JPH0796377A - 電子ビーム溶接法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 電子ビーム溶接、特に、厚い材料に関する深
溶け込み性を改良する。 【構成】 電子ビーム発生手段と、電子ビームを偏向さ
せてビーム基準位置の周りに熱密度を異にするゾーンを
形成するのに適した第二制御手段及び電子ビームを溶接
ゾーンに沿って動かす第一制御手段とで構成する。偏向
パターンは、第一ゾーンＡと第二ゾーンＢとの間にスペ
ースＤを設けて３ゾーンで形成される。第三ゾーンＣ
は、ビーム移動方向に関して、第二ゾーンの後方に隣接
し、第二ゾーンの前方にスペースが続き、最大熱密度は
第二ゾーンに生ずる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子ビーム溶接、特
に、厚い材料に関する深溶け込み性に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム溶接において、溶接継ぎ目線
上、またはこれと直交方向、または、これに対して円形
ないしはだ円形でビームが偏向する、軸回りのビーム振
動が伴われることは広知の事実である。この場合、ビー
ム振動の振幅は通常大きくはなく、１ｍｍ以下であり、
その振動周波数は比較的高く、１ｋＨｚないしはこれを
上回る程度であり、おおよそ正弦波形となっている。こ
の様な振動は、単純経路に対して、ビームをハーモニッ
ク状に横切らせることになる。この様な振動は電子ビー
ム溶接において、溶接毛管のガス抜きを促進し（巣の発
生回避）、さらに、金属の流れを良くする（凝固欠陥を
回避）という利点を伴い得る。但し、例えば５０ｍｍ以
上の深溶け込み溶接においては、ガス抜き及び金属流動
特性の両方に対して有利な、単一の振動パターンならび
に振動周波数を見出すことが困難である。このことは往
々にして、溶融ゾーンの拡がりを招来し、従って、幅に
対する深さの比を減少させることになる。この問題の欠
点の一つは、コンポーネントの外面または支持されてい
ない表面の近くに溶接する場合の様に、ヒートシンクに
制限があるコンポーネントで深溶け込み溶接をしようと
する場合に特に顕著となる。

【０００３】ＵＳ４３７６８８６は、マトリックスを為
して配列されている点のグループ内の点から点へと順に
電子ビームを偏向させ、それぞれの点に所定の時間滞留
させる電子ビーム溶接プロセスを説明している。この方
法は、被溶接材料の表面に沿って定義されている面積上
にエネルギーの分布を作る。１９９０年４月ＮＯ．８の
関連第２頁にも同様に、加工品表面上に熱分布を発生さ
せるために、マトリックス・パターンを形成している点
に対して偏向される電子ビームを用いる、電子ビーム溶
接機械が述べられている。これらの二つのシステムは、
単純な調和振動型ビーム溶接機の改良にはなっている
が、上記の問題は実質的には未だ除かれてはいない。

【０００４】

【問題解決の手段ならびにその作動モード】この発明の
一つの観点によれば、溶接ゾーンに沿って電子ビームを
移動させて行く電子ビーム溶接法が、ビームの基準位置
の周りに、異なる熱密度をもつ判然としたゾーンを発生
させる様に電子ビームをその基準位置から偏向させるこ
とで特徴付けられている。

【０００５】発明のもう一つの観点によれば、電子ビー
ム溶接装置は、電子ビーム発生手段と、更に、ビームの
基準位置の周りに、熱密度の異なる実質的に判然とした
ゾーンを発生させる様に電子ビームをその基準位置から
偏向させるのに適する第二制御手段で特徴付けられて、
溶接ゾーンに沿って電子ビームを変位させる第一制御装
置で構成される。

【０００６】この様にして、ビームは、基準ビーム位置
の近傍で好ましい熱分布パターンを与える繰返しパター
ンでビームが偏向される。上記の熱分布パターンは、更
に、全分布においてそれぞれ相互に異なった相対的熱分
布の複数個のゾーンに分割されている。

