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1、(10)申请公布号 CN 103071874 A (43)申请公布日 2013.05.01 CN 103071874 A *CN103071874A* (21)申请号 201210579547.2 (22)申请日 2012.12.28 B23K 1/008(2006.01) (71)申请人 北京英纳超导技术有限公司 地址 100176 北京市经济技术开发区荣昌东 街 7 号隆盛工业园 103 单元 (72)发明人 李晓航 王素丽 郭文胜 (54) 发明名称 一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空 焊接装置及焊接方法 (57) 摘要 一种大型磁体电流引线用高温超导叠的真空 焊制装置及方法， 包括。
2、独立加热的真空室和真空 室内放置的冷、 热基座， 真空室内还包括一个可活 动的焊接模具， 以及可使模具在真空室内活动的 活动部件， 通过活动部件使焊接模具与热基座接 触加热到指定温度后， 与热基座脱离接触并与冷 基座接触， 实现迅速降温。 本发明得到的超导叠具 有良好的致密度、 焊接效果和载流能力， 在自场、 77K 下测量， 7 层叠的临界电流可达到原始带材的 70， 4 层叠的临界电流超过原始带材的 80， 可 作为通流导体应用于大型磁体电流引线， 实现降 低引线发热和传热的效果， 节约制冷功率， 改善磁 体运行环境。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 。
3、页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103071874 A CN 103071874 A *CN103071874A* 1/2 页 2 1. 一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在于有一个独立加热 的真空室， 在所述的真空室内设置有冷基座和热基座， 真空室内还包括一个可活动的焊接 模具， 以及可使模具在真空室内活动的活动部件。 2. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于所述的真空室外缠绕加热丝或加热带并连接独立电源和控制器， 使得所述的真。
4、空室外壁 的温度可独立调控。 3. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于所述真空室为不锈钢制成的管状或是方形。 4. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于所述的冷基座和热基座， 两基座各有一个抛光的金属平面， 材质可为铝或不锈钢。 5. 根据权利要求 4 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的热基座内有加热丝并连接控温装置， 3 根加热丝分别安装在基座长度方向的头、 中、 尾部， 可分别控制输入电流。 6. 根据权利要求 4 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装。
5、置， 其特征在 于所述的热基座与真空室内壁之间用绝热材料支撑。 7. 根据权利要求 4 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于所述的冷基座与真空室内壁保持良好热接触。 8. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于焊接时焊接模具置于真空室内的热基座上， 加热到指定温度后， 通过活动部件使模具与 热基座脱离并与冷基座接触， 实现迅速降温。 9. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征在 于所述的使模具在真空室内活动的活动部件为推杆或转轴。 10. 根据权利要求 9 所述的用于高温超导电流引线。
6、的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的推杆或转轴可配有轨道， 轨道为不锈钢导向斜面或是滚动导轨， 在通过推杆或 转轴使得焊接模具与冷基座或热基座接触时方便移动。 11. 根据权利要求 9 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的活动部件穿过真空室外壁处设置两道橡胶密封环， 形成真空密封， 并可在不破 坏真空室真空度的情况下自由转动或滑动。 12. 根据权利要求 1 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的焊接模具包括有 U 型模槽， 在所述的 U 型模槽内嵌入两个压条， 一个为与 U 型模 槽固定的固定压条， 另一个为活动压条，。
