HTS電流引線中接頭電阻的研究和焊接工藝

1、.HTS電流引線中接頭電阻的研究和焊接工藝低溫與超導(dǎo)第35卷第4期超導(dǎo)技術(shù)SuperconductivityCryo.&SupereondV01.35No.4HTS電流引線中接頭電阻的研究和焊接工藝楊長春(中國科學(xué)院等離子體研究所,安徽合肥230031)摘要:針對Bi-2223/AgAu高溫超導(dǎo)帶材制造的二元I-ITS電流引線設(shè)計中不同材料之間連接的技術(shù)要求,設(shè)計了減小接頭電阻的焊接工藝實驗,包括焊接溫度,焊料,搭接長度和焊錫層厚度對接頭電阻的影響.著重分析了I-ITS電流引線中應(yīng)用的三種接頭的焊接工藝對焊接電阻的影響,并總結(jié)出在HTS電流引線中接頭電阻的焊接工藝參數(shù).關(guān)鍵詞:

2、Bi一2223帶材;焊接;接頭電阻StudyonjointresistancesandsoldertechniqueforHTScurrentleadsYangChangchun(InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)Abstract:ThreedifferenttypesofjoiningbetweenCuandCu,CuandHTS,HTSandHTSwerepreparedandcurrentvoltagecharac?teristiccurve8wereinvestigatedat77K.

3、Specifically,akindofsolderWastested.ContactresistancesofjointpartsWasestimatedfromcurves.TheresistancevaluesofthreedifferenttypesofjoiningWerecalculatedtobe10一1OQmagnitudeinliquidnitrogentemperature.ThebestsoldemgprocessWasdesigned,too.IncurvesofsamplesjoinedwithHTStapes,itWasfoundthatjointresistanc

4、edependsOilvariationofoverlapped-length.FromconsiderationofJouleheatgeneration,suchjoiningmethodisavailableforfabricatingHTScurrentleads.Keywords:m.StapeofBi一2223/AgAu,Soldering,Jointresistance1引言近年來,高溫超導(dǎo)體電流引線正越來越多的受到人們的重視,用高溫超導(dǎo)材料制造的二元HTS電流引線,當(dāng)超導(dǎo)材料工作在其臨界溫度以下時,由于其處在超導(dǎo)態(tài),消除了焦耳熱;另一方面,高溫超導(dǎo)體的熱導(dǎo)率很低,又可以大幅度的

5、降低沿電流引線的傳導(dǎo)漏熱,使得高溫超導(dǎo)材料成為制造電流引線的最佳材料.通過使用高溫超導(dǎo)電流引線,能夠使得沿電流引線的漏熱降為原來銅電流引線漏熱的1/10.用Bi一2223/AgAu帶材制造的高溫超導(dǎo)電流引線在抗沖擊性(超導(dǎo)塊材具有脆性),長使用壽命,安裝的簡便性以及引線兩端和其他金屬材料的低接觸電阻連接上具有明顯的優(yōu)勢.在電流引線發(fā)生故障時,高溫超導(dǎo)帶材的銀金合金材料還可以作為電流和熱的分流通路,對電流引線的安全性有好處,因此在容量較大的電流引線中多被采用.用Bi一2223/AgAu帶材設(shè)計的二元HTS電流引線高溫超導(dǎo)段是由高溫超導(dǎo)件,分流器和末端接頭組成.高溫超導(dǎo)件是許多多層超導(dǎo)疊并聯(lián)排列在

6、分流器上組成,是超導(dǎo)段的主要部分,也是電流引線性能的主要標(biāo)志;分流器是在超導(dǎo)疊出現(xiàn)故障時分擔(dān)電流,提供熱沉的安全保護作用,同時也是HTS疊的支撐物;末端接頭是用于超導(dǎo)段與引線其他部分連接,連接工藝的研究對減少低頭電阻和引線性能有重大意義.超導(dǎo)模件是有大量HTS元件與兩端銅接頭相連,如圖1所示.這些接頭電阻在大電流(高于5kA)工作時,產(chǎn)生的焦耳熱將會增加熱負(fù)荷進而影響引線超導(dǎo)性能退化,因此研究這些接頭的低阻焊接工藝是必要的.為了減小這部分對引線產(chǎn)生的影響,本文針對Cu/Cu,Cu/HTS,HTS/HTS材料界面接頭電阻最小化進行實驗和工藝研究,分析了減小接頭電阻的各種因素包括焊接溫度,焊料,搭

