DE2334055C3

DE2334055C3 - Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre

Info

Publication number: DE2334055C3
Application number: DE19732334055
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. 8520 Erlangen; Jablonski Karl-Heinz 8553 Ebermannstadt; Lamatsch Hans Dr. 8500 Nürnberg Diepers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1977-04-07

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimctallrohre mit jeweils einem Trägerrohr aus normalleitendem Metall, das mit einem Außen- oder Innenmantel aus einer Schicht aus supraleitendem Material versehen ist.

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 H₁-I von etwa 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 Niots erforderlichen Temperatur von beispielsweise etwa 4 bis 5 K gut elektrisch normalleitend ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Die supraleitende Niobschicht kann verhältnismäßig dünn ausgebildet werden, da unterhalb der kritischen Feldstärke H₁-I des Niobs der Strom nur in einer dünnen Oberflachenschicht fließt, die weniger als etwa 0,1 μ dick ist. Füi supraleitende Wechsel- und Drehstromkabel erscheini es dabei besonders günstig, solche Kupferrohrc, die außen oder innen mit einer Niobschicht versehen sind koaxial zueinander anzuordnen. Vorzugsweise befinde! sich die Niobschicht dabei auf der Außenseite de* Innenrohres und auf der Innenseite des Außen/ohre« eines koaxialen Leiterpaares. Bei Verwendung de? Innenrohres als Hin- und des Außenrohres al' Rückleiter kann dann erreicht werden, daß dit elektrischen und magnetischen Felder nur im Räume zwischen den Niobschichten auftreten und die Kupferrohre feldfrei bleiben, so daß in ihnen keine Wirbelstroim erluste 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 beim Obergang des Niobs vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand, beispielsweise im Falle einer Überlastung, wenigstens teilweise übernimmt und die da hei oder durch Wechselstromverluste im Niob entstehende Verlnstwärmc an ein angrenzendes Kühlmittel ableitet.

Entsprechende rohrförmigc 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 Bimctallrohre zusammengesetzt werden, die entweder direkt miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, oder zwischen denen zum Dehnungsausgleich noch Federbälge angeordnet werden müssen.

Bei einem direkten Verschweißen solcher Bimetallrohre mit dünnen supraleitenden Schichten treten jedoch Schwierigkeiten aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten und auch der verschiedenen Schmelzpunkte des normalleitenden Materials und des Supraleitermaterials auf. So schmilzt Kupfer beispielsweise bei 1083°, Niob aber erst bei 2468°. Hin Aneinanderschweißen der supraleitenden Schichten zweier Rohre ist deshalb ohne Verschmelzung mit dem normalleitenden Material im allgemeinen nicht möglich. Auch besieht die Gefahr, daß sich schon vorher die dünne supraleitende Schicht von dem normalleilenden Material ablöst oder sogar durchbrennt. Mit einem direkten Auseinanderschweißen der Bimetallrohre läßt sich deshalb eine ungestörte supraleitende Verbindung mit einer ausreichenden Stabilisierung im allgemeinen nicht herstellen.

Aus der französischen Palentschrift 15 64 936 ist zwar ein Verfahren zum Verbinden zweier supraleitender Rohre bekannt. Diese Rohre haben jedoch eine verhältnismäßig große Wandstärke und sind mittels einer Indiumschweißnaht und einer Hülse aus normalleitendem Metall zusammengehalten. Eine solche Verbindung stellt aber bei Supraleitungstemperaturen einen verhältnismäßig hohen Übergangswiderstand dar, da die supraleitende Zone an der Verbindungsstelle unterbrochen ist.

Auch bei dem aus der HS-Patentschrift 30 11255 bekannten Verfahren können nur verhältnismäßig dicke Drähte direkt miteinander verschweißt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch ebenfalls keine supraleitenden Verbindungen zwischen dünnen Supralcitungsschichten. die von einem normalleitenden Metall

stabilisiert sind, herstellen.

