WO2011102295A1 - 溶接方法および超伝導加速器 - Google Patents

溶接方法および超伝導加速器 Download PDF

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WO2011102295A1
WO2011102295A1 PCT/JP2011/052875 JP2011052875W WO2011102295A1 WO 2011102295 A1 WO2011102295 A1 WO 2011102295A1 JP 2011052875 W JP2011052875 W JP 2011052875W WO 2011102295 A1 WO2011102295 A1 WO 2011102295A1
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WO
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welding
superconducting
energy density
reinforcing member
welding method
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PCT/JP2011/052875
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坪田　秀峰
仙入　克也
典亮 井上
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三菱重工業株式会社
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    • H05H7/14—Vacuum chambers
    • H05H7/18—Cavities; Resonators
    • H05H7/20—Cavities; Resonators with superconductive walls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes

Definitions

  • the present invention relates to a welding method in the process of manufacturing a superconducting accelerator tube and a superconducting accelerator including the superconducting accelerator tube.
  • Patent Document 1 discloses a manufacturing method in which a groove is stepped in a straight pipe butt weld of a superconducting cavity, non-through welding is performed by laser light from the inside, and non-through welding is performed by laser light from the outside. A method is disclosed.
  • blowholes bubbles
  • the aspect ratio (depth / width) of the penetration shape becomes small.
  • niobium Nb, melting point: about 2500 ° C.
  • the bead width becomes narrower and blow holes are more likely to occur.
  • partial penetration welding since the curvature of the bottom of the bead is small, there is a concern that the bead penetrates the base material or a convex portion is formed on the back side of the welding surface. Therefore, the quality of the superconducting acceleration tube could not be secured stably.
  • laser welding can be performed in the air, but it has been difficult to perform high-quality welding by preventing oxidation, especially when niobium that is easily oxidized is used.
  • An object of the present invention is to provide a welding method capable of partial penetration welding and a superconducting accelerator including a superconducting acceleration tube manufactured by the welding method.
  • the welding method when welding a cylindrical reinforcing member to the outer peripheral portion of the superconducting acceleration tube main body with a laser beam in the manufacturing process of the superconducting acceleration tube,
  • the energy density distribution shape on the irradiation surface irradiated with the laser beam is a Gaussian distribution shape having a peak portion, and the energy density of the peak portion is 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 or more.
  • the energy density of the laser beam is 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 or more in the laser beam, even if the superconducting acceleration tube body and the reinforcing member are formed of a metal material having a high melting point, These can be sufficiently melted.
  • the laser beam has a Gaussian distribution of energy density, so that the welded area between the superconducting accelerator tube main body and the reinforcing member has a gentle shape around the keyhole, and a bead with a small aspect ratio. Is formed. This makes it easier for bubbles in the molten metal to rise and be discharged and to prevent the molten metal from flowing in and the keyhole from collapsing to entrain the bubbles. As a result, the occurrence of blow holes can be suppressed.
  • the laser beam has a Gaussian distribution of energy density, so that the bead does not penetrate the superconducting accelerating tube main body or form a convex part inside the superconducting accelerating tube main body.
  • Penetration welding can be performed. Since the metal can be melted at the peak portion, the energy on the outer edge side whose energy density is lower than that of the peak portion can also be utilized for melting the metal, so that the energy absorption characteristics can be improved.
  • the energy density of the outer peripheral portion of a region including 50% of the energy centered on the peak portion of the total energy in the energy density distribution shape is 75% of the energy density of the peak portion. It may be the following.
  • the distribution from the peak portion of the energy density toward the outer edge portion becomes gentle, and the energy absorption characteristics on the outer edge portion side can be improved.
  • the superconducting acceleration tube body and the reinforcing member may be formed of niobium.
  • the performance of the formed superconducting accelerator tube and the superconducting accelerator including this superconducting accelerator tube can be enhanced.
  • an inert gas may be supplied to the irradiation surface, the front and rear in the welding direction of the irradiation surface, and the back surface of the irradiation surface inside the superconducting acceleration tube body.
  • an inert gas may be supplied to the irradiation surface, the front and rear in the welding direction of the irradiation surface, and the back surface of the irradiation surface inside the superconducting acceleration tube body.
  • the irradiation surface, the front and back thereof, and the back surface of the irradiation surface inside the superconducting acceleration tube main body can be in an inert gas atmosphere, oxidation of the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member can be prevented.
