JP2732983B2 - 電子ビームを用いた加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子ビームを用いた加工
方法に関する。さらに詳しくは、タングステン製の陰極
材料やルツボなどの溶接などに好適に使用しうる電子ビ
ームを用いた加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビームのエネルギー密度は非常に高
いので、この高いエネルギー密度を有する電子ビームを
用いて薄板の高速溶接や厚板の深溶け込み溶接を行なう
ことができることが電子ビーム溶接法の特徴である。前
記電子ビーム溶接法としては、溶接欠陥を抑制するため
に電子ビームを高振動数で振らせ、溶融池の揺動効果に
より気孔を減少させる電子ビーム溶接法が知られてい
る。

【０００３】まず、従来の電子ビーム加工装置を用いた
電子ビーム溶接法による加工方法について説明する。

【０００４】図６は、マイクロ加工技術編集委員会編
「マイクロ加工技術」昭和56年11月27日、（株）日刊工
業新聞社、33頁に記載された電子ビーム加工装置の概略
構成を示す模式的な説明図である。図６において、１は
ハウジング、２はこのハウジング１内の上部に配設され
た電子銃、３はこの電子銃２から射出される電子ビーム
４を集束するための集束コイル、５は集束コイル用電
源、６は集束コイル３によって集束された電子ビーム４
を偏向するための偏向コイル、７は偏向コイル用電源、
８は偏向コイル用電源７を制御して電子ビーム４の偏向
パターンを設定するための制御信号発生器、９は電子ビ
ーム４が照射され、突き合わせ溶接などが行なわれる被
加工部材で、台車１０上に載置されている。

【０００５】従来の電子ビーム加工装置は、前記のよう
に構成されており、前記装置を用いて加工する際、電子
銃２から射出された電子ビーム４は、集束コイル３で所
望の大きさの径に集束されたのち、偏向コイル６に入射
される。一方、制御信号発生器８では所定の偏向装置に
より偏向コイル用電源７に制御信号が送出される。この
制御信号により偏向コイル用電源７では制御信号に応じ
た偏向電流が偏向コイル６に通電され、偏向コイル６で
この偏向電流に応じた偏向磁界が発生する。そして偏向
磁界により入射した電子ビーム４の方向が制御されたの
ち、被加工部材９に照射される。一方、台車１０は溶接
線に沿い、所定の速度で移動し、溶接が進行する。

【０００６】図７は電子ビームを円偏向させ、台車１０
が移動しない状態での被加工部材上の電子ビームの軌跡
を示したものである。また、図８は電子ビームを円偏向
させながら、台車１０を移動させたときの被加工部材上
での電子ビームの軌跡である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の図７に示された
円偏向による溶接では、台車が矢印Ａで示される方向に
移動することにより電子ビームにより照射したばあいに
は、図８に示されるような形状の軌跡が描かれるが、靭
性の低い溶接材や多くのガス成分を含む溶接部材の溶接
の際に、溶接割れ、ブローホール（気孔）、ブローアウ
ト（吹き出し）などの溶接欠陥が発生し、これらを充分
に防止することができないなどの問題点がある。

【０００８】本発明は、前記問題点を解消するためにな
されたものであり、靭性が低く、溶接後に割れやすい溶
接材や多くのガス成分を含み、溶接によりブローホー
ル、ブローアウトなどの溶接欠陥を発生しやすい溶接部
材の溶接などにおいても前記溶接欠陥を発生しない加工
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電子ビームを
射出したのち、集束し、偏向して被加工部材に照射する
ことにより被加工部材を加工する方法であって、前記電
子ビームの照射パターンが、螺旋の軌跡間隔をピッチと
したとき、該ピッチを電子ビームの集束径よりも小さく
してなる螺旋状の照射パターンにされており、該電子ビ
ームで被加工部材の一部を溶融し、生成した溶融物を撹
拌することを特徴とする電子ビームを用いた加工方法に
関する。

【００１０】

【作用】本発明の電子ビームを用いた加工方法によれ
ば、電子ビームを用いて被加工部材の一部を溶融し、撹
拌するため、溶融金属が高速に万遍なく撹拌され、溶融
金属中に含まれるガス成分や低融点不純物が飛散し、ま
た残存した不純物は、溶融時に分散するので歪が１カ所
に集中しない状態で冷却され、割れなどの欠陥が発生し
にくくなる。