Gemäß der US-Patentschrift 34 49 818 können die Enden zweier supraleitender Drähte mittels einer sie umschließenden Hülse aus ebenfalls supraleitendem Material zusammengehalten werden. Diese bekannte Verbindungstechnik eignet sich jedoch nur für unslabilisierte supraleitende Drähte, die darüber hinaus einen verhältnismäßig großen Querschnitt haben müssen.

Auch das aus der US-Patentschrift 34 53 378 bekannte Verfahren zum Verbinden von Supraleitern ist nur für verhältnismäßig dicke Supraleitungndrähte geeignet. Nach diesem Verfahren wird eine Schweißnaht zwischen den Drähten mittels eines Shunts aus weiteren supraleitenden Drähten überbrückt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein einfaches Verfahren zum Verbinden der eingangs genannten Bimetallrohre mit dünnen supraleitenden Schichten zu schaffen. Insbesondere soll in der Verbindungszone die Supraleitfähigkeit nicht unterbrochen werden und eine ausreichende Stabilisierung gewährleistet sein.

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 Bimctallrohres eine Hälfte eines Verbindungsrohres aus dem normalleitenden Metall formschlüssig eingebracht wird, daß danach das mit dem Ansatzstück versehene Endstück des zweiten Bimetallrohres um die aus dem ersten Bimetallrohr 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 Endstükke der Bimetallrohre mittels einer gemeinsamen Hülse aus dem normalleitenden Metall formschlüssig ummantelt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine mechanisch stabile Verbindung zwischen zwei Bimetallrohrcn und eine einwandfreie elektrische Verbindung zwischen den supraleitenden Schichten der Bimetallrohrc 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 Bimeiallrohren mit einer äußeren supraleitenden Schicht wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht daß jeweils das Ansatzstück und das mit ihm £0 verbundene Endstück des BiraelaHrohres mit einem Innengewinde and das Verbindungsrohr mil einem ■entsprechenden Außengewinde versehen werden und 4aB anschließend die beiden Bimetailrohre mittels des ,Verbradüngsrohres aneinandergeschraubt werden. Zu-Jidh kann das Verbindungsröhr mindestens teilweise den es umschließenden Endstücken der beiden verlötet werden. Dazu wird vorteilhaft ein Verbindungsrohr verwendet, dessen Außenmanlel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.

Zwei Bimetallrohre, deren Innenseite 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 normalleitenden 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

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

F i g. 2 eine entsprechende Verbindung zweier Niob-Kupfer-Bimelallrohre mit jeweils innerer Niob-Schichl,

die Fig.3 bis 5 einzelne Verfahrensschritte gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zum Verbinden zweier Niob-Kupfer-Bimetallrohre mit jeweils innerer Niob-Schicht als Längsschnitte,

F i g. 6 einen Querschnitt durch eine nach dem in den Fig.3 bis 5 angedeuteten Verfahren hergestellten Verbindung zweier Bimetallrohre,

die Fig.7 bis 10 einzelne Verfahrensschritte einer Möglichkeit zum Anschweißen von Niob-Ansatzstükken an Bimetailrohre mit äußerer dünner Niob-Schicht und

F i g. 11 ein Bimetallrohr mit Ansatzstück in einer Herstellungsphase.

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 mormalleitenden Trägerrohr 3 als auch zu der auf ihm angebrachten supraleitenden Schicht 4 erzeugt wird. Die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Ansatzstucke 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 beide» Ansatzstücke 7 und 8 in radialer fcichtung abgestuft dargestellt. Wie durch gestrichelte Unien 9 angedeutet ist, smd die beiden Endstücke 5 and 6 und die Mt ihnen verbundenen Ansatzstücke 7 und 8 vor dem Zusammenfugen der beiden Bimetallrohre 1 und 2 auf einen gemeinsamen Innendurchmesser abgearbeitet worden. In sie wird dann vorteilhaft von den Rohrenden her «η Innengewinde eingedreht Die Gewmdegänge !aalen dabei nicht nur in dem norfnanettendeii TragerÄ 3. sondern auch m den Ansatzstücken 7 and β, 4 to. die Ansatzstücke müssen ausreichende Dicke bes&zen. tna öies zu gewährleisten. ÄJisehtieBehd wird eia enfsöiechendes VeAindangssWick JO am dan normUdtmm Metall mit emem passenden Außengewinde gefertigt. Oanach wird das Verbindtmgsstöck 10 m eines der

