JP6716280B2

JP6716280B2 - 溶接方法及び溶接装置

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Publication number: JP6716280B2
Application number: JP2016027145A
Authority: JP
Inventors: 浩明増居; 達郎安藤; 精一篠澤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: JP2017144455A

Description

本発明は、例えばニオブ（Ｎｂ）やニオブ合金からなる超伝導加速器（空洞）用の被溶接物を溶接によって製造・補修する技術に関する。

従来、超伝導加速器の空洞部分を製造する場合には、複数の構成部材をＥＢ（ＥＬＥＣＴＲＯＮＢＥＡＭ）を用いた溶接によって接合して製造することが一般に行われている。
しかし、ＥＢによる溶接は、被溶接物を真空槽内に配置し、溶接部分を治具でしっかり固定し、真空排気をしながら溶接を行うことから、複雑な形状の構成部材を溶接する治具の費用が大きくなるという課題がある。
また、ＥＢによる溶接は、補修を行うことが困難であり、製造工程中に孔をあけた場合などには、価格の高いニオブ材料や溶接までの工程が全て無駄になり、コストアップの要因になっている。

このような問題に対し、従来、ＴＩＧ溶接によって加速器を製造することも試みられているが、大気中における溶接では空気によるコンタミネーションが生ずる問題があり、また、真空槽内で溶接を行った場合であっても、真空槽内の物質や溶接時に発生する物質によるコンタミネーションが生ずるため、超伝導加速器の残留抵抗比（ＲＲＲ：ＲｅｓｉｄｕａｌＲｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙＲａｔｉｏ）が低下して使用することができないという課題があった。

特開２００１−２４２２８０号公報特開平８−１５５６５８号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、例えば超伝導加速器のように従来補修を行うことが困難であった金属構造物を、簡素な工程及び装置で安価に補修することができる溶接技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、被溶接物を溶接する溶接方法であって、溶接用容器内に充填された不活性ガス雰囲気中で被溶接物を溶接する工程を行う前に、前記被溶接物を前記溶接用容器内に配置し、当該溶接用容器内の雰囲気を真空状態にする真空排気工程と、前記溶接用容器内に不活性ガスを充填して当該溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力にする不活性ガス充填工程と、前記溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、当該溶接用容器の内壁を加熱してガスを放出させ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを除去する不純物ガス除去工程とを有し、前記不純物ガス除去工程において、前記溶接用容器の内部に配置されたガス吸収性の金属材料からなる加熱脱ガス部を溶融し、その際に発生する熱によって前記溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃の温度に加熱してガスを放出させ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを当該加熱脱ガス部中に吸収させる工程を有する溶接方法である。
本発明では、前記被溶接物が超伝導加速器の構成部材である場合にも効果的である。
本発明では、前記被溶接物がニオブ又はニオブ合金からなる場合にも効果的である。
一方、本発明は、被溶接物を溶接する溶接装置であって、真空排気可能で、かつ、不活性ガスを導入可能な溶接用容器と、前記溶接用容器内において被溶接物に対して相対移動可能に設けられ、溶接材料を加熱して溶融するための熱源部と、前記溶接用容器内に配置された加熱脱ガス部とを備え、前記加熱脱ガス部は、ガス吸収性の金属材料からなり、前記熱源部又は他の熱源部による当該加熱脱ガス部の加熱溶融によって発生する熱により前記溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃に加熱してガスを放出させ、かつ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを吸収するように構成されている溶接装置である。
本発明では、前記加熱脱ガス部がタンタル、ニオブ又はチタンのいずれかからなる場合にも効果的である。

本発明においては、被溶接物の溶接に先立ち、真空排気後、溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、溶接用容器の内部に配置されたガス吸収性の金属材料からなる加熱脱ガス部を溶融し、その際に発生する熱によって溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃の温度に加熱してガスを放出させ、このガスを含む不純物ガスを加熱脱ガス部中に吸収させることにより溶接用容器内の不純物ガスを除去するようにしたことから、溶接用容器内の物質や溶接時に発生する物質によるコンタミネーションを防止することができ、これにより溶接後の被溶接物に含まれる不純物元素の量を小さくすることができるとともに、被溶接物における残留抵抗比の低下を抑制することができる。

その結果、本発明によれば、例えば超伝導加速器（空洞）のように材料に要求される特性が厳しく従来補修を行うことが困難であった金属構造物を、簡素な工程で安価に補修することができ、また、組立・製造を行うことも可能になる。
また、本発明の溶接装置によれば、上述した溶接工程を簡素な装置で安価に行うことができる。