  • the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member are formed of a metal having a large oxidation tendency, these oxidations can be prevented.
  • a center nozzle provided so as to surround the laser beam, a front nozzle provided in front in the welding direction of the center nozzle, and provided in the rear in the welding direction of the center nozzle.
  • the inert gas may be supplied from the rear nozzle formed and the back side nozzle provided toward the back surface of the irradiation surface inside the superconducting acceleration tube main body.
  • the inert gas can be stably supplied to the irradiation surface of the laser beam and the front and rear in the welding direction of the irradiation surface and the back surface of the irradiation surface inside the superconducting acceleration tube main body.
  • an inert gas may be supplied between the reinforcing member and the superconducting acceleration tube main body. In this case, oxidation of the inside of the reinforcing member and the superconducting acceleration tube main body can be prevented.
  • a partition plate that partitions a space in the circumferential direction may be provided between the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member.
  • a supply port for supplying an inert gas to the inside of the reinforcing member on one side in the circumferential direction with respect to the partition plate; and a discharge port for discharging the gas inside the reinforcing member on the other side in the circumferential direction with respect to the partition plate; May be provided.
  • the inert gas supplied from the supply port to the inside of the reinforcing member moves in the circumferential direction between the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member and is discharged from the discharge port.
  • the space between the tube body and the reinforcing member can be an inert gas atmosphere.
  • the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member are installed such that the central axis thereof is in a horizontal direction, and the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member are on the upper side than the central axis.
  • the superconducting accelerating tube main body and the reinforcing member may be rotated about the central axis in a direction opposite to the direction from the upper end of the superconducting accelerating tube to the laser beam.
  • the molten metal irradiated with the laser beam moves to the upper side by the rotation of the superconducting acceleration tube body and the reinforcing member and solidifies, and does not sag to the irradiation surface irradiated with the laser beam. Welding can be performed well.
  • the superconducting acceleration tube manufactured by the welding method in any one of said is provided.
  • the quality of a superconducting accelerator can be stabilized by providing the superconducting acceleration tube manufactured by the welding method in any one of said.
  • the metal material constituting the superconducting accelerating tube main body and the reinforcing member can be melted at the peak portion of the laser beam.
  • a bead with a gentle shape and a small aspect ratio is formed.
  • production of a blowhole is suppressed and a partial penetration welding can be performed, without a bead penetrating a superconducting acceleration tube main body, or a convex part being formed in the back side of a superconducting acceleration tube main body.
  • the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member can be efficiently welded, and the quality of the manufactured superconducting acceleration tube and superconducting accelerator can be stabilized.
  • (A) is a figure which shows an example of the superconducting acceleration tube by 1st embodiment of this invention
  • (b) is the sectional view on the AA line of (a).
  • (A) is a figure which shows the shape of a defocus beam
  • (b) is an enlarged view of the irradiation surface of the defocus beam of (a)
  • (c) is an enlarged view of the irradiation surface of a just focus beam.
  • (A) is a three-dimensional view showing the energy distribution shape of the irradiation surface of the defocused beam according to the first embodiment
  • (b) is a sectional view along the irradiation direction including the peak portion of (a)
  • (c) is irradiation. It is an energy distribution map of a surface.
  • (A) is a three-dimensional view showing the energy distribution shape of the irradiation surface of the just focus beam
  • (b) is a sectional view along the irradiation direction including the peak portion of (a)
  • (c) is an energy distribution diagram of the irradiation surface.
  • (A) is a figure which shows the penetration shape and keyhole at the time of welding by a defocus beam
  • (b) is a figure which shows the penetration shape and keyhole at the time of welding by a just focus beam
  • (c) is at the time of welding by a just focus beam
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4D
  • FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line CC in FIG.
  • (A) is a three-dimensional view showing the energy distribution shape of the irradiation surface of the defocused beam in another form
  • (b) is a sectional view along the irradiation direction including the peak portion of (a)
  • (c) is the energy of the irradiation surface.
  • It is a distribution map.
  • (A) is a three-dimensional view showing the energy distribution shape of the irradiation surface of the defocused beam according to another embodiment
  • (b) is a sectional view along the irradiation direction including the peak portion of (a)
  • (c) is the irradiation surface.
  • It is an energy distribution map. It is a figure which compares the welding state by the defocus beam from which an average output differs.