V998W

Bimetall· öhre, beispielsweise in das Bimelallrohr 1. etwa zur Hallte eingeschraubt. Danach wird das /weite Bimetallrohr 2 über die aus dem Bimetallrohr I herausntgendc Hälfte des Vcrbindungsrohres 10 geschraubt, bis die beiden Stirnflächen der Ansatzstücke 7 und 8 formschlüssig ancinanderpasscn. Nach dem Zusammenschrauben der Einzelteile wird die Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke 7 und 8 verschweißt. Hierfür ist vorteilhaft ein Elektronenstrahl geeignet. Beim Verschweißen ist zu prüfen, ob das normalleilende Metall unterhalb der .Schweißstelle zu Störungen der Schweißnaht führen kann. In diesem ("all wird vorteilhaft nicht durchgeschweißt.

Die Elcktronenstrahlschweil.king,die mit einem radial geführten Elektronenstrahl von außen her vorgenommen wird, der in der I igur durch einen Pfeil 11 angedeutet ist, führt im allgemeinen zu einer geringen Materialschrumpfung in Achsrichtung der Bimetallrohre. Dieser Umstand, der sich in vielen Rillen nachteilig auswirkt, ist in diesem (all jedoch von Vorteil, da durch die Schrumpfung die Trägerrohrc 3 fest 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 normallciiendcn Metall des Verbindungsrohres 10 als auch zwischen dem normalleitcndcn Metall des Verbindungsrohres 10 und der Trägerrohre 3. Zusätzlich kann im Bereich des Kupfer-Kupfer-Kontaktes des Verbindungsrohres 10 mit den Trägerrohren 3 eine Verlötung vorgenommen werden, indem die Gewindeteile vor dem Zusammenbau mit Lot getränkt werden und nach dem Verschrauben die beim Elektronenstrahlschweißen über das normalleitende Metall abgeführte Wärme gleichzeitig zum Löten benutzt 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 \on den beiden Endstücken 5 und 6 einschließlich der an ihnen kontaktierten Ansatzstücke 7 und 8 ummantelt sein.

In F 1 g. 2 ist eine Verbindung zweier Bimetallrohre 15 und 16 dargestellt. Die Rohre bestehen entsprechend den Bimetallrohren 1 und 2 in F ig. 1 jeweils aus einem normalleitenden Trägerrohr 17. beispielsweise einem Kupferrohr, die an den Stirnflächen ihrer Fndstücke 19 bzw. 20 jeweils mit einem Ansatzstück 21 bzw. 22 aus einem supraleitenden Material, beispielsweise Niob, kontakten sind. Im Gegensatz zu den in F i g. 1 dargestellten Bimetallrohren ist eine supraleitende Schicht 18. beispielsweise eine Niobschicht. auf dem Innenmantel der Bimetallrohre 15 und 16 aufgebracht. Die Verbindung dieser Bimetaflrobre 15 und 16 kann Jedoch grundsätzlich nicht in einer entsprechenden Technik wie an Fig. 3 beschrieben, d.h. mit einer äußeren Hälse aus dem noiimalleitenden Metall, durchgeführt werden. Denn eine EJektronenstrahlverschwefßüng der an den Endsticken 19 und 20 ikoirtaktierten Ansatzstücke 2Ϊ und 22 kann nur vor dem Airiferrogen «Bier Hälse durchgeführt werden. Die ÄJbeifeiickaiJg der Ansatzstücke 21 und 22 mittels einer Hüäse 23 aas dem normaHeitcndcn Material, beispielsweise Kupfer, muß also nach der Elektronenstrahlschweiflong der A<nsatsatäck€ 21 und 22 erfolgen. <«