【００１１】さらに、本発明の加工方法によれば、溶融
池が大きく形成されるため、冷却速度が遅くなり、より
一層割れなどの欠陥が発生しにくくなる。

【００１２】また、本発明において、とくに螺旋状の照
射パターンに偏向された電子ビームを用いたばあいに
は、該螺旋状の照射パターンによりうなりが生じ、これ
により大きな振動が発生するため、不純物の飛散や分散
および溶融池の拡大効果がさらに一層促進され、割れな
どの欠陥が発生しにくくなる。

【００１３】

【実施例】本発明の電子ビームを用いた加工方法は、前
記したように、電子ビームを射出したのち、集束し、螺
旋状の照射パターンに偏向して被加工部材に照射するこ
とにより被加工部材を加工する方法であって、電子ビー
ムで被加工部材の一部を溶融し、生成した溶融物を撹拌
することを特徴とする電子ビームを用いた加工方法であ
る。

【００１４】本発明において、被加工部材を加工すると
は、たとえば金属などの被加工部材を溶接すること、被
加工部材の表面層を溶融させて表面硬化させることなど
をいう。

【００１５】本発明の加工方法において、加工を行なう
際にはまず電子銃により電子ビームを射出する。用いら
れる電子銃は、金属などの被加工部材を溶接加工するの
に通常用いられるものであればよく、射出される電子ビ
ームの波長も同様に通常用いられるものであればよい
が、その波長がたとえば60ＫｅＶのエネルギー換算でた
とえば2.1×10^-11ｍ程度のものがあげられる。

【００１６】つぎに、電子ビームは被加工部材に照射さ
れる際に所望の大きさの集束径となるように集束コイル
によって集束される。前記集束径は、通常0.2〜0.3mmφ
程度であることが好ましい。

【００１７】つぎに、集束コイル通過後の電子ビームを
偏向コイルにより後述する特定の照射パターンとなるよ
うに偏向させる。偏向コイルは、制御信号発生器により
コントロールされるので、制御信号発生器では前記電子
ビームの被加工部材への照射パターンを決定し、かつ決
定された照射パターンに合致する偏向が行なわれるよう
な制御信号を発生する。つぎに、偏向コイル電源では前
記制御信号に基づいた電流を通電して偏向コイルに偏向
磁界を発生させ、該偏向磁界により偏向された電子ビー
ムを用いて前記被加工部材に、たとえば溶接などの加工
を施す。

【００１８】本発明では、前記偏向コイルにより偏向さ
れた電子ビームの照射方法に１つの特徴がある。すなわ
ち、本発明では電子ビームを用いて被加工部材の一部を
溶融し、生成した溶融物を万遍なく撹拌する。螺旋状の
照射パターンに偏向された電子ビームにより被加工部材
の照射を行なうことが効果的である。前記螺旋状の照射
パターンとは、台車が静置した際の図１に示されるよう
な電子ビームの軌跡をいう。ここで螺旋の中心Ｏから外
周までの距離をＤとし、螺旋が１周した際の距離との
差、すなわち螺旋の軌跡間隔をピッチ（振幅）ｄとした
とき、ピッチｄは電子ビーム集束径よりも小さくなるよ
うにするためにたとえば５０〜１００μｍ程度が好まし
く、Ｄは１〜１．５ｍｍ程度が好ましい。

【００１９】電子ビームの照射の際、被加工部材を載置
した台車が移動するので、被加工部材の実際の電子ビー
ムの軌跡は図２に示すようになる。

【００２０】ピッチｄを電子ビームの集束径よりも小さ
くしたばあい、実際の照射パターンでは、図１と異な
り、前記螺旋状照射パターンの内部が完全に塗り潰され
るようなパターンとなるため、被加工部分が万遍なく溶
融、撹拌される。また、前記螺旋状のパターンによりう
なりが生じ、溶融金属に大きな振動が発生する。電子ビ
ームの走査速度は、溶融、撹拌後の表面ビードの滑らか
さの点から、１０００ｍ／分以上、なかんづく１０００
〜２０００ｍ／分が好ましい。電子ビームの照射は、連
続的に行なわれ、照射される螺旋状の軌跡が中心部分に
近づき、一定の点に達すると再び最初の点に戻り、同様
の照射パターンを繰り返す。

