资源描述：
＊国家自然科学基金（ 批准号 ５ １ １ ７ ７ １ ６ ３） 和国际热核聚变实验堆（Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ） 计划专项基金（ 批准号２ ０ １ １ Ｇ Ｂ １ １ ２ ０ ０ ４） 资助的课题． ＊Ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ（Ｇ ｒ ａ ｎ ｔ Ｎ ｏ ． ５ １ １ ７ ７ １ ６ ３）ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ（Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ）Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ（Ｎ ｏ ． ２ ０ １ １ Ｇ Ｂ １ １ ２ ０ ０ ４）． 第３ ６卷 第４期 ２ ０ １ ４年８月 低 温 物 理 学 报 ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｌ ＯＷ Ｔ ＥＭＰ Ｅ Ｒ ＡＴＵＲ Ｅ Ｐ ＨＹ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６，Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ２ ０ １ ４ 高温超导带材接头焊接技术研究＊ 瞿青云 刘华军 陈敬林 武 玉 陈环宇 中国科学院等离子体物理研究所， 合肥２ ３ ０ ０ ３ １ 收稿日期２ ０ １ ３－１ ０－１ ７； 修回日期 ２ ０ １ ３－１ ２－２ １ 【 摘要】 焊接技术是高温超导带材实际应用中的关键技术， 焊接温度、 焊料、 搭接长度等工艺环节对带材接头性能 都有一定的影响．本文针对高温超导一代Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材和二代Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材的接头焊接工艺进行了系统的实验研 究， 包括焊接温度对带材性能的影响、 不同焊料及搭接长度对接头性能的影响等．实验结果表明 一代Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 高温超导带材在４ ０ ０℃焊接温度以内载流能力不会发生明显退化， 而二代Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材对温度较敏感， 在２ ０ ０℃以上 带材性能会出现明显退化； 在Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 及Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材各自的焊接温区内， 不同焊料对带材接头性能有一定的影 响， 但液氮温度下接头电阻均能达到１ ０ －８Ω量级， 其临界电流与带材短样相比无太大变化； 两种超导带材的接头电 阻均与焊接搭接长度成反比， 适当增加焊接搭接长度可以减小接头电阻， 提高带材接头性能． 关键词焊接工艺， 接头电阻，Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ ，Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ Ｐ Ａ Ｃ Ｃ７ ４ ０ ０，７ ４ ７ ０ Ｃ Ｓ Ｔ Ｕ Ｄ Ｙ Ｏ Ｎ Ｔ Ｈ Ｅ Ｓ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｉ Ｑ Ｕ Ｅ Ｏ Ｆ Ｈ Ｉ Ｇ Ｈ－Ｔ ＥＭＰ Ｅ Ｒ Ａ Ｔ Ｕ Ｒ Ｅ Ｓ Ｕ Ｐ Ｅ Ｒ Ｃ Ｏ Ｎ Ｄ Ｕ Ｃ Ｔ Ｉ Ｎ Ｇ Ｔ Ａ Ｐ Ｅ ＊ Ｑ ｉ ｎ ｇ ｙ ｕ ｎ ＱＵ Ｈ ｕ ａ ｊ ｕ ｎ Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎ ＣＨＥ Ｎ Ｙ ｕ ＷＵ Ｈ ｕ ａ ｎ ｙ ｕ ＣＨＥ Ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｌ ａ ｓ ｍ ａ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ，Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ３ １ Ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ｅ２ ０ １ ３－１ ０－１ ７；ｒ ｅ ｖ ｉ ｓ ｅ ｄ ｍ ａ ｎ ｕ ｓ ｃ ｒ ｉ ｐ ｔ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ｅ２ ０ １ ３－１ ２－２ １ 【Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ】 Ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｔ ｏ ｈ ｉ ｇ ｈ－ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ａ ｐ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ａ ｌ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｚ ｏ ｎ ｅ ｈ ａ ｖ ｅ ａ ｎ ｉ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ ｔ，ａ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｏ ｆ ｔ ａ ｐ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３ ／ Ａ ｇ ｗ ｉ ｌ ｌ ｎ ｏ ｔ ｈ ａ ｖ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｔ ｄ ｅ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ４ ０ ０℃，ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ ｗ ｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｄ ｅ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ｄ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ２ ０ ０℃ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｔ ｏ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｉ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ ａ ｎ ｄ Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ． Ｔ ｈ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｆ １ ０ －８Ωａ ｔ ７ ７ Ｋａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ａ ｓ ｌ ｉ ｔ ｔ ｌ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｚ ｏ ｎ ｅ ａ ｎ ｄ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｚ ｏ ｎ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓＳ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ，Ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ，Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ ，Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ DOI10.13380/ki.chin.j.lowtemp.phys.2014.04.013 Ｐ Ａ Ｃ Ｃ７ ４ ０ ０，７ ４ ７ ０ Ｃ １引 言 近年来， 随着高温超导材料的进一步发展， 已经 实现Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ ［１］高温超导带材的商业化生产及 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ ［２］涂层导体性能的提高， 使得其在电力等方 面的应用越来越广泛， 对高温超导带材的要求也越 来越高． 现有加工工艺能制备几百米到千米量级［ ３］ 的高温超导带材， 但这远远无法满足超导装置使用 长度的要求； 同时， 制备长度越长， 对生产设备及技 术的要求就越高， 其单价也越高． 因此， 高温超导带 材的焊接技术已成为其在实际应用中的一项关键 技术． 本文针对较常用Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 高温超导带材及 第二代高温超导带材Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ的焊接工艺进行了实 验研究， 尤其分析了焊接温度、 焊料、 搭接长度等因 素对高温超导带材焊接接头性能的影响， 以探索合 适的高温超导带材接头焊接工艺． ２实 验 实验样品分别选用日本住友公司生产的高温超 导Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ带材及美国超导公司生产的高温超 导Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材， 两种超导带材的基本参数见表１． 由于焊接过程中高温超导带材要受热， 加热温 度可能会对带材的性能产生一定的作用， 因此首先 研究了加热温度对Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 高温超导 带材在液氮温度下临界电流值的影响． 实验选用了 三种不同成分的焊料， 将两根超导带材的两端直接 搭接， 并在不同的搭接长度的条件下进行接头焊接， 测量高温超导带材接头的电阻值， 对焊接接头性能 进行分析与讨论． 