Bei der Verbindungstechnik nach F i g. 2 werden nach dem Verschweißen der Midb-Ansatzsläckc 21 und 22 3»nächst die Kupier-Endstücke 19 und 20 urail die zwischen ihnen liegenden Niob-Ansatzstücke 21 und 22 von außen etwas abgearbeitet, beispielsweise abgedreht. Dies ist durch die gestrichelten Linien 24 in dei Figur dargestellt. Dann wird in diese abgearbeiteten Außenflächen ein Außengewinde geschnitten, das sowohl in den Niob-Ansatzstückcn 21 und 22 als auch links und rechts davon in den Kupfer-Endstücken 19 und 20 verläuft. Anschließend wird eine aus beispielsweise zwei Halbzylindern bestehende Kupfer-Hülse 23 mil entsprechendem Innengewinde aufgelötet, wobei die Lötung nur zwischen den Kupfer-Endstücken 19 und 2C und der Kupfer-Hülse 23 erfolgt. Die verlöteten Flächen sind in der Figur durch dicker eingezeichnete Linien 25 angedeutet. Ein intensiver Kontakt zwischen den Niob-Ansatzstücken 21 und 22 und der Kupfer-Hülse 23 wird jedoch beim Einsatz der Bimelallrohre 15 und 16 in supraleitenden Kabeln durch das Abkühlen auf Helium· temperatur erreicht, da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer etwa doppelt so groß ist wie der von Niob.

Ls kann unter Umständen auf einen guten thermischen und elektrischen Kontakt zwischen den beiden Niob-Ansalzstücken 21 und 22. der im allgemeinen mittels Elektronenstrahlschweißung hergestellt wird verzichtet werden. Dies ergibt sich aus dem folgenden Bcrechnungsbeispiel. Dann genügt es — und diese Verbindungstechnik ist analog auch für die in Fig.] gezeigten Bimctallrohrausführungen anwendbar —. über den Kontakt der beiden Niob-Ansatzstücke 21 und 22 eine Kupfer-Hülse 23 zu schieben und beiderseits auch mit den Niob-Ansatzsiücken zu verlöten. Bei der folgenden Abschätzung wird also davon ausgegangen daß keine 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 ^b W/cm- bei 50 Hz und einem Feld von 10OmT auftritt. Diese Werte seien als obere Grenzwerte zugrunde gelegt. Als Ausführungsbeispiel seien folgende Dimensionen für Bimctallrohrc gemäß F i g. 1 oder F i g. 2 gewählt: Bimetallrohraußendurchmesser 60 mm. Bimctallrohrinncndurchmcsser 58 mm. Breite des Niob-Rohrcs aus den beiden Niob-Ansatzsiückcn etwa b mm und Breite der beiden Endstücke einschließlich des Niob-Rohres etwa 30 mm Bei dieser Niob-Rohrdimension beträgt dcrGcsamtvcrlust, bezogen auf die äußere Rohrmantclfläche, etwa 113-10 ^b W. Unter der Annahme eines stationären Wärmeflusses, des Sitzes der Wärmequelle in dci Kontaktsteile der beiden Niob-Ansatzsiückc und eines Energieabflusses nach beiden Seiten zum Kupfer der Endstücke hin errechnet sich daraus eine Temperaturerhöhung der Kontaktstelle von 3.7 ■ 10-⁴K. Dabei wurde der Wärrneleufäfaigkeitskoeffeient für Niob von 50 mW/cm · k bei 4 K verwendet Für eine eventuell notwendige Verbreiterung der Niob-Ansatestücke aus schweißtechnischen Gründen auf z. B. 20 «un ergibt sich unter sonst gleichen Bedingungen eine Temperaturerhöhung von U · Ii)-³K.

