JP7093716B2 - 電子ビーム溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙空間用の電子ビーム溶接機に関する。

部材を接合する加工として溶接がある。宇宙空間等の真空条件下における構造体の組立ては、通常ボルト接合によるが、将来の月面基地建設等には、溶接による接合も検討されると考えられる。地球上の建設現場等で採用されている溶接方法は、アーク放電を利用した方法がほとんどである。しかしながら、真空条件下では、アーク放電を安定的に発生させ、維持することは困難である。真空条件下の溶接方法として、特許文献１において、不活性ガスを充満させることによってアーク放電可能な環境を作るアーク溶接法が開示されている。また、真空条件下での溶接方法として、電子ビーム溶接が知られている。

特開平７－１８５８０１号公報

しかしながら、特許文献１のアーク溶接法は、シール性に課題が残り、アーク放電を安定的に発生させ、維持することは難しい。また、不活性ガスを大量に消費するため、不活性ガスの入手性の点で問題がある。さらに、宇宙ステーション等の無重力状態下において、作業者及びワークは、噴出する不活性ガスの反力に耐える必要があり、作業者及びワークを固定することによって、作業性が著しく低下する。また、電子ビーム溶接は、電子銃が極めて大型であるため、電子ビームを固定して、溶接部（ワーク）を移動させることによって溶接する手法が取られている。したがって、建設現場での作業には向いていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、真空条件下において作業者が容易に操作できる小型の電子ビーム溶接機を提供することを目的とする。

本発明の電子ビーム溶接機は、電子を放出するカソード電極と、前記電子を収束するウェーネルト電極と、アノード孔を有し、前記カソード電極に対して正電圧が印加され、前記電子を電子ビームとして前記アノード孔を通過させるアノード電極と、前記電子ビームが放出される出射口を含み、前記カソード電極と前記ウェーネルト電極と前記アノード電極とを収納する電子銃筐体と、前記電子銃筐体に固定される把持部と、前記電子の放出及び停止を操作する手動操作可能な操作部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、電子銃筐体の内部の真空状態を維持できるため、差動排気系を装備させる必要がなく、電子銃筐体を小型にすることができる。作業者は、把持部を握りながら操作部を操作することによって、電子ビームの放出及び停止を操作できるので、容易に操作できる。作業者は、手動で溶接することができるので、複雑形状の錯綜部位においても溶接可能である。

また、前記カソード電極と前記アノード電極との間に印加される電圧値は、２０ｋＶ以下であることが好ましい。

この構成によれば、電子銃筐体内部の放電を防止するための絶縁距離を短くできるため、電子銃筐体をより小型にすることができる。また、被溶接体の照射部から発生するＸ線及び反射電子を、通常の宇宙服程度においても防護できる。これにより、作業者への影響を小さくすることができる。

また、前記カソード電極と前記アノード電極との間を通る電流値を調整する出力調整機構を備えることが好ましい。

この構成によれば、電子ビームの出力値を調整することができる。これにより、カソード電極とアノード電極との間に印加される電圧値が一定であっても、電子ビームの出力値を大きくすることができるので、Ｘ線及び反射電子の影響を抑えた状態でも、厚肉溶接に対応することができる。

また、被溶接体の溶接線を撮像可能な撮像装置を備え、前記出力調整機構は、前記撮像装置が撮像した画像に基づいて、前記カソード電極と前記アノード電極との間を通る電流値を自動調整することが好ましい。

この構成によれば、被溶接体の形状等に応じて、電子ビームの出力値を最適値に自動変更することができる。これにより、より容易に多様な状況における溶接作業が可能である。

また、前記出力調整機構は、前記操作部によって操作されることが好ましい。

この構成によれば、作業者が作業状況及び被溶接体の形状等に応じて、電子ビームの出力値を適宜変更することができる。これにより、多様な状況における溶接作業が可能である。

また、前記操作部は、前記把持部に設けられることが好ましい。

この構成によれば、電子ビーム溶接機の構成がより簡略化され、より小型化に寄与することができる。また、作業者は、より簡便に電子ビームの放出及び停止の操作ができる。

また、前記電子銃筐体は、前記出射口を含む先端部が先鋭形状であることが好ましい。

この構成によれば、作業者による被溶接体の溶接線の視認性が向上する。これにより、作業者は、容易に手動による溶接が可能である。

また、前記カソード電極は、冷陰極であることが好ましい。

この構成によれば、カソード電極を加熱するための電源等の加熱源を設ける必要がない。これにより、加熱源を簡素化することができるので、電子ビーム溶接機全体の小型化に寄与することができる。

