一种基于皮秒激光卷对卷制备REBCO多芯带材的方法与装置与流程

一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法与装置
技术领域
1.本发明涉及超导带材加工领域，尤其是一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法与装置，即rebco超导带材通过皮秒激光对cu/ag保护层和超导层等进行分割制备出多芯带材。


背景技术：

2.第二代高温超导带材rebco作为近年来发展最快的高温超导材料之一，因具有较高载流能力、较高机械强度、较高上临界磁场以及生产成本较低等优势，广泛应用于电力、交通、能源、医疗、高能物理等各个领域。主要采用物理气相沉积法制备，超导带材的厚度约为100微米，宽度为4～12毫米，其中超导层的厚度仅约1～2微米。而高的宽径比，会在应用表现出损耗，即“交流损耗”。交流损耗会极大的影响能量的传输以及仪器设备，从而限制了带材在交流电中的应用。因此，为了最大程度的降低交流损耗，需要将带材的超导层采用非超导的电阻屏障将超导层分隔成许多平行的超导细丝。目前，将rebco带材超导层分隔成许多超导细丝的方法包括机械研磨、化学蚀刻、机械压制和激光处理等。但机械研磨和化学刻蚀法获得的超导芯槽最小宽度约为0.2mm，从而导致临界电流下降一半左右，并且破坏稳定层，导致带材机械强度降低等问题。机械压制法制备过程中，一方面要考虑刀具的精密程度和更换的频率，同时也要考虑刀具经长时间切割产生的热对材料本身的影响。而激光处理虽会导致稳定层的材料残留在细芯之间的凹槽内，但由于紫外皮秒激光器，性能稳定，聚焦光斑极小，且加工热影响区微乎其微，只要将加工的深度精确控制，那么制备出的多芯带材不仅临界性能下降处于可接受范围，且能大大的降低交流损耗。因此，针对激光处理这一方法，亟需设计出一套基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的装置。
3.公开号cn211654416u的专利申请提供一种超导带材，所述超导带材上具有多个划痕组，所有划痕组沿所述超导带材的长度方向分布，每个划痕组中具有多根相互平行且均将超导带材的超导面分割的划痕，且相邻划痕组间具有间隔，相邻划痕组中的各划痕相互错位。在确保超导带材的导通性前提下降低了交流损耗。相比本发明来说，该专利只提供了一种多芯带材的制备方法，未基于加工装置进行具体描述，而本发明是基于新型的高精尖皮秒激光装置对rebco超导带材进行卷对卷的多芯制备。
4.公开号wo2016024528的国际专利申请公开了一种高温超导多芯带线的制造方法和制造装置，该装置主要包括：包括导向辊、硬质合金刀具、与导向辊相对的旋转部件、以及用于在导向辊和旋转构件之间输送高温超导带材的收取部分和进料部分。相比本发明来说，该装置不仅没有设计出精密的控制系统用于控制刀具的切割深度和宽度，导致制备出的多芯带材性能不均匀；此外，选择硬质合金作为刀具的制备材料，长时间的切割带材容易较快破损，不仅需要耗损刀具，还需费时更换刀具。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法与装
置，通过在现有的皮秒激光装置中，经适当的改装后，即可达到高精度的分割任务。该装置与制备方法不仅能实现快速制备超导多芯带材，还通过高端皮秒激光器制备出均匀分割深度和宽度的多芯带材，由于皮秒激光波长短，聚焦光斑更小，可实现超精细加工；且加工几乎没有热影响以及不需经常的更换刀具，大大提高了制备的效率和性能更优异的多芯带材。
6.本发明的技术方案为：一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的装置，主要分为四大部分：第一部分皮秒激光装置，由机柜，固定脚，光具座，皮秒激光器，激光头，电动升降结构，工件定位板等七个零部件共同组成；第二部分底座；第三部分送线和收线结构，包括支撑座，螺栓，线圈卡盘，伺服电机，放置板；第四部分导向结构，包括定位块，支撑钣金，导向轮，导柱；
7.进一步的，所述机柜作为设备中不可或缺的组成部分，是电气控制设备的载体。一般由冷轧钢板或合金制作而成。可以提供对存放设备的防水、防尘、防电磁干扰等防护作用。
8.进一步的，所述固定脚作为固定机柜以及减少设备运行时的震动。
9.进一步的，所述光具座是一种多功能的通用光学仪器，它配备了平行光管、透镜、偏正片及夹持器等独立组件，按需要排列、调节，可进行多项测试工作。
10.进一步的，所述皮秒激光器作为一种产生脉宽为皮秒的激光器，利用其光斑小、脉冲宽度窄、波长短、速度快、穿透好、热量少、输出能量大、峰值功率高等特点，是目前超精密激光分割制备多芯带材的首选激光器。
11.进一步的，所述激光头作为激光器中光驱的心脏，也是最精密的部分，主要包括激光发生器，半反光棱镜，物镜，透镜等构件，将激光束作用到加工材料上。
12.进一步的，所述电动升降结构主要由底部基座、升降阻断柱、动力传动装置、控制等部分组成，以电能作为动力驱动工件定位板的上升和下降。
13.进一步的，所述工件定位板与电动升降结构配合，可调整其高度，激光通过定位板上的孔进行定位，对通过的带材进行分割处理。
