DE2334055A1

DE2334055A1 - Verfahren zum stirnseitigen verbinden zweier bimetallrohre, insbesondere fuer supraleitende kabel

Info

Publication number: DE2334055A1
Application number: DE19732334055
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Diepers; Karl-Heinz Jablonski; Hans Dr Lamatsch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-07-04
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1975-01-16
Also published as: CH579314A5; FR2236275A1; US3895432A; CA1006923A; FR2236275B1; GB1454678A; DE2334055B2; JPS5038653A

Description

Verfahren zum stirnaeitigen Verbinden zweier Bimetallrohre, insbesondere für supraleitende Kabel

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre aus einem normalleitenden Metall, deren Außen- oder Innenmantel mit «bier Schicht aus einem supraleitenden Material überzogen ist, insbesondere für supraleitende Kabel.

Als Supraleitermaterial für supraleitende Kabel zur Übertragung großer elektrischer Energie, insbesondere für supraleitende Wechsel- und Drehstromkabel ist bekanntlich Niob sehr geeignet. Es besitzt nämlich ein sehr hohes unteres kritisches Magnetfeld H_c1 von etwa 120 000 A/m und weist verhältnismäßig niedrige Wechselstromverluste auf, solange dieses kritische Magnetfeld nicht überschritten wird. Das Niob kann bei derartigen supraleitenden Kabeln vorteilhaft in Form einer Schicht verwendet werden, die auf einem rohrförmigen Träger aus einem Metall, wie beispielsweise Kupfer, aufgebracht ist, das bei der zur Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit des Niobs erforderlichen Temperatur von beispielsweise etwa 4 bis 5 K gut elektrisch normalleitend ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Die supraleitende Kiobschicht kann verhältnismäßig dünn ausgebildet werden, da unterhalb der kritischen Feldstärke H₁ des Niobs der Strom nur in einer dünnen überflächenscMcht fließt, die weniger als etwa 0,1 /U dick ist. Für supraleitende Wechsel- und Drehstromkabel erscheint es dabei besonders günstig, solche Kupferrohre, die außen oder innen mit einer Ni obschicht versehen sind, koaxial zueinander anzuordnen. Vorzugsweise befindet sich die Niobschicht dabei auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Außenrohres

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eines koaxialen Leiterpaares. Bei Verwendung des Innenrohres als Hin- und des Auöenrohres als Rückleiter kann dann erreicht werden, daß die elektrischen und magnetischen Felder nur im Räume zwischen den Niobschichten auftreten und die Kupferrohre feldfrei bleiben, so daß in ihnen keine Wirbelstromverluste auftreten können.

Das Kupfer dient bei derartigen aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden rohrförmigen Leitern insbesondere zur elektrischen Stabilisierung des supraleitenden Niobs, indem es den im supraleitenden Niob fließenden Strom beia Übergang des Niobs vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand, beispielsweise im Falle einer Überlastung, wenigstens teilweise übernimmt und die dabei oder durch Wechselstromverluste im Niob entstehende Verlustwärme an ein angrenzendes Kühlmittel ableitet.

Entsprechende rohrförmige Leiter aus dem gut leitenden Metall, auf denen innen oder außen eine supraleitende Schicht aufgebracht ist, werden zweckmäßig in einer bestimmten begrenzten Länge, beispielsweise von etwa 20 m, hergestellt. Ein supraleitendes Kabel muß dann aus einer Vielzahl derartiger Bimetallrohre zusammengesetzt werden, die entweder direkt miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, oder zwischen denen zum Dehnungsausgleich noch Federbälge angeordnet werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein einfaches Verfahren zum Verbinden solcher Bimetallrohre zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei Bimetallrohren mit einer äußeren supraleitenden Schicht dadurch gelöst, daß das Endstück jedes der Bimetallrohre an seiner Stirnseite jeweils mit einem ringförmigen Ansatzstück aus dem supraleitenden Material versehen wird, daß anschließend in das mit dem Ansatzstück versehene Endstück des ersten Bimetallrohres eine Hälfte

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eines Verbindungsrohres aus dem normalleitenden Metall formschlüssig eingebracht wird, daß danach das mit dem Ansatzstück versehene Endstück des zweiten Bimetallrohres um die

