高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)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(dǎo)電纜系統(tǒng)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(tǒng)的損耗，同時(shí)也有利于電纜系統(tǒng)的穩(wěn)定;反之，不好的焊接不僅增加了系統(tǒng)的損耗，給運(yùn)行于溫度低達(dá)77 K甚至更低溫度的制冷系統(tǒng)增加了巨大的負(fù)擔(dān)，同時(shí)由于電流分布不均勻而引起超導(dǎo)電纜實(shí)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行的挑戰(zhàn)。

影響焊接質(zhì)量的因素很多［1］，其中最重要的有焊接材料、焊點(diǎn)長(zhǎng)度以及焊接的緊密度等。另外，為保護(hù)超導(dǎo)帶材，焊接溫度的控制也很關(guān)鍵。純銦以其低熔化溫度以及良好的導(dǎo)電性能得到了很多國(guó)外文獻(xiàn)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(chǎn)的低溫焊錫，以不同的焊點(diǎn)長(zhǎng)度對(duì)超導(dǎo)帶材和導(dǎo)體進(jìn)行焊接，并對(duì)其焊點(diǎn)的電阻進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)比較和分析，總結(jié)出高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)體焊接工藝的一些參數(shù)和注意事項(xiàng)。

1 試驗(yàn)方案

樣品選用美國(guó)超導(dǎo)公司生產(chǎn)的銅加強(qiáng)的Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材。焊接方式采用超導(dǎo)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?yàn)槠胀ê稿a的熔點(diǎn)一般在200℃左右，溫度過(guò)高容易使超導(dǎo)帶材產(chǎn)生分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致帶材結(jié)構(gòu)的破壞和臨界電流退化);同時(shí)選擇不同的焊接長(zhǎng)度(0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 cm)。最后通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，找出接頭電阻與焊接長(zhǎng)度的關(guān)系，以及不同焊接材料對(duì)接頭電阻的影響，從而找出最佳的焊接方法。

2 試驗(yàn)過(guò)程

采用電壓電流法(四引線法)測(cè)試［3，4］(見(jiàn)圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)線路圖

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

我們對(duì)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(chǎn)的低溫焊錫)的試樣進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量焊接點(diǎn)電阻與焊接長(zhǎng)度的關(guān)系，其結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 銦焊料焊點(diǎn)電阻與焊接長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

圖3 A廠家低溫焊錫焊點(diǎn)電阻與焊接長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)

圖4 B廠家低溫焊錫焊點(diǎn)電阻與焊接長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果不難看出，當(dāng)焊點(diǎn)長(zhǎng)度從0.5～5 cm變化時(shí)，3種焊料的導(dǎo)體接頭電阻有逐漸變小的趨勢(shì)。對(duì)此進(jìn)行了分析:測(cè)量過(guò)程中超導(dǎo)材料一直處于超導(dǎo)態(tài)，因此，導(dǎo)體接頭兩端的電阻可視為兩層導(dǎo)體之間搭接焊接面的電阻，焊點(diǎn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(diǎn)長(zhǎng)度變長(zhǎng)而減小。以上數(shù)據(jù)圖中的曲線是以函數(shù)y=a+bx－1擬合的擬合曲線，這里的a值為實(shí)驗(yàn)誤差，b值是與焊接材料直接相關(guān)的，是衡量焊接材料好壞的標(biāo)準(zhǔn)。由圖中可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相當(dāng)吻合。對(duì)上式求導(dǎo)可得:y′= －bx－2，若取 b=0.25，當(dāng)長(zhǎng)度 x=4 cm時(shí)，|y′|已經(jīng)小于0.016，也就是說(shuō)電阻隨長(zhǎng)度增大而變小趨勢(shì)已經(jīng)很不明顯了，此時(shí)對(duì)導(dǎo)體接頭電阻影響的主要因素轉(zhuǎn)移到了焊接質(zhì)量。從圖中還可以看出，當(dāng)焊點(diǎn)長(zhǎng)度大于4 cm時(shí)，電阻的阻值為10－8量級(jí)，若每根帶材通過(guò)100 A電流的話，其焊接接頭熱損耗為10－4W，這個(gè)量級(jí)相對(duì)于大電流的超導(dǎo)電纜的交流損耗來(lái)說(shuō)還是可以承受的。

另外，焊接工藝對(duì)接頭電阻的影響也很大，當(dāng)焊接充分，兩層導(dǎo)體之間焊接緊密時(shí)，接頭電阻更小;當(dāng)焊接不充分，兩層導(dǎo)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(diǎn)長(zhǎng)度為4～5 cm時(shí)，焊點(diǎn)電阻隨長(zhǎng)度增大而變小趨勢(shì)已很不明顯?？紤]到焊點(diǎn)太短將使損耗太大，太長(zhǎng)又會(huì)給實(shí)際操作帶來(lái)很多困難，對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因此在超導(dǎo)電纜系統(tǒng)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(zhǎng)度為4～5 cm，并保證焊接充分，導(dǎo)體之間不能留有空隙，并不破壞帶材?？紤]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(duì)于良好的焊接材料，焊點(diǎn)長(zhǎng)度可適當(dāng)減短，而質(zhì)量一般的焊接材料須適當(dāng)加長(zhǎng)。

［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(huì).Bi2223超導(dǎo)帶材交流損耗研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2004.66-95.

［4］郭仁春，王金星，宗曦華，等.Bi2223/Ag帶材超導(dǎo)接頭的研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，25(9):863-865.