【０００７】このビームは、効果的に、瞬時ビームパワ
ーを縦距離及び横距離の異なる複数個のゾーンに分布さ
せ、照射時間をも相互に変えて、充分に早い頻度で繰返
し操作を行なってビームの総体としてこの様な分布とな
る様にする。標準として、ゾーンは、溶接ゾーンに沿っ
ているビームの基準位置の運動方向に関して前方領域と
後方領域から成る。これらのゾーンは相接し、あるいは
相互に分離し、あるいは意のままに重ね合せることもで
きる。基準不偏向ビームの相対運動以前にこの分布サイ
クルが繰り返され、加工品が、１ビーム焦点直径、また
は０．１ｍｍのいずれか小さい方よりも大きいことが望
ましい。

【０００８】好ましい熱分布パターンは、熱密度を異に
する三つのゾーンで構成され、溶接ゾーンに沿う電子ビ
ーム移動の方向に、第一ゾーンと第二ゾーンとの間にス
ペースを有し、第三ゾーンは第二ゾーンの前にあり、第
二ゾーンの前にスペースが来て、第三ゾーンは実質的に
は第二ゾーンと相接している。最大熱密度は好ましくは
第二ゾーンに生ずる。

【０００９】この様な分布熱パターンは、Ｘ，Ｙ偏向電
磁コイルに適当なランプ信号発生器を組み合せ適用する
ことによって作られる。これらのランプ信号発生器は、
完全な分布パターンが得られる迄、順に次のラスタ区域
に切換えるに必要な相対時間中、所望区域をラスタ走査
する様に協調作動させることが望ましい。この事象サイ
クルは繰返される。

【００１０】アナログ・ランプ信号が利用可能ではある
が、代替手法として、好ましい分布を、有限期間中所定
の順序で各点に偏向走査されたビームと、ビームの不偏
向軸に関する、Ｘ−Ｙ面内の一連の点として定義し、こ
の各点への偏向走査は、次の点またはパタンを定義する
一連の点に移行する迄に所望の回数繰返される。便宜的
な方法として、公称毎秒約３６，０００点を与えるスチ
ールの深溶け込み溶接用として、適度な周波数、例えば
１４０Ｈｚで繰り返えされる２５６点のパターンの様な
点のプログラムをメモリするために、マイクロコンピュ
ータが用いられる。個々の点の間の遷移時間が、例えば
１ｍｓ未満である場合には、これに対応する作動または
滞留時間は、それぞれの点において約２７ｍｓである
（特定の点が繰り返される場合には２８ｍｓ）。

【００１１】ビームの基準位置は、通常ビームの不偏向
位置、即ちこの発明による特定の偏向パターンが適用さ
れない場合のビーム軸を表わしている。但し、特定の継
ぎ目または溶接ラインを探すためには、ビームはガン固
有軸から充分に偏向させられる。この様な偏向は、加工
品に対する全体的なビーム位置決め用で、この発明の偏
向パターンはこれに重畳される。

【００１２】

【実施例】この発明による方法の例を、次の添付図面を
参照して説明する。ＵＳ−Ａ−４０２０３１８で述べら
れている様な発明を実行するのに在来の電子ビーム溶接
器を使用することができるが、適切にプログラムされた
制御用マイクロプロセッサと、低インピーダンスの偏向
コイルを必要とする。

【００１３】具体的な例として、幅に対する溶け込み深
度の比が１０：１を超えるスチールの電子ビーム溶接に
おいて、溶け込み深さを大きくするために特に有利であ
るばかりでなく、キャビテーション多孔性及びアンダカ
ットを合格限界迄下げるという副次的な利益を提供する
パターンが示されている。パワー分布パターンは、図１
に示されている様に三つの主要ゾーンＡ，Ｂ，Ｃ、なら
びにＡとＢとの間のスペースＤで特徴付けられている。
最大の溶け込みは、ゾーンＢの領域で起こり、この領域
の後方にゾーンＣ、前方にゾーンＤが位置している。ゾ
ーンＣは実質的にはゾーンＢと隣接し、ゾーンＢは、基
準として０もしくは極く僅かの縦方向の偏向を伴ったビ
ームの主として横方向の偏向で構成されている点に着目
されたい。また、ゾーンＡは、鋸歯状パターンで広くラ
スタ操作されるが、ゾーンＣは、横方向に順に移動され
る縦方向のラインで走査しても良い。類似の熱分布を与
える代替走査組合せが使用可能であるが、図２に例示さ
れている様に、以下に述べられるシーケンスが、厚いス
チール材の深い溶け込みにおいて特に有利であることが
見出された。後者の説明において、深くて幅の狭い溶け
込みが、スチール材の開放または外側エッジに比較的近
い、基準的には１０ｍｍ未満の間隔で得られたことは注
目される。（ヒートシンクの相対的不平衡が、深い溶け
込み溶接の狭い溶融ゾーンの回りに非対称に分布してい
る熱影響ゾーン（ＨＡＺ）によって示されている。）

