一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝及焊接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大型熱核聚變裝置領(lǐng)域，具體是一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝及焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用于高能加速器、核聚變實驗裝置、高場磁體和貯能磁體等，高溫超導(dǎo)(HTS)電流引線為巨型低溫超導(dǎo)磁體供電，同時是磁體主要的熱負荷來源，采用HTS電流引線可使致冷電耗節(jié)省2/3。
[0003]隨著磁體的大型化，為其供電的電流引線運行電流往往高達數(shù)萬安培。例如歐洲核中心(CERN)用于超級強粒子對撞機(LHC)的13kA電流引線。德國卡爾斯魯厄技術(shù)物理所(F1-1TP)的70kA電流引線。國內(nèi)在2003年以后，才開始研宄HTS大電流引線，包括我國EAST托卡馬克裝置的16.5kA電流引線，以及中科院等離子體物理研宄所為ITER預(yù)研的68kA電流引線。這些萬安級HTS電流引線需要多達幾十甚至上百件高溫超導(dǎo)疊焊接于分流器來滿足需要的大載流能力。
[0004]高溫超導(dǎo)應(yīng)用于電流引線的關(guān)鍵技術(shù)問題之一就是高溫超導(dǎo)疊與分流器的焊接接頭質(zhì)量，特別對于大電流傳輸將直接決定載流能力、接頭電阻與4.5K低溫?zé)嶝摵?。高溫超?dǎo)疊與分流器的焊接需要穩(wěn)定可靠的質(zhì)量，否則將會導(dǎo)致電流在各超導(dǎo)疊分布不均；另外由于焊錫的熱導(dǎo)率略比銀金合金低，而比分流器材料錫磷青銅和不銹鋼大得多，因此過多的接頭焊料也會導(dǎo)致縱向漏熱的增加。
[0005]低熱導(dǎo)率B1-2223超導(dǎo)疊價格高昂，僅超導(dǎo)帶材料就達近1000元/米，超導(dǎo)疊的價格基本是所使用超導(dǎo)帶材料費用的幾乎2倍；而且HTS材料很脆弱，過度的彎曲或扭折都會導(dǎo)致失去超導(dǎo)性，而幾十乃至上百根的超導(dǎo)疊與分流器的焊接只能一次完成，要在焊接過程中保護好每根超導(dǎo)疊，且保證每根超導(dǎo)疊與分流器焊接接頭穩(wěn)定一致的質(zhì)量這對于焊接工藝的要求非常高，否則造成的損失也是相當巨大。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝及焊接工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，包括有可移動的基座，其特征在于:基座上水平設(shè)置有筒狀的屏蔽罩，屏蔽罩內(nèi)壁設(shè)置多道沿環(huán)形排列且分別與屏蔽罩中心軸線平行的加熱棒，屏蔽罩內(nèi)共中心軸設(shè)置有管狀的分流器，分流器外壁上設(shè)置有多道形狀相同且分別與分流器中心軸線平行的超導(dǎo)疊槽，超導(dǎo)疊槽中布置有焊料帶，每個焊料帶上分別放置有超導(dǎo)疊，每個超導(dǎo)疊上分別壓有硅橡膠帶，每個硅橡膠帶上分別壓有不銹鋼壓板，不銹鋼壓板沿分流器中心軸線的兩端分別超過超導(dǎo)疊槽兩端，且不銹鋼壓板兩端分別通過螺栓固定在分流器上，所述分流器外圈上套有多道緊固箍，多道緊固箍沿分流器中心軸線方向排列，多道緊固箍分別壓在各個不銹鋼壓板上，每道緊固箍對應(yīng)各個不銹鋼壓板位置分別擰入緊固螺釘，且緊固螺釘分別頂壓對應(yīng)的不銹鋼壓板施加預(yù)緊力。
[0008]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，其特征在于:超導(dǎo)疊槽中的超導(dǎo)疊與硅橡膠帶之間分別設(shè)置有三個PT100溫度計，三個PT100溫度計分別位于超導(dǎo)疊兩端和中間位置，且PT100溫度計的感溫面與超導(dǎo)疊貼合。
