JP2020187999A - How to join high temperature oxide superconducting tape wire - Google Patents
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Abstract
【課題】超電導特性の劣化を抑制可能で、同種あるいは異種の高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法を提供する。【解決手段】室温、大気環境において、２本の高温酸化物超電導テープ線材の重なった部分を、インジウム箔３を介して超音波接合する。超音波接合に用いるアンビル６および／またはホーン４と高温酸化物超電導テープ線材との間に金属板７を設置して、超音波接合を行うことが好ましい。【選択図】図６[Problem] To provide a method for joining high-temperature oxide superconducting tape wires according to the present invention, which can suppress deterioration of superconducting properties and can join the same or different types of high-temperature oxide superconducting tape wires. [Solution] At room temperature and in an atmospheric environment, overlapping portions of two high-temperature oxide superconducting tape wires are ultrasonically joined via indium foil 3. It is preferable to perform ultrasonic joining by placing a metal plate 7 between an anvil 6 and/or horn 4 used for ultrasonic joining and the high-temperature oxide superconducting tape wire. [Selected Figure] Figure 6
Description
本発明は、超電導特性を劣化させることなく、高温酸化物超電導テープ線材同士を接合する、高温酸化物超電導テープ線材の接合方法に関するものである。 The present invention relates to a method for joining high-temperature oxide superconducting tape wires, which joins high-temperature oxide superconducting tape wires to each other without deteriorating the superconducting characteristics.
臨界温度が液体窒素温度を超える銅酸化物超電導体が発見されて以降、ケーブル、コイル、マグネットおよびマグネットシステム等への応用に用いることができる高温酸化物超電導テープ線材の開発が進められている。このような高温酸化物超電導テープ線材は、銅酸化物超電導体と安定化材金属との複合構造によって形成される。中でも希土類系銅酸化物超電導テープ線材およびビスマス系銅酸化物超電導テープ線材は、実用線材として販売されている実績を持つ。 Since the discovery of cuprate superconductors whose critical temperature exceeds the temperature of liquid nitrogen, the development of high-temperature oxide superconducting tape wires that can be used for applications such as cables, coils, magnets and magnet systems has been underway. Such a high temperature oxide superconducting tape wire is formed by a composite structure of a cuprate superconductor and a stabilizing metal. Among them, rare earth-based cuprate superconducting tape wires and bismuth-based cuprate superconducting tape wires have a track record of being sold as practical wires.
電流リード、ケイ素単結晶引き上げ装置用超電導コイルなど、上記のような高温酸化物超電導テープ線材を用いて、すでに実用化されているものも少なくない。このような実用事例も含めて、高温超電導ケーブル、コイル、マグネットおよびマグネットシステム等の製造には、長尺の高温酸化物超電導テープ線材が必要とされる。 Many of them have already been put into practical use by using the above-mentioned high-temperature oxide superconducting tape wires such as current leads and superconducting coils for silicon single crystal pulling devices. Including such practical cases, long high-temperature oxide superconducting tape wires are required for manufacturing high-temperature superconducting cables, coils, magnets, magnet systems, and the like.
しかしながら、長尺で品質の安定した高温酸化物超電導テープ線材を製作することは困難であり、現状の実績としては、１０００ｍ程度にとどまっている。数ｋｍ〜数１０ｋｍの高温酸化物超電導テープ線材を必要とする応用もあり、この場合、複数の高温酸化物超電導テープ線材を接続して長尺化する工程が必要である。また、高温超電導ケーブルや高温超電導コイル等の製作現場においても、高温酸化物超電導テープ線材を接続する工程が含まれることが多い。このような接続には、一般的に、はんだ接合が用いられる。 However, it is difficult to manufacture a long, stable quality high-temperature oxide superconducting tape wire rod, and the current result is only about 1000 m. There is also an application that requires a high-temperature oxide superconducting tape wire of several km to several tens of km, and in this case, a step of connecting a plurality of high-temperature oxide superconducting tape wires to lengthen them is required. Further, at the manufacturing site of a high-temperature superconducting cable, a high-temperature superconducting coil, etc., a step of connecting a high-temperature oxide superconducting tape wire is often included. Solder joints are commonly used for such connections.
はんだ接合により高温酸化物超電導テープ線材を良好に接続するためには、同線材の温度をはんだ材料の融点よりも十分に高い温度にし、濡れ性を確保しなければならない。しかしながら、大気環境においては、銅酸化物超電導体から酸素が抜け、臨界電流が低下する２００〜２５０℃以上の温度にすることができない。熱伝導を考えると、構造が大型化するほど、均一な温度にすることは難しくなり、はんだ材料の融点よりも十分に高い温度にしようとした場合、２００℃を超える箇所が出て、高温酸化物超電導テープ線材の超電導特性が劣化するリスクがある。 In order to successfully connect the high-temperature oxide superconducting tape wire by solder bonding, the temperature of the wire must be set to a temperature sufficiently higher than the melting point of the solder material to ensure wettability. However, in the atmospheric environment, it is not possible to reach a temperature of 200 to 250 ° C. or higher at which oxygen is released from the cuprate superconductor and the critical current is lowered. Considering heat conduction, the larger the structure, the more difficult it is to achieve a uniform temperature. If you try to set the temperature sufficiently higher than the melting point of the solder material, some parts will exceed 200 ° C and high temperature oxidation will occur. There is a risk that the superconducting characteristics of the superconducting tape wire will deteriorate.
また、高温酸化物超電導テープ線材の接続工程において、銅酸化物超電導体から酸素が抜けることを防止するためには、酸化性環境にしてやればよいが、このような環境を導入するためには装置が大掛かりになり、製作コストがかかるという問題がある。 Further, in the process of connecting the high-temperature oxide superconducting tape wire, in order to prevent oxygen from escaping from the cuprate superconductor, an oxidizing environment may be used, but in order to introduce such an environment, an apparatus is used. However, there is a problem that the production cost is high.
また、はんだ接合により高温酸化物超電導テープ線材を良好に接続するためには、接合領域を加圧するとよいが、はんだ材料が十分に溶融する前に加圧すると、不均一に分布した固体のはんだ材料により過剰な応力が発生し、高温酸化物超電導テープ線材に塑性ひずみが発生して超電導特性を劣化させるリスクがある。加えて、はんだ材料の融点よりも十分に高い温度にしてから、高温酸化物超電導テープ線材を正確に重ね合わせ加圧するためには、大掛かりな装置導入、あるいは作業者の高い熟練度が必要である。 Further, in order to connect the high temperature oxide superconducting tape wire rod well by solder bonding, it is advisable to pressurize the bonding region, but if the solder material is pressurized before it is sufficiently melted, the solid solder is unevenly distributed. There is a risk that excessive stress will be generated by the material and plastic strain will be generated in the high temperature oxide superconducting tape wire to deteriorate the superconducting characteristics. In addition, in order to accurately superimpose and pressurize the high-temperature oxide superconducting tape wire after the temperature is sufficiently higher than the melting point of the solder material, it is necessary to introduce a large-scale device or a high degree of skill of the operator. ..
