JP2011167709A

JP2011167709A - 溶接方法および超伝導加速器

Info

Publication number: JP2011167709A
Application number: JP2010032515A
Authority: JP
Inventors: Shuho Tsubota; 秀峰坪田; Katsuya Sennyu; 克也仙入; Noriaki Inoue; 典亮井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01
Also published as: EP2537625A4; US8872446B2; CA2785685A1; EP2537625A1; WO2011102295A1; US20120256563A1; EP2537625B8; EP2537625B1

Abstract

【課題】ブローホールの発生および材料の酸化を防ぐことができる。
【解決手段】デフォーカスビーム（レーザビーム）１１は、照射方向に直交する断面におけるエネルギー密度Ｅの分布形状が中央部にピーク部１１ａを有するガウス分布形状であり、ピークエネルギー密度（ピーク部１１ａのエネルギー密度Ｅ）Ｅ_ｍａｘが５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２より大きいと共に、エネルギー密度の分布形状における全エネルギーのうちピーク部１１ａを中心に５０％のエネルギーが含まれる領域１１ｃの外周部１１ｄのエネルギー密度Ｅ_５０が、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘの７５％以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導加速管の製造過程における溶接方法およびその超伝導加速管を備える超伝導加速器に関する。

従来、超伝導加速管の製造過程において電子ビーム溶接が行われている。この電子ビーム溶接は、真空引きが必須であるため付帯作業が多いと共に、気中での溶接と比べて位置あわせに時間を要している。
レーザ溶接は、気中での施工が可能であり、適用により製造の効率化が期待できる。

特許文献１には、超伝導キャビティの直管の突合せ溶接部において開先を段付き形状とし、内側からのレーザ光による非貫通溶接を行った後に外側からのレーザ光による非貫通溶接を行う製造方法が開示されている。

特許第３９５９１９８号公報

部分溶け込み溶接では、溶接部分を貫通させないためブローホール（気泡）が発生しやすい。ブローホールの発生を防ぐためにビームをデフォーカスすること等により低アスペクト比の溶込み形状をした溶接が行われる場合があるが、特に金属がニオブ（Ｎｂ）の場合には、融点が約２５００℃と他の金属よりも高いため金属が溶融しにくく、溶接が困難であった。

また、ニオブなどの高融点金属を溶融させるために高ピークのビームによる溶接を行うと、ビード幅が細くなり、ブローホールが発生しやすくなる。部分溶込み溶接においては、ビード底部の曲率が小さくなるため、ビードが溶接部を貫通したり、溶接面の裏側に凸部が形成されたりする懸念があり、超伝導加速管の安定した品質を確保することができなかった。
また、レーザ溶接は、気中での施工が可能だが、特に酸化しやすいニオブなどの場合には酸化を防止した高品質の溶接施工が困難であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ブローホールの発生を防ぐと共に、ビードが溶接部を貫通したり溶接面の裏側に凸部を形成したりすることなく高品質な部分溶け込み溶接ができる溶接方法およびその溶接方法で製造された超伝導加速器を備える超伝導加速器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る溶接方法は、超伝導加速管の製造過程において超伝導加速管本体の外周部に筒状の補強部材をレーザビームで溶接するに際し、前記レーザビームは、前記レーザビームが照射される照射面におけるエネルギー密度の分布形状がピーク部を有するガウス分布形状であり、前記ピーク部のエネルギー密度が５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。

本発明では、レーザビームは、ピーク部のエネルギー密度が５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上であるので、超伝導加速管本体および補強部材が融点の高い金属材料で形成されていても、これらを十分に溶融させることができる。
そして、レーザビームは、エネルギー密度の分布形状がガウス分布形状であることにより、超伝導加速管本体と補強部材との溶接部は、キーホールの周面がなだらかな形状となり、アスペクト比の小さいビードが形成される。これにより、溶融した金属内の気泡が浮上して排出されやすいと共に、溶融した金属が流入してキーホールが崩れ気泡を巻き込むことを防げるので、ブローホールの発生を抑制することができる。