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aus dem ersten Bimetalir/herausragende Hälfte des Verbindungsrohres formschlüssig angeordnet wird und daß dann die beiden freien Stirnflächen der Ansatzstücke miteinander verbunden werden. Ist hingegen die supraleitende Schicht auf der Innenseite der Bimetallrohre angebracht, so wird nach einer anderen Ausbildung der Erfindung das Endstück jedes der Bimetallrohre an seiner Stirnseite mit einem ringförmigen Ansatzstück aus dem supraleitenden Material versehen, werden anschließend die beiden freien Stirnflächen der Ansatzstücke miteinander verbunden und werden schließlich die beiden mit den Ansatzstücken versehenen Endstücke der Bimetallrohre mittels einer gemeinsamen Hülse aus dem normalleitenden Metall formschlüssig ummantelt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bes-tehen insbesondere darin, daß eine mechanisch stabile Verbindung zwischen zwei Bimetallrohren und eine einwandfreie elektrische Verbindung zwischen den supraleitenden Schichten der Bimetallrohre hergestellt werden kann, ohne daß an der Verbindungsstelle die stabilisierenden Eigenschaften des normalleitenden Metalls unterbrochen zu werden brauchen.

Eine mechanisch besonders stabile Verbindung zwischen zwei Bimetallrohren mit einer äußeren supraleitenden Schicht wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß jeweils das Ansatzstück und das mit ihm verbundene Endstück desBfinetallrohres mit einem Innengewinde und das Verbindungsrohr mit einem entsprechenden Außengewinde versehen werden und daß anschließend die beiden Bimetallrohre mittels des Verbindungsrohres aneinandergeschraubt werden. Zusätzlich kann das Verbindungsrohr mindestens teilweise mit den es umschließenden Endstücken der beiden Bimetallrohre

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verlötet werden. Dazu wird vorteilhaft ein Verbindungsrohr verwendet, dessen Außenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.

Zwei Bimetallrohre, deren Innenmantel jeweils mit einer Schicht aus einem supraleitenden Material überzogen ist, können nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung dadurch zusammengefügt werden, daß die Außenflächen der aneinandergefügten Ansatzstücke mit einem Belag aus dem normalleitenuen Metall versehen und dann mit der Hülse verlötet werden. Die Hülse kann vorteilhaft auch mit den Endstücken verlötet werden. Hierzu läßt sich eine Hülse verwenden, deren Innenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist. Durch eine Erhitzung der Hülse von außen wird dann eine Verlötung der Einzelteile bewirkt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen schematisch

Pig. 1 einen Längsschnitt durch zwei nach dem Verfahren der Erfindung zusammengefügte Niob-Kupfer-Bimetallrohre mit jeweils äußerer Niob-Schicht,

Fig. 2 eine entsprechende Verbindung zweier Niob-Kupfer-Bimetallrohre mit jeweils innerer Niob-Schicht, die Figuren 3 bis 5 einzelne Verfahrenaschritte gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zum Verbinden zweier Niob-Kupfer-Bimetallrohre mit jeweils innerer Niob-Schicht als Längsschnitte,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine nach deaJn den Figuren 3 bis 5 angedeuteten Verfahren hergestellten Verbindung zweier Bimetallrohre,

die Figuren 7 bis 10 einzelne Verfahrensschritte einer Möglichkeit zum Anschweißen von Niob-Ansatzstücken an Bimetallrohre mit äußerer dünner Niob-Schicht und Fig. 11 ein Bimetallrohr mit Ansatzstück in einer Herstel-

