(57)【要約】【課題】環状体の溶接を内部側から溶接開先に正対するように行い、溶接品質を向上させ得る溶接装置を提供する。【解決手段】エンドパーツ５を形成する溶接装置１であって、真空雰囲気を形成可能な真空チャンバー２３と、真空チャンバー２３内に設置され、ハーフセル１１、端板１７、ビームパイプ１９が隣接して溶接開先を形成したエンドパーツ５を保持する保持部材２５と、エンドパーツ５の軸線中心Ｏが交差する真空チャンバー２３の上端面部２７に設置され、その一部を構成する窓２９と、真空チャンバー２３の外部に設置され、窓２９を通してエンドパーツ５の内部空間にレーザ光３３を照射するレーザ照射ヘッド３５と、エンドパーツ５の内部空間に位置するように設置され、レーザ光３３を反射した反射レーザ光５５が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３７と、が備えられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体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環状接合体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、複数の前記環状体を開口部同士が隣接して溶接開先を形成した前記環状接合体を保持する保持部材と、
前記環状接合体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環状接合体の内部空間にレーザ光を照射するレーザ照射部材と、
前記環状接合体の内部空間に位置するように設置され、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、が備えられていることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、超伝導加速空洞の製造に用いる溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導加速空洞は、軸線方向に配列された複数の部材が接合されて形成される。従来、この接合は不純物の混入が少ないので、真空雰囲気中で電子ビーム溶接あるいはレーザ溶接によって外側から貫通溶接が行われていた。
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。
【０００３】
したがって、超伝導加速空洞の内側から溶接を行って、内側の後処理を低減することが求められている。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９５９１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、超伝導加速空洞は中空の環状体であるので、レーザ溶接であれば、真空容器の外側からレーザ光を入射し、超伝導加速空洞の内部を溶接することが考えられる。
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。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、環状体の溶接を内部側から溶接開先に正対するように行い、溶接品質を向上させ得る溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
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環状接合体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、複数の前記環状体を開口部同士が隣接して溶接開先を形成した前記環状接合体を保持する保持部材と、前記環状接合体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環状接合体の内部空間にレーザ光を照射するレーザ照射部材と、前記環状接合体の内部空間に位置するように設置され、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、が備えられている溶接装置である。
【０００８】
本態様にかかる溶接装置によると、軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体を軸線方向に配列し、開口部同士が隣接して溶接開先を形成した環状接合体を形成するように真空室内の保持部材に装着する。次いで、真空吸引して真空室内を真空雰囲気とする。溶接開先の位置に対応して必要に応じミラー部材によって反射される反射レーザ光の軸線方向における位置を調整し、溶接作業に入る。すなわち、レーザ照射部材からレーザ光を照射すると、レーザ光は窓部材を通って環状接合体の内部空間に位置するように設置されたミラー部材に照射される。このレーザ光は、ミラー部材によって反射され、溶接開先に正対する方向に照射される。照射されたレーザ光によって溶接開先部が溶融され、接合される。この溶接は貫通溶接であっても、非貫通溶接であってもよい。非貫通溶接の場合には、後で外側からも溶接することになる。
【０００９】
このように、環状接合体は内部側から溶接されるので、内部側に予期しない凹凸が形成されることはなく、内部の状態を良好にすることができる。
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。
【００１０】
前記態様では、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が好ましい。
このようにすると、環状接合体は全周に亘ってなめらかに溶接を行うことができる。
【００１１】
前記態様では、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が好ましい。
【００１２】
真空雰囲気中にミラー部材にレーザ光を照射すると、ミラー部材が発熱し、たとえば、変形する恐れがある。
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。
【００１３】
前記態様では、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が好ましい。
【００１４】
レーザ溶接に際し、溶接部分から金属蒸気が発生し、四方へ飛散し、ミラー部材あるいは窓部材に付着する。たとえば、ミラー部材に金属蒸気が付着すると、レーザ光の反射量が低下するので、溶接が不完全となる恐れがある。
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環状接合体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。
【００１５】
前記態様では、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が好ましい。
【００１６】
レーザ溶接に際し、溶接部分から金属蒸気が発生し、四方へ飛散し、ミラー部材あるいは窓部材に付着する。たとえば、ミラー部材に金属蒸気が付着すると、レーザ光の反射量が低下する。窓部材に金属蒸気が付着すると、レーザ光の透過量が低下する。これらによって、レーザ光の強度が低下するので、溶接が不完全となる恐れがある。
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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、真空雰囲気を形成可能な真空室と、真空室内に設置され、複数の環状体を開口部同士が隣接して溶接開先を形成した環状接合体を保持する保持部材と、環状接合体の軸線中心が交差する真空室の壁部に設置され、壁部の一部を構成する透明の窓部材と、真空室の外部に設置され、窓部材を通して環状接合体の内部空間にレーザ光を照射するレーザ照射部材と、環状接合体の内部空間に位置するように設置され、レーザ光を反射した反射レーザ光が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、が備えられているので、溶接品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる溶接装置を用いて溶接されたエンドパーツが取り付けられた超伝導加速空洞の正面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる溶接装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】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。