【００１４】一般に、この様な分布パターン（図１）に
おいては、全分布サイクル時間のほぼ３〜１５％が、ゾ
ーンＢの後方へ標準的に２〜５ｍｍを超えて伸び、横方
向に標準的におおよそ２〜５ｍｍを超えて伸びているゾ
ーンＡで費される。ゾーンＡで費される相対時間が全サ
イクル時間の約５〜１０％であることが好ましい。同様
に、ゾーンの寸法は、縦方向か、横方向のいずれかまた
はその両方で、３５％拡大されまたは２５％縮少するこ
とができる。ゾーンＡの寸法を大きくした場合には部分
時間も増加され、小さくした場合には部分時間が減少さ
れることが好ましい。標準的には、ゾーンＡにおける平
均エネルギー密度は、最大の溶け込みが期待される区域
を表しているゾーンＢの値の０．５〜２％の範囲であ
る。

【００１５】ゾーンＡが、ゾーンＢからブランクゾーン
Ｄによって隔てられていることが望ましい。ゾーンＤの
縦方向の寸法は、０〜４ｍｍから延びることが可能であ
るが３ｍｍの範囲であることが好ましい。最高強度ゾー
ンＢは、ゾーンＡよりも横幅が狭く、標準としては幅
１．５ｍｍの範囲である。ゾーンＢに対する全相対継続
時間は全サイクル周期間の約４０〜７５％である。ゾー
ンＢに対する相対時間期間は全時間期間の５０〜６５％
であることが好ましい。

【００１６】ゾーンＣは、横幅はゾーンＢと同じオーダ
であるが、幅において３５％大から２５％小の範囲にわ
たり、縦方向ではほぼ１．５〜４ｍｍの延びとすること
ができる。縦方向の延びは３ｍｍの範囲であることが好
ましい。ゾーンＣに対する相対時間期間は全サイクル期
間の２０〜４５％の範囲である。相対時間は３０〜４０
％であることが好ましい。ゾーンＣはゾーンＢと隣接し
ていることが望ましい。代替法として小量の重ね合せ、
または、僅かな離隔もアレンジ可能である。

【００１７】標準としては、ゾーンＣにおける平均エネ
ルギー密度は、最大溶け込みを行われるゾーンＢにおけ
る値の５〜２０％の範囲である。

【００１８】ゾーンＡ、スペースＤ、ゾーンＢ、及びゾ
ーンＣの全サイクルは、それぞれに順に完結することも
できるし、また、代替的に、ゾーンの各部はインクレメ
ント毎に行なうこともできる。例えば、ゾーンＡが完全
に完了し、ゾーンＢからスペースされて次いでゾーンＢ
の一つのエレメントｂ’がゾーンＣのこれに対応するエ
レメントｃ’と共に操作が行なわれる。これらに引続い
て、ゾーンＢ及びＣの第２エレメントｂ”とこれに対応
するエレメントｃ”の操作が行なわれ、ゾーンＢ及びＣ
全体が終了する迄この操作が繰り返えされる。このアプ
ローチは、ゾーンＣとゾーンＢの横方向の幅が等しい時
に特に便利である。

【００１９】デジタル偏向シーケンスの例が図３の表に
示されており、ゾーンＢとＣに関する点の連続が定義さ
れている。ビームがゾーンＣの前方エッジに偏向され、
次いでエレメントｃ”を提供するために溶接ラインに平
行な線に沿って前進的に回帰し、最終的には、エレメン
トｂ”を提供するために、単位時間間隔の継起の間ゾー
ンＢに留まっていることが注目される。この様にして、
例えば、エレメントｂ”は、エレメントｃ”内における
６〜１２ステップのシーケンスの終りに一つの位置ｂ”
において大体８〜１５回の繰返しを含むことができる。
（このことは、鋸歯状ランプ信号発生器における滞留周
期を伴う急上昇緩復帰を有するＸ偏向用のアナログ信号
と等価であることが注目される）。更に、ゾーンＢにお
けるビームの分布は、それぞれのエレメントｂに対する
繰返し数（有効滞留期間）を変更することによって、横
方向で便宜的に変えることができる。