このような理由から、はんだ接合によって接続された高温酸化物超電導テープ線材の接合部の抵抗、および接合部の超電導特性は、大きくばらつくことが報告されている。例えば、はんだ接合によって良好な接合が得られた場合、接合部の抵抗と接合面積との積で表される接合抵抗率として、３０ｎΩｃｍ２程度が達成されるが、良好な接合が得られない場合には、１０００ｎΩｃｍ２程度になってしまうことがあることも報告されている。したがって、簡易的な接合工程で、超電導特性の劣化を最小限に抑制し、かつ安定的に低抵抗を得ることができる高温酸化物超電導テープ線材の接合方法が求められる。 For this reason, it has been reported that the resistance of the joint portion of the high-temperature oxide superconducting tape wire connected by solder joint and the superconducting characteristics of the joint portion vary greatly. For example, when a good bond is obtained by solder bonding, a bonding resistivity of about 30 nΩcm 2 is achieved as a product of the resistance of the joint and the joint area, but a good bond cannot be obtained. It is also reported that it may be about 1000 nΩcm 2 . Therefore, there is a need for a method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire that can stably obtain low resistance while minimizing deterioration of superconducting characteristics in a simple joining step.
ここで、大気環境かつ室温環境で高温酸化物超電導テープ線材を接続する方法として、超音波接合を用いて希土類系銅酸化物超電導テープ線材を直接接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、接合面積９０ｍｍ２に対して、３０〜７０ｎΩが得られたとの記載があり、これは接合抵抗率２７〜６３ｎΩｃｍ２に相当し、良好なはんだ接合と同等の接合抵抗率が達成できることが示されている。 Here, as a method of connecting a high-temperature oxide superconducting tape wire in an atmospheric environment and a room temperature environment, a method of directly bonding a rare earth-based cuprate superconducting tape wire by using ultrasonic bonding has been proposed (for example, Patent Documents). 1). According to this method, it is described that 30 to 70 nΩ was obtained for a joint area of 90 mm 2 , which corresponds to a bonding resistivity of 27 to 63 nΩcm 2 , and has a bonding resistivity equivalent to that of a good solder joint. It has been shown to be achievable.
また、はんだ接合と超音波接合とを組み合わせて、希土類系銅酸化物超電導テープ線材を直接接合する方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方法でも、接合抵抗率として４７〜７４ｎΩｃｍ２が得られており、良好なはんだ接合と同等の接合抵抗率が達成できることが示されている。 Further, a method of directly bonding a rare earth copper oxide superconducting tape wire rod by combining solder bonding and ultrasonic bonding has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). Even with this method, a bonding resistivity of 47 to 74 nΩcm 2 is obtained, and it is shown that a bonding resistivity equivalent to that of good solder bonding can be achieved.
前述の通り、数ｋｍ以上の長尺で品質の安定した高温酸化物超電導テープ線材を製作することは困難であり、また、高温超電導ケーブルや高温超電導コイル等の製作現場においても、高温酸化物超電導テープ線材を接続する工程が含まれることが多いため、大気環境下において、簡易的な接続工程で、超電導特性の劣化を最小限に抑制し、かつ安定的に低抵抗を得ることができる高温酸化物超電導テープ線材の接合方法が求められている。 As mentioned above, it is difficult to manufacture a high-temperature oxide superconducting tape wire with a length of several km or more and stable quality, and high-temperature oxide superconductivity is also used at the manufacturing site of high-temperature superconducting cables and high-temperature superconducting coils. Since the process of connecting the tape wire is often included, high-temperature oxidation that can stably obtain low resistance while minimizing the deterioration of superconducting characteristics by a simple connection process in an atmospheric environment. There is a demand for a method for joining superconducting tape wires.
しかしながら、前述の通り、一般的に用いられる高温酸化物超電導テープ線材のはんだ接合の場合、酸素抜けを防止するための温度制約がある中で、濡れ性を確保するための温度調整が必要であり、また、良好な接合を得るための加圧についても課題があるため、超電導特性の劣化や接合抵抗のばらつきが問題となっていた。 However, as described above, in the case of solder bonding of a commonly used high-temperature oxide superconducting tape wire, it is necessary to adjust the temperature to ensure wettability while there are temperature restrictions to prevent oxygen leakage. In addition, since there is a problem in pressurizing to obtain a good bond, deterioration of superconducting characteristics and variation in bonding resistance have been problems.
特許文献１に記載の接合方法は、超音波接合を用いることにより、比較的良好な接合抵抗率を得ることができるが、大きい接合圧力が必要であり、また接合時間も長くなるため、接合エネルギーが大きくなり、接合後の超電導特性が劣化するリスクが高いという課題があった。また、非特許文献１に記載の接合方法は、はんだ接合と超音波接合とを組み合わせることにより、比較的低い接合圧力で接合可能で、比較的良好な接合抵抗率を得ることができるが、接合時間が長くなるため、接合エネルギーが大きくなり、接合後の超電導特性が劣化するリスクが高いという課題があった。 In the bonding method described in Patent Document 1, a relatively good bonding resistivity can be obtained by using ultrasonic bonding, but since a large bonding pressure is required and the bonding time is long, the bonding energy There is a problem that there is a high risk that the superconducting characteristics after bonding will deteriorate. Further, the bonding method described in Non-Patent Document 1 can be bonded at a relatively low bonding pressure by combining solder bonding and ultrasonic bonding, and a relatively good bonding resistivity can be obtained. Since the time is long, there is a problem that the bonding energy becomes large and there is a high risk of deterioration of the superconducting characteristics after bonding.
また、特許文献１および非特許文献１に記載の接合方法は、希土類系銅酸化物超電導テープ線材への適用にとどまっており、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材へ適用できるか否かについては記載がない。しかし、実際には、高温超電導ケーブルや高温超電導コイル等においては、希土類系銅酸化物超電導テープ線材同士を接続するだけでなく、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材同士を接続する、あるいは希土類系銅酸化物超電導テープ線材とビスマス系銅酸化物超電導テープ線材とを接続する必要がある場合もある。 Further, the joining methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 are limited to application to rare earth-based copper oxide superconducting tape wires, and describe whether or not they can be applied to bismuth-based copper oxide superconducting tape wires. There is no. However, in reality, in high-temperature superconducting cables, high-temperature superconducting coils, etc., not only rare earth-based cuprate superconducting tape wires are connected, but also bismuth-based cuprate superconducting tape wires are connected to each other, or rare earth-based copper. It may be necessary to connect the oxide superconducting tape wire and the bismuth-based cuprate superconducting tape wire.
特許文献１および非特許文献１に記載のように、超音波接合を用いてビスマス系銅酸化物超電導テープ線材を直接接合しようとした場合、超音波接合に用いるホーンおよびアンビルの先端の凹凸により、同線材に過剰なひずみが発生する。また、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材の断面形状は、厳密な平板ではなく楕円形状をしているため、直接接合で接触面積を確保するためには、同線材を変形させる必要がある。これらの原因により、特許文献１および非特許文献１に記載の接合方法をビスマス系銅酸化物超電導テープ線材に適用すると、超電導特性は著しく劣化する可能性が高いという課題もあった。このため、接合後に、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材を使用する際の一般的な電流値を流した場合でも、接合部の抵抗は著しく大きなものになってしまう。 As described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, when an attempt is made to directly bond a bismuth-based cuprate superconducting tape wire rod by ultrasonic bonding, the horn and anvil tip used for ultrasonic bonding may cause unevenness. Excessive strain occurs on the wire. Further, since the cross-sectional shape of the bismuth-based cuprate superconducting tape wire is not a strict flat plate but an elliptical shape, it is necessary to deform the wire in order to secure a contact area by direct joining. Due to these causes, when the joining method described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 is applied to a bismuth-based cuprate superconducting tape wire rod, there is also a problem that the superconducting characteristics are likely to be significantly deteriorated. Therefore, even when a general current value when using a bismuth-based cuprate superconducting tape wire is applied after the joint, the resistance of the joint becomes extremely large.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、超電導特性の劣化を抑制可能で、同種あるいは異種の高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる高温酸化物超電導テープ線材の接合方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made by paying attention to such a problem, and is a high-temperature oxide superconducting tape wire rod capable of suppressing deterioration of superconducting characteristics and joining the same or different kinds of high-temperature oxide superconducting tape wires. It is an object of the present invention to provide a joining method.
上記目的を達成するために、本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、銅酸化物超電導体と安定化材とを有する高温酸化物超電導テープ線材同士を接合する高温酸化物超電導テープ線材の接合方法であって、室温、大気環境において、２本の高温酸化物超電導テープ線材の重なった部分を、インジウムを介して超音波接合することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the method for joining the high temperature oxide superconducting tape wire rod according to the present invention is a high temperature oxide superconducting tape for joining the high temperature oxide superconducting tape wire rod having a cuprate superconductor and a stabilizing material. A method for joining wire rods, characterized in that overlapping portions of two high-temperature oxide superconducting tape wire rods are ultrasonically joined via indium at room temperature and in an air environment.
本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法によれば、室温で重ね合わせおよび接合を行うため、銅酸化物超電導体からの酸素抜けは発生せず、超電導特性の劣化を抑制して、簡便に高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することが可能である。 According to the method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire rod according to the present invention, since the superconducting and joining are performed at room temperature, oxygen leakage from the cuprate superconductor does not occur, and deterioration of the superconducting characteristics is suppressed. It is possible to easily join high-temperature oxide superconducting tape wires to each other.
また、金属の中でも硬度が低いインジウムを介して超音波接合を行うため、加圧する場合でも、ホーンやアンビルによって接合部に与えられる圧力は均一化され、局所的に過剰なひずみが発生することを抑制することができる。また、高温酸化物超電導テープ線材の断面形状が厳密な平板形状でなくとも、インジウムが変形して接触面積を増やすことができ、高温酸化物超電導テープ線材自体を変形させなくても、接触面積を十分に確保することが可能となる。このため、本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、例えば、希土類系銅酸化物超電導テープ線材だけでなく、断面が楕円形状のビスマス系銅酸化物超電導テープ線材にも適用することができ、同種あるいは異種の高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる。 In addition, since ultrasonic bonding is performed via indium, which has the lowest hardness among metals, even when pressure is applied, the pressure applied to the bonding portion by the horn or anvil is made uniform, and excessive strain is locally generated. It can be suppressed. Further, even if the cross-sectional shape of the high-temperature oxide superconducting tape wire is not a strict flat plate shape, indium can be deformed to increase the contact area, and the contact area can be increased without deforming the high-temperature oxide superconducting tape wire itself. It is possible to secure a sufficient amount. Therefore, the method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the present invention is applied not only to the rare earth-based cuprate superconducting tape wire but also to the bismuth-based cuprate superconducting tape wire having an elliptical cross section. It is possible to join high-temperature oxide superconducting tape wires of the same type or different types.
また、本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、高温酸化物超電導テープ線材の安定化材として使用される銅や銀を直接接合するのではなく、融点が銅や銀のそれよりも遥かに低いインジウムと安定化材との接合となるため、比較的低い接合圧力および比較的短い接合時間で、インジウムの溶融あるいは固相拡散によって、高温酸化物超電導テープ線材同士の接合を行うことができる。これにより、接合エネルギーを小さくすることができ、接合後の超電導特性の劣化を抑制することができる。 Further, the method for joining the high temperature oxide superconducting tape wire according to the present invention does not directly join copper or silver used as a stabilizer for the high temperature oxide superconducting tape wire, but has a melting point higher than that of copper or silver. Since the bonding between indium and stabilizer is much lower, high-temperature oxide superconducting tape wires should be bonded by melting or solid-phase diffusion of indium at a relatively low bonding pressure and relatively short bonding time. Can be done. As a result, the bonding energy can be reduced, and deterioration of the superconducting characteristics after bonding can be suppressed.
本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、超音波接合に用いるアンビルと前記高温酸化物超電導テープ線材との間、あるいは、超音波接合に用いるホーンと前記高温酸化物超電導テープ線材との間に平板を設置して、前記超音波接合を行ってもよい。また、アンビルと高温酸化物超電導テープ線材との間、ホーンと高温酸化物超電導テープ線材との間の双方に平板を設置して、接合を行っても良い。この場合、平板により、ホーンやアンビルの先端の凹凸によって高温酸化物超電導テープ線材に局所的に発生する過剰なひずみを抑制することができる。また、平板は金属板であることが好ましく、この場合、金属板が超音波によって振動して発熱するため、安定化材とインジウムとの接合を促進する効果がある。このため、より短い接合時間、低い超音波エネルギーで接合を行うことができ、超電導特性の劣化をさらに抑制することができる。 The method for bonding a high temperature oxide superconducting tape wire according to the present invention is between anvil used for ultrasonic bonding and the high temperature oxide superconducting tape wire, or between a horn used for ultrasonic bonding and the high temperature oxide superconducting tape wire. A flat plate may be installed between the above to perform the ultrasonic bonding. Further, flat plates may be installed between the anvil and the high-temperature oxide superconducting tape wire, and between the horn and the high-temperature oxide superconducting tape wire to form a joint. In this case, the flat plate can suppress excessive strain locally generated in the high-temperature oxide superconducting tape wire due to the unevenness of the tip of the horn or anvil. Further, the flat plate is preferably a metal plate, and in this case, the metal plate vibrates due to ultrasonic waves to generate heat, which has an effect of promoting the bonding between the stabilizer and indium. Therefore, bonding can be performed with a shorter bonding time and lower ultrasonic energy, and deterioration of superconducting characteristics can be further suppressed.
本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法で、金属板は、高温酸化物超電導テープ線材の種類によって変更することが好ましく、例えば、金属板としてアルミニウム系合金を用いた場合には、発熱量が大きく変形量も大きくなり、金属板としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合には、発熱量が小さく変形量も小さくなる。 In the method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire according to the present invention, the metal plate is preferably changed depending on the type of the high-temperature oxide superconducting tape wire. For example, when an aluminum alloy is used as the metal plate, heat is generated. The amount is large and the amount of deformation is also large, and when austenite-based stainless steel is used as the metal plate, the amount of heat generated is small and the amount of deformation is also small.
本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法で、前記インジウムは、２０μｍ乃至１００μｍの厚みを有するインジウム箔から成ることが好ましい。この場合、接合後の超電導特性の劣化を効果的に抑制することができる。また、インジウム箔は、インジウムのみから成り、他の元素を含んでいないことが好ましい。 In the method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire rod according to the present invention, the indium is preferably made of an indium foil having a thickness of 20 μm to 100 μm. In this case, deterioration of the superconducting characteristics after joining can be effectively suppressed. Further, it is preferable that the indium foil is composed of only indium and does not contain other elements.
本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法で、前記銅酸化物超電導体は、例えば、主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物（ここで、ＲＥは１種類または２種類以上の希土類元素）から成る希土類系銅酸化物超電導テープ線材、あるいは、主としてＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物から成るビスマス系銅酸化物超電導テープ線材で構成されていてもよい。 In the method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire rod according to the present invention, the cuprate superconductor is, for example, mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (here, RE is one kind or two or more kinds of rare earths. It may be composed of a rare earth-based cuprate superconducting tape wire made of an element) or a bismuth-based cuprate superconducting tape wire mainly made of Bi-Sr-Ca-Cu-O oxide.
