JP4828873B2 - 超伝導コイルの製造方法、製造装置および超伝導コイル - Google Patents

Description

本発明は、例えば核融合装置、あるいは粒子加速器などに用いられる強制冷却方式の超伝導磁石を構成する超伝導コイルの製造方法に関し、特に溶接組立工程に改良を施した超伝導コイルの製造方法、製造装置および超伝導コイルに関する。

近年開発が進められている超伝導コイルの一方式に強制冷却方式の超伝導コイルがある。
この強制冷却方式の超伝導コイルは、導体を直接絶縁することができるため、構造面では機械的強度が極めて高く、性能面では電気絶縁特性に優れているなどの特徴があり、大型の超伝導コイルにはこの強制冷却方式の超伝導コイルの適用が望ましいとされている。

大型の超伝導コイルの用途としては核融合機器や粒子加速器などに用いられる超伝導磁石がある。

このような核融合機器や粒子加速器などで使用される大型の超伝導コイルの構造は一般的に、超伝導線を強固に保持するためのステンレス帯板の表裏両面に溝を削り加工により形成し、この溝の中に絶縁された超伝導線を収納し、この溝の開口をステンレス製の蓋で塞いで封止するようにした構造が採用されている。

そして、前記ステンレス帯板、このステンレス帯板の溝内に収納した超伝導線、そして溝の開口部を閉塞するステンレス蓋体とで超伝導コイルを構成している。
この超伝導コイルのステンレス蓋体をステンレス帯板の溝部を塞ぐように封止する手段としては一般的に溶接封止手段があり、例えばアーク溶接やレーザ溶接が採用されている。

従来一般的な溶接手段として、レーザヘッドとアーク溶接トーチとから成る２つの溶接手段の溶接進行方向前方に２つの被溶接材の突合せ面の開先加工手段を配し、両手段の間隔を保ちながら前記突合せ面に沿って両手段を被溶接材に対して相対的に移動させ、前記開先加工手段による突合せ面の開先加工と、前記溶接手段のレーザとアークによる複合溶接とを同時施工するようにした複合溶接手段が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、別の手段として、被溶接材の溶接ルート上にレーザ加工ノズルとプラズマトーチ及びアシストガス噴射ノズルを配置し、先行をレーザとし、後行をアークとし、レーザ照射位置とアークの溶接ワイヤ狙い位置との距離を適正値に設定すると共に、被溶接材の溶接ルートのギャップを板厚の１０％以上、レーザビーム径以下に設定して溶接するようにした複合溶接手段も知られている（例えば特許文献２参照）。

更に、溶接される金属成分に製造される少なくとも１つの溶接継手を、パワーダイオードレーザ装置のようなレーザビームと、このレーザ溶接の出力を補う目的で少なくとも１つの電気アークを使用して溶接するようにした複合溶接手段も知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００４−２９８８９６号公報 特開平１０−２１６９７２号公報 特表２００４−５２５７６６号公報

大型の超伝導コイルを構成する超伝導線の絶縁体や超伝導コイルの材料は一般的に熱に脆弱であるため、ステンレス蓋体で溝部の開口を封止する際にアーク溶接を使用する場合にはステンレス帯板やそれを介して超伝導線への入熱を厳密に制御しながら溶接を行う必要がある。

また、ステンレス蓋体の溶接部は隣り合う溶接線が近接するため熱変形が問題となり、厳密な入熱管理を必要とする。
さらに、超伝導コイルは大型構造物であるため溶接継手のギャップ量が大きく変動することから溶接時の入熱管理が重要となる。

一方、前記の大型の超伝導コイルは、その要求される性能から極めて高い組立精度が必要であり、従来のアーク溶接を使用する工程においては加熱変形が問題であり、この加熱変形を抑制させるために厳密に管理した複数層に及ぶ溶接順序に基づき製作する必要がある。

アーク溶接の工程を有する大型の超伝導コイルの製造方法では複数層に及ぶ施工となり溶接入熱過多に起因する加熱変形の発生を余儀なくされる場合がある。
また、製造に要する施工時間も長く、歪み取りの付帯作業の発生により生産効率が低いという欠点があった。

一方、レーザ溶接による手段では、アーク溶接の手段に比べて溶接入熱や加熱変形を低減でき、かつ、良い生産効率を期待できるが、溶接継手部の組合せに極めて高い組立精度が必要となるため、大型の超伝導コイルのような構造物では、ステンレス帯板の超伝導線を収納するための溝の切削加工および組合せ作業が困難となる欠点があった。

