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1、HTS电流引线中接头电阻的研究和焊接工艺低温与超导第35卷第4期超导技术SuperconductivityCryo.&SupereondV01.35No.4HTS电流引线中接头电阻的研究和焊接工艺杨长春(中国科学院等离子体研究所,安徽合肥230031)摘要:针对Bi-2223/AgAu高温超导带材制造的二元I-ITS电流引线设计中不同材料之间连接的技术要求,设计了减小接头电阻的焊接工艺实验,包括焊接温度,焊料,搭接长度和焊锡层厚度对接头电阻的影响.着重分析了I-ITS电流引线中应用的三种接头的焊接工艺对焊接电阻的影响,并总结出在HTS电流引线中接头电阻的焊接工艺参数.关键词:Bi一22
2、23带材;焊接;接头电阻StudyonjointresistancesandsoldertechniqueforHTScurrentleadsYangChangchun(InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)Abstract:ThreedifferenttypesofjoiningbetweenCuandCu,CuandHTS,HTSandHTSwerepreparedandcurrentvoltagecharac?teristiccurve8wereinvestigatedat77K.Speci
3、fically,akindofsolderWastested.ContactresistancesofjointpartsWasestimatedfromcurves.TheresistancevaluesofthreedifferenttypesofjoiningWerecalculatedtobe10一1OQmagnitudeinliquidnitrogentemperature.ThebestsoldemgprocessWasdesigned,too.IncurvesofsamplesjoinedwithHTStapes,itWasfoundthatjointresistancedepe
4、ndsOilvariationofoverlapped-length.FromconsiderationofJouleheatgeneration,suchjoiningmethodisavailableforfabricatingHTScurrentleads.Keywords:m.StapeofBi一2223/AgAu,Soldering,Jointresistance1引言近年来,高温超导体电流引线正越来越多的受到人们的重视,用高温超导材料制造的二元HTS电流引线,当超导材料工作在其临界温度以下时,由于其处在超导态,消除了焦耳热;另一方面,高温超导体的热导率很低,又可以大幅度的降低沿电流
5、引线的传导漏热,使得高温超导材料成为制造电流引线的最佳材料.通过使用高温超导电流引线,能够使得沿电流引线的漏热降为原来铜电流引线漏热的1/10.用Bi一2223/AgAu带材制造的高温超导电流引线在抗冲击性(超导块材具有脆性),长使用寿命,安装的简便性以及引线两端和其他金属材料的低接触电阻连接上具有明显的优势.在电流引线发生故障时,高温超导带材的银金合金材料还可以作为电流和热的分流通路,对电流引线的安全性有好处,因此在容量较大的电流引线中多被采用.用Bi一2223/AgAu带材设计的二元HTS电流引线高温超导段是由高温超导件,分流器和末端接头组成.高温超导件是许多多层超导叠并联排列在分流器上组
6、成,是超导段的主要部分,也是电流引线性能的主要标志;分流器是在超导叠出现故障时分担电流,提供热沉的安全保护作用,同时也是HTS叠的支撑物;末端接头是用于超导段与引线其他部分连接,连接工艺的研究对减少低头电阻和引线性能有重大意义.超导模件是有大量HTS元件与两端铜接头相连,如图1所示.这些接头电阻在大电流(高于5kA)工作时,产生的焦耳热将会增加热负荷进而影响引线超导性能退化,因此研究这些接头的低阻焊接工艺是必要的.为了减小这部分对引线产生的影响,本文针对Cu/Cu,Cu/HTS,HTS/HTS材料界面接头电阻最小化进行实验和工艺研究,分析了减小接头电阻的各种因素包括焊接温度,焊料,搭接距离和焊
7、锡层厚度,并总结出在rIS电流引线设计与研发中焊接接头工艺的设计参数.2实验21Bi一2223/AgAu高温超导带材热处理实验由文献1中知道,对PI-I工艺制备的多芯Bi一2223/AgAu(带材横截面积尺寸为4.2mm0.24mm)在空气中进行200800”12/0.5h热处理试验,收稿日期:20070323作者简介:杨长春(1979一),男,硕士,从事高温超导电流引线的研发.?320?超导技术Superc0nductivity第4期(a)CADviewofHTSpart(b)erosssectionalviewofHTSparl图1高温超导电流引线结构示意图Fig.1Structuresc
8、hematicviewofHTSpart对未热处理和热处理后的带材短样在液氮中分别用四的焊料,以减少接头电阻带来的焦耳热,减少低温运行引线法测量,c值,测量距离为10mm采用1ixV/cm判费用,降低成本.根据实验和HTS引线部件焊接顺据,测量结果如下:Bi一2223/AgAu短样在300C以序,对于最先焊接HTS和HTS接头,我们可以采用熔下进行0.5h热处理后,样品在液氮温区的,c值并没点较高的高铅PbSn(熔点298C);对于HTS部件有降低,还略有增加.Bi一2223/AgAu短样在两端和铜材接头焊接采用熔点稍低的高锡Sn.AgCu500%以上进行0.5h热处理后,液氮温区的,c值降(
