JP2006095553A

JP2006095553A - 電子ビーム溶接装置

Info

Publication number: JP2006095553A
Application number: JP2004282897A
Authority: JP
Inventors: Mare Yamashita; 希山下; Akitoshi Sawaki; 見年澤木
Original assignee: FCC Co Ltd
Current assignee: FCC Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】
製造コストの上昇を抑制しつつ溶接室内の空気の排出作業を迅速的且つ効率的に行わせ、サイクルタイムを削減することができる電子ビーム溶接装置を提供する。
【解決手段】
ワークＷを密閉状態にて収容しつつ当該ワークＷの所定部位に対して電子ビーム溶接が可能な溶接室１と、該溶接室１内の空気を外部に排出可能な真空ポンプ２と、予め所定気圧まで低下されるとともに溶接室１と連通されることにより溶接室１との間の圧力差が等しくなる真空中和を生じさせて当該溶接室１内の空気を導入し得る予備室４とを具備した電子ビーム溶接装置において、真空ポンプ３により所定時間溶接室１内の空気を外部に排出して目標圧近傍まで気圧を低下させた後、予備室４と溶接室１とを連通させて真空中和させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを収容した溶接室内の空気を排出した状態にて当該ワークの所定部位に対して電子ビーム溶接を行うための電子ビーム溶接装置に関するものである。

電子ビーム溶接は、電子ビームをワークの所定部位に照射して溶接する極めて汎用的な加工方法であるが、溶接時に空気（特に空気中の酸素）によって酸化反応を生じる虞があるため、一般に、密閉状態の溶接室内にワークを位置決めしつつ載置し、当該溶接室内の空気を外部へ排出した状態にて電子ビームを照射している。ここで、溶接室内を真空状態とするのが理想的であるが、加工コスト及び酸化反応の許容範囲等を勘案して、一般には例えば６．７Ｐａ程度まで気圧を低下させるに留めており、かかる気圧低下作業のことを便宜上真空作業と呼ぶこととする。

そして、溶接室内の空気を外部に排出するには、周知の真空ポンプが用いられており、電子ビーム溶接作業を行うには、まず真空ポンプを駆動させて溶接室内の真空作業を行った後、電子ビーム発生装置を駆動させて溶接作業を行う必要があった。然るに、真空ポンプにより真空作業を行わせるには、図４に示すように、目標圧まで到達させるのに極めて長い時間（同図中Ｔ１’までの時間）かかっていたため、電子ビーム溶接作業全体のサイクルタイムが大きくなってしまうという不具合があった。

因みに、電子ビームの照射による溶接工程（Ｔ１’〜Ｔ２’までの加工時間）と比べても、真空作業の占める時間の割合が極めて大きく、かかる真空作業の時間が電子ビーム溶接作業全体のサイクルタイムに大きく影響していた。従って、例えば真空能力の高い真空ポンプを用いたり或いは真空ポンプを複数並列に配設して空気の排気能力を向上させてサイクルタイムの削減を図ることが考えられてきたが、その場合には、設備費増大などの影響で製造コストが大きくなってしまうという問題があった。

上記不具合を考慮し、従来より、予め所定気圧まで低下された予備室を溶接室と連通させておき、予備室と溶接室との間の圧力差が等しくなる真空中和を利用して真空作業を行わせる電子ビーム溶接装置が例えば特許文献１にて開示されている。かかる従来の電子ビーム溶接装置によれば、まず真空中和を生じさせて溶接室内の空気を予備室内に排気させた後、真空ポンプにより目標圧まで溶接室内の気圧を低下させることにより、真空ポンプのみにて真空作業を行わせるものに比べ、サイクルタイムを削減させることができる。
特開昭５２−１３４８４２号公報

しかしながら、上記従来の電子ビーム溶接装置においては、真空作業が開始された直後に予備室による真空中和を行わせ、その後、目標圧近傍に至ってから真空ポンプによって溶接室内を目標圧まで低下させていたので、以下の如き問題があった。即ち、真空作業開始時においては溶接室内は大気圧と略等しくなっており、かかる大気圧から目標圧近傍まで真空中和させるためには、予備室の容積を極めて大きなものとしなくてはならず、設備費が増大して製造コストが上がってしまうとともに、サイクルタイムの削減効果が極めて乏しいという問題があった。

