JP2001267120A - 超電導コイルの接合方法及び超電導磁石 - Google Patents

超電導コイルの接合方法及び超電導磁石

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久宣 岡村
Masahiko Sakamoto
征彦 坂本
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding

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Abstract

(57)【要約】 【課題】接合による超電導コイルの特性が劣化せず、信
頼性の高い超電導コイル導体及び前記コイルを用いた超
伝導磁石を得る。 【解決手段】超電導線材がアルミニウムまたは銅からな
る安定化材の中に埋め込まれた超電導コイル導体の接合
方法において、前記アルミニウムまたは銅の安定化材同
士の接合は、摩擦攪拌接合法により接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導コイルの接合
方法に関し、特に超電導線材に接合による超電導線材の
熱的損傷を与えない超電導コイルの接合に適した接合方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に超電導線材はが外部からの熱的、
機械的、磁気的な影響に極めて不安定である。例えば、
Nb−Ti、Nb−Zrなどの合金系は400℃以上、Nb3Al、Nb3S
n、Nb3Geなどの金属間化合物系は300℃以上、LaBaCuO
LaSrCuOなどの酸化物系は200℃以上の温度で熱的な損傷
を受けて超電導特性が失われる。このため、前記超電導
線材はアルミニウムまたは銅からなる安定化材の中に埋
込まれ、超電導コイルとして使用される。
【0003】前記超電導線材を接合する場合、前記超電
導線材の熱的損傷を防止するため、比較的低温で接合で
きるはんだ付または超音波接合方法が利用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記はんだ付によるは
んだ付部の強度は室温でも2〜4kg/mm2と低い。さら
に、超電導コイルが使用される液体He中または液体窒素
中ではさらに低下し、信頼性の点で問題がある。さら
に、安定化材がアルミニウムの場合は、はんだ付が極め
て困難である。
【0005】例えば、安定化材がアルミニウムの場合は
前記アルミニウムの表面に銅めっきを施した後、はんだ
付を行う。このため、はんだ付作業が煩雑となり信頼性
の確保が困難である。
【0006】一方、超音波接合の場合は連続的な接合が
困難である。このため、前記コイルを長手方向に接合す
ることは困難である。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記アルミニウムまたは
導の安定化材同士の接合は摩擦攪拌接合法により接合す
ることにより、接合強度及び信頼性の高い超電導コイル
導体が得られる。
【0008】前記摩擦攪拌接合方法は、実質的に前記ア
ルミニウムまたは銅の材質よりも硬い材質の金属棒(ツ
ール)を前記安定化材の接合部に挿入し、このツールを
回転させながら移動するかまたは超電導コイル自体を移
動することによって、前記、ツールと前記、安定化材と
の間で発生する摩擦熱により接合する方法である。これ
は特公表7ー505090号公報(EPO615480B1)で公知であ
る。つまり、前記ツールと加工物との摩擦熱による塑性
流動現象を利用したもので、アーク溶接のように加工物
を溶かして溶接するものでなはい。さらに、この摩擦攪
拌接合方法は、従来の摩擦溶接方法のように、加工物同
士を回転させてその摩擦熱による溶接方法とは異なり、
加工物を接合線長方向、つまり、長手方向に連続的に接
合できる特徴がある。
【0009】超電導線材がアルミニウムまたは銅からな
る安定化材の中に埋め込まれた超電導コイル導体の接合
において、前記、摩擦攪拌接合により超電導線材が熱的
及び機械的な損傷を受けないように接合できる。つま
り、前記超電導線材に前記摩擦攪拌接合による熱的及び
機械的な悪影響が及ばないように接合できる。例えば、
水、オイルなどの冷却材の中で接合する。または前記ツ
ールの近傍に前記冷却材をかけながら接合することによ
り、100℃以下で接合できる。このため、超電導コイル
の特性が劣化しない信頼性の高い接合部が得られる。
【0010】
【発明の実施の形態】(実施例1)図1はNb−Tiからな
り金属系の超電導線材1がアルミニウムからなる安定化
材2の中に埋め込まれた超電導コイル導体同士を摩擦攪
拌接合方法によって前記線材の長手方向に接合する場合
の斜視図を示す。図2は図1のA−A方向の断面を示す。
本実施例における前記、アルミニウム安定材2の厚さ5m
m、幅は8mm、摩擦攪拌接合部3の長さは500mmである。
【0011】図1及び図2において、前記接合用の回転
ツール4は、先端のピン部5と前記ピン部より太いショ
ルダ部6からなっている。前記、ピン部5の長さの全部
が超電導コイル導体の接合部3に回転した状態で挿入さ
れる。ここで、ショルダ部6もわずかに挿入される。前
記挿入後、前記ツールを回転した状態で長手方向に移動