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Die in Fig. 1 dargestellten beiden Bimetallrohre 1 und 2 enthalten jeweils ein Trägerrohr 3 aus einem normalleitenden Metall, beispielsweise Kupfer, das mit einer Schicht 4 aus einem supraleitenden Material, beispielsweise Niob, ummantelt ist. Beide Bimetallrohre 1 und 2 haben etwa gleichen Innen- und Außendurchmesser. Sie sind an ihren Endstücken 5 und 6 jeweils mit einem Ansatzstück 7 bzw. 8 aus dem supraleitenden Material so kontaktiert, daß eine gut haftende und elektrisch leitende Verbindung sowohl zum normalleitenden Trägerrohr 3 als auch zu der auf ihm angebrachten supraleitenden Schicht 4 erzeugt wird. Die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Ansatzstücke 7 und 8 sind mit einer Zentrierphase versehen, so daß sie formschlüssig beim Zusammenfügen der beiden Bimetallrohre 1 und 2 ineinandergreifen. In der Figur ist deshalb die gemeinsame Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke 7 und 8 in radialer Richtung abgestuft dargestellt. Wie durch gestrichelte Linien 9 angedeutet ist, sind die beiden Endstücke 5 und 6 und die mit ihnen verbundenen Ansatzstücke 7 und 8 vor dem Zusammenfügen der beiden Bimetallrohre 1 und 2 auf einen gemeinsamen Innendurchmesser abgearbeitet worden. In aie wird dann vorteilhaft von den Rohrenden her ein Innengewinde eingedreht. Die Gewindegänge laufen dabei nicht nur in dem normalleitenden Trägerrohr 3» sondern auch in den Ansatzstücken 7 und 8, d.h. die Ansatzstücke müssen ausreichende Dicke besitzen, um dies zu gewährleisten. Anschließend wird ein entsprechendes Verbindungsstück 10 aus dem normalleitenden Metall mit einem passenden Außengewinde gefertigt. Danach wird das Verbindungsstück 10 in eines der Bimetallrohre, beispielsweise in das Bimetallrohr 1, etwa zur Hälfte eingeschraubt. Danach wird das zweite Bimetallrohr 2 über die aus dem Bimetallrohr 1 herausragende Hälfte des Verbindungsrohres 10 geschraubt, bis die beiden Stirnflächen der Ansatzstücke 7 und 8 formschlüssig aneinanderpassen. Nach dem Zusammenschrauben der Einzelteile wird die Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke 7 und 8 verschweißt. Hierfür ist vorteilhaft ein

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Elektronenstrahl geeignet. Beim Verschweißen ist zu prüfen, ob das normalleitende Metall unterhalb der Schweißstelle zu Störungen der Schweißnaht führen kann. In diesem Fall wird vorteilhaft nicht durchgeschweißt.

Die Elektronenstrahlschweißung, die mit einem radial geführten Elektronenstrahl von außen her vorgenommen wird, der in der Figur durch einen Pfeil 11 angedeutet ist, führt im allgemeinen zu einer geringen Materialschrumpfung in Achsrichtung der Bimetallrohre. Dieser Umstand, der sich in vielen Fällen nachteilig auswirkt, ist in diesem Fall jedoch von Vorteil, da durch die Schrumpfung die Trägerrohre 3 fast auf das Verbindungsrohr 10 aufgespannt werden. Hierdurch entsteht ein guter thermischer und elektrischer Kontakt sowohl zwischen dem supraleitenden Material der Ansatzstücke 7 und 8 und dem normalleitenden Metall des Verbindungsrohres 10 als auch zwischen dem normalleitenden Metall des Verbindungsrohres 10 und der !Erägerrohre 3. Zusätzlich kann im BeasLch des Kupfer-Kupfer-Kontaktes des Verbindungsrohres 10 mit den Trägerrohren 3 eine Verlötung vorgenommen werden, indem die Gewindeteile vor dem Zusamenbau mit Lot getränkt werden und nach dem Verschrauben die beim Elektronenstrahlschweißen über das normalleitende Metall abgeführte Wärme gleichzeitig zum Löten benützt wird. Die mit Lot getränkten Flächen sind in der Figur durch etwas dickere Linien angedeutet und mit 12 bezeichnet.

Im Falle einer solchen Verlötung kann unter Umständen auf die Gewinde verzichtet werden. Das Verbindungsrohr 10 muß dann formschlüssig von den beiden Endstücken 5 und 6 einschließlich der an ihnen kontaktierten Ansatzstücke 7 und 8 ummantelt sein.