  • (A), (b) is a figure explaining the welding method by 2nd embodiment. It is a figure explaining the welding method by 3rd embodiment.
  • a superconducting acceleration tube 1 reinforces a tubular body (superconducting acceleration tube main body) 3 composed of a plurality of half cells 2 joined by welding, and the tubular body 3.
  • a strong wheel (reinforcing member) 4 is provided.
  • the half cell 2 is obtained by pressing a plate-like superconducting material such as niobium into a bowl shape having an opening at the center.
  • the end portions 2a on the small diameter side of the two half cells 2 are joined to form a dumbbell-shaped member 5 (see FIG.
  • the tubular body 3 includes a concave iris portion 6 and a convex equator portion 7 on the outer periphery, the axial cross section is corrugated (see FIG. 1A), and the radial cross section is annular (see FIG. 1B). ))).
  • the reinforcing wheel 4 is a cylindrical member made of a superconducting material such as niobium and provided so as to cover the iris portion 6, and is intended to reinforce the tubular body 3.
  • the strengthening wheel 4 is formed in a cylindrical shape by combining two semicylindrical members, and an axial end portion 4 a is welded in the vicinity of the iris portion 6.
  • the strong wheel 4 may have a configuration in which members obtained by dividing a cylinder into three or more in the radial direction are combined. Further, a gap may be provided between members constituting the strengthening wheel 4.
  • the superconducting accelerator tube 1 having the above-described configuration is used as a member of a superconducting accelerator (not shown).
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 are welded.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 are joined to the outer peripheral surface of the dumbbell-shaped member 5 with the end 4a of the strong wheel 4 attached thereto.
  • the quality of the superconducting accelerator is lowered.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 are welded by partial penetration welding using a laser beam from the outside, and a convex portion is not formed inside the dumbbell-shaped member 5.
  • the welding between the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 is laser welding using a beam having an energy density distribution as shown in FIG.
  • this beam is referred to as a defocus beam (laser beam) 11, and the defocus beam 11 will be described later.
  • the defocused beam 11 is irradiated to one point of the welded portion 8 between the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 and melted, and the dumbbell-shaped member 5 and the strongened wheel 4 are rotated about the central axis 9 to thereby weld the welded portion. 8 is irradiated with the defocused beam 11 to weld the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 together. Then, a plurality of dumbbell-shaped members 5 to which the strengthening wheels 4 are welded are joined in the axial direction, whereby the superconducting acceleration tube 1 is completed.
  • the defocused beam 11 is converted into a beam having an energy density distribution as shown in FIG. 3 by shifting the focus of the laser beam or changing the lens shape as shown in FIGS. It is formed.
  • the defocus beam 11 is formed by shifting the focus.
  • the defocus beam 11 has a defocus amount of +5 mm when a lens with a focal length of 200 mm is used, and a laser beam diameter ⁇ of about 1.67 mm.
  • a beam having an energy distribution as shown in FIG. 4 is used for welding.
  • this beam is referred to as a just focus beam (laser beam) 12.
  • the just focus beam 12 is a beam formed with a reduced focus as shown in FIG.
  • a surface that is irradiated with the defocus beam 11 and is orthogonal to the irradiation direction is referred to as an irradiation surface 13
  • a surface that is irradiated with the just focus beam 12 and is orthogonal to the irradiation direction is referred to as an irradiation surface 14, which will be described below.
  • the central part has a Gaussian distribution shape with a high energy density E (that is, a bell shape as shown in FIG. 3A).
  • the three-dimensional shape is a bell curve as shown in FIG.
  • the just focus beam 12 represents the distribution shape of the energy density E on the irradiation surface 14, it is represented in a substantially cylindrical shape with a small difference in the energy density E as shown in FIG. All laser beams have an average output of 4500 W and a speed of 2.0 m / min.
  • the diameter of the defocus beam 11 is larger than that of the just focus beam 12, as shown in FIGS.
  • the defocus beam 11 has a peak portion 11a with an energy density E at the center, and similarly, the just focus beam 12 has a peak portion 12a with an energy density E at the center.
  • peak energy density Emax There is no big difference in the energy density of each peak part 11a, 12a (hereinafter referred to as peak energy density Emax ).
  • peak energy density Emax the energy density of the defocus beam 11 gradually decreases from the peak portion 11a toward the outer edge portion 11b, whereas the energy density E of the just focus beam 12 hardly decreases as it moves from the peak portion 12a to 12b.
