ITER磁体馈线系统焊接材料的电性能研究

第33卷 第3期2 0 1 3年 9月核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理Nuclear Fusion and Plasma PhysicsVol-33．NO．3Sep．2013文章编号：0254-6086(2013)03—0272—05ITER磁体馈线系统焊接材料的电性能研究邹春龙，宋云涛，黄雄一，刘承连，奚维斌(中科院等离子体物理研究所，合肥 230031)摘 要：在国际热核聚变实验堆(ITER)磁体馈线(Feeder)系统中，超导接头和电流引线中部需大量使用焊料对其进行焊接。为了避免相邻处接头在焊接时产生相互影响，必须保证各相邻接头间焊料熔点具有一定梯度。用几种不同焊料对焊接工艺以及接头测试装置进行了介绍。同时也对低温下超导接头的电性能进行了测试。对Bi一2223／Ag~导带材进行了焊接。结果表明，低熔点焊料Bi50sn9Pb3 1和In99．99，高熔点焊料Sn96．5Ag3Cu0．5在低温下都具有较低的电阻，并满足温度梯度的使用要求。这对ITER Feeder系统在对焊接材料的测试以及选择上都将具有十分重要的参考价值。

关键词：焊料；超导接头；接头电阻；ITER磁体馈线系统中图分类号：TH142．8 文献标识码：A1 引言焊料的主要作用是实现被焊接件的有效连接。

在 ITER磁体馈线系统中，有多处需要进行焊接，如超导接头、电流引线等。对于磁体馈线系统来说，这些焊接接头都是工作在低温环境下，为了避免给整个低温系统带来过多的额外焦耳热，应尽量减小焊接接头的电阻；同时对于磁体馈线整个系统中的焊接来说，由于部分部件之间的焊接接头距离很近，为了避免相邻的焊接接头焊接时产生相互影响，需要相邻处焊接接头采用熔点具有明显差异的焊料进行焊接【2．3]。

本文主要针对不同焊料在低温下的电性能进行研究，通过测试其在低温下焊接接头的电阻，判断其是否满足ITER磁体馈线系统中焊接的要求，同时针对此建立了一整套有效的焊接测试方案，为接头焊料的选择提供了方便的焊接接头电阻测试，并可以为整个 ITER磁体馈线系统中焊料的选择提供指导意义。

2 实验2．1 焊料的选择众所周知，焊料对于焊接来说是十分重要的，不同的焊料将直接决定着焊接质量的优劣。针对本次试验，为了区分熔点，共选用了五种不同熔点的焊料，其中有三种熔点相近，但成份相差很大，分别为纯铟焊料、含铅焊料以及普通的铋锡焊料。这五种焊料中，前四种采购于美国铟泰公司，后一种为常见的高温焊料，采购于国内某厂家，焊料中含有松香助焊剂，各种焊料的成份配比以及熔点列于表 1中。

表 1 焊料基本组成及熔点收稿 日期 ：2012—12—10；修订 日期 ：2013—05—18 ‘基金项目：科技部ITER计划专项支持——ITER大型超导磁体馈线系统研究(2o08GB l 02000)；国家自然科学基金项目一 基于未来聚变堆大电流超导接头关键科学问题研究(51107083)作者简介：邹春龙(1989一)，男，安徽舒城人，硕士研究生，主要从事 ITERFeeder相关接头焊接研究。

274 核聚变与等离子体物理 第33卷(3)等待测试样件冷却，一般可认为当液氮槽中不在有大量气泡产生或数字万用表上读数基本稳定后，表示实验样件已充分冷却，后可以开始给实验样件加电流。在试验中保持电流增量为20A／次，并记录相对应的电压值。

(4)对实验数据进行处理分析，计算样件的接头电阻值。

对实验所测数据进行分析处理，并进行线性拟合。数据分析图如图4所示。由于在电流为零时，温漂电流对其影响较大，且因此时电压值较小，万用表所测的数据可能误差较大，从图4中也可以看出，零点时的电压值偏离拟合后的直线较远，因此在进行线性拟合时，对电流为0A时的电压值没有考虑。

图 4 超导带接头测试 ，曲线◆—— Bi5OSn19Pb31；一— — Bi58Sn42；▲—— Sn54Pb26In20；丰- -Sn96．5Ag3Cu0．5；●——In99．99；l——— =o．495x-17．14(Bi58Sn42)；2——，卸 ．275x-1 32(Sn54Pb26In20)；3_—_J卸 ．136x-7 48(Bi50Sn19Pb31)；4_—_ c ．096x-7．22(In99 99)；5_ ，卸 ．0645x-4．17(Sn96．5Ag3CU0．5)。

