一种高温超导带材焊接封装一体化方法与流程

本发明涉及超导带材焊接封装，特别涉及一种高温超导带材焊接封装一体化方法。

背景技术：

自1987年y-ba-cu-o(ybco)被发现以来的30多年里，由于其载流能力强、热损低或无热损等诸多优点，re-ba-cu-o(rebco，re=稀土元素)超导体得到重大发展，制备长度达到百米，甚至上千米量级，第二代高温超导（2g-hts）带材在世界各地已经实现了商业化生产，并逐步在许多场景中得到应用。

高温超导带材在电力传输（如绕制超导电缆）、大型磁体和超导电机等领域的应用越来越广泛，但同时对高温超导带材的要求也越来越高，现有加工工艺可以提供几百米到千米量级的高温超导带材，显然不能满足超导装置对长度的要求，所以实际应用中必然要使用大量的接头。

此外，随着带材制备长度的增加，对成品率和技术的要求也越高，同时其单价也就越高。因此，无论从技术还是经济上看，对高温超导带材焊接技术及接头电阻特性的研究都具有重要意义。

焊接接头具有两个重要的参数，一是接头电阻，二是机械强度及厚度要求。一般要求接头电阻尽可能小，这样可以提高超导设备运行的稳定性，使带材在液氮中运行时发热较少，从而可降低液氮的挥发，提高设备的整体性能。具有较高机械强度以及与原始带材厚度差异较小，非常有利于下游超导装置的制作，如超导电缆的绕制等。

目前，普遍采用的焊接接头制作方法是，封装后的成品带材通过搭接或桥接的方式进行焊接，其接头电阻可达10^-8ω量级，满足商业化的应用，但其接头强度较低，同时，厚度大于原始带材厚度的2倍。接头处与原始带材的厚度差异，表面不平整，机械性能以及弯曲性能较差，对制作超导装置非常不利，如高温超导电缆的绕制等。

技术实现要素：

本发明提供了一种高温超导带材焊接封装一体化方法。主要解决现有高温超导带材封装后再焊接存在的接头强度较低、接头处与原始带材的厚度差异，表面不平整，机械性能以及弯曲性能较差等技术问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：一种高温超导带材焊接封装一体化方法，包括以下步骤：

a、超导芯带a和超导芯带b采用电阻点焊或金属超声波点焊方式焊接在一起。b、采用高熔点焊料片，将超导芯带c均匀钎焊在超导芯带a和超导芯带b的连接处。

c、采用焊锡层压封装置将上封装层、超导芯带部分和下封装层封装在一起，形成夹层结构的超导带材。

对于步骤a，超导芯带a一端的超导面侧和超导芯带b一端的基带面侧，先通过腐蚀或机械打磨方式，使厚度减为原来的1/2，再剪去多余长度，使超导芯带a端部超导面侧腐蚀面和超导芯带b端部基带面侧腐蚀面的长度<2mm，叠加后的厚度不大于超导芯带a和超导芯带b的厚度。既具有良好的机械强度，又不增加整体带材的厚度。超导芯带a端部超导面侧腐蚀面和超导芯带b端部基带面侧腐蚀面通过电阻点焊的方式焊接在一起，增加其机械强度，同时，亦可采用金属超声波焊接连接方式进行连接，同样不降低机械强度。采用超声波焊接即是利用超声波频率（超过16khz）的机械振动能量、在静压力的作用下，实现接头间的冶金结合，形成固态连接，非常有利于薄带材的焊接。

对于步骤b，为防止后续封装过程中超导芯带c脱落，将超导芯带c一端焊接固定在超导芯带b的焊接固定点。

超导芯带a、超导芯带b和超导芯带c选用铜镀层超导芯带。

焊接接头宜采用桥接式接头，超导芯带a和超导芯带b的超导面侧同向放置，超导芯带c的超导面侧与超导芯带a和超导芯带b的超导面侧相对放置。

高熔点焊料片7材料选用熔点比封装用焊料材料熔点高的材料，选用sn-ag-cu合金。

超导芯带a和超导芯带b连接时需要保持良好的准直性，因此，通过导槽型工装夹具保障准直效果。

对于步骤c，所述上封装层、下封装层材料可采用纯铜、铜合金或不锈钢中的一种。

所述上封装层、下封装层的宽度分别大于带接头的钇系超导芯带a、超导芯带b和超导芯带c，宽度大于15%。

本发明的有益效果：在高温超导带材生产及应用领域，焊接接头制作和封装是相对独立的两种工艺，本发明将焊接和封装有机结合起来，通过焊接封装一体化工艺实现高温超导长带的生产，克服了传统焊接接头存在的不足，同时，如果含多个接头，焊接点外观平整，厚度较均匀，无明显凸起现象，可生产超长高温超导带材，满足大型超导装置等制备需求。

附图说明

图1为本发明高温超导带材焊接封装一体化结构示意图。

图2为超导芯带a和超导芯带b焊接前示意图。

图3为超导芯带a和超导芯带b焊接后示意图。

图4为焊锡层压封装示意图。

图5为本发明四引线法测试结果（u-i曲线）及电阻拟合计算结果图。

图中：1—卷带a；2—桥接式接头；3—上封装层；4—超导层；5—超导芯带a；6—超导芯带c；7—高熔点焊料片；8—电阻焊或超声波焊接接头；9—焊接固定点；10—超导芯带b；11—封装焊料；12—下封装层；13—超导带材；14—卷带b，15—超导芯带a端部超导面侧腐蚀面；16—超导芯带b端部基带面侧腐蚀面；17—超声波或电阻点焊机上模；18—超声波或电阻点焊机下模，19—放卷盘a、20—放卷盘b，21—放卷盘c；22—焊锡层压封装置；23—夹层结构的超导带材；24—收卷盘。