することにより、前記ツールと前記アルミニウム導体と
の間に生じる摩擦攪拌作用により接合される。
【0012】本実施例における前記ツールのピン部5の
径は3mm、長さは2mm、ショルダ部6の径は8mm、接合速
度は400mm/min、回転数は800rpmである。
【0013】前記接合方法において、前記ツール5のピ
ン先端6が前記超電導線材2に近い場合は機械的な摩擦
力と摩擦熱により超電導特性が劣化する。このため、ツ
ールのピン先端6は、前記超伝導線材との間を一定以上
に離す必要がある。本実施例では、前記の間が2mm以上
の場合に前記超伝導線材の超伝導特性を劣化せずに接合
できる。従って、本実施例では前記ピン先端5と前記線
材1との距離7を2mm以上離して接合する。このため、
前記超電導コイル導体の表裏両面から分割して接合する
ことが望ましい。前記接合方法により接合した超電導コ
イル導体は液体ヘリウム中でも全く超電導特性の劣化は
見られない。この超電導コイルを加速器用超伝導磁石に
使用した。
【0014】(実施例2)前記摩擦攪拌接合方法は、接
合のスタート部と終端部に欠陥が発生しやすいため、前
記コイル導体の信頼性が低下する。このため、前記接合
のスタートと終端部を接合部3からは外して接合するこ
とが望ましい。図3は実施例1と同じ超電導体コイル導
体の摩擦攪拌接合において、接合のスタート部8と終端
部9を接合部3から外して接合する場合の斜視図を示
す。超電導線材1及び安定化材2並びに接合条件は実施
例1と同じである。なお、本実施例では、接合部の前記
ツールの周囲に水をかけ、接合部近傍を冷却しながら接
合する。前記接合方法により、100℃以下で接合ができ
るため、接合による超電導特性の劣化がない。従って、
液体ヘリウム中でも信頼性の高い超電導特性が得られ
る。前記コイルを医療用の超電導磁石に使用する。
【0015】(実施例3)図4はNb3Alからなるか超電
導線材1が銅からなる安定材の中に埋め込まれている超
電導コイル導体を水槽10の中で摩擦攪拌接合する場合
の接合部の断面を示す。前記、Nb3Alの金属間化合物か
らなるの超電導線材1は300℃以上の温度では超電導特
性が失われるため、300℃以下で接合する必要がある。
このため、本発明では、図4に示すごとく水温10°の水
11の中で摩擦攪拌接合している。本実施例における前
記、銅安定化材は厚さ8mm、幅15mmである。これを接合
長さ1000mmにわたり15℃の水槽で溶接する。本実施例に
おけるツール1の先端部の径は3mm、太い部分の径12mm
である。
【0016】この細い部分が突合わせ溶接部に挿入さ
れ、回転しながら溶接線方向に移動する。また、ツール
の回転数は800rpm、移動速度は300mm/minである。
【0017】この場合、前記ツール4のピン先端5が前
記超電導線材に近い場合は機械的な摩擦力と摩擦熱によ
り超電導特性が劣化する。このため、ツール4のピン先
端5は、前記超電導線材との間を一定以上に離す必要が
ある。本実施例では前記ピン先端と前記線材との間を2m
m以上離して接合する。また、本実施例では、表裏両面
から2回に分けて接合する。1回の接合は100℃以下の
温度できるため、接合による超電導特性の劣化がない。
従って、液体ヘリウム中でも信頼性の高い超電導特性が
得られる。前記コイルを医療用の超電導磁石に使用す
る。この超電導コイルを加速器用超電導磁石に使用し
た。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、接合による超電導コイ
ルの特性が劣化しないため、信頼性の高い超電導コイル
導体及び前記コイルを用いた超伝導磁石が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施例を示す図1の断面図である。
【図3】本発明の実施例を示す斜視図である。
【図4】本発明の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…超電導線材金属棒、2…安定化材、3…接合部、4
…接合用ツール、5…ツール先端部、6…ツールショル
ダ部、7…ツールピン先端と超電導線材とも間隔、8…
接合スタート部、9…接合終端部、10…水槽、11…
水。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超電導線材がアルミニウムまたは銅から
    なる安定化材の中に埋め込まれた超電導コイル導体の接
    合方法において、前記アルミニウムまたは銅の安定化材
    同士の接合は、摩擦攪拌接合法により接合することを特
    徴とする超電導コイル導体の接合方法。
  2. 【請求項2】 請求項1から2項で記載の接合は、水ま
    たはオイルまたは不活性ガスのいずれかの冷却材の中で
    接合することを特徴とする超電導コイル導体の接合方
    法。
  3. 【請求項3】 前記安定化材同士の接合は、前記超電導
    線材の長手方向に平行に接合されていることを特徴とす
    る超電導コイル。
  4. 【請求項4】 請求項1から3項記載のいずれかの方法
    で接合された超電導コイルを用いた超伝導磁石。
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