[0009]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，其特征在于:屏蔽罩內(nèi)壁中未設(shè)置加熱棒時，可將分流器接入電流利用自身電阻加熱，或者利用箍狀加熱器傳導(dǎo)加熱。
[0010]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，其特征在于:所述分流器材質(zhì)為銅-不銹鋼-銅釬焊的組件，分流器外壁采用Ag72Cu真空硬釬焊后再銑削加工用于容納超導(dǎo)疊的超導(dǎo)疊槽，超導(dǎo)疊槽中采用鍍銀處理后利于與超導(dǎo)疊的焊接。
[0011]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，其特征在于:所述焊料帶材質(zhì)采用183度熔點的Sn63Pb37o
[0012]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，其特征在于:所述硅橡膠帶寬度與超導(dǎo)疊相當，且略窄于超導(dǎo)疊槽寬度。
[0013]一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工藝，其特征在于:包括以下步驟:
(1)、采用酒精清洗焊料帶，焊料帶不允許有褶皺，采用細顆粒砂紙打磨去除超導(dǎo)疊表面氧化層后，再采用酒精清洗超導(dǎo)疊，再將清洗后的焊料帶、超導(dǎo)疊按焊接工裝的結(jié)構(gòu)，裝配在分流器上對應(yīng)位置；
(2)、將焊接工裝組裝好后整體送入真空焊接爐中，對焊接爐抽真空至爐內(nèi)真空度穩(wěn)定至 10 2Pa ；
(3)、令屏蔽罩中加熱棒通電，進行電加熱，加熱時根據(jù)各個PT100溫度計溫差設(shè)定保溫點，當溫差超過10度需要設(shè)置一次保溫點，當溫度達到175度后再設(shè)置一次保溫點，至所有PT100溫度計溫度穩(wěn)定在175±3度后繼續(xù)加熱升溫至超過焊料熔點20-25° C，即加熱至 203-208° C，保溫 15-20 分鐘；
(4)、令屏蔽罩中加熱棒斷電，停止加熱，向真空焊接爐中充入冷卻介質(zhì)，監(jiān)視真空焊接爐內(nèi)壓力，當真空焊接爐內(nèi)壓力超過0.1MPa后，立即打開真空焊接爐的開關(guān)閥，使真空焊接爐內(nèi)壓強與大氣壓一致，同時調(diào)小充入的冷卻介質(zhì)流量，至工件冷卻至175度以下后，關(guān)閉真空焊接爐開關(guān)閥和冷卻介質(zhì)供給，讓工件隨真空焊接爐冷卻至室溫。
[0014]所述的一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工藝，其特征在于:所述步驟(4)中，冷卻介質(zhì)為液氮，或者是低溫氮氣。
[0015]本發(fā)明提供了一種超導(dǎo)疊與分流器焊接方法及工裝，具有良好的焊接效果，焊接后的超導(dǎo)疊與分流器焊接接頭載流能力強，熱傳導(dǎo)性好，接頭電阻低，并且性能衰退期長。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明焊接工裝結(jié)構(gòu)側(cè)剖視圖。
[0017]圖2為本發(fā)明焊接工裝結(jié)構(gòu)正視圖。
[0018]圖3為本發(fā)明超導(dǎo)疊槽部分結(jié)構(gòu)放大圖。