具体实施方式

实施例1，参照图1，一种高温超导带材焊接封装一体化方法，该方法生产的超导带材13包括卷带a1部分，具有桥式结构接头2和卷带b14部分。其生产包括以下步骤：步骤1，将超导芯带a5（覆有超导层4）一端超导面侧进行腐蚀，长度1-3cm，腐蚀厚度为超导芯带厚度的1/2，如图2和图3超导芯带a端部超导面侧腐蚀面15所示。腐蚀完成后，裁剪超导芯带a端部超导面侧腐蚀面15，使其长度<2mm；腐蚀后为哈氏合金面裸漏。此外，超导芯带a端部超导面侧腐蚀面15亦可采用机械打磨的方式进行，但必须注意冷却降温，防止带材变形。

步骤2，将超导芯带b10一端基带面侧进行腐蚀，长度1-3cm，腐蚀厚度为超导芯带厚度的1/2，如图2超导芯带b端部基带面侧腐蚀面16所示。腐蚀完成后，裁剪超导芯带b端部基带面侧腐蚀面16，使其长度<2mm；腐蚀后为哈氏合金面裸漏。此外，超导芯带b端部基带面侧腐蚀面16亦可采用机械打磨的方式进行，但必须注意冷却降温，防止带材变形。

步骤3，将超导芯带a端部超导面侧腐蚀面15和超导芯带b端部基带面侧腐蚀面16重叠，同时，调整好超导芯带a5和超导芯带b10的准直性(可采用专用准直性工装夹具)，将待焊接部位放置于超声波或电阻点焊机下模18上，压下超声波或电阻点焊机上模17，焊接后得到电阻焊或超声波焊接接头8。使用超声波焊机时，利用超声波频率（超过16khz）的机械振动能量、在静压力的作用下，实现接头间的冶金结合，形成固态连接，该法的优点是不增加叠加后的厚度，机械强度高，形状规则平整，有利于后续封装。此外，使用电阻点焊机时，采用电阻点焊的方式实现超导芯带a端部超导面侧腐蚀面15和超导芯带b端部基带面侧腐蚀面16之间的焊接，但应注意的是电阻焊接时应调整好电流，避免产生飞溅和氧化现象。

步骤4，在超导芯带a5和超导芯带b10的连接处贴放高温熔点焊料片7，宽度和超导芯带一致，或略小于超导芯带的宽度。高温熔点焊料片7选用sn-ag-cu合金（生产厂家为上海惠逍实业有限公司）。

步骤5，采用电烙铁将超导芯带c6均匀钎焊在超导芯带a5和超导芯带b10的连接处。

步骤6，将超导芯带c6一端部焊接固定在超导芯带b10的焊接固定点9，防止在后续封装过程中超导芯带c6脱落。

步骤7，将超导芯带a5、桥接式接头2和超导芯带b10按顺序，由内到外，缠绕在放卷盘a19上。

步骤8,将缠绕上封装层3的放卷盘b20、放卷盘a19和缠绕下封装层12的放卷盘c21分别放置在封装设备的放卷盘上，如图4所示。上封装层3、超导芯带层和下封装层12、同时进入焊锡层压封装装置22，生产厂家为上海上创超导科技有限公司，型号为scsc-psl4002，装置内包括助焊剂（选用市面常用的免清洗型助焊剂rf-800）、封装焊料11，生产厂家为上海惠逍实业有限公司，焊锡条s-sn63pb。

通过层压的方式形成具有夹层结构的超导带材23，最终缠绕在收卷盘24上。上封装层3和下封装层12选用纯铜片。

超导芯带a5、超导芯带b10和超导芯带c6采用铜镀层超导带。

超导芯带c长度决定了焊接接头的长度，同时决定焊接接头电阻的大小。参照图5，超导芯带c长度为5-10cm时，桥接式接头结构长度1-50cm，电阻即可达到10^-9-10^-8ω量级，满足商业化应用需求。超导芯带c的厚度决定了整个接头部位的厚度，其厚度越小，接头处的厚度越小，常规带材的厚度差异越小，越有利于后续应用，如绕制等。此外，超导芯带c的厚度越小，越有利于后续焊锡层压封装过程。

实施例2，高温熔点焊料片7选用sn-ag-cu合金片，上封装层3和下封装层12材料选用纯铜，超导芯带a5、超导芯带b10和超导芯带c6采用铜镀层超导带，其余同实施例1。

实施例3，高温熔点焊料片7选用sn-ag-cu合金片，上封装层3和下封装层12材料选用黄铜，超导芯带a5、超导芯带b10和超导芯带c6采用铜镀层超导带，其余同实施例1。

实施例4，高温熔点焊料片7选用sn-ag-cu合金片，上封装层3和下封装层12材料选用不锈钢，超导芯带a5、超导芯带b10和超导芯带c6采用铜镀层超导带，其余同实施例1。