また、前記電子ビームが照射される被溶接体の照射部から前記電子銃筐体側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を備えることが好ましい。

この構成によれば、Ｘ線及び反射電子の少なくとも一方の遮蔽性を向上することができる。これにより、作業者への影響を抑制しながら、電子ビームの加速電圧を大きくすることができる。

また、前記電子ビームが照射される被溶接体の照射部と前記出射口との間を覆うカバーを備えることが好ましい。

この構成によれば、被溶接体の照射部から飛散する粉塵が、周辺に散乱することを防止できる。これにより、粉塵が宇宙服及び各種周辺設備等に付着し、太陽光によって局所的に加熱されることによる破損を抑制することができる。

また、前記カバーは、前記照射部から前記電子銃筐体側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を含むことが好ましい。

この構成によれば、Ｘ線及び反射電子の少なくとも一方の遮蔽性を向上することができる。これにより、作業者への影響を抑制しながら、電子ビームの加速電圧を大きくすることができる。

また、前記電子銃筐体に固定されて、被溶接体の溶接線に接触可能なガイドピンを備えることが好ましい。

この構成によれば、接触させたガイドピンを電子銃筐体とともに移動させることによって、所定の溶接線に沿った溶接が容易になる。これにより、作業者による溶接線に沿った溶接を補助することができる。または、作業者が照射部を視認できない場合においても、ガイドピンを通じて得られる溶接部形状の感触を判断することによって、所定の溶接線に沿った溶接が可能である。

また、前記電子ビームが被溶接体に照射される照射部の位置情報を計測する第１計測装置と、前記第１計測装置に計測された前記照射部の位置情報と、予め設定された被溶接体の溶接線の位置情報と、に基づいて、前記電子ビームの出射方向が前記溶接線でない場合、前記電子を放出しないように制御する制御装置と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、所定の溶接線に沿った溶接が容易になるので、作業者による照射部の視認性を補助することができる。または、作業者が照射部を視認できない場合においても、所定の溶接線に沿った溶接が可能である。

また、前記電子ビームが被溶接体に照射される照射部の位置情報を計測する第１計測装置と、周囲の作業者の位置情報を計測する第２計測装置と、前記第１計測装置に計測された前記照射部の位置情報と、前記第２計測装置に計測された前記周囲の作業者の位置情報と、に基づいて、前記電子ビームの出射方向が前記周囲の作業者に向いている場合、前記電子を放出しないように制御する制御装置と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、被溶接体を貫通した電子ビームが、周囲の作業者に影響を与えることを抑制できる。これにより、周囲の作業者の安全性が向上する。

図１は、第１実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。 図２は、第１実施形態の電子銃筐体を示す模式図である。 図３は、Ａｌ中のγ線減衰係数を示すグラフである。 図４は、第２実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。 図５は、第３実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。 図６は、第４実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。 図７は、第５実施形態の電子ビーム溶接機の使用状態を示す模式図である。

以下に、本発明に係る電子ビーム溶接機の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、実質的に同一のもの、あるいは均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。各実施形態は、適宜組み合わせることも可能である。なお、以下の実施形態の説明において、同一構成には同一符号を付し、異なる構成には異なる符号を付すものとする。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。図２は、第１実施形態の電子銃筐体を示す模式図である。電子ビーム溶接機１０は、真空条件下で使用される。電子ビーム溶接機１０は、本実施形態において、国際宇宙ステーション及び月の地表に建設される月面基地等、大気のない宇宙空間において建設される構造体への突合せ溶接等に使用される。電子ビーム溶接機１０は、電子ビームＢを被溶接体Ｗに照射することによって、電子ビームＢが照射される照射部ＷＰを加熱し溶融させる。被溶接体Ｗは、金属であれば材料を限定されない。被溶接体Ｗは、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、ＳＵＳ（ステンレス鋼）及びＦｅ（鉄）等である。本実施形態の電子ビーム溶接機１０は、作業者が手動で溶接可能である。図１に示すように、電子ビーム溶接機１０は、電子銃筐体２０と、支持部４０と、電源装置５０と、を備える。図２に示すように、電子ビーム溶接機１０は、さらに、出力調整機構６０と、制御装置７０と、第１計測装置８０と、第２計測装置９０と、を備える。

電子銃筐体２０は、筒状の筐体である。電子銃筐体２０の一方の端部２０Ａには、出射口２２を有する。電子銃筐体２０の出射口２２と反対側の端部２０Ｂ側は、支持部４０が固定される。電子銃筐体２０は、カソード電極２４と、ウェーネルト電極（グリッド電極）２６と、アノード電極２８と、電磁コイル３０と、を収納する。

