JPH027755B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は電子ビーム溶接法の改良方法に関す
る。電子ビーム溶接法は、他の溶接法に比べて熱
源の径が小さく、電力密度が格段と高いため、溶
接幅が狭く、かつ溶込み深さの大きい溶接ビード
が得られることを特徴としている。その反面深溶
込みを得る機構として、常に細長い電子ビーム孔
を形成しつつ溶接が行われるため、溶融金属の流
動が複雑となり、特に大きな溶込みの溶接を行う
際に、本溶接法特有の諸欠陥が発生し易い。これ
らの欠陥の代表として、溶込み中央部付近で発生
するポロシテイー並びに種々の擬固割れ（縦割
れ、水平割れ）、さらにルート部近傍で発生する
スパイク並びにコールドシヤツト等が挙げられ
る。 従来技術 ポロシテイー、並びに擬固割れ等の欠陥は、電
子ビーム孔内にたまつた溶融金属が既に擬固した
金属を再溶融することにより、擬固壁に局部的な
くぼみが生じ、これに基づく複雑な擬固機構に起
因して発生する。このため、局部的なくぼみの形
成を抑制することが前記諸欠陥を防止する有効な
手段といえる。 従来、この防止策として、電子ビームを溶接線
もしくはこれと直角方向に振動させながら溶接す
る方法が採用されてきた。しかしながら、前者の
場合、電子ビームが高温の溶融金属を再加熱する
ため、スパツタが激しく、ルート部では先鋭なス
パイクを形成する欠点がある。また後者の場合に
は、溶融幅が広がり溶込み深さを低下させる欠点
がある。 また、電子ビームの断面形状を周期的に円形か
ら楕円形に変化させて溶融金属の撹拌を起こさ
せ、溶接する方法が知られている。（特開昭57−
142781号公報） しかしながら、この方法によるとポロシテイや
虫食いの欠陥を防止し得られるが、撹拌作用を伴
うためビーム振動させた場合よりは低減するが、
スパツタの放出や表面ビードの荒れを伴い、ま
た、スパイクの発生あるいは溶込み深さの低下の
いずれかを防止できない欠点がある。 発明の目的 本発明は従来法における前記欠点をなくしよう
とするものであり、その目的は電子ビームの形状
を制御して安定な擬固壁を形成し、ポロシテイー
並びに擬固割れ等の欠陥を防止し、かつ従来法に
おける溶込み深さの低下並びに先鋭なスパイクや
スパツタの発生のない電子ビーム溶接法を提供す
るにある。 発明の構成 本発明者は前記目的を達成すべく鋭意研究の結
果、磁界または電界により電子ビームの形状を強
制的に表面ルート部で互に直交する楕円形の形状
に変形せしめ、溶融金属の流動を制御すると、前
記複数の欠陥を同時に防止し、かつ溶込み深さを
損うことなく良好な溶接継手を得ることができる
ことを究明し得た。この知見に基いて本発明を完
成した。 本発明の要旨は、高電力密度の電子ビームの溶
接において、収束レンズを通過し収束途上にある
電子ビームを２極以上の偶数個の磁極または電極
で発生した磁界または電界内に通過せしめ、電子
ビーム軸と垂直平面における電子ビームの形状
を、その長軸方向が被溶接物表面近傍と溶込みル
ート部近傍で互に直交する楕円もしくはこれと類
似した形状に強制的に変形させて溶接することを
特徴とする電子ビーム溶接法にある。 これを図面に基いて説明すると、第１図は本発
明の方法における電子ビーム形状制御方法、第２
図は電子ビームの形状制御装置の一実施態様を示
す慨略図、第３図は電子ビーム形状制御により得
られた水平断面での電子ビーム形状、第４図及び
第５図は溶接方法慨要説明図を示す。 第１図に示すように、収束レンズ２の下に２極
以上で偶数個の磁極または電極で構成された電子
ビーム形状制御装置３を設置し、これを用いて電
子ビーム１の電子ビーム軸と垂直断面における形
状を制御する。その制御された形状の電子ビーム