本発明に係る溶接方法を実施するための溶接装置の例を示す概略断面構成図本発明に係る溶接方法の一例を示す流れ図本例における不純物ガス除去工程を模式的に示す説明図（ａ）（ｂ）：本例における不純物ガス除去工程を模式的に示す説明図（ａ）：本発明に基づく溶接実験に用いた試験片を示す平面図、（ｂ）同試験片の正面図本発明に基づく溶接実験に用いたサンプルを説明するための図

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る溶接方法を実施するための溶接装置の例を示す概略断面構成図である。
また、図２は、本発明に係る溶接方法の一例を示す流れ図である。

図１に示すように、本例の溶接装置１は、溶接用容器２を有している。
この溶接用容器２は、例えばガス置換型のグローブボックスを有するもので、溶接用容器２の壁部に設けられた窓２ａを介して内部を観察しながら、例えば一対のグローブ３、４を用いて人手によって容器内で被溶接物２０を溶接し、かつ、所定の作業を行えるように構成されている。

溶接用容器２は、例えば拡散ポンプ等を有する真空排気装置５がバルブ５０を介して接続されている。
なお、溶接用容器２は、容器内の真空状態を保持したまま被溶接物２０等の出し入れができるように構成されている。

また、溶接用容器２は、バルブ６０を介して不活性ガス供給源６が接続されている。この不活性ガス供給源６は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを溶接用容器２に供給するように構成されている。

一方、溶接用容器２には、図示しない放出弁が設けられ、不活性ガス供給源６から不活性ガスが導入された場合にこの放出弁からガスを排出することにより、溶接用容器２内の圧力が大気圧より高い圧力に制御されるようになっている。
さらに、溶接用容器２には、容器内部の酸素濃度を測定するための濃度測定器１０が設けられている。

本例の溶接装置１は、ＴＩＧ溶接によって溶接を行うもので、溶接用容器２の外部に設けられた溶接機本体７と、溶接用容器２の内部に移動自在に設けられたトーチ（熱源部）８とを有している。
そして、溶接用容器２内に設けられた電極９とトーチ８の溶接電極部８ａとの間に所定の電圧を印加してアーク放電を生じさせ、図示しない溶接棒を溶融することにより、被溶接物２０を溶接するように構成されている。
また、本例では、溶接用容器２の内部に、後述する加熱脱ガス部３０が設けられている。

本例においては、まず、溶接工程に先立ち、被溶接物２０と溶接棒を例えば硝酸とフッ化水素酸の混合液を用いて洗浄する。
そして、溶接用容器２の内部に被溶接物２０と溶接棒を配置した後、溶接用容器２を密閉状態にして真空排気装置５を動作させて溶接用容器２内の真空排気を行う（図２工程Ｐ１）。

本発明の場合、この真空排気の条件は特に限定されることはないが、不純物の蒸発速度を考慮し、できるだけ不純物を少なくする観点からは、圧力１×１０^-3Ｐａ以下、時間６０〜１８０分に設定することが好ましい。

また、本発明の場合、特に限定されることはないが、被溶接物２０における残留抵抗比の低下をより抑制する観点からは、上述した真空排気後における溶接用容器２内の水分の分圧値が比率で全圧値の５０分の１以下となるように真空排気を行うことが好ましい。

次に、不活性ガス供給源６から溶接用容器２内に高純度（６Ｎ程度）の不活性ガス（例えばアルゴンガス）を導入充填してガス置換を行い、溶接用容器２内の圧力を大気圧より高い圧力にする（図２工程Ｐ２）。
この場合、溶接用容器２内の圧力は、次の不純物ガス除去工程において溶接用容器２内に外気が侵入しない程度の圧力に設定することが好ましい。

そして、溶接用容器２内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、溶接用容器２の内壁を加熱して不純物ガスを除去する（図２工程Ｐ３）。
図３及び図４（ａ）（ｂ）は、本例における不純物ガス除去工程を模式的に示す説明図である。
本例では、溶接用容器２内に配置された加熱脱ガス部３０を上述したトーチ８によって部分的に溶融させ、溶接用容器２の内壁を加熱することにより、不純物ガスの除去を行う。

