JPH0526595B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超電導材料からなるフイラメントと金
属マトリツクスとから構成される超電導線の接合
方法に関する。

［従来の技術］ 超電導材料のフイラメントと金属マトリツクス
とからなる超電導線は近年脚光を浴びることの多
い超電導技術において、常に重要な位置を占める
キーコンポネーントである。超電導材料で構成さ
れるフイラメントは何種類かのものが実用に供さ
れているが、ニオブ・チタン（以下Nb−Tiと称
す）系は代表的なものとして知られている。一
方、金属マトリツクスは銅（以下Cuと称す）が
一般的である。

この超電導線は上記のように特殊な材料の組み
合わせであり、後記のように形状も複雑であるた
めに、長尺の線材を得るのは極めて難しい、この
点が問題になるのは超電導線の適用対象である超
電導発電機および核融合機器のマグネツトコイル
が１個当り数Kmから数百Kmにも及ぶ線長を有する
ためである。この場合、当然ながらそのマグネツ
トコイルには数ケ所の接続箇所が発生し、その接
続を果たすには何らかの接合方法が介在すること
になる。

しかし、形状的にも難しく、また特殊材料であ
るNb−Tiの組み合わせに適用可能な接合方法は
自ずと限りがあり、特に超電導特性を損なわない
最善の接合方法の開発が望まれている。

以下、従来の超電導線の接合方法について図を
参照して説明する。

第７図に示すように、フイラメントＦと金属マ
トリツクスＭとからなる超電導線１を接合するに
は、融接法と固相法とが考えられる。この場合、
融接法ではフイラメントＦと金属マトリツクスＭ
とが融点以上に加熱され、この溶融によつて超電
導特性が大きく損なわれてしまう。そこで、最
近、比較的低温で接合が可能な固相法が提案され
実用に供されている。この固相法は適当な接合温
度、接合圧力のもとで実施され、母材を溶融する
ことなく、固体の状態で接合する方法であり、冷
間圧接法と拡散接合法とがある。

冷間圧接法は接合する双方のフイラメントＦと
金属マトリツクスＭとに機械的圧力を加えてそこ
に塑性変形を生じさせる接合方法であり、冷間で
の接合を確実にするには特に圧力を大きくしなけ
ればならない。

一方、拡散接合法は冷間圧接法が圧接変形を伴
う接合方法であるのに対し、その圧接変形を極力
小さくして接合できる方法である。すなわち、第
８図に示すように接合される双方の端面を平坦に
仕上げた超電導線１ａ，１ｂを対向させて置き、
それぞれの側から圧力２を加えて密着させ、双方
の接合部４を加熱装置３を用いて加熱しながら接
合するやり方である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、冷間圧接法による接合において
は過大な変形のために超電導特性が損なわれる危
険性がある。また、この変形量を抑制して接しよ
うとした場合、接合自体が果たせず、超電導線の
接合方法として不適当である。

一方、拡散接合法においてはフイラメントＦへ
の加熱操作が不可欠であり、このときの温度上昇
によつてフイラメント母材の劣化が進み、超電導
特性が大きく損なわれる。

一方、従来の冷間圧接法や拡散接合法による接
合方法で施工技術が長足の進歩を遂げ、所望の超
電導特性および機械的特性が得られる方法が確立
したとしても、以下のような問題が解決されな
い。すなわち、第９図ａ，ｂに示すように、超電
導線１ａ，１ｂの間でマトリツクスＭとフイラメ
ントＦとが相手の配置と異なるような場合、突き
合わせ面で一部のフイラメントＦが直接接合され
ず、根本から施工法の見直しを迫られている。

そこで、本発明の目的は接合部におけるフイラ
メントの超電導特性を接合部以外の母材部分と同
等に維持できるようにした超電導線の接合方法を
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は超電導材料
からなるフイラメントと金属マトリツクスとから
構成される超電導線の接合方法において、接合す
る２本の超電導線の接合部を覆う金属マトリツク
スをそれぞれ除去してフイラメントを露出せし
め、次にフイラメント同士を軸方向に互いに重ね
合わせ、その重ねた部分に金属マトリツクスと同
種の材料からなるスペーサをさらに重ねてスペー
サの外側から一定の圧力を加えて各々フイラメン
トを微量変形させながら、互いに密着せしめ、少
なくともフイラメント構成材料の融点よりも充分
に低い温度域で固相接合するようにしたことを特
徴とするものである。

［作 用］ 一般に、材料の接合において、接合部の機能が
損なわれる要因は過剰な入熱と、過大な変形とが
大きな要因を占める。これらの加熱や変形により
材料の性質が変質、劣化し、材料本来の性質や機
能を充分に発揮できないまま実機に供されること
が多い。超電導線の場合もこうした過剰な入熱に
対し、また一方、過大な変形に常に配慮する必要
があり、この施工法の確立には綿密な実験を繰り
返すことになる。とりわけ、接合条件の中で温度
条件は機械的特性を変化させる最重要な因子であ
り、容易には決められない。