表１ 高温超导Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 、Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材基本参数 带材参数 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材宽度 ４． ６ ０ ＋ ０． ３ ０ － ０． ３ ０ ｍｍ ４． ８ ０ ＋ ０． １ ５ － ０． １ ０ｍｍ 带材厚度 ０． ４ ０ ＋ ０． ０ ０ － ０． ０ １ ｍｍ ０． ２ ０ ＋ ０． ０ ２ － ０． ０ ２ｍｍ 焊接后厚度０． ８ ０ ＋ ０． ０ １ － ０． ０ １ ｍｍ ０． ４ ０ ＋ ０． ０ １ － ０． ０ ０ｍｍ Ｉｃ（７ ７ Ｋ， 自场，１μＶ／ｃ ｍ）１ ９ ８ Ａ１ ０ ７ Ａ 电阻转变指数 ｎ＞１ ６ ｎ＞３ ８ ３性能测试结果与分析 ３． １焊接温度对高温超导带材临界电流的影响 从Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 高温超导带材上各取 约１ ５ ｃ ｍ 的短样若干段， 清除表面绝缘并清洁带面． 为了使样品带材的受热与实际焊接过程相同， 采用 在空气中直接用加热板控制温度的方式对其进行 １ ４ ０～３ ９ ０℃／２ ｍ ｉ ｎ加热实验． 观察经受热处理后的带材样品， 发现当加热温 度达到约３ ０ ０℃时， 样品硬度明显变差． 进一步在液 氮温度下（ ７ ７ Ｋ） 测量其临界电流， 测量距离为６ ｃ ｍ， 采用１ μＶ ／ｃ ｍ 判据． 图１（ ａ） 、 （ｂ） 分别为 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 及 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ高温超导带材经加热处理后的样品临界 电流Ｉ ｃ 值． 图１ 高温超导带材经加热处理后的样品临界电流Ｉ ｃ值 ６１３ 低 温 物 理 学 报第３ ６卷 由图１可知，Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材短样在４ ０ ０℃以 下经过２ ｍ ｉ ｎ受热处理后， 样品在液氮温区的Ｉ ｃ值 并没有明显变化， 说明一代 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ高温超导带 材在０～４ ０ ０℃范围内的短时加热不会引起超导带 载流能力的退化； 而 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材对温度则较敏感， 当加热温度在２ ０ ０℃以下时样品带材Ｉ ｃ值并没有降 低， 但当温度达２ ０ ０℃以上时带材性能开始有明显 的不稳定， 到３ ０ ０℃左右带材超导层被完全破坏， 已 无超导特性， 说明二代 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材在２ ０ ０℃以上的 短时加热会造成带材性能的明显退化．为了严格保 证带材的性能， 实际焊接时 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ带材焊接温 度要求不能高于３ ５ ０℃，Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材焊接温度可选 择在２ ０ ０℃以下进行． ３． ２焊锡材料对高温超导带材焊接接头的影响 实验选择了三种不同成分的焊料， 其基本情况 见表２．为了方便对比数据， 焊料实验采用统一焊接 长度１ ０ ０ ｍｍ， 高温超导带材接头焊接通过自制的焊 接模具完成， 见图２． 表２ 三种焊料基本参数 焊料种类焊料熔点焊料尺寸 Ｓ ｎ Ｉ ｎ Ｐ ｂ １ ４ ０℃０． １ ０８． ０ｍｍ ２ Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ １ ８ ３℃０． １ １４． ０ｍｍ ２ Ｓ ｎ９ ６． ５Ａ ｇ Ｃ ｕ ２ １ ７℃０． ０ ８４． ３ｍｍ ２ 为了防止焊接过程中焊料在融化时将超导带材 与模具粘在一起， 焊接模具包括压片都采用不吃锡 的铝合金制作． 将待焊接的高温超导带材表面绝缘 清除， 带面用松香均匀润湿后挂上薄薄一层焊锡， 将 挂锡超导带的两个端头搭接好置于模具的凹槽中， 使其搭接长度为１ ０ ０ ｍｍ， 放入压片将模具上的五个 螺丝拧紧进行固定． 用加热板对模具进行均匀加热， 当温度使接头处的焊锡熔融时， 迅速将模具上的螺 丝拧紧进行加压， 使两带面充分接触， 待焊料熔化填 满接头处缝隙即可． 此外， 为了避免焊接时由于温度 过高破坏带材性能， 采用 Ｐ ｔ １ ０ ０温度传感器及吉时 利２ ７ ０ ０表严格监控模具温度， 同时当模具加热至使 焊锡一达到熔融状态时就立即停止对加热板加热． 图２ 接头焊接装置图 在液氮温度下（ ７ ７ Ｋ） ， 采用四引线法 ［４］分别测 量了Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ带材及 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材在不同焊料下 焊接接头样品的Ｉ－Ｖ曲线．在液氮环境中， 当流经高 温超导带材的工作电流低于带材的临界电流时， 超 导带材本身是无阻的， 带材焊接接头处的电压电流 值呈线性变化， 其曲线斜率即为接头电阻值； 当工作 电流达到或超过带材临界电流时， 高温超导带材失 超， 此时超导芯中的电压降不应该忽略， 因此接头处 电压Ｖ表现为一种非线性的快速上扬， 如图３所 示．实验带材焊接接头样品电阻测试结果如表３ 所示． 