カソード電極２４は、電子銃筐体２０の端部２０Ｂ側の中心に配置される。カソード電極２４には、負電圧が印加される。カソード電極２４は、負電圧が印加されることによって、電子を放出する。カソード電極２４は、本実施形態において、冷陰極である。冷陰極は、常温においても電子を放出する。カソード電極２４は、熱陰極であってもよい。カソード電極２４が熱陰極である場合、電子ビーム溶接機１０は、熱陰極を加熱するための加熱源をさらに備える。加熱源は、例えば、電源である。

ウェーネルト電極２６は、カソード電極２４と近接してかつ端部２０Ａ側に離間した位置に配置される。ウェーネルト電極２６は、中央に貫通孔であるウェーネルト孔２６Ｈを有する環形状である。ウェーネルト電極２６は、カソード電極２４と同じ中心軸ＣＡを有する。中心軸ＣＡは、電子銃筐体２０の長手方向と平行である。ウェーネルト電極２６には、負電圧が印加される。ウェーネルト孔２６Ｈは、カソード電極２４から放出された電子を通過させる。ウェーネルト電極２６は、ウェーネルト孔２６Ｈを通過する電子を収束する。

アノード電極２８は、ウェーネルト電極２６より端部２０Ａ側に配置される。カソード電極２４とアノード電極２８との距離は、ｍｍオーダーである。アノード電極２８は、中央に貫通孔であるアノード孔２８Ｈを有する環形状である。アノード電極２８は、カソード電極２４及びウェーネルト電極２６と同じ中心軸ＣＡを有する。アノード電極２８には、カソード電極２４に対して正電圧が印加される。アノード孔２８Ｈは、ウェーネルト孔２６Ｈを通過した電子を通過させる。アノード電極２８は、アノード孔２８Ｈを通過する電子を電子ビームＢとして加速させる。カソード電極２４とアノード電極２８との間に印加される電圧値を、電子ビームＢの加速電圧と称する。電子ビームＢは、中心軸ＣＡに沿って出射口２２に向かって進行する。

電磁コイル３０は、第１コイル３２と、第２コイル３４と、を含む。第１コイル３２は、中心軸ＣＡを囲うように、アノード電極２８より端部２０Ａ側に配置される。第１コイル３２は、電子ビームＢを収束する。第２コイル３４は、中心軸ＣＡを囲うように、電子銃筐体２０の端部２０Ａ側に配置される。第２コイル３４は、電子ビームＢを収束する。アノード電極２８によって加速された電子ビームＢは、中心軸ＣＡに沿って第１コイル３２及び第２コイル３４を通過して、出射口２２から放出される。電磁コイル３０は、実施形態において、２つのコイル（第１コイル３２及び第２コイル３４）を備えるが、１つ又は３つ以上のコイルを備えてもよい。

電子ビーム溶接機１０は、真空条件下で使用されるため、電子銃筐体２０内部の真空状態を維持するための差動排気系等を備えない。また、真空条件下においては、放電しないので、カソード電極２４とアノード電極２８との距離を数ｍｍ程度とすることができる。したがって、電子銃筐体２０の直径を、数ｃｍ程度とし、電子銃筐体２０の中心軸ＣＡ方向の長さを、１０ｃｍ程度とすることができる。すなわち、電子ビーム溶接機１０は、作業者が片手で持てるサイズにすることができるので、手動で溶接することができ、複雑形状の錯綜部位においても溶接可能である。

支持部４０は、連結部４２及び把持部４４を含む。連結部４２は、筒状の筐体である。連結部４２の一方の端部４２Ａは、電子銃筐体２０の端部２０Ｂに固定される。連結部４２の電子銃筐体２０と反対側の端部４２Ｂには、ケーブル５２が接続される。ケーブル５２の接続位置は、実施形態に限定されない。ケーブル５２は、例えば、把持部４４の下端、電子銃筐体２０の上面又は側面に接続されてもよい。把持部４４は、連結部４２の周面から突出して設けられる。把持部４４は、連結部４２を介して電子銃筐体２０に固定される。支持部４０は、本実施形態において、電子銃筐体２０の端部２０Ｂに固定されるが、電子銃筐体２０の周面に固定されてもよい。把持部４４は、カソード電極２４からの電子の放出及び停止を操作する操作部４６を含む。すなわち、操作部４６は、電子ビームＢの出射及び停止を操作する。操作部４６は、例えばレバーである。作業者は、把持部４４を握り、操作部４６を引くことによって、電子ビームＢを出射させる。操作部４６は、引かれる量（長さ）によって、電子ビームＢの出力を調整できる。作業者は、操作部４６の引く量（長さ）によって出力を調整できる。また、作業者は、操作部４６を放すことによって、電子ビームＢを停止させる。操作部４６は、実施形態において、把持部４４と一体的に設けられるが、電子銃筐体２０に固定されず、把持部４４と別体に設けられてもよい。操作部４６は、作業者が把持部４４を把持している状態において、手動操作可能であれば、どのように設けられてもよい。

