JP5781278B2 - 溶接装置 - Google Patents
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Description
このように外側から貫通溶接するものでは、超伝導加速空洞の内部における溶接状態に予期せぬ凹凸ができるので、後処理に時間を要する。また、超伝導加速空洞を駆動する駆動系、電子銃等が真空雰囲気中に入っているので、真空容器の容積が大きく装置が大型化し高価となる。真空容器の容積が大きいため真空雰囲気を形成するのに時間がかかるので、作業時間が長くなり作業コストが高くなる。
これを行うものとして、たとえば、特許文献1に示されるようなアルゴン雰囲気でレーザ溶接を用いて超伝導加速空洞の接合を内側から行うものが提案されている。
しかしながら、アルゴン雰囲気中でレーザ溶接を行うものでは十分な性能がでない可能性がある。
この場合、レーザ光は溶接開先の正対位置に対して傾斜して入射されるので、レーザ光の照射位置によっては、溶接開先を外れる恐れがあり、溶接の健全性を十分に担保できない。また、レーザ光の照射位置を溶接開先に対してずらせる(オフセットする)等位置決め作業が難しいという課題がある。
すなわち、本発明の一態様は、軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体であるハーフセルと端板とビームパイプとを該軸線方向に配列し、相互の開口部同士をレーザ溶接によって接合して超伝導加速空洞のエンドパーツを形成させる溶接装置であって、真空雰囲気を形成可能な真空室と、該真空室内に設置され、前記ハーフセルと前記端板との開口部同士が隣接する溶接開先および前記端板と前記ビームパイプとの開口部同士が隣接する溶接開先を形成し、複数の前記溶接開先の径が同じである前記エンドパーツを保持する保持部材と、前記エンドパーツの軸線中心が交差する前記真空室の壁部に設置され、該壁部の一部を構成する窓部材と、前記真空室の外部に設置され、前記窓部材を通して前記エンドパーツの内部空間にレーザ光を照射するレーザ照射部材と、前記エンドパーツの内部空間に位置するように、前記レーザー照射部材とは別に設置され、前記レーザー照射部材から照射され前記窓部材を通過した前記レーザ光を反射した反射レーザ光が前記溶接開先に正対する方向になるように調整するミラー部材と、が備えられ、前記ミラー部材を固定したまま、前記真空室の外部に設置された前記レーザ照射部材の水平方向位置を調節して、軸方向に異なる位置にある前記複数の前記溶接開先に前記反射レーザ光を照射させる溶接装置である。
また、レーザ光が溶接開先に対して正対する方向から照射されるので、容易に位置を決めることができるし、溶接が溶接開先を外れる恐れを抑制できる。したがって、溶接の健全性を十分に担保できるので、溶接品質を向上させることができる。
さらに、真空室内にレーザ照射部材が設置されないので、コンパクトな装置構成とでき、安価な設備とすることができる。真空雰囲気の範囲が狭いので、真空雰囲気の形成が短時間で行うことができる。このため、作業時間が短縮できるので、作業コストを安価にできる。
このようにすると、エンドパーツは全周に亘ってなめらかに溶接を行うことができる。
本態様では、ミラー部材は冷却部材によって冷却されているので、発熱しても冷却することができる。これにより、たとえば、ミラー部材が変形することを抑制できるので、レーザ光の照射位置を正確にでき、溶接品質を向上させることができる。
本態様では、ミラー部材は、その反射面中心が軸線中心よりも反射レーザ光の照射方向と反対側にずれて設置されているので、溶接される部分とミラー部材との距離はエンドパーツの軸線中心位置に位置するミラー部材に比較して大きくすることができる。これにより、ミラー部材への金属蒸気の付着をより抑制することができるので、溶接品質を向上させることができる。
本態様では、ミラー部材の反射面および窓部材の内面のそれぞれ近傍に不活性ガスを供給するガス供給部材が設置されているので、ガス供給部材から不活性ガスを供給すると、ミラー部材の反射面および窓部材の内面のそれぞれ近傍位置の圧力が少し高くなる。ミラー部材の反射面および窓部材の内面のそれぞれ近傍位置の圧力が高くなると、その圧力によって飛散する金属蒸気を押し返すことができるので、金属蒸気のミラー部材の反射面および窓部材の内面への付着を抑制することができる。
したがって、レーザ光の強度の低下を抑制できるので、溶接品質を向上させることができる。
図1は、本発明の一実施形態にかかる溶接装置1によって製造されたエンドパーツ5が取り付けられた超伝導加速空洞3の正面図である。図2は、本発明の一実施形態にかかる溶接装置1の概略構成を示す断面図である。図3は、本発明の一実施形態にかかるミラーを示す部分正面図である。
空洞部7は、中央部が膨らんだ円筒形状のセル9が組み合わされた構造体である。超伝導加速空洞3は、たとえば、超伝導材料であるニオブ材を曲げ加工、プレス成型加工して、セル9が軸線方向で2分割されたハーフセル11が形成される。ハーフセル11は、軸線方向Lにおいてセル9の最も膨らんだ部分である赤道部13と最も引っ込んだ部分であるアイリス部15との間に延在している。
空洞部7は、複数のハーフセル11が赤道部13同士あるいはアイリス部15同士が重なるよう溶接によって接合されて形成される。空洞部7の両端は、それぞれハーフセル11の赤道部13が位置している。
端板17は、液体ヘリウムが導入されるヘリウムジャケットの両端部を構成するものであり、たとえば、チタン製とされる。ビームパイプ19は、たとえば、ニオブ製の中空円筒部材であり、一端にフランジ21が設けられている。
端板17の軸線方向L一端には、全周に亘りハーフセル11のアイリス部15が係合する凹部が形成され、他端にはビームパイプ19の端部が係合する凹部が形成されている。
