Ybco高溫超導薄膜帶材的連接工藝及其專用輔助夾具的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超導材料的連接方法和輔助連接工具，特別是涉及一種高溫超導薄膜帶材的焊接連接方法和輔助連接工具，適用于第二代高溫超導薄膜帶材構成的超導電纜、超導電機、以及超導變壓器等，屬于超導電工技術領域。
【背景技術】
[0002]超導帶材可實現低損耗，載流能力超強、占用空間小等諸多優點，特別是第二代高溫超導YBCO薄膜帶材，其臨界溫度可在90K左右，足以滿足帶材在液氮中運行，相比第一代超導在液氦中運行，大大降低了運行成本，得到了國際上包括美國的AMSC、Superpower、日本的住友、韓國的SuNAM等發達國家的超導技術公司廣泛關注，由于其很好的應用前景使得開展相關研究工作就顯得非常迫切，而其中帶材之間的連接工藝是研發工作中關鍵技術之一。對于第二代高溫超導YBCO薄膜帶材而言，市場上規模化生產的產品一般有幾百米到幾千米不等，但在實際應用中，往往需要幾十千米甚至上百千米，因此現場操作時快速高效的連接工藝便顯得尤為重要。
[0003]現場快速連接超導帶材時對接頭的要求是:
1.操作快速、便捷、高效；
2.接頭電阻盡可能的小，且必須保證足夠強度的機械性能；
3.連接過程中的溫度盡可能低，時間盡可能短；
能實現以上要求的方法以釬焊為主，它是先用助焊劑來浸潤帶材表面，還原保護層表面的氧化層，然后將低熔點焊料均勻的涂抹或放置在帶材的超導面與超導面之間，使用連接夾具對其加壓，再使用箱式電爐、加熱平臺或熱風槍等對其進行加熱使焊料熔化，最后形成電阻值低、機械性能強的接頭。因為溫度較高時，如在200°C以上容易氧化或損壞帶材最外的保護層，因此我們推薦使用熔點低于140°C的焊料如:熔點為118°C的In52Sn48、熔點為 138。。的 Sn43Bi57。
[0004]對于第二代高溫超導YBCO薄膜帶材而言，其在高溫下超導層的晶格結構會因為氧原子的缺失從正交相轉變為四方相，從而失去超導性。但對于低溫焊料而言，300°C以下的高溫幾乎對超導層的原子計量比沒有什么影響。但在空氣中操作時，過高的溫度容易使得保護層過快地被氧化或氮化，導致接觸電阻非常大。因此，在整個過程中，我們必須嚴格控制連接熱處理過程中的溫度，使其盡可能的低。但低溫下務必需要增加連接時間，影響連接工藝的效率和質量。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝及其專用輔助夾具，實現快速高效的第二代高溫超導薄膜帶材連接接頭，本發明優化了相關參數，用于實現現場操作時快速連接高溫超導薄膜帶材，并能保證較小的接頭電阻及良好的機械性能，可輕易的實現連接電阻值為10_7Ω，并且有較高的重復率及很好的穩定性。
[0006]為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案:
一種YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝，具體工藝步驟為:
1)根據待連接的YBCO高溫超導薄膜帶材表面形貌區分帶材的超導面和基底面，判定方法為:若只有一面鍍有銀保護層，則該面為超導面；若兩面均鍍有銀保護層，則使用電烙鐵和焊錫絲將表面銀層去除，其中烏黑發亮的一面為超導面；若兩邊均鍍有銅保護層則根據帶材彎曲方向，向內的一面為超導面；
2)在不超過150°C的溫度條件下，給兩根待連接的帶材的超導面一側分別涂抹助焊劑，涂敷長度不小于1cm，然后，在其中一根帶材涂敷的助焊劑層上放置熔點不高于140°C的焊料，沿著帶材延伸方向放置的焊料兩端各超出所涂敷的助焊劑的兩端邊界接近0.5cm，然后將其中另一根帶材涂敷助焊劑的一面向下放至焊料上，使得兩根待連接的超導帶材以“超導面對超導面”形式放置，并保持兩根帶材對齊疊放；助焊劑優選采用松香和磷酸中的任意一種或其混合物，并優選控制在接近150°C的溫度條件下，給兩根待連接的帶材的超導面一側分別涂抹助焊劑；焊料優選采用In52Sn48或Sn43Bi57 ；
3)使用夾具對兩根帶材進行持續加壓，使兩根待連接的超導帶材的重疊搭接部分完全處于均勻加壓的環境中，壓力以夾緊兩根待連接的帶材并且不會導致帶材晃動為準；
4)將夾具及其所夾持的兩根待連接的超導帶材的重疊搭接部分一同進行加熱，控制加熱溫度在200°C以下，保持加熱環境氣氛為空氣，加熱時間為20min ;在整個加熱過程中，優選夾具持續加壓到加熱過程結束后；優選控制加熱溫度為155°C，優選采用箱式電爐、加熱平臺或熱風槍進行加熱；
