一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法与流程

1.本发明涉及高温超导性能测试技术领域，具体涉及一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法。


背景技术：

2.高温超导电缆相比于常规铜电缆、低温超导nbti和nb3sn电缆具有更高的载流能力和高场性能，能提供20t以上的磁场满足未来核聚变和大型强磁场装置对高场的需求。但高温超导电缆在绕制多级电缆和制备磁体的过程中，将不可避免的受到拉伸、扭转、弯曲和横向压缩载荷，与此同时装置运行过程中其将受到巨大的电磁力以及其它的机械扰动载荷，这些载荷将对高温超导电缆的机械性能造成退化或破坏，严重时威胁装置的安全稳定性。为此，在研发高性能的高温超导电缆时对其机械性能参数进行测试和评估，特别是拉伸和扭转条件下的机械性能测试与评估，对多级电缆的绞制和磁体的制备具有巨大的参考价值。
3.然而，当前常规材料的拉伸和扭转机械性能测试夹具，对试样的结构和形状均有较高的要求，且不能同时满足高温超导电缆在低温下的夹持与通电；同时，常规夹具在超导电缆运行的极低温条件下，极易因与高温超导电缆材料的热收缩系数不同而产生滑移或脱落；此外，当前拉伸设备配备的标准夹具会对电缆夹持部分造成一定的机械损伤，易造成测试困难或结果不精确。当前文献资料中较常用的夹持方式是采用拉伸机的常规夹具钳口对高温超导电缆两端进行夹持，离夹持两端一定距离再安装导电铜接头来实现测试功能，这种方式具有一定的破坏性，低温下载荷较大时两端夹持部分易滑动或脱落，测试安装极不方便，试样长度需更长。现有的其它一些装夹方式也很复杂、操作不便，严重影响试验效率等。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，采用本方案，使试样两端采用焊接形式夹持，可避免常规机械夹持造成的端部损伤，确保拉伸或扭转时不会因端部的应力集中而在夹持部位断裂，同时极大的避免了低温下因夹具材料与试样材料的热收缩系数不同造成夹持松动，而导致试验时试样发生滑移或脱落等情况，有效提升了试验的有效性和可靠性。
5.本发明通过下述技术方案实现：一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具，包括上部件和下部件；所述上部件和下部件均包括有：通电模块：所述通电模块上带有和拉伸机绝缘拉杆相连的第一通孔，以及和通电电缆相连的第二通孔；焊接模块：所述焊接模块包括焊接板，所述焊接板固定于通电模块上，所述焊接板中部沿其长度方向带有第一凹槽，所述第一凹槽中部还设有沿自身长度方向上设置的圆弧
形焊锡槽，所述焊接板一端带有和所述圆弧形焊锡槽连通的第三通孔，通过所述第三通孔，用于向所述圆弧形焊锡槽穿入高温超导电缆试样；所述圆弧形焊锡槽内用于填充焊料。
6.相对于现有技术中，采用拉伸机的常规夹具钳口对高温超导电缆两端进行夹持，离夹持两端一定距离再安装导电铜接头来实现测试功能，这种方式具有一定的破坏性，低温下载荷较大时两端夹持部分易滑动或脱落，测试安装极不方便，试样长度需更长等问题，本方案提供了一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具，用以测试高温超导电缆在低温下的拉伸和扭转节距等机械性能参数，从而为高温超导多级电缆、磁体的设计与制造提供可靠的实验依据。其具体方案中，包括有上部件和下部件，上部件和下部件分别设置在高温超导电缆试样的两端，且上下对称设置，上部件和下部件的结构及连接方式均相同，其结构均包括有通电模块和焊接模块，通电模块的上端部分设置有第一通孔和第二通孔，而在下端部分的两侧位置设置三对均布的第六通孔，其中，第一通孔通过销钉和拉伸机定制的绝缘拉杆相连，而第二通孔则将用于和通电电缆连接，从而实现高温超导电缆试样的通电测试。
7.焊接模块包括有焊接板，焊接板设置于通电模块的下端位置上，并通过第六通孔实现固定；在焊接板上，沿其长度方向上设有第一凹槽，而在第一凹槽的内部，还设有同方向设置的圆弧形焊锡槽，圆弧形焊锡槽和焊接板一端的第三通孔连通，在具体工作过程中，将高温超导电缆试样的端部从第三通孔处插入到圆弧形焊锡槽内即可，然后向圆弧形焊锡槽内填充焊料，并进行加热，从而将高温超导电缆试样端部固定在焊接板内。
