铌—钛低温超导材料焊接技术的研究状况述评.doc

铌钛低温超导材料焊接技术的研究状况述评l2钍工业进履999年第l期.,i髂一I;f一e铌钛低温超导材料焊接技术的讳1,研究状况述评魏冯勇吴晓祖周廉西北有色金属研究院.西安7100161986年高温超导材料的发现为超导技术研究翻开了崭新的一页,IO多年的研究也确实取得了诅太的进展.但是由于在材料物理特性,翩备工艺,特别是成材技术上的困难,奉世纪应用于强电强磁场工程领域,从而替代传统低温超导材料的可能性不大,世界各国在低温超导材料及其应用上的研究投入仍占所有超导研究经费的很大比例Nb-Ti超导材料在超导应用镊域的重要地位短期内依然难以取代.70年代开始,以Nb-Ti超导材料j作的实用超导盛体已进入大型化阶段,这不仅对超导材料的性能提出更为严格的要求,而且对导体的长度也要求盘长愈好.倒如,现在一些超导装置,实用超导材料重达散十吨,每根导体的长度至少数千米.要制造这样长度的超导线,往往受到加工设备的限制,因此就提出超导材料的焊接问题.但是,经过焊接之后,如何保持焊接部位所固有的超导性能,不因焊接部位性能的变化而影响整个超导装置的性能,这是研究超导材料焊接的主要问题.在7O年代大线圈计划和加速器磁体应用,80年代Nb-Ti应用材料的高水平工程化研究及809o年代的SCC计划和LHC计划的同时,超导材料焊接技术的研究始终是一个重要课题.对这一问题的深入研究,不仅有理论上的可行性,更具备现实的必要性和迫切性.1mTi低温超导材料的焊接特点目前普遍选用的NbTJ二元台金中的古一f钛量在44%65%(质量)的范围.从其台金系统的金属物理本质上看,Nb-Ti超导体具有良好的焊接性;但是,从其超导电性出发,Nb-Ti超导体又具有其特殊的焊接特点.1.1尽可能小的接头电阻.在液氮温度下,超导体的电阻率很小,在4.2K时,NbTi台金的电阻率约i0n?.焊接部位能否也达到这样低的电阻率,是焊接成败的关键.如果在焊接部位的电阻大,就会局部发热,由于热量的恶性循环而引起超导磁体的失超.实验已证明,负载电流为千安级的导体,所允许的接头电阻率上限值约l0n?衄.12焊接后超导线lc盘界电流的下降尽可能小焊接的超导线接头,有可能受到焊接时温度上升的影响,从而改变接头部位的微观组织.微观组织对Nb-Ti的临界电流是一个很敏感的影响因素,因此,要求对超导材料的焊接温度不能超过35o40O.这个温度范围正好是NbTJ合金的最佳时效处理温度.1j焊接接头应该有足够的机械强度超导体在工作时受到多种应力的作用.例如,冷却时产生的热应力,励磁时产生的洛仑兹力和缠绕磁体时产生的弯曲应力等.因此,要求焊接接头部位应具有足够的机械强度.对于搭接接头焊接来说,要求具有较高的低温剪切强度和较高的耐剥离强度.如果对接接头,则要求具有较高的抗拉强度.1999年第1期钛工业进展131.4焊接接头的形式应该适宜于绕制磁体超导体的接头应尽可能减少占据磁体的额外空问.根据这种要求,以选择对接焊接的方法为好,但这种接方法操作复杂.搭接焊接的方法虽熟比较简单,但占据磁体的额外空问较多.超导材料的连接方法很多,用于大型磁体的常见的连接方法有爆炸焊,钎焊,冷压焊,扩散焊及超声焊等.表l列出各种焊接方法所得到的超导接头低温电阻率的量级范围.裹1超导接头低温电阻罩比较Nb一超导体的焊(连)接方法的选择,除了必须符合上述对超导接头的性能要求外,更重要的是,还须考虑工程应用的可能性与可靠性.