ところで、各種の金属、合金における接合温度
は、一般に使用される拡散接合において、材料の
再結晶温度以上、すなわち0.7T_M（T_M＝融点）Ｃ
以上といわれている。

Nb−Ti合金の超電導材料の組成はNb：50％、
Ti：50％（重量比）であり、第１０図に示すNb
−Ti合金の状態図から融点を求めると、約1880
℃となる。この融点から上記の式で接合温度を設
定すると、約1316℃以上となる。

しかしながら、この温度は接合部の超電導特性
を母材と同等に維持するうえでフイラメントへの
入熱量の増加をもたらし、採用することはできな
い。そこで、接合圧力、保持時間を含む接合手順
全体の検討が必要であり、発明者は実験を重ねて
超電導特性および機械的特性を損ねない次の接合
方法を見出した。

先ず、酸性溶液で金属マトリツクスがフイラメ
ント同士を軸方向に重ね合わせるように接合しよ
うとする超電導線の端部から任意の長さだけ溶か
される。次に、治具上でフイラメントの露出部を
重ね合わせ、その重ねた部分にマトリツクス被覆
部を形成するための金属マトリツクスと同種材料
で製作されるスペーサをさらに重ねる。次に、固
相接合のために加圧治具と、ヒータとを用いて各
フイラメントにスペーサを通して適切な圧力を加
えながら加熱する。そのとき、各フイラメントに
加えられた圧力で断面形状に変化が生じ、塑性変
形した各フイラメントが互いに密着する。このフ
イラメント同士の密着を保つた状態で所定の温度
を保つて決められた時間保持する。この加熱操作
はフイラメントへの入熱量を制限するため材料に
よつて温度を変えるが、条件として融点よりも低
い温度とし、Nb−Ti合金の場合好ましくは、
500℃以下とする。

この固相接合では接合を阻害する表面汚染物質
を取り除き、酸化を防ぐ雰囲気が望ましい。この
ためには真空雰囲気とするか、あるいはアルゴン
ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス雰囲気のも
とで固相接合する。

上記したスペーサを用いる本発明の接合方法は
フイラメントに均一な変形を与えてフイラメント
同士を互いに密着させて固相接合することができ
る。また、このスペーサによつて接合部の機械的
強度を高めることができる。さらに、軸方向にフ
イラメントを重ねて接合するので、接合相手のフ
イラメントと必ずしも同じ位置に並ばなくても接
合することが可能である。

［実施例］ 以下、本発明に係る超電導線の接合方法を第１
図ないし第４図を参照して説明する。

本実施例の超電導線はNb−Ti合金からなるフ
イラメントとCu材のマトリツクスとから構成し
たものである。始めに、図１に示すように超電導
線１ａ，１ｂは接合しようとする端部のフイラメ
ントＦを露出させるために超電導線１ａ，１ｂの
端部を硝酸溶液に浸漬し金属マトリツクスＭの
Cuを溶かす。この硝酸溶液に浸す時間は、金属
マトリツクスＭが完全に溶け切るまでとする。軸
方向にフイラメントＦ同士を重ねるために長さは
10mm程度とする。なお、この露出させるフイラメ
ントＦの長さは超電導線の形状あるいは接合条件
等から決められ、上記長さに限定されないのは勿
論である。

次に、双方のフイラメントＦ同士を重ね合わせ
て図２に示すようにその部分に被覆部を形成する
スペーサ５をさらに重ねる。被覆部を形成するス
ペーサ５は金属マトリツクスと同種の材料を用い
て構成し、本実施例においてはCu材である。ス
ペーサ５の形状は薄板状、箱状、円筒状のものが
利用できるが、本実施例においては薄板状のもの
を用いている。

この薄板状のスペーサ５の厚さは後記のフイラ
メントＦの微量の変形を見込んで金属マトリツク
スＭの厚さよりも少しだけ厚く形成し、後記の加
圧治具６を使つて行なわれる固相接合で金属マト
リツクスＭとほぼ面一の面が得られるようにす
る。

ここで、第３図を参照して接合装置の一例を説
明する。

符号７で示す真空チヤンバは付属する真空排気
装置８によつて内部が真空に保たれる。超電導線
１ａ，１ｂは真空チヤンバ７内の中央付近に配置
された固定治具９上面の位置決め溝に合わせて置
かれ、フイラメントＦ同士が重なる接合部は、上
下方向に対向して配置された加圧治具６の間に正
確に芯出されている。加圧治具６にはラムの上下
方向のストローク動作のためにそれぞれシリンダ
１０が備えられる。

一方、固定治具９の内部にはカートリツジヒー
タ１１が埋め込まれており、接合部を所定の温度
を保てるようになつている。

次に、上記接合装置による接合手順を説明す
る。

真空チヤンバ７の内部を真空排気装置８によつ
て真空度１×10^-3Torr程度に保持して、第２図
の状態にあるフイラメントＦをスペーサ５を通し
て加圧し、同時に加熱する。この接合条件とし
て、フイラメントＦに加える力は、たとえば超電
導線１mm×２mm程度の場合で500Kgｆである。ま
た、カートリツジヒータ１１によりフイラメント
Ｆを加熱する温度は450℃〜500℃で、保持時間は
10〜20分である。