本発明によれば、超電導特性の劣化を抑制可能で、同種あるいは異種の高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる本発明に係る高温酸化物超電導テープ線材の接合方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire according to the present invention, which can suppress deterioration of superconducting characteristics and can join the same or different kinds of high-temperature oxide superconducting tape wires. it can.
次に、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法を示している。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to these embodiments.
1 to 6 show a method of joining the high temperature oxide superconducting tape wire rod according to the embodiment of the present invention.
図１は、主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物で構成される希土類系銅酸化物超電導体を用いた高温酸化物超電導テープ線材、すなわち希土類系銅酸化物超電導テープ線材の構造の例を示したものである。図１に示すように、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１は、基材１ｄの上に、中間層１ｃを介して希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂの薄膜が配置された構造を有している。さらに、図１に示すように、希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂの上に、主に銀、銅などで構成される安定化材１ａが配置されている。なお、安定化材１ａは、図１の事例とは異なり、基材１ｄ、中間層１ｃ、希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂからなるテープ状構造体の周囲全面に配置される場合もある。 FIG. 1 shows an example of the structure of a high-temperature oxide superconducting tape wire using a rare earth-based cuprate superconductor mainly composed of RE-Ba-Cu-O-based oxide, that is, a structure of a rare earth-based copper oxide superconducting tape wire. It is shown. As shown in FIG. 1, the rare earth-based cuprate superconductor tape wire 1 has a structure in which a thin film of the rare earth-based cuprate superconductor 1b is arranged on a base material 1d via an intermediate layer 1c. ing. Further, as shown in FIG. 1, a stabilizer 1a mainly composed of silver, copper or the like is arranged on the rare earth-based copper oxide high-temperature superconductor 1b. In addition, unlike the case of FIG. 1, the stabilizer 1a may be arranged on the entire periphery of a tape-shaped structure composed of a base material 1d, an intermediate layer 1c, and a rare earth-based copper oxide high-temperature superconductor 1b.
図２は、主としてＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物で構成されるビスマス系銅酸化物超電導体を用いた高温酸化物超電導テープ線材、すなわちビスマス系銅酸化物超電導テープ線材の構造の例を示したものである。図２に示すように、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２は、主に銀で構成される安定化材２ａの中に複数のビスマス系銅酸化物高温超電導体のフィラメント２ｂを配置した構造になっている。ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２は、丸線をテープ状に引き延ばすことで製作する工程を含むため、断面形状は厳密な平板形状ではなく、平板形状に近い楕円形状となっている。なお、図２の事例とは異なり、安定化材２ａ、ビスマス系銅酸化物高温超電導体のフィラメント２ｂからなるテープ状構造体の上下面に、テープ状の補強金属がはんだ付けされる場合もある。 FIG. 2 shows the structure of a high-temperature oxide superconducting tape wire using a bismuth-based cuprate superconductor mainly composed of Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide, that is, a bismuth-based copper oxide superconducting tape wire. An example is shown. As shown in FIG. 2, the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2 has a structure in which a plurality of bismuth-based copper oxide high-temperature superconductor filaments 2b are arranged in a stabilizer 2a mainly composed of silver. It has become. Since the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2 includes a step of manufacturing by stretching a round wire into a tape shape, the cross-sectional shape is not a strict flat plate shape but an elliptical shape close to a flat plate shape. In addition, unlike the case of FIG. 2, a tape-shaped reinforcing metal may be soldered to the upper and lower surfaces of a tape-shaped structure composed of a stabilizer 2a and a filament 2b of a bismuth-based copper oxide high-temperature superconductor. ..
図３に示すように、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法では、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１同士を接合する際には、希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂと接する安定化材１ａ同士が対向するように、２本の希土類系銅酸化物超電導テープ線材１を、インジウム箔３を介して重ね合わせ、接合する。 As shown in FIG. 3, in the method of joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention, when joining the rare earth-based cuprate superconductor tape wires 1 to each other, the rare earth-based cuprate superconductor high-temperature superconductor Two rare earth-based cuprate superconducting tape wires 1 are superposed and joined via an indium foil 3 so that the stabilizing materials 1a in contact with 1b face each other.
図４に示すように、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法では、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２同士を接合する際には、２本のビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を、インジウム箔３を介して重ね合わせ、接合する。 As shown in FIG. 4, in the method of joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention, when joining the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire 2 to each other, two bismuth-based copper oxides are joined. The superconducting tape wire rod 2 is overlapped and joined via the indium foil 3.
なお、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法では、例えば、図３に示される希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の片方を、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２に入れ替えて、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１とビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２とを、インジウム箔３を介して接合してもよい。 In the method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention, for example, one of the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 shown in FIG. 3 is replaced with the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2. The rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 and the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 may be interchanged with each other via the indium foil 3.
図５および図６に示すように、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、ホーン４とアンビル６とを有する超音波接合機を用いて、室温、大気環境において、超音波接合によって希土類系銅酸化物超電導テープ線材１同士が重なった部分を、インジウム箔３を介して接合する。なお、図５および図６に示す希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の双方、あるいはいずれかを、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２に入れ替えてもよい。 As shown in FIGS. 5 and 6, the method of bonding the high temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention is to use an ultrasonic bonding machine having a horn 4 and an anvil 6 at room temperature and in an atmospheric environment. By ultrasonic bonding, the portions where the rare earth-based cuprate superconducting tape wires 1 are overlapped are bonded via the indium foil 3. In addition, both or either of the rare earth-based copper oxide superconducting tape wire rod 1 shown in FIGS. 5 and 6 may be replaced with the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2.
ホーン４は、発振器が接続された金属製のブロックであり、発振器の動作によって、所定の振幅および周波数での超音波振動５を発生させるようになっている。図５および図６では、超音波振動５の方向は、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の幅方向となっているが、超音波振動５の方向はこれに限られるものではなく、接合面および希土類系銅酸化物超電導テープ線材１に平行であれば、どの方向でもよい。 The horn 4 is a metal block to which an oscillator is connected, and the operation of the oscillator causes ultrasonic vibration 5 to be generated at a predetermined amplitude and frequency. In FIGS. 5 and 6, the direction of the ultrasonic vibration 5 is the width direction of the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1, but the direction of the ultrasonic vibration 5 is not limited to this, and the joint surface is not limited to this. And any direction may be used as long as it is parallel to the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1.
アンビル６は、金属製のブロックであり、かつ被接合物を固定する台である。ホーン４は、接合面に垂直な方向に移動可能であり、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１同士が重なった部分をホーン４とアンビル６とで挟むことにより、所定の圧力を加えることができるようになっている。 The anvil 6 is a metal block and is a base for fixing an object to be joined. The horn 4 can move in a direction perpendicular to the joint surface, and a predetermined pressure can be applied by sandwiching the portion where the rare earth-based copper oxide superconducting tape wires 1 overlap each other between the horn 4 and the anvil 6. It has become like.
