JP2005516778A - 電子ビーム処理の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子ビームが空気中の分子と衝突してビームが急速に拡散することを防止し、電子ビーム処理方法、特に、大気圧での電子ビーム溶接の方法を提供する。
【解決方法】 通常、電子ビーム溶接は真空内で実施される。しかし、これは、懸案の工作物を真空室内に配置し、溶接後にここから取り出す必要があることを意味する。これは時間がかかり、また、処理を大きく制限してしまうが、最大の利点は、非常に厚い工作物の溶接が可能なことである。したがって、中空針金を介して電子ビーム（2）を工作物へ案内するという概念が生まれ、これにより、該針金が、工作物へと下方に延びた真空室（4）の延長部分として作用することができる。こうすることで、工作物を真空室内に配置する必要がなくなり、例えば電子ビーム溶接の手段によって、電子ビーム処理の潜在性をこれまでよりもさらに高い度合いで利用できるようになる。

Description

本発明は、ビーム処理の方法に関し、好ましくは、例えば電子ビームが内部で発生される真空室の外に配置された工作物の電子ビーム溶接のような、電子ビーム処理の方法に関する。

電子ビーム溶接は、溶接する高速品に最小限の熱を入力することで、非常に深く狭い溶接を行うことが可能である。これにより、歪みが殆どない溶接が得られる。

通常、電子ビーム溶接は真空内で実施される。しかし、これは、懸案の工作物を真空室内に配置し、溶接後にはここから取り出す必要があることを意味する。これは時間がかかり、また、処理を大きく制限してしまうが、最大の利点は、非常に厚い工作物の溶接が可能なことである。

大気圧下で電子ビーム溶接を行う装置が開発されたが、これらの装置には、電子ビームが空気中の分子と衝突することにより、ビームが急速に拡散し、処理の利点が失われてしまうという欠点が伴う。

そのため、本発明の目的は、電子ビーム処理の方法、特に、上述した欠点を排除した、大気圧での電子ビーム溶接の方法を提供することである。

本発明によれば、序文に記載したタイプの方法は、針金が、真空室から、真空室内に配置した工作物へと供給され、真空室内で生成されたビームが、工作物に供給された針金を介して工作物へ向けられ、該針金が好ましくは中空であることを特徴とする。したがって、真空室、針金、工作物が完全な連鎖を形成する場合には、ビームを工作物へと下方に向けて伝送することができる。こうすることで、電子ビーム処理中に、工作物を真空室の外に配置することが可能になる。

さらに、本発明によれば、真空室内に設けた収納庫から針金の供給を行うことができる。

また、本発明によれば、針金周囲の、針金が真空室から出る場所において、密封を確立することができる。

本発明によれば、鋳型の出力開口部を通して針金を押圧する、または引く手段により、針金の直径を縮小することで密封を提供することができる。

密封は、縮小方法をしなくても提供することが可能である。これ以外の方法には、例えば、共通のＯリング密封またはピストンロッド密封、あるいはこれらの組み合わせが含まれる。

本発明の特に好ましい実施形態では、1本またはそれ以上の平坦針金を使用して針金を形成することができ、該1本またはそれ以上の針金は、真空室内部で管状に成形される。

さらに、本発明によれば、真空室内の管の進路が湾曲していることにより、該管の一部分が真空室から出て、電子ビームへと案内され、これと実質的に同軸に並び、また、針金には、針金が電子ビームの進路と交差する場所において孔が設けられている。この孔の設置は比較的簡単であり、変位する針金と共に「変位可能」である。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

一般に、電子ビーム処理は真空状態において行われ、この真空は、例えば、内部に電子ビーム銃21を装備した真空室4を備える、図1に示す装置の手段によって得られる。電子ビーム銃21により生成した電子ビーム2が、電子ビーム2を包囲している電磁集束コイル22の手段によって集束され、ビーム集束および偏向システムの手段によって制御される。集束された電子ビーム2が、真空室4の下方部に配置された、溶接するべき工作物に向けられる。電子ビーム銃21は高圧源23と接続しており、室は真空ポンプ24と接続している。高圧源23、真空ポンプ24、集束および偏向システム25は、共通の制御システム26によって制御されている。電子ビーム溶接する工作物は、真空室4内に配置され、溶接後にこの真空室4から取り出される。したがって、この最新技術の電子ビーム処理は、真空室4のサイズによって予め決定された最大サイズの工作物への使用のみに限られる。これは電子ビーム処理の最大の制限の1つであるが、電子ビーム処理の最大の利点は、厚さのある材料に適していることである。このように、従来の方法では、電子ビーム処理の有利な利点を十分に利用することはできない。

