。

并且，采用该方法制备的超导带材圆弧形接头和双饼式高温超导线圈拼接后组成的高温超导线圈整体结构紧凑，接头散热方便，利于提高磁体的稳定性。

附图说明

图1采用高温超导带绕制的双饼式线圈组装示意图；

图2双饼式线圈中高温超导带接头的桥接方式；

图3双饼式线圈中高温超导带接头的搭接方式；

图4ReBCO高温超导带内部结构示意图；

图中，1、6稳定层，2基层，3缓冲层，4ReBCO超导层，5覆盖层；

图5本发明制备接头的模具和压块的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

实施例1

制备Bi-2223高温超导内插双饼线圈的高温超导带材接头。使用的导线为采用超导粉末套管法制备而成的Bi-2223高温超导带，绝缘后截面厚度0.2mm，宽度为4.2mm。双饼线圈内直径为140mm，外直径179.2mm，双饼共196匝。磁体共由18组双饼线圈拼接组成，相邻线圈的超导带采用接头首尾连接，最终采用一个超导电源励磁，如图1所示。在18组双饼线圈各自绕制完成后，在双饼线圈的外圆周面上开始制备超导接头。接头制备的步骤如下：

1、先将待连接的两个高温超导双饼线圈的高温超导带端部抽出，并进行表面预处理，将超导带的绝缘层去除，露出待连接表面；

2、将高温超导带预处理后的表面镀一薄层PbSn合金焊料；

3、采用桥接方式放置待连接的两根高温超导带，如图2所示，即将超导带并排靠在一起，然后用另外的Bi-2223高温超导带分别和待连接的两根高温超导带连接在一起，固定于模具的圆弧状槽中，使高温超导带的待连接部位弯曲为圆弧状；并且，模具的弯曲半径、放置在模具中的高温超导带待连接部位圆弧状弯曲段的弯曲半径，以及高温超导带圆弧形接头所要求的弯曲半径三者均等于89.6mm；

4、将压块加热，并保温在PbSn合金焊料熔点以上5℃；

5、用压块对模具圆弧状槽内的待连接的两根高温超导带的局部施以10MPa正向均匀压力，使高温超导带上的焊料在压块的热传导作用下熔化，并在正向压力作用下使高温超导带之间相互连接，并挤出高温超导带局部之间多余的焊料；

6、压块的施力点保持压力稳定，并将压快从槽内高温超导带的一端缓慢移向另一端，如图5所示。然后去除压力，并使压块降温，使得焊料将两根高温超导带的待连接区域连接起来，制成圆弧形接头；

7、待焊料凝固后，从模具中取出接头，用绝缘胶带包好。

8、将已经做好圆弧形接头的两个高温超导双饼线圈靠近后拼接起来，然后相对旋转两个双饼线圈，使高温超导带和圆弧形接头缠绕贴伏在线圈外圆上，在高温超导带及圆弧形接头的悬空部位，填充导热固化材料；

9、固定两个双饼线圈使之不再旋转，防止损伤接头和高温超导带材，完成弧形超导带接头的制备和固定。并按照以上办法完成18个双饼线圈之间的全部弧形的高温超导带接头的制备和固定。

实施例2

制备ReBCO高温超导内插双饼线圈的高温超导带材接头。使用的导线为ReBCO高温超导带，裸带截面厚度0.1mm，宽度4.0mm。ReBCO超导带采用薄膜沉积技术将超导层沉积附着在基带上面生长而成的，内部为分层结构，截面结构从上到下分别为：绝缘层、稳定层，覆盖层，超导层，缓冲层，基层，稳定层，绝缘层，如图4所示。其中，稳定层材质为高纯铜，覆盖层材质为纯银，超导层材质为ReBCO超导材料，缓冲层材质为多种氧化物层，基层材质为Hastelloy镍基合金。ReBCO高温超导带采用聚酰亚胺胶带绝缘，绝缘层厚度0.07mm，绝缘后超导带的截面厚度为0.24mm，宽度4.14mm。

双饼线圈内直径为35.0mm，外直径92.6mm，双饼共240匝,。磁体共由24组双饼线圈拼接组成，相邻线圈的高温超导带采用接头首尾连接，最终采用一个超导电源励磁。如图1所示。在24组双饼线圈各自绕制完成后，在双饼线圈的外圆周面上开始制备超导接头。接头制备的步骤如下：

1、抽出待连接的两个高温超导双饼线圈的高温超导带端部，并进行表面预处理，分别将高温超导带材的绝缘层和靠近超导层一侧的稳定层去除掉，露出覆盖层的待连接表面，其中，待连接的两个相邻双饼线圈的超导带绕制面相反，即其中一个双饼线圈的超导带的ReBCO超导层朝里，另一个双饼线圈的ReBCO超导层朝外；