接合する際には、ホーン４とアンビル６とを直接、各希土類系銅酸化物超電導テープ線材１に接触させてもよいが、図５に示すように、アンビル６と希土類系銅酸化物超電導テープ線材１との間に、金属板７を設置してもよく、ホーン４と希土類系銅酸化物超電導テープ線材１との間に、金属板７を設置してもよく、図６に示すように、アンビル６と希土類系銅酸化物超電導テープ線材１との間、およびホーン４と希土類系銅酸化物超電導テープ線材１との間に、金属板７を設置してもよい。金属板７は、ホーン４およびアンビル６の先端の凹凸形状、あるいは端部によって発生する応力集中を緩和して、高温酸化物超電導テープ線材に局所的に発生する過剰なひずみを抑制することができ、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の超電導特性の劣化を抑制することができる。なお、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、図５や図６の金属板の配置に制限されるものではない。 At the time of joining, the horn 4 and the anvil 6 may be brought into direct contact with each rare earth-based cuprate superconducting tape wire rod 1, but as shown in FIG. 5, the anvil 6 and the rare earth-based cuprate superconducting tape may be brought into contact with each other. A metal plate 7 may be installed between the wire rod 1 and the metal plate 7 may be installed between the horn 4 and the rare earth-based cuprate superconducting tape wire rod 1. As shown in FIG. , The metal plate 7 may be installed between the anvil 6 and the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 and between the horn 4 and the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1. The metal plate 7 can alleviate the uneven shape of the tips of the horn 4 and the anvil 6 or the stress concentration generated by the ends, and can suppress excessive strain locally generated in the high-temperature oxide superconducting tape wire. , Deterioration of superconducting characteristics of the rare earth-based cuprate superconducting tape wire rod 1 can be suppressed. The method of joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention is not limited to the arrangement of the metal plates of FIGS. 5 and 6.
また、ホーン４によって発生する超音波振動５によって、金属板７にも超音波振動が伝わり、これによる発熱が起こる。この発熱により、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１とインジウム箔３との固相拡散、あるいはインジウム箔３の溶融を促進する効果が得られ、安定化材１ａとインジウム箔３との接合を促進することができる。金属板７の種類は、高温酸化物超電導テープ線材の種類によって変更しても良い。例えば、金属板７としてアルミニウム系合金を用いた場合には、発熱量が大きいが変形量が大きくなり、金属板７としてオーステナイトステンレス鋼を用いた場合には、発熱量が小さいが変形量も小さくなる。なお、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、ホーン４、アンビル６、金属板７のサイズに制限を設けるものではない。 Further, the ultrasonic vibration 5 generated by the horn 4 also transmits the ultrasonic vibration to the metal plate 7, which causes heat generation. This heat generation has the effect of promoting solid phase diffusion between the rare earth-based copper oxide superconducting tape wire 1 and the indium foil 3 or melting of the indium foil 3, and promotes the bonding between the stabilizer 1a and the indium foil 3. can do. The type of the metal plate 7 may be changed depending on the type of the high temperature oxide superconducting tape wire rod. For example, when an aluminum alloy is used as the metal plate 7, the calorific value is large but the deformation amount is large, and when austenitic stainless steel is used as the metal plate 7, the calorific value is small but the deformation amount is also small. Become. The method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention does not limit the size of the horn 4, the anvil 6, and the metal plate 7.
本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法によれば、室温で重ね合わせおよび接合を行うため、銅酸化物超電導体からの酸素抜けは発生せず、超電導特性の劣化を抑制して、簡便に高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる。 According to the method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire rod according to the embodiment of the present invention, since the superconducting and joining are performed at room temperature, oxygen leakage from the cuprate superconductor does not occur and deterioration of superconducting characteristics is suppressed. Therefore, the high temperature oxide superconducting tape wires can be easily joined to each other.
また、金属の中でも硬度が低いインジウム箔３を介して超音波接合を行うため、加圧する場合でも、ホーン４やアンビル６によって接合部に与えられる圧力は均一化され、局所的に過剰なひずみが発生することを抑制することができる。また、高温酸化物超電導テープ線材の断面形状が厳密な平板形状でなくとも、インジウム箔３が変形して接触面積を増やすことができ、高温酸化物超電導テープ線材自体を変形させなくても、接触面積を十分に確保することが可能となる。このため、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、図５および図６に示すような、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１だけでなく、断面が楕円形状のビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２にも適用することができ、同種あるいは異種の高温酸化物超電導テープ線材同士を接合することができる。 Further, since ultrasonic bonding is performed through the indium foil 3 which has the lowest hardness among metals, the pressure applied to the bonding portion by the horn 4 and the anvil 6 is made uniform even when pressure is applied, and excessive strain is locally generated. It can be suppressed from occurring. Further, even if the cross-sectional shape of the high-temperature oxide superconducting tape wire is not a strict flat plate shape, the indium foil 3 can be deformed to increase the contact area, and the high-temperature oxide superconducting tape wire itself can be contacted without being deformed. It is possible to secure a sufficient area. Therefore, the method for joining the high-temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention is not limited to the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 as shown in FIGS. 5 and 6, but also bismuth having an elliptical cross section. It can also be applied to the cuprate superconducting tape wire 2, and can join the same or different kinds of high temperature oxide superconducting tape wires.
また、本発明の実施の形態の高温酸化物超電導テープ線材の接合方法は、高温酸化物超電導テープ線材の安定化材１ａ、２ａとして使用される銅や銀を直接接合するのではなく、融点が銅や銀のそれよりも遥かに低いインジウムと安定化材１ａ、２ａとの接合となるため、比較的低い接合圧力および比較的短い接合時間で、インジウムの溶融あるいは固相拡散によって、高温酸化物超電導テープ線材同士の接合を行うことができる。これにより、接合エネルギーを小さくすることができ、接合後の超電導特性の劣化を抑制することができる。 Further, the method for joining the high temperature oxide superconducting tape wire according to the embodiment of the present invention does not directly join copper or silver used as the stabilizing materials 1a and 2a of the high temperature oxide superconducting tape wire, but has a melting point. Since indium, which is much lower than that of copper or silver, is bonded to stabilizers 1a and 2a, high-temperature oxides are formed by melting or solid-phase diffusion of indium at relatively low bonding pressure and relatively short bonding time. Superconducting tape wires can be joined to each other. As a result, the bonding energy can be reduced, and deterioration of the superconducting characteristics after bonding can be suppressed.
表１は、図５に示す実施形態を用いて、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１同士を、インジウム箔３を介して接合したもの、および、図５に示す実施形態において、２つの希土類系銅酸化物超電導テープ線材１をビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２に変更して、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２同士を、インジウム箔３を介して接合したものを、液体窒素冷却および自己磁場体系で、接合抵抗率と臨界電流とを評価した結果を示したものである。 Table 1 shows a rare earth-based cuprate superconducting tape wire rods 1 joined to each other via an indium foil 3 using the embodiment shown in FIG. 5, and two rare earth-based materials in the embodiment shown in FIG. The cuprate superconducting tape wire 1 is changed to the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2, and the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 is bonded to each other via the indium foil 3, which is cooled by liquid nitrogen and self. The result of evaluating the junction resistivity and the critical current in the magnetic field system is shown.