7、接距離和焊錫層厚度,并總結(jié)出在rIS電流引線設(shè)計與研發(fā)中焊接接頭工藝的設(shè)計參數(shù).2實驗21Bi一2223/AgAu高溫超導(dǎo)帶材熱處理實驗由文獻1中知道,對PI-I工藝制備的多芯Bi一2223/AgAu(帶材橫截面積尺寸為4.2mm×0.24mm)在空氣中進行200800”12/0.5h熱處理試驗,收稿日期:20070323作者簡介:楊長春(1979一),男,碩士,從事高溫超導(dǎo)電流引線的研發(fā).?320?超導(dǎo)技術(shù)Superc0nductivity第4期(a)CADviewofHTSpart(b)erosssectionalviewofHTSparl圖1高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1

8、StructureschematicviewofHTSpart對未熱處理和熱處理后的帶材短樣在液氮中分別用四的焊料,以減少接頭電阻帶來的焦耳熱,減少低溫運行引線法測量,c值,測量距離為10mm采用1ixV/cm判費用,降低成本.根據(jù)實驗和HTS引線部件焊接順據(jù),測量結(jié)果如下:Bi一2223/AgAu短樣在300C以序,對于最先焊接HTS和HTS接頭,我們可以采用熔下進行0.5h熱處理后,樣品在液氮溫區(qū)的,c值并沒點較高的高鉛PbSn(熔點298C);對于HTS部件有降低,還略有增加.Bi一2223/AgAu短樣在兩端和銅材接頭焊接采用熔點稍低的高錫Sn.AgCu500%以上進行0.5h熱處理后

9、,液氮溫區(qū)的,c值降(熔點217C);而最后焊接的銅銅連接接頭則選擇熔低.這說明300C以下短時間加熱(0.5h)不會影響點更低的普通釬焊焊料Sn6Pb(熔點183C).對于引Bi2223/AgAu材料的,c值,釬焊溫度可選擇在線下端和低溫超導(dǎo)線的接頭由于工作溫度在4K左300C以下進行,焊料可選擇熔點在300C以下的軟釬右,所有采用具有超導(dǎo)性質(zhì)的Bi50SnPb(熔點焊料.100C)(引.2.2焊料實驗從上面試驗我們知道,在HTS電流引線設(shè)計中焊接不同材料和高溫超導(dǎo)Bi一2223/AgAu時,應(yīng)該選擇熔點溫度在300C以下的焊料,而且不同的焊接接頭應(yīng)有不同的焊接溫度,避免在焊接不同的接頭時破

10、壞其他接頭.因此考慮焊料的電阻率性能和熔點范圍對電流引線的設(shè)計是必要的,我們通過對選擇的幾種組分的焊料做電阻率隨溫度變化特性測量實驗,如圖2所示.我們知道,在二元HTS電流引線設(shè)計時,減小目a,.臥島腳50100150200250300溫度瓜圖2焊料電阻率隨溫度變化曲線Fig.2Temperaturedependenceofelectricalresistivityofsoldermaterials熱負(fù)荷是我們重點考慮的問題,所以我們在設(shè)計焊接接頭時,應(yīng)該選擇阻值較低甚至低溫工作溫區(qū)能超導(dǎo)2.3接頭樣品釬焊工藝實驗對于在HTS電流引線中的主要釬焊有HTS和HTS,HTS和Cu,Cu和Cu三種,