これに対して、従来の特許文献１及び２に示される複合溶接手段であると、厚板の溶接における溶け込み深さを増大させることができるものの、被溶接材に対する溶接熱の入熱管理を厳密に行うことができず、かえって超伝導線の絶縁体や超伝導コイルの材料を過熱し、材料に対して熱的損傷を与える恐れが多分にある。

また、大型構造物の溶接継手のギャップ量が大きく変動した場合でもそれを調節することが難しく、良好な溶接継手部を形成することが難しい。
更に、大型の超伝導コイルは、その要求される性能から極めて高い組立精度が要求されるにもかかわらず、特許文献１及び２に示される複合溶接手段では厳密な入熱管理の難しさから被溶接材の加熱変形が問題となり、複数層に及ぶ大掛かりな施工組立において、高い組立精度が得られないという課題を有している。

一方、特許文献３に示されるものも、レーザ溶接とアーク溶接とを併用することによりレーザ溶接の出力の不足分をアーク溶接によって補うことができるという効果はあるものの、前記特許文献１及び２に示される複合溶接手段と同様に、厳密な入熱管理の難しさから、超伝導線の絶縁体や超伝導コイルの材料を過熱し、材料に対して熱的損傷を与える恐れがあり、高い組立精度が得られないという課題を有している。

上記のように、従来の超伝導コイルの製造方法において、特に溶接組立工程を有する場合、アーク溶接では溶接変形や生産効率の問題があること、レーザ溶接では組立精度の制約や付帯作業が困難であるという課題があった。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、超伝導線が熱損傷を受けることがなく、溶接による加熱変形を抑制し、高い組立精度が得られると共に、生産効率を向上させた超伝導コイルの製造方法、製造装置および超伝導コイルを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明の超伝導コイルの製造方法によれば、ステンレス帯板の表面に加工された溝に、絶縁材で被覆された超伝導線を収納し、前記溝の開口部と嵌め合い形状に加工されたステンレス蓋体を組み合せ、前記ステンレス帯板と前記ステンレス蓋体との溶接継手部をレーザ溶接とアーク溶接により封止する超伝導コイルの製造方法において、前記レーザ溶接に先立って前記アーク溶接を先行させるとともに、前記ステンレス蓋体の裏面到達温度が２００℃以下となるように前記溶接継手部の溶け込み深さを調整することを特徴とする。
また、本発明の超伝導コイルの製造装置によれば、レーザ溶接機構とアーク溶接機構と溶接ワイヤ供給手段を溶接方向に向かって順に搭載した自走式台車を請求項１記載の溶接継手部に沿って移動させて溶接を行う超伝導コイルの製造装置において、前記レーザ溶接機構による溶接に先立って前記アーク溶接機構による溶接を先行させるとともに、前記ステンレス蓋体の裏面到達温度が２００℃以下となるように前記溶接継手部の溶け込み深さを調整することを特徴とすることを特徴とする。

この発明によれば、超伝導線が熱損傷を受けることがなく、溶接による加熱変形を抑制し、高い組立精度が得られると共に、生産効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

図１において、１は超伝導線を強固に保持するためのオーステナイト系ステンレス鋼で形成されたラジアル・プレート構造のステンレス帯板で、水平置きにし、表裏両面に底部が略半円状に削り加工された溝２を鉛直方向に向けて多数条形成している（図１ではステンレス帯板の片面のみを示している。）。

３は前記ステンレス帯板１の溝２の中に収納された超伝導線であり、その外周部は絶縁体４によって被覆されている。
ステンレス帯板１の溝２は図示の如く超伝導線３の直径よりも深く加工され、超伝導線３を収納した状態で開口側にギャップ部が形成されるようになっている。

５はステンレス帯板１の溝２のギャップ部に嵌め合わされ、後述する溶接手段により溝２の開口を塞ぐようにステンレス帯板１に封止されたステンレス蓋体である。
６は図示しない出力数ＫＷ程度のＹＡＧレーザ発振器から発振されたレーザ光で、集光レンズ７により集光されて前記ステンレス帯板１とステンレス蓋体５との溶接継手部８に照射されている。

９はおよそ５００Ａぐらいまで流す図示しないアーク溶接電源に接続されたＴＩＧトーチで、前記レーザ光６の溶接進行方向（図１（ａ）中矢印で示す）前方から溶接継手部８に対してＴＩＧアーク１０を噴射し、前記ＹＡＧレーザ発振器と同期して移動し、ステンレス帯板１とステンレス蓋体５との溶接継手部８を溶接する。