In Fig. 2 ist eine Verbindung zweier Bimetallrohre 15 und 16 dargestellt. Die Rohre bestehen entsprechend den Bimetall-

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rohren 1 und 2 in Pig. 1 jeweils aus einem normalleitenden Trägerrohr 17, beispielsweise einem Kupferrohr, die an den Stirnflächen ihrer Endstücke 19 bzw. 20 jeweils mit einem Ansatzstück 21 bzw. 22 aus einem supraleitenden Material, beispielsweise Niob, kontaktiert sind. Im Gegensatz zu den in Fig. 1 dargestellten Bimetallrohren ist einejsupraleitende Schicht 18, beispielsweise eine Niobschicht, auf dem Innenmantel der Bimetallrohre 15 und 16 aufgebracht. Die Verbindung dieser Birnetallrohre 15 und 16 kann jedoch grundsätzlich nicht in einer entsprechenden Technik wie in Pig. 1 beschrieben, d.h. mit einer äußeren Hülse aus dem normalleitenden Metall, durchgeführt werden. Denn eine Elektronenstrahlverschweißung der an den Endstücken 19 und 20 kontaktierten Ansatzstücke 21 und 22 kann nur vor dem Aufbringen einer Hülse durchgeführt werden. Die Überbrückung der Ansatzstücke 21 und 22 mittels einer Hülse 23 aus dem normalleitenden Material, beispielsweise Kupfer, muß also nach der Elektronenstrahlschweißung der Ansatzstücke 21 und 22 erfolgen.

Bei der Verbindungstechnik nach Pig. 2 werden nach dem Verschweißen der Niob-Ansatzstücke 21 und 22 zunächst die Kupfer-Endstücke 19 und 20 und die zwischen ihnen liegenden Niob-Ansatzstücke 21 und 22 von außen etwas abgearbeitet, beispielsweise abgedreht. Dies ist durch die gestrichelten Linien 24 in der Pigur dargestellt. Dann wird in diese abgearbeiteten Außenflächen ein Außengewinde geschnitten, das sowohl in den Niob-Ansatzstücken 21 und 22 als auch linke und rechts davon in den Kupfer-Endstücken 19 und 20 verläuft. Anschließend wird eine aus beispielsweise zwei Halbzylindern bestehende Kupfer-Hülse 23 mit entsprechendem Innengewinde aufgelötet, wobei die Lötung nur zwischen den Kupfer-Endstücken 19 und 20 und der Kupfer-Hülse 23 erfolgt. Die verlöteten Flächen sind in der Pigur durch dicker eingezeichnete Linien 25 angedeutet. Ein intensiver Kontakt

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zwischen den Niob-Ansr tzstücken 21 und 22 und der Kupfer-Hülse 23 wird jedoch beim Einsatz der Bimetallrohre 15 und in supraleitenden Kabeln durch das Abkühlen auf Heliumtemperatur erreicht, da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer etwa doppelt so groß ist wie der von Niob.

Es kann unter Umständen auf einen guten thermischen und elektrischen Kontakt zwischen den beiden Niob-Ansatzstücken 21 und 22, der im allgemeinen mittels Elektronenstrahlschweißung hergestellt wiri, verzichtet werden. Dies ergibt sich aus dem folgenden Berechnungsbeispiel. Dann genügt es und diese Verbindungstechnik ist analog auch für die in Pig. 1 gezeigten Bimetallrohrausführungen anwendbar - über den Kontakt der beiden Niob-^nsatzstücke 21 und 22 eine Kupfer-Hülse 23 zu schieben und beiderseits auch mit den Niob-Ansatzstücken zu verlöten. Bei der folgenden Abschätzung wird also davon ausgegangen, daß kwine direkte Verbindung zwischen den Stirnflächen der Niob-Ansatzstücke 21 und 22, jedoch eine indirekte Verbindung über die Kupfer-Hülse 23 vorhanden ist.

Es sei der ungünstigste Fall betrachtet, daß nämlich eine Verlustleistung von 10*10 W/cm bei 50 Hz und einem PeId von 100 mT auftritt. Diese Werte seien als obere Grenzwerte zugrundegelegt. Als Ausführungsbeispiel seien folgende Dimensionen für Bimetallrohr'- gemäß Pig. 1 oder Pig. 2 gewählt: Bimetallrohraußendurchmesser 60 mm, Bimetallrohrinnendurchmesser 58 mm, Breite des Niob-Rohres aus den beiden Niob-Ansatzstücken etwa 6 mm und Breite der beiden Endstücke einschließlich des Niob-Rohres etwa 30 mm. Bei dieser Niob-Rohrdimension beträgt der Gesamtverlust, bezogen auf die äußere Rohrmantelfläche, etwa 113·10" W. Unter der Annahme eines stationären Wärmeflusses, des Sitzes der Wärmequelle in der Kontaktstelle der beiden Niob-Ansatzstücke und eines Energieabflusses nach beiden Seiten zum Kupfer der Endstücke hin errechnet sich daraus eine Temperaturerhöhung der Kontakt-

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stelle von 3,7·1O⁴ K. Dabei wurde der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient für Niob von 50 mV/cm ·Κ bei 4- K verwendet. Pur eine eventuell notwendige Verbreiterung der Niob-Ansatzstücke aus schweißteehnischen Gründen auf z.B. 20 mm ergibt sich unter sonst gleichen Bedingungen eine Temperaturerhöhung von 1,2·10 K.