したがって、その概念は、好ましくは中空の溶接針金を用い、この溶接針金を、真空室の工作物までの延長部分として機能させることで、電子ビームを、真空室から真空室の外に配置した工作物へと誘導するものである。これにより、工作物を真空室の外に配置することが可能になり、上述した最新技術で生じる制限を回避することができる。

図2に、本発明による方法を実施する装置の第1実施形態を示す。この装置は、電子ビーム2を生成するための電子銃を装備した真空室4を備えている。バンド7または8が、両側に設けたロール5または6から真空室4内に供給される。これらのバンドを、2組のローラの対の手段によって針金を形成するように適応させることができるが、それ以前に針金を配線することも可能である。しかし、当然ながら、後者を実施することにより、針金をロールから、さらに溶接点までの経路に沿って巻き戻す際に生じる針金の変形が原因で特定の問題が発生するが、しかし、半円針金の断面寸法は比較的小さいため、設計段階において適切な処置を講じることで（針金の湾曲半径を余り小さくしない）、上記が可能となる。バンドが、ローラの対9a、9B、10a、10bの手段によって形成されることで、圧縮され、真空室内で、ローラの対11a、11bと既存の電子ビームによって溶接されて、管形状の針金を形成し、さらに、管形状の針金が真空室4の外へ、さらに処理場へと案内され、この処理場において、管へと向けられた電子ビーム2の手段によって処理が実施される。2つの半分部分のバンドを結合するには、最外の電子ビームの適切な（比較的小さな）部分を、圧縮点において、針金の内面と衝突させるように電子ビーム方向付けすることで、2つの半分部分どうしをその内側において溶接する。

さらに、仕上がりの針金において2つの縁が若干減少した半径を有する針金部分のローリング（またはプレファブリケーション）中に処置を実施した場合、次の2つが得られる。すなわち、一つは、電子ビームがこれら2つの場所のみにおいて針金縁と衝突することであり、もう一つは、針金の室からの排出ポイントにおける密封部分の疲労が減少することである。

当然ながら、溶接場所へ誘導される前の、管が真空室4から出る出口部分において必要な密封を確実に得るためには、慎重性が必須であることは明白である。

図3は、1つのバンドを、鋳型を用いて変形することにより管に成形した別の実施形態を示す。さらに、減少することなく密封も得られる。たとえば、一般的なＯリングまたはピストンロッド密封を使用することが可能である。バンドの近接した縁どうしの結合は、中空管内に誘導する前の既存の電子ビームの手段によって達成できる。

あるいは、バンドを管周囲に螺旋形に巻き付ける方法で、平坦なバンドを管状に成形することで管を製造することもできる。針金の溶接に電子ビームを部分的に使用する代わりに、この製造方法では、他の溶接ソース、たとえば、真空室内に設けたダイオードレーザの使用が可能であり、このダイオードレーザの光線は、前進する針金と衝突する。

これ以外の別例は、事前製造した中空針金を使用することで、形成工程と結合工程を省略するというものである。この場合には、中空針金が、真空室4内の電子ビーム2の前の、針金曲線の経路に誘導されるため、中空針金を、真空室の外へ、電子ビーム2に対して近軸的に誘導することができる。適切な針金寸法と、針金の前進速度を選択することにより、電子ビーム2が、針金の、針金が電子ビームの経路と交差する正にその地点に小孔3を穿孔する。この場合、ビームのより大きな部分が鍵穴を直線的に通過するため、ここで記述している技術は、電子ビームおよびレーザ溶接の鍵穴溶接特徴と同一である。孔3周囲の融成物が電子ビーム2の後ろで下方へ移動し、針金が前進している最中に、孔3の底部を密封（図4）し、これと同時に、孔3の上方部分において第2の穿孔が実施される。換言すれば、孔3が針金と共に変位される。鍵穴3のサイズは、ビーム直径によって事前定義され、さらに、ビームよりも若干、一般に0.3〜1.0mm（集束によって異なる）小さく、該集束は、溶接深度、電子ビームの調整および構造によって異なる。

別の実施形態は、連続的に前進する非中空針金を使用するものである。中空針金と同様に、非中空針金も真空室4内の電子ビーム2の前の、針金曲線の経路へと誘導されることで、針金を、真空室外へ、電子ビーム2に対して近軸的に誘導することが可能になる。適切な針金直径と、針金の前進速度を選択することで、電子ビーム2が、針金が電子ビーム経路と交差する正にその地点に小径3を穿孔する。この場合でも、孔3を包囲する融成物が、電子ビーム2の後ろで下方へ移動し、針金が前進している最中に、やはり孔3を部分的に密封する。この実施形態では、針金全長にかけて、さらに工作物へと孔を穿孔する必要があるため、針金の穿孔には電子ビームのエネルギーの大部分が使用される。