ＴＩＧ溶接は、Ａｒ（アルゴン）、またはＨｅ（ヘリウム）、あるいはその混合ガスなどの不活性シールドガス雰囲気中で、タングステン電極と母材との間にアークを発生させ、母材を溶融することによって溶接する溶接手段である。

ステンレス帯板１とステンレス蓋体５との溶接継手部８の板厚１１は、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍである。
一般的に、超伝導線３はその機能を維持するために、例えば製造上２００℃以上に加熱することは好ましくない。

次に上記のように構成された超伝導コイルの溶接方法について説明する。
図示しないレーザ発振器から発振されたレーザ光６は集光レンズ７により集光され、ステンレス帯板１とステンレス蓋体５との溶接継手部８に照射されると共に、溶接方向の前方からＴＩＧトーチ９からＴＩＧアーク１０を同じく溶接継手部８に供給する。

レーザ光６の発振には例えばＹＡＧレーザを用いる。ＹＡＧレーザの溶接条件の一例としては次の通りである。
レーザ出力：２ｋＷ〜１０ｋＷ
溶接速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ
デューティ：２５％〜１００％
周波数：１０Ｈｚ〜２００００Ｈｚ

なお、集光レンズ７の代わりに放物面ミラーのような集光ミラーを用いてもよい。焦点距離は１３０ｍｍから４００ｍｍとする。また、現在大出力化が進められているファイバーレーザや、従来のＣＯ２レーザをＹＡＧレーザの代わりに用いてもよい。

一方、ＴＩＧアークの条件は一例として次の通りである。
溶接電流：１８０Ａ〜５００Ａ
溶接電圧：８Ｖ〜１５Ｖ
ＴＩＧアーク用センターガス：３リットル／ｍｉｎ〜８リットル／ｍｉｎ
ＴＩＧアーク用シールドガス：１０リットル／ｍｉｎ〜３０リットル／ｍｉｎ
レーザ光４の中心線とＴＩＧアーク１０の中心線の角度は１５°〜９０°

これにより、ステンレス帯板１とステンレス蓋体５との一方の溶接継手部８はレーザ光６とＴＩＧアーク１０とによって溶接することができる。

また、同様に他方の溶接継手部に対してもレーザ光６とＴＩＧアーク１０とによって溶接を行う。
この場合、ＴＩＧトーチ９とレーザ光６の光軸とのなす角度は１５°〜９０°の範囲が好ましい。

また、溶接継手部８において、ある一定の余盛高さが必要な場合には、溶加材としての溶接ワイヤ１２を溶接継手部８に供給するようにすればよい。
なお、溶接ワイヤ１２の代わりに金属粉末を用いることや、継手間隙にシム材を挿入してもよい。

図２は、レーザ出力、溶接電流、溶接速度が同一である場合のＴＩＧ溶接のシールドガスと溶接の溶け込み深さとの関係の一例を示す図である。
図２を用いて、ＴＩＧ用シールドガスの混合比について説明する。水素ガス５％やヘリウム５０％を混合したアルゴンガスでは電磁ピンチ力が強化されＴＩＧアークが集束することでアルゴン１００％ガスに比べて深い溶け込みが得られる。

次に、図３を用いて、溶接の溶け込み深さとステンレス蓋体５の裏面での最高到達温度の関連を説明する。
図３は、溶接継手部８の板厚１１が８ｍｍの場合のステンレス蓋体５の裏面での最高到達温度を示している。

溶接入熱の上昇に伴い溶け込み深さが増大し、ステンレス蓋体５の裏面の最高到達温度が上昇する。例えば裏面到達温度を２００℃以下とする場合には、溶け込み深さを６ｍｍ以下にすることが望ましい。

さらに、図４を用いて、継手間隙量と溶け込み深さの関連を説明する。図４に示すように、継手間隙量とレーザ出力が温度上昇に大きく影響し、溶接継手部８の板厚１１が８ｍｍの場合に温度上昇を２００℃以下に抑えるためにはレーザ出力を２．５ｋＷ以下、継手間隙量を０．６ｍｍ以下にすることが望ましいことがわかる。