Eine sehr gute thermische Verbindung zwischen den Niob-Ansatzstücken 21 und 22 und der sie umgebenden Kupfer-Hülse 23 kann durch eine Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und Kupfer hergestellt werden, und zwar beispielsweise nach einem Verfahren der Kupfer-Vorbedampfung. Die entsprechende Verbindungstechnik ist in den Figuren 3 bis 6 dargestellt. Nach Pig. 3 sind die an den Endstücken 19 und 20 in Fig. 2 angebrachten Ansatzstücke 21 und 22 formschlüssig aneinandergefügt und mittels eines Elektronenstrahls, der radial von außen auf die stirnseitige Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke 21 und 22 gerichtet ist und durch einen Pfeil 26 in der Figur angedeutet ist, zusammengeschweißt.

In Fig. 4 ist die Außenfläche der beiden Ansatzstücke 21 und 22 nach Fig. 3 mit einer Kupferschicht 27 versehen. Beim Verfahren der Kupfer-Vorbedampfung wird das Niob auf etwa 200⁰C im Hochvakuum vorgeheizt und bei dieser Temperatur mit einer etwa 1 /u starken Kupferschicht 27 bedampft. Man erzielt dabei eine lötfähige Kupfer-Niob-Diffusionsbindung. Zum Aufbringen der Kupfer-Hülse 23 gemäß Fig. 5 kann dann prinzipiell wie in Fig. 2 beschrieben verfahren werden, jedoch mit dem zusätzlichen Ergebnis, daß jetzt auch die Außenflächender beiden Niob-Ansatzstücke 21 und 22 mit der Kupfer-Hülse 23 verlötet werden können. Die gemeinsame verlötete Fläche ist in den Figuren 2 und 5 jeweils mit 25 bezeichnet.

Natürlich kann auch die Innenfläche der gemeinsamen Niob-Ansatzstücke 7 und 8 nach Fig. 1 entsprechend behandelt und

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verlötet werden. Hierbei muß die Kupfervorbedampfung schon vor der Elektronenstrahlschweißung an den beiden Rohrenden vorgenommen werden. Durch die nachträgliche Elektronenstrahlschweißung der Niob-Ansatzstücke braucht die Niob-Kupfer-Diffusionsschicht nur geringfügig beeinflußt zu werden, da die Schweißnaht nicht durchgeschweißt werden muß.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die in Pig. 5 dargestellte Verbindung. Die beiden Ansatzstücke 21 und 22 sind von einer 3chmalen Kupferschicht 27 ummantelt, die in der Figur übertrieben dick dargestellt ist. TJm diesen Kupfermantel sind formschlüssig die beiden Hälften der Hülse 23 an der gemeinsamen Berührungsfläche 25 angelötet.

Die Figuren 7 bis 10 zeigen einzelne Schritte der Verbindungstechnik zwischen Niob-Ansatzstücken 7 bzw. 8 und dem dünnwandig mit Niob beschichteten Niob-Kupferrohr der Endstücke 5 bzw. 6 gemäß Fig. 1. Diese Verbindungstechnik kann ebenso auch für Bimetallrohre mit innerer supraleitender Schicht gemäß Fig. 2 angewandt werden. Die Schwierigkeit einer solchen Verbindung besteht einmal darin, daß es sehr schwer möglich ist, eine dünne Niobhaut von etwa 50 Ai Stärke mit einem etwa 1 mm dicken Niob-Ring, wie sie beispielsweise für supraleitende Kabel gefordert wird, zu verschweißen, und zwar wegen der sehr unterschiedlichen Wärmeleitung der Materialien mit unterschiedlichem Querschnitt.