図5は、真空室4内の収納庫に収納された、連続的に前進する管部品13の手段によって電子ビームを処理するための装置を示しており、この収納庫から、管部品13が、数個のクランプローラ14の形態をした排出システムへと誘導され、該クランプローラ14の間を前進し、該誘導は握持システム（図示せず）によって実施される。管部品13の一端、つまり下方端部には底部13aが設けられ、さらに、凹部13bが一端、または両端に設けられている。各々の管部品13の底部13aは、溶接中にガスが真空室4に到達することを確実に遮断するために使用される。換言すれば、全溶接処理中に、真空室4とその周囲部分が、相互から実質的に緊密に密封される。しかし、当然ながら、真空室4内の収納庫を新しい管部品13で補充するために、溶接処理を通常の間隔で停止する必要があることが明白である。

選択した針金のタイプに従って、異なる針金前進手段を使用することができる。前進は、例えば、図5に示すような、針金または針金片の両側にローラを2個ずつ配置したクランプローラ14の手段によって、あるいは、連続的に前進する管片の場合には、最上の管片の後端部が推進されている推進機構（図示せず）の手段によって実施することができる。当然ながら、これら全ての場合において、前進速度を効果的な条件に適合させる必要があることは明白であるが、この速度は一般に1mm/秒の範囲内である。しかし、特定の処理タイプでは、前進速度を大幅に高速化することができる。

電子ビームの集束のために、電子ビーム2が針金内に入る距離を最少に維持しなければならない。これと同時に、前進手段が必要な前進力を針金に伝達できるようにするために、或る特定の長さの針金が必要となる。

針金出口点を介した、真空室4内への空気の流入を最小化するための1つの方法は、出口開口部を鋳型の形式として使用して、針金の直径を縮小するものであり、これについては図6を参照のこと。しかし、このような針金直径の縮小には、電子ビーム2が針金に対して近軸となる地点において、いくらか大きな力を針金に付加する必要がある。針金の連続的な移動のために、しかし、さらに非連続的のためにも、この部分に配置した駆動ローラ14’の手段によって、この力を供給することが可能である。

空気の流入は、真空室4への、または真空室4からの針金の通過の最中以外にも発生する。これは、針金と融成物層の間の不完全な接触のため、電子ビームによって1つまたは複数の工作物に形成した崩壊した鍵穴のために、さらに、起動時および停止時において、機械工作する1つまたは複数の工作物に生じた間隙を介しても起こる。

連続的な排出が行われる場合には、特定量の漏出は許容範囲内である。

しかしながら、針金に沿った空気の流入は最小限に留めなければならない。多くの場合、針金は真空室4内で結合されているか、電子ビーム2によって真空室4内に貫通しているため、通常、溶接部または継ぎ目が存在し、これが空気流入の原因となる。

結合後に針金を縮小することで、起こり得る外形的な誤りを減少し、如いては空気流入を減少することができる。この場合には、密封部の上下に固定縁を確立して、溶接中に針金が側方力に晒される可能性を利用する必要がある。固定縁は、針金を、密封箇所の上および/または下の、直径の外に誘導する穴を適合させることで、該針金を厳密に制御できるようにすることで設けることができる。固定面どうしの間の距離は、これ以外の空間の必要性を全て考慮しながら、可能な限り大きく取る必要がある。

さらに、空気流入は、針金周囲に注入効果を提供するノズル配置28の手段によっても減少させることが可能であり、これについては図7を参照のこと。

電子ビーム溶接の通常の必須条件の1つは、実際の溶接を行う前に、溶接する工作物どうしの間をしっかりと嵌合させておくというものである。これにより、工作物の変形を相当小さく抑えることができる。これに関連し、溶接針金を使用することで、例えば、間隙の幅を増加したい場合に、完全に新しい可能性が開かれることになるが、しかし、これにより望ましくない空気流入が生じる場合もある。

別の状況では、工作物のウェルドスルー（weld-through）の場合に空気流入の危険が生じる。このような場合、電子ビームが、工作物の底部の、周囲雰囲気に開口部を生成する。しかし、空気流入により電子ビームの貫通深度が減少するため、このような処理を自動的に制御することが可能であり、さらに、真空室の排除が十分に強力であれば、真空を再確立することができる。また、強力な排除が必要であるということも確かではない。鍵穴を形成/確立するためには、融成物の内部から圧力を発する必要がある旨を思い出すことは有益である。該圧力は、水蒸気の生成によって発生するため、鍵穴が金属水蒸気で充填される。下方の、ウェルドスルーの上から空気分子が鍵穴内に流入し始めると、該空気分子が金属水蒸気と衝突し、その結果、鍵穴内への空気の流入が比較的遅速化する。