Eine sehr gute thermische Verbindung zwischen den Niob-Ansatzstückcn 21 und 22 and der sie umgebendes Kupfer-Hülse 23 kann durch eine Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und Kupfer hergestellt werden; an<ä zwar beispielsweise nach einem Verfahren der Kapier-Vorbedampfumg. Die entsprechende Verbindungstech nik ist in den F i g. 3 bis <b dargestdit. Nach F i g. 3 sinti die an den i mhluc&en 19 and 20 in I-' i fr. 2

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Ansatzstücke 21 und 22 formschlüssig aneinandergefügt und mittels eines Elektronenstrahls, der radial von außen auf die stirnseilige Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke 21 und 22 gerichtet ist und durch einen Pfeil 26 in der Figur angedeutet ist, zusammengeschweißt.

In F i g. 4 ist die Außenfläche der beiden Ansatzstücke 21 und 22 nach Cig. J mit einer Kupferschicht 27 verschen. Beim Verfahren der Kupfer-Vorbedampfung wird das Niob auf etwa 200 C" im Hochvakuum vorgeheizt und bei dieser Temperatur mil einer etwa I μ starken Kupfcrschicht 27 bedampft. Man erzielt dabei eine lötfähige Kupler-Niob-Dilfusionsbindiing. /um Aufbringen der Kupfer-Hülse 23 gemäß Γ i g. 5 kann dann prinzipiell wie in Fig. 2 beschrieben verfahren werden, jedoch mit dem zusätzlichen Ergebnis, daß jetzt auch die Außenflächen der beiden Niob-Ansaizstückc 21 und 22 mit der Kupfer-Hülse 23 verlötet werden können. Die gemeinsame verlötete Fläche ist in den F i g. 2 und 5 jeweils mit 25 bezeichnet.

Natürlich kann auch die Innenfläche der gemeinsamen Niob-Ansatzstücke 7 und 8 nach Fig. I entsprechend behandelt und verlötet werden. Hierbei muß die Kupfervorbedampfung schon vor der Elektroncnstrahlschweißung 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 Fig. 5 dargestellte Verbindung. Die beiden Ansatzstücke 21 und 22 sind von einer schmalen Kupfcrschicht 27 ummantelt, die in der Figur übertrieben dick dargestellt ist. Um diesen Kupfermantel sind formschlüssig die beiden Hälften der Hülse 23 an der gemeinsamen Berührungsfläche 25 angelötet.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen einzelne Schritte der Verbindungstechnik zwischen Niob-Ansatzstückcn 7 bzw. 8 und dem dünnwandig mit Niob beschichteten Niob-Kupferrohr der Endstücke 5 bzw. 6 gemäß Fi g. 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 μ 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 Nachbarschaft des Kupfers insofern erschwerend, als das Kupfer nur einen Schmelzpunkt von etwa 1083⁰C gegenüber dem Niob von etwa 2468°C hat and zu einer weiteren Verzerrung der gewünschten Wärmeleitungssyminetrien bezüglich der beiden Seiten der Schweißnaht fährt.

Mit dem m den F i g. 7 bis IO angedeuteten Verfahren werden diese Schwierigkeiten weitgehend vermieden. Die m diesen Figuren dargestellten Bimetailrohre haben dabei beispielsweise die im Berechmmgsbeispiei zu Fig. 2 angegebenen Dimensionen.

Nach Fi g. 7 wiid zunächst ata Ende eines Niob-Kupf^BenstatpolWes 3* das Köpfer 33 ein Stück, beipielseis m etwa 6 bis 10 mtd Breite, entfernt und swar beispielsweise «dbwäi chemische Abätzang. Zur &zjelung eänef fnögfichst scharfe» Kante and zar >\ifeäiditafig<ies ReÄMshineren mfa dabei beispielsweise ein Gummistopfen entsprechend tief eingesetzt. Nach dem Abät/en des Kupfers ist die dünnwandige, etwa 50 bis 100 μ starke Niob-Schicht 34 freigelegt. Dann wird gemäß Fig.8 ein entsprechend dimensionierter Niob-Profilring 35 bis zur neuen Kuplcrsiirnfläche des Endstückes 36 eingescizi. Der Niob-Profilring 35 zeigt innen vorteilhalt ein Siufenprofil. Danach wird gemäß Fig. 9 das überstehende Ende 37 der dünnen Niobschicht 34 um die Stirnkante des Niob-Profilrings 35