  • the energy density E 50 is the energy density of the outer peripheral portion 11d of the region 11c containing 50% of the energy centered on the peak portion 11a.
  • the energy density of the outer peripheral portion 12d of the region 12c containing 50% energy centering on the peak portion 12a out of the total energy is energy density E. 50 .
  • the ratio of the energy density E 50 to the peak energy density E max of the defocus beam 11 and the just focus beam 12 is compared.
  • the defocus beam 11 has a peak energy density E max of 6.9 ⁇ 10 5 W / cm 2 , an energy density E 50 of 5.1 ⁇ 10 5 W / cm 2 , and a peak energy density E max. the proportion of the energy density E 50 becomes 73.9% against.
  • the ratio of the energy density E 50 to the peak energy density E max of the defocus beam 11 is preferably 75% or less.
  • the energy density E 86 of the defocus beam 11 is 2.4 ⁇ 10 5 W / cm 2 . Ratio of energy density E 86 to the peak energy density E max is 34.8%.
  • the energy density E 86 is the energy density of the outer peripheral portion of a region including 86% of energy centering on the peak portion 12a out of the total energy.
  • the just focus beam 12 has a peak energy density E max of 7.2 ⁇ 10 5 W / cm 2 , an energy density E 50 of 6.0 ⁇ 10 5 W / cm 2 , and a peak energy density E max with respect to the peak energy density E max .
  • the proportion of the energy density E 50 becomes 83.3%.
  • the energy density E 86 of the just focus beam 12 is 5.1 ⁇ 10 5 W / cm 2 .
  • Ratio of energy density E 86 to the peak energy density E max is 70.8%.
  • the peak energy density E max of both the defocus beam 11 and the just focus beam 12 is set to a value of 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 or more, preferably 6.0 ⁇ 10 5 W. / Cm 2 or more.
  • the peak energy density E max is set to a value larger than 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 , niobium having a melting point of about 2500 ° C. can be melted.
  • the peak portion 11a evaporates and melts the metal, and the outer edge portion 11b side maintains the molten state of the metal, but does not further evaporate the metal.
  • the keyhole 15 as shown in (a) is gently formed in a wide range.
  • the outer edge portion 11b side as well as the peak portion 12a melts the metal, so that a deep keyhole 16 is formed in a narrow range as shown in FIG.
  • the side surface 16a on the side and the rear side of the keyhole 16 in the welding direction (the direction of the arrow in FIG. 5D) is used.
  • the molten metal 17 is likely to move toward the bottom 16 b side of the keyhole 16, and bubbles may enter into the blowhole 18 with this movement. Further, in the welding with the just focus beam 12, since the keyhole 16 is deep, there is a possibility that the bead penetrates the metal or a convex portion is formed on the back side of the welding surface.
  • the energy density distribution shape on the irradiation surface 13 is a Gaussian distribution shape, and the ratio of the energy density E 50 to the peak energy density E max is 75% or less. 11 to perform welding. As a result, it is possible to form a bead with a small aspect ratio that can form a gentle keyhole in a wide range compared to welding with the just focus beam 12 having the same average output.
  • the defocus beam 11 can sufficiently melt a metal having a high melting point such as niobium because the peak portion 11a has a peak energy density E max of 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 or more.
  • the blow hole 18 of the welded portion 8 can be suppressed, and the bead penetrates the dumbbell-shaped member 5 or the dumbbell-shaped member. 5 is not formed on the back side, and partial penetration welding can be performed. Therefore, the superconducting acceleration tube 1 can be manufactured efficiently. This also stabilizes the quality of the superconducting accelerator tube 1 and the superconducting accelerator including the superconducting accelerator tube 1. Further, since the metal can be melted at the peak portion 11a, the energy on the outer edge portion side where the energy density E is lower than that of the peak portion 11a can also be utilized for the melted metal, so that the energy absorption characteristics can be improved. it can.
  • the dumbbell-shaped member 5 made of niobium and the strong wheel 4 are welded with a defocused beam having a different energy density distribution shape from the defocused beam 11 according to the first embodiment, and the peak energy density E max , It confirmed the relationship between the ratio and the welding state of the energy density E 50 to the peak energy density E max.