この試験で用いた希土類系銅酸化物超電導テープ線材１は、ＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒ社製（型番：ＳＣＳ４０５０−ＡＰ）のものであり、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍ程度で、安定化材１ａの厚さは約２０μｍである。なお、この希土類系銅酸化物超電導テープ線材１としては、製造番号の異なる２種類を用いており、それぞれの臨界電流は、液体窒素温度、自己磁場において、１００Ａおよび１２８Ａである。また、この試験で用いたビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２は、住友電気工業社製（型番：ＤＩ−ＢＳＣＣＯ Ｔｙｐｅ Ｈ）のものであり、幅４．３ｍｍ、厚さ２３０μｍのものである。なお、このビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２の臨界電流は、液体窒素温度、自己磁場において、１８０Ａである。なお、表１中においては、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１のうち臨界電流が１００Ａのものを「希土類系１」、臨界電流が１２８Ａのものを「希土類系２」、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を「ビスマス系１」、と表記している。 The rare earth copper oxide superconducting tape wire rod 1 used in this test is manufactured by SuperPower (model number: SCS4050-AP), has a width of 4 mm and a thickness of about 100 μm, and the stabilizer 1a has a thickness of about 20 μm. Is. As the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1, two types having different serial numbers are used, and the critical currents of each are 100 A and 128 A at the liquid nitrogen temperature and the self-magnetic field. The bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2 used in this test is manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. (model number: DI-BSCCO Type H), and has a width of 4.3 mm and a thickness of 230 μm. The critical current of the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 is 180 A at the liquid nitrogen temperature and the self-magnetic field. In Table 1, among the rare earth copper oxide superconducting tape wires 1, the one having a critical current of 100 A is "rare earth 1", the one having a critical current of 128 A is "rare earth 2", and the bismuth copper oxide. The superconducting tape wire 2 is described as "bismuth system 1".
この試験では、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を重ね合わせる前に、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２の重ね合わせる面を、＃２４０の研磨紙で研磨し、エタノールで洗浄している。さらに、厚さ１００μｍのインジウム箔３を、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２の重ね合わせた部分に挿入している。また、超音波接合において、荷重５８９Ｎ、超音波周波数１９．１５ｋＨｚ、超音波振幅５１μｍを固定条件とした。 In this test, before stacking the rare earth-based copper oxide superconducting tape wire 1 or the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2, the rare earth-based copper oxide superconducting tape wire 1 or the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire 2 is stacked. The surfaces to be combined are polished with # 240 polishing paper and washed with ethanol. Further, an indium foil 3 having a thickness of 100 μm is inserted into the overlapped portion of the rare earth copper oxide superconducting tape wire 1 or the bismuth copper oxide superconducting tape wire 2. Further, in ultrasonic bonding, a load of 589 N, an ultrasonic frequency of 19.15 kHz, and an ultrasonic amplitude of 51 μm were set as fixed conditions.
この試験では、高温酸化物超電導テープ線材、ホーン４、金属板７、接合時間をパラメータにして、接合サンプルを製作し、液体窒素浸漬冷却体系、自己磁場下において電流−電圧特性を取得した。各条件におけるサンプル数は、２または３である。 In this test, a bonding sample was produced using the high-temperature oxide superconducting tape wire, horn 4, metal plate 7, and bonding time as parameters, and the current-voltage characteristics were obtained under a liquid nitrogen immersion cooling system and a self-magnetic field. The number of samples in each condition is 2 or 3.
この試験では、２種類のホーン４（ホーンＡあるいはホーンＢ）を使用している。希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２に触れるホーン４の下面のサイズは、６ｍｍ四方である。ホーンＡの下面には、０．２ｍｍ間隔でピラミッド形状の突起が配置されている。一方、ホーンＢの先端は、平坦な形状をしている。また、使用した金属板７は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ１０５０）あるいは厚さ０．５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）である。この試験での接合サンプルの接合面積は、１２．６ｍｍ２〜２６．０ｍｍ２の範囲である。これは、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２が重なった領域とホーン４の下面とが触れる領域が完全に一致するように、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を設置していなかったためである。 In this test, two types of horns 4 (horn A or horn B) are used. The size of the lower surface of the horn 4 that touches the rare earth copper oxide superconducting tape wire 1 or the bismuth copper oxide superconducting tape wire 2 is 6 mm square. Pyramid-shaped protrusions are arranged on the lower surface of the horn A at intervals of 0.2 mm. On the other hand, the tip of the horn B has a flat shape. The metal plate 7 used is an aluminum alloy (A1050) having a thickness of 1 mm or an austenitic stainless steel (SUS316) having a thickness of 0.5 mm. Bonding area of the bonding samples in this test is in the range of 12.6mm 2 ~26.0mm 2. This is a rare earth-based cuprate superconducting tape so that the region where the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 or the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 overlaps and the region where the lower surface of the horn 4 touches completely match. This is because the wire rod 1 or the bismuth-based cuprate superconducting tape wire rod 2 was not installed.
臨界電流については、各条件において、すべての接合サンプルで、元の臨界電流から２５％の低下がなかった場合を〇、すべての接合サンプルで、元の臨界電流から２５％以上低下した場合を×、元の臨界電流から２５％以上の低下がなかった接合サンプルと、２５％以上低下した接合サンプルとが混在する場合を△と記載している。また、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１については、この試験では臨界電流の低下がなかったため、臨界電流以下の電流−電圧特性の傾きから求めた接合抵抗に接合面積をかけることで、接合抵抗率を求めている。一方、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２については、大幅な臨界電流の低下がみられる接合サンプルもあったため、統一的に、１００Ａ通電時の電圧から求めた接合抵抗に接合面積をかけることで、接合抵抗率を求めている。 Regarding the critical current, under each condition, 〇 when there was no 25% decrease from the original critical current in all the junction samples, and × when there was a 25% or more decrease from the original critical current in all the junction samples. The case where the bonding sample in which the current is not reduced by 25% or more from the original critical current and the bonding sample in which the current is reduced by 25% or more are mixed is described as Δ. Further, for the rare earth copper oxide superconducting tape wire 1, since the critical current did not decrease in this test, the joining resistance was obtained by multiplying the joining resistance obtained from the slope of the current-voltage characteristic below the critical current by the joining resistance. I'm looking for a rate. On the other hand, with regard to the bismuth-based cuprate superconducting tape wire rod 2, since some bonding samples showed a significant decrease in the critical current, the bonding area was uniformly applied to the bonding resistance obtained from the voltage when 100 A was applied. , The bonding resistivity is calculated.
表１で示される条件で、２５％以上の臨界電流の低下がなかったのは、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０、およびＮｏ．１１である。希土類系銅酸化物超電導テープ線材１のうち臨界電流が１００Ａのものでは、３１．６〜３３．７ｎΩｃｍ２、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２では、２５．８〜３９．８ｎΩｃｍ２が得られており、はんだ接合と同等の接合抵抗率が安定的に得られている。また、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１のうち臨界電流が１２８Ａのものでは、臨界電流が１００Ａのものに比べて接合抵抗率が高くなっているが、これは希土類系高温超電導体１ｂと安定化材１ａとの界面の抵抗が、希土類系高温超電導テープ線材１の製造番号によってばらつくためである。 Under the conditions shown in Table 1, there was no decrease in critical current of 25% or more in No. 1, No. 2. No. 8, No. 10, and No. It is 11. Intended critical current of the rare earth copper oxide superconducting tape 1 is 100A, 31.6~33.7nΩcm 2, the bismuth-based copper oxide superconductor tape wire 2, 25.8~39.8nΩcm 2 is obtained Therefore, a bonding resistivity equivalent to that of solder bonding is stably obtained. Further, among the rare earth-based cuprate superconducting tape wires 1, the one having a critical current of 128 A has a higher junction resistivity than the one having a critical current of 100 A, which is stable with the rare earth-based high-temperature superconductor 1b. This is because the resistivity at the interface with the chemical material 1a varies depending on the serial number of the rare earth-based high-temperature superconducting tape wire 1.
