双饼线圈接头焊接技术优化策略

双饼线圈间的接头焊接是研制过程中的一个关键技术，其接头电阻的大小将直接影响限流器的运行稳定性。电流需要通过焊接的接头从一个双饼流经下一个双饼，以实现整个绕组电流的贯通，所以接头电阻的大小对装置运行具有重要的影响。将两根高温超导带材焊接在一起后，在焊接范围内，电流从一根超导带流到另一根超导带上时，要依次经过上层带材的基材（对第二代超导带材而言可能是银、铜、钨、锂等金属）、焊料层以及下侧带材的基材，这个过程中存在着电阻，电阻的计算表达式为

式中，ρ_S为超导材料电阻率；d_S为超导材料的厚度；ρ_焊为焊锡的电阻率；d_焊为钎料的厚度；S为超导带材之间的有效搭接面积。

钎料和超导带材确定的情况下，两种超导带材间的接头电阻随搭接处钎料层厚度的增加而增加，且与搭接面积成反比。在液氮温度下，焊锡的电阻率在1×10^-7Ω·m数量级，而超导材料的电阻率远小于焊料，所以液氮环境温度下钎料的电阻起关键影响作用。此外，在焊接第二代高温超导带材的过程中，需要特别注意带材的方向性，将超导面和超导面进行对焊，如果基带面对焊的话，由于基带层的电阻率比超导材料大几个数量级，会造成接触面电阻值急剧增大，从而通过大电流情况下发热量大幅度上升，造成绕组绝缘部分烧坏，导致失超。

由于HTS带材焊接部分弯曲性能差，小角度的弯折、扭曲就会导致超导层被破坏，影响双饼及磁体性能。为了避免焊接后的接头在组装时因错位发生弯曲形变，同时简化磁体组装过程，双饼线圈接头焊接需要通过一个与双饼外径相同的弧形模具定型完成。为了防止焊接过程中钎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。(www.xing528.com)

不同的钎料的具体性能可以通过实验测出。通过对SnInPb、Sn₆₃Pb和Sn_96.5AgCu三种钎料进行对比测试，可以证明，在其他条件相同的情况下，Bi-2223/Ag及YBCO高温超导带材接头焊接均可优先选择Sn₆₃Pb钎料，从而在保证带材性能的同时又能尽量减小接头电阻。

不同焊接长度下的双饼接头性能也不同。实验发现，随着焊接长度的增加，Bi-2223/Ag和YBCO HTS带材接头电阻减小，但是减小的趋势越来越小。Bi-2223/Ag带材焊接长度达到98～110mm时，其接头电阻已基本无变化；YBCO带材焊接长度在50mm以上时其接头电阻也已基本不变，两种带材的接头电阻均已达10^-8Ω量级甚至可达10^-9Ω量级。实际焊接过程考虑操作的裕度，焊接长度可以在上述长度的基础上略微留长即可。

由于大多数金属表面都极易被氧化形成一层薄薄的氧化膜，所以在实际焊接过程中，要首先清理焊接表面的氧化膜。在不采取有效保护措施的情况下，在焊接加热过程中，焊接表面会很快再次产生氧化膜，同时焊锡对焊接材料的润湿能力也无法达到理想的状态，一般认为只要有70%的接头面积填满钎料，且产生的缺陷既小又分散就可以满足焊接要求。超导带材上面的绝缘胶也需要提前进行清理，防止绝缘杂质对接头电阻产生影响。此外，为了保证钎料和超导带之间的铺展性，在进行接头焊接时，需要加入助焊剂以实现接头的良好焊接。松香溶于易挥发的酒精，溶液的流动性好，铺展能力也较高，因此焊接时用松香溶液作为助焊剂比固态状的焊锡膏更为方便可靠。