或る特定の場合には、鍵穴が工作物を通過しなくても、融成物が、鍵穴よりも若干拡大するため、工作物を通過する方法で、処理を制御することも可能である。

多くの場合、溶接形状を成形することで、1つまたは複数の工作物の完全なウェルドスルーを不可能することができる。また、完全なウェルドスルーは不要でもある。

針金と溶融槽の間の不完全な接触による空気流入を回避するためには、針金が特定の最少前進速度で前進する必要がある。また、必要であれば、任意でフィードバックループの手段により、この前進速度を自動的に制御することができる。

この処理を、開ループまたは閉ループによって制御することが可能である。開ループ制御が望ましい場合には、本発明の方法の、針金前進を制御し、電子ビーム溶接のための従来のパラメータの制御と調和された各応用を含むデータベースの生成で開始することが有利である。

閉ループ制御は、針金が表面に供給される場合のような特定の用途に有利である。

閉ループは、例えば以下によって達成できる：
機械力を測定する。針金が深く貫通し過ぎる場合には、針金の抵抗性が増加する（針金の前進が高速過ぎる）。

気体の流入が検出される可能性がある場合には、真空室内（任意の多重分割された電子ビーム銃の、処理に最も近い部分、つまり、最も圧力に敏感な部分）で圧力を測定する（針金の前進が遅速過ぎる）。

融成物内における針金の位置を継続的に検出し続けるオンライン超音波検出。

融成物の表面温度を監視する任意の赤外線カメラの手段によるオンライン表面検査。溶接中における融成物の表面温度の低下は、針金の前進速度が速過ぎ、工作物の内部に達するまで溶融を開始しないため、針金の固体部分により溶融表面への半径熱伝達が遅速化してしまうという事実によって生じる。

図12に示す周期的な処理では、針金先端を変形（収縮）させることができ、さらに、可視光線用カメラが針金形状をオンラインで監視することで、この監視に従って処理を制御することができる。

既知の振動を針金に継続的に送信することで、針金の振動の正確なオンライン測定が、融成物から針金へ伝播される力、如いては減衰を決定することが可能になり、この場合、該減衰は、融成物内への針金の浸潤深度によって異なる。

融成物からの金属水蒸気が孔を開放状態維持しようとする一方で、融成物の表面張力、外力が孔を閉鎖しようとし、対抗する効果を有するため、針金内での孔3の安定性は、局所的な圧力バランスによって異なる。

電子ビーム処理に影響を与える外力の1つは、融成物の重量である。非常に厚い工作物の垂直溶接の最中に、例えば、融成物に発せられた重力が貫通深度に負の影響を与える。これに関連して、融成物の頂面上の大気圧が処理中の溶接深度に負の影響を与える。

工作物内への最適な貫通を達成するために、ビーム直径、溶接針金の外径、融成物の外径を最適化する必要がある。

さらに、溶接処理の最後において、処理停止時に針金の端部が閉鎖していることを確認しなければならない。これは、例えば、溶接処理の最後に、電子ビーム2を使用して針金端部を密封して、真空室4が空気で満たされないようにすることで達成でき、この場合、密封は適切な偏向または出力調整により行われる。

電子ビーム2は、実質的に、回転の双曲面の形状を有する。これを偏向することで、1つまたは複数の工作物に向けて誘導される前に、磁場によって集束することが可能である。この場合、電子ビーム2が、工作物の上の針金内で集束される。その後、ビーム2が工作物に到達し、これと衝突するまで、ビーム2を狭く維持する必要がある。

ビームを、上述した針金内の孔3内部において、比較的長い距離で、集束状態に維持することができる。針金内部についても同様であるが、しかし、針金内部が多少溶融することは不可避である。あるいは、集束コイル、またはこれ以外の、集束特性を規制/改善するために適切な磁力を確立する手段を針金周囲に配置することが可能である。

任意で時間と共に変化する、適切な集束を得た上で、電子ビーム2は、内部から溶融すると同時に、工作物を溶融させることができる。集束を変更することで、ビームの伝播方向における、また、これに対して垂直な平面における焦点が振動する。したがって、針金の前進速度と、ビーム2のパラメータを適切に選択することで、溶接中に工作物を真空室内に配置しなくとも、電子ビームを使用した質の高い溶融が得られる。