  • the defocus beam 19a shown in FIG. 6 has an average output of 4500 w, a peak energy density E max of 6.6 ⁇ 10 5 W / cm 2 , and an energy density E 50 of 3.9 ⁇ 10 5 W / cm 2 . .
  • the ratio of the energy density E 50 to the peak energy density E max is 59.1%, and the ratio of the energy density E 86 to the peak energy density E max is 22.7%.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 can be joined, and a bead penetrates the dumbbell-shaped member 5 or a convex portion is formed on the back side of the dumbbell-shaped member 5. There was nothing.
  • the defocus beam 19b shown in FIG. 7 has an average output of 4500 w, a peak energy density E max of 5.7 ⁇ 10 5 W / cm 2 , and an energy density E 50 of 3.0 ⁇ 10 5 W / cm 2.
  • E86 is 1.2 ⁇ 10 5 W / cm 2 .
  • the ratio of the energy density E 50 to the peak energy density E max is 52.6%, and the ratio of the energy density E 86 to the peak energy density E max is 21.1%.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 were not melted and could not be joined. This is considered to be because the peak energy density E max is 5.7 ⁇ 10 5 W / cm 2 and the energy density E in the peak portion is insufficient.
  • the dumbbell-shaped member 5 made of niobium and the strong wheel 4 are welded with a defocus beam having an average output different from that of the defocus beam 11 according to the first embodiment, and the peak energy density E max and the peak energy density E are determined. It confirmed the relationship between the ratio and the welding state of the energy density E 50 for max.
  • the specimens HS-10, HS-9, and HS-8 shown in FIG. 8 were welded, HS-10 could be welded, but HS-9 and HS-8 could not be welded. From this, it can be seen that, even with defocused beams having different average outputs, if the peak energy density E max is higher than 5.8 ⁇ 10 5 W / cm 2 , depth-controlled partial penetration welding can be performed. .
  • the welding method in the welding method according to the second embodiment, laser welding is performed while supplying an inert gas G.
  • the inert gas G includes an irradiation surface 13 of the defocused beam 11, front and rear in the welding direction of the irradiation surface 13, a back surface of the irradiation surface 13 inside the tube 3 of the superconducting acceleration tube 1, and a dumbbell-shaped member. 5 and the space 25 between the strong wheels 4.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 are rotated in the direction of arrow A in FIG.
  • the welding direction is the reverse direction of the arrow A.
  • the inert gas supply means 21 for supplying the inert gas G to the irradiation surface 13 of the defocus beam 11 and the front and rear in the welding direction of the irradiation surface 13 includes defocusing.
  • the center nozzle 22 is provided so as to surround the beam 11, the front nozzle 23 is provided in the front in the welding direction of the center nozzle 22, and the rear nozzle 24 is provided in the rear in the welding direction of the center nozzle 22.
  • the inert gas supply means 21 is provided at a predetermined distance from the strong wheel 4, and the front surfaces 23 a and 24 a of the front nozzle 23 and the rear nozzle 24 facing the strong wheel 4 have a cylindrical shape of the strong wheel 4. A corresponding curved surface is formed.
  • the inert gas G is simultaneously supplied from the center nozzle 22, the front nozzle 23, and the rear nozzle 24.
  • the supply of the inert gas G to the space 25 between the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 is performed as follows.
  • a partition plate 26 that partitions the space 25 in the circumferential direction is provided in the space 25, and the gas in the space 25 cannot pass through the partition plate 26.
  • a discharge port 28 is formed. The supply port 27 and the discharge port 28 are provided close to each other through a partition plate 26.
  • the inert gas G When the inert gas G is supplied from the supply port 27 to the space 25, the gas in the space 25 is discharged from the discharge port 28. At this time, since the space 25 is partitioned by the partition plate 26, the supplied inert gas G moves in the circumferential direction in the space 25 and is discharged from the discharge port 28 after filling the space 25. Become. In this embodiment, one partition plate 26 is provided. However, a plurality of partition plates 26 are provided to divide the space 25 between the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 into a plurality of parts and supply them to each. It is good also as a structure which provides the opening 27 and the discharge port 28. FIG.
  • the same effect as that of the first embodiment is achieved, and the inert gas G is stably supplied to the welded portion 8, whereby the dumbbell-shaped member 5 and the strengthening wheel are provided. 4 oxidation can be prevented.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 to be welded can be easily replaced, and since the operation is not performed in the chamber, Matching can be performed easily.