上述的几种焊接方法,国内外都已成功地应用于实验室的研究中;部分方法也已在工程中有所应用.但是,对于不同方法工程应用的可能性与可靠性的耀入研究.比较筛选工作到目前为止还较欠缺.下面,对于不同焊(连)接方法在超导材料领域的应用现状将作一分析比较.2爆炸焊连接爆炸焊方法属于压力焊连接.它是利用化学炸药的爆炸作为能源短瞬问急剧地释放出来.并产生亚音速爆轰,使被焊金属的表面产生金属射流,在爆轰能作用下,金属射流被挤出表面外,继之以纯金属间互棚接触,从而安现固态金属韵原子闻结合冶金结台早在70年代束8O年代初.美国劳伦斯?利弗莫尔实验室的D.N.Conmh等人为制造受控核聚变反应装置的对YmYang型大线圈用的长超导体.采用爆炸焊接方法制作了截面为6ram6ram的NbTiCu多芯超导复合体接头,该接头样品在4.2K,6T场强下,临界电流为75OA1低温电阻为310一n英国帝国金属工业公司用台有许多爆炸焊接头的N一cu超导体绕制了磁体线圈,该导体截面为10mm1.8m吐在6T场强下,接头的临界电流为15o0低温电阻为2x10.1981年中国宝鸡有色金属研究所(现改名为西北有色金属研究院)张旭东等人也采用爆炸焊接技术,成功地爆接了NbTjCu多芯超导短样,试样尺寸分别为7mm3.6ram,204芯和3.6ram1.8旺l74芯.超导体接头在42K,yr场强下,平均电流值为180这个散值比该导体在相同条件下的临界电流低10%,室温和液氮条件下的抗拉强度几乎等同于母材.在爆炸焊连接NbTj超导体方面,西北有色金属研究院和美国劳伦斯?利弗莫尔实验室的研究方法具有较好的代表性.从上述两者的实验结果看,都取得了较为满意的研究结果,井且部分研究成果已应用于中长型超导长带的生产中.但是,从两者的实验方法和结果看,仍有一些亟待澄请的问题需要进一步研究.2.1爆炸焊接头截面的形成硬生长机制问题爆炸焊接时.对于斜接头,高速斜撞击产生很大压力.该处的超导体受到很大的剪切作用.塑性剪切功转变成热量,由热传导所耗散的热量只占很小一部分,太部分热量促使接头处温升.而材料的剪切强度随温升而降低,因此在接触处附近一个很窄的区域内产生熔化现象.爆炸焊接过程中接头界面上这种瞬向熔化井且瞬问拎却的结4钍工业进展I999年第l期果.在接头甲产生很薄的完全不同于超导合金的新型界面层组织.这种新型组织的产生是导致接头超导电性及机械性能发生变化的直接原因.此外,界面层的组织形态,界面屡的形成机理及与爆炸焊规范参数的关系.界面晨形成对超导电性的影响机制和界面层超导电性的热处理可恢复性等问题还需进行深人细致的研究.2.2爆炸焊接头的适用性问题爆炸焊技术在焊接较大截面积的超导带材方面,显示出了较大的优越性.美国劳伦斯?利弗莫尔实验室和中国西北有色金属研究院的研究结果便是一个很好的证明.目前还未见到爆接细线的文章.从现有的研究结果可以看出,大截面超导体接头配置时易于观察对正,爆轰后导体损伤很小,接头便于翻作.对于小的或极小截面的超导体,歙使其良好焊接困难极大,特别是多芯超导体,由于接头配置时导体两端的芯丝很难对正,只要稍微偏离一点,对焊接效果影响甚太,这也是爆炸焊方法的不足之处.3扩散焊连接扩散焊连接方法是将焊接件放在真空或保护气氛中施以适当的压力,然后加热到低于超导体热处理温度,保温定的时间,借助于原子间互相扩散而达到冶金结合的耳的.扩散焊接头形式也是斜面搭接.