【００２１】一方、被加工部材は台車の上に載置されて
おり、溶接線に沿って移動する。台車の移動速度は、と
くに限定がないが、高融点、靭性が小さい割れやすい材
料の溶接のばあいには、溶接速度を小さく設定すること
により、予熱、後熱と同等の効果がえられるようにする
ために、溶接速度は0.05〜0.1ｍ／分程度が好ましい。

【００２２】被加工部材としては、たとえばタングステ
ン、モリブテンなどの高融点、低靭性の金属があげられ
る。前記被加工部材が電子ビームにより照射された際に
は、高熱を発生し、金属表面が溶融しはじめ、溶融池が
大きく形成されるため、冷却時にその冷却速度が遅くな
って徐冷され、割れなどの欠陥が発生しにくくなる。ま
た、前記したように、螺旋状の照射パターンを用いたば
あいには、溶融金属が万遍なく撹拌され、うなりが生
じ、それにより溶融金属に大きな振動が発生し、溶融金
属中に含まれるガス成分やリン、イオウなどの低融点不
純物が飛散し、残存した不純物が凝固点に集中せずに分
散するので、割れなどの欠陥が発生しにくくなる。

【００２３】以上螺旋状の照射パターンによる被加工部
材の溶接加工法を説明したが、さらに前記螺旋状の照射
パターンの代わりに、図４に示すようなＸ軸、Ｙ軸上の
一定矩形の面内で網状の照射パターンとなる面偏向パタ
ーンを用い、被加工部材の溶接加工を行なってもよい。

【００２４】このばあい、矩形の大きさは、とくに限定
はないが、たとえば縦１〜１．５ｍｍ、横１〜１．５ｍ
ｍ程度であることが好ましく、図中のｘ、ｙは網状パタ
ーン内をよりこまかく撹拌するためにそれぞれ０．０５
〜０．１ｍｍ程度であることが好ましい。前記照射に用
いられる電子ビームの波長、集束径などは、螺旋状ビー
ムの照射のばあいと同様であればよい。網状パターン
は、偏向コイルのＸ軸、Ｙ軸に、三角波で位相の異なる
偏向信号を流すことで形成される。正方形状のばあいに
は、Ｘ軸およびＹ軸に三角波の最大値を等しくすればよ
い。

【００２５】また、電子ビームの走査速度は、500ｍ／
分以上、なかんづく1000〜2000ｍ／分程度であることが
好ましい。電子ビームによる照射は連続して行なわれ、
図４に示される照射パターンを連続して繰り返す。一
方、台車の上に載置された被加工部材は溶接線に沿って
移動し、たとえば溶接などの加工が行なわれる。このと
き、台車の移動速度は、0.05ｍ／分の低速とするが、靭
性の少ない材料の溶接で割れ防止に有効な予熱、後熱と
同様の効果をうるためには、0.05〜0.1ｍ／分程度であ
ることが好ましい。

【００２６】被加工部材としては、前記と同様の金属が
あげられ、前記被加工部材が電子ビームの照射により加
熱され、螺旋状の照射を行なったばあいと同様の効果が
奏される。

【００２７】本発明の電子ビームを用いた加工方法にお
いては、溶接のほか、焼き入れを行なうことができる。
このばあいに用いられる装置や照射パターンは、溶接す
るばあいと同様であるが、電子ビームの走査速度は、溶
接するばあいと比較して速くし、また電子ビームの集束
径を大きくすることにより単位面積あたりに発生する熱
量を小さくして被加工部材の表面や内部に溶融が発生し
ないように設定することが好ましい。

【００２８】前記焼き入れでは、ビームの照射パターン
を任意に選択することができるため、焼入れワークの熱
容量に応じて溶融が発生しないような電力密度として焼
入れすることができる。

【００２９】つぎに本発明の加工方法を実施例にもとづ
いて詳細に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限
定されるものではない。

【００３０】［実施例１］電子ビーム加工装置として、
電子銃、集束コイル用電源、集束コイル、制御信号発生
器、偏向コイル用電源および偏向コイルを有する装置
（三菱電機（株）製、60ＫｅＶ、６ＫＷ）を用いた。

【００３１】本実施例では、射出される電子ビームの波
長を2.1×10^-11ｍに設定し、集束コイルによって集束さ
れる被加工部材上の集束径を0.2mmφとした。

【００３２】照射パターンとしては、図１に示される螺
旋の中心から外周までの距離Ｄが１．４ｍｍである螺旋
状のパターンを採用し、螺旋が１周した際の距離の差で
あるピッチｄを０．１ｍｍとした。

