[发明专利]高温超导双饼线圈的高温超导带材接头制备方法

说明书

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超导线圈作为内插入NbTi超导线圈内部的形式达到，更高磁场的磁体需要在Nb3Sn超导线圈内部再插入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变硬，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；