本出願人は、図４に示すような真空ポンプによる圧力降下曲線Ｋの特性に着目し、かかる特性に基づいて真空中和を生じさせることにより、上記従来技術の抱える問題を解決し得るのではないかと鋭意検討した。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、製造コストの上昇を抑制しつつ溶接室内の空気の排出作業を迅速的且つ効率的に行わせ、サイクルタイムを削減することができる電子ビーム溶接装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、ワークを密閉状態にて収容しつつ当該ワークの所定部位に対して電子ビーム溶接が可能な溶接室と、該溶接室内の空気を外部に排出可能な真空ポンプと、予め所定気圧まで低下されるとともに、前記溶接室と連通されることにより前記溶接室との間の圧力差が等しくなる真空中和を生じさせて当該溶接室内の空気を導入し得る予備室とを具備した電子ビーム溶接装置において、前記真空ポンプにより所定時間前記溶接室内の空気を外部に排出して目標圧近傍まで気圧を低下させた後、前記予備室と前記溶接室とを連通させて真空中和させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子ビーム溶接装置において、前記真空ポンプと前記溶接室とを連通させる第１配管と、該第１配管の途中から分岐させて前記予備室と連通させる第２配管と、前記第１配管と第２配管との分岐点より前記溶接室側に配設され、開閉動作により排気の流れを遮断又は許容させ得る第１バルブと、前記第２配管の途中に配設され、開閉動作により排気の流れを遮断又は許容させ得る第２バルブとを具備し、第１バルブを開けた状態にて前記第２バルブを閉じて前記真空ポンプによる空気の排出を所定時間行わせた後、前記第２バルブを開けて前記予備室による真空中和を行わせたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の電子ビーム溶接装置において、前記溶接室内の真空作業が終了して前記第１バルブを閉じた後、前記第２バルブを開けた状態とすることにより、前記真空ポンプにより前記予備室内を所定気圧まで低下させたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３記載の電子ビーム溶接装置において、前記第１配管における前記第１バルブより前記溶接室側から分岐され、先端が大気開放とされた第３配管と、該第３配管の途中に配設された第３バルブとを具備し、前記溶接室内のワークに対する電子ビーム溶接が終了した後、前記第３バルブを開けて、当該溶接室内を大気圧と略等しくさせ得ることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、真空ポンプによる圧力降下曲線の特性に基づき予備室による真空中和を行わせるタイミングを設定したので、製造コストの上昇を抑制しつつ溶接室内の空気の排出作業を迅速的且つ効率的に行わせ、サイクルタイムを削減することができる。即ち、真空作業初期の圧力降下傾向が大きな時間においては真空ポンプを用い、真空作業後期の圧力降下傾向が小さな時間においては真空ポンプに代え又は真空ポンプと共に予備室による真空中和を行わせたので、比較的小さな容量の予備室によってもサイクルタイムの削減効果を顕著にすることができるのである。

請求項２の発明によれば、第１バルブを開けた状態にて前記第２バルブを閉じて真空ポンプによる空気の排出を所定時間行わせた後、第２バルブを開けて予備室による真空中和を行わせたので、真空ポンプによる真空作業と予備室による真空作業との切り換え作業が容易であり、且つ、切り換え時間による真空作業ロスがほとんどなく、より効率的な真空作業を行わせることができる。

請求項３の発明によれば、溶接室内の真空作業が終了して第１バルブを閉じた後、第２バルブを開けた状態とすることにより、真空ポンプにより予備室内を所定気圧まで低下させることができるので、当該予備室を予め所定気圧まで低下させるための別途の手段が不要である。同時に、次のワークの電子ビーム溶接加工までの時間を利用して予備室内を所定気圧まで低下させることができるので、サイクルタイムを増大させることがない。

請求項４の発明によれば、溶接室内のワークに対する電子ビーム溶接が終了した後、第３バルブを開けて、当該溶接室内を大気圧と略等しくさせ得るので、ワークの溶接室からの取り出し作業をよりスムーズに行わせることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る電子ビーム溶接装置は、ワークの所定部位に対して電子ビーム溶接を行うためのもので、図１に示すように、ワークＷを載置可能な載置台１ａが形成された溶接室１と、汎用の真空ポンプ３と、溶接室１と略同等の容量の予備室４とから主に構成されている。