表２は、図６に示す実施形態を用いて、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１同士を、インジウム箔３を介して接合したものを、液体窒素冷却および自己磁場体系で、接合抵抗率と臨界電流とを評価した結果を示したものである。 In Table 2, using the embodiment shown in FIG. 6, rare earth-based copper oxide superconducting tape wires 1 are bonded to each other via an indium foil 3, and the bonding resistivity is obtained by liquid nitrogen cooling and a self-magnetic field system. It shows the result of evaluating the critical current.
この試験で用いた希土類系銅酸化物超電導テープ線材１としては、製造メーカーの異なる２種類を用いている。１つは、ＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒ社製（型番：ＳＣＳ４０５０−ＡＰ）のものであり、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍ程度で、安定化材１ａの厚さは約２０μｍである。もう１つは、日本国ＳｕｐｅｒＯｘ Ｊａｐａｎ合同会社製（型番：なし）のものであり、幅４ｍｍ、厚さ１１０μｍ程度で、安定化材１ａの厚さは約２０μｍである。それぞれの臨界電流は、液体窒素温度、自己磁場において、１２８Ａおよび１５０Ａである。なお、表２中においては、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１のうち臨界電流が１２８Ａのものを「希土類系２」、臨界電流が１５０Ａのものを「希土類系３」と表記している。ここで示す「希土類系２」は、表１で示した「希土類系２」と同じ希土類系銅酸化物超電導テープ線材１である。 As the rare earth-based copper oxide superconducting tape wire rod 1 used in this test, two types from different manufacturers are used. One is manufactured by SuperPower (model number: SCS4050-AP), has a width of 4 mm and a thickness of about 100 μm, and the stabilizer 1a has a thickness of about 20 μm. The other is manufactured by SuperOx Japan GK (model number: none) in Japan, has a width of 4 mm and a thickness of about 110 μm, and the stabilizer 1a has a thickness of about 20 μm. The critical currents are 128A and 150A at liquid nitrogen temperature and self-magnetic field, respectively. In Table 2, the rare earth copper oxide superconducting tape wire 1 having a critical current of 128 A is referred to as “rare earth 2”, and the rare earth copper oxide superconducting tape wire 1 having a critical current of 150 A is referred to as “rare earth 3”. The “rare earth system 2” shown here is the same rare earth copper oxide superconducting tape wire 1 as the “rare earth system 2” shown in Table 1.
この試験では、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１を重ね合わせる前に、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の重ね合わせる面を、＃２４０の研磨紙で研磨し、エタノールで洗浄している。さらに、インジウム箔３を、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１の重ね合わせた部分に挿入している。また、超音波接合において、荷重５８９Ｎ、超音波周波数１９．１５ｋＨｚ、超音波振幅５１μｍを固定条件とした。さらに、ホーン４を、前述のホーンＡ、金属板７を厚さ１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ１０５０）とした。 In this test, before stacking the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1, the overlapping surface of the rare-earth copper oxide superconducting tape wire 1 is polished with # 240 abrasive paper and washed with ethanol. Further, the indium foil 3 is inserted into the overlapped portion of the rare earth copper oxide superconducting tape wire rod 1. Further, in ultrasonic bonding, a load of 589 N, an ultrasonic frequency of 19.15 kHz, and an ultrasonic amplitude of 51 μm were set as fixed conditions. Further, the horn 4 was made of the above-mentioned horn A and the metal plate 7 was made of an aluminum alloy (A1050) having a thickness of 1 mm.
この試験では、高温酸化物超電導テープ線材、挿入するインジウム箔３の厚さ、接合時間をパラメータにして、接合サンプルを製作し、液体窒素浸漬冷却体系、自己磁場下において電流−電圧特性を取得した。各条件におけるサンプル数は２である。また、この試験での接合サンプルの接合面積は、２２．０ｍｍ２〜２８．０ｍｍ２の範囲である。 In this test, a bonding sample was prepared with the parameters of the high-temperature oxide superconducting tape wire, the thickness of the indium foil 3 to be inserted, and the bonding time, and the current-voltage characteristics were obtained under a liquid nitrogen immersion cooling system and a self-magnetic field. .. The number of samples under each condition is 2. The bonding area of the bonding samples in this test is in the range of 22.0mm 2 ~28.0mm 2.
臨界電流については、各条件において、表１と同様の基準で〇、△、×を示した。また、同様にして、臨界電流以下の電流−電圧特性の傾きから求めた接合抵抗に接合面積をかけることで、接合抵抗率を求めている。 Regarding the critical current, 〇, Δ, and × are shown under the same criteria as in Table 1. Similarly, the junction resistivity is obtained by multiplying the junction resistance obtained from the slope of the current-voltage characteristic below the critical current by the junction area.
表２で示される全ての条件において、臨界電流の低下は確認できなかった。接合時間を１２０ｍｓ以上とすることで、希土類系２では３６．１〜４２．１ｎΩｃｍ２、希土類系３では３７．１〜５３．０ｎΩｃｍ２が得られており、はんだ接合と同等の接合抵抗率が安定的に得られている。表１に示すように、図５に示す実施形態では、１２０ｍｓ以上の接合時間で臨界電流の低下がみられたが、表２に示すように、図６に示す実施形態では、１２０ｍｓ以上の接合時間でも臨界電流の低下を抑えることが可能となっている。また、接合時間が増加すると、超音波接合によって接合部に与えられるエネルギーが増加するが、接合部単位面積あたり１５Ｊ／ｃｍ２以上のエネルギーが与えられると、接合抵抗率が安定的に低下することがわかっている。 No decrease in critical current could be confirmed under all the conditions shown in Table 2. The bonding time by the above 120 ms, a rare earth metal-based 2 In 36.1～42.1Enuomegacm 2, and 37.1～53.0Enuomegacm 2 in rare earth system 3 is obtained, the solder joint equivalent junction resistivity It is obtained stably. As shown in Table 1, in the embodiment shown in FIG. 5, a decrease in the critical current was observed at a joining time of 120 ms or more, but as shown in Table 2, in the embodiment shown in FIG. 6, a joining of 120 ms or more was observed. It is possible to suppress the decrease in the critical current even with time. Further, as the bonding time increases, the energy given to the bonding portion by ultrasonic bonding increases, but when energy of 15 J / cm 2 or more per unit area of the bonding portion is applied, the bonding resistivity decreases stably. I know.
表３は、図６に示す実施形態を用いて、２つの希土類系銅酸化物超電導テープ線材１をビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２に変更して、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２同士を、インジウム箔３を介して接合したものを、液体窒素冷却および自己磁場体系で、接合抵抗率と臨界電流とを評価した結果を示したものである。 In Table 3, using the embodiment shown in FIG. 6, the two rare earth-based cuprate superconducting tape wires 1 are changed to the bismuth-based cuprate superconducting tape wires 2, and the bismuth-based cuprate superconducting tape wires 2 are replaced with each other. The results of evaluating the bonding resistivity and the critical current of the bonded product via the indium foil 3 by liquid nitrogen cooling and a self-magnetic field system are shown.
この試験で用いたビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２は、住友電気工業社製（型番：ＤＩ−ＢＳＣＣＯ Ｔｙｐｅ Ｈ）のものであり、幅４．３ｍｍ、厚さ２３０μｍである。なお、このビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２は、液体窒素温度、自己磁場において、臨界電流が１７０Ａであり、表１に示した「ビスマス系１」と同じ製品ではあるものの、臨界電流が異なるものである。 The bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2 used in this test is manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. (model number: DI-BSCCO Type H), and has a width of 4.3 mm and a thickness of 230 μm. The bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 has a critical current of 170 A at a liquid nitrogen temperature and a self-magnetic field, and is the same product as the "bismuth-based 1" shown in Table 1, but the critical current is different. It is a thing.