8.以上所述，旨在实现：使试样两端采用焊接形式夹持，可避免常规机械夹持造成的端部损伤，确保拉伸或扭转时不会因端部的应力集中而在夹持部位断裂，同时极大的避免了低温下因夹具材料与试样材料的热收缩系数不同造成夹持松动，而导致试验时试样发生滑移或脱落等情况，有效提升了试验的有效性和可靠性。
9.进一步优化，所述圆弧形焊锡槽和所述第三通孔同轴设置；用于和高温超导电缆试样进行定位和对中。
10.进一步优化，所述第一凹槽内还设有沿自身长度方向上设置的储锡槽，所述圆弧形焊锡槽两侧均设有所述储锡槽；用于接受圆弧形焊锡槽溢出的焊料。
11.进一步优化，所述焊接模块还包括挡板，所述第一凹槽贯通所述焊接板另一端，所述焊接板另一端带有用于放置挡板的第二凹槽，所述挡板用于封闭所述第一凹槽的端部；用于防止焊料从焊锡槽流出。
12.进一步优化，所述第二凹槽内的带有第一螺纹孔，所述挡板上还带有第四通孔，所述第四通孔和第一螺纹孔之间设有第一螺钉；用于实现可拆卸连接。
13.进一步优化，所述焊接模块还包括盖板，所述盖板用于封闭所述第一凹槽顶部；用于封闭第一凹槽顶部，便于试样端部的固定。
14.进一步优化，所述第一凹槽内还设有第二螺纹孔，所述盖板上还设有第五通孔，所述第五通孔和第二螺纹孔之间设有第二螺钉；用于实现可拆卸连接。
15.进一步优化，所述第三通孔为螺纹通孔，所述第三通孔外侧螺接有螺纹卡头，所述螺纹卡头的中心设有和所述第一凹槽连通的第八通孔；用于适应不同尺寸的高温超导电缆试样。
16.进一步优化，所述通电模块上还设有第六通孔，所述焊接板上还设有第七通孔，所
述第六通孔和第七通孔上贯穿设有螺栓；用于实现焊接块的可拆卸连接。
17.进一步优化，一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具的实验方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：获取高温超导电缆试样，并将高温超导电缆试样的两端标记相同长度，并涂抹助焊剂；步骤二：在高温超导电缆试样的两端分别设置上部件和下部件，并将高温超导电缆试样的端部通过第三通孔穿入到圆弧形焊锡槽内；步骤三：使用焊锡材料对圆弧形焊锡槽进行填充，填充完毕后，放入加热台上进行加热，在加热完毕后，等待冷却；步骤四：冷却完毕后，将拉伸机的绝缘拉杆连接于第一通孔上，并将通电电缆连接于第二通孔上；步骤五：然后装好测试相关的引伸计或应变片，电流和电压信号传输线，之后放入低温杜瓦罐中，完成拉伸或扭转测试过程；步骤六：测试完成后，再次放入到加热台进行加热，加热完毕后，取出高温超导电缆试样。
18.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，试样两端采用焊接形式夹持，可避免常规机械夹持造成的端部损伤，确保拉伸或扭转时不会因端部的应力集中而在夹持部位断裂，同时极大的避免了低温下因夹具材料与试样材料的热收缩系数不同造成夹持松动，而导致试验时试样发生滑移或脱落等情况，有效提升了试验的有效性和可靠性；2.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，试验夹具通电模块和焊接模块均采用导电性能良好的紫铜或铬锆铜，更有利于高温超导电缆机械性能的通电在线测试；3.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，采用储锡槽结构且利用银硅脂填充挡板、螺纹卡头、通孔同焊接模块与试样之间的缝隙，可有效的防止焊锡加热时沿缝隙流出，也不会因盖板挤压而溢出到焊接模块表面；4.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，试验夹具所夹持的试样形状不需要加工成u型、工字型或其它复杂的形状，更符合高温超导电缆圆形或方形试样的夹持测试需求；5.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，实验夹具设有定位用的螺纹卡头，能够保证试样安装时的对中性及受力方向的同轴性；6.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，试验夹具在与拉伸或扭转装置的拉杆或旋转杆上安装与拆卸时十分简单、便捷。