图３ 高温超导带材三种不同焊料焊接接头的Ｉ～Ｖ曲线 由表３可知，Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 高温超导带 材在有效搭接长度约为１ ０ ０ ｍｍ 时， 液氮温度下三 种焊料对应的接 头 电阻测试值量级 均在 １ ０ －８ ～ １ ０ －９Ω， 阻值较小， 选用的三种焊料对于 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３ ／ Ａ ｇ ７１３ 第４期瞿青云， 等 高温超导带材接头焊接技术研究 和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带 材 接 头 的 焊 接 效 果 均 不 错．比 较 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材不同焊料对应的单位面积接头电阻 可以发现， 熔点为１ ８ ３℃的Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ焊料和２ １ ７℃的 Ｓ ｎ９ ６． ５Ａ ｇ Ｃ ｕ焊料焊接的超导带接头性能均较好， １ ４ ０℃的Ｓ ｎ Ｉ ｎ Ｐ ｂ焊料焊接的接头性能要相对差一 些； 而 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材则为１ ８ ３℃的Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ焊接的 Ｙ Ｂ－ Ｃ Ｏ接 头 性 能 较 好，１ ４ ０℃的Ｓ ｎ Ｉ ｎ Ｐ ｂ相 对 较 差， ２ １ ７℃的Ｓ ｎ９ ６． ５Ａ ｇ Ｃ ｕ焊料由于其熔点已超过 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材２ ０ ０℃的焊接温区， 其对应接头数据不可靠， 因 此不用于分析比较． 考虑到 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 高温超导带材各 自的焊接温区， 在其他条件相同的情况下，Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 及 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ高温超导带材接头焊接均可优先选择 Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ焊料， 从而在保证带材性能的同时又能尽量 减小接头电阻． 表３ 不同焊料下的高温超导带材焊接接头性能 带材种类焊料种类搭接长度／ｍｍ接头电阻／ｎ Ω接头面积／ｍｍ ２ 单位面积接头 电阻／Ωｃ ｍ２ Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ Ｓ ｎ Ｉ ｎ Ｐ ｂ ９ ９ ４ ０． ７ ４ ５ ５． ４ １． ８ ５１ ０ －７ Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ ９ ８ ９． ９ ６ ４ ５ ０． ８ ４． ４ ８１ ０ －８ Ｓ ｎ９ ６． ５Ａ ｇ Ｃ ｕ １ ０ ０ １ ２ ４ ６ ０． ０ ５． ５ ２１ ０ －８ Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ Ｓ ｎ Ｉ ｎ Ｐ ｂ ９ ６ ３ ４． ６ ９ ４ ６ ０． ８ １． ５ ９１ ０ －７ Ｓ ｎ６ ３Ｐ ｂ ９ ５ １ ０． １ ２ ４ ５ ６． ０ ４． ６ １１ ０ －８ Ｓ ｎ９ ６． ５Ａ ｇ Ｃ ｕ ９ ７ ７ ３． ５ ４ ６ ５． ６ ３． ４ ２１ ０ －７ ３． ３搭接长度对高温超导带材焊接接头的影响 从文献［ ５］ 可知， 在焊料和高温超导带材确定的 情况下， 带材间的接头电阻正比于搭接处焊料层的 厚度， 反比于有效搭接面积（ 或有效搭接长度）． 考虑到 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ及 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材各自的焊接 温区， 实验选用熔点为１ ８ ３℃的Ｓ ｎ ６ ３Ｐ ｂ焊料， 样品 焊锡层厚度在微米量级， 搭接长度取值范围为２ ０～ １ １ ０ ｍｍ．在液氮温度下（７ ７ Ｋ） 给Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 样品和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ样品各自通入低于带材临界电流的恒定电 流， 测得样品两端电压， 计算得接头电阻Ｒ， 其测试 结果如表４所示． 表４ 不同搭接长度下高温超导带材焊接 接头电阻测试值（Ｓ ｎ ６ ３Ｐ ｂ焊料） 带材种类 有效搭接长度 Ｌ／ｍｍ 接头电阻 Ｒ／１ ０ －８Ω Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ ２ ２ ４． １ ６ ４ ５ ３ ２． ０ ５ ４ ９ ８ ０． ９ ９ ６ １ １ ０ ０． ８ １ ４ Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ ２ ３ ３． ６ ６ ６ ５ ０ １． １ ２ ２ ９ ５ １． ０ １ ２ 由表４可以看出， 高温超导带材与焊料的有效 搭接面积（ 即有效搭接长度） 对接头电阻有很明显的 影响 当带材焊接接头的有效搭接长度较短时， 接头 电阻较大， 带材焊接接头电阻值随有效搭接长度的 增加而减小．