JP4124409B2 - 電子ビーム溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム溶接装置及び溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム溶接装置の従来技術としては、例えば、特開平３−６０８７９号公報に記載された技術がある。
【０００３】
この公報に記載された技術は、電子ビーム溶接を行うときの電子ビーム照射位置を検出する際、電子ビーム溶接装置から発振された電子ビームが、溶接予定位置を横切って走査したときに、被溶接物からの反射電子あるいは二次電子が焦点位置と対応して変化することを利用して、溶接線と電子銃との位置関係を把握する技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術にあっては、被溶接物に電子ビームを照射して、溶接予定位置と電子銃との位置関係を調整するため、被溶接物が電子ビームのエネルギにより熱変形する可能性があった。
【０００５】
最近では、被溶接対象物として、厚さ寸法がより小さい薄板も、電子ビーム溶接することが予定されているので、位置関係の調節に余分なエネルギーを被溶接物に与えると、変形が顕著に現れ、良質な溶接が困難となる。
【０００６】
本発明の目的は、溶接線と電子ビーム発生源との位置合せを行なう際に、被溶接物の熱変形を抑制することができる電子ビーム溶接装置及び溶接方法を実現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）チャンバと、電子ビーム発生部と、前記チャンバ外に配置された可視レーザ発振器を有する可視レーザ発振手段と、前記チャンバ内に配置された支持台であって、前記電子ビーム発生部から照射された電子ビームにより溶接される被溶接物、又は、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット位置と前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットとの位置関係の調整に用いられるセッティング材料を支持する支持台と、前記チャンバ外に配置され、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザが入射される撮像手段とを有する電子ビーム溶接装置であって、前記可視レーザ発振手段は、
前記チャンバ外に配置され、前記可視レーザ発振器から発振された可視レーザを反射して前記支持台に支持された前記セッティング材料又は前記被溶接物に照射させる反射鏡を備え、前記チャンバは、前記反射鏡で反射された可視レーザを前記チャンバ内に透過させる第１の透過窓と、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザを前記チャンバ外に透過させる第２の透過窓とを備え、前記反射鏡は、その角度及び位置が調整でき、前記反射鏡の角度及び位置が調整されることにより前記可視レーザを前記セッティング材料に照射された電子ビームのビームスポット上に照射して、前記電子ビームスポット位置と前記可視レーザのレーザスポット位置とが調整されて前記反射鏡の角度及び位置が固定され、前記支持台は、移動可能な支持台であり、前記支持台に支持された被溶接物から反射された可視レーザが、前記撮像手段に入射され、前記撮像手段に入射された可視レーザに基づいて、前記支持台が移動されることにより、前記電子ビームスポット位置と前記被溶接物の溶接開始位置とが一致するよう調整される。
【０００９】
（２）チャンバと、電子ビーム発生部と、前記チャンバ外に配置された可視レーザ発振器と、前記チャンバ内に配置された移動可能な支持台であって、前記電子ビーム発生部から照射された電子ビームにより溶接される被溶接物、又は、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット位置と前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットとの位置関係の調整に用いられるセッティング材料を支持する前記支持台と、前記チャンバ外に配置され、前記可視レーザ発振器から発振された可視レーザを反射して前記支持台に支持された前記セッティング材料又は前記被溶接物に照射させる反射鏡と、前記チャンバ外に配置され、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザが入射される撮像手段とを有する電子ビーム溶接装置を用いた電子ビーム溶接方法であって、前記セッティング材料を前記支持台に支持し、前記チャンバ内を真空状態に設定し、前記ビーム発生手段から電子ビームを、前記可視レーザ発振器から可視レーザを前記セッティング材料に照射し、前記撮像手段から得られる画像に基づいて、前記反射鏡の角度及び位置を調整して、前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットを、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット上に位置合わせし、角度及び位置調整後の前記反射鏡の角度及び位置を固定して、前記チャンバ内の真空状態を解除し、前記被溶接物を前記セッティング材料と置き換えて前記支持台に支持し、前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットと、前記被溶接物の溶接開始位置との位置関係を調整し、前記チャンバ内を真空状態に設定し、前記電子ビームを前記被溶接物に照射して溶接する。
【００１１】
可視レーザ光は、電子ビームと異なりエネルギが非常に小さく、集光せずに使用するため、被溶接物に照射したとしても、被溶接物の熱変形が起きない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である電子ビーム溶接装置の概略構成図である。