本発明では、加熱脱ガス部３０としては、ガス吸収性の金属材料からなる板状等の部材を好適に用いることができる。
そして、加熱脱ガス部３０を構成するガス吸収性の金属材料としては、高純度の金属材料を用いることが好ましい。

特に本発明では、金属材料中における酸素元素（Ｏ）、窒素元素（Ｎ）、炭素元素（Ｃ）の含有量（重量％）がそれぞれ１０ｐｐｍ以下のものを用いることが好ましい。
このようなガス吸収性の金属材料としては、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）があげられる。
これらのうちでも、不純物との反応性が高い材料であることを考慮すると、タンタル又はニオブを用いることがより好ましい。

本例では、図３に示すように、加熱脱ガス部３０として、例えばタンタルからなる板状の部材を電極９上に配置し、この加熱脱ガス部３０に対し、溶接機のトーチ８からアークを照射して加熱脱ガス部３０の表面を部分的に溶融し、その際に発生する熱によって溶接用容器２の内壁を加熱する。
本発明の場合、特に限定されることはないが、不純物の蒸気圧と温度の関係を考慮し、より多くの不純物を放出させる観点からは、溶接用容器２の内壁を４０〜１１５℃に加熱することが好ましい。

この場合、図４（ａ）に示すように、加熱脱ガス部３０に対し、例えば隅部からアークの照射を開始し、例えばジグザグ状等にアークを照射して溶融する領域が重ならないようにする（図中、符号３１は、アーク照射によって溶融させた部分の痕跡を示すものである）。

このような工程を行うことにより、加熱脱ガス部３０からの輻射熱によって溶接用容器２の内壁が加熱され、これにより暖まった溶接用容器２の内壁からガスが放出される。そして、溶接用容器２の内壁から放出されたガスを含む不純物ガスが、加熱脱ガス部３０の表面においてトーチ８からのアーク照射によって順次形成される液状の溶融部３２に吸収される。

具体的には、溶接用容器２の内部に残存する水素（Ｈ₂）ガス、酸素（Ｏ₂）ガスや窒素（Ｎ₂）ガス等が、図４（ｂ）に示すように、トーチ８からのアーク照射によって形成された液状の溶融部３２に吸収される。
そして、以上の工程を、１〜２時間行うことにより、溶接用容器２内におけるこれら不純物ガスの体積濃度を大幅に低下させることができる。

その後、溶接用容器２の内部の真空排気を行う（図２工程Ｐ４）。
この真空排気は、長時間（例えば１２時間以上）行い、溶接用容器２の内部の圧力が４×１０^-3Ｐａ以下となるようにする。

また、濃度測定器１０によって測定された溶接用容器２内の酸素ガスの濃度が所定値（例えば０．０１体積％）以下となるまで真空排気を行う。
これにより、溶接用容器２の内壁から放出されたガスを含む不純物ガスが溶接用容器２の外部に排出され、溶接用容器２の内部には不純物ガスがほとんど残存しなくなる。

さらに、不活性ガス供給源６から溶接用容器２内に不活性ガス（例えばアルゴンガス）を導入充填してガス置換を行い、溶接用容器２内の圧力を大気圧より高い圧力に設定する（図２工程Ｐ５）。

そして、その状態で、トーチ８を動作させ、溶接棒を用いて人手で被溶接物２０の溶接を行う（図２工程Ｐ６）。
この溶接工程終了後、所定時間（例えば２時間）経過後に、被溶接物２０を溶接用容器２から取り出す（図２工程Ｐ７）。
これにより、本例の溶接工程が終了する。

以上述べた実施の形態によれば、被溶接物２０の溶接に先立ち、真空排気後、溶接用容器２内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、溶接用容器２内の金属材料からなる加熱脱ガス部３０を溶融し、その際に発生する熱によって溶接用容器２の内壁を４０〜１１５℃の温度に加熱してガスを放出させ、このガスを含む不純物ガスをガス吸収性の加熱脱ガス部３０中に吸収させることにより溶接用容器２内の不純物ガスを除去するようにしたことから、溶接用容器２内の物質や溶接時に発生する物質によるコンタミネーションを防止することができ、これにより溶接後の被溶接物２０に含まれる不純物元素の量を小さくすることができるとともに、被溶接物２０における残留抵抗比の低下を抑制することができる。