Weiterhin wirkt die Nachbarshaft des Kupfers insofern erschwerend, als das Kupfer nur einen Schmelzpunkt von etwa 1083°C gegenüber dem Niob von etwa 2468°C hat und zu einer weiteren Verzerrung der gewünschten Wärmeleitungssymmetrien bezüglich der beiden Seiten der Schweißnaht führt.

Mit dem in den Figuren 7 bis 10 angedeuteten Verfahren werden diese Schwierigkeiten weitgehend vermieden. Die in diesen Figuren dargestellten Bimetallrohre haben dabei beispielsweise

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die im Berechnungsbeispiel zu Pig. 2 angegebenen Dimensionen.

Nach Pig. 7 wird zunächst am Ende eines Niob-Kupfer-Bimetallrohres 31 das Kupfer 33 ein Stück, beispielsweise in etwa 6 bis 10 mm Breite, entfernt, und zwar beispielsweise durch chemische Abätzung. Zur Erzielung einer möglichst scharfen Kante und zur Abdichtung des Rohrinneren wird dabei beispielsweise ein Gummistopfen entsprechend tief eingesetzt. Nach dem Abätzen des Kupfers ist die dünnwandige, etwa 50 bis 100 /u starke Niob-3hicht 34 freigelegt. Dann wird gemäß Pig. 8 ein entsprechend dimensionierter Niob-Profilring 35 bis zur neuen Kupferstirnfläche des Endstückes 36 eingesetzt. Der Niob-Profilring 35 zeigt innen vorteilhaft ein Stufenprofil. Danach wird gemäß Fig. 9 das überstehende Ende 37 der dünnen Niobschicht34 um die Stirnkante des Niob-Profilrings 35 gebogen, so daß zumindest ein Teil der Stirnfläche des Niob-Profilrings 35 von dem überstehenden Ende 37 bedeckt ist. Anschließend wird ein zweiter Niob-Profilring 38 mit entsprechendem äußeren Stufenprofil seiner Stirnfläche gemäß Pig. 10 auf den Profilring 35 aufgeschoben, so daß die dünne Niobhaut des Endes 37 zwischen den beiden Niob-Profilringen 35 und 38 eingespannt wird. Hierdurch wird die beim Schweißen gewünschte symmetrische Wärmeleitung zu beiden Seiten der Schweißnaht näherungsweise erreicht und die Schwierigkeit der Verschweißung eines dickwandigen mit einem dünnwandigen Teil weitestgehend vermieden. Danach werden die einzelnen Teile mittels Elektronenstrahlen verschweißt, wobei die Elektronenstrahlen durch Pfeile 40, 41 und 42 angedeutet sind. Der Elektronenstrahl 40 ist nicht direkt auf die Einspannstelle des Niobschicht-Endes 37 gerichtet; denn dies würde lokal zum Durchbrennen der dünnen Niobschicht der Einspannstelle führen. Der durch den Pfeil 40 dargestellte Elektronenstrahl wird demnach etwas neben die Einspannstelle auf den Niob-Profilring 38 gerichtet, so daß der Profilring

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38 regelrecht auf das Ende 37 der Niob-.Schicht 34 aufgeschmolzen wird. In unmittelbar folgenden Schritten werden nun die beiden Niob-Profilringe 38 und 35 zur Erhöhung der mechanischen Stabilität miteinander zu einem Ansatzstück, beispielsweise dem Ansatzstück 7 gemäß Fig. 1,innen verschweißt. Dies ist durch den Pfeil 41 dargestellt. Zum Schluß folgt die Verbindung des Kupfers des Endstückes 36 mit dem Niob-Ansatzstück 7 durch Aufschmelzen des Kupfers in der unmittelbaren Nachbarschaft des Niob-Ansatzstückes. Dabei entsteht vorteilhaft eine Diffusionsverbindung zwischen dem Kupfer des Endstücks 36 und dem Niob des Ansatzstücks7.