上述の説明において、溶接の船体において針金が溶融すると仮定した。しかし、選択した針金の内径と、針金を辿る電子ビームの伝播によっては、針金が工作物に達する前に、電子ビームによる針金の内部からの溶融を要する状況を想定することが可能である。この場合には、針金が工作物の上で完全に溶融してしまわないよう、十分に速い針金前進速度を選択しなければならない。こうすることで、特定の最低速度未満に低下することのない針金前進速度が得られる。

上述の応用形には、針金の外径よりも若干幅広い間隙または継ぎ目を備える2つの工作物の溶接が含まれ、この場合、溶接中に針金が継ぎ目の底部へと誘導されて、溶融される。

これは連続的な溶接連続処理として実施することができ、この連続処理では、針金片が溶接間隙内へと誘導され、電子ビームが溶接継ぎ目内へと案内され、電子ビームが作動され、針金が溶融され、さらに、電子ビームが停止され、工作物と電子銃が移動され、新規の連続処理が開始されるという、
この技術は、連続的に前進する針金片13’を使用して実施できるが、ここで、個々の針金片どうしは一まとめに圧迫されるのではなく、単に、互いに推進（propel）される。溶融パルスの端部は、仕上げパルスの手段によって閉鎖されている。その後、次の針金片13’が針金の断片上（真空室内）に位置決めされ、若干圧迫されることで、先行の針金片が落下し、さらに、新たな針金片が継ぎ目内に案内されるが、これについては図8を参照のこと。

個々の針金片には堅固な底部が設けられているため、溶接継ぎ目内への押入中に、空気が流入することはできない。この場合、針金片の断面は、溶接継ぎ目の最適な嵌合を達成するために、必ずしも円形にする必要はない。

溶接継ぎ目の最適な嵌合を確実に得るための別の方法は、単一の電子ビームパルス中に、任意で遅速集束と組み合わせて、針金片を押入するというものであり、この場合、針金片が徐々に幅広化して溶融する一方で、貫通が低減する。

最適な充填を得るための第3の方法は、溶接する2つの部品を準備し、この2つの部品間を正確に嵌着させて円形針金を形成するというものである。この目的のために、2つの部品の各々に、相互に対向した、多数の半円形のぎざぎざ17を施すことができる（図9を参照）。この方法は、非常に厚い工作物同士の間においても、正確で質の高い結合を提供する。

連続的に前進する針金を継ぎ目内に押入する際に（主に、工作物を、1つまたは複数の針金片と比較的密着嵌合させて準備した場合に）、各針金片または工業材料を、先行の溶接連続処理が所与の針金片の孔を損傷しない方法で溶融することが有利である。つまり、継ぎ目の未だ溶接されてない部分に向けて位置決めした針金断片は、この連続処理においては溶融してはならず、次の連続処理において溶融される。これを確実に達成するためにはいくつかの方法があり、上部から結合する継ぎ目を示す図10を参照する。図10は、連続的に実行される4つの溶接部29と、工作物間の次の孔に押入された針金片30を示している。同図は、さらに、工作物間に形成した2つの空の孔31を示している。針金片は、非対称的に位置決めした孔を具備して示されており、溶融槽の円周を点線で示している。さらに、対称的な針金片をビーム振動として、溶接部および後部にかけて、つまり既に溶接した部分に向けて使用することができるため、溶融範囲が回転的に対称となることがない。

上述した方法の1つの応用形は、電子ビームが実質的に不変である単一の針金片を通過できる非常に大きな内部断面を具備した、連続的に前進する針金片を使用するものである。その後、溶加材19を、針金片の内径よりも小さい外径を有する短い針金断片の形態、または、粉体の形態のいずれかで、針金片内部へ連続的に搬送することができる。溶接処理の第1段階は、最初に供給した針金片の底部を溶融し、後続の段階では、粉体または針金断片が最初に供給される点を記述しておかなければならない。

これは、例えば、針金片を溶接継ぎ目内に押入し、降下させ（図11a、図11bを参照）、底部を溶融する場合に、1つの連続処理内で達成することができる。その後、少量の溶加材19が針金片内部に搬送され、さらに、溶加材が溶融される。溶加材19の溶融時に、針金片の包囲の管も溶融し、針金片の底部部分によって溶接が実行される。次に、電子ビームが一時的に停止した際に、さらに溶加材19が追加され、処理が繰り返される。この連続的な処理は、針金片全体が充填され、溶接する工作物と共に溶融されるまで継続する。