その結果、本実施の形態によれば、例えば超伝導加速器（空洞）のように材料に要求される特性が厳しく従来補修を行うことが困難であった金属構造物を、簡素な工程で安価に補修することができ、また、組立・製造を行うことも可能になる。
また、本実施の形態の溶接装置１によれば、上述した溶接工程を簡素な装置で安価に行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態では人手によってトーチ８を移動させながら溶接を行うようにしたが、トーチ８を固定し、被溶接物２０を移動可能なテーブル上に載置してテーブルを移動させながら溶接を行うこともできる。

また、上記実施の形態ではＴＩＧ溶接によって被溶接物２０を溶接する場合を例にとって説明したが、本発明はレーザー光を用いた所謂レーザー溶接による場合も含むものである。

レーザー溶接の場合、熱源部であるレーザー光源を溶接用容器２の外部に設けて窓を介してレーザー光を照射することも可能である。また、レーザー光源からの光の照射角度を変えて溶接を行うほか、被溶接物２０を移動可能なテーブル上に載置してテーブルを移動させながら溶接を行うこともできる。

さらに、上記実施の形態では、溶接を行うトーチ８からのアーク照射によって加熱脱ガス部３０を溶融させるようにしたが、他のトーチからのアーク照射によって加熱脱ガス部３０を溶融させるほか、レーザー光の照射によって加熱脱ガス部３０を溶融させることも可能である。

さらにまた、上記実施の形態では、超伝導加速器用の構成部材を溶接する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、他の金属部材を溶接する場合にも適用することもできる。
ただし、本発明は不純物元素の含有量が小さく、かつ、残留抵抗比の大きい超伝導加速器用の構成部材の溶接（補修、製造）を行う場合に特に有効となるものである。

まず、それぞれ高純度のニオブからなる試験片と溶接棒を用意した。
試験片と溶接棒としては、残留抵抗比（ＲＲＲ：３００ｋ／９．５ｋ）が２５０以上のものを用いた。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、試験片としては、厚さ３．５ｍｍで、突き合わせた場合の大きさが１２５ｍｍ×８０ｍｍの長方形の一対の板からなり、被溶接部の深さが３ｍｍのものを用いた。

まず、これら試験片及び溶接棒を硝酸とフッ化水素酸の混合液を用いて洗浄した。
そして、上述した溶接装置１と同一の構成の溶接装置を用い、予め洗浄及び乾燥させておいた溶接用容器内に試験片と溶接棒を配置した後、溶接用容器を密閉状態にして真空排気装置を動作させ、溶接用容器内の圧力を４×１０^-3Ｐａに設定した。
この工程の際、溶接用容器内の水分の分圧を測定し、当該水分の分圧値が比率で全圧値の５０分の１以下であることを確認した。

次に、不活性ガス供給源から溶接用容器内に高純度（６Ｎ）のアルゴンガスを導入充填してガス置換を行い、溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に設定した。
そして、溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、不純物ガス除去工程を行った。

ここでは、酸素元素、窒素元素、炭素元素の含有量（重量％）が１０ｐｐｍ以下の板状の加熱脱ガス部を溶接用容器の電極上に配置し、この加熱脱ガス部に対し、溶接機のトーチからアークを照射して加熱脱ガス部の表面を１〜２時間かけてジグザグ状に溶融し、その際に発生する輻射熱によって溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃に加熱した。
この場合、アーク照射による溶融部の大きさは外径が１０ｍｍ程度となるようにし、またトーチの移動速度は５０ｍｍ／分程度とした。

その後、溶接用容器を密閉状態にし、１２時間以上真空排気を行った。
そして、溶接用容器の内部の圧力が４×１０^-3Ｐａ以下で、かつ、溶接用容器内の酸素ガスの濃度が０．０１体積％以下となった時点で、不活性ガス供給源から溶接用容器内に高純度（６Ｎ）のアルゴンガスを導入充填してガス置換を行い、溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に設定した。

なお、溶接用容器内の酸素ガスの濃度は、ジルコニア式酸素濃度計（第一熱研株式会社製ＴＢ−II（ＶＮＣ−２８ＣＶＦ２５））を用いて測定した。
この状態で、溶接棒を用い、トーチを動作させ、人手で試験片の被溶接部を一端側から他端側に向って溶接した。
溶接工程終了後、２時間経過後に、試験片を溶接用容器から取り出した。

図６は、本発明に基づく溶接実験に用いたサンプルを説明するための図である。
図６に示すように、上述した試験片の表面の領域を、溶接開始側から溶接終了側に向ってそれぞれ長さが３５ｍｍの溶接領域１〜３に区分けした。