Neben den anhand der Fig. 7 bis 10 dargestellten Verfahren einer Kontaktierung der Endstücke von Bimetallrohren mit Niob-Ansatzstücken sind auch schon bei der Herstellung der Bimetallrohre verschiedene Möglichkeiten einer Anbringung von Niob-Ansatzstücken gegeben:

Wie in Fig. 11 schematisch angedeutet ist, wird ein dickwandiges Niob-Außenrohr 50 so ausgedreht, daß nahe dem Rohrende ein ringförmiger Steg 51 übrigbleibt, der so dimensioniert ist j daß nach einem Dünnziehen des Bimetallrohres dieser Steg 51 die für das Niob-Ansatzstück geforderte Dicke hat. Nach dem Ziehvorgang wird dann das Rohrende bis zum Steg 51 abgedreht, das gegebenenfalls anschließend noch zu einer abgestuften Form des Ansatzstücks überdreht werden muß.

Ferner kann auch zunächst ein reines Kupferrohr an seinen Enden jeweils mit einem Niob-Ansatzstück versehen werden. Danach erfolgt erst das Aufbringen der Niob-Schicht beispielsweise mittels Schmelzflußelektrolyse, wobei sowiil mit dem Kupfer als auch dem Niob-Ansatzstück eine gute Verbindung erzielt werden muß.

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Bei einem weiteren Verfahren wird davon ausgegangen, daß Bimetallbänder zunächst in größeren Längen als den geforderten Rohrlängen hergestellt werden. Entsprechende Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften 2 141 636 und 2 141 621 bekannt. Es werden dann an die Niob-Folien Niob-Querstege im Abstand der Rohrlängen geschweißt. Danach kann eine Auffüllung des so geschaffenen Niob-Rahmens mit Kupfer erfolgen. Das so entstandene Band wird dann zu einem Rohr gebogen und längsverschweiSt. Die zu Ansatzstücken geformten Niob-Querstege werden dann in der Mitte zur Schaffung von den einzelnen Bimetallrohren durchschnitten und zur geforderten Form der Ansatzstücke überarbeitet. In entsprechender Weise können auch die Niob-Querstege zunächst mit einem Kupferband verbunden werden. Danach wird die dünne Niob-Schicht aufgebracht und anschließend dieses Bimetallband zu einem Rohr gebogen und verschweißt.

28 Patentansprüche
11 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre aus einem normalleitenden Metall, deren Außenaantel mit einer Schicht aus einem supraleitenden Material überzogen ist, insbesondere für supraleitende Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (5bzw6) Jedes der Bimetallrohre (1 bzw. 2) an seiner Stirnseite mit einem ringförmigen Ansatzstück (7 bzw. 8) aus dem supraleitenden Material verstehen wird, daß anschließend in das mit dem Ansatzstück (7) versehene Endstück (5) des ersten Bimetallrohres (1) eine Hälfte eines Verbindungsrohres (10) aus dem normalleitenden Metall formschlüssig eingebracht wird, daß danach das mit dem Ansatzstück (8) versehene Endstück (6) des zweiten Bimetallrohres (2) um die aus dem ersten Bimetallrohr (1) herausragende Hälfte des Verbindungsrohres (10) formschlüssig angeordnet wird und daß dann die beiden freien Stirnflächen der Ansatzstücke (7 und 8) miteinander verbunden werden (Fig. 1).
2. Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre aus einem normalleitenden Metall, deren Innenmantel mit einer Schicht ausjeinem supraleitenden Material überzogen ist, insbesondere für supraleitende Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (19 bzw.20) jedes der Bimetallrohre (15 bzw. 16) an seiner Stirnseite mit einem ringförmigen Ansatzstück (21 bzw. 22) aus dem supraleitenden Material versehen wird, daß anschließend die beiden freien Stirnflächen dc;r Ansatzstücke (21 und 22) miteinander verbunden werden und daß schließlich die beiden mit den Ansatzstücken (21 und 22) versehenen Endstücke (19 und 20) der Birnetallrohre (15 und 16) mittels einer gemeinsamen Hülse (23) aus dem normalleitenden Metall formschlüssig ummantelt werden (Mg. 2).