溶接室１は、下面が開口した箱状部材から成り、当該開口縁部に載置台１ａが当接することにより、その内部に密閉空間が形成されるものである。即ち、同図中二点鎖線で示したように、載置台１ａが下降点にあるとき、当該載置台１ａに溶接すべき対象のワークＷを位置決め載置或いは取り出し可能とするとともに、載置台１ａを上昇させて溶接室１に当接させることにより、ワークＷを密閉空間内に収容可能としている。

また、溶接室１内には、ワークＷの所定部位（溶接が必要な部位）に向かって電子ビームを照射し得る電子ビーム照射手段２が配設されており、かかる構成により電子ビーム溶接が可能とされている。一方、載置台１ａは、その中央を中心として回転可能とされており、照射された電子ビームがワークＷの略全周に亘って照射され溶接可能なよう構成されている。尚、本実施形態においては、電子ビーム照射手段２が略水平方向に向かって配設されているが、溶接部位或いはワークＷの載置姿勢等によっては、当該電子ビーム照射手段２を略垂直方向に向かって配設し、上方又は下方に電子ビームを照射するよう構成してもよい。

真空ポンプ３は、溶接室１内の空気を外部に排出するためのものであり、第１配管Ｌ１を介して溶接室１内と連通されている。かかる第１配管Ｌ１（後述する第２配管Ｌ２及び第３配管Ｌ３も同様）は、空気を流通させ得る排気系ダクトから成り、例えば蛇腹チューブや配管等により構成される。これにより、真空ポンプ３を駆動させると、溶接室１内の空気が吸引され、第１配管Ｌ１を通って外部に排出される。

また、第１配管Ｌ１の途中には、開閉バルブから成る第１バルブＶ１が配設されており、かかる第１バルブＶ１が開いた状態であると第１配管Ｌ１を流れる排気の流れが許容されるとともに、開いた状態とされるとその部位の排気の流れが遮断されるよう構成されている。尚、第１バルブＶ１（後述する第２バルブＶ２及び第３バルブＶ３も同様）は、排気の流れを遮断又は許容し得るものであれば足り、その開閉のための駆動方式は電磁式、油圧式等種々形態のものを使用することができる。

第１配管Ｌ１の途中からは、予備室４まで延びる第２配管Ｌ２が分岐しており、かかる第２配管Ｌ２の途中には第２バルブＶ２が配設されている。これにより、予備室４は、第２配管Ｌ２及び第１配管Ｌ１を介して溶接室１及び真空ポンプ３の双方と連通されているとともに、第２バルブＶ２の開閉により、第１配管Ｌ１との連通維持又は遮断がなされるよう構成されている。尚、同図中符号Ｂは、第１配管Ｌ１と第２配管Ｌ２との分岐点を示しており、既述の第１バルブＶ１は、当該分岐点より溶接室１側に配設されることとなる。

予備室４は、内部が密閉状態に保持された箱状部材から成り、溶接室１との間で真空中和を生じさせ得るよう予め所定気圧まで低下された状態となっている。即ち、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２が共に開いた状態として、溶接室１と予備室４とを連通させると、これら溶接室１と予備室４との間の圧力差が等しくなるよう真空中和がなされるのである。尚、真空中和がなされると溶接室１内の空気が予備室４内に導入されるようになっている。

また、第１配管Ｌ１における第１バルブＶ１より溶接室１側からは、先端が大気開放とされた第３配管Ｌ３が延びており、かかる第３配管Ｌ３の途中には第３バルブＶ３が配設されている。これにより、電子ビーム溶接が終了した後、ワークＷを取り出すべく載置台１ａを下降させる際、第３バルブＶ３を開けた状態とすれば、溶接室１内が瞬時に大気圧と略等しくなり、ワークＷの溶接室１からの取り出し作業をスムーズに行わせることができる。

次に、上記構成の電子ビーム溶接装置における動作について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、真空ポンプ３を駆動状態としつつ第１バルブＶ１〜第３バルブＶ３を閉じた状態としておく。そして、下降位置にある載置台１ａにワークＷを位置決めしつつ載置してワークＷを投入（Ｓ１）した後、当該載置台１ａを上昇させて溶接室１の下面の開口縁部に当接させ、溶接室１内を密閉状態とする（Ｓ２）。