对表４中Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材和Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带 材各自的焊接接头电阻与搭接长度的关系进行分析 拟合， 可分别得到实验所用Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 及Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带 材在该焊接工艺下接头电阻的量化关系， 为带材在 之后工程中的应用提供一定的依据， 其表达式分别 如下（ 式中Ｌ、Ｒ均为国际单位） ＲＢ ｉ ２ ２ ２ ３＝０． ９ ０ ３１ ０ － ９１ ＬＢ ｉ （ １） ＲＹ Ｂ Ｃ Ｏ＝０． ８ ５ ８１ ０ － ９１ ＬＹ （ ２） 从式（１） 和式（２） 可知， 实验采用焊接工艺制作 的接头电阻比文献［ ５］ 的接头样品阻值要小得多， 其 性能也更好． 理论上， 随着有效搭接长度的增加， 焊 接接头电阻会减小， 但从表４可以发现Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材有效搭接长度分别为９ ８ ｍｍ 与１ １ ０ ｍｍ 时， 其 接头电阻已基本无变化；Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带材在有效搭接长 度为５ ０ ｍｍ 和９ ５ ｍｍ 时接头电阻也已基本相同， 此 时若继续增加搭接长度， 对降低高温超导带材焊接 接头电阻已无太大意义， 反而会使焊接过程复杂化， 影响焊接质量， 甚至可能造成超导带材载流能力的 退化． 因此， 在带材应用焊接中， 要适当选择焊接搭 接长度达到减小接头电阻的目的， 以提高带材接头 ８１３ 低 温 物 理 学 报第３ ６卷 性能． 从 表 ４ 中 实 验 数 据 分 析 可 知， 实 验 所 用 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带 材 的 最 佳 焊 接 长 度［ ６］可 以 控 制 在 １ ０ ０ ｍｍ 左右，Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材的最佳焊接长度在８ ０ ｍｍ 左右． ４结 论 本文通过加热实验、 焊料实验和接头样品实验， 对高温超导一代 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／Ａ ｇ带材和二代 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 带 材的接头焊接工艺进行了系统的研究和分析， 得到 如下结论 （ １）Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 高温超导带材在０～４ ０ ０℃焊接 温区内短时加热， 其载流能力不会发生明显退化； 而 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ高温超导带材对温度较敏感， 在２ ０ ０℃以上 带材性能会出现明显退化， 到３ ０ ０℃左右带材超导 层被完全破坏， 已无超导特性． （ ２）在 Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ 高温超导带材各 自的焊接温区内， 在其他条件相同的情况下， 不同焊 料对带材接头性能有一定的影响， 液氮温度下接头 电阻均能达到１ ０ －８Ω量级， 其临界电流与带材短样 相比无太大变化． （ ３）Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 和 Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ高温超导带材的接头 电阻均与焊接搭接长度成反比， 适当增加焊接搭接 长度可以减小接头电阻， 提高带材接头性能．在工程 实际中， 为了尽量降低带材焊接对其性能的影响， 搭 接长度一般取其最佳焊接长度， 实验所用Ｂ ｉ ２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 带材的最佳焊接长度可以控制在１ ０ ０ ｍｍ 左右， Ｙ Ｂ Ｃ Ｏ带材的最佳焊接长度在８ ０ ｍｍ 左右． 参 考 文 献 ［１］金建勋， 郑陆海． 高温超导材料与技术的发展及应用［Ｊ］． 电子科 技大学学报，２ ０ ０ ６，３ ５（２ ０ ０ ６） ， ６ １ ２～６ ２ ７． ［２］王醒东， 张立永， 庄喻韬等．高温超导带材的制备及应用进展 ［Ｊ］．新材料产业，１ ０（２ ０ １ １） ，５ ６～６ １． ［３］韩正男．高温超导带材及线圈载流特性的研究［Ｄ］．哈尔滨 哈尔 滨工业大学， （２ ０ １ １） ，３～４． ［４］邵惠， 严仲明， 付磊等． 高温超导带材 Ｂ ｉ －２ ２ ２ ３／ Ａ ｇ 的焊接接头电 阻研究［Ｊ］．超导技术，３ ９（ １ ０ １ ０） ，３ ０～３ ３． ［５］瞿青云， 刘华军， 陈敬林等．高温超导带材焊接接头电阻研究 ［Ｊ］．低温与超导，４ １（２ ０ １ ３） ，３ ２～３ ５． ［６］李袖．第二代高温超导带材电磁特性的研究［Ｄ］．北京 华北电力 大学， （２ ０ １ １）， ２ ２． ９１３ 第４期瞿青云， 等 高温超导带材接头焊接技术研究
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