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(zhǎng)春(中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所,安徽合肥230031)摘要:針對(duì)Bi-2223/AgAu高溫超導(dǎo)帶材制造的二元I-ITS電流引線設(shè)計(jì)中不同材料之間連接的技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了減小接頭電阻的焊接工藝實(shí)驗(yàn),包括焊接溫度,焊料,搭接長(zhǎng)度和焊錫層厚度對(duì)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(duì)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(lái),高溫超導(dǎo)體電流引線正越來(lái)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(shí),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(guò)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(lái)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(zhǎng)使用壽命,安裝的簡(jiǎn)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(shì).在電流引線發(fā)生故障時(shí),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(duì)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(jì)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(shí)分擔(dān)電流,提供熱沉的安全保護(hù)作用,同時(shí)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(duì)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(shí),產(chǎn)生的焦耳熱將會(huì)增加熱負(fù)荷進(jìn)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(duì)引線產(chǎn)生的影響,本文針對(duì)Cu/Cu,Cu/HTS,HTS/HTS材料界面接頭電阻最小化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jì)與研發(fā)中焊接接頭工藝的設(shè)計(jì)參數(shù).2實(shí)驗(yàn)21Bi一2223/AgAu高溫超導(dǎo)帶材熱處理實(shí)驗(yàn)由文獻(xiàn)1中知道,對(duì)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(jìn)行200800”12/0.5h熱處理試驗(yàn),收稿日期:20070323作者簡(jiǎn)介:楊長(zhǎng)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(duì)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(lái)的焦耳熱,減少低溫運(yùn)行引線法測(cè)量,c值,測(cè)量距離為10mm采用1ixV/cm判費(fèi)用,降低成本.根據(jù)實(shí)驗(yàn)和HTS引線部件焊接順據(jù),測(cè)量結(jié)果如下:Bi一2223/AgAu短樣在300C以序,對(duì)于最先焊接HTS和HTS接頭,我們可以采用熔下進(jìn)行0.5h熱處理后,樣品在液氮溫區(qū)的,c值并沒(méi)點(diǎn)較高的高鉛PbSn(熔點(diǎn)298C);對(duì)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(diǎn)稍低的高錫Sn.AgCu500%以上進(jìn)行0.5h熱處理后

9、,液氮溫區(qū)的,c值降(熔點(diǎn)217C);而最后焊接的銅銅連接接頭則選擇熔低.這說(shuō)明300C以下短時(shí)間加熱(0.5h)不會(huì)影響點(diǎn)更低的普通釬焊焊料Sn6Pb(熔點(diǎn)183C).對(duì)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(jìn)行,焊料可選擇熔點(diǎn)在300C以下的軟釬右,所有采用具有超導(dǎo)性質(zhì)的Bi50SnPb(熔點(diǎn)焊料.100C)(引.2.2焊料實(shí)驗(yàn)從上面試驗(yàn)我們知道,在HTS電流引線設(shè)計(jì)中焊接不同材料和高溫超導(dǎo)Bi一2223/AgAu時(shí),應(yīng)該選擇熔點(diǎn)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(shí)破

10、壞其他接頭.因此考慮焊料的電阻率性能和熔點(diǎn)范圍對(duì)電流引線的設(shè)計(jì)是必要的,我們通過(guò)對(duì)選擇的幾種組分的焊料做電阻率隨溫度變化特性測(cè)量實(shí)驗(yàn),如圖2所示.我們知道,在二元HTS電流引線設(shè)計(jì)時(shí),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(diǎn)考慮的問(wèn)題,所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)焊接接頭時(shí),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(shí)驗(yàn)對(duì)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?cè)谠O(shè)計(jì)中的焊接順序和焊料電阻率測(cè)量結(jié)果,選擇焊料的熔點(diǎn)依次從高到低分別為高鉛PbSn,高錫SnAgCu,普通Sn63Pb三種熔點(diǎn)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(guò)高(高于熔點(diǎn)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?cè)谧灾普婵战^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(diǎn)20C時(shí)保溫35分鐘后通水迅速降溫到焊料熔點(diǎn)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(jī)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(jī)冷凝器內(nèi)工作壓力不同雖然YDS一4液氮機(jī)組和LNP一8液氮設(shè)備所用制冷機(jī)完全相同,同為3LY一0.8/194型回?zé)崾街评錂C(jī).但YDS一4液氮機(jī)組制冷機(jī)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(jī)冷凝器內(nèi)液化的是氮?dú)?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(shí)刻保持正壓,在液氮設(shè)備工作的同時(shí),YDZ一300液

13、氮容器內(nèi)的液氮也可以同時(shí)對(duì)外提供.5.4設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)不同YDS一4液氮機(jī)組主要技術(shù)指標(biāo)(根據(jù)說(shuō)明書):名稱數(shù)值技術(shù)條件液氮產(chǎn)量液氮純度制冷機(jī)工作壓力45L/h1.一194C時(shí),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(guò)冬天和夏天兩次的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),只要調(diào)節(jié)好氮?dú)饬髁亢涂刂评鋮s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(cè)試結(jié)果如下:液氮產(chǎn)量氮?dú)饧兌裙ぷ鲏毫渥?L/h99.5%2.6MPa2005年1月,合肥,環(huán)境

14、9.5L/h99%2.6MPa溫度6,自來(lái)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(jī))6總結(jié)利用3LY一0.8/194型回?zé)崾街评錂C(jī)作液化主機(jī),將變壓吸附制取的純氮?dú)庖夯?用冷水機(jī)組冷卻制冷機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量,得到了不小于8L/h的液氮產(chǎn)量.通過(guò)輸液軟管將制冷機(jī)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(shí),YDZ一300液氮容器內(nèi)的液氮也可以同時(shí)對(duì)外提供.致謝:在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中與杭州制氧機(jī)廠王劍利,杭州錦華氣體設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司朱道貞高工進(jìn)行過(guò)有益的探討,特此致謝!參考文獻(xiàn)1杭州制氧機(jī)廠.液氮機(jī)使用技術(shù).1

15、985.2杭州錦華氣體設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司.JHFN一6型制氮裝置使用說(shuō)明書.3化工第4設(shè)計(jì)院.深冷手冊(cè)(上).北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社,1973.(上接第321頁(yè))參考文獻(xiàn)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