【図４】本発明の一実施形態にかかる溶接装置による溶接状態を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態にかかる溶接装置１について、図１〜図４を参照して説明する。本実施形態にかかる溶接装置１は、超伝導加速空洞３のエンドパーツ５を形成するものである。
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。
【００２０】
超伝導加速空洞３には、図１に示されるように、エンドパーツ（環状接合体）５と、空洞部７とが備えられている。
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。
【００２１】
エンドパーツ５は、ハーフセル（環状体）１１と、端板（環状体）１７と、ビームパイプ（環状体）１９とで構成されている。
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。
【００２２】
エンドパーツ５は、端板１７の凹部に、ハーフセル１１のアイリス部１５およびビームパイプ１９の端部を係合させ、図４に示されるように略水平方向に延在する溶接開先１８，２０を形成し、この溶接開先１８，２０を溶接して接合することによって形成される。
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。
【００２３】
溶接装置１には、図２に示されるように、中空円筒形状をした真空チャンバー（真空室）２３と、真空チャンバー２３の内部に設置され、エンドパーツ５を軸線中心Ｏが上下方向に延在するように保持する保持部材２５と、軸線中心Ｏが交差する真空チャンバー２３の上端面部（壁部）２７に設けられた窓（窓部材）２９と、真空チャンバー２３の外部に設置され、窓２９を通してエンドパーツ５の内部空間３１にレーザ光３３を照射するレーザ照射ヘッド（レーザ照射部材）３５と、内部空間３１に設置され、レーザ光３３を反射するミラー部材３７と、が備えられている。
【００２４】
真空チャンバー２３には、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真空吸引部材３９が接続されている。
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。
【００２５】
窓２９は、上端面部２７の開口部を覆うように取り付けられ、上端面部２７と一体となって密閉構造を形成している。
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。
【００２６】
ミラー部材３７の上面（反射面）５３はレーザ光３３を反射して反射レーザ光５５とする。ミラー部材の下部には空間５７が備えられている。空間５７と上面５３とは複数の貫通孔５９で連通されている。貫通孔５９は上面５３の周縁部のレーザ光３３が照射されない位置に設けられている。
【００２７】
上下方向に延在し、冷却水が通る内部空間を有する冷却配管（冷却部材）６１が、下端面部４７に固定して取り付けられている。冷却配管６１の上端は閉鎖され、かつ、傾斜している。ミラー部材３７は、下面が冷却配管６１の上端に取り付けているので、上端の傾斜に沿って傾斜している。
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。
【００２８】
ミラー部材３７の下面には、空間５７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）６３が接続されている。
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。
【００２９】
以上の構成を有する本実施形態にかかる溶接装置１の動作について説明する。
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。
【００３０】
冷却配管６１に冷却水を供給する。ガス配管６３で空間５７へ不活性ガスを供給し、貫通孔５９を介して上面５３から不活性ガスが出るようにする。ガス配管６５で窓２９の内面近傍へ不活性ガスを供給する。
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。
【００３１】
本実施形態では、エンドパーツ５が軸線中心Ｏの回りに回転するようにされているが、エンドパーツ５は固定し、レーザ照射ヘッド３５およびミラー部材３７が軸線中心Ｏの回りに回転するようにしてもよい。また、エンドパーツ５ならびにレーザ照射ヘッド３５およびミラー部材３７それぞれが軸線中心Ｏの回りに回転するようにしてもよい。
【００３２】
溶接開先２０の溶接が終了すると、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位置が溶接開先１８に一致するようにし、溶接開先２０と同様に溶接開先１８を溶接する。
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。
【００３３】
このとき、真空雰囲気中にあるミラー部材３７にレーザ光３３が照射されるので、ミラー部材３７が発熱し、たとえば、変形する恐れがある。本実施形態では、ミラー部材３７は冷却配管６１に供給される冷却水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３７が変形することを抑制できるので、反射レーザ光５５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。
【００３４】
また、溶接部分から発生する金属蒸気が飛散するが、本実施形態では、ミラー部材３７の上面５３および窓２９の内面の近傍に不活性ガスが供給されているので、ミラー部材３７の上面５３および窓２９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３７の上面５３および窓２９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、金属蒸気がミラー部材３７の上面５３および窓２９の内面へ付着することを抑制できる。
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。
【００３５】
従来のようにレーザ光３３Ｊを、たとえば、図４に一転鎖線で示すように直接溶接開先１８に向けて照射するようにすると、エンドパーツ５が溶接開先１８よりも上方に延在しているので、レーザ光３３Ｊはどうしても溶接開先１８の延在方向に対して傾斜して入射される。このため、溶接開先１８とレーザ光３３Ｊによる溶融範囲とが交差する関係となるので、レーザ光３３の照射位置によっては、溶融する部分が溶接開先１８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３３Ｊの照射位置を溶接開先１８に対して距離Ｌ１だけずらせる（オフセットする）等が必要になり位置決め作業が難しい。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、反射レーザ光５５は溶接開先２０の延在方向に一致している、言い換えると、溶接開先２０に正対する方向に照射されているので、容易に位置を決めることができるし、溶融部分が溶接開先２０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。
【００３７】
また、エンドパーツ５は内部側から溶接されるので、内部側に予期しない凹凸が形成されることはなく、内部の状態を良好にすることができる。
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。
【００３８】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  溶接装置
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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