7、 可通过螺丝来调整与固定压条间的距离， 使得两个 压条与超导叠紧密接触， 所述的模具还包括有一个与U型模槽等长的压块， 压块与U型模槽 间由螺丝和弹簧连接。 13. 根据权利要求 12 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的压块横截面为T字型， 下表面宽度与超导叠宽度相等， 上表面与U型模槽宽度相 等并实现滑动配合， T 字型台阶的高度保证压块与两个压条不接触， 压块的下表面抛光。 14. 根据权利要求 12 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述压条与超导叠接触部分进行滚花处理。 15. 根据权利要求 12 所述的用于高温超导电流。
8、引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 权 利 要 求 书 CN 103071874 A 2 2/2 页 3 在于所述的压块压于超导叠上的压力为 0.1-1kg/cm2。 16. 根据权利要求 12 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的模具长度方向头、 中、 尾部分别安装 3 组热电偶， 热电偶头部通过模具上方小孔 直接与待焊超导叠表面接触， 采集超导叠的当前温度。 17. 根据权利要求 12 所述的用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置， 其特征 在于所述的 U 型模槽和压块为同种材料， 为耐高温不锈钢或者硬铝合金。 18. 根据权利要求 1 所述的用于高。
9、温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置焊接超导 叠的方法， 包括如下步骤 ： 超导带材和锡带依次水平排列放入权利要求 12 所述的模具中， 由螺丝和弹簧连接固 定压块与模槽。 在焊接前， 通过真空室外的加热丝， 将真空室的外壁加热到设定温度并保持恒定。 将模具装入真空室， 通过活动部件使模具与热基座保持良好热接触， 密封真空室， 抽真 空到真空度好于 10Pa。 等待真空室外壁温度恢复到设定温度并保持恒定。 通过控温装置给热基座通电， 使热电偶采集到的温度保持同步地上升到设定温度。 通过活动部件使模具与热基座脱离， 并与冷基座接触， 加速冷却过程， 同时切断对热基 座的供电。 待热电偶采集到的温。
10、度降低到 170以下后， 向真空室内充入一个大气压的干燥氮气 并开启真空室， 完成焊接。 权 利 要 求 书 CN 103071874 A 3 1/5 页 4 一种用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置及焊 接方法 技术领域 0001 本发明涉及一种大型超导磁体的高温超导电流引线的超导叠的焊接装置及方法。 背景技术 0002 大型磁体可广泛应用于能源、 医学、 国防和大科学研究等领域， 为医用磁共振成 像、 可控核聚变、 粒子加速器等提供大范围、 高强度的磁场。高温超导 (HTS) 电流引线减少 了引线发热和传热损耗， 可提高磁体能效， 改善运行条件， 是目前大型磁体技术发展的前沿 方向之。
11、一。根据对比实验， 欧洲强子对撞机采用的大型磁体， 使用常规铜电流引线时热损 耗达 47W/kA， 采用液氦冷却铜引线时为 1.04W/kA， 而采用高温超导引线可使热损耗下降到 0.1W/kA。 近年来， 国内外磁体研制和应用机构已逐步采用高温超导引线替代传统的铜电流 引线， 并为磁体产品带来了显著的性能突破。在我国， 随着国际热核聚变实验堆 (ITER) 项 目的开展和深入， 在国家 “863” 等科技计划的支持下， 也开展了采用高温超导材料研制大型 磁体电流引线的研究工作， 并应用在中国热核聚变实验堆 (EAST) 等大型磁体装置中。 0003 高温超导叠 (HTS 叠 ) 是超导电流引。
