高溫超導電纜導體焊接工藝研究

張喜澤， 宗曦華， 韓云武

(上海電纜研究所，上海200093)

在超導電纜系統中，帶材的焊接是不可避免的，良好的焊接不僅能夠降低系統的損耗，同時也有利于電纜系統的穩定;反之，不好的焊接不僅增加了系統的損耗，給運行于溫度低達77 K甚至更低溫度的制冷系統增加了巨大的負擔，同時由于電流分布不均勻而引起超導電纜實際臨界電流小于所有帶材臨界電流之和，以及交流損耗的增加等。這些都是對系統的穩定高效運行的挑戰。

影響焊接質量的因素很多［1］，其中最重要的有焊接材料、焊點長度以及焊接的緊密度等。另外，為保護超導帶材，焊接溫度的控制也很關鍵。純銦以其低熔化溫度以及良好的導電性能得到了很多國外文獻的推薦。本文選取了3種不同的焊接材料，分別是純銦和兩種不同廠家生產的低溫焊錫，以不同的焊點長度對超導帶材和導體進行焊接，并對其焊點的電阻進行測量，經比較和分析，總結出高溫超導電纜導體焊接工藝的一些參數和注意事項。

1 試驗方案

樣品選用美國超導公司生產的銅加強的Bi2223/Ag超導帶材。焊接方式采用超導帶材直接壓接式焊接［2］，焊接材料分別使用銦焊料與低溫焊錫(不建議使用普通焊錫，因為普通焊錫的熔點一般在200℃左右，溫度過高容易使超導帶材產生分層現象，從而導致帶材結構的破壞和臨界電流退化);同時選擇不同的焊接長度(0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 cm)。最后通過試驗結果分析，找出接頭電阻與焊接長度的關系，以及不同焊接材料對接頭電阻的影響，從而找出最佳的焊接方法。

2 試驗過程

采用電壓電流法(四引線法)測試［3，4］(見圖1)。

圖1 實驗線路圖

由數據采集卡的模擬輸出通道產生電壓控制信號，控制功率放大器在超導體中產生由零緩慢上升的電流(0～50 A)，使電流通過泡在液氮中的導體接頭(圖1所示的樣品)，電流大小由霍爾電流傳感器檢測并由數據采集卡的輸入通道進入計算機;同時在導體接頭兩端焊接上電壓引線，電壓引線盡量接近焊點;接頭樣品上的電壓由隔離前置放大器放大40 000倍后，由數據采集卡的輸入通道進入計算機。因超導帶材的零電阻特性，故認為此時測得的電壓、電流值即為導體焊接接頭的電壓電流值。最后利用R=U/I特性，計算出導體焊接接頭電阻。

3 試驗結果

我們對3組分別采用了3種不同的焊接材料(一種為銦焊料，另外兩種為不同廠家生產的低溫焊錫)的試樣進行了測試，測量焊接點電阻與焊接長度的關系，其結果如圖2～圖4所示。

圖2 銦焊料焊點電阻與焊接長度的關系曲線

圖3 A廠家低溫焊錫焊點電阻與焊接長度的關系曲線

4 試驗結果分析與總結

圖4 B廠家低溫焊錫焊點電阻與焊接長度的關系曲線

從試驗結果不難看出，當焊點長度從0.5～5 cm變化時，3種焊料的導體接頭電阻有逐漸變小的趨勢。對此進行了分析:測量過程中超導材料一直處于超導態，因此，導體接頭兩端的電阻可視為兩層導體之間搭接焊接面的電阻，焊點長度越長，搭接焊接面的通電橫截面越大，而電阻與搭接焊接橫截面的面積成反比，故而電阻隨焊點長度變長而減小。以上數據圖中的曲線是以函數y=a+bx－1擬合的擬合曲線，這里的a值為實驗誤差，b值是與焊接材料直接相關的，是衡量焊接材料好壞的標準。由圖中可以看出實驗結果與理論預測相當吻合。對上式求導可得:y′= －bx－2，若取 b=0.25，當長度 x=4 cm時，|y′|已經小于0.016，也就是說電阻隨長度增大而變小趨勢已經很不明顯了，此時對導體接頭電阻影響的主要因素轉移到了焊接質量。從圖中還可以看出，當焊點長度大于4 cm時，電阻的阻值為10－8量級，若每根帶材通過100 A電流的話，其焊接接頭熱損耗為10－4W，這個量級相對于大電流的超導電纜的交流損耗來說還是可以承受的。

另外，焊接工藝對接頭電阻的影響也很大，當焊接充分，兩層導體之間焊接緊密時，接頭電阻更小;當焊接不充分，兩層導體焊接處有空隙，那么將使接頭電阻變大。而3種不同焊接材料的接頭電阻在焊點長度為4～5 cm時，焊點電阻隨長度增大而變小趨勢已很不明顯。考慮到焊點太短將使損耗太大，太長又會給實際操作帶來很多困難，對焊點質量也是一個很大的挑戰。因此在超導電纜系統的接頭焊接中建議采用一定壓力的壓接式焊接，焊接溫度控制在140℃左右，焊接長度為4～5 cm，并保證焊接充分，導體之間不能留有空隙，并不破壞帶材。考慮到純銦焊接材料的成本較高，建議以低溫焊錫作為焊接材料。對于良好的焊接材料，焊點長度可適當減短，而質量一般的焊接材料須適當加長。

［1］Jung Ho Kim，et al.Evaluation of joint resistance between Bi-2223/Ag superconducting tapes［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2006，16(2):1059-1062.

［2］Haseyama S.Jointing of Bi-2223 sintered bulk using superconductor paste［J］.Physica C，2001，356(1-2):23-30.

［3］李景會.Bi2223超導帶材交流損耗研究［D］.沈陽:東北大學，2004.66-95.

［4］郭仁春，王金星，宗曦華，等.Bi2223/Ag帶材超導接頭的研究［J］.東北大學學報(自然科學版)，2004，25(9):863-865.