また、レーザビームは、エネルギー密度の分布形状がガウス分布形状であることにより、ビードが超伝導加速管本体を貫通したり、超伝導加速管本体の内側に凸部を形成したりすることなく部分溶け込み溶接を行うことができる。
そして、ピーク部で金属を溶融させることできるので、エネルギー密度がピーク部よりも低い外縁部側のエネルギーも金属の溶融に活用させることができるので、エネルギーの吸収特性を向上させることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る溶接方法は、前記エネルギー密度の分布形状における全エネルギーのうち前記ピーク部を中心に５０％のエネルギーが含まれる領域の外周部のエネルギー密度が、前記ピーク部のエネルギー密度の７５％以下であることを特徴とする。

本発明では、レーザビームは、エネルギー密度の分布形状における全エネルギーのうちピーク部を中心に５０％のエネルギーが含まれる領域の外周部のエネルギー密度が、ピーク部のエネルギー密度の７５％以下であることにより、エネルギー密度のピーク部から外縁部に向かう分布がなだらかになり、外縁部側のエネルギーの吸収特性を向上させることができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記超伝導加速管本体および補強部材はニオブで形成されていることが好ましい。
本発明では、超伝導加速管本体および補強部材はニオブで形成されていることにより、形成される超伝導加速管およびこの超伝導加速管を備える超伝導加速器の性能を高めることができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記照射面と、前記照射面の溶接方向における前方および後方と、前記超伝導加速管本体内部の前記照射面の裏面とに不活性ガスを供給することが好ましい。
本発明では、照射面と、照射面の溶接方向における前方および後方と、超伝導加速管本体内部の照射面の裏面とに不活性ガスを供給することにより、照射面およびその前後ならびに超伝導加速管本体内部の照射面の裏面を不活性ガス雰囲気とすることができるので、超伝導加速管本体および補強部材の酸化を防ぐことができる。また、超伝導加速管本体および補強部材が酸化傾向の大きい金属で形成されていても、これらの酸化を防ぐことができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記レーザビームを囲うように設けられたセンターノズルと、前記センターノズルの溶接方向における前方に設けられた前方ノズルと、前記センターノズルの溶接方向における後方に設けられた後方ノズルと、前記超伝導加速管本体内部の前記照射面の裏面に向けて設けられた裏面側ノズルとから前記不活性ガスを供給することが好ましい。
本発明では、レーザビームを囲うように設けられたセンターノズルと、センターノズルの溶接方向における前方に設けられた前方ノズルと、センターノズルの溶接方向における後方に設けられた後方ノズルと、超伝導加速管本体内部の照射面の裏面に向けて設けられた裏面側ノズルとから不活性ガスを供給するにより、レーザビームの照射面および照射面の溶接方向の前方、後方ならびに超伝導加速管本体内部の照射面の裏面へ不活性ガスを安定して供給することができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記補強部材と前記超伝導加速管本体との間に不活性ガスを供給することが好ましい。
本発明では、補強部材と前記超伝導加速管本体との間に不活性ガスを供給することにより補強部材の内側および超伝導加速管本体の酸化を防ぐことができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記超伝導加速管本体と前記補強部材との間には、周方向に空間を区画する仕切り板が設けられていて、前記補強部材には、前記仕切板に対して周方向一方側で前記補強部材の内側に不活性ガスを供給する供給口と、前記仕切板に対して周方向他方側で前記補強部材の内側の気体を排出する排出口とが設けられていることが好ましい。
本発明では、超伝導加速管本体と補強部材との間には、周方向に空間を区画する仕切り板が設けられていて、補強部材には、仕切板に対して周方向一方側で補強部材の内側に不活性ガスを供給する供給口と、仕切板に対して周方向他方側でその内側の気体を排出する排出口とが設けられていることにより、供給口から補強部材の内側に供給された不活性ガスは、超伝導加速管本体と補強部材との間の空間を周方向に移動して排出口から排出されるので、超伝導加速管本体と補強部材との間の空間を不活性ガス雰囲気とすることができる。