由于各个接头的实际搭接面积并不完全相同，因此为了对不同焊料在低温下的焊接接头电阻进行比较，需要计算其单位面积接头电阻值后对其进行比较，计算式为：R：卫idP=Rld=RS (2)其中，P为单位面积接头电阻；R为测试出的接头电阻；，为焊接接头的长度；d为焊接接头的宽度；为焊接接头实际搭接面积。具体数值列于表2中。

表 2 超导带接头电阻由图中试验数据可以看出，Sn96．5Ag3Cu0．5焊料焊接的超导带接头单位面积电阻最低，为 28．01nQ·cm ，Bi58Sn42焊料焊接接头单位面积电阻最高，为 212．85nf~·cm 。在低熔点焊料中，In99．99焊料的单位面积接头电阻最低，Bi50Snl9Pb3 1的接头电阻也较低。同时如果需要熔点在 l50℃左右的焊料且对接头电阻要求不是很高的f青况下，可以使用 Sn54Pb26In20焊料代替价格较高的 In99．99焊料。

3 接头电阻的ANSYS分析对于所有运行在低温下的接头焊接，由于需保证其接头电阻带来的额外焦耳热不能对整个低温系统构成重大影响，因此低电阻是焊接中最重要的要求之一。为了验证分析焊料电阻在超导接头焊接中对样件整体电阻的影响，将使用ANSYS软件仿真分析电流在Bi．2223／Ag超导接头处的分布。为了简化分析模型，分析中对超导接头模型进行了以下简化处理：将Bi．2223／Ag简化成为单层超导芯，外层为银鞘，焊料层厚度假定与银鞘厚度相同，且超导芯电阻率定义无穷小【1o-12]。

仿真结果如图5、图6所示。由图5、图6可知，在整个样件中，超导芯上的电流分布最密集，银基以及焊料上的电流分布较为稀疏，由电流流向仿真图看以电流在样件上的流过需经过两层银基和一层焊料。由于超导带材本身银基的电阻是不可改变的，则对接头电阻影响最大焊料自身的电阻。因此，焊料在低温下电阻的大小将是影响接头电阻大小的最大因素之一，选择一种在低温下电阻较低的焊第3期 邹春龙等：ITER磁体馈线系统焊接材料的电性能研究 275料工作环境为低温下接头来说是十分重要的。

4 总结． 787948 ．595E+08 ．11．298E+08 ．893E+08I9 ．179E+09 ．238E+09． 149E+09 ．208E+09 ．268E+09图5 接头焊接处电流分布仿真云图●●●—■■—●—●一 _ 一0 ；． ； 墨霉焉霜譬薯■●●●■■●． 787948 ．595E+08 ．119E+09 ．179E+09 ．238E+09． 298E+O8 ．893E+08 ．149E+09 ．208E+09 ．268E+09图6 接头焊接处电流流向仿真圈本文主要依托 ITER磁体馈线上的焊接为研究基础，研究了不同焊料在低温下的电学性能，对工作在低温下的接头焊接提供了几种可以选择的低电阻焊料。主要结果为：(1)对五种不同熔点焊料进行了低温下接头电阻测试，实验证明，高熔点焊料Sn96．5Ag3Cu0．5的电阻在低温下较小，完全符合ITEF磁体馈线中焊接对接头电阻的要求；低熔点焊料中Bi50Snl9Pb3 1和In99．99焊料在低温下电阻也较低。

(2)试验证明，用于测试接头电阻的装置能够很好实现测试目的。

(3)本文结果可以为ITER磁体馈线中接头焊接的焊料选择提供参考，同时对其它低温下焊接接头焊料的选择提供了参考意义。

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In this paper,Bi．2223／Ag iswelded with di位 rent kinds of solders．and the weld procedure and the measuringdevice are introduced in this paper．The electrical property of the superc0nducting ioint under liquid nitrogen wasalso measured and the result showed that Bi50Sn9Pb3 1．In99．99．and high melting point solder Sn96．5Ag3Cu0．5have a lower resistance under liquid nitrogen．and sarisfy the requirement for temperature gradient．This can makefl reference for the solder measurement and choice Of ITER Feeder system.

Key words：Solder；Superconducting ioint；Joint resistance；ITER Feeder system