12、线的基本载电流元件， HTS 叠研制的技术目标 是在保证大通流能力的同时尽量降低漏热， 主要实现途径包括采用低热导率的银金合金代 替银作为高温超导带材的包套材料 ； 通过改善线叠制作工艺提高单位截面载流能力， 进而 通过减少导热面积来降低漏热等。实现这些目标的主要技术难点在于良好、 可靠的焊接工 艺及相应装置， 提高 HTS 叠制作的尺寸精度， 改善超导叠的致密度， 减少在焊接过程中的损 伤和杂质入侵等。 0004 HTS 叠的焊接质量对 HTS 组件的载流能力、 漏热和其电阻有很大的影响。因为 HTS 组件是由十几个 HTS 叠并联而成的， 而超导带之间的钎焊层是有电阻的， 差的钎焊质量将 。
13、增加层间电阻， 不均匀的超导叠电阻将导致电流不均匀分布， 并使 HTS 组件产生额外的焦 耳热。 其次， 如果层间钎料过多， 也会增加纵向漏热， 因为焊锡的热导率略比银金合金低， 而 比分流器材料锡磷青铜和不锈钢大得多。 0005 欧洲核子研究中心 (CERN) 等单位提出了采用真空焊接工艺解决焊接过程中超导 带材和焊锡氧化等问题， 采用无铅、 无助焊剂工艺减少焊接引入的杂质等方案， 部分解决了 上述问题。前采用的方法多是将模具放置在外部加热的常规真空炉内进行焊接， 焊接用模 具的体积较大， 因此真空炉的体积也较大， 升降温过程较长， 焊锡凝固较慢， 导致易虚焊等 问题， 同时加热能耗也大， 。
14、焊接周期长， 效率低。 为了解决上述问题， 专利CN200810021330.3 中提出了一种用于高温超导电流引线的超导叠钎焊方法及装置， 其采用在真空条件下， 将 模具放置在平板电加热器上加热， 并利用在模具底板与平板电加热器之间插入有冷却水管 的铜板进行冷却。 但这样的对真空系统要求比较高， 同时存在的升、 降温速度慢会引起虚焊 问题。 发明内容 说 明 书 CN 103071874 A 4 2/5 页 5 0006 本发明提出了另一种真空焊接电流引线用超导叠的焊接装置及焊接方法， 目的是 克服现有超导叠焊接方法及装置存在的升、 降温速度慢及其引起的虚焊问题， 提高超导叠 的焊接效率和质量。
15、。 根据真空焊接的技术要求， 提供了一种在不破坏真空度、 不影响超导叠 致密度的前提下快速冷却超导叠的装置。本发明可实现单个和多个超导叠的快速焊制， 得 到的超导叠具有良好的致密度、 焊接效果和载流能力， 在自场、 77K 下测量， 7 层叠的临界电 流可达到原始带材的 70， 4 层叠的临界电流超过原始带材的 80， 可满足大型磁体电流 引线降低发热与传热的要求， 节约制冷功率， 改善磁体运行环境。 0007 本发明提供的真空焊接装置如下 ： 0008 有一个独立加热的真空室， 在所述的真空室内设置有冷基座和热基座， 真空室内 还包括一个可活动的焊接模具， 以及可使模具在真空室内活动的活动部。
16、件。 0009 首先， 所述的真空焊接装置有一个独立加热的真空室， 真空室为不锈钢制成的管 状或是方形， 真空室外缠绕加热丝或加热带并连接独立的电源和控制器， 可独立调整真空 室外壁的温度， 并保持恒定。真空室连接真空抽气装置， 保证真空度可好于 10Pa。 0010 在真空室内， 设置有冷基座和热基座， 两基座各有一个抛光的金属平面， 材质可为 铝或不锈钢。在热基座内有加热丝 5、 6、 7， 并分别连接控温装置， 3 根加热丝分别安装在热 基座长度方向的头、 中、 尾部， 可分别控制输入电流， 改善加热均匀性。 冷基座与真空室内壁 保持良好热接触， 热基座与真空室内壁之间用绝热材料支撑， 。
17、减少由真空室向热基座的传 热。 0011 焊接时焊接模具置于真空室内的热基座上， 加热到指定温度后， 通过活动部件使 模具与热基座脱离并与冷基座接触， 实现迅速降温。焊接模具与冷基座或热基座接触的表 面抛光。焊接模具一侧与活动部件接触， 未与活动部件接触的那一侧与轨道接触。所述的 使模具在真空室内活动的活动部件为推杆或转轴， 推杆或转轴可配有轨道， 轨道为不锈钢 导向斜面或是滚动导轨， 在通过推杆或转轴使得焊接模具与冷基座或热基座接触时方便移 动。 所述的活动部件穿过真空室外壁处设置两道或多道橡胶密封环， 形成真空密封， 并可在 不破坏真空室真空度的情况下自由转动或滑动。 0012 焊接模具包。
18、括有 U 型模槽， 根据待焊接线叠的长度， U 型模槽的长度保证两端各超 出待焊接线叠约 5cm， 在所述的 U 型模槽内嵌入两个压条， 压条为钛合金、 耐高温不锈钢或 者硬铝合金， 其中， 一个为与 U 型模槽固定的固定压条， 另一个为活动压条， 可通过螺丝来 调整与固定压条间的距离， 使得两个压条与超导叠紧密接触。压条与超导叠接触的部分进 行滚花处理， 花纹作为焊锡熔化后溢出的通道， 这一部分同时进行表面钝化， 避免焊锡将超 导叠和模具焊在一起， 使焊制后的超导叠可以自由取出。 0013 所述的焊接模具还包括有一个与模槽等长的压块， 压块与模槽间由螺丝和弹簧连 接。U 型模槽和压块为同种材。