また、本発明に係る溶接方法では、前記超伝導加速管本体および補強部材をその中心軸が水平方向となるように設置し、前記超伝導加速管本体および補強部材の前記中心軸よりも上部側に前記レーザビームを照射して、前記超伝導加速管本体および補強部材を前記超伝導加速管の上端部から前記レーザビームに向う方向と逆方向に前記中心軸を中心に回転させることが好ましい。
本発明では、超伝導加速管本体および補強部材をその中心軸が水平方向となるように設置し、超伝導加速管本体および補強部材の中心軸よりも上部側に前記レーザビームを照射して、超伝導加速管本体および補強部材を超伝導加速管の上端部からレーザビームに向う方向と逆方向に中心軸を中心に回転させることにより、レーザビームに照射されて溶融した金属が、超伝導加速管本体および補強部材の回転により上部側に移動すると共に凝固し、レーザビームが照射される照射面へ垂れることがないので、効率よく溶接を行うことができる。

また、本発明に係る超伝導加速器では、上記のいずれかに記載の溶接方法によって製造された超伝導加速管を備えることを特徴とする。
本発明では、上記のいずれかに記載の溶接方法によって製造された超伝導加速管を備えることにより、超伝導加速器の品質を安定させることができる。

本発明によれば、レーザビームのピーク部で超伝導加速管本体と補強部材とを構成する金属材料を溶融することができ、超伝導加速管本体と補強部材との溶接部は、キーホールの周面がなだらかな形状で、アスペクト比の小さいビードが形成されるので、ブローホールの発生が抑制されると共に、ビードが超伝導加速管本体を貫通したり超伝導加速管本体の裏側に凸部を形成したりせずに部分溶け込み溶接を行うことができるので、超伝導加速管本体と補強部材と効率よく溶接でき、製造された超伝導加速管およびの超伝導加速管の品質を安定させることができる。

（ａ）は本発明の第一の実施の形態による超伝導加速管の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ａ）はデフォーカスビームの形状を示す図、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。（ａ）は第一の実施の形態によるデフォーカスビームのエネルギー分布形状を示す立体図、（ｂ）は（ａ）のピーク部を含む照射方向の断面図、（ｃ）照射面のエネルギー分布図である。（ａ）はジャストフォーカスビームのエネルギー分布形状を示す立体図、（ｂ）は（ａ）のピーク部を含む照射方向の断面図、（ｃ）照射面のエネルギー分布図である。（ａ）はデフォーカスビームによる溶接時の溶け込み形状およびキーホールを示す図、（ｂ）はジャストフォーカスビームによる溶接時の溶け込み形状およびキーホールを示す図、（ｃ）はジャストフォーカスビームによる溶接時のキーホールの側面の状態を説明する図で（ｄ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は（ｃ）のＣ−Ｃ線断面図である。（ａ）は他の形態のデフォーカスビームのエネルギー分布形状を示す立体図、（ｂ）は（ａ）のピーク部を含む照射方向の断面図、（ｃ）照射面のエネルギー分布図である。（ａ）は更に他の形態によるデフォーカスビームのエネルギー分布形状を示す立体図、（ｂ）は（ａ）のピーク部を含む照射方向の断面図、（ｃ）照射面のエネルギー分布図である。平均出力の異なるデフォーカスビームによる溶接状態を説明する図である。（ａ）、（ｂ）は第二の実施の形態による溶接方法を説明する図である。第三の実施の形態による溶接方法を説明する図である。