電源装置５０は、電子銃筐体２０の外部に配置される。電源装置５０は、例えば、作業者が背負う又は作業者近くの床に置かれるバッテリバックパックである。電源装置５０は、カソード電極２４、ウェーネルト電極２６及びアノード電極２８と接続する。本実施形態において、電源装置５０は、ケーブル５２及び支持部４０内を通る電源コードを介して、カソード電極２４、ウェーネルト電極２６及びアノード電極２８と接続する。電源装置５０は、カソード電極２４及びウェーネルト電極２６に、負電圧を印加する。電源装置５０が、アノード電極２８に、カソード電極２４に対する正電圧を印加する。

加速電圧は、予め設定された値である。本実施形態において、加速電圧は、２０ｋＶである。電子ビーム溶接機１０は、カソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値を制御することによって、電子ビームＢの出力値を制御する。カソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値は、ウェーネルト電極２６の電圧値によって変化する。溶接可能な板厚は電力によって決定される。例えば、被溶接体Ｗの材料がＡｌである場合、溶込み深さ１０ｍｍを得るためには、約３ｋＷを必要とする。３ｋＷの電力を得るためには、加速電圧が２０ｋＶである場合、必要な電流値は、１５０ｍＡである。このように、加速電圧が一定であっても、電流値を変化させることによって電子ビームＢの出力値を制御することができる。

電子ビームＢは、被溶接体Ｗの照射部ＷＰからＸ線及び反射電子を発生させる。Ｘ線及び反射電子は、加速電圧が高いほど高エネルギーとなる。カソード電極２４とアノード電極２８との間に印加される好適な加速電圧について検証する。図３は、Ａｌ中のγ線減衰係数を示すグラフである。図３に示すように、減衰係数は、γ線エネルギーが減少するにつれて増加する。減衰係数は、Ａｌにおいて、γ線エネルギーが２０ｋｅＶに漸近するにつれて、大きく増加する。したがって、加速電圧を２０ｋＶ以下とすることによって、通常の宇宙服程度でもＸ線及び反射電子を防護でき、作業者への影響を小さくすることができる。

出力調整機構６０は、ウェーネルト電極２６の電圧値を調整することによって、カソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値を調整する。出力調整機構６０は、本実施形態において、操作部４６によって操作される。

制御装置７０は、予め設定された所定のプログラムに基づいてカソード電極２４からの電子の放出及び停止を制御する。制御装置７０は、操作部４６によって駆動されてもよい。第１計測装置８０は、電子ビームＢが被溶接体Ｗに照射される照射部ＷＰの位置情報を計測する。第２計測装置９０は、周囲の作業者の位置情報を計測する。作業者は、電子ビーム溶接機１０の操作者の他に、被溶接体Ｗの支持者及び監督者等を含む。

制御装置７０は、第１計測装置８０に計測された照射部ＷＰの位置情報と、予め設定された被溶接体Ｗの溶接線の位置情報と、に基づいて、カソード電極２４からの電子の放出及び停止を制御する。制御装置７０は、例えば、電子ビームＢの出射方向が被溶接体Ｗの溶接線にない場合、カソード電極２４から電子が放出されないように制御する。これにより、所定の溶接線に沿った溶接が容易になるので、作業者による照射部ＷＰの視認性を補助することができる。または、作業者が照射部ＷＰを視認できない場合においても、所定の溶接線に沿った溶接が可能である。

電子ビーム溶接機１０は、例えば、被溶接体Ｗの溶接線を撮像する撮像装置を備えてもよい。撮像装置は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）カメラであってもよい。撮像装置は、作業者が照射部ＷＰを直接視認できない場合において、所定の溶接線に沿った溶接を補助する。作業者は、撮像装置が撮像した画像に基づいて、出力調整機構６０を操作することができる。作業者は、出力調整機構６０を操作することによって、電子ビームＢの出力を調節することができる。制御装置７０は、撮像装置が撮像した画像に基づいて、画像処理を行い、出力調整機構６０にカソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値を自動調整させるようにしてもよい。制御装置７０は、予め設定された所定の判定方法に基づいて、最適な電流値を算出するようにしてもよい。