19、料， 为耐高温不锈钢或者硬铝合金， 以保证加热时热膨胀率一 致。压块横截面为 T 字型， 下表面宽度与超导叠宽度相等， 上表面与 U 型模槽宽度相等并实 现滑动配合， T 字型台阶的高度保证压块与两个压条不接触， 压块的下表面抛光。压块上方 有螺丝和弹簧， 通过螺丝和弹簧将 U 型模槽与压块螺纹旋紧， 通过调整螺丝的松紧可调节 压块对超导叠施加的压力， 使带材平整、 整齐排列并与锡带保持良好接触， 在焊锡熔化时， 弹簧的弹力可保证持续向超导叠加压， 压块压于超导叠上的压力为 0.1-1kg/cm2。 0014 焊接模具的长度方向头、 中、 尾部分别安装 3 组热电偶 21、 22、 23， 热。
20、电偶头部通过 说 明 书 CN 103071874 A 5 3/5 页 6 压块上方小孔直接与待焊超导叠表面接触， 采集超导叠的当前温度。安装在热基座内的加 热丝5、 6、 7分别由控温装置根据热电偶21、 22、 23采集到的温度数据进行控制， 保证焊接温 度的一致性。 0015 使用本发明的焊接装置， 提高超导叠焊接效率， 采用了一次多个超导叠同时焊接 的方式， 减小模具和真空炉的尺寸， 同时缩短焊锡凝固时间， 以解决由此引起的虚焊问题。 0016 用于高温超导电流引线的超导叠的真空焊接装置焊接超导叠的方法， 包括如下步 骤 ： 0017 超导带材和锡带依次水平排列放入所述的焊接模具中， 。
21、由螺丝和弹簧连接固定压 块与模槽。 0018 在焊接前， 通过真空室外的加热丝， 将真空室的外壁加热到设定温度并保持恒定。 0019 将模具装入真空室， 通过活动部件使模具与热基座保持良好热接触， 密封真空室， 抽真空到真空度好于 10Pa。 0020 等待真空室外壁温度恢复到设定温度并保持恒定。 0021 通过控温装置给热基座通电， 使热电偶采集到的温度保持同步地上升到设定温 度。 0022 通过活动部件使模具与热基座脱离， 并与冷基座接触， 加速冷却过程， 同时切断对 热基座的供电。 0023 待热电偶采集到的温度降低到 170以下后， 向真空室内充入一个大气压的干燥 氮气并开启真空室， 。
22、完成焊接。 0024 本发明的有益效果是 ： 超导叠在焊接模具中， 通过与热基座和冷基座分别接触实 现可精确控温的加热和迅速降温， 升、 降温过程均依靠固体传热， 在保证焊接过程中真空室 的真空度不降低的前提下加快了升、 降温速度， 改善了焊锡凝固条件， 避免了因焊锡凝固时 间过长造成的虚焊问题， 使焊制的超导叠具有良好的致密度和载流能力， 并且操作较简易。 附图说明 0025 图 1 为本发明所述真空焊接装置结构示意图。图中 1 为真空室 ； 2 为加热丝或加 热带 ； 3 为冷基座 ； 4 为热基座 ； 5、 6、 7 依次为嵌入热基座 4 头、 中、 尾部的加热丝 ； 8 为焊接 模具 。
23、9 为活动部件 11、 12 为密封环。 0026 图 2 为本发明实施例 1 焊接装置结构示意图， 9 为推杆， 10 为导向斜面。 0027 图 3 为本发明实施例 2 焊接装置结构示意图， 9 为转轴， 10 为滚动导轨。 0028 图4为本发明所述焊接模具结构俯视示意图。 图中8为模具本体13为超导叠 ； 14、 15 为钛合金压条 ； 16、 17 为调节压条 14 位置的螺丝。压块 18 在本图中未出现。 0029 图5为本发明所述焊接模具的结构侧视示意图。 图中8为模具本体 ； 13为超导叠 ； 14、 15 为钛合金压条 ； 16、 17 为调节压条 14 位置的螺丝。18 为。
24、压块 ； 20 为调整压块 18 松 紧度的螺丝 ； 19 为调整压块 18 向超导叠 13 施加压力的弹簧 ； 21、 22、 23 依次为插入压块 18 头、 中、 尾部小孔的热电偶。 具体实施方式 0030 实施例 1 说 明 书 CN 103071874 A 6 4/5 页 7 0031 如图1所示， 用不锈钢制作一管式真空室1， 在外部缠绕加热带2， 内部左右两侧分 别安装冷基座 3 和热基座 4。冷基座 3 用螺丝固定， 与真空室内壁紧密相贴， 中间垫入薄铝 带实现良好热接触， 材质为铝材。热基座 4 也用螺丝固定， 但与真空室壁离开 1cm 距离， 避 免热接触， 同时固定螺丝顶。