かかる状態から第１バルブＶ１を開けて（Ｓ３）、溶接室１内を真空ポンプ３と連通させ、真空ポンプ３のみによる真空作業を行う（Ｓ４）。この真空作業においては、図３に示すように、その後の真空中和が開始されるまでの間（時間Ｔ０までの間）、真空ポンプ３による圧力降下曲線Ｋの特性に従い溶接室１内の気圧が低下していくこととなる。そして、目標圧近傍まで気圧低下がなされたとき（時間Ｔ０に達した時点）、第１バルブＶ１の開状態を維持しつつ第２バルブＶ２を開く（Ｓ５）。

これにより、溶接室１と予備室４とが連通して溶接室１内の真空中和作業がなされ（Ｓ６）、溶接室１内の気圧が瞬時に低下（言い換えると、溶接室１内の空気が瞬時に排出）することとなる。即ち、図３に示すように、真空中和により圧力降下曲線Ｋは、Ｔ０の時点で瞬時に下降してＫ２の如き曲線とされるため、真空中和がなかった場合（同図中二点鎖線で示したＫ１曲線）に比べ、目標圧までの到達時間を著しく早めることができるのである。

更に詳しく説明すると、同図に示すように、曲線Ｋ１と曲線Ｋ２とを比較すると、真空中和による急激な圧力降下があるため、真空中和がない場合の曲線Ｋ２と比べ時間ｔ２だけサイクルタイムを削減し得たこととなる。然るに、真空ポンプ３の圧力降下曲線Ｋは、当該真空ポンプ３の特性により、真空作業初期において圧力降下が激しく、且つ、目標圧近傍となる真空作業後期において圧力降下が緩やかとなるため、真空作業初期に真空中和を行っても微小時間ｔ１しかサイクルタイムを削減し得ないのに対し、本実施形態の如く真空作業後期に真空中和を行わせれば、より大きな時間ｔ２のサイクルタイムの削減を図り得るのである。

尚、本実施形態においては、真空中和を生じさせている間においても、溶接室１と真空ポンプ３とが連通されているので、真空中和による減圧に加え真空ポンプ３による減圧も併せて行われており、より迅速な真空作業を可能としている。かかる構成に代えて、Ｓ６において、溶接室１と真空ポンプ３との連通を遮断するバルブ等を追加し、真空中和のみを行わせる構成としてもよい。

上述したように、本実施形態によれば、真空ポンプ３の圧力降下曲線Ｋの特性を勘案して、真空作業の後期（目標圧近傍となった時点）において予備室４による真空中和を行わせたので、サイクルタイムの削減効果を顕著とすることができる。従って、溶接室１内の空気の排出作業をより迅速的且つ効率的に行わせることができ、従来のものに比べサイクルタイムを大幅に削減することができる。同時に、比較的小さな容量の予備室４で足り、且つ、真空ポンプの増設や高い真空能力のものへの交換が不要とされるので、設備費等が嵩むのを抑制し、真空中和作業を採用したことによる製造コストの上昇を抑制することができる。

また、溶接室１内が目標圧に達した時点（時間Ｔ１）で、電子ビーム照射手段２から電子ビームを照射しつつ載置台１ａを回転させることにより、ワークＷの所定部位における全周に亘って電子ビーム溶接を行う（Ｓ８）。尚、電子ビーム溶接を行っている間においても、第１バルブＶ１は開状態とされているため、真空ポンプ３による真空作業が続けられることとなっている。電子ビーム溶接が終了（時間Ｔ２）すると、Ｓ９へ進み、第２バルブＶ２の開状態を維持するとともに、第１バルブＶ１を閉じ、第３バルブＶ３を開ける。

第１バルブＶ１を閉じ、且つ、第３バルブＶ３を開けることにより、溶接室１は第３配管を介して大気開放とされ、瞬時に外部の空気が流れこんで略大気圧まで上昇することとなる。かかる状態において載置台１ａを下降させ、ワークＷを当該載置台１ａから取り出して（Ｓ１０）、ワークＷに対する溶接加工（１サイクル）が終了することとなる。そして、次に溶接すべきワークＷがある場合、Ｓ１に戻って次のワークＷの投入作業が行われる。

一方、Ｓ９において、第２バルブＶ２の開状態が維持され、且つ、第１バルブＶ１が閉じられるので、真空ポンプ３により予備室４内を所定気圧まで低下させることとなる（Ｓ１１）。これにより、真空ポンプ３は、溶接室１の真空作業に加え、予備室４の気圧低下を行うこととなり、予備室４を予め所定気圧まで低下させるための別途の手段が不要となる。同時に、次のワークの電子ビーム溶接加工までの時間を利用して予備室４内を所定気圧まで低下させることができるので、並列処理でき、サイクルタイムを増大させることがない。