[0019]圖4為本發(fā)明【具體實施方式】中真空焊接爐示意圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1-圖4所示，一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工裝，包括有可移動的基座1，基座I上水平設(shè)置有筒狀的屏蔽罩11，屏蔽罩11內(nèi)共中心軸設(shè)置有管狀的分流器2，屏蔽罩11內(nèi)壁中設(shè)置多道沿環(huán)形排列且分別與屏蔽罩11中心軸線平行的加熱棒12，分流器2外壁上設(shè)置有多道形狀相同且分別與分流器2中心軸線平行的超導(dǎo)疊槽，超導(dǎo)疊槽中布置有焊料帶3，每個焊料帶3上分別放置有超導(dǎo)疊4，每個超導(dǎo)疊4上分別壓有硅橡膠帶5，每個硅橡膠帶5上分別壓有不銹鋼壓板6，不銹鋼壓板6沿分流器中心軸線的兩端分別超過槽兩端，且不銹鋼壓板6兩端分別通過螺栓7固定在分流器2上，分流器2外圈上套有多道緊固箍9，多道緊固箍9沿分流器2中心軸線方向排列，多道緊固箍9分別壓在各個不銹鋼壓板6上，每道緊固箍9對應(yīng)各個不銹鋼壓板6位置分別擰入緊固螺釘10，且緊固螺釘10分別頂壓對應(yīng)的不銹鋼壓板6施加預(yù)緊力。
[0021]超導(dǎo)疊槽中的超導(dǎo)疊4與硅橡膠帶5之間分別設(shè)置有三個PT100溫度計8，三個PT100溫度計8分別設(shè)置在所在超導(dǎo)疊4兩端與中間位置，且PT100溫度計8的感溫面與超導(dǎo)疊4貼合。
[0022]屏蔽罩11內(nèi)壁中未設(shè)置加熱棒12時，可將分流器2接入電流利用自身電阻加熱，或者利用箍狀加熱器傳導(dǎo)加熱。
[0023]分流器2材質(zhì)為銅-不銹鋼-銅釬焊組件，分流器2外壁采用Ag72Cu真空硬釬焊后再銑削加工用于容納超導(dǎo)疊的槽，超導(dǎo)疊槽中采用鍍銀處理后利于與超導(dǎo)疊的焊接。
[0024]焊料帶3材質(zhì)采用熔點183度Sn63Pb37。
[0025]硅橡膠帶5寬度與超導(dǎo)疊4相當，且略窄于超導(dǎo)疊槽寬度。
[0026]一種超導(dǎo)疊與分流器焊接工藝，包括以下步驟:
(1)、采用酒精清洗焊料帶，焊料帶不允許有褶皺，采用細顆粒砂紙打磨去除超導(dǎo)疊表面氧化層后，再采用酒精清洗超導(dǎo)疊，再將清洗后的焊料帶、超導(dǎo)疊按焊接工裝的結(jié)構(gòu)裝配在分流器上對應(yīng)位置；
(2)、將焊接工裝組裝好后整體送入真空焊接爐中，對焊接爐抽真空至爐內(nèi)真空度穩(wěn)定至 10 2Pa ；
(3)、令屏蔽罩中加熱棒通電進行電加熱，加熱時根據(jù)各個PT100溫度計溫差設(shè)定保溫點，當溫差超過10度需要設(shè)置一次保溫點，當溫度達到175度后再設(shè)置一次保溫點，至所有PT100溫度計溫度穩(wěn)定在175±3度后繼續(xù)加熱升溫至超過焊料熔點20-25° C，即加熱至203-208° C，保溫 15-20 分鐘；
(4)、令屏蔽罩中加熱棒斷電停止加熱，向真空焊接爐中充入冷卻介質(zhì)，監(jiān)視真空焊接爐內(nèi)壓力，當真空焊接爐內(nèi)壓力超過0.1MPa后，立即打開真空焊接爐的開關(guān)閥，使真空焊接爐內(nèi)壓強與大氣壓一致，同時調(diào)小充入的冷卻介質(zhì)流量，至工件冷卻至175度以下后，關(guān)閉真空焊接爐開關(guān)閥和冷卻介質(zhì)供給，讓工件隨真空焊接爐冷卻至室溫。
[0027]步驟(4)中，冷卻介質(zhì)為液氮，或者是低溫氮氣。
[0028]本發(fā)明中分流器超導(dǎo)疊槽底部鋪墊一層焊料帶，超導(dǎo)疊通過專用工裝固定于分流器槽后施加適當壓強，在真空條件下，通過輻射加熱至超過釬焊焊帶熔點20-25° C，保溫15-20分鐘，并采用介質(zhì)急速冷卻整個工件與工裝至焊料熔點以下。
[0029]本發(fā)明中分流器是銅-不銹鋼-銅，采用Ag72Cu真空硬釬焊后再銑削加工用于容納超導(dǎo)疊的槽，分流器上的槽內(nèi)表面采用鍍銀處理后利于與超導(dǎo)疊的焊接。
[0030]本發(fā)明中冷卻是采用液氮，可以在I分鐘內(nèi)將工件溫度降低到熔點以下，也可以采用低溫氮氣或者其它低溫氣體。超導(dǎo)組件熱慣性大，不利于溫控和快速降溫。本發(fā)明將低溫冷卻介質(zhì)直接通入分流器內(nèi)腔，通入冷卻液氮可