上記の接合条件でフイラメントＦに塑性変形が
生じ、フイラメントＦ同士は互いに密着する。先
に述べたように、フイラメントＦの塑性変形によ
つて接合部寸法が幾分か減少する分についてスペ
ーサ５の厚さを予め増しておき、表面を面一にす
る。この手順で接合して超電導線１ａ，１ｂの断
面を模式的に示すと、第４図に示すようになる。

このようにして接合される超電導線は圧力が固
相接合のためにフイラメント同士を密着させる程
度、つまり僅かに塑性変形が生じる程度に抑えら
れるので、超電導特性は少しも損なわれない。特
に、温度については材料の融点、からみて低い温
度に保たれ、フイラメント母材が過度に加熱され
て超電導特性が大きく損なわれるのを防止するこ
とができる。

また、真空雰囲気で行なわれる固相接合は接合
部に不純物が入り込むことがなく、超電導特性を
劣化させない。さらに、硝酸溶液を用いる金属マ
トリツクスＭの除去においてはフイラメントＦ表
面に付着している汚染物質の除去作用があり、超
電導特性の維持が可能である。

次に、上記した接合方法と異なる実施例を説明
する。第５図において、本実施例は上記実施例の
ものに図に示すような鋼または銅合金からなる補
強板１２を張り付けたもので、これはハンダ付等
を利用して装着される。補強板１２の厚さは約５
mm以下のものがよく、その長さは50mmないし100
mm程度である。本実施例のものは片側のみに補強
板１２を張り付けたものであるが、全面にわたる
ように張り付けてもよい。

さらに、他の実施例を説明する。

第６図において、本実施例のものは金属マトリ
ツクスＭとフイラメントＦの配置が異なるもの同
士（第９図参照）を接合する場合のもので、スペ
ーサ５が超電導線１ｂの側のフイラメントＦの配
置を考慮してフイラメントＦの当たる角を落す以
外は上記した図２に示すものと同様な手順が接合
することができる。

従来の接合面同士を突き合わせて行なうやり方
では一部のフイラメントＦが直接接合されず、マ
トリツクス材料である金属マトリツクスＭがフイ
ラメントＦとフイラメントＦとの間に介在するた
めに母材部分と同等な超電導特性を得るのが難し
かつたが、本実施例における接合方法においては
金属マトリツクスＭを除去した部分のフイラメン
トＦ同士が塑性変形を起こす過程で直接触れ合
い、そのままの状態で接合されるので、超電導特
性を母材部分と同等に保つことができる。

なお、固相接合中の雰囲気についてはアルゴン
ガスなどに代表される不活性ガス雰囲気のもとで
行なつてもよい。この場合、真空チヤンバ７等の
装置は不要となる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、超電導線の接合
する超電導線の金属マトリツクスを除去してフイ
ラメントを露出し、その露出したフイラメントを
互いに軸方向に重ねてその重ねた部分に金属マト
リツクスと同種の材料のスペーサをさらに重ねて
スペーサの外側から一定の圧力を加えてフイラメ
ントを微量変形させて互いに密着せしめ、フイラ
メント構成材料の融点よりも部分に低い温度を保
つて固相接合するようにしたので、フイラメント
の超電導特性を何ら損なうことなく、超電導線を
接合できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の接合方法の接合
工程に先立つて行なう工程を示す説明図、第３図
は接合工程で用いる装置の一例を示す構成図、第
４図は固相接合された超電導線を示す構成図、第
５図および第６図は本発明の他の接合方法で作ら
れた超電導線を示す模式図、第７図は一般的な超
電導線の断面図、第８図は従来の接合方法の一例
を示す説明図、第９図ａ，ｂは特殊なフイラメン
ト配置を有する超電導線の断面図、第１０図は
Nb−Ti合金の状態図である。 １ａ，１ｂ…超電導線、Ｆ…フイラメント、Ｍ
…マトリツクス、５…スペーサ、７…真空チヤン
バ、９…固定治具、１１…カートリツジヒータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超電導材料からなるフイラメントと金属マト
   リツクスとから構成される超電導線の接合方法に
   おいて、接合する２本の前記超電導線の接合部を
   覆う金属マトリツクスをそれぞれ除去してフイラ
   メントを露出せしめ、次に該フイラメント同士を
   軸方向に互いに重ね合わせ、その重ねた部分に前
   記金属マトリツクスと同種の材料からなるスペー
   サをさらに重ねて前記スペーサの外側から一定の
   圧力を加えて各々フイラメントを微量変形させな
   がら、互いに密着せしめ、少なくとも該フイラメ
   ント構成材料の融点よりも充分に低い温度域で固
   相接合するようにしたことを特徴とする超電導線
   の接合方法。