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (5 bzw. 6) mit einem Ansatzstück (7 bzw. 8) versehen wird, dessen Innendurchmesser wenigstens annähernd mit dem Innendurchmesser des Endstücks (5 bzw. 6) übereinstimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innendurchmesser der Ansatzstücke (7 und 8) und der mit ihnen verbundenen Endstücke (5 ^und 6) einander angepaßt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4-, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das Ansatzstück (7 bzw. 8)und das mit ihm verbundene Endstück (5 bzw. 6) des Bimetallrohres (1 bzw. 2) mit einem Innengewinde und das Verbindungsrohr (10) mit einem entsprechenden Außengewinde versehen werden und daß anschließend die beiden Bimetallrohre (1 und 2) mittels des Verbindungsrohres (10) aneinandergeschraubt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (10) mindestens teilweise mit den es umschl ießenden Endstücken (5 und 6) der beiden Bimetallrohre (1 und 2) verlötet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsrohr (10) verwendet wird, dessen Außenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (19 bzw. 20) mit einem Ansatzstück (21 bzw. 22) versehen wird, desasn Außendurchmesser wenigstens annähernd mit dem Außendurchmesser des Endstückes (19 bzw. 20) übereinstimmt.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außendurchmesser der Ansatzstücke (21 und 22) und der
mit ihnen verbundenen Endstücke (19 und 20) einander
angepaßt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außendurchmesser durch Abdrehen einander angepaßt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit den Ansatzstücken (21

und 22) versehenen Endstücke (19 und 20) mittels einer

/Zwei oder
Hülse (23), die aus/mehreren, in Längsrichtung unterteilten EinM.stücken zusammengesetzt wird, formschlüssig ummantelt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der aneinandergefügten Ansatzstücke (21 und 22) mit einem Belag (27) aus dem
normalleitenden Metall versehen und dann mit der Hülse (23) verlötet werden (Pig. 3 bis 6).
13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (27) mittels Aufdampfen oder Aufschmelzen auf die Außenflächen aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (23) mit den Endstücken (19

und 20) verlötet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (23) verwendet wird, deren Innenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verlöten die Hülse (23) erhitzt wird.

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17· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) mit einem Profil versehen werden, das beim Zusammenfügen der beiden Bimetallrohre (1 und 2 bzw. 15 und 16) zu ihrer Zentrierung dient.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergefügten Stirnflächen der Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) mittels eines Elektronenstrahls wenigstens teilweise miteinander verschweißt werden.
19· Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl radial von außen auf die Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) gerichtet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) mittels des von einer Ringkathode ausgehenden Elektronenstrahls verschweißt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl mittels einer die äußere Berührungskante der beiden Stirnflächen etwa konzentrisch umlaufenden Strahlsektorblende etwa radial die Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) an ihrer gemeinsamen Berührungsfläche zumindest teilweise verschweißt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer als normalleitendes Metall der Bimetallrohre (1 und 2 bzw. 15 und 16) verwendet wird.
23· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium als normalleitendes Metall der Bimetallrohre (1 und 2 bzw. 15 und 16) verwendet wird.

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24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Niob als supraleitendes Material der Schicht (4 bzw. 18) und der Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) verwendet wird.
25· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endstück (36) mit einem ringförmigen Ansatzstück (7) versehen wird, indem zunächst das normalleitende Metall (33) des Endstückes (36) in einem vorbestimmten Bereich vom Ende aus abgetragen wird, daß dann an die so entstandene eingezogene Stirnfläche des normalleitenden Metalls (33) ein erster Profilring (35) aus dem supraleitenden Material angesetzt wird, dessen von der supraleitenden Schicht (34) abgewandte Oberfläche mit wenigstens einer Abstufung versehen ist und deseen Breite kleiner ist als der Bereich des abgetragenen normalleitenden Metalls (33) des Endstücks (36), daß danach um das Ende dieses ersten Profilringes (35) das überstehende Ende (37) der supraleitenden Schicht (34) gebogen wird, daß daran anschließend ein etwa gleich breiter zweiter und entgegengesetzt abgestufter Profilring (38) aus dem supraleitenden Material formschlüssig an den ersten Profilring (35) angepaßt wird und daß schließlich die beiden Profilringe (35 und 38) mit dem Ende (37) der supraleitenden Schicht (34) und dem normalleitenden Metall (33) des Endstücks (36) mittels Elektronenstrahl verschweißt werden (Fig. 7 bis 10).
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das normalleitende Metall (33) des Endstücks (36) abgeätzt wird.
27· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das normalleitende Metall (33) des Endstücks (36) abgedreht wird.

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28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (4-0) so weit auf einen der Profilringe (35 bzw. 38) neben das zwischen ihnen eingespannte Ende (37) der supraleitenden Schicht (34) gerichtet wird, daß er nicht auf das supraleitende Material des Endes (37) der Schicht (34) trifft.

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