以上のように本実施の形態によれば、超伝導コイルを製造する方法において、ステンレス帯板の表裏両面に削り加工された溝に、絶縁材を巻回した超伝導線を収納し、前記溝と嵌め合い形状に加工されたステンレス蓋体を前記溝の開口を塞ぐように組み合せて、超伝導線を封止する工程において、その結合部分にレーザ光とアークの複数の熱源を用いて溶け込み深さを予め定めたある一定の範囲とするように入熱管理をして溶接を行うので、ステンレス帯板や巣転摺れ蓋体あるいはそれらを介して超伝導線へ加わる溶接熱の入熱管理を厳密に行うことができ、熱に脆弱な材料でできた超伝導線が熱損傷を受けることがなく、溶接による加熱変形を抑制し、高い組立精度が得られると共に、生産効率を向上させた超伝導コイルの製造方法を得ることができる。

また、レーザ溶接に先立ってアーク溶接を先行させることによりレーザ、アーク間の裕度が拡大し、アークによる溶接領域が深さ方向に拡大することができる。

さらに、アーク用シールドガスの供給方法として非消耗電極周辺に二重シールドトーチを用いて２種類のシールドガスを供給するようにし、その内側ノズルより水素２％〜１０％、残部アルゴンガス、ないしは、ヘリウム３０％〜７０％、残部アルゴンガスを供給し、外側ノズルよりアルゴンガス１００％を供給するようにすればアーク力を強化でき、速い速度で溶接しても材料深く溶け込むことができ、溶接断面形状も改善されて安定したアークを供給できる。
なお、前記のＴＩＧ溶接に代わってプラズマアークによる溶接で行うこともできる。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施の形態について図５を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、前記第1の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、ステンレス帯板１を水平置きにし、ステンレス帯板１の表裏両面に超伝導線３を収納する溝２を多数条形成している。
５は各溝２の開口に嵌め合わされたステンレス蓋体である。

各々のステンレス蓋体５はステンレス帯板１の表裏両面の同じ位置に形成された溝２に対して同時に溶接を行うと共に１つの溝２の左右両側の溶接継手部８にそれぞれレーザ光６とＴＩＧアーク１０とを供与し、両側の溶接継手部８を同時に溶接を行う。

このように、水平置きにされたステンレス帯板１のステンレス蓋体５の両側の溶接継手部８を同時に溶接を行うことにより、ステンレス蓋体５の溶接入熱による横収縮をキャンセルし、溶接による加熱変形を防止することができる。

また、超伝導コイルの複数のステンレス蓋体５を同時に溶接することでステンレス帯板１の全体の加熱変形を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施の形態について図６を参照して説明する。
本実施の形態は、ステンレス帯板１を鉛直置きにし、ステンレス帯板１の両面に超伝導線３を収納する溝２を多数条形成している。
５は各溝２の開口に嵌め合わされたステンレス蓋体である。

各々のステンレス蓋体５はステンレス帯板１の表裏両面の同じ位置に形成された溝２に対して同時に溶接を行うと共に左右両側の溶接継手部８にそれぞれレーザ光６とＴＩＧアーク１０とを供与し、両側の溶接継手部８を同時に溶接を行う。

各々のステンレス蓋体５は上下両側の溶接継手部８にそれぞれレーザ光６とＴＩＧアーク１０とを供与し、両側の溶接継手部８に対して同時に溶接を行う。

このように、鉛直置きにされたステンレス帯板１のステンレス蓋体５の上下両側の溶接継手部８を同時に溶接を行うことにより、ステンレス蓋体５の溶接入熱による縦収縮および横収縮をキャンセルし、溶接による加熱変形を防止することができる。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施の形態について図７を参照して説明する。図７は本発明の第４の実施の形態を説明するための図であり、図１と同様に（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

図７において、１３はステンレス帯板１上を図７（ａ）中矢印で示す溶接進行方向に向かって溶接継手部８に沿って自走する自走式台車である。図示の例では、自走式台車がステンレス帯板１上を車輪が直接接触移動するようにしているが、図示しないレール上を移動させるようにしてもよい。

この自走式台車１３には、ＴＩＧアーク発生用の図示しない電源と、数ｋＷを発振する図示しないレーザ発振器を搭載している。

あるいはレーザ発振器の加工ヘッド１４およびＴＩＧトーチ９のみを搭載し、ＴＩＧアーク発生用の電源と、数ｋＷを発振するレーザ発振器は自走式台車１３以外の外部に設置し、石英ファイバーなどを用いて加工ヘッド１４にレーザ光や信号を伝達するようにしてもよい。

このように、ステンレス帯板１上を溶接進行方向に向かって溶接継手部８に沿って自走する移動可能な自走式台車１３上にレーザ溶接機構とアーク溶接機構とを搭載し、自走式台車を溶接継手部に沿って移動させて溶接することにより溶接作業が自動化され、生産効率が向上する。