【００２０】デジタル偏向シーケンスのもう一つの例
が、図４の表に示されており、この表は、ゾーンＢが完
了した後にゾーンＡに関する点の継次を定義している。
この場合、ビームは、ゾーンＡの後方エッジに偏向さ
れ、次いで、エレメントａ”とａ"'と比べてエレメント
ａ’にエネルギー密度の変化が生ずる様に、ジグザグ状
にこのゾーン内の部分をカバーするためにスタートす
る。エレメントａ”内でエネルギー密度が最高であり、
全体エレメントａ’及びａ”はエレメントａ"'よりも高
いエネルギー密度を有することが注目される。主要ゾー
ン内におけるエネルギー分布のこの様に詳細な変化は、
アナログ・ランプ波形を発生するのと比べて、デジタル
偏向システムを用いることによって容易に達成される。

【００２１】任意の主要ゾーン内におけるビームの相対
継続時間は、また、相対点数、この例では２５６、によ
って容易に規定される。同様に、主要ゾーン内の平均パ
ワー密度は、そのゾーンの操作面積で除された点の数に
よって規定される。この様にして、一つのゾーンと他の
ゾーンとの間の相対エネルギー密度は、（Ｎ₁ ／Ｎ₂）²
×（Ａ₂ ／Ａ₁ ）で示される。但し、Ｎは点の数、Ａ
はそれぞれゾーン１及び２の面積である。

【００２２】所定のシーケンスにおける偏向パターンの
任意の１エレメントに関するビームの最小継続時間は、
（ゾーンＡ内のこの様なエレメント、または、ゾーンＣ
内のシーケンスＣのいずれの１ステップに対しても）お
およそ１０μｓを下回らず、またゾーンＢにおける様に
最も強度の高い部分では、最大継続時間はおおよそ５ｍ
ｓを超えないことが好ましい。与えられた例において
は、滞留時間は、ゾーンＢのどのエレメントｂにおいて
も、約０．２５ｍｓであり、シーケンスのいかなる部分
においてもおおよそ１ｍｓを超えないことが好ましい。

【００２３】ゾーンＢのエレメントｂの様に、エレメン
トに対して長い全継続時間を必要とする場合には、エレ
メントｂは、全シーケンス内で、ゾーンＣ内のエレメン
トｃのそれぞれの個別シーケンス前と後の両方で繰り返
されることが好ましく、ないしは、ゾーンＢを構成して
いるエレメントが、ゾーンＣの全体の前と後でシーケン
スされることでも良い。

【００２４】さらに、ゾーンＢは、横方向（即Ｙ方向）
に、それぞれのエレメントｂに対して制限された継続時
間で数回の繰返し操作を行なって、全シーケンスとして
ゾーンＢに対する所望の全分割継続時間を積み上げるこ
とができる。

【００２５】完全なパターン分布の例が図５に示されて
いる。これは、ゾーンＡ，Ｂ、及びＣならびにスペーシ
ング・ゾーンＤにおけるすべての点の、相対Ｘ，Ｙ座標
を定義しているマイクロコンピュータにメモリされてい
るプログラムに対応している。この例では、ビームはゾ
ーンＡに、全サイクル時間の５％以上、ゾーンＣには３
０％以上留まっている（ゾーンＤには３％以下で基準と
しては０である）。サイクルのその外の部分はゾーンＢ
で費されている。また、ゾーンＡでは、大々的に横方向
に操作されているが、ゾーンＣでは縦方向に、先端に向
って高速に進み、ゾーンＢに向って低速で戻り、ゾーン
Ｂで滞留することが注目される。このデジタルパターン
は、計測され、Ｄ−Ａ変換器を介し、適当な電力増幅器
を介して電子ビームシステムのＸ，Ｙ偏向コイルに加え
られる。