以下、本発明の第一の実施の形態による溶接方法について、図１乃至図８に基づいて説明する。
まず、第一の実施の形態による超伝導加速管について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、超伝導加速管１は、溶接により接合された複数のハーフセル２からなる管体（超伝導加速管本体）３と、管体３を補強する強め輪（補強部材）４とを備えている。
ハーフセル２は、ニオブ等の板状の超伝導材料が中央に開口部を有する椀状にプレス加工されたものである。２つのハーフセル２は、その小径側の端部２ａが接合されてダンベル形状部材５（図１（ａ）参照）を構成し、このダンベル形状部材５が軸方向に複数接合されて管体３が形成される。
管体３は、外周に凹状のアイリス部６と凸状の赤道部７とを備え、軸方向の断面が波形で（図１（ａ）参照）、径方向の断面が環状（図１（ｂ）参照）である。

強め輪４は、ニオブ等の超伝導材料で形成され、アイリス部６を覆うように設けられた円筒状の部材で、管体３の補強を目的として設けられている。強め輪４は、２つの半円筒状の部材が組み合わされて円筒状に形成され、軸方向の端部４ａがアイリス部６の近傍に溶接されている。
なお、強め輪４は、円筒をその径方向に３つ以上に分割した部材が組み合わされた構成としてもよい。また、強め輪４を構成する部材間に隙間が設けられていてもよい。
上述した構成の超伝導加速管１は、超伝導加速器（不図示）の部材として使用される。

次に、第一の実施の形態による超伝導加速管の製造方法について図面に基づいて説明する。
まず、板状の純ニオブを中央に開口部を有する椀状にプレス加工して図１（ａ）、（ｂ）に示すハーフセル２を形成し、２つのハーフセル２の小径側の端部２ａを接合してダンベル形状部材５を形成する。

次に、ダンベル形状部材５と強め輪４とを溶接する。
ダンベル形状部材５と強め輪４とは、ダンベル形状部材５の外周面へ強め輪４の端部４ａが付着されて接合されている。
このとき、ダンベル形状部材５の内側に溶接ビードや溶接による凸部が形成されると、超伝導加速器の品質を低下させるため、ダンベル形状部材５と強め輪４との溶接は、外側からのレーザビームによる部分溶け込み溶接とし、さらにダンベル形状部材５の内側に凸部が形成されないようにする。

ダンベル形状部材５と強め輪４との溶接は、図３に示すようなエネルギー密度の分布を有するビームによるレーザ溶接とする。以下、このビームをデフォーカスビーム（レーザビーム）１１と称し、このデフォーカスビーム１１については後述する。
デフォーカスビーム１１をダンベル形状部材５と強め輪４との溶接部８の一点に照射して溶融させると共に、ダンベル形状部材５および強め輪４をその中心軸９を中心に回転させ、溶接部８全体にデフォーカスビーム１１を照射してダンベル形状部材５と強め輪４とを溶接する。
そして、強め輪４が溶接された複数のダンベル形状部材５を軸方向に接合して、超伝導加速管１が完成する。

次に、第一の実施の形態による溶接方法に使用するデフォーカスビームについてジャストフォーカスビームと比較して説明する。
デフォーカスビーム１１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにレーザビームの焦点をずらしたり、レンズ形状を変えたりすることで、図３に示すようなエネルギー密度の分布を有するビームに形成される。本実施の形態では、焦点をずらしてデフォーカスビーム１１を形成している。デフォーカスビーム１１は、デフォーカス量が焦点距離２００ｍｍレンズ使用時で＋５ｍｍとし、レーザビーム径Φを１．６７ｍｍ程度とする。
従来、溶接には、図４に示すようなエネルギー分布を有するビームが使用されている。以下、このビームをジャストフォーカスビーム（レーザビーム）１２と称する。
ジャストフォーカスビーム１２は、図２（ｃ）に示すように焦点を絞って形成されるビームである。
ここで、デフォーカスビーム１１が照射され、照射方向に直交する面を照射面１３とし、ジャストフォーカスビーム１２が照射され、照射方向に直交する面を照射面１４とし、以下説明する。