予備室４の減圧工程（Ｓ１１）が終了すると、Ｓ１２に進み、第２バルブＶ２及び第３バルブＶ３を閉じる（Ｓ１２）。また、本フローチャートにおいては、予備室４の減圧が次のサイクルが開始される前（即ち、次のサイクルにおけるＳ１の前）に終了しているが、次のサイクルの溶接室１の真空作業が開始されるまでの間（即ち、次のサイクルにおけるＳ３の前）までに終了していれば足りる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば真空ポンプにより所定時間溶接室内の空気を外部に排出して目標圧近傍まで気圧を低下させた後、予備室と溶接室とを連通させて真空中和させ得る電子ビーム溶接装置であれば、溶接室、真空ポンプ及び予備室を各々連通させる配管及び該配管に配設されるバルブを種々変更してもよい。

また、第１バルブＶ１〜第３バルブＶ２の開閉動作は、図２のフローチャートを実現すべき開閉タイミングにて各々が行われるよう、別途の制御手段等により集中的に制御するのが好ましい。これにより、各バルブの開閉動作による排気の流通経路の切り換え時、タイムラグ等を低減することができ、且つ、大量生産により適したものとすることができる。

真空ポンプにより所定時間溶接室内の空気を外部に排出して目標圧近傍まで気圧を低下させた後、予備室と溶接室とを連通させて真空中和させ得る電子ビーム溶接装置であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたものにも適用することができる。

本発明の実施形態に係る電子ビーム溶接装置を示す全体模式図同電子ビーム溶接装置の動作を示すためのフローチャート同電子ビーム溶接装置における溶接室内の圧力降下曲線を示すグラフ従来の電子ビーム溶接装置における溶接室内の圧力降下曲線（真空ポンプによる圧力降下曲線Ｋ）を示すグラフ

符号の説明

１溶接室
１ａ載置台
２電子ビーム照射手段
３真空ポンプ
４予備室
Ｗワーク
Ｌ１第１配管
Ｌ２第２配管
Ｌ３第３配管
Ｖ１第１バルブ
Ｖ２第２バルブ
Ｖ３第３バルブ

Claims

ワークを密閉状態にて収容しつつ当該ワークの所定部位に対して電子ビーム溶接が可能な溶接室と、
該溶接室内の空気を外部に排出可能な真空ポンプと、
予め所定気圧まで低下されるとともに、前記溶接室と連通されることにより前記溶接室との間の圧力差が等しくなる真空中和を生じさせて当該溶接室内の空気を導入し得る予備室と、
を具備した電子ビーム溶接装置において、
前記真空ポンプにより所定時間前記溶接室内の空気を外部に排出して目標圧近傍まで気圧を低下させた後、前記予備室と前記溶接室とを連通させて真空中和させることを特徴とする電子ビーム溶接装置。
前記真空ポンプと前記溶接室とを連通させる第１配管と、
該第１配管の途中から分岐させて前記予備室と連通させる第２配管と、
前記第１配管と第２配管との分岐点より前記溶接室側に配設され、開閉動作により排気の流れを遮断又は許容させ得る第１バルブと、
前記第２配管の途中に配設され、開閉動作により排気の流れを遮断又は許容させ得る第２バルブと、
を具備し、第１バルブを開けた状態にて前記第２バルブを閉じて前記真空ポンプによる空気の排出を所定時間行わせた後、前記第２バルブを開けて前記予備室による真空中和を行わせたことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム溶接装置。
前記溶接室内の真空作業が終了して前記第１バルブを閉じた後、前記第２バルブを開けた状態とすることにより、前記真空ポンプにより前記予備室内を所定気圧まで低下させたことを特徴とする請求項２記載の電子ビーム溶接装置。
前記第１配管における前記第１バルブより前記溶接室側から分岐され、先端が大気開放とされた第３配管と、
該第３配管の途中に配設された第３バルブと、
を具備し、前記溶接室内のワークに対する電子ビーム溶接が終了した後、前記第３バルブを開けて、当該溶接室内を大気圧と略等しくさせ得ることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電子ビーム溶接装置。