この試験では、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を重ね合わせる前に、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２の重ね合わせる面を、＃２４０の研磨紙で研磨し、エタノールで洗浄している。さらに、インジウム箔３を、ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２の重ね合わせた部分に挿入している。また、超音波接合において、超音波周波数１９．１５ｋＨｚを固定条件とし、ホーン４を前述のホーンＡとした。 In this test, before superimposing the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2, the surface on which the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire 2 is overlapped is polished with # 240 abrasive paper and washed with ethanol. Further, the indium foil 3 is inserted into the overlapped portion of the bismuth-based copper oxide superconducting tape wire rod 2. Further, in ultrasonic bonding, an ultrasonic frequency of 19.15 kHz was set as a fixed condition, and the horn 4 was the above-mentioned horn A.
この試験では、金属板７、挿入するインジウム箔３の厚さ、超音波接合における荷重、超音波振幅、接合時間をパラメータにして、接合サンプルを製作し、液体窒素浸漬冷却体系、自己磁場下において電流−電圧特性を取得した。各条件におけるサンプル数は、２または３である。また、この試験での接合サンプルの接合面積は、１６．５ｍｍ２〜３０．１ｍｍ２の範囲である。 In this test, a bonding sample was prepared with the parameters of the metal plate 7, the thickness of the indium foil 3 to be inserted, the load in ultrasonic bonding, the ultrasonic amplitude, and the bonding time, and under a liquid nitrogen immersion cooling system and a self-magnetic field. Obtained current-voltage characteristics. The number of samples in each condition is 2 or 3. The bonding area of the bonding samples in this test is in the range of 16.5mm 2 ~30.1mm 2.
臨界電流については、各条件において、表１と同様の基準で〇、△、×を示した。また、同様にして、臨界電流以下の電流−電圧特性の傾きから求めた接合抵抗に接合面積をかけることで、接合抵抗率を求めている。 Regarding the critical current, 〇, Δ, and × are shown under the same criteria as in Table 1. Similarly, the junction resistivity is obtained by multiplying the junction resistance obtained from the slope of the current-voltage characteristic below the critical current by the junction area.
表３で示される多くの条件で、臨界電流の２５％以上の低下を防いでいることが示された。表１に示すように、図５に示す実施形態では、限られた条件でのみ臨界電流の低下を抑えることができたが、表３に示すように、図６に示す実施形態では、多くの条件で臨界電流の低下を抑えることが可能となっている。接合時間を１２０ｍｓとしたＮｏ．２７およびＮｏ．３２では、１４．０〜２１．８ｎΩｃｍ２が得られており、はんだ接合と同等、または、はんだ接合より低い抵抗が安定的に得られている。また、荷重、振幅、接合時間が大きいほど、接合抵抗率は低くなる傾向にある。これら３つのパラメータが増加すると、超音波接合によって接合部に与えられるエネルギーが増加するが、接合部単位面積あたり３Ｊ／ｃｍ２以上のエネルギーが与えられると、接合抵抗率が安定的に低下することがわかっている。また、インジウム箔３を薄くすることにより、接合抵抗率は低下する傾向にあるが、一方で臨界電流を低下させるリスクがある。 It was shown that under many conditions shown in Table 3, a decrease of 25% or more in the critical current was prevented. As shown in Table 1, in the embodiment shown in FIG. 5, the decrease in the critical current could be suppressed only under limited conditions, but as shown in Table 3, in the embodiment shown in FIG. 6, many It is possible to suppress the decrease in the critical current under the conditions. No. with a joining time of 120 ms. 27 and No. In No. 32, 14.0 to 21.8 nΩcm 2 is obtained, and a resistance equivalent to or lower than that of the solder joint is stably obtained. Further, the larger the load, the amplitude, and the joining time, the lower the joining resistivity tends to be. When these three parameters increase, the energy given to the joint by ultrasonic bonding increases, but when energy of 3 J / cm 2 or more per unit area of the joint is applied, the bonding resistivity decreases stably. I know. Further, by thinning the indium foil 3, the bonding resistivity tends to decrease, but on the other hand, there is a risk of decreasing the critical current.
以上の実施例では、同種の高温酸化物超電導テープ線材の接合の事例を示したが、異種の高温酸化物超電導テープ線材、すなわち希土類系銅酸化物超電導テープ線材１とビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２とを、インジウム箔３を介して接合することも可能である。また、各実施例では、ホーン４で各線材の１ヶ所のみを接合しているが、ホーン４をずらしたり、ローラー状のホーン４を用いたりすることにより、より広い範囲を接合することもできる。 In the above examples, examples of joining the same type of high-temperature oxide superconducting tape wire are shown, but different types of high-temperature oxide superconducting tape wire, that is, rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 and bismuth-based cuprate superconducting tape It is also possible to join the wire rod 2 via the indium foil 3. Further, in each embodiment, only one part of each wire rod is joined by the horn 4, but a wider range can be joined by shifting the horn 4 or using the roller-shaped horn 4. ..
また、希土類系銅酸化物超電導テープ線材１あるいはビスマス系銅酸化物超電導テープ線材２を重ね合わせたに部分おいて、インジウム箔３を各線材の先端部に至らないように配置することによって、各線材の先端部を原因とする応力集中を回避することができ、臨界電流の低下のリスクをより下げることが可能である。 Further, by arranging the indium foil 3 so as not to reach the tip of each wire in the portion where the rare earth-based cuprate superconducting tape wire 1 or the bismuth-based cuprate superconducting tape wire 2 is overlapped, each It is possible to avoid stress concentration caused by the tip of the wire, and it is possible to further reduce the risk of a decrease in the critical current.
１ 希土類系銅酸化物超電導テープ線材
１ａ 安定化材
１ｂ 希土類系銅酸化物高温超電導体
１ｃ 中間層
１ｄ 基材
２ ビスマス系銅酸化物超電導テープ線材
２ａ 安定化材
２ｂ ビスマス系銅酸化物高温超電導体のフィラメント
３ インジウム箔
４ ホーン
５ 超音波振動
６ アンビル
７ 金属板
1 Rare earth-based cuprate superconductor tape wire 1a Stabilizer 1b Rare earth-based cuprate superconductor 1c Intermediate layer 1d Base material 2 Bismus-based cuprate superconductor tape wire 2a Stabilizer 2b Bismus-based cuprate superconductor Filament 3 Indium foil 4 Horn 5 Ultrasonic vibration 6 Anvil 7 Metal plate
Claims (6)
室温、大気環境において、２本の高温酸化物超電導テープ線材の重なった部分を、インジウムを介して超音波接合することを特徴とする高温酸化物超電導テープ線材の接合方法。 A method for joining high-temperature oxide superconducting tape wires having a copper oxide superconductor and a stabilizing material.
A method for bonding a high-temperature oxide superconducting tape wire, which comprises ultrasonically bonding two overlapping portions of a high-temperature oxide superconducting tape wire via indium at room temperature and an atmospheric environment.
The cuprate superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (where RE is one or more rare earth elements) or a Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide. The method for joining a high-temperature oxide superconducting tape wire rod according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is configured.
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