9、熔点217C);而最后焊接的铜铜连接接头则选择熔低.这说明300C以下短时间加热(0.5h)不会影响点更低的普通钎焊焊料Sn6Pb(熔点183C).对于引Bi2223/AgAu材料的,c值,钎焊温度可选择在线下端和低温超导线的接头由于工作温度在4K左300C以下进行,焊料可选择熔点在300C以下的软钎右,所有采用具有超导性质的Bi50SnPb(熔点焊料.100C)(引.2.2焊料实验从上面试验我们知道,在HTS电流引线设计中焊接不同材料和高温超导Bi一2223/AgAu时,应该选择熔点温度在300C以下的焊料,而且不同的焊接接头应有不同的焊接温度,避免在焊接不同的接头时破坏其他接头.因此考虑焊
10、料的电阻率性能和熔点范围对电流引线的设计是必要的,我们通过对选择的几种组分的焊料做电阻率随温度变化特性测量实验,如图2所示.我们知道,在二元HTS电流引线设计时,减小目a,.卧岛脚50100150200250300温度瓜图2焊料电阻率随温度变化曲线Fig.2Temperaturedependenceofelectricalresistivityofsoldermaterials热负荷是我们重点考虑的问题,所以我们在设计焊接接头时,应该选择阻值较低甚至低温工作温区能超导2.3接头样品钎焊工艺实验对于在HTS电流引线中的主要钎焊有HTS和HTS,HTS和Cu,Cu和Cu三种,根据他们在设计中的焊接
11、顺序和焊料电阻率测量结果,选择焊料的熔点依次从高到低分别为高铅PbSn,高锡SnAgCu,普通Sn63Pb三种熔点小于300C的软钎焊料分别焊接HTS和HTS,HTS和Cu,Cu和Cu三种接头.在保证焊件清洁,焊料熔化的前提下,焊接温度不宜过高(高于熔点20一30左右),以免生成金属间化合物增大接头电阻.钎焊层应均匀平整,可适当加压保证不出现虚焊.因此我们在自制真空绝热炉中采用电加热炉经调压器控制加热速度和温度,样品接头之间采用单层带状焊料放在自制的焊接夹具里加压,在样品温度高于焊料熔点20C时保温35分钟后通水迅速降温到焊料熔点以下的焊接工艺,保证了焊接质量.样品接头如图3所示,样品接头尺寸
12、如表1所示.表1样品接头尺寸Tab.1Thespecificationofjointsamples第4期低温技术Cryogenics?285?5.2设备组成不同YDS一4液氮机组的主要组成如下:LNP一8液氮设备的主要组成如下:5.3制冷机冷凝器内工作压力不同虽然YDS一4液氮机组和LNP一8液氮设备所用制冷机完全相同,同为3LY一0.8/194型回热式制冷机.但YDS一4液氮机组制冷机冷凝器内液化的是空气,工作压力是常压.LNP一8液氮设备制冷机冷凝器内液化的是氮气,工作压力是正压,因此可以保证接受和贮存液氮的液氮容器时刻保持正压,在液氮设备工作的同时,YDZ一300液氮容器内的液氮也可以同
13、时对外提供.5.4设备主要技术指标不同YDS一4液氮机组主要技术指标(根据说明书):名称数值技术条件液氮产量液氮纯度制冷机工作压力45L/h1.一194C时,平均工作压力2.6MPa2.冷却水耗量lm/h3.冷却水温15,湿球温度144.转速1450转/分5.海平面位置99.5%废氧纯度约7080%2.6MPa工作介质:氢气或氦气LNP一8液氮设备主要技术指标:通过冬天和夏天两次的测试结果发现,只要调节好氮气流量和控制冷却水温度,改造后的液氮设备产量不小于8L/h.其液氮产量测试结果如下:液氮产量氮气纯度工作压力备注9L/h99.5%2.6MPa2005年1月,合肥,环境9.5L/h99%2.
14、6MPa温度6,自来水冷却2005年7月,合肥,环境8.5L/h99.7%2.6MPa温度35,冷却水温度15(采用冷水机)6总结利用3LY一0.8/194型回热式制冷机作液化主机,将变压吸附制取的纯氮气液化,用冷水机组冷却制冷机工作过程中产生的热量,得到了不小于8L/h的液氮产量.通过输液软管将制冷机生产的液氮输送到YDZ一300液氮容器内正压保存,在液氮设备工作的同时,YDZ一300液氮容器内的液氮也可以同时对外提供.致谢:在设备生产过程中与杭州制氧机厂王剑利,杭州锦华气体设备开发有限公司朱道贞高工进行过有益的探讨,特此致谢!参考文献1杭州制氧机厂.液氮机使用技术.1985.2杭州锦华气体
15、设备开发有限公司.JHFN一6型制氮装置使用说明书.3化工第4设计院.深冷手册(上).北京:石油化学工业出版社,1973.(上接第321页)参考文献1张宏杰,等.Bi一2223带材制备的高温超导电流引线.低温与超导,2005,134(1).2黄晖,等.Bi-2223/Ag高温超导带材连接技术的研究.低温物理,2003,125(增刊).3DarrenMSpiller,eta1.Designoptimizationof600A一13kAcurrentleadsfortheLargeHadronColliderprojectatCERN,.Supereond.Sei.Techno1.,2001,14:168172.4JungHoKim,eta1.EvaluationofJointResistanceBetweenBi一2223/AgSuperconductingTapes.IEEEtransactionsonappliedsuperconductivity,2006,16(2).5朱志芹.Bi一2223高温超导带材焊接接头电阻和过电流冲击性能实验研究.低温物理,2006,28(2).6张宏杰,等.Bi一2223带材有阻焊接接头电阻特性的研究.低温物理,2006,28(3).