【００１３】
図１において、１は電子ビーム発生部であり、この電子ビーム発生部１の先端には、電子ビーム発生部を溶接スパッタから保護するシールドノズル２が取り付けられている。
【００１４】
また、被溶接物３は、Ｘ−Ｙ−θ（回転軸）テーブル（移動可能な支持台）４上に支持され、これら被溶接物３、Ｘ−Ｙ−θテーブル４及びシールドノズル２は、チャンバ５内に配置されている。
【００１５】
図１に示す電子ビーム発生部１の左側であって、チャンバ５外に、可視レーザ発振器６と、レーザ光反射鏡８と、このレーザ光反射鏡８を覆う反射鏡ボックス９とが配置されている。また、発振器６のレーザ発振側にはピンホール７が形成されている。
【００１６】
そして、レーザ発振器６からのレーザビーム１３は、ピンホール７を通過して、反射鏡８で反射され、チャンバ５に形成されたビーム透過窓（図示せず）を通過して被溶接物３に照射される。
【００１７】
一方、図１に示す電子ビーム発生部１の右側には、電子ビーム発生部１から放射される電子ビームのビームスポット及びレーザ発振器６からのレーザ光のスポットを確認するＣＣＤカメラ（撮像手段）１０と、反射鏡１１と、反射鏡ボックス１２とが配置されている。
【００１８】
そして、被溶接物３から反射されたレーザビーム１３が、チャンバ５に形成されたビーム透過窓（図示せず）を通過して反射鏡１１によって反射される。反射鏡１１により反射されたレーザビーム１３は、ＣＣＤカメラ１０に入射されるように構成されている。
【００１９】
本発明の一実施形態における電子ビーム溶接装置は上記のように構成されており、以下にその動作について図２、図３及び図４を用いて説明する。
【００２０】
図２及び図３において、電子ビーム発生装置から放出される電子ビームを被溶接物３の溶接予定線に精度よく合わせる方法として、まず、電子ビームのビームスポットと可視レーザ発振器６から発振されるレーザビーム１３のレーザスポットとを共にＰ点に合わせる。
【００２１】
電子ビームのビームスポットとレーザスポットとを一致させる方法としては、被溶接物３とは異なる別の材料を準備してセッティング材料１５として用い、電子ビームのビームスポットとレーザ光１３のレーザスポットを同一点Ｐにレーザ光反射鏡８を調節して調整する。
【００２２】
ピンホール７は、レーザ光１３のビーム径を小さくし精度よく同一点に合せるのに使用する。
【００２３】
また、反射鏡８の調整確認には、ＣＣＤカメラ１０を使用してビームスポットを目視で確認し、反射鏡８の反射角度等を調整し、調整後、その角度又は位置に固定する。
【００２４】
電子ビーム発生装置と可視レーザ発振器６とは、一体となっており、電子ビームとレーザ光とのビームスポットを合せることで電子ビームをレーザ光で疑似的に表現することができる。
【００２５】
そして、セッティング材料として用いた材料１５を被溶接物３に置き換え、レーザ発振器６からのレーザ光を使用し、被溶接物３に照射する。この被溶接物３から反射されたレーザ光１３は、反射鏡１１を介してＣＣＤカメラ１０に入射される。
【００２６】
ＣＣＤカメラ１０による目視確認で、図２に示すように、被溶接物３の溶接予定線１４の溶接開始位置とレーザビームスポット１３とが一致するように、Ｘ−Ｙ−θテーブル４を移動し、溶接線検出及び位置合せを行なう。
【００２７】
上述のようにして、溶接線検出及び位置合わせが終了すると、被溶接物３の溶接が、図４に示すような状態で開始される。
【００２８】
電子ビーム発生部１では、加速された一定方向に流れる電子の集まりの束（電子ビーム）を発生させ、ビーム強度制御装置（図示せず）で電子ビームの強度が制御される。
【００２９】
次に、電磁レンズで電子を集束することにより、高いエネルギ密度を得る。同時にビームの位置制御装置で被溶接物３の溶接線１４に対して位置と焦点とをあわせる。
【００３０】
シールドノズル２は、電子ビームの軌道に平行に取り付けられ、電子ビーム発生部１を保護している。
【００３１】
被溶接物３が配置される、Ｘ−Ｙ−θ（回転軸）テーブル４は、３６０度回転可能なターンテーブルとなっており、溶接線１４に沿ってビームスポット１３が移動するように、Ｘ−Ｙ−θテーブル４が自動的に移動され、溶接処理が行われる。
【００３２】
被溶接物３上では、電子の持っている運動エネルギの大部分が熱エネルギに変換されて被溶接物３が溶接される。
【００３３】
このようにして、被溶接物３の溶接処理が終了される。
【００３４】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、電子ビームによる被溶接物の溶接に先立って、レーザ光を用いて、被溶接物と電子ビーム発生部１との位置関係を調整するように構成される。
【００３５】
ここで、電子ビームは真空中でしか走査できないため、電子ビーム発生部１から電子ビームを発生させる場合、一度、チャンバ５内を真空状態としなければならない。このため、電子ビームにより被溶接物３と電子ビーム発生部１との位置合わせを行う場合、チャンバ５内を真空状態とした状態では、操作者が被溶接物３に接近することができない。
【００３６】
操作者が被溶接物３に接近して電子ビーム発生部１との位置合わせを行う場合には、チャンバ５内の真空状態を解除する必要がある。
【００３７】
それに対して、レーザ光は電子ビームと異なり大気中でも発振可能である。 そのため、レーザ光による位置合わせ作業中でもチャンバ５内を真空状態とする必要が無く、被溶接物３に操作者が近づいて目視で溶接線検出及び位置合せを行なうことが出来る。
【００３８】
また、レーザ光によれば、大気中で位置合わせの段取りと溶接線検出及び位置合せを行なうことが出来るため、被溶接物３の位置調整が容易にでき、溶接線に対する電子ビーム発生部１の位置精度が向上する。
【００３９】
また、可視レーザ光は、電子ビームと異なりエネルギが非常に小さく、集光せずに使用するため、被溶接物３に照射したとしても、被溶接物３の熱変形が起きない。