を用いて溶接する。図中４は電子ビーム形状制御
装置を用いない場合の焦点位置を示す。 次に電子ビーム形状制御装置３の一実施態様を
第２図に示す。電子ビームの形状を変形する磁界
は４つの励起コイル３a′，３b′，３c′，３d′，で
励起され、互に90゜の角度で対称的に配置された
４極の磁極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄにより発生す
る。互いに相対峙する磁極３ａと３ｃ、３ｂと３
ｄはそれぞれ同極で同一の磁位を有する。 磁極３ａと３ｃをＮ極、磁極３ｂと３ｄをＳ極
とすると、電子ビーム形状制御装置３内で、電子
ビーム１にはＸ軸方向に発散、Ｙ軸方向に収束す
る力が作用する。この場合、ただ単に収束レンズ
を通過し、収束途上にある電子ビームに対して、
電子ビーム形状制御装置３から磁場を印加しただ
けでは、前記したような長軸方向が互いに直交し
た楕円形電子ビームを成形することはできない。
すなわち、収束レンズにより収束される電子ビー
ムの収束角度が小さかつたり、電子ビーム形状制
御装置の各励磁コイルに流す電流が大きいと、楕
円形電子ビームの長軸方向はどこまでいつても変
らず、かつその長軸は電子ビーム形状制御装置３
からの距離が離れる程長くなる。 従つて、収束レンズ２に流れる電流を適切な値
に設定し、かつ電子ビーム形状制御装置３の各励
磁コイル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに流れる適切な
値に設定することにより、Ｘ軸及びＹ軸方向に発
散及び収束する角度が、収束レンズ２内で両軸方
向に収束する角度よりも小さくなるように調整す
ると、第３図に示すように、電子ビーム軸に添つ
た各位置での電子ビーム軸と垂直断面における電
子ビーム５ａ，６ａ，７ａ，８ａは電子ビーム形
状制御装置３を用いない場合の焦点位置４より電
子ビーム形状制御装置３側では５ａ，６ａのごと
くＸ軸方向に長軸を、またこれと反対側では８ａ
のごとくＹ軸方向に長軸を有する楕円もしくはこ
れと類似した形状となる。 すなわち、電子ビーム形状制御装置３を用いな
い場合の焦点位置４を境に、その両側での電子ビ
ーム軸と垂直断面における電子ビーム５ａ，６ａ
と８ａが互いにその長軸方向が直交した楕円もし
くはこれと類似した形状に成形できる。 このような形状の電子ビーム５ａ，６ａ，７
ａ，８ａは、磁界の代りに電界を用いても得るこ
とができる。すなわち、磁極３ａ，３ｂ，３ｃ，
３ｄの代りに電極を用い、Ｎ極の位置に正極を、
またＳ極の位置に負極を設置すれば、同様な形状
の電子ビーム５ａ，６ａ，７ａ，８ａが得られ
る。 溶接はこのように成形した電子ビームを用い
て、かつ電子ビーム形状制御装置３を用いない場
合の焦点位置４が電子ビーム孔内の中央部付近に
位置するように調整して行う。次に溶接方法の代
表的な２つの例を示す。 (1) 第４図に示すように電子ビームの楕円形状の
長軸が被溶接物表面近傍では５ｂの如く溶接方
向にかつ溶込みルート部近傍では８ｂの如く溶
接線と直角方向になるように調整し溶接を行
う。この場合、被溶接物表面近傍では電子ビー
ム５ｂにより電子ビーム孔１１が溶接線方向に
拡大するため、電子ビーム孔１１内から溶融金
属が円滑に流出し、擬固壁１０の局部的くぼみ
が解消され、ポロシテイー並びに擬固割れが防
止できる。さらにルート部近傍においては溶接
線と直角方向に拡大した電子ビーム８ｂによ
り、実質上の電力密度が低下し、電子ビームに
よる金属の溶融過程が緩やかになるため、部分
溶込み溶接ではスパイク並びにコールドシヤツ
トの抑制が、また貫通溶接では美しい裏被ビー
ドの形成が可能となる。 (2) 第５図に示すように、電子ビームの楕円形状