首先将被焊接导体端头做成斜面并使其成一定角度,该斜面要求清洁无氧化物.焊接时,两导体斜面顶头排成线,放人特制的压模中.在压力负荷下,加热导体,当温度达到要求时移开热源并保温,而后去掉压力达到焊接的耳的.1987年中国北方交通太学徐德基采用扩散焊方法对2.inmlx1.54nml的扁线(30mm)和O.75mm,长10nml的圆线短样进行了扩散焊研究,扩散焊温度选择在3印380范围内.对于扁线,其临界电镬c遢降事大于20%,接头在室温和液氮温度下的抗拉强度遇降率大于l5%:对于细径圆线,其临界电流退降率低于l2%,塞温和液氮温区的抗拉强度退降率低于10%.据报道,美国加利福尼亚大学c.E.Withereu对NbTi/Ca多芯超导体进行了扩散焊接研究,井将技术应用于制造受控核聚变用的大型线圈的导体.所选用的超导体规格有两种:一种为5.4ram,芯径为6001Jm,另一种为l5mm,芯径为200#ra.研究指出,最佳的焊接条件是:导体斜面角是l5焊接温度为450,焊接压力为600MPa,保温时间30min.但未能给出电性能参数(临界电流和低温电阻).从理论上讲,扩散焊方法应用于Nb-Ti超导体的连接中是完全可行的,但是,从工程实际出发,还有一些问题需要进一步探入研究.3.1扩散焊连接方法的适用性问题从已有的研究结果看,扩散焊工艺应用于超导体的连接方面还仅局限于短样或实验阶段.对数千米乃至万米长带的生产,扩散焊方法受设备及工艺条件的制约,难以应用于工程实际中.3.2扩散焊工艺参数的选择问题(1)扩散焊温度的选择扩散焊过程速度由扩散系数D衡量,D与扩散温度相关,由式D=Do目【p卜,/aT来确定.由式可知扩散过程随温度升高而加快,扩散温度的选择应符合Tr=0.7的关系式.然而,Nb.-Ti超导体扩散焊接温度受其本身热处理翻度的制约.Nb一46+5wt%Ti合金在420时效,其样品在5T和8T下的Jc值分别达到3700A/ram2和1560A/ram.扩散焊接温度超过其时效温度,将破坏其超导组织特点,从而导致超导电性的破坏.此外,过高的焊接温度易造成Cu-Ti化合物的生成,从而增太接头界面电阻率,最终导致失超.l999年第1期钛工业进展l5(2)扩散焊压力的选择扩散焊过程施加适当的压力,使结合面密贴接触.其压力达1000MPaI500MPa.如此大的压力在超导接头中产生巨大的应变,从而破坏由大形变量,辛旨拉伸方向伸展后形成的微观亚带结构,导致超导电性的破坏.4钎焊连接钎焊是利用熔点低于超导材料退火温度(<450)的熔化钎料,借助于毛细作用填满导体接头的间隙,并发生冶金反应,玲却后将两超导体连接在一起.钎焊是采用最早的一种焊接方法,在超导领域内它也是普遍应用的一种简便易行的方法.在超导试样的电性能测量中很多试样都是采用钎焊方法.美国橡树蛉国家实验室采用钎焊方法为受控核聚变反应堆的等离子磁拄装置焊接数千米长的大截面NbTi!Cu多芯超导复合体.它们对钎料的润湿性和流动性进行了较系统的研究,并做了接头拉伸性能试样.钎料为PbI,5Aglsn和95SnSAg;钎剂为ZnCI+NH,C1+HC1+H.徐德基对截面尺寸为2.8mmJ,2ram,I78芯,铜超比为I,5:1的铜基NbTi复合超导线进行了电阻钎焊特性的研究.采用高铅,高锡及含镏类钎料,钎料厚度0.2ram.接头性能测试结果为:3T下临界电流退降率l2%,4T下退降率4%.