14.进一步的，所述底座主要起支撑和固定作用，采用不锈钢为制备材料，以保证卷对卷加工装置的平稳运行。
15.进一步的，所述支撑座主要起支撑和稳定作用，保证第三部分其它零部件的正常运转，尺寸大小由线圈卡盘的外径确定。
16.进一步的，所述螺栓用于支撑座和线圈卡盘的连接，主要起固定作用。
17.进一步的，所述线圈卡盘为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为亚克力板，外形尺寸根据预定匝数确定，可通过伺服系统按一定速度稳定的控制传输，用于放线和收线。
18.进一步的，所述伺服电机选用交流伺服电机，通过其平稳的运转，可提供所需大小的张力收放rebco带材。
19.进一步的，所述放置板用于放置伺服电机，且放线部分和收线部分的放置板的相对位置为对称安装，以确保装置的平衡。
20.进一步的，所述定位块主要起支撑和固定作用，通过控制尺寸标准以确保导向结构的整体高度。
21.进一步的，所述支撑钣金主要起定位和支撑连接作用，配合定位块确定导向结构
的高度。
22.进一步的，所述导向轮为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂，可对rebco带材定位导向，实现高效平稳的传输。
23.进一步的，所述导柱两端与支撑钣金固定，然后与导向轮配合连接，保证rebco带材传送稳定。
24.根据本发明的另一方面，提出一种皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法，包括步骤：
25.1)装置的组装：装置四个部分依次安装，接通电源后检测各装置的运行情况是否正常；
26.2)带材的试传送：首先将待分割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构部分另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳；
27.3)张力大小和尺寸调整：通过收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和张力大小；通过皮秒激光装置上的高精度光学平台进行加工尺寸的定位。
28.4)带材的分割：装置按照设置好的参数运行，再根据所需要求进行分割，以制备性能优异的多芯带材；
29.5)实时监测制备状态：由于可通过高精度光学平台实时监测制备状态。
30.进一步的，所述装置按第一部分皮秒激光装置，第二部分底座，第三部分送线和收线结构；第四部分导向结构依次安装。安装完毕后接通电源，检测各装置的运行是否正常。
31.进一步的，所述待分割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在定位板根据带材宽度进行定位，再从导向结构另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳。
32.进一步的，所述收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和确定张力大小；通过高精度光学平台对进行带材需要加工的位置进行定位，以确保分割深度和宽度的需求。
33.进一步的，所述待分割的rebco带材选择厚度约0.1mm，由于薄带材不会因较小弯曲而发生性能退化，且易于加工。如上海生产的st-4-e型号带材，宽度4mm，厚度0.09mm。基底厚度约50μm，缓冲层厚度约0.2μm，rebco超导层约1μm厚，ag保护层约1.5μm厚，cu稳定层约20μm厚。
34.进一步的，所述rebco带材分割面为近超导层，即通过分割cu稳定层、ag保护层和超导层等形成约深度和宽度分别为30μm左右的凹槽，从而获得rebco多芯带材。
35.进一步的，所述装置的制备状态可通过高精度光学平台实时监测，最后将检查合格的多芯超导带材用保护膜进行密封处理。
36.有益效果：
37.本发明提出的一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法与装置，相对于现有技术来说，该装置与制备方法不仅能实现快速制备超导多芯带材，还通过高端皮秒激光器制备出均匀分割深度和宽度的多芯带材，由于皮秒激光波长短，聚焦光斑更小，可实现超精细加工；且加工几乎没有热影响以及不需经常的更换刀具，大大提高了制备的效率和性能更优异的多芯带材。
附图说明
38.图1为本发明中基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的装置总体示意图；
39.图2为本发明中第一部分皮秒激光结构示意图；
40.图3为本发明中第二部分底座示意图；
41.图4为本发明中第三部分送线和收线结构示意图；
42.图5为本发明中第四部分导向结构示意图。
具体实施方式
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对现有技术和实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