デフォーカスビーム１１は、照射面１３におけるエネルギー密度の分布形状をあらわすと、図３に示すようなガウス分布形状にあらわされる。これに対し、ジャストフォーカスビーム１２は、照射面１４におけるエネルギー密度Ｅの分布形状をあらわすと、図４に示すようなエネルギー密度Ｅに差が少ない略円筒状にあらわされる。
いずれのレーザビームも平均出力を４５００Ｗ、速度を２．０ｍ／ｍｉｍとする。

図３および図４を用いてデフォーカスビーム１１とジャストフォーカスビーム１２とを比較すると、デフォーカスビーム１１は、ジャストフォーカスビーム１２よりもその径が広いことがわかる。
また、デフォーカスビーム１１およびジャストフォーカスビーム１２は、中央部にエネルギー密度Ｅのピーク部１１ａ、１２ａを有しており、各ピーク部１１ａ、１２ａのエネルギー密度（以下、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘとする）は大差ないが、ピーク部１１ａ、１２ａから外縁部１１ｂ、１２ｂ側に向うにつれて、デフォーカスビーム１１はエネルギー密度Ｅがなだらかに減少するのに対して、ジャストフォーカスビーム１２はほとんど減少しない。

ここで、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、全エネルギーのうちピーク部１１ａ、１２ａを中心に５０％のエネルギーが含まれる領域１１ｃ、１２ｃの外周部１１ｄ、１２ｄエネルギー密度をエネルギー密度Ｅ_５０とし、デフォーカスビーム１１およびジャストフォーカスビーム１２のピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合を比較する。
本実施の形態によるデフォーカスビーム１１は、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが６．９×１０^５Ｗ／ｃｍ^２、エネルギー密度Ｅ_５０が５．１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２で、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合は７３．９％となる。
なお、デフォーカスビーム１１のピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合は７５％以下とすることが好ましい。
また、デフォーカスビーム１１のエネルギー密度Ｅ_８６は、２．４×１０^５Ｗ／ｃｍ^２となる。ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_８６の割合は３４．８％である。

これに対し、ジャストフォーカスビーム１２は、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが７．２×１０^５Ｗ／ｃｍ^２、エネルギー密度Ｅ_５０が６．０×１０^５Ｗ／ｃｍ^２で、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合は８３．３％となる。
また、ジャストフォーカスビーム１２のエネルギー密度Ｅ_８６は、５．１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２となる。ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_８６の割合は７０．８％である。

このとき、デフォーカスビーム１１、ジャストフォーカスビーム１２のいずれもピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘは５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上の値となるように設定し、好ましくは６．０×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上に設定する。このように、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘを５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２よりも大きい値とすることで、融点が約２５００℃であるニオブの溶融を行うことができる。

上述したデフォーカスビーム１１で溶接を行うと、ピーク部１１ａが金属を蒸発・溶融させ、外縁部１１ｂ側は、金属の溶融状態を保持するが、さらに金属を蒸発させることが無いので、図５（ａ）に示すようなキーホール１５が広い範囲になだらかに形成される。
これに対し、ジャストフォーカスビーム１２で溶接を行うと、ピーク部１２ａと共に外縁部１１ｂ側も金属を溶融するため、図５（ｂ）に示すような狭い範囲に深いキーホール１６が形成される。
このようなジャストフォーカスビーム１２による溶接では、図５（ｃ）、（ｄ）に示すようにキーホール１６の溶接方向（図５（ｄ）の矢印の方向）の側方および後方の側面１６ａの溶融した金属１７がキーホール１６の底部１６ｂ側へ移動しやすく、この移動にともない、気泡が入り込みブローホール１８となることがある。
また、ジャストフォーカスビーム１２による溶接では、キーホール１６が深いため、ビードが溶接面を貫通したり、溶接面の裏側に凸部を形成したりする虞がある。