制御装置７０は、第１計測装置８０に計測された照射部ＷＰの位置情報と、第２計測装置９０に計測された周囲の作業者の位置情報と、に基づいて、カソード電極２４からの電子の放出及び停止を制御する。制御装置７０は、例えば、電子ビームＢの出射方向が作業者に向いている場合、カソード電極２４から電子が放出されないように制御する。この際、制御装置７０は、作業者の方向の判定を広めにすることが好ましい。これにより、作業者の瞬時の移動にも対応が可能である。

以上のように、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０は、電子を放出するカソード電極２４と、電子を収束するウェーネルト電極２６と、アノード孔２８Ｈを有し、カソード電極２４に対して正電圧が印加され、電子を電子ビームＢとしてアノード孔２８Ｈを通過させるアノード電極２８と、電子ビームＢが放出される出射口２２を含み、カソード電極２４とウェーネルト電極２６とアノード電極２８とを収納する電子銃筐体２０と、電子銃筐体２０に固定される把持部４４と、電子の放出及び停止を操作する手動操作可能な操作部４６と、を備える。電子ビーム溶接機１０によれば、電子銃筐体２０の内部の真空状態を維持できるため、差動排気系を装備させる必要がなく、電子銃筐体２０を小型にすることができる。作業者は、把持部４４を握りながら操作部４６を操作することによって、電子ビームＢの放出及び停止を操作できるので、容易に操作できる。作業者は、手動で溶接することができるので、複雑形状の錯綜部位においても溶接可能である。

また、カソード電極２４とアノード電極２８との間に印加される電圧値が、２０ｋＶ以下であることによって、電子銃筐体２０内部の放電を防止するための絶縁距離を短くできる。これにより、電子ビーム溶接機１０は、電子銃筐体２０をより小型にすることができる。また、被溶接体Ｗの照射部ＷＰから発生するＸ線及び反射電子を、通常の宇宙服程度においても防護できる。これにより、作業者への影響を小さくすることができる。

また、カソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値を調整する出力調整機構６０を備えることによって、電子ビームＢの出力値を調整することができる。これにより、カソード電極２４とアノード電極２８との間に印加される電圧値が一定であっても、電子ビームＢの出力値を大きくすることができるので、Ｘ線及び反射電子の影響を抑えた状態でも、厚肉溶接に対応することができる。

また、電子ビーム溶接機１０は、被溶接体Ｗの溶接線を撮像可能な撮像装置を備えてもよい。出力調整機構６０が、撮像装置が撮像した画像に基づいて、カソード電極２４とアノード電極２８との間を通る電流値を自動調整することによって、被溶接体Ｗの形状等に応じて、電子ビームＢの出力値を最適値に自動変更することができる。これにより、より容易に多様な状況における溶接作業が可能である。

また、出力調整機構６０が、操作部４６によって操作されることによって、作業者が作業状況及び被溶接体Ｗの形状等に応じて、電子ビームＢの出力値を適宜変更することができる。これにより、多様な状況における溶接作業が可能である。

また、操作部４６は、把持部４４に設けられることによって、電子ビーム溶接機１０の構成がより簡略化され、より小型化に寄与することができる。また、作業者は、より簡便に電子ビームＢの放出及び停止の操作ができる。

また、カソード電極２４が、冷陰極であることによって、カソード電極２４を加熱するための電源等の加熱源を設ける必要がない。これにより、加熱源を簡素化することができるので、電子ビーム溶接機１０全体の小型化に寄与することができる。

また、電子ビーム溶接機１０は、電子ビームＢが被溶接体Ｗに照射される照射部ＷＰの位置情報を計測する第１計測装置８０と、第１計測装置８０に計測された照射部ＷＰの位置情報と、予め設定された被溶接体Ｗの溶接線の位置情報と、に基づいて、電子ビームＢの出射方向が溶接線でない場合、電子を放出しないように制御する制御装置７０と、を備える。電子ビーム溶接機１０によれば、所定の溶接線に沿った溶接が容易になるので、作業者による照射部ＷＰの視認性を補助することができる。または、作業者が照射部ＷＰを視認できない場合においても、所定の溶接線に沿った溶接が可能である。