  • the welding method by 3rd embodiment is demonstrated based on drawing.
  • the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 are installed so that the axial direction thereof is the horizontal direction.
  • the rotation is performed around the shaft 9 in the direction of arrow A in the figure.
  • the irradiation surface 13 of the defocus beam 11 is rotated in the range of 0 ° to 90 ° in the direction opposite to the direction of the arrow A in the figure from the upper end 4b of the strong wheel 4 with the axial direction being the horizontal direction.
  • 9 is the same height or a position on the upper side of the central axis 9.
  • it is set at a position rotated from the upper end 4b of the strong wheel 4 by 5 to 45 ° in the direction opposite to the direction of arrow A in the figure.
  • the welding method according to the third embodiment has the same effects as the first embodiment. Then, the molten metal irradiated to the defocus beam 11 moves to the upper side by the rotation of the dumbbell-shaped member 5 and the strong wheel 4 and solidifies, and droops to the irradiation surface 13 to which the defocus beam 11 is irradiated. Therefore, the welding method according to the third embodiment can efficiently perform welding.
  • the superconducting acceleration tube 1 and the strong wheel 4 are formed of pure niobium, but may be formed of a metal other than pure niobium or a material containing niobium.
  • the inert gas G is supplied to the irradiation surface 13 and the front and back in the welding direction of this irradiation surface 13, it is requested
  • the inert gas G may be supplied only to the irradiation surface 13 according to the penetration depth.
  • welding may be performed by forming an inert gas atmosphere by another inert gas G supply method.
  • the metal material constituting the superconducting accelerating tube main body and the reinforcing member can be melted at the peak portion of the laser beam.
  • a bead with a gentle shape and a small aspect ratio is formed.
  • production of a blowhole is suppressed and a partial penetration welding can be performed, without a bead penetrating a superconducting acceleration tube main body, or a convex part being formed in the back side of a superconducting acceleration tube main body.
  • the superconducting acceleration tube main body and the reinforcing member can be efficiently welded, and the quality of the manufactured superconducting acceleration tube and superconducting accelerator can be stabilized.

Abstract

　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５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２以上である。

Description

溶接方法および超伝導加速器
　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。
　本願は、２０１０年２月１７日に日本出願された特願２０１０－０３２５１５に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、超伝導加速管の製造過程において、部材を接合するために電子ビーム溶接が行われている。この電子ビーム溶接では、真空引きが必須であるため付帯作業が多く、気中での溶接と比べて位置あわせに時間を要している。
　一方、レーザ溶接は、気中での施工が可能であり、このレーザ溶接を超伝導加速管の製造過程に適用すること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、内側からレーザ光により非貫通溶接を行った後、外側からレーザ光により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、溶接部分が母材を貫通しないように溶接を行うため溶接部分にブローホール（気泡）が発生しやすい。ブローホールの発生を防ぐために、溶込み形状のアスペクト比（深さ／幅）が小さくなるように、ビームをデフォーカスすることが考えられる。しかし、ニオブ（Ｎｂ、融点：約２５００℃）のように融点が他の金属よりも高い金属を母材として用いる場合、ビームをデフォーカスすると金属が溶融しにくくなるため、溶接が困難であった。
　また、ニオブのような高融点金属を溶融させるために、高ピークのビームにより溶接を行うと、ビード幅が細くなり、ブローホールがさらに発生しやすくなる。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、ビードが母材を貫通したり、溶接面の裏側に凸部が形成されたりする懸念がある。したがって、超伝導加速管の品質を安定して確保することができなかった。
　さらに、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を使用する場合、酸化を防止して高品質の溶接施工を行うことが困難であった。
　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、ビードが母材を貫通したり溶接面の裏側に凸部が形成されたりすることなく、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管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５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２以上である。
　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５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２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くなると共に、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。その結果、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。
　本発明に係る溶接方法において、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％以下であってもよい。
　この場合、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てもよい。
　この場合、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してもよい。
　この場合、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してもよい。
　この場合、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してもよい。
　この場合、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もよく、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てもよい。
　この場合、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てもよい。
　この場合、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。
　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。これにより、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が形成されたりせずに部分溶け込み溶接を行うことができる。その結果、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超伝導加速器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）のデフォーカスビームの照射面の拡大図、（ｃ）ジャストフォーカスビームの照射面の拡大図である。 （ａ）は第一の実施の形態によるデフォーカスビームの照射面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に沿う断面図、（ｃ）は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照射面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に沿う断面図、（ｃ）は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照射面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に沿う断面図、（ｃ）は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照射面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に沿う断面図、（ｃ）は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比較する図である。 （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を中央に開口部を有するように椀状にプレス加工したものである。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の補強を目的とする。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。