ίο gebogen, so daß zumindest ein Teil der Stirnfläche des Niob-Profilrings 35 von dem überstehenden End¹.' 37 bedeckt ist. Anschließend wird ein zweiter Niob-Profilring 38 mit entsprechendem äußeren Suifcnprofil seiner Stirnfläche gemäß Fig. 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 nähcrungsweise erreicht und die Schwierigkeit der Verschweißung eines dickwandigen mit einem dünnwandigen Teil weiiestgehend 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 Einsp.uinstel-Ie 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 38 regelrecht auf das Ende 37 der Niob-Schichi 34 aufgeschmolzen wird. In unmittelbar folgenden Schritten '/erden 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 Ansatzstücks 7.

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 Bimetailrohre 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, daß nach einem Dünnziehen des Bimetallrohres dieser Steg Sl die für

das Niob-Ansatzstüdc geforderte Dicke hat Nach de*n Ziehvorgang wird dann das Rohrende bis zom Steg 5Ϊ abgedreht, das gege&enenfaMs anschließend noch zu einer abgestuften Form des Ansatzstücks überdreht werden muß.

to Ferner kann auch zunächst ein reines Kopferrohr an seinen Enden jeweils mit einem Niofc-Änsatzstöck versehen werden. Darach erfolgt erst das Aufbringen der Niob-Schicht beispielsweise laitttels SdWneizfkrßef ektrotyse. wobei sowohl nat dem K&pfer als auchtäem

Niob-Ansatzstfidk eine gnte Verbaielnng erzielt werden muß.

Bei einem weiteren Verfahren wird davon ausgegangen, daß Bimetalibänder zunächst Ot größeren Längen

ills eicι! geforderten Rohrlängen hergestellt werden, l-iilsprechencle Herstellungsverfahren sind beispielsweise· aus den (!einsehen OITenlcgungsschrifien 21 41 bib und 21 41 621 bekannt. Ks werden d;iiin ;in die Niob-1olien Niob-Qucrstege im Abstand der Rohrliingen gesehweißt. Danach kann eine Auffüllung ties so geschaffenen Niob-Rahmens mit Kupfer erfolgen. Das so entstandene Band wird dann zu einem Rohr gebogen und längsverschweißt. Die zu Ansai/stüeken geformten

Niob-Querstege <· erden dann in der Mitte zur Schaffung von den ein/einen Uimetallrohren durehsehnitien liihI zur geforderten Torrn der Ansatzstücke überarbeitet. In entsprechender Weise können auch die Niob-Quersiege zunächst mil einem Kupfcrbimd verbunden werden. Danach wird die dünne Niob-Schicht aufgebracht und anschließend dieses liimeuillband /u einem Rohr gebogen und versehweißt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Verfahren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre mit jeweils einem Trägerrohr aus normalleitendem Metall, das mit einem Außenmantel aus einer Schicht aus supraleitendem Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (5 bzw. 6) jedes der Bimetallrohre (J bzw. 2) an seiner Stirnseite mit einem ringförmigen Ansatzstück (7 bzw. 8) aus dem supraleitenden Material versehen 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 is formschlüssig eingebracht wird, da3 danach das mit dem Ansatzstück (8) versehene Endstück (6) des zweite» 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 Ansatzslücke (7 und 8) miteinander verbunden werden (F ig. 1).