また、１５は加圧ローラで、前記自走式台車１３に搭載され、自走式台車１３が溶接継手部８に沿って自走する際にステンレス蓋体５上を回転移動するように構成されている。
このように、自走式台車１３にステンレス蓋体５上を荷重を加えながら回転移動する加圧ローラ１５を備えることにより、溶接加熱時におけるステンレス蓋板５の溶接による加熱変形を防止することができる。

さらに、１６は自走式台車１３に搭載され、溶接進行方向の後方から溶接ビードとその周辺部を冷却する冷却ノズルである。
冷却手段として、冷却ノズル１６から二酸化炭素や窒素などの冷却ガスを吹き付ける方法やドライアイスなどの固体や水霧などの液体を塗布する方法がある。

このように、自走式台車１３に進行に合わせて溶接ビードとその周辺部を冷却する機能を備えることにより、溶接加熱時におけるステンレス帯板１およびステンレス蓋板５の溶接による加熱変形を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態による超伝導コイルの製造方法を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。 本発明の第１の実施の形態におけるシールドガス混合比の効果を説明する特性図。 本発明の第１の実施の形態における溶け込み深さと最高到達温度の関係を説明する特性図。 本発明の第１の実施の形態における継手間隙量と最高到達温度の関係を説明する特性図。 本発明の第２の実施の形態を示す側面図。 本発明の第３の実施の形態を示す側面図。 本発明の第４の実施の形態による超伝導コイルの製造方法を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

符号の説明

１…ステンレス帯板、２…溝、３…超伝導線、４…絶縁被覆、５…ステンレス蓋体、６…レーザ光、７…集光レンズ、８…溶接継手部、９…ＴＩＧトーチ、１０…ＴＩＧアーク、１１…溶接継手部の板厚、１２…溶接ワイヤ、１３…自走式台車、１４…加工ヘッド、１５…加圧ローラ、１６…冷却ノズル。

Claims (10)

1. ステンレス帯板の表面に加工された溝に、絶縁材で被覆された超伝導線を収納し、前記溝の開口部と嵌め合い形状に加工されたステンレス蓋体を組み合せ、前記ステンレス帯板と前記ステンレス蓋体との溶接継手部をレーザ溶接とアーク溶接により封止する超伝導コイルの製造方法において、
   前記レーザ溶接に先立って前記アーク溶接を先行させるとともに、前記ステンレス蓋体の裏面到達温度が２００℃以下となるように前記溶接継手部の溶け込み深さを調整することを特徴とする超伝導コイルの製造方法。
2. 前記ステンレス蓋体の両側の溶接継手部を同時に溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルの製造方法。
3. 前記溶接継手部に溶接ワイヤ又は金属粉末を供給することを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルの製造方法。
4. 前記レーザ溶接におけるレーザ出力を２．５ＫＷ以下とすることを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルの製造方法。
5. 前記アーク溶接はＴＩＧ溶接又はプラズマ溶接であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の超伝導コイルの製造方法。
6. アーク用シールドガスとして、水素２％〜１０％、残部アルゴン、ないしは、ヘリウム３０％〜７０％、残部アルゴンを使用することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の大型超伝導コイルの製造方法。
7. レーザ溶接機構とアーク溶接機構と溶接ワイヤ供給手段を溶接方向に向かって順に搭載した自走式台車を前記溶接継手部に沿って移動させて溶接を行うことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の超伝導コイルの製造方法。
8. 前記ステンレス蓋体を加圧する加圧ローラを自走式台車に搭載し、前記自走式台車を前記溶接継手部に沿って移動させ、前記加圧ローラで前記ステンレス蓋体を加圧しながら溶接を行うことを特徴とする請求項７記載の超伝導コイルの製造方法。
9. レーザ溶接機構とアーク溶接機構と溶接ワイヤ供給手段を溶接方向に向かって順に搭載した自走式台車を請求項１記載の溶接継手部に沿って移動させて溶接を行う超伝導コイルの製造装置において、
   前記レーザ溶接機構による溶接に先立って前記アーク溶接機構による溶接を先行させるとともに、前記ステンレス蓋体の裏面到達温度が２００℃以下となるように前記溶接継手部の溶け込み深さを調整することを特徴とする超伝導コイルの製造装置。
10. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の超伝導コイルの製造方法を用いて製造された超伝導コイル。

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