[发明专利]一种高温超导磁体双饼线圈间的接头及其焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温超导磁体中双饼线圈间的接头及其焊接方法，特别涉及工作在液氦温区高温超导磁体的双饼线圈间接头及其焊接方法。

背景技术

高温超导磁体在液氦温区具有高稳定性、大电流密度和低温超导无法达到的高临界磁场等优点，在核磁共振成像、强磁场、储能等应用方面具有广阔的前景。

可用于绕制高温超导磁体的导体有已经商业化生产的铋系银包套带材(Bi-2223/Ag)和目前正在研发的YBCO涂层高温超导带材，长度都有限，通常为100米～200米，并且导体越长，产品的成品率越低，相应的售价也越高。由于这种超导体的带状结构、脆性易损的机械特性以及长度有限等特点决定了高温超导磁体一般采用双饼线圈结构，再通过多个高温超导双饼线圈的串、并联组装成高温超导磁体。

在液氦温区冷却方式通常采用制冷机或液氦浸泡，代价都很昂贵，因此尽量减小磁体中各双饼线圈间接头电阻的焦耳热损耗，是提高磁体稳定性、降低磁体与低温系统的运行成本、决定该系统能否长期运行的关键。由于目前尚没有一种方便可靠、达到工程应用水平的高温超导无阻接头技术，因此把接头电阻降到磁体的低温系统运行所允许的范围内，是磁体研制的关键技术之一。高温超导磁体中各双饼线圈间的连接接头通常有两种方法：搭接法与过渡金属法。搭接法是把相邻两个双饼线圈的超导带抽头用焊锡沿绕组走线方向把两带的带面焊接在一起；这种方法结构简单，但两双饼间轴向有一定的跨度，两搭接抽头易扭伤；用烙铁直接焊接，不能控温，过热容易对焊接点造成损伤；焊锡层均匀度很难掌握，容易虚焊；以上诸因素导致接头电阻偏大。过渡金属法是把相邻两个双饼线圈的超导带抽头锡焊在纯铜或银等低电阻率金属片上，通过低电阻率金属片把相邻两个双饼线圈焊接在一起；与搭接法相比，可以避免相邻两个双饼线圈轴向跨度对搭接抽头的影响，但也用烙铁直接焊接难于控温，超导带与金属片间的焊锡层的厚度具有很大随机性，并且容易虚焊，从而导致接头电阻值差别大。

发明内容

为克服已有技术存在的缺点，本发明提供一种工作在液氦温区高温超导磁体的双饼线圈间接头及其焊接方法。本发明利用低温超导NbTi线易于造型的机械特性，弥补了高温超导带脆性不可小半径弯折的缺陷，把低温超导与高温超导有机的结合在一起，不仅使高温超导磁体中各双饼线圈间的焊接简便易于操作，而且有效地把接头电阻值降到磁体低温系统所允许的范围内。

本发明接头主要由凹形基体、NbTi桥、凸形盖等组成。凹形基体固定在磁体上，是接头母体，NbTi桥镶嵌在基体上的凹形槽内，凸形盖的凸形梁则卡入基体上的凹形槽内压紧、固定NbTi桥。凹形基体长约10-25cm，是通常超导带搭接焊长度的两倍，是由紫铜等低电阻率金属加工而成的弧形体，辐向截面为矩形。基体外环面上有两条平行的焊接凹形槽，凹形槽的宽度比双饼线圈所用高温超导带的宽度稍宽，凹形槽的深度h以公式(1)计算：

h＝2[nt1+(n+2)t2+t3]       (1)

其中：t1为超导带厚度、n为绕制双饼线圈的超导带根数、t2为锡箔条厚度、t3为NbTi桥厚度。

例如：超导带宽4.8mm厚0.3mm，锡箔厚0.2mm，NbTi桥厚1.5mm，则用单根超导带绕制的双饼线圈，焊接凹形槽宽5mm，深4.8mm；双带并绕的双饼线圈，焊接槽宽5mm，深5.8mm。

两条凹形槽间有“隔墙”，“隔墙”的厚度与组装磁体时两个双饼线圈间的绝缘垫片的厚度相等。在“隔墙”的中间位置有一个连接两凹形槽的缺口，是NbTi桥在两个焊接凹形槽间的过渡槽，其宽度以能顺利嵌入NbTi桥为宜。在垂直焊接凹形槽方向上有多个通孔放置加热器，通孔的孔径和数目由所采用的加热器的功率和尺寸决定，以能较快的加热接头、装卸方便为宜；一个小通孔放置温度探头，通孔的孔径较温度探头稍大，以能顺利插入为宜。基体的径向有基体固定孔和凸形盖与基体的固定螺孔。

NbTi桥是采用矩形截面的NbTi带经简单加工而成，其宽度与超导带宽度相近。截取长度比凹形基体稍长的NbTi带，在中间位置折一个“S”形弯。然后从NbTi桥的一端开始，依次嵌入基体的左侧凹形槽、过渡槽和右侧凹形槽内，把长出基体的部分剪掉即成，取出备用。凸形盖是嵌入基体上的凹形槽内、焊接时起压紧、固定作用的凸形部件，凸形梁宽度稍小于凹形槽的宽度，高度约为2h/3。把厚约0.1～0.5mm的普通锡箔(溶点183℃)裁剪成宽度与超导带宽度相近，长为凹形基体长度的二分之一的带，清洗干净备用。

本发明高温超导磁体中各双饼线圈间的接头焊接方法如下：