の長軸が被溶接物表面近傍では５ｃの如く溶接
線と直角方向に、かつ溶込みルート近傍では８
ｃの如く溶接線方向となるように調整し溶接を
行う。この場合、被溶接物表面近傍では電子ビ
ーム５ｃにより電子ビーム孔１１が溶接線と直
角方向に広がるため、前記(1)におけると同様に
溶融金属が円滑に流出し、ポロシテイー並びに
擬固割れ等の欠陥が防止できる。また従来法の
溶接線と直角方向に電子ビームを振動する方法
と異なり、ルート部近傍で電子ビーム８ｃが溶
接線方向に長軸を有する楕円形となるため、殆
んど溶込み深さを低下させない。さらに、被溶
接物表面近傍での電子ビーム５ｃが溶接線と直
角方向に広がるため、美しい表面ビードを形成
することができる。 以上電子ビーム形状制御による電子ビーム溶接
法の代表的な例を挙げたが、これに限らず、第３
図に示した電子ビーム５ａ，６ａ，７ａ，８ａを
用いれば同様な効果が得られる。 実施例 第２図に示した四極の磁極を用いた電子ビーム
形状制御装置を用いて本発明の電子ビーム溶接を
行つた。なお、比較のため従来法も行つた。 試材としてSM50A鋼を用い、加速電圧50kV、
電子ビーム電流200mA、溶接速度25cm／min、レ
ンズ電流4.98A、対物距離175mmの条件下で行つ
た結果は次の表−１に示す通りであつた。 なお、ビード１は従来法、ビード２は第４図に
示した溶接法、ビード３は第５図に示した溶接法
で行つた。

【表】 この結果が示すように、従来法では擬固壁に局
部的なくぼみが生じ、ポロシテイー、縦割れ及び
水平割れ等の欠陥が発生したのに対し、本発明の
方法によると、いずれの場合も溶込み深さの低下
が殆んどなく、かつ安定な擬固壁が形成され、前
記従来法の欠陥を防止し得られる。また、第１の
溶接方法ではスパイクの抑制効果が大きく、第２
の溶接方法では美麗な表面ビードが形成し得られ
る効果を有する。 発明の効果 本発明の電子ビーム溶接法によると、従来法の
欠点とするスパイク、コールドシヤツト等の欠陥
を抑制し、また溶込み深さを損うことがなく、ポ
ロシテイー並びに擬固割れ等の欠陥を防止するこ
とができる。さらにスパツタの放出が少なく美し
いビードが形成され、継手の信頼性が向上し、厚
板溶接への適用範囲の拡大が図れる等の優れた効
果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法の一実施態様を示すもので、
第１図は電子ビームの形状制御方法の慨要図、第
２図は電子ビーム形状制御装置の慨略図、第３図
は電子ビーム形状制御により得られる水平断面で
の電子ビーム形状、第４図及び第５図は溶接方法
の概略図を示す。 １：電子ビーム、２：収束レンズ、３：電子ビ
ーム形状制御装置、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ：磁
極、３a′，３b′，３c′，３d′：コイル、４：電子
ビーム形状制御装置を用いない場合の焦点位置、
５ａ，６ａ，７ａ，８ａ，５ｂ，６ｂ，７ｂ，８
ｂ，５ｃ，６ｃ，７ｃ，８ｃ：電子ビーム、９：
溶接方向、１０：擬固壁、１１：電子ビーム孔、
１２：被溶接物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高電力密度の電子ビームの溶接において、収
   束レンズを通過し収束途上にある電子ビームを２
   極以上の偶数個の磁極または電極で発生した磁界
   または電界内に通過せしめ、電子ビーム軸と垂直
   平面における電子ビームの形状をその長軸方向が
   被溶接物表面近傍と溶込みルート部近傍で互いに
   直交する楕円もしくはこれと類似した形状に強制
   的に変形させて溶接することを特徴とする電子ビ
   ーム溶接法。