　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ように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。そのため、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（ｃ）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、ダンベル形状部材５および強め輪４を、その中心軸９を中心にして回転させ、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、例えば、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に示すように中央部がエネルギー密度Ｅの高いガウス分布形状（つまり、図３（ａ）に示すような鐘形の立体形状、図３（ｂ）に示すようなベル・カーブ）になる。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（ａ）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は４５００Ｗ、速度は２．０ｍ／ｍｉｎである。
　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、図３および図４に示すように、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。
　また、デフォーカスビーム１１は、中央部にエネルギー密度Ｅのピーク部１１ａを有しており、同様に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１２ａを有している。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Ｅｍａｘとする）に大差はない。しかし、デフォーカスビーム１１はピーク部１１ａから外縁部１１ｂに向うにつれてエネルギー密度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はピーク部１２ａから１２ｂに向うにつれてエネルギー密度Ｅが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のエネルギー密度をエネルギー密度Ｅ５０とし、同様に図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、全エネルギーのうちピーク部１２ａを中心に５０％のエネルギーが含まれる領域１２ｃの外周部１２ｄのエネルギー密度をエネルギー密度Ｅ５０とする。そして、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Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅｍａｘが６．９×１０５Ｗ／ｃｍ２、エネルギー密度Ｅ５０が５．１×１０５Ｗ／ｃｍ２で、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅ８６は、２．４×１０５Ｗ／ｃｍ２となる。ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ８６の割合は３４．８％である。なお、エネルギー密度Ｅ８６は全エネルギーのうちピーク部１２ａを中心に８６％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Ｅｍａｘが７．２×１０５Ｗ／ｃｍ２、エネルギー密度Ｅ５０が６．０×１０５Ｗ／ｃｍ２で、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘ に対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅ８６は、５．１×１０５Ｗ／ｃｍ２となる。ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ８６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Ｅｍａｘは５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２以上の値となるように設定し、好ましくは６．０×１０５Ｗ／ｃｍ２以上に設定する。このように、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘを５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２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、ビードが金属を貫通したり、溶接面の裏側に凸部が形成されたりする虞がある。
　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Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０の割合が７５％以下のデフォーカスビーム１１で溶接を行う。これにより、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。その結果、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くなると共にキーホールの側面の溶融した金属が流れて気泡が巻き込まれ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の裏側に凸部が形成されたりすること無く、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５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２以上のピークエネルギー密度Ｅｍａｘ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の裏側に凸部が形成され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。そのため、超伝導加速管１を効率よく製造できる。また、これにより超伝導加速管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。
　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Ｅｍａｘ、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅｍａｘが６．６×１０５Ｗ／ｃｍ２、エネルギー密度Ｅ５０が３．９×１０５Ｗ／ｃｍ２である。ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０の割合は、５９．１％、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ８６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Ｅｍａｘが５．７×１０５Ｗ／ｃｍ２、エネルギー密度Ｅ５０が３．０×１０５Ｗ／ｃｍ２エネルギー密度Ｅ８６が１．２×１０５Ｗ／ｃｍ２である。ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０の割合は、５２．６％、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ８６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Ｅｍａｘが５．７×１０５Ｗ／ｃｍ２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Ｅｍａｘ、ピークエネルギー密度Ｅｍａｘに対するエネルギー密度Ｅ５０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Ｅｍａｘが５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２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る。ここで、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。
　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。これにより、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が形成されたりせずに部分溶け込み溶接を行うことができる。その結果、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超伝導加速器の品質を安定させることができる。
　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 (9)

  1. 　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５．８×１０５Ｗ／ｃｍ２以上である溶接方法。
  2. 　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％以下である請求項１に記載の溶接方法。
  3. 　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請求項１に記載の溶接方法。
  4. 　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請求項１に記載の溶接方法。
  5. 　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請求項４に記載の溶接方法。
  6. 　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請求項１に記載の溶接方法。
  7. 　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請求項６に記載の溶接方法。
  8. 　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請求項１に記載の溶接方法。
  9. 　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超伝導加速器。
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