25、部接触热基座的部分嵌入环氧树脂垫片， 使热基座 4 与螺丝没 有直接接触， 改善绝热条件。热基座 4 内部头、 中、 尾部各嵌入一组镍铬合金加热丝 5、 6、 7， 并通过真空密封插座分别连接到外部控制器。冷基座 3 和热基座 4 之间保留的空间可放入 焊接模具 8。真空室 1 一侧开孔， 焊接模具 8 的一侧可与通过该孔插入的不锈钢推杆 9 接 触， 推杆表面抛光。真空室 1 内， 对应焊接模具 8 另一侧并且靠近热基座 4 处安装不锈钢导 向斜面 10， 冷基座 3、 热基座 4 及导向斜面 10 的相对位置保证通过推杆 9 移动模具 8 时， 模 具 8 能够分别与冷基座 3 和热基座 。
26、4 紧密接触。在焊接过程中， 推杆 9 只需要动作一次， 即 把模具 8 从热基座 4 推向冷基座 3。为保证真空度， 推杆 9 穿过真空室 1 外壁处焊接一段不 锈钢延伸管， 管内嵌入两道橡胶密封环 11 和 12， 使其与推杆 9 构成真空密封结构。 0032 如图4， 焊接模具8由耐高温不锈钢制作， 模具8的长度根据待焊超导叠13的长度 设计， 两端各超出超导叠 13 约 5cm。模具 8 在加工前先进行热处理， 释放应力， 避免长期使 用反复加热导致变形。模具 8 的中央铣一宽度约等于超导叠 13 宽度三倍的槽， 内部容纳超 导叠和一对钛合金压条 14、 15， 其中压条 14 可自由。
27、活动， 压条 15 与模具一侧焊接固定。在 模具 8 对应压条 14 的一侧壁上开两个孔并攻丝， 插入调整螺丝 16、 17， 通过调节这两个螺 丝， 可调节压条 14 的位置， 从侧面压紧超导叠 13。压条 14、 15 与超导叠 13 接触的表面进行 滚花处理， 形成垂直方向的条纹， 作为焊接时超导叠 13 内焊锡溢出时的通道， 同时， 对这两 个表面进行阳极氧化处理， 钝化这两个表面， 避免焊锡将超导叠 13 和压条 14、 15 焊接在一 起。 0033 如图 3， 采用与焊接模具 8 相同的耐高温不锈钢， 以相同工艺加工制作长度与模具 8 相等的压块 18， 压块 18 的横截面为 。
28、T 字型， 下表面宽度与超导叠 13 宽度相等， 上表面与 U 型模槽宽度相等并实现滑动配合， T 字型台阶的高度保证压块 18 与压条 14、 15 不接触， 压 块 18 的下表面抛光。在焊接模具 8 上方的中部开口处攻丝， 旋入直径约为开口 1.5 倍的平 面螺丝 20， 螺丝下方固定一弹簧 19， 弹簧 19 与压块 18 上表面接触， 施加压力。压块 18 的 长度方向头、 中、 尾部开通孔， 分别插入热电偶 21、 22、 23， 使热电偶的头部测温点处可与超 导叠 13 直接接触。热电偶 21、 22、 23 通过真空密封插座分别连接到外部控制器。 0034 真空密封插座在图中未。
29、示出。 0035 焊接时， 将超导带材和锡带依次水平排列放入所述的焊接模具 8 中， 由螺丝 20 和 弹簧 19 连接固定压块 18 与 U 型模槽。 0036 在焊接前， 通过真空室 1 外的加热丝 2， 将真空室 1 的外壁加热到设定温度 70-110并保持恒定。 0037 将模具 8 装入真空室 1， 通过推杆 9 使模具 8 与热基座 4 保持良好热接触， 密封真 空室 1， 抽真空到真空度好于 10Pa。 0038 等待真空室 1 外壁温度恢复到设定温度 70-110并保持恒定。 0039 通过控温装置给热基座 4 的加热丝 5、 6、 7 通电， 使热电偶 21、 22、 23 。
30、采集到的温度 保持同步地上升到设定温度 245。 0040 通过活动部件 9 使模具 8 与热基座 4 脱离， 并与冷基座 3 接触， 加速冷却过程， 同 说 明 书 CN 103071874 A 7 5/5 页 8 时切断对热基座 4 的供电。 0041 待热电偶采集到的温度降低到 170以下后， 向真空室 1 内充入一个大气压的干 燥氮气并开启真空室 1， 完成焊接。 0042 实施例 2 0043 实施例 2 与实施例 1 中不同的是活动部件为转轴 9， 并配以滚动导轨 10。焊接模 具 8 的使用方法同实施例 1。焊接方法中真空炉 1 外壁温度设定可为 50-120间任意值。 热基座 4 加热温度的设定值超过所选用的焊料熔点 20-35即可。 说 明 书 CN 103071874 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103071874 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103071874 A 10 。