この溶接方法を用いることで、各連続処理中に、ビーム振動または可変ビーム出力を使用して、特に高い溶接の質を達成することが可能になる。

さらに、ハイブリッドな溶接方法、すなわち、溶接処理にいくつかのエネルギー源を使用する溶接方法も考えられる。

ハイブリッドな溶接方法は、針金片および溶加材の進行中に電流を印加する場合に、本発明に関連して確立することができる。しかしながら、針金片が工作物に到達した際に、真空室と工作物の間ではなく、針金片が最初に溶融しなければならないが、その理由は、真空室と工作物の間が最初に溶融すると、電子ビーム処理が崩壊する結果を招くためである。特定の場合には、このような追加の電流印加によって溶接が補助される。

あるいは、使用する光線をレーザビームにすることもできる。

電子ビーム処理の方法を、任意形式の電子ビーム処理、例えば、溶接針金の手段による電子ビームを用いた溶接、切断、穿孔に使用することができる。

図12は、深い貫通を用いた連続的な電子ビーム処理の方法を示す。段階1〜5は、電子ビーム装置外部の、工作物42に向かって下方に誘導された中空溶接針金41を概略的に示す。段階1では、溶接針金41を連続的に供給する準備ができている。この装置は非真空電子ビーム溶接装置に改造されており、さらに、該溶接針金の一端が、非真空溶接装置の場合と同様に開放されているため、この連続処理は、中空針金41から空気を排除して電子ビーム装置内の真空を使用する。

段階2では、電子ビーム2が作動し、ガスと接触すると拡散する。この段階では、電子ビーム2が針金41の先端と衝突し、完全に、または部分的に溶融する。針金41内は、部分的に真空化することで、段階3に示すように閉鎖されるまで収縮を続ける。電子ビーム2をパルスすることで、この収縮を安定化することができる。この閉鎖した針金と工作物42の間に接触部分を確立した後に、再び電子ビームを一時的に停止し、さらに、再び短時間だけ作動させる。これにより、まず針金41を硬化させて、電子ビーム2を集束し易くし（針金の真空化の結果）、針金41と工作物42の表面を、比較的低強度の短パルス（および、任意で電子ビームの小さな回転）で溶融するサイクルが達成される。再びビーム2を停止すると、針金41と工作物42とが比較的広範囲にて溶接される（段階4）。硬化直後に、電子ビーム2を強パルスで再度作動させると、針金41の丁度端部と工作物42において、深い「鍵穴」が形成される。この鍵穴が工作物42を貫通し、さらに、底部を貫通した際に、電子ビーム2がその下の空気と衝突し、拡散する。段階4において任意の比較的幅広い溶接が得られる理由は、段階5で電子ビーム2を作動した際に、側部において融成物が大気内に拡散することを防止するためである。熱条件によって、融成物が最初の溶接部分の境界へと溢れ出た場合に、大気圧は融成物にのみ（如いては、溶融した材料全体に）作用できる。つまり、鍵穴内の蒸発と融成物からの圧力の間のバランスが変化することで、貫通深度が減少する。さらに、針金41の、溶融したばかりの部分が、大気圧により、電子ビーム装置に向けて上方へ押圧される。次に、電子ビーム2が一時的に停止され、さらに、溶接部と針金が硬化する。相対移動の後に、この連続処理が繰り返される（段階3から開始する）。処理パラメータとの或る特定の組み合わせを行うことで、針金41が工作物42との接触を失う可能性がある。それにもかかわらず、連続処理は無変更で継続される。変化は比較的小さいため、電子ビーム2が段階3（針金と工作物の間に接触部を形成するために少量の熱が発生する）を繰り返すまで、針金41が弾性的に変形される。この時点で、針金が弾性的に変形されている場合には、該針金は前方へ跳ね返る。

しかし、同図は本発明の1つの実施形態しか図示していない。針金の前進と連続的な出力値は変更可能である。さらに、開始前に、針金端部が、末端部と共に機械的に圧縮されるか、または、工作物と実質的に緊密に圧迫接触される針金準備によって、段階1、段階2が繰り返されるという実施形態が考えられる。これにより、真空ポンプの容量の要求が縮小することで、ポンプ装置のコストを低減することができる。さらにこの場合において、通常、プロセス開始前に、例えば電子ビームの手段により、針金先端を正しい形状に成形しておく必要がある。また、これ以外にも、針金が完全には硬化せず、融成物が針金と工作物の間の接触面よりも常に幅広いという実施形態が考えられる。この場合には、融成物が大気圧の影響を受けることで、貫通深度が短縮される。それでも、所与の溶融速度にかけてのこの処理の貫通深度は、従来の非真空電子ビーム溶接よりも優れている。