【００４０】
さらに、溶接を行なうためにチャンバ５内を排気すると、電子ビーム溶接装置のチャンバ５内は暗闇となるが、可視レーザ光を使用すれば、暗闇でもビームスポットにより、溶接線を確認することができる。
【００４１】
なお、上述した例は、操作者がレーザ光を確認して、テーブル４の位置等を調整するように構成したが、ＣＣＤカメラ１０から得られる画像を自動的に認識して、テーブル４の位置、角度を自動的に調整することも可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、電子ビーム溶接における溶接線検出及び位置合せを行なう際に、被溶接物の熱変形を抑制することが可能な電子ビーム溶接装置及び溶接方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である可視レーザ発振器を備えた電子ビーム溶接装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態である電子ビーム溶接装置の位置合わせの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態である電子ビーム溶接装置の位置合わせの説明図である。
【図４】本発明の一実施形態である電子ビーム溶接装置の溶接動作の説明図である。
【符号の説明】
１ 電子ビーム発生部
２ シールドノズル
３ 被溶接物
４ Ｘ−Ｙ−θテーブル
５ チャンバ
６ 可視レーザ発振器
７ ピンホール
８、１１ レーザ光反射鏡
９、１２ 反射鏡ボックス
１０ ＣＣＤカメラ
１３ ビームスポット
１４ 溶接線
１５ セッティング材料

Claims (2)

1. チャンバと、
   電子ビーム発生部と、
   前記チャンバ外に配置された可視レーザ発振器を有する可視レーザ発振手段と、
   前記チャンバ内に配置された支持台であって、前記電子ビーム発生部から照射された電子ビームにより溶接される被溶接物、又は、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット位置と前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットとの位置関係の調整に用いられるセッティング材料を支持する支持台と、
   前記チャンバ外に配置され、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザが入射される撮像手段とを有する電子ビーム溶接装置であって、
   前記可視レーザ発振手段は、
   前記チャンバ外に配置され、前記可視レーザ発振器から発振された可視レーザを反射して前記支持台に支持された前記セッティング材料又は前記被溶接物に照射させる反射鏡を備え、
   前記チャンバは、
   前記反射鏡で反射された可視レーザを前記チャンバ内に透過させる第１の透過窓と、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザを前記チャンバ外に透過させる第２の透過窓とを備え、
   前記反射鏡は、その角度及び位置が調整でき、前記反射鏡の角度及び位置が調整されることにより前記可視レーザを前記セッティング材料に照射された電子ビームのビームスポット上に照射して、前記電子ビームスポット位置と前記可視レーザのレーザスポット位置とが調整されて前記反射鏡の角度及び位置が固定され、
   前記支持台は、移動可能な支持台であり、前記支持台に支持された被溶接物から反射された可視レーザが、前記撮像手段に入射され、前記撮像手段に入射された可視レーザに基づいて、前記支持台が移動されることにより、前記電子ビームスポット位置と前記被溶接物の溶接開始位置とが一致するよう調整されることを特徴とする電子ビーム溶接装置。
2. チャンバと、電子ビーム発生部と、前記チャンバ外に配置された可視レーザ発振器と、前記チャンバ内に配置された移動可能な支持台であって、前記電子ビーム発生部から照射された電子ビームにより溶接される被溶接物、又は、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット位置と前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットとの位置関係の調整に用いられるセッティング材料を支持する前記支持台と、前記チャンバ外に配置され、前記可視レーザ発振器から発振された可視レーザを反射して前記支持台に支持された前記セッティング材料又は前記被溶接物に照射させる反射鏡と、前記チャンバ外に配置され、前記セッティング材料又は前記被溶接物で反射された可視レーザが入射される撮像手段とを有する電子ビーム溶接装置を用いた電子ビーム溶接方法であって、
   前記セッティング材料を前記支持台に支持し、
   前記チャンバ内を真空状態に設定し、
   前記ビーム発生手段から電子ビームを、前記可視レーザ発振器から可視レーザを前記セッティング材料に照射し、
   前記撮像手段から得られる画像に基づいて、前記反射鏡の角度及び位置を調整して、前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットを、前記電子ビーム発生部からの電子ビームのビームスポット上に位置合わせし、角度及び位置調整後の前記反射鏡の角度及び位置を固定して、
   前記チャンバ内の真空状態を解除し、
   前記被溶接物を前記セッティング材料と置き換えて前記支持台に支持し、
   前記可視レーザ発振器からの可視レーザのレーザスポットと、前記被溶接物の溶接開始位置との位置関係を調整し、
   前記チャンバ内を真空状態に設定し、
   前記電子ビームを前記被溶接物に照射して溶接することを特徴とする電子ビーム溶接方法。

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