【００３３】電子ビームの走査速度は１０００ｍ／分と
し、照射される螺旋の軌跡が中心部分に近づき、中心か
らビーム径の大きさ以下の０．１ｍｍの点に達すると再
び最初の点に戻るように設定し、該照射パターンを繰り
返すことにより連続的に電子ビームの照射を行なった。

【００３４】本実施例では、タングステン製の平板２枚
を突き合わせて溶接を行なう際、前記溶接部材は台車の
上に載置され、台車が0.05ｍ／分の速度で移動すること
により、溶接線に沿って溶接を行なった。

【００３５】かくしてえられたタングステン材の表面ビ
ードにおける金属組織を図３に示すが、図からもわかる
ように、表面ビードの割れがまったくなくなり、表面ビ
ードが滑らかであった。

【００３６】［参考例］ 実施例１と同様の装置を用い、図４に示すようなＸ軸、
Ｙ軸上の一定矩形の面内を網状の照射パターンとなる面
偏向パターンを用い、実施例１と同様にしてタングステ
ン製の平板２枚の突き合わせの溶接を行なった。

【００３７】このばあい、矩形の大きさは縦1.4mm、横
1.4mmであり、図中のｘ、ｙは0.05mm程度であった。前
記照射に用いられる電子ビームの波長、集束径は、実施
例１と同様であった。

【００３８】また、電子ビームの走査速度は、500ｍ／
分であり、電子ビームによる照射は図４に示される照射
パターンを連続して繰り返した。

【００３９】本参考例では、タングステン製の平板２枚
を突き合わせる溶接を行なった。

【００４０】なお、溶接を行なう際には、前記被加工部
材を台車の上に載置し、台車が0.05ｍ／分の速度で移動
することにより溶接線に沿って溶接を行なうように設定
した。

【００４１】かくしてえられた突き合わせ接合部の表面
ビードにおける金属組織を図５に示すが、図からもわか
るように、表面ビードの割れがまったくなくなり、表面
ビードが滑らかであった。

【００４２】［比較例１］実施例１と同様の装置を用
い、図７に示すような円偏向のパターンにより、タング
ステン板の突き合わせ溶接を行なった。

【００４３】このばあい、円の直径は1.4mmであり、電
子ビームの波長、集束径を実施例１と同様に設定した。
また、電子ビームの走査速度を1000ｍ／分に設定した。

【００４４】本比較例では、タングステン板の平板同志
の突き合わせの溶接を行なった。溶接を行なう際には、
前記溶接部材を台車の上に載置し、台車が0.05ｍ／分の
速度で移動することにより、溶接線に沿って溶接が行な
われるようにした。

【００４５】かくしてえられたタングステン板の表面ビ
ートの金属組織を図９に示すが、図からもわかるように
表面ビードの割れが観察された。

【００４６】

【発明の効果】本発明の電子ビームを用いた加工方法に
よれば、割れなど溶接欠陥の発生がない溶接などを行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子ビームを用いた加工方法におけ
る、電子ビームの照射パターンの説明図である。

【図２】本発明の電子ビームを用いた加工方法におけ
る、電子ビームで照射された被加工部材の照射パターン
の説明図である。

【図３】本発明の電子ビームを用いた加工方法によって
加工された表面ビードにおける金属組織の写真である。

【図４】本発明にかかわる電子ビームを用いた加工方法
における、電子ビームの照射パターンの説明図である。

【図５】参考例の電子ビームを用いた加工方法によって
加工された表面ビードにおける金属組織の写真である。

【図６】従来の電子ビーム加工装置の説明図である。

【図７】従来の電子ビームを用いた加工方法における、
電子ビームの照射パターンの説明図である。

【図８】従来の電子ビームを用いた加工方法における、
電子ビームで照射された被加工部材の照射パターンの説
明図である。

【図９】比較例１の電子ビームを用いた加工方法によっ
て加工された表面ビードにおける金属組織の写真であ
る。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを射出したのち、集束し、偏
   向して被加工部材に照射することにより被加工部材を加
   工する方法であって、前記電子ビームの照射パターン
   が、螺旋の軌跡間隔をピッチとしたとき、該ピッチを電
   子ビームの集束径よりも小さくしてなる螺旋状の照射パ
   ターンにされており、該電子ビームで被加工部材の一部
   を溶融し、生成した溶融物を撹拌することを特徴とする
   電子ビームを用いた加工方法。