しかし、出力を定期的に変更して、針金先端の正確な形状を得ることが依然として必要である。

別の実施形態では、針金と工作物の間には周期的な物理接触が殆ど、若しくは唯一しか存在していない。

この場合には、処理は非真空電子ビーム溶接と類似するが、電子ビーム2が、針金41と工作物42の間におけるその経路上で、限られた量の空気分子としか衝突せず、そのため、ビーム偏向が通常よりも大幅に低減されるため、特に溶接深度が小さい従来技術と比較してこの処理が優勢となる。

この技術を気体ノズルと組み合わせて、電子ビーム切断および穿孔に使用することも可能である。

1本の気体ノズルを、針金41の周囲に同軸的に配置する場合、または、針金41の後ろに軸方向に変位する場合、該気体ノズルは融成物を段階的に吹き飛ばすことができる。この場合には、厚い工作物を切断または穿孔する処理を、上述したように、優勢的に連続して実施する必要がある。各連続処理後に、工作物42が、電子ビーム装置に関連して移動されるが、この移動距離は、次の溶融が材料内部で開始され、融成物が遠くへ拡散することで、電子ビーム2が工作物を貫通した後に、既存の切断間隙がこの拡散した融成物によってまずゆっくりと破壊される。この時点で鍵穴が崩壊し、融成物が間隙から外部へ吹き飛ばされる。融成物と発熱反応を生じるガス、例えば酸素を使用することで、処理の効率を向上することができる。

さらに、任意で針金先端を連続的に溶融させ、さらに工作物との接触を多少向上させることにより、上述の処理を、比較的薄い材料の切断に使用できると考えられる。しかし、この処理では、針金の前進と出力変調をさらに慎重に調整して、針金41の崩壊を防ぐ必要がある。切断に関連し、内径が小さい針金は、針金内に流入しようとする融成物が電子ビーム2と衝突することで、材料を溶融/蒸発でき、また、ビームの強度が十分に高い場合には、融成物の遅速化が可能であり、さらには融成物の流入を防止することも可能である。その一方で、針金の内径が電子ビーム2と比較して大きい場合には、融成物が次の電子ビームへと流入する空間ができる。

適切な処理パラメータを選択することで、この技術を、穿孔に使用することも可能である。

溶接針金を前進させる手段は、図5、図8に関連して前述したものと同様であってよい。

図13は、切断/溶接速度を表す線図を示している。これらの線図は、レーザ切断で得られる切断速度と比較した電子ビーム切断の論理処理速度を示す。

切断にレーザビームではなく電子ビームを使用することの主な利点は、電子ビームはレーザビームよりも相当に強力であることであり、一方で、大型レーザは十分に優れた集束特性を備えておらず、他方で、レーザ溶接では、レーザビームの工作物内部への貫通がプラズマの発生によって制限されてしまう。

溶接部を工作物間の間隙付近に配置する方法で、突き合せ溶接または抵抗突き合せ溶接を行うために、上述した電子ビーム処理を使用することができる。電子ビームを使用すれば、厚い板を切断する場合に、針金を幅広く事前溶接しておくことで、その後の初回の溶接パルスが材料を深く貫通することができ、これにより、周囲の融成物に深い鍵穴を形成し、該融成物を放射状に拡散することができる。強力パルスの開始時には、融成物と周囲雰囲気の間には接触がないため、融成物が大気圧による影響を受けることがない。溶接パルスを暫く作動させた後に、融成物が、放射状に非常に遠くに拡散し、2つの工作物の間の間隙にまで到達し、鍵穴が崩壊する。しかし、これにより融成物がさらに遠くに拡散することは妨げられず、また、間隙形状に関連して、溶接と溶接の間に適切な段階間隔を選択することで、溶接部を得ることができる。この技術は、電子ビームのジグザグ前進を採用し、溶接する2つの部品の一方および他方に交互に溶接を行うことが好ましい。直径の大きな溶接針金を使用し、適切なパラメータ間隔を選択すれば、あとは、工作物と溶接装置の単純な相対移動のみを用いて、電子ビームをまず一方の側部に、次に他方の側部に溶接するだけで、このようなジグザグ前進を実施することができる。