19.7.本发明的目的在于提供一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具及其方法，该试验夹具和试验方法可以适用于任何类型的高温超导电缆结构，而且能够满足常温、低温和低温通电条件下的拉伸、疲劳和扭转等力学性能测试。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：图1为本发明提供的一种实施例的整体结构示意图；图2为本发明提供的一种实施例的上部件的等轴侧视图；图3为本发明提供的一种实施例的导电模块的等轴侧视图；图4为本发明提供的一种实施例的焊接模块的正面俯视图；图5为本发明提供的一种实施例的焊接块的一端侧视图；图6为本发明提供的一种实施例的焊接块的另一端侧视图；图7为本发明提供的一种实施例的盖板的等轴侧视图；图8为本发明提供的一种实施例的挡板的等轴侧视图；图9为本发明提供的一种实施例的螺纹卡头的等轴侧视图；图10为本发明提供的一种实施例的上海超导样品归一化临界电流随应力的变化曲线图；图11为本发明提供的一种实施例的苏州新材料样品归一化临界电流随应力的变化曲线图；图12为本发明提供的一种实施例的苏州新材料样品测试获得的归一化临界电流随扭转节距的变化曲线图。
21.附图中标记及对应的零部件名称：1-第一通孔，2-第二通孔，3-第六通孔，4-焊接板，5-盖板，6-挡板，7-螺纹卡头，8-第二凹槽，9-第一螺纹孔，10-第一凹槽，11-圆弧形焊锡槽，12-储锡槽，13-第二螺纹孔，14-第七通孔，15-第三通孔，16-第五通孔，17-第四通孔，18-第八通孔，19-螺栓，20-第二螺钉，21-第一螺钉，22-高温超导电缆试样。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
23.实施例1如图1至图9所示，本实施例1提供了一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具，包括上部件和下部件；所述上部件和下部件均包括有：通电模块：所述通电模块上带有和拉伸机绝缘拉杆相连的第一通孔1，以及和通电电缆相连的第二通孔2；焊接模块：所述焊接模块包括焊接板4，所述焊接板4固定于通电模块上，所述焊接板4中部沿其长度方向带有第一凹槽10，所述第一凹槽10中部还设有沿自身长度方向上设置的圆弧形焊锡槽11，所述焊接板4一端带有和所述圆弧形焊锡槽11连通的第三通孔15，通
过所述第三通孔15，用于向所述圆弧形焊锡槽11穿入高温超导电缆试样22；所述圆弧形焊锡槽11内用于填充焊料。
24.相对于现有技术中，采用拉伸机的常规夹具钳口对高温超导电缆两端进行夹持，离夹持两端一定距离再安装导电铜接头来实现测试功能，这种方式具有一定的破坏性，低温下载荷较大时两端夹持部分易滑动或脱落，测试安装极不方便，试样长度需更长等问题，本方案提供了一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具，用以测试高温超导电缆在低温下的拉伸和扭转节距等机械性能参数，从而为高温超导多级电缆、磁体的设计与制造提供可靠的实验依据。其具体方案中，包括有上部件和下部件，上部件和下部件分别设置在高温超导电缆试样22的两端，且上下对称设置，上部件和下部件的结构及连接方式均相同，其结构均包括有通电模块和焊接模块，通电模块的上端部分设置有第一通孔1和第二通孔2，而在下端部分的两侧位置设置三对均布的第六通孔3，其中，第一通孔1通过销钉和拉伸机定制的绝缘拉杆相连，而第二通孔2则将用于和通电电缆连接，从而实现高温超导电缆试样22的通电测试。