また、電子ビーム溶接機１０は、電子ビームＢが被溶接体Ｗに照射される照射部ＷＰの位置情報を計測する第１計測装置８０と、周囲の作業者の位置情報を計測する第２計測装置９０と、第１計測装置８０に計測された照射部ＷＰの位置情報と、第２計測装置９０に計測された周囲の作業者の位置情報と、に基づいて、電子ビームＢの出射方向が周囲の作業者に向いている場合、電子を放出しないように制御する制御装置７０と、を備える。電子ビーム溶接機１０によれば、被溶接体Ｗを貫通した電子ビームＢが、周囲の作業者に影響を与えることを抑制できる。これにより、周囲の作業者の安全性が向上する。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。図４に示す電子ビーム溶接機１１０は、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０に代えて、電子銃筐体１２０を含み、その他の構成は第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同様である。第２実施形態の電子ビーム溶接機１１０において、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同一の構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図４において、支持部４０、電源装置５０、出力調整機構６０、制御装置７０、第１計測装置８０及び第２計測装置９０の記載は省略している。

第２実施形態の電子ビーム溶接機１１０における電子銃筐体１２０は、筐体である。電子銃筐体１２０の一方の端部１２０Ａには、電子ビームＢを放出する出射口１２２を有する。電子銃筐体１２０は、筒状部１２０Ｃと先端部１２０Ｄとを含む。筒状部１２０Ｃは、電子銃筐体１２０の中心軸ＣＡにおいて、出射口１２２と反対側の端部１２０Ｂ側を含む。筒状部１２０Ｃは、筒形状である。先端部１２０Ｄは、電子銃筐体１２０の中心軸ＣＡにおいて、出射口１２２を含む端部１２０Ａ側を含む。先端部１２０Ｄは、端部１２０Ａ側に向かって径が小さくなる先鋭形状である。

以上のように、第２実施形態の電子ビーム溶接機１１０によれば、電子銃筐体１２０における、出射口１２２を含む先端部１２０Ｄが先鋭形状であることによって、作業者による被溶接体Ｗの溶接線の視認性が向上する。これにより、作業者は、容易に手動による溶接が可能である。

［第３実施形態］
図５は、第３実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。図５に示す電子ビーム溶接機２１０は、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０に代えて、電子銃筐体２２０を含み、その他の構成は第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同様である。第３実施形態の電子ビーム溶接機２１０において、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同一の構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図５において、出力調整機構６０、制御装置７０、第１計測装置８０及び第２計測装置９０の記載は省略している。

第３実施形態の電子ビーム溶接機２１０における電子銃筐体２２０は、筒状の筐体である。電子銃筐体２２０内部の構成は、図２に示す第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０と同一である。電子銃筐体２２０の一方の端部２２０Ａには、出射口２２２を有する。電子ビーム溶接機２１０は、遮蔽機構２３６を備える。遮蔽機構２３６は、本実施形態において、電子ビームＢの放出方向に直交する平板形状である。遮蔽機構２３６は、電子銃筐体２２０の端部２２０Ａに貫通される。遮蔽機構２３６と電子銃筐体２２０の周面２２０Ｓとの接続部は、密封して設けられる。遮蔽機構２３６は、電子ビームＢが照射される被溶接体Ｗの照射部ＷＰから電子銃筐体２２０側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する。これにより、電子ビーム溶接機２１０を操作する作業者への影響を抑制できる。したがって、カソード電極２４とアノード電極２８との間に印加される電圧値（図２参照）である加速電圧を大きくすることが可能である。遮蔽機構２３６は、透過性を有することが好ましい。遮蔽機構２３６は、例えば、鉛ガラスによって設けられる。これにより、作業者による照射部ＷＰの視認性が確保できる。本実施形態においては、遮蔽機構２３６を平板形状に設けているが、電子ビーム溶接機２１０を操作する作業者に向かうＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽するものであれば、どのような形状であっても構わない。なお、遮蔽機構２３６は、Ｘ線及び反射電子を遮蔽するものが好ましい。

以上のように、第３実施形態の電子ビーム溶接機２１０によれば、電子ビームＢが照射される被溶接体Ｗの照射部ＷＰから電子銃筐体２２０側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構２３６を備えることによって、Ｘ線及び反射電子の少なくとも一方の遮蔽性を向上することができる。これにより、作業者への影響を抑制しながら、電子ビームＢの加速電圧を大きくすることができる。遮蔽機構２３６は、遮蔽対象に応じて、好適な板厚に設定されうる。

［第４実施形態］
図６は、第４実施形態の電子ビーム溶接機を示す模式図である。図６に示す電子ビーム溶接機３１０は、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０に代えて、電子銃筐体３２０を含み、その他の構成は第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同様である。第４実施形態の電子ビーム溶接機３１０において、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同一の構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図６において、支持部４０、電源装置５０、出力調整機構６０、制御装置７０、第１計測装置８０及び第２計測装置９０の記載は省略している。