5)加熱停止后，冷卻至129°C，將夾具及其所夾持的兩根待連接的超導帶材的重疊部分一同取出，使其快速冷卻至接近70°C時打開夾具，取出連接好的具有不小于Icm連接長度的超導帶材；在整個冷卻過程中，優選夾具持續加壓，直到冷卻過程結束后打開夾具。
[0007]作為本發明優選的技術方案，在步驟2)中，給兩根待連接的帶材的超導面一側分別涂抹助焊劑，涂敷長度為l~3cm ;在步驟5)中，最終得到具有l~3cm的連接長度的超導帶材。
[0008]一種實施本發明YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝的輔助夾具，由上下兩個方形的壓塊和四根加壓桿構成，每根加壓桿皆為帶有螺紋的引導桿，各導桿的螺紋部位皆配有螺母，擰緊各螺母能對夾持于兩個方形的壓塊之間的待連接的超導帶材的重疊搭接部分進行均勻施壓。
[0009]作為優選的技術方案，沿著待連接的超導帶材長度方向的兩個壓塊的長度大于兩根待連接的超導帶材的重疊搭接部分的長度。
[0010]兩個上述壓塊皆優選采用平整的不銹鋼塊。
[0011]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.本發明通過特定的連接夾具及技術工藝參數，使用低溫焊料可以在短時間內迅速將兩根高溫超導薄膜帶材連接在一起，并且擁有較低的接頭電阻值和很好的機械強度；
2.本發明通過以上參數可以確保連接長度即使在Icm時接頭電阻數量級能達到10_7 Ω，若連接長度大于Icm則電阻值會更低；
3.本發明制備的帶材接頭具有較高的重復率及很好的穩定性； 4.本發明YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝操作快速、便捷、高效，連接過程中的溫度低，時間短，適合工業化應用。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明實施例一采用的待連接的YBCO高溫超導薄膜帶材的結構示意圖。
[0013]圖2是本發明實施例一采用的兩根待連接高溫超導帶材“超導面對超導面”放置示意圖。
[0014]圖3是本發明實施例一采用的兩根待連接高溫超導帶材“超導面對超導面”放置時的在金相顯微鏡下連接處截面金相結構圖。
[0015]圖4是本發明實施例一 YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝采用的專用輔助夾具壓制帶材示意圖。
[0016]圖5是本發明實施例一 YBCO高溫超導薄膜帶材的連接工藝過程升溫曲線圖。
[0017]圖6是本發明各實施例采用不同連接長度的高溫超導帶材接頭和對比例高溫超導帶材的1-V曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明的優選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1~圖6，快速高效連接YBCO高溫超導薄膜帶材工藝，具體工藝步驟為:
步驟1:根據待連接的YBCO高溫超導薄膜帶材表面形貌區分帶材的超導面和基底面，如圖1所示，判定方法為:若只有一面鍍有銀保護層3，則該面為YBCO超導層2面，在YBCO超導層2另一側的是緩沖層及基底層I ;若兩面均鍍有銀保護層3，則使用電烙鐵將表面銀層去除，其中烏黑發亮的一面為YBCO超導層2面；若兩邊均鍍有銅保護層3則根據帶材彎曲方向，向內彎曲的一面為YBCO超導層2面，向外彎曲的一面為緩沖層及基底層I面；步驟2:分別給兩根帶材的超導面一側涂抹助焊劑，如圖2和圖3所示，150°C的溫度條件下，用電烙鐵將松香助焊劑9均勻涂敷在兩根帶材的超導面一側，根據實際搭接面積確定涂敷長度為Icm ;然后，在其中一段帶材涂敷松香部分上放置熔點為138°C的Sn43Bi57的焊料8，沿著帶材延伸方向放置的焊料8兩端各超出所涂敷的助焊劑9的兩端邊界0.5cm,然后將另一根帶材涂有松香的一面向下放至焊料8上，使得兩根超導帶材以“超導面對超導面”形式放置，并保持兩根帶材對齊疊放；
步驟3:使用夾具對兩根帶材進行持續加壓，使兩根待連接的超導帶材的重疊搭接部分完全處于均勻加壓的環境中，實際使用連接夾具加壓時很難詳細計算壓力大小，因此經過實驗驗證，壓力應以夾緊兩根待連接的帶材并且不會導致帶材晃動為準，如圖4所示；本步驟采用的連接工藝的輔助夾具，由上下兩個方形的壓塊(4、5)和四根加壓桿構成，沿著待連接的超導帶材長度方向