空洞部7の両端部に位置するハーフセル11の赤道部13に、エンドパーツ5の一端に位置するハーフセル11の赤道部13が溶接によって接合されて、超伝導加速空洞3が形成される。
保持部材25には、エンドパーツ5の両端部を強固に保持する上保持板41および下保持板43と、上保持板41および下保持板43間を連結し、その間隔を維持する複数の拘束シャフト45と、下部が真空チャンバー23の下端面部47に固定して取り付けられ、上部が軸線中心Oの回りに回転可能とされているポジショナ49とが備えられている。
下保持板43の下部は、ポジショナ49の上部に固定して取り付けられている。
下端面部47の下部には、ポジショナ49の上部を回転させる減速機付きのモータ51が取り付けられている。
レーザ照射ヘッド35は、水平面内に移動可能に取り付けられている。レーザ照射ヘッド35は水平面内で移動することによって照射されるレーザ光33の位置を水平面内で調整することができる。
冷却配管61は曲折され、上端部の軸線中心O1は、軸線中心Oに対して一致しないようにされている。ミラー部材37は、軸線中心O1が上面53の面内中心を通って、軸線中心O側が下側に位置するように取り付けられている。
これにより、ミラー部材37は、その上面中心(軸線中心O1)が軸線中心Oよりも反射レーザ光55の照射方向と反対側にずれて設置されていることになる。
窓29の内面近傍に真空チャンバー23の外部から不活性ガス、たとえば、アルゴンガスを供給するガス配管(ガス供給部材)65が接続されている。
まず、端板17の軸線方向L両端部に加工された凹部にそれぞれハーフセル11およびビームパイプ19を係合させ、ハーフセル11、端板17およびビームパイプ19が軸線方向Lに配列された状態で保持部25に保持させる。
次いで、真空吸引部材39が作動し、真空チャンバー23内の気体を吸引し、真空チャンバー23内を真空雰囲気とする。
反射レーザ光55の軸線方向L位置が溶接開先20に一致するようにレーザ光照射ヘッド35の水平方向位置を調整する。
この状態で、レーザ照射ヘッド35からレーザ光33を出射すると、レーザ光33はミラー部材37の上面53に当たって反射され、略水平方向に進む反射レーザ光55となる。この反射レーザ光55が、溶接開先20に照射され、溶接開先18部を溶融し、接合される。
モータ51を作動させ、ポジショナ49の上部を軸線中心Oの回りに回転させることによって、溶接開先20の全周に亘り溶接することができる。
本実施形態では、レーザ照射ヘッド35の水平方向位置を調整して反射レーザ光55の軸線方向L位置を調整するようにしているが、レーザ照射ヘッド35の水平位置は変化させずに、ミラー部材37の軸線方向L位置を調節するようにしてもよい。
したがって、レーザ光33および反射レーザ光55の強度の低下を抑制できるので、溶接品質を向上させることができる。
さらに、レーザ照射ヘッド35は真空チャンバー23の外部に設置されているので、真空チャンバー23をコンパクトな装置構成とでき、安価な設備とすることができる。真空チャンバー23をコンパクトにできると、真空雰囲気の形成が短時間で行うことができるので、溶接作業時間が短縮でき、作業コストを安価にできる。
5 エンドパーツ
11 ハーフセル
17 端板
18 溶接開先
19 ビームパイプ
20 溶接開先
23 真空チャンバー
25 保持部材
29 窓
33 レーザ光
35 レーザ照射ヘッド
53 上面
55 反射レーザ光
61 冷却配管
63 ガス配管
65 ガス配管
L 軸線方向
O,O1 軸線中心
Claims (5)
- 軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体であるハーフセルと端板とビームパイプとを該軸線方向に配列し、相互の開口部同士をレーザ溶接によって接合して超伝導加速空洞のエンドパーツを形成させる溶接装置であって、
真空雰囲気を形成可能な真空室と、
該真空室内に設置され、前記ハーフセルと前記端板との開口部同士が隣接する溶接開先および前記端板と前記ビームパイプとの開口部同士が隣接する溶接開先を形成し、複数の前記溶接開先の径が同じである前記エンドパーツを保持する保持部材と、
前記エンドパーツの軸線中心が交差する前記真空室の壁部に設置され、該壁部の一部を構成する窓部材と、
前記真空室の外部に設置され、前記窓部材を通して前記エンドパーツの内部空間にレーザ光を照射するレーザ照射部材と、
前記エンドパーツの内部空間に位置するように、前記レーザー照射部材とは別に設置され、前記レーザー照射部材から照射され前記窓部材を通過した前記レーザ光を反射した反射レーザ光が前記溶接開先に正対する方向になるように調整するミラー部材と、が備えられ、
前記ミラー部材を固定したまま、前記真空室の外部に設置された前記レーザ照射部材の水平方向位置を調節して、軸方向に異なる位置にある前記複数の前記溶接開先に前記反射レーザ光を照射させることを特徴とする溶接装置。 - 前記ミラー部材および前記保持部材は、少なくともいずれか一方が前記軸線中心回りに回転可能とされていることを特徴とする請求項1に記載の溶接装置。
- 前記ミラー部材を冷却する冷却部材が設置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接装置。
- 前記ミラー部材は、その反射面中心が前記軸線中心よりも前記反射レーザ光の照射方向と反対側にずれて設置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の溶接装置。
- 前記ミラー部材の反射面および前記窓部材の内面のそれぞれ近傍に不活性ガスを供給するガス供給部材が設置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の溶接装置。
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