第４実施形態の電子ビーム溶接機３１０における電子銃筐体３２０は、筒状の筐体である。電子銃筐体３２０の一方の端部３２０Ａには、電子ビームＢを放出する出射口３２２を有する。電子ビーム溶接機３１０は、カバー３３６を備える。カバー３３６は、本実施形態において、端部３２０Ａから延長して設けられる筒状の部材である。カバー３３６の一方の端部３３６Ａは、電子ビームＢが照射される被溶接体Ｗに密着する。カバー３３６の他方の端部３３６Ｂは、電子銃筐体３２０の端部３２０Ａに密封して接続される。カバー３３６は、照射部ＷＰと出射口３２２との間を覆う。カバー３３６は、被溶接体Ｗの照射部ＷＰから飛散する粉塵を、周辺に散乱させることを防止する。

カバー３３６は、第３実施形態の遮蔽機構２３６の機能を有していてもよい。すなわち、カバー３３６は、照射部ＷＰから電子銃筐体３２０側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を含んでいてもよい。カバー３３６と遮蔽機構２３６とは、共用することが可能である。

以上のように、第４実施形態の電子ビーム溶接機３１０によれば、電子ビームＢが照射される被溶接体Ｗの照射部ＷＰと出射口３２２との間を覆うカバー３３６を備えることによって、被溶接体Ｗの照射部ＷＰから飛散する粉塵が、周辺に散乱することを防止できる。これにより、粉塵が宇宙服及び各種周辺設備等に付着し、太陽光によって局所的に加熱されることによる破損を抑制することができる。

また、カバー３３６が、照射部ＷＰから電子銃筐体３２０側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を含むことによって、Ｘ線及び反射電子の少なくとも一方の遮蔽性を向上することができる。これにより、作業者への影響を抑制しながら、電子ビームＢの加速電圧を大きくすることができる。

［第５実施形態］
図７は、第５実施形態の電子ビーム溶接機の使用状態を示す模式図である。図７に示す電子ビーム溶接機４１０は、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０に代えて、電子銃筐体４２０を含み、その他の構成は第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同様である。第５実施形態の電子ビーム溶接機４１０において、第１実施形態の電子ビーム溶接機１０と同一の構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図７において、支持部４０、電源装置５０、出力調整機構６０、制御装置７０、第１計測装置８０及び第２計測装置９０の記載は省略している。

第５実施形態の電子ビーム溶接機４１０における電子銃筐体４２０は、筒状の筐体である。電子銃筐体４２０内部の構成は、図２に示す第１実施形態の電子ビーム溶接機１０における電子銃筐体２０と同一である。電子銃筐体４２０の一方の端部４２０Ａには、出射口４２２を有する。電子ビーム溶接機４１０は、ガイドピン４３８を備える。ガイドピン４３８は、電子銃筐体４２０に固定される。ガイドピン４３８は、本実施形態において、電子銃筐体４２０の周面４２０Ｓに沿って、電子銃筐体４２０の中心軸ＣＡと平行に設けられる。ガイドピン４３８は、電子銃筐体４２０の端部４２０Ａから電子ビームＢの出射方向に向かって延長して設けられる。ガイドピン４３８は、被溶接体Ｗの溶接線ＷＬに接触可能である。具体的には、ガイドピン４３８の先端は、電子ビームＢの照射部ＷＰの進行方向において、被溶接体Ｗの突合せの隙間に挿入される。溶接線ＷＬに接触させたガイドピン４３８が溶接線ＷＬに沿って移動するように電子ビーム溶接機４１０を移動させながら、電子ビームＢを照射部ＷＰに照射することにより、作業者による溶接線ＷＬに沿った溶接を補助することができる。または、作業者が照射部ＷＰを視認できない場合においても、溶接線ＷＬに沿った溶接が可能である。

本実施形態においては、ガイドピン４３８を被溶接体Ｗの突合せの隙間に挿入させたが、被溶接体Ｗの表面に設置したガイドレールに沿って移動させてもよい。また、ガイドピン４３８の形状は、本実施形態に限定されない。例えば、ガイドピンがガイドレール上を移動するように電子銃筐体４２０を自動移動させて、電子ビーム溶接機４１０による溶接を半自動で行ってもよい。また、電子ビーム溶接機４１０は、被溶接体Ｗの溶接線ＷＬを撮像する撮像装置を備え、撮像装置が撮像した画像に基づいて、電子ビームＢの出力を自動調整するとともに、ガイドピンが溶接線ＷＬに沿って移動するように電子銃筐体４２０を自動移動させてもよい。