2、在高温超导带预处理后的表面镀一薄层低温焊料；

3、将待连接的两根高温超导带采用搭接方式连接放置，如图3所示，即将待连接的两根高温超导带直接上下叠放在一起，固定于模具的圆弧状槽中，使高温超导带的待连接部位弯曲为圆弧状；模具的弯曲半径、在模具中的高温超导带的待连接部位圆弧状弯曲段的弯曲半径，以及高温超导带圆弧形接头所要求的弯曲半径三者均等于46.3mm；待连接的两根高温超导带需要将各自靠近超导层的一侧面对面连接在一起；

4、将压块加热，并保温在焊料熔点以上5℃；

5、用压块对模具圆弧状槽内的待连接的两根高温超导带的局部施以10MPa正向均匀压力，使高温超导带上的焊料在压块的热传导作用下熔化，并在正向压力作用下使超导带之间相互连接，并挤出高温超导带局部之间多余的焊料；

6、压块的施力点保持压力稳定，并将压快从槽内高温超导带的一端缓慢移向另一端，如图5所示。然后去除压力，并将压块降温，使得焊料将两根高温超导带的待连接区域连接起来，制成圆弧形接头。其接头的截面结构由上向下分别为：稳定层、基层、缓冲层、超导层、覆盖层、焊料层、覆盖层、超导层、缓冲层、基层、稳定层；

7、待焊料凝固后，从模具中取出接头，用绝缘胶带包好；

8、将已经做好圆弧形接头的两个双饼线圈靠近后拼接起来，然后相对旋转两个双饼线圈，使高温超导带和圆弧形接头缠绕贴伏在线圈外圆上，在高温超导带及圆弧形接头的悬空部位，填充导热固化材料；

9、固定两个双饼线圈使之不再旋转，防止损伤接头和高温超导带材，完成弧形超导带接头的制备和固定。

按照以上办法完成24个双饼线圈之间的全部弧形超导带接头的制备和固定。

采用该方法制备的ReBCO超导接头在液氦条件下测试得到的电阻可达到～6.6×10^-9Ω，低于常用技术制备得到的超导接头电阻值，达到设计要求。

Claims (7)

1.一种高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤如下：

①先将待连接的两个高温超导双饼线圈的高温超导带端部进行表面预处理，露出待连接表面；

②将高温超导带预处理后的表面镀一薄层焊料；

③将待连接的两根高温超导带放置在一起，固定于模具的圆弧状槽中，使高温超导带的待连接部位弯曲成圆弧状；

④将压块加热，并使压块温度稳定保持在焊料熔点以上；

⑤用压块对模具圆弧状槽内待连接的两根高温超导带的局部施以正向均匀稳定压力，使高温超导带上的焊料在压块的热传导作用下熔化，并在正向压力作用下使高温超导带之间相互连接，并挤出高温超导带局部之间多余的焊料；

⑥压块的施力点保持压力稳定，并将压块从槽内高温超导带的一端缓慢移向另一端，然后去除压力，并使压块降温，使得焊料将两根高温超导带的待连接区域连接起来，制成圆弧形接头；

⑦待焊料凝固后，从模具中取出接头，用绝缘胶带包好；

⑧将已经做好圆弧形接头的两个双饼线圈靠近后拼接起来，然后相对旋转两个双饼线圈，使高温超导带和圆弧形接头缠绕贴伏在线圈外圆上，在高温超导带及圆弧形接头的悬空部位填充导热固化材料；

⑨固定两个双饼线圈使之不再旋转，防止损伤接头和高温超导带材；至此完成高温双饼线圈高温超导带的弧形接头的制备和固定。

2.根据权利要求1所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述的高温超导带放置的方式为搭接或桥接。

3.根据权利要求1所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述的模具的弯曲半径、放置在模具中的高温超导带的待连接部位圆弧状弯曲段的弯曲半径、以及高温超导带圆弧形接头所要求的弯曲半径三者相等。

4.根据权利要求1所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述的高温超导带的超导材料成分包括Bi-2223或ReBCuO。

5.根据权利要求1或4所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述高温超导带材为ReBCO时，对所述高温超导带材端部进行表面预处理的方法是去除绝缘层和靠近超导层一侧的稳定层。

6.根据权利要求1或4所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述高温超导带材为Bi-2223时，对所述高温超导带材端部进行表面预处理的方法是去除绝缘层。

7.根据权利要求1或4所述的高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法，其特征在于所述高温超导带材为ReBCO时，制备接头的两根超导带将各自靠近超导层的一侧面对面连接在一起，即其接头的截面结构由上向下分别为：稳定层、基层、缓冲层、超导层、覆盖层、焊料层、覆盖层、超导层、缓冲层、基层、稳定层。