25.焊接模块包括有焊接板4，焊接板4设置于通电模块的下端位置上，并通过第六通孔3实现固定；在焊接板4上，沿其长度方向上设有第一凹槽10，而在第一凹槽10的内部，还设有同方向设置的圆弧形焊锡槽11，圆弧形焊锡槽11和焊接板4一端的第三通孔15连通，在具体工作过程中，将高温超导电缆试样22的端部从第三通孔15处插入到圆弧形焊锡槽11内即可，然后向圆弧形焊锡槽11内填充焊料，并进行加热，从而将高温超导电缆试样22端部固定在焊接板4内。
26.以上所述，旨在实现：使试样两端采用焊接形式夹持，可避免常规机械夹持造成的端部损伤，确保拉伸或扭转时不会因端部的应力集中而在夹持部位断裂，同时极大的避免了低温下因夹具材料与试样材料的热收缩系数不同造成夹持松动，而导致试验时试样发生滑移或脱落等情况，有效提升了试验的有效性和可靠性。
27.更进一步的方案，所述圆弧形焊锡槽11和所述第三通孔15同轴设置；用于和高温超导电缆试样22进行定位和对中。
28.请参阅图4、图5和图6，作为一种为接受圆弧形焊锡槽11溢出的焊料的具体实施方式，所述第一凹槽10内还设有沿自身长度方向上设置的储锡槽，所述圆弧形焊锡槽11两侧均设有所述储锡槽；本方案中，在第一凹槽10内还设有储锡槽，两个储锡槽分别布置在圆弧形焊锡槽11的两侧，并同方向设置，在焊接过程中，储锡槽可用于存储圆弧形焊锡槽11溢出的焊料；储锡槽优选为正方形储锡槽。
29.请参阅图2和图8，作为一种防止焊料从焊锡槽流出的具体实施方式，所述焊接模块还包括挡板6，所述第一凹槽10贯通所述焊接板4另一端，所述焊接板4另一端带有用于放置挡板6的第二凹槽8，所述挡板6用于封闭所述第一凹槽10的端部；本方案中，还设置有挡板6，在焊接板4的另一端处设有第二凹槽8，挡板6设置于第二凹槽8内，即可封闭第一凹槽10的端部，从而防止焊料从焊锡槽流出。
30.更进一步的方案，为实现可拆卸连接，所述第二凹槽8内的带有第一螺纹孔9，所述挡板6上还带有第四通孔17，所述第四通孔17和第一螺纹孔9之间设有第一螺钉21；本方案中，第一螺钉21穿过第四通孔17，并和第一螺纹孔9连接，从而实现挡板6的可拆卸连接；挡板6的尺寸优选为和第二凹槽8的尺寸相同，即和焊接板4的端部齐平；在具体实验过程中，
需向挡板6和焊接块之间的缝隙处填充银硅脂，进一步防止焊锡加热时沿缝隙流出。
31.请参阅图2和图7，作为一种为封闭第一凹槽10顶部的具体实施方式，所述焊接模块还包括盖板5，所述盖板5用于封闭所述第一凹槽10顶部；本方案中，在第一凹槽10顶部设有盖板5，其中盖板5可伸入到第一凹槽10内，实现第一凹槽10的封闭，便于试样端部的固定。
32.更进一步的方案，为实现可拆卸连接，所述第一凹槽10内还设有第二螺纹孔13，所述盖板5上还设有第五通孔16，所述第五通孔16和第二螺纹孔13之间设有第二螺钉20；本方案中，在第一凹槽10内设有若干和第二螺纹孔13，在盖板5上则设置与之相匹配的若干第五通孔16，第二螺钉20穿过第五通孔16和第二螺纹孔13连接，从而实现了盖板5的可拆卸，盖板5的尺寸和第一凹槽10上端到下凹之间的距离相适配；在具体实验过程中，需向盖板5和焊接块之间的缝隙处填充银硅脂，进一步防止焊锡加热时沿缝隙流出。
33.请参阅图2和图9，作为一种适应不同尺寸的高温超导电缆试样22的具体实施方式，所述第三通孔15为螺纹通孔，所述第三通孔15外侧螺接有螺纹卡头7，所述螺纹卡头7的中心设有和所述第一凹槽10连通的第八通孔18；本方案中，在第三通孔15上还设置有螺纹卡头7，其中第三通孔15为螺纹通孔，螺纹卡头7螺纹连接于第三通孔15上，实现可拆卸连接，螺纹卡头7是可更换的部件，其中心的第八通孔18尺寸大小可根据高温超导电缆试样22的尺寸定制，通孔形状也可为圆形或矩形等；在具体实验过程中，需向螺纹卡头7和第三通孔15之间的缝隙处填充银硅脂，进一步防止焊锡加热时沿缝隙流出；螺纹卡头7用于配合焊接模块其它设置对高温超导电缆试样22进行固定、定位和对中。
34.请参阅图2，所述通电模块上还设有第六通孔3，所述焊接板4上还设有第七通孔14，所述第六通孔3和第七通孔14上贯穿设有螺栓19；用于实现焊接块的可拆卸连接。
35.更进一步的方案，通电模块的第六通孔3和焊接模块的第七通孔14位置对应且大小相同。