次に、上述した第一の実施の形態による溶接方法の作用について図面を用いて説明する。
第一の実施の形態による溶接方法によれば、照射面１３におけるエネルギー密度の分布形状がガウス分布形状であり、更にピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合が７５％以下のデフォーカスビーム１１で溶接を行うことにより、同じ平均出力のジャストフォーカスビーム１２による溶接と比べて、広い範囲になだらかなキーホールを形成できる、アスペクト比の小さいビードを形成することができるので、溶接部８の溶融した金属内の気泡が浮上して排出されやすいと共にキーホールの側面の溶融した金属が崩れて気泡を巻き込みにくくブローホール１８の発生を抑制することができる。
また、アスペクト比の小さいビードが形成され、キーホールを形成するための蒸発反力が小さいので、キーホールおよびビードがダンベル形状部材５を貫通したり、ダンベル形状部材５の裏側に凸部を形成したりすることが無く、部分溶け込み溶接を行うことができる。

また、デフォーカスビーム１１は、ピーク部１１ａが５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上のピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘを有することにより、ニオブなどの融点の高い金属も十分に溶融させることができる。

上述した第一の本実施の形態による溶接方法では、デフォーカスビーム１１で溶接を行うことにより、溶接部８のブローホール１８を抑制でき、ビードがダンベル形状部材５を貫通したり、ダンベル形状部材５の裏側に凸部を形成したりすることが無く部分溶け込み溶接を行うことができるので、超伝導加速管１を効率よく製造できると共に、超伝導加速管１およびこの超伝導加速管１を備える超伝導加速器の品質が安定するという効果を奏する。
また、ピーク部１１ａで金属を溶融させることできるので、エネルギー密度Ｅがピーク部１１ａよりも低い外縁部側のエネルギーも溶融した金属に活用させることができるので、エネルギーの吸収特性を向上させることができる。

次に、第一の実施の形態によるデフォーカスビーム１１と異なるエネルギー密度の分布形状を有するデフォーカスビームでニオブからなるダンベル形状部材５と強め輪４との溶接を行い、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘ、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合と溶接状態との関係を確認した。
図６に示すデフォーカスビーム１９ａは、平均出力が４５００ｗで、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが６．６×１０^５Ｗ／ｃｍ^２、エネルギー密度Ｅ_５０が３．９×１０^５Ｗ／ｃｍ^２である。ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合は、５９．１％、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_８６の割合は、２２．７％である
このデフォーカスビーム１９ａによる溶接では、ダンベル形状部材５と強め輪４とを接合することができ、ダンベル形状部材５にビードが貫通したり、ダンベル形状部材５の裏側に凸部が形成されたりすることは無かった。

図７に示すデフォーカスビーム１９ｂは、平均出力が４５００ｗで、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが５．７×１０^５Ｗ／ｃｍ^２、エネルギー密度Ｅ_５０が３．０×１０^５Ｗ／ｃｍ^２エネルギー密度Ｅ_８６が１．２×１０^５Ｗ／ｃｍ^２である。ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合は、５２．６％、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_８６の割合は、２１．１％である。
デフォーカスビーム１９ｂによる溶接では、ダンベル形状部材５および強め輪４が溶融しなく接合できなかった。これは、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが５．７×１０^５Ｗ／ｃｍ^２であり、ピーク部のエネルギー密度Ｅが不足したためであると考えられる。

次に、第一の実施の形態によるデフォーカスビーム１１と異なる平均出力のデフォーカスビームでニオブからなるダンベル形状部材５と強め輪４との溶接を行い、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘ、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ_５０の割合と溶接状態との関係を確認した。
図８に示す試験体ＨＳ−１０、ＨＳ−９、ＨＳ−８について溶接を行ったところ、ＨＳ−１０は溶接できたが、ＨＳ−９、ＨＳ−８については溶接できなかった。
このことから、平均出力が異なるデフォーカスビームであっても、ピークエネルギー密度Ｅ_ｍａｘが５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２より高ければ、深さ制御した部分溶け込み溶接を行うことができることがわかる。

