一种高温超导带材内封接头制作方法与流程

本发明涉及超导带材焊接，特别涉及一种高温超导带材内封接头制作方法。

背景技术：

自1987年y-ba-cu-o(ybco)被发现以来的30多年里，由于其载流能力强、热损低或无热损等诸多优点，re-ba-cu-o(rebco，re=稀土元素)超导体得到重大发展，制备长度达到百米，甚至上千米量级，第二代高温超导（2g-hts）带材在世界各地已经实现了商业化生产，并逐步在许多场景中得到应用。

高温超导带材在电力传输（如绕制超导电缆）、大型磁体和超导电机等领域的应用越来越广泛，但同时对高温超导带材的要求也越来越高，现有加工工艺可以提供几百米到千米量级的高温超导带材，显然不能满足超导装置对长度的要求，所以实际应用中必然要使用大量的接头。

此外，随着带材制备长度的增加，对成品率和技术的要求也越高，同时其单价也就越高。因此，无论从技术还是经济上看，对高温超导带材焊接技术及接头电阻特性的研究都具有重要意义。

焊接接头具有两个重要的参数，一是接头电阻，二是机械强度及厚度要求。一般要求接头电阻尽可能小，这样可以提高超导设备运行的稳定性，使带材在液氮中运行时发热较少，从而可降低液氮的挥发，提高设备的整体性能。具有较高机械强度以及与原始带材厚度差异较小，非常有利于下游超导装置的制作，如超导电缆的绕制等。

目前，普遍采用的焊接接头制作方法是，封装后的成品带材通过搭接或桥接的方式进行焊接，其接头电阻可达10^-8ω量级，满足商业化的应用，但其接头强度较低，同时，厚度大于原始带材厚度的2倍。接头处与原始带材的厚度差异，表面不平整，机械性能以及弯曲性能较差，对制作超导装置非常不利，如高温超导电缆的绕制等。

技术实现要素：

本发明提供了一种高温超导带材内封接头制作方法。主要解决现有高温超导带材封装后再焊接存在的接头强度较低、接头处与原始带材的厚度差异，表面不平整，机械性能以及弯曲性能较差等技术问题。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种高温超导带材内封接头制作方法，包括以下步骤：

a、将具有夹层结构带材a和带材b的一端放置在恒温加热平台的加热板上，通过加热的方式将其封装层a撕开，并根据接头长度，确定撕开长度l1，同时剪开或锯开；同样，将超导芯带层也撕开，长度为l2，同时剪开或锯开。

b、在带材a的撕开处，放置焊料片，最后将带材b的撕开测，放置在焊料片上，形成焊接之前搭接结构。

c、再将带材a和带材b的搭接接头放置在焊接头制作模具上，通过定位槽调整带材a和带材b的搭接头的准直性。

d、将焊接头制作模具放置在热压机的下加热板上，启动压下开关，下压上加热板，风冷模具；当下加热板温度<80℃时，即可取出，完成焊接接头制作。

对于步骤a，恒温加热平台温度设置，是以带材封装时所用焊料的熔点作为依据，当温度大于封装焊料熔点时，封装焊料熔化，封装层a就可以从该处撕开，最重要的一点是该法不会破坏核心功能层-超导层，不影响带材的性能，这是本发明先决条件。

带材a和带材b的超导面侧相对放置。

对于步骤c，焊接头制作模具包括支撑板，安置在支撑板中间位置的304不锈钢热板，和在支撑板上开具调整准直性的定位槽，支撑板和304不锈钢热板的厚度一致，定位槽的宽度等于带材宽度w＋0.1mm，定位槽的深度等于0.5~0.8h，其中h为带材厚度。

对于步骤d，热压机上加热板不加热，为室温。热压机下加热板（恒温加热平台的加热板亦同）的温度，根据封装焊料的熔点设置，通常为设置温度为焊料熔点+30~50℃。热压机下加热板（恒温加热平台的加热板亦同）温度偏差±1℃，压力0-4kg可调。所采用焊料片的材料与焊料相同，或焊料片采用熔点小于焊料熔点的低温合金材料。本发明中，封装焊料采用sn-pb合金（熔点为183℃），所采用焊料片的材料与焊料相同，或焊料片采用熔点小于焊料熔点的低温合金材料。焊料片可采用sn-pb合金（熔点183℃）或sn-pb-ag合金（熔点179℃），焊料片亦可采用sn-bi合金（熔点139℃）或in-sn合金（熔点118℃）。