2. Verehren zum stirnseitigen Verbinden zweier Bimetallrohre mit jeweils einem Trägerrohr aus normalleitendem Metall, das mit einem Innenmantel aus einer Schicht aus supraleitendem Material versehen ist. dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (19 bzw. 20) jedes der Bimeiallrohre (15 b/w. 16) an seiner Stirnseite mit einem ringförmigen Ansatzstück (21 bzw. 22) aus dem supraleitenden Material versehen wird, daß anschließend die beiden freien Stirnflächen der Ansatzstücke (21 und 22) miteinander verbunden werden und daß schließlich die beiden mit den Ansatzstücken (21 und 22) versehenen Endstücke (19 und 20) der Bimetallrohre (15 und 16) mittels einer gemeinsamen Hülse (23) aus dem normalleiienden Metai! formschlüssig ummantelt werden (F ig. 2).

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. Verfahrer, nach Anspruch 1 oder 3, 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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (10) mindestens teilweise mit den es umschließenden Endstücken (5 und 6) der beiden Bimetallrohre (1 und 2) verlötet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsrohr (10) verwendet wird, dessen Außenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (19 bzw. 20) mit einem Ansatzstück (21 bzw. 22) versehen wird, dessen Außendurchmesser wenigstens annähernd mit dem Außendurchmesser des Endstückes (19 bzw. 20)

übereinstimmt

8. Verfahren na.ch Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Außendurchmesser durch Abdre hen einander angepaßt werden.

9. Verfahren n2ch einem der Ansprüche 2,7 odei S, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit der Ansatzstücken (21 und 22) versehenen Endstücke (H und 20) mittels einer Hülse (23), die aus zwei odei mehreren, in Längsrichtung unterteilten Einzelstük ken zusammengesetzt wird, formschlüssig ummantelt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche Z 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der aneinandergefügten Ansalzstücke (21 und 22) mit einem Belag (27) aus dem normalleitenden Metall versehen und dann mit der Hülse (23) verlötet werden (F ig. J bis 6).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (27) mittels Aufdampfen oder Aufschmelzen auf die Außenflächen aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 7 bis IJ. dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (23) mit den Endstücken (19 und 20) verlötet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (23) verwendet wird, de^en Innenmantel zumindest teilweise mit Lot überzogen ist.

!4. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verlöten die Hülse (23) erhitzt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Ansatzstücke (7 und 8 b/w. 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.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergefügten Stirnflächen der Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) mittels eines Elektronenstrahls wenigstens teilweise miteinander verschweißt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl radial von außen auf die Berührungsfläche der beiden Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) gerichtet wird.

5 8 Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) mittels des von einer Ringkathode ausgehenden Elektronenstrahls verschweißt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl mittels einer die äußere Berührungskante der Seiden Stirnflächen etwa konzentrisch umlaufenden Strahlselektorblende etwa radial die Ansatzstücke (7 und 8 bzw. 21 und 22) an ihren gemeinsamen Berührungsfläche zumindest teilweise verschweißt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer als normalleitendes Metall der Bimetallrohre (1 und 2 bzw. 15 und 16) verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium als normalleitendes Metall der Bimetallrohre (I und 2 bzw. 15 und 16) verwendet wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Niob als surjraleiien-

des Material der Schicht (4 bzw. 18) und der Ansatzstücke (7 und 8 by.w. 21 und 22) verwendet wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, 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 Oberflache mit wenigstens einer Abstufung versehen ist und dessen 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 gleichbreiter 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 (F ig. 7 bis 10).

24. Verfahren nach Anspruch 2i. dadurch gekennzeichnet, daß das normalleitende Metall (33) des Endstücks (36) abgeätzt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 23. dadurch gekennzeichnet, daß das nornialleitende Metall (33) des Endstücks(36)abgedreht wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 2i bis 25. dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (40) se weit auf einen der Profilringe (35 b/vv. 38) neben das zwischen ihnen eingespannte Ende (37) der supraleitenden Schicht (34) gerichtet wird, daß einteilt auf das supraleitende Material des Endes (37) der Schicht (34) trifft.

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