JPH065238A - 電子ビーム溶接機用陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長時間溶接を行って電子放出面がスパッタさ
れても焦点はずれを起こしにくい、長時間安定な溶接を
可能にする電子ビーム溶接機用陰極を得る。 【構成】 棒状熱陰極１の電子放出面１０１の中央部に
くぼみ１０を設けたものである。溶接中にスパッタされ
ても、主にくぼみ１０の部分がスパッタされるので、陰
極表面の実効的な電子放出面積の変化量が少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電子ビームを利用した
溶接機に用いられる電子ビーム溶接機用陰極に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、例えば特公昭５５−３４５３５
号公報に示されるような従来の電子ビーム溶接機用陰極
の断面の例を示す模式図であり、（ａ）は３極電子銃の
断面構造を示し、（ｂ）は未使用時のその陰極の断面を
示し、（ｃ）は使用後の陰極の断面を示す。図２におい
て、１Ａは支持体に接続され通電することによって電子
放出面１０１Ａの電子放出領域から大部分の電子を放射
する棒状熱陰極、２はこの棒状熱陰極１Ａの側面を覆い
電子を放出するフィラメント電極、３は陽極、４は制御
電極、９は金属蒸気による孔であり、棒状熱陰極１Ａの
使用によって電子放出面１０１Ａの中央部に形成され
る。図３は電子ビーム溶接機の概略構成の例を示す模式
図であり、図２（ａ）の構成に加えて、５は集束レン
ズ、６は被溶接物、７は電子ビーム、８は被溶接物６か
ら発生する金属蒸気である。

【０００３】次に動作について説明する。図２におい
て、フィラメント電極２より発生した熱電子は、印加さ
れた約２００Ｖの正（プラス）電位によって加速され、
棒状熱陰極１Ａに衝突する。この結果棒状熱陰極１Ａは
所望の温度（タングステン陰極の場合約３０００°Ｋ）
に加熱される。

【０００４】図３において、棒状熱陰極１Ａより発生し
た熱電子は陽極３に向かって数１０から数１００kVの電
圧で加速され、溶接に用いる電子ビーム７が陽極３の陽
極孔より取り出される。制御電極４の印加電圧を調整す
ることによって棒状熱陰極１Ａの電子放出面１０１Ａ付
近の電界を制御し、所望のビーム電流量を得る。棒状熱
陰極１Ａからの電流量を制御する場合、棒状熱陰極１Ａ
の温度によって制御する方法も可能であるが、工業的に
は、安定かつ再現性よく電流が取り出せるため電界すな
わち制御電極４の電圧で制御する方式がよく用いられ
る。

【０００５】電子ビーム７は集束レンズ５によって被溶
接物６上に集束され、溶接が行われる。電子ビーム７の
集束性を向上するために、棒状熱陰極１Ａ、陽極３、制
御電極４、集束レンズ５は通常同じ対称軸上に配置され
る場合が多い。長時間連続して溶接を行うと、被溶接物
６から発生する金属蒸気８によって棒状熱陰極１Ａの電
子放出面１０１Ａの表面、特にその中心部がスパッタさ
れ、図２（ｂ）の未使用時から図２（ｃ）に示されるよ
うに孔９が形成される。孔９が形成されたことによっ
て、棒状熱陰極１Ａの実効的な電子放出面積（電子放出
面１０１Ａの電子放出領域）が減少するため、ビーム電
流量が減少してしまう。孔９からの電子放出は、完全に
無くなりはしないが、孔底部の電界強度が陰極前面の電
界強度と比較すると著しく低いため、ビーム電流量は極
めて少ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の電
子ビーム溶接機用陰極では、例えば日刊工業新聞社刊、
日本学術振興会第１３２委員会編、電子イオンビームハ
ンドブック第２版、３６７ページ、図１０・２１に示さ
れるように、電子放出面が平面もしくは、凸面もしく
は、大きな曲率半径を有する凹面であったので、金属蒸
気によるスパッタによって陰極の実効的な電子放出面積
が減少するためビーム電流量が減少してしまう。常に一
定の溶接条件を保つためにはこのビーム電流減少分を補
正せねばならないが、そのためには制御電極４の電圧を
変化させねばならない。