次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一の実施の形態と異なる構成について説明する。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、第二の実施の形態による溶接方法では、不活性ガスＧを供給しながらレーザ溶接を行う。
不活性ガスＧは、デフォーカスビーム１１の照射面１３と、この照射面１３の溶接方向における前方および後方と、超伝導加速管１の管体３内部の照射面１３の裏面と、ダンベル形状部材５と強め輪４との間の空間２５とに供給される。
本実施の形態では、ダンベル形状部材５および強め輪４が図９における矢印Ａの方向に回転して溶接が行われており、溶接方向は矢印Ａの逆方向となる。

図９（ａ）に示すように、デフォーカスビーム１１の照射面１３と、この照射面１３の溶接方向における前方および後方とに不活性ガスＧを供給する不活性ガス供給手段２１は、デフォーカスビーム１１を囲うように設けられたセンターノズル２２と、センターノズル２２の溶接方向における前方に設けられた前方ノズル２３と、センターノズル２２の溶接方向における後方に設けられた後方ノズル２４とから構成される。不活性ガス供給手段２１は、強め輪４と所定の間隔をあけて設けられており、前方ノズル２３および後方ノズル２４の強め輪４と対向する面２３ａ、２４ａは、強め輪４の円筒形状に対応した湾曲した面に形成されている。
溶接作業時には、センターノズル２２、前方ノズル２３、後方ノズル２４とから同時に不活性ガスＧを供給する。

図９（ｂ）に示すように、超伝導加速管１の管体３内部の照射面１３の裏面には、管体３内部の照射面１３の裏面に向けて設けられた裏面側ノズル２９から不活性ガスＧを供給する。
なお、管体３内部の照射面１３の裏面のみでなく管体３内部全体を不活性ガス雰囲気として溶接を行ってもよい。

また、図９（ａ）に示すように、ダンベル形状部材５と強め輪４との間の空間２５への不活性ガスＧの供給は以下のように行う。
この空間２５には、空間２５を周方向に区画する仕切り板２６が設けられていて、空間２５内の気体は仕切り板２６を貫通することができない構成である。強め輪４には、仕切り板２６に対して周方向一方側で空間２５に不活性ガスＧが供給される供給口２７と、仕切り板２６に対して周方向他方側で空間２５の空気を排出する排出口２８とが形成されている。供給口２７と排出口２８とは、仕切り板２６を介して近設されている。

供給口２７から空間２５に不活性ガスＧが供給されると、排出口２８から空間２５内の気体が排出される。このとき、空間２５が仕切り板２６で仕切られていることで、供給された不活性ガスＧは空間２５を周方向に移動し、空間２５内に充満した後に排出口２８から排出されることになる。
なお、本実施の形態では、１つの仕切り板２６を設けているが、複数の仕切り板２６を設けてダンベル形状部材５と強め輪４との間の空間２５を複数に分割し、それぞれに供給口２７および排出口２８を設ける構成としてもよい。

第二の実施の形態による溶接方法では、第一の実施の形態と同様の効果を奏すると共に、溶接部８に不活性ガスＧが安定して供給されることにより、ダンベル形状部材５および強め輪４の酸化を防ぐことができる。
また、チャンバー全体を不活性ガス雰囲気にして溶接を行う方法と比べて、溶接対象であるダンベル形状部材５および強め輪４の入れ替えを容易に行うことができると共に、チャンバー内の作業でないため、位置あわせを容易に行うことができる。