以上のように、第５実施形態の電子ビーム溶接機４１０によれば、電子銃筐体４２０に固定されて、被溶接体Ｗの溶接線ＷＬに接触可能なガイドピン４３８を備える。電子ビーム溶接機４１０は、接触させたガイドピン４３８を電子銃筐体４２０とともに移動させることによって、所定の溶接線ＷＬに沿った溶接が容易になる。これにより、作業者による溶接線ＷＬに沿った溶接を補助することができる。または、作業者が照射部ＷＰを視認できない場合においても、ガイドピン４３８を通じて得られる溶接部形状の感触を判断することによって、所定の溶接線ＷＬに沿った溶接が可能である。

１０、１１０、２１０、３１０、４１０ 電子ビーム溶接機
２０、１２０、２２０、３２０、４２０ 電子銃筐体
２０Ａ、２０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂ、２２０Ａ、３２０Ａ、４２０Ａ 端部
２２、１２２、２２２、３２２、４２２ 出射口
２４ カソード電極
２６ ウェーネルト電極
２６Ｈ ウェーネルト孔
２８ アノード電極
２８Ｈ アノード孔
３０ 電磁コイル
３２ 第１コイル
３４ 第２コイル
４０ 支持部
４２ 連結部
４２Ａ、４２Ｂ 端部
４４ 把持部
４６ 操作部
５０ 電源装置
５２ ケーブル
６０ 出力調整機構
７０ 制御装置
８０ 第１計測装置
９０ 第２計測装置
１２０Ｃ 筒状部
１２０Ｄ 先端部
２２０Ｓ、４２０Ｓ 周面
２３６ 遮蔽機構
３３６ カバー
３３６Ａ、３３６Ｂ 端部
４３８ ガイドピン
ＣＡ 中心軸
Ｂ 電子ビーム
Ｗ 被溶接体
ＷＰ 照射部
ＷＬ 溶接線

Claims (14)

1. 電子を放出するカソード電極と、
   前記電子を収束するウェーネルト電極と、
   アノード孔を有し、前記カソード電極に対して正電圧が印加され、前記電子を電子ビームとして前記アノード孔を通過させるアノード電極と、
   前記電子ビームが放出される出射口を含み、前記カソード電極と前記ウェーネルト電極と前記アノード電極とを収納する電子銃筐体と、
   前記電子銃筐体に固定される把持部と、
   前記電子の放出及び停止を操作する手動操作可能な操作部と、を備える電子ビーム溶接機。
2. 前記カソード電極と前記アノード電極との間に印加される電圧値は、２０ｋＶ以下である請求項１に記載の電子ビーム溶接機。
3. 前記カソード電極と前記アノード電極との間を通る電流値を調整する出力調整機構を備える請求項１又は２に記載の電子ビーム溶接機。
4. 被溶接体の溶接線を撮像可能な撮像装置を備え、
   前記出力調整機構は、前記撮像装置が撮像した画像に基づいて、前記カソード電極と前記アノード電極との間を通る電流値を自動調整する請求項３に記載の電子ビーム溶接機。
5. 前記出力調整機構は、前記操作部によって操作される請求項３に記載の電子ビーム溶接機。
6. 前記操作部は、前記把持部に設けられる請求項１から５のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
7. 前記電子銃筐体は、前記出射口を含む先端部が先鋭形状である請求項１から６のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
8. 前記カソード電極は、冷陰極である請求項１から７のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
9. 前記電子ビームが照射される被溶接体の照射部から前記電子銃筐体側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を備える請求項１から８のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
10. 前記電子ビームが照射される被溶接体の照射部と前記出射口との間を覆うカバーを備える請求項１から９のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
11. 前記カバーは、前記照射部から前記電子銃筐体側に放射されるＸ線及び反射電子の少なくとも一方を遮蔽する遮蔽機構を含む請求項１０に記載の電子ビーム溶接機。
12. 前記電子銃筐体に固定されて、被溶接体の溶接線に接触可能なガイドピンを備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
13. 前記電子ビームが被溶接体に照射される照射部の位置情報を計測する第１計測装置と、
    前記第１計測装置に計測された前記照射部の位置情報と、予め設定された被溶接体の溶接線の位置情報と、に基づいて、前記電子ビームの出射方向が前記溶接線でない場合、前記電子を放出しないように制御する制御装置と、を備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。
14. 前記電子ビームが被溶接体に照射される照射部の位置情報を計測する第１計測装置と、
    周囲の作業者の位置情報を計測する第２計測装置と、
    前記第１計測装置に計測された前記照射部の位置情報と、前記第２計測装置に計測された前記周囲の作業者の位置情報と、に基づいて、前記電子ビームの出射方向が前記周囲の作業者に向いている場合、前記電子を放出しないように制御する制御装置と、を備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の電子ビーム溶接機。

Images