【０００７】一般に３極電子銃において制御電極４の電
圧を変化させると、前記電子イオンビームハンドブック
第２版、１４５ページ、図５・５７に示されているよう
に陰極付近の電界形状が変化して電子の軌道が変化し、
結果として電子ビームの集束位置が移動してしまう。集
束位置の移動は、電子ビームが被溶接物付近で焦点を結
ばなくなることを意味し、溶接欠陥や溶け込み深さ不足
等の重大な溶接不良の原因となる。

【０００８】従来の電子ビーム溶接機では、焦点はずれ
を起こさせないように集束レンズ５の強度を変化させて
焦点位置の移動分を補正していた。しかし、この補正量
は、溶接条件によって変化する金属蒸気８の量に起因す
る孔９の大きさに依存しており、実際に溶接実験を行っ
てはじめて得られる経験値にたよらざるを得なかった。
具体的には、試行錯誤的に溶接を行って溶接箇所の断面
観察を行い、適正な溶接条件を決定するために、多大な
労力を要していた。

【０００９】それでも、例えば自動車産業におけるギヤ
部品の溶接のように同じ被溶接物を同じ溶接条件で数多
く溶接する場合等には、補正量の経験値の蓄積が可能で
あるので、比較的問題は発生しにくかった。

【００１０】ところが、ロット数が少なくて経験値の蓄
積が困難な場合、溶接に長時間を要するために溶接中に
補正が随時必要な場合、被溶接物の材料等の溶接条件が
多岐にわたることにより金属蒸気の量が変化する場合な
どは前記補正量の経験値を蓄積することが困難であり、
適正溶接条件を決定するための溶接実験を要した。

【００１１】例えば、原子炉の圧力容器の製造や造船に
おける溶接の場合は、ロット数が少なく１ロットの溶接
に数時間を要するために、多大な労力を要する予備実験
なしでは、焦点はずれを起こしやすく溶接不良が発生し
やすかった。特にこれらの製造においては、厚板（約５
０mmt 以上）の溶接を高い信頼性を保ちながら行う必要
があり、この焦点はずれは製造上重大な問題点であっ
た。

【００１２】このような問題点は、前記電子イオンビー
ムハンドブック第２版、３７５ページにも記載されてい
る。同書３７５ページ図１０・３８、図１０・３９で
は、図４、図５のように電子ビーム７を偏向器１２によ
って曲げることによって金属蒸気８による悪影響を回避
する方法を紹介している。しかしこの方法は、装置が高
価になる、複雑化する、大型化する等の欠点がある。さ
らに電子ビームを大角度もしくは複数回偏向するため、
電子ビームの集束性が低下したり電子ビームの軸合わせ
が複雑化するなどの技術的な困難さを生みだす。

【００１３】一方、電子銃を小型化しさらにマニュピュ
レータ等によって真空チャンバ内部の任意の位置に移動
可能にすることは、平面でなく立体（３次元）構造をも
つ被溶接物、例えば原子炉の圧力容器の製造が容易にな
る等、電子ビーム溶接の応用範囲を広げることができ
る。電子銃の大型化は、このような実用上の適用範囲の
拡大に対して障害となることは明白である。

【００１４】金属蒸気の陰極への衝突を防止するため
に、図６のように陽極３と棒状熱陰極１Ａが同一の対称
軸上に存在しないように、中心軸に角度をもたせて構成
する方法も提案されている。しかしこの方法は、原理的
には上記のように電子ビーム７の集束性能が悪い。さら
に、制御電極４の電圧を変化すると電子ビーム７の軌道
が図６中矢印方向に変化する。すなわち電子ビーム７の
集束位置がビーム軸方向のみならずビーム軸と垂直方向
にも移動してしまうという欠点がある。さらに、金属蒸
気は制御電極４に衝突して制御電極４がスパッタされる
ため、制御電極４の寿命が短くなる。

【００１５】一般に制御電極４は、棒状熱陰極１Ａと比
較して複雑な幾何学形状を有するため、製作に時間を有
し、高価である。また本来、棒状熱陰極１Ａはスパッタ
の他に、酸化消耗による寿命が存在するため、原理的に
は消耗（交換を要する）部品である。従ってこの方法
は、ビームの集束性能が悪い、高価な制御電極４と棒状
熱陰極１Ａの両方を交換せねばならず保守に費用がかか
る等の問題点があった。

【００１６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、装置を小型化することが容易
で、なおかつ長時間溶接を行って電子放出面がスパッタ
されても焦点はずれを起こしにくい、長時間安定な溶接
が可能な電子ビーム溶接機を得ることのできる電子ビー
ム溶接機用陰極を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電子ビー
ム溶接機用陰極は、電子放出面の金属蒸気被衝突部分に
くぼみを有することを特徴とする。