11、根據(jù)他們在設(shè)計中的焊接順序和焊料電阻率測量結(jié)果,選擇焊料的熔點依次從高到低分別為高鉛PbSn,高錫SnAgCu,普通Sn63Pb三種熔點小于300C的軟釬焊料分別焊接HTS和HTS,HTS和Cu,Cu和Cu三種接頭.在保證焊件清潔,焊料熔化的前提下,焊接溫度不宜過高(高于熔點20一30左右),以免生成金屬間化合物增大接頭電阻.釬焊層應(yīng)均勻平整,可適當(dāng)加壓保證不出現(xiàn)虛焊.因此我們在自制真空絕熱爐中采用電加熱爐經(jīng)調(diào)壓器控制加熱速度和溫度,樣品接頭之間采用單層帶狀焊料放在自制的焊接夾具里加壓,在樣品溫度高于焊料熔點20C時保溫35分鐘后通水迅速降溫到焊料熔點以下的焊接工藝,保證了焊接質(zhì)量.樣品接頭如

12、圖3所示,樣品接頭尺寸如表1所示.表1樣品接頭尺寸Tab.1Thespecificationofjointsamples第4期低溫技術(shù)Cryogenics?285?5.2設(shè)備組成不同YDS一4液氮機組的主要組成如下:LNP一8液氮設(shè)備的主要組成如下:5.3制冷機冷凝器內(nèi)工作壓力不同雖然YDS一4液氮機組和LNP一8液氮設(shè)備所用制冷機完全相同,同為3LY一0.8/194型回?zé)崾街评錂C.但YDS一4液氮機組制冷機冷凝器內(nèi)液化的是空氣,工作壓力是常壓.LNP一8液氮設(shè)備制冷機冷凝器內(nèi)液化的是氮氣,工作壓力是正壓,因此可以保證接受和貯存液氮的液氮容器時刻保持正壓,在液氮設(shè)備工作的同時,YDZ一300液

13、氮容器內(nèi)的液氮也可以同時對外提供.5.4設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)不同YDS一4液氮機組主要技術(shù)指標(biāo)(根據(jù)說明書):名稱數(shù)值技術(shù)條件液氮產(chǎn)量液氮純度制冷機工作壓力45L/h1.一194C時,平均工作壓力2.6MPa2.冷卻水耗量lm/h3.冷卻水溫15,濕球溫度144.轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分5.海平面位置99.5%廢氧純度約7080%2.6MPa工作介質(zhì):氫氣或氦氣LNP一8液氮設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo):通過冬天和夏天兩次的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),只要調(diào)節(jié)好氮氣流量和控制冷卻水溫度,改造后的液氮設(shè)備產(chǎn)量不小于8L/h.其液氮產(chǎn)量測試結(jié)果如下:液氮產(chǎn)量氮氣純度工作壓力備注9L/h99.5%2.6MPa2005年1月,合肥,環(huán)境

14、9.5L/h99%2.6MPa溫度6,自來水冷卻2005年7月,合肥,環(huán)境8.5L/h99.7%2.6MPa溫度35,冷卻水溫度15(采用冷水機)6總結(jié)利用3LY一0.8/194型回?zé)崾街评錂C作液化主機,將變壓吸附制取的純氮氣液化,用冷水機組冷卻制冷機工作過程中產(chǎn)生的熱量,得到了不小于8L/h的液氮產(chǎn)量.通過輸液軟管將制冷機生產(chǎn)的液氮輸送到Y(jié)DZ一300液氮容器內(nèi)正壓保存,在液氮設(shè)備工作的同時,YDZ一300液氮容器內(nèi)的液氮也可以同時對外提供.致謝:在設(shè)備生產(chǎn)過程中與杭州制氧機廠王劍利,杭州錦華氣體設(shè)備開發(fā)有限公司朱道貞高工進行過有益的探討,特此致謝!參考文獻1杭州制氧機廠.液氮機使用技術(shù).1

15、985.2杭州錦華氣體設(shè)備開發(fā)有限公司.JHFN一6型制氮裝置使用說明書.3化工第4設(shè)計院.深冷手冊(上).北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社,1973.(上接第321頁)參考文獻1張宏杰,等.Bi一2223帶材制備的高溫超導(dǎo)電流引線.低溫與超導(dǎo),2005,134(1).2黃暉,等.Bi-2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材連接技術(shù)的研究.低溫物理,2003,125(增刊).3DarrenMSpiller,eta1.Designoptimizationof600A一13kAcurrentleadsfortheLargeHadronColliderprojectatCERN,.Supereond.Sei.Techno1.,2001,14:16817