液氰温度下钎焊接头强度退降率,j,于10%电阻钎焊方法己成功地应用于中国第一个稳定强磁场装置一一合肥201混台磁体系统的建造中,超导线盛绕组中共有五段导体.须逐段相连.接头形式为两个楔形面叠焊在一起.焊面夹箔带焊料,由电阻焊机逐段压焊.其接妥超导电性及接头弯曲张力均达到设计要求.钎料温度的选择受超导材料热处理温度的制约(<450)此外,受钎料性能和接头形式的限制,该接头不能绕制在碰体里+而是放在磁体外,置于低场区.从接头机械性能看,高铅钎料焊接的接头低温机械强度和电阻值较低;而高镉钎料由于在铜锡界面层出现脆性中间化合物,降低了剥离强度,这对于超导体的应用是极其不利的,甚至是危险的.尽管钎焊方法适用范围广泛,各种形状和太小的导体皆可焊接.且设备简单,容易操作,成本低;但是,由于其接头尺寸比母材太一倍,不利于绕制磁体.5冷压焊连接冷压焊是在室温下利用压力的作用使被焊部位产生塑性变形,在强大的压力作用下,被焊的接触面紧密接触,借助于分子和原子的相互扩散作用而使被焊部位焊接在一起.焊接时,由于温度的升高,在接触面上的氧化膜同时被挤出焊缝形成飞边.焊接后,用工具清除飞边.北方交通太学徐德基采用冷压焊方法对Cu/SC为2/l,芯数55,芯径50,m80um和CuC为I.9/1,芯数504,;径为50,m两种规格的超导线进行了焊接.从实验结果看,4,2K下接头电阻值太致在lOIOn量级.但临界电流退降辜高达30%.上海冶金研究所何牧采用玲压焊方法制作CuNi-NbTj超导开关线,超导线规格分别为:0.46mm.芯数245和0.25ram,芯数为245.接头经长时间恒流闭路运行,电阻优于l0.n量级.从以上安骚结果可以看出,尽管玲压焊方法简便易行,但其工程可靠性较低,对于制造中长型超导带t线)材,并不是理想的首选方法.6储能冲击焊连接话能冲击焊方法是把电网由的船量预先储存在焊接机的电番器中.然后在根短的时6钍工业进展l999年第l期间内,通过焊件释放出来.进行焊接时,在焊接处瞬时产生的大量热能,将工件加热熔化,然后快速加压而形成接头.这种方法的优点是焊接时间短(在几微秒内放电),热量集中,热影啊区很小,消耗电能较低,焊接质量稳定并存易实现焊接的机械化和自动化.西安交通大学邱凤翔等人采用储能冲击焊技术对1.2ram.芯数3025,芯径I2tan的细丝超导线的焊接特性进行了研究.4.2K.6T下,接头临界电流退降率为8%;4.2K,01下接头电阻1.131旷n77810n之间;室温下接头拉伸强度退降率为6_3%,液氮温度下凄又拉伸强度退降率为I%.从上述实验结果可以看出,采用储能焊方法连接超导细丝,不沦是从超导电性能方面,还是从力学性能方面都是令人满意的.令人遗憾的是,研究过程中未对致使超导电性能退降的接头界面层形成原因,机理及避免方法做深入探讨.此外,也未提出焊接过程的质量控制方法及过程.7结语对于NbTi低温超导材料的焊(连)接,除了要保证接头具有一定的连接强度外,更重要的是保证接头具有与母材尽量相等的超导电性.然而,由于超导材料本身具有特殊的物化性质和复杂结构,实现连接并保证其超导性能是较为困难的,尽管人们在Nb一低温超导材料的连接方面进行了大量的探索,也取得了一些有益的成果,但从整体水平上看,所做的工作还不够完善.在实际应用中.应该根据不同的工程及实验要求,以及焊接方法的可行性,同时考虑接头的临界电流退降率及抗拉强度退降率,综合考虑选择最佳的焊接方法.但是,