【００１８】

【作用】この発明の電子ビーム溶接機用陰極は、電子放
出面の金属蒸気被衝突部分にくぼみが形成されているの
で、溶接中にスパッタされても、陰極表面の実効的な電
子放出面積の変化量が少ない。従ってビーム電流量を補
正するための制御電極印加電圧の調整量が小さいために
軌道の変化が小さい。従って焦点移動量も小さく、焦点
はずれを起こしにくい。なおかつ、偏向装置等を必要と
しないので装置を安価に小型化することが容易である。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて説明
する。図１はこの発明の一実施例による電子ビーム溶接
機の熱陰極を示す模式図であり、（ａ）は３極電子銃の
断面構造を示し、（ｂ）は未使用時の陰極の断面を示
し、（ｃ）は使用後の陰極の断面を示す。図１におい
て、１は支持体に接続され通電することによって一端側
の電子放出面１０１のリング平面状の電子放出領域から
電子を大部分放射する直径４mmの棒状熱陰極、２はこの
棒状熱陰極１の側面を覆い電子を放出するフィラメント
電極、３は陽極、４は制御電極、１０は陰極製作時に陰
極電子放出面中央に形成された直径２mm（電子放出面１
０１の面積の２５％の面積を占める）、深さ１mmのくぼ
み、１１は孔である。上記棒状熱陰極１は例えば図３に
示す電子ビーム溶接機の棒状熱陰極１Ａの代りに用いら
れる。

【００２０】電子ビーム溶接を行なう動作は従来例とほ
ぼ同じである。図１（ａ）において、フィラメント電極
２より発生した熱電子は、印加された約２００Ｖの正
（プラス）電位によって加速され、タングステンで製作
された棒状熱陰極１に衝突する。この結果棒状熱陰極１
は約３０００°Ｋに加熱される。

【００２１】図３において、棒状熱陰極１より発生した
熱電子は陽極３に向かって数１０から１００kVの電圧で
加速され、溶接に用いる電子ビーム７が陽極３の陽極孔
より取り出される。制御電極４の印加電圧を調整するこ
とによって棒状熱陰極１の電子放出面１０１付近の電界
を制御し、所望のビーム電流量を得る。棒状熱陰極１か
らの電流量を制御する場合、棒状熱陰極１の温度によっ
て制御する方法も可能であるが、工業的には、安定かつ
再現性よく電流が取り出せるため電界すなわち制御電極
４の電圧で制御する。

【００２２】電子ビーム７は集束レンズ５によって被溶
接物６上に集束され、溶接が行われる。電子ビーム７の
集束性を向上するために、棒状熱陰極１、陽極３、制御
電極４、集束レンズ５は通常同じ対称軸上に配置されて
いる。長時間連続して溶接を行うと、被溶接物から発生
する金属蒸気８によって棒状熱陰極１の表面中心部がス
パッタされるが、主にくぼみ１０がスパッタされ、その
周辺の電子放出領域はほとんどスパッタされない。

【００２３】図１（ｃ）は長時間溶接を行い金属蒸気に
よってスパッタされた本発明の一実施例図１（ａ）及び
（ｂ）（未使用時）の棒状熱陰極１の変化を示す。図１
（ｃ）中、１１はスパッタされやや大きくなった孔を示
す。図１（ｂ）と図１（ｃ）に示すように、スパッタさ
れたことによる有効電子放出面積（図中矢印にて示す電
子放出領域）の変化は、図２（ｂ）と図２（ｃ）に示す
従来例と比較すると明らかに小さくなる。従って、長時
間溶接に使用した後（スパッタされた後）のビーム電流
の変化量は従来より大幅に小さくなる。従って、ビーム
電流を安定化するための制御電極４の印加電圧は、ほと
んど変化させなくてよい。すなわち、従来問題であった
焦点位置の移動は微小なものとなる。

【００２４】ここで、実施例においてくぼみ１０の直径
を２mmにした理由について説明する。例えばくぼみの直
径が０．５mmの場合、スパッタ以前にくぼみが電子放出
面の面積に占める割合が小さくなり、スパッタ後の実効
的な電子放出面積の変化すなわちビーム電流の変化が大
きくなる。従って本発明が目的とするくぼみの効果が顕
著に現われない。