上述したビーム処理は電子ビーム処理のみに限定されるものではない。レーザビーム処理の使用も可能であるが、この場合には、特別なノズル/ビーム構造が必要となる。

よく知られた方法を用いる電子ビーム処理のための装置を示す図。 連続的に前進する針金を使用する本発明による電子ビーム処理方法を示す図。該針金は、断面が半円形の2つのバンドを備え、該バンドは、電子ビームによって真空室と結合している。 連続的に前進する針金を用いた電子ビーム処理方法を示す図。該針金は平坦バンドであり、真空室内で管状に成形されている。 中空針金が真空室内で電子ビームの前に誘導され、針金経路が湾曲し、さらには部分的に真空室から出て、電子ビームと実質的に並ぶ様を示す図。 針金片を連続前進させる装置を示す図。 針金片を連続前進させる装置を示す図。 針金片を連続前進させる装置を示す図。 針金片を連続前進させる装置を示す図。 図5の装置の底部を拡大して示す図。個々の針金片が真空室から出る前に如何に変形されるかを見ることができる。 針金または針金片が真空室から出る場所におけるノズル配置を示す図。 針金片を連続前進させる装置の第2実施形態を示す図。該装置は、若干大きな間隙の溶接に適している。 図7に示したような溶接中に、溶接する部品を準備することにより、最適なフィリングを確実に行ういくつかある別方法のうち１つを示す図。 非対称的に配置された孔と共に溶接針金の使用を示す図。 針金片を連続前進させる装置の第3実施形態を示す図。各針金片に、溶加材が、粉体の形態、または連続前進する針金片の内径よりも直径が小さい針金片の形態で供給される。溶接の第1段階は、最初の針金片の底部の溶融で構成され、後続の段階は、粉体または針金片の供給を含む。 針金片を連続前進させる装置の第3実施形態をす図。 電子ビームの手段により工作物を切断する方法を示す図。 切断速度対厚さのグラフ。

Claims (17)

1. ビーム処理、好ましくは、例えば電子ビーム（2）が生成される真空室（4）の外に配置した工作物の電子ビーム処理のような、電子ビーム処理の方法であって、
   前記真空室（4）から、該真空室（4）の外に配置された工作物へ針金を供給すること、および、
   前記真空室（4）内で生成された前記ビーム（2）が、工作物に供給された好ましくは中空である針金を介して該工作物へ向けられること、からなる方法。
2. 前記針金が、前記真空室（4）内に設けた収納庫から供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記針金周囲の、該針金が該真空室（4）から出る部分に密封が確立されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 鋳型の出力開口部を通して前記針金を押圧するか、または引く手段により、前記針金の直径を縮小することで、密封が提供されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記針金が、１本またはそれ以上の平坦針金を使用して形成されており、前記１本またはそれ以上の針金が、該真空室（4）内部で管状に成形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１つまたは複数に記載の方法。
6. 前記真空室（4）内における該管の進路が湾曲していることにより、前記管が真空室（4）の外部へ、該ビーム（2）に対して近軸的に、実質的に同軸的に案内されており、さらに、前記針金が該電子ビームの進路と交差する場所において前記針金に非定常孔（3）が設けられている、請求項１から５のいずれか１つまたは複数に記載の方法。
7. 前記針金が、収納庫に格納された、連続的に前進させられる管片（13）からなり、前記管片が収納庫から放出システムへと案内されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記各管片（13）は、一端に底部（13a）が設けられ、一端または両端に凹部が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 針金片が、工作物の溶接される間隙を下るように誘導され、その後、前記ビーム（2）が作動され、該針金が溶融され、電子ビームが停止されることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記連続的に前進させられる針金片が、電子ビーム（2）が単一の針金片を実質的に不変のまま通過することができる大きさの内径断面を有しており、溶加材が、該針金片の内径よりも小さい外径を有する短い針金断片の形態、または粉体の形態のいずれか一方にて各針金片へ搬送される請求項７から９のいずれかに記載の方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１つまたは複数に記載されており、また、例えば、前記針金に電流を印加する場所において、ハイブリッド溶接法と共に使用される方法。
12. 処理中のビーム出力が可変であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 処理中のビームが振動することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 第１段階において前記針金が供給され、第２段階において電子ビームが作動されて前記針金の先端が溶融され、第３段階において該針金の先端が収縮し、第４段階において該針金と工作物が比較的広い範囲にかけて溶接され、その後、第５段階において、強力な電子ビームを供給することにより、該針金先端の端部および工作物にかけて「鍵穴」が形成される、連続処理を特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 段階（1）と段階（2）が針金作成によって置き換えられ、この針金作成では、開始前に、該針金端部が、機械的に圧縮されるか、末端部を設けられるか、または、該工作物と実質的に緊密に圧迫接触される請求項１４に記載の方法。
16. 請求項１から１５のいずれか１つまたはそれ以上に記載の方法を用いて溶接された工作物。
17. 図面を参照して実質的に上述したとおりの方法に使用する針金または針金片。

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