本发明的有益效果：在高温超导带材生产及应用领域，对成品带材先进行加热，使其夹层结构分解，剪除多余封装层a，再进行焊接接头的制作，该工艺克服了传统焊接接头存在的不足，同时，如果含多个接头，焊接点外观平整，厚度较均匀，无明显凸起现象，可生产超长高温超导带材，满足大型超导装置等制备需求。此外，通常焊接过程中所用钎料的熔点必须小于带材在封装过程中使用焊料的熔点，否则会导致具有夹层结构带材在非接头处分解开裂，本发明使钎料的选择范围大大增加，不仅可以使用焊接钎料熔点小于封装焊料熔点的合金材料，也可以使用与封装材料熔点相当的合金材料。焊接头制作模具的结构设计，保证了在焊接头部位加热比较充分，实现焊接目的，而在非接头处温度较低，不会对带材非接头部分造成损伤。

附图说明

图1为本发明2g-hts带材横截面结构示意图。

图2为2g-hts带材封装层分解示意图。

图3为2g-hts带材a和b搭接接头结构示意图。

图4为2g-hts带材a和b搭接接头放置在模具固定结构示意图。

图5为模具放置在加热板加热及热压结构示意图。

图中：1—封装层a，2—超导芯带，3—超导层，4—超导面侧，5—基带面测，6—封装层b，7—焊料，8—恒温加热平台，9—加热板，10—2g-hts带材a，11—焊料片，12—2g-hts带材b，13—焊接头制作模具，14—支撑板，15—胶带，16—304不锈钢板，17—定位槽，18—热压机上加热板，19—热压机下加热板。

具体实施方式

实施例1，一种高温超导带材内封接头制作方法，具体实施步骤如下：

1、打开恒温加热平台（型号为6k-2020）8的开关，设置恒温温度为230℃，并开始加热，温度波动为±1℃。

2、具有夹层结构的2g-hts带材结构如图1所示，中间为覆有超导层3的超导芯带2，超导面侧4有封装层a1，基带面侧5有封装层b6，超导芯带2旁设有焊料7。当恒温加热平台8的加热板9温度为230℃稳定后，将具有夹层结构的2g-hts带材a10的一端放置在加热板9上，如图2所示，将超导面侧4的封装层a1，从一端头部撕开，长度为l1（与接头长度l有关）≥l+30mm，从图2中a处剪开或锯开，超导层3为超导芯带层2的核心功能层，将超导芯带层2从同一端头部撕开，长度为l2≥20mm，得到端头分开2g-hts带材a10。将具有夹层结构的2g-hts带材b12的一端放置在加热板9上，将超导面侧4的封装层a1，从一端头部撕开，长度为l1（与接头长度l有关）≥l+30mm，从图2中b处剪开或锯开；超导层3为超导芯带层2的核心功能层，将超导芯带层2从同一端头部撕开，长度为l2≥20mm，可得端头分开2g-hts带材b12。

需要说明的是，为了获得电阻较低的焊接接头，搭接接头结构中必须是超导面测4相对放置，不能同向放置，因此，基带面侧5的封装层b6不必撕开。

3、在2g-hts带材a10的撕开处，在其上放置焊料片11，其成分与焊料7的成分一致，为sn63pb37合金。最后将2g-hts带材b12的撕开侧，放置在焊料片11上，形成焊接之前的搭接结构，如图3所示。

4、将2g-hts带材a10和2g-hts带材b12的搭接接头放置在焊接头制作模具13上，通过定位槽17调整2g-hts带材a10和2g-hts带材b12的搭接头的准直性，采用耐高温胶带15固定。焊接头制作模具13包括支撑板14，安置在支撑板中间位置的304不锈钢热板16，和在支撑板上开具调整准直性的定位槽17，支撑板14和304不锈钢热板16的厚度一致，定位槽17的宽度等于带材宽度w＋0.1mm，定位槽17的深度等于0.5~0.8h，其中h为带材厚度。如图4所示。

5、将准备完成的焊接头制作模具13放置在热压机（型号为yj-g02-800kgc）下加热板19上，启动压下开关，使热压机上加热板18压下，热压机上加热板18不设置温度，为室温温度，压力为0.2kg。之后关闭加热电源，采用电风扇对准模具部位进行风冷。

6、当热压机下加热板20温度<80℃时，启动上升开关，升起热压机上加热板18，即可取出焊接接头，完成焊接头的制作。

实施例2，焊料片11采用sn-pb-ag合金（熔点179℃），其余同实施例1。

实施例3，焊料片11采用sn-bi合金（熔点139℃），其余同实施例1。

实施例4，焊料片11采用in-sn合金（熔点118℃），其余同实施例1。

以上对本发明的具体实施进行了描述。需要说明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。