【００２５】また逆にくぼみの直径が３mmの場合、スパ
ッタ後の実効的な電子放出面積の変化すなわちビーム電
流の変化は小さいが、前述のように孔底部からの電子放
出量が小さいのでスパッタ以前におけるビーム電流量が
小さくなってしまう。言い替えれば、同じ口径を有する
陰極から取り出せる電流量が低く抑えられてしまう。従
って、溶接にある所望のビーム電流量が必要な場合、陰
極径を増大しなければならない。電子ビームの最小集束
径は、各種電子工学パラメータに左右されるが一般的に
は、出射源（この場合は陰極）の口径が小さい程、小さ
くなる。言い替えれば、電子ビームの集束性能を向上さ
せるためには陰極の口径を小さくすることが重要であ
る。従って、取り出し可能なビーム電流量を増大させる
ために陰極径を増大させることは、ビーム集束性能の低
下を招く。

【００２６】以上をまとめると、くぼみが電子放出面に
占める割合は、小さすぎると本発明の効果が損なわれ、
大きすぎるとビーム電流量の低下もしくはビーム集束性
能の低下を招くことから、最適値が存在する。この最適
値は、電子銃の形状や用途などによって変化するが、実
用上は１０％から６０％の範囲内に存在する。

【００２７】なお上記実施例では、くぼみ１０の断面が
四角形状の例を示したが、他の形状、例えば放物線状に
しても同様の効果がある。

【００２８】なお上記実施例では、くぼみ１０の中心が
軸対称の形状で電子光学の中心軸上の例を示したが、電
子光学の中心軸から離れていても、またくぼみ１０が軸
対称の形状を有さない場合でも同様の効果を奏する。

【００２９】なお上記実施例では、棒状熱陰極１がタン
グステン製の場合を示したがこれは他の陰極材料、例え
ばランタンヘキサボライド（LaB₆）等の場合でもよく、
上記実施例と同様の効果を奏する。

【００３０】なお上記実施例では、棒状熱陰極１が電子
衝撃で加熱される場合（傍熱型熱陰極）の例を示したが
これは他の加熱方式、例えば通電による直接加熱（直熱
型熱陰極）等の場合でもよく、上記実施例と同様の効果
を奏する。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
陰極の電子放出面の金属蒸気被衝突部分にくぼみが形成
されているので、溶接中に金属蒸気によってスパッタさ
れても、陰極表面の実効的な電子放出面積の変化量が少
なく、従ってビーム電流量を補正するための制御電極印
加電圧の調整量が小さいためにビーム軌道の変化が小さ
くなるので焦点移動量も小さく、焦点はずれを起こしに
くく、長時間安定した溶接が行える効果がある。なおか
つ、偏向装置等を必要としないので溶接装置を小型化す
ることが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による電子ビーム溶接機の
３極電子銃および陰極として示す模式図である。

【図２】従来の電子ビーム溶接機の３極電子銃および陰
極として示す模式図である。

【図３】電子ビーム溶接機の構成を示す模式図である。

【図４】従来の金属蒸気からの電子銃保護の例の電子ビ
ーム溶接機の構成を示す模式図である。

【図５】従来の金属蒸気からの電子銃保護の例の電子ビ
ーム溶接機の構成を示す模式図である。

【図６】従来の金属蒸気からの電子銃保護の例の電子ビ
ーム溶接機の構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 棒状熱陰極 １０ くぼみ １０１ 電子放出面

【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】次に動作について説明する。図２におい
て、フィラメント電極２より発生した熱電子は、印加さ
れた約２００Ｖの正（プラス）電位によって加速され、
棒状熱陰極１Ａに衝突する。この結果棒状熱陰極１Ａは
所望の温度（タングステン陰極の場合約３０００Ｋ）に
加熱される。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】電子ビーム溶接を行なう動作は従来例とほ
ぼ同じである。図１（ａ）において、フィラメント電極
２より発生した熱電子は、印加された約２００Ｖの正
（プラス）電位によって加速され、タングステンで製作
された棒状熱陰極１に衝突する。この結果棒状熱陰極１
は約３０００Ｋに加熱される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 茂雄 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社生産技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 未使用時において、電子放出面のほぼ中
   央付近にくぼみを有することを特徴とする電子ビーム溶
   接機用陰極。
2. 【請求項２】 形状が棒状であり、電子衝撃によって加
   熱されることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム溶
   接機用陰極。