44.本发明实施例提出了一种基于皮秒激光卷对卷制备rebco多芯带材的方法与装置，如图1所示，装置主要分为四大部分：第一部分为皮秒激光装置，由机柜101，固定脚102，光具座103，皮秒激光器104，激光头105，电动升降结构106，工件定位板107等七个零部件共同组成；第二部分为底座201；第三部分为送线和收线结构，包括支撑座301，螺栓302，线圈卡盘303，伺服电机304，放置板305；第四部分为导向结构，包括定位块401，支撑钣金402，导向轮403，导柱404。
45.图2为本发明中第一部分皮秒激光结构示意图；由机柜101，固定脚102，光具座103，皮秒激光器104，激光头105，电动升降结构106，工件定位板107等七个零部件共同组成；所述机柜101作为设备中不可或缺的组成部分，是电气控制设备的载体。一般由冷轧钢板或合金制作而成。可以提供对存放设备的防水、防尘、防电磁干扰等防护作用。所述固定脚102作为固定机柜101以及减少设备运行时的震动。所述光具座103是一种多功能的通用光学仪器，它配备了平行光管、透镜、偏正片及夹持器等独立组件，按需要排列、调节，可进行多项测试工作。所述皮秒激光器104作为一种产生脉宽为皮秒的激光器，利用其光斑小、脉冲宽度窄、波长短、速度快、穿透好、热量少、输出能量大、峰值功率高等特点，是目前超精密激光切割制备多芯带材的首选激光器。所述激光头105作为激光器中光驱的心脏，也是最精密的部分，主要包括激光发生器，半反光棱镜，物镜，透镜等构件，将激光束作用到加工材料上。所述电动升降结构106主要由底部基座、升降阻断柱、动力传动装置、控制等部分组成，以电能作为动力驱动工件定位板107的上升和下降。所述工件定位板107与电动升降结构106配合，可调整其高度，激光通过定位板上的孔进行定位，对通过的带材进行分割处理。
46.图3为本发明中第二部分底座201示意图；本发明中所述底座201主要起支撑和固定作用，采用不锈钢为制备材料，以保证装置的稳定运行；
47.图4为本发明中第三部分送线和收线结构示意图；包括支撑座301，螺栓302，线圈卡盘303，伺服电机304，放置板305。所述支撑座301主要起支撑和稳定作用，保证第二部分其它零部件的正常运转，尺寸大小由线圈卡盘的外径确定。所述螺栓302用于支撑座301和线圈卡盘303的连接，主要起固定作用。所述线圈卡盘303为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为亚克力板，外形尺寸根据预定匝数确定，可通过伺服系统按一定速度稳定的控制传输，用于放线和收线。所述伺服电机304选用交流伺服电机，通过其平稳的运转，可提供所
需大小的张力收放rebco带材所述放置板305用于放置伺服电机304，且放线部分和收线部分的放置板305的相对位置为对称安装，以确保装置的平衡。
48.图5为本发明中第四部分导向结构示意图；包括定位块401，支撑钣金402，导向轮403，导柱404。所述定位块401主要起支撑和固定作用，通过控制尺寸标准以确保导向结构的整体高度。所述支撑钣金402主要起定位和支撑连接作用，配合定位块401确定导向结构的高度。所述导向轮403为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂，可对rebco带材定位导向，实现高效平稳的传输。所述导柱404两端与支撑钣金402固定，然后与导向轮403配合连接，保证rebco带材传送稳定。
49.根据本发明的另一个实施例，还提出一种利用前述装置制备rebco多芯带材的方法，具体包括如下步骤：
50.步骤1.装置的组装；
51.步骤2.带材的试传送；
52.步骤3.带材的张力大小和尺寸调整；
53.步骤4.带材的分割；
54.步骤5.实时监测分割状态。
55.进一步的，所述步骤1中，装置的组装阶段：四个部分依次安装，接通电源后检测各装置的运行情况是否正常。
56.进一步的，所述步骤2中，带材的试传送阶段：首先将待分割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构部分另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳。
57.进一步的，所述步骤3中，带材的张力大小和尺寸调整阶段：通过收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和张力大小；通过皮秒激光装置上的高精度光学平台进行加工尺寸的定位。
58.进一步的，所述步骤4中，带材的分割阶段：装置按照设置好的参数运行，再根据所需要求进行分割，以制备性能优异的多芯带材。
59.进一步的，所述步骤5中，实时监测分割状态：由于可通过高精度光学平台实时监测制备状态。
60.以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式的概念图，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明权利要求书的保护范围之内。