36.更进一步的方案，的第一螺纹孔9与第二螺纹孔13规格相同，第五通孔16与第四通孔17的大小相同，第二螺钉20和第一螺钉21的规格相同。
37.更进一步的方案，通电模块上端的第二凹槽8的尺寸和挡板6的尺寸相同，通电模块中心的第一凹槽10尺寸和下凹距离与盖板5的尺寸相同。
38.更进一步的方案，螺纹卡头7是一个可更换部件，其中心的第八通孔18尺寸大小可根据高温超导电缆试样22的尺寸定制，通孔形状可为圆形或矩形等。
39.更进一步的方案，上、下部件模块的制造用材料采用导电性能良好的紫铜。
40.更进一步的方案，螺栓19、第二螺钉20和第一螺钉21材料为316或314不锈钢材料。
41.更进一步的方案，通电模块和焊接模块的外边缘均进行了倒角圆化处理。
42.实施例2本实施例2在实施例1的基础上进一步限定，提供了一种用于高温超导电缆的焊接式导电实验夹具的实验方法，所述方法包括以下具体步骤：步骤1：准备适当长度的高温超导电缆试样22，将试样两端部标记一适当长度并均匀的涂抹上助焊剂，防止电缆铜管或金属材料表面在焊接时被氧化，而导致焊接强度降低，避免实验时试样与夹具产生相对滑移或直接脱落。
43.步骤2： 将焊接模块中的挡板6通过第一螺钉21将其固定在焊接块另一端的第二
凹槽8内。
44.步骤3：将高温超导电缆试样22两端穿过螺纹卡头7的第八通孔18，并插入焊接模块的圆弧形焊锡槽11内。
45.步骤4：使用银硅脂填充挡板6、螺纹卡头7、第八通孔18同焊接模块与试样之间的缝隙，防止焊锡加热时沿缝隙流出。
46.步骤5：使用焊锡材料对弧形焊锡槽进行填充，填充完成后将穿好试样的上、下焊接模块放置在加热台上。
47.步骤6：使用加热台对上、下通电模块进行加热，温度控制在200℃左右，待焊锡融化后根据情况适当补充焊料保证整个弧形焊锡槽填满焊锡。
48.步骤7：焊锡填满后关闭加热台电源，快速盖上盖板5并通过第二螺钉20进行固定。
49.步骤8：待上、下部件的焊接模块完全冷却后，使用螺栓19经第六通孔3和第七通孔14将上、下部件的通电模块和焊接模块连接和固定起来。
50.步骤9：将上、下部件通过第一通孔1和销钉安装到拉伸机的上、下绝缘拉杆上，实现试样的对中和固定，并将电缆接到通电模块的第二通孔2上。
51.步骤10：安装好测试相关的引伸计或应变片，电流和电压信号传输线，之后放入低温杜瓦罐中，完成拉伸或扭转测试过程。
52.步骤11：测试完成后，回温至室温再将上、下部件放置加热台，加热至200℃，取出试样并将焊料清除干净，冷至室温时放至实验柜中，试验结束。
53.实施例3如图10至图12所示，本实施例3在实施例2的基础上进一步限定，提供了一种具体的实验方法。
54.请参阅图10和图11，采用了上述试验方法，分别选取了上海超导和苏州新材料提供的高温超导带材制备的高温超导电缆样品进行测试。样品直径为4mm的高温超导电缆，由无氧铜管、20根2mm的高温超导带材和填充材料构成，电缆的长度为50cm，有效长度30cm，电压引线的距离为5cm，测试温度为液氮77k，测试获得上海超导和苏州新材料样品的归一化临界电流随应力的变化曲线分别见图10和图11。
55.请参阅图12，采用了上述试验方法，选取苏州新材料提供的高温超导带材制备的电缆样品进行测试。样品直径为4mm的高温超导电缆，由无氧铜管、20根2mm的高温超导带材和填充材料构成，电缆的长度为50cm，有效长度30cm，电压引线的距离为5cm，测试温度为液氮77k，测试获得的归一化临界电流随扭转节距的变化曲线见图12。
56.通过上述实施例可以看到，利用本发明专利及试验方法进行高温超导电缆的低温通电拉伸和扭转试验，试验过程中施加的最大拉伸应力和扭转角度分别为580mpa与720
°
。试验结束后未发现股线出现松动或相对滑移的现象，且获得了良好的归一化临界电流随拉伸应力或扭转节距的变化曲线，结果表明采用本发明专利和试验方法获得的试验结果良好且可靠，本发明专利及试验方法具有较好的实用性，可以进行推广。
57.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。