そして、試験片の溶接終了側の溶接領域３において、ビード部、熱影響部及び素材部から、各部分に含まれる成分（元素）の分析用サンプルをそれぞれ採取した。
さらに、試験片の溶接開始側の溶接領域１において、ビード部からＲＲＲ測定用サンプルを採取するとともに、溶接終了側の溶接領域３において、ビード部及び熱影響部からＲＲＲ測定用サンプルをそれぞれ採取した。

そして、各サンプルの各成分元素の含有量を、酸素は、不活性ガス融解−赤外線吸収法により、窒素及び水素は、不活性ガス融解−熱伝導度法により、炭素は、燃焼−赤外線吸収法により測定した。

また、各サンプルのＲＲＲを、ＪＩＳＨ７３０６に規定される「超伝導−残留抵抗比試験方法−ニオブ・チタン複合超伝導体の残留抵抗比」によって測定した。
それぞれの結果を表１、表２に示す。

＜評価結果＞
表１から明らかなように、ニオブからなる試験片の溶接終了側の溶接領域３に含まれる各不純物元素の量は、いずれも超伝導加速器に要求される仕様の最大値を下回っており、本発明による効果を確認することができた。

なお、試験片の溶接終了側の溶接領域３において元素分析用サンプルを採取したのは、溶接の進行に伴い、試験片及び溶接棒に含まれている酸素等のガス成分が放出されることにより不活性ガスの純度が低下することが発明者の経験則として知られていたからである。

したがって、試験片の溶接開始側の溶接領域１、２においては溶接領域３より不活性ガスの純度が高く、上述した溶接領域１、２における各不純物元素の含有量は溶接領域３より小さいと考えられる。

一方、表２から明らかなように、残留抵抗比（ＲＲＲ）については、試験片の溶接終了側の溶接領域３の値が、試験片の溶接開始側の溶接領域１に比べて低下し、要求仕様を下回っていることが見てとれる。

しかし、試験片における溶接開始から３５ｍｍの溶接領域１では、要求仕様を大幅に上回っており、本発明によれば、材料に要求される特性が厳しい超伝導加速器等の補修に十分対応できることが確認された。

１…溶接装置
２…溶接用容器
３、４…グローブ
５…真空排気装置
６…不活性ガス供給源
７…溶接機本体
８…トーチ（熱源部）
８ａ…溶接電極部
９…電極
２０…被溶接物
３０…加熱脱ガス部

Claims

被溶接物を溶接する溶接方法であって、
溶接用容器内に充填された不活性ガス雰囲気中で被溶接物を溶接する工程を行う前に、
前記被溶接物を前記溶接用容器内に配置し、当該溶接用容器内の雰囲気を真空状態にする真空排気工程と、
前記溶接用容器内に不活性ガスを充填して当該溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力にする不活性ガス充填工程と、
前記溶接用容器内の圧力を大気圧より高い圧力に保持した状態で、当該溶接用容器の内壁を加熱してガスを放出させ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを除去する不純物ガス除去工程とを有し、
前記不純物ガス除去工程において、前記溶接用容器の内部に配置されたガス吸収性の金属材料からなる加熱脱ガス部を溶融し、その際に発生する熱によって前記溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃の温度に加熱してガスを放出させ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを当該加熱脱ガス部中に吸収させる工程を有する溶接方法。
前記被溶接物が超伝導加速器の構成部材である請求項１記載の溶接方法。
前記被溶接物がニオブ又はニオブ合金からなる請求項１又は２のいずれか１項記載の溶接方法。
被溶接物を溶接する溶接装置であって、
真空排気可能で、かつ、不活性ガスを導入可能な溶接用容器と、
前記溶接用容器内において被溶接物に対して相対移動可能に設けられ、溶接材料を加熱して溶融するための熱源部と、
前記溶接用容器内に配置された加熱脱ガス部とを備え、
前記加熱脱ガス部は、ガス吸収性の金属材料からなり、前記熱源部又は他の熱源部による当該加熱脱ガス部の加熱溶融によって発生する熱により前記溶接用容器の内壁を４０〜１１５℃に加熱してガスを放出させ、かつ、当該放出されたガスを含む不純物ガスを吸収するように構成されている溶接装置。
前記加熱脱ガス部がタンタル、ニオブ又はチタンのいずれかからなる請求項４記載の溶接装置。