次に第三の実施の形態による溶接方法について図面に基づいて説明する。
図１０に示すように、第三の実施の形態による溶接方法では、ダンベル形状部材５および強め輪４をその軸方向が水平方向となるように設置し、ダンベル形状部材５および強め輪４の中心軸９を中心に図中の矢印Ａの方向に回転させて行う。そして、デフォーカスビーム１１の照射面１３は、軸方向を水平方向とする強め輪４の上端部４ｂから図中の矢印Ａの方向と逆方向に０°〜９０°の範囲で回転させ中心軸９と同じ高さもしくは中心軸９の上部側の位置とする。好ましくは、強め輪４の上端部４ｂから図中の矢印Ａの方向と逆方向に５〜４５°回転した位置とする。

第三の実施の形態による溶接方法では、第一の実施の形態と同様の効果を奏する。そして、デフォーカスビーム１１に照射されて溶融した金属が、ダンベル形状部材５および強め輪４の回転により上部側に移動すると共に凝固し、デフォーカスビーム１１が照射される照射面１３へ垂れることがないので、第三の実施の形態による溶接方法では、効率よく溶接を行うことができる。

以上、本発明による溶接方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、超伝導加速管１および強め輪４は、純ニオブで形成されているが、純ニオブ以外の金属や、ニオブを含む材料で形成されていてもよい。
また、上述した第二の実施の形態では、不活性ガスＧは、照射面１３と、この照射面１３の溶接方向における前方および後方に供給されているが、溶接速度や溶接部８に要求される溶け込み深さに応じて照射面１３のみに不活性ガスＧを供給してもよい。また、他の不活性ガスＧの供給方法で不活性ガス雰囲気を形成して溶接を行ってもよい。

１超伝導加速管
３管体（超伝導加速管本体）
４強め輪（補強部材）
６アイリス部
８溶接部
９中心軸
１１デフォーカスビーム（レーザビーム）
１１ａピーク部
１１ｃ領域
１１ｄ外周部
１３照射面
２１不活性ガス供給手段
２２センターノズル
２３前方ノズル
２４後方ノズル
２５空間
２６仕切り板
２７供給口
２８排出口
２９裏面側ノズル
Ｇ不活性ガス

Claims

超伝導加速管の製造過程において超伝導加速管本体の外周部に筒状の補強部材をレーザビームで溶接する方法であって、
前記レーザビームは、前記レーザビームが照射される照射面におけるエネルギー密度の分布形状がピーク部を有するガウス分布形状であり、前記ピーク部のエネルギー密度が５．８×１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする溶接方法。
前記エネルギー密度の分布形状における全エネルギーのうち前記ピーク部を中心に５０％のエネルギーが含まれる領域の外周部のエネルギー密度が、前記ピーク部のエネルギー密度の７５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記超伝導加速管本体および補強部材はニオブで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接方法。
前記照射面と、前記照射面の溶接方向における前方および後方と、前記超伝導加速管本体内部の前記照射面の裏面とに不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接方法。
前記レーザビームを囲うように設けられたセンターノズルと、前記センターノズルの溶接方向における前方に設けられた前方ノズルと、前記センターノズルの溶接方向における後方に設けられた後方ノズルと、前記超伝導加速管本体内部の前記照射面の裏面に向けて設けられた裏面側ノズルとから前記不活性ガスを供給することを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
前記補強部材と前記超伝導加速管本体との間に不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶接方法。
超伝導加速管本体と前記補強部材との間には、周方向に空間を区画する仕切り板が設けられていて、前記補強部材には、前記仕切板に対して周方向一方側で前記補強部材の内側に不活性ガスを供給する供給口と、前記仕切板に対して周方向他方側で前記補強部材の内側の気体を排出する排出口とが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の溶接方法。
前記超伝導加速管本体および補強部材をその中心軸が水平方向となるように設置し、前記超伝導加速管本体および補強部材の前記中心軸よりも上部側に前記レーザビームを照射して、前記超伝導加速管本体および補強部材を前記超伝導加速管の上端部から前記レーザビームに向う方向と逆方向に前記中心軸を中心に回転させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の溶接方法。
請求項１乃至８のいずれかに記載の溶接方法によって製造された超伝導加速管を備えることを特徴とする超伝導加速器。