【００２６】原理としては、デジタルプログラムの各点
は離散的なステップを示してはいるが、現実的には、偏
向コイルのインダクタンスと使用される駆動電圧に依存
してアナログ偏向には有限なビルドアップ・レートを生
ずる。図６のオシログラムで示されている例は、小さな
離散ステップ及び大きな離散ステップに対する電流変化
を示している；小さなステップは実質的にランプになっ
ているが、大きなステップは不連続ではあるが指数応答
を伴っている。

【００２７】代替手法として、特に、サブゾーン構造を
持たない主要ゾーンだけで構成されている単純なパター
ンに対しては、ランプ信号発生器（図７、及び８）から
直接アナログ信号を導き出すことができる。この様にし
て、例えば、ゾーンを、横方向に高い周波数の振動（鋸
歯状波形であることが好ましい）を伴い、縦方向には単
純なランプ波形で構成することができる。従って、ゾー
ンＣとＢは単純な３角形ランプ信号（急上昇緩復帰）
に、ゾーンＢに対応する始点に待ち周期を付加すること
によって発生される。ゾーンＢ及びＣの横幅は高い周波
数の鋸歯状波で保給され、このランプ波形で変調された
加熱バンドを発生させ、ゾーンＢには比較的に高いエネ
ルギー密度を生じ、ゾーンＣには比較的に低いエネルギ
ー密度を与えることができる。ランプ波形の偏向部、ゾ
ーンＣの継続時間は、同じ波形の偏向されない部分、ゾ
ーンＢの継続時間と同じオーダであることが注目され
る。偏向される部分が全サイクルのほぼ３０〜７０％の
相対時間を持つ様にすることができる。

【００２８】さらに、横幅は、中心点に関して対称的に
配置されたランプ波形（図７）によって提供することが
できる。その場合、この波形は、ゾーンＣ及びＢを発生
する縦方向ランプ波形と同期することが好ましい。

【００２９】横方向ランプは、縦方向ランプサイクルの
全数を含むのに充分な継続時間、例えば、ゾーンＢ及び
Ｃ全体のエレメントｂ及びｃのそれぞれに対する継続時
間の合計として１ｍｓの縦方向ランプの完全６サイクル
を基準として含むために６ｍｓ、を有する。

【００３０】同様に、ゾーンＡに対しては、縦方向波形
は、バイアス（スペースＤに対応）ならびに、ゾーンＡ
の縦の長さに対応するリニア・ランプを含んでいる。こ
の波形は、ここでも高い周波数（鋸歯状振動が好まし
い）によって横方向に伴われる（図８）。ゾーンＡに対
する横振動の振幅は、通常、ゾーンＢ及びＣに対する対
応する振幅とは異なり、例えば、ほぼ２〜３倍大きい。
ゾーンＡの縦方向ランプの継続時間は短い、例えば１ｍ
ｓ。従って、ゾーンＢ及びＣに関するランプに対する時
間を総合して、基準的に７ｍｓでサイクルを完結するこ
とになり、約１４０Ｈｚの繰り返し周波数に対応する。
ゾーンＡに対しては、横方向振幅は、高い周波数の振動
器、例えば５ｋＨｚの上方への鋸歯状波によって提供す
ることができる。

【００３１】ビート周波数効果を除くために、高周波振
動は、ランプ信号発生器と協調して、ランプ波形の間に
高周波の振動サイクルの全波数が実質的に与えられる様
にするのが好ましい。所要の協調を実現する一つの方法
は、高周波波形を用いてランプ波形を発生させることで
ある。例えば、高周波鋸歯状波を整流して、充電されて
いるキャパシタを放電させて、ランプ信号を発生させる
ことができる。この場合、このランプは、実用上許容さ
れる一連の微小ステップで構成されている。

【００３２】種々のゾーンＡ，Ｂ、及びＣに対して効果
的にラスタ走査を提供する、上記以外の波形も、上記と
同様に分布パターンを発生するために使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】標準的なビーム偏向パターンを説明している。

【図２】スチール加工品で達成された溶け込み深さを説
明する図である。

【図３】図１におけるゾーンＢ及びＣに対するデジタル
シーケンスの例を説明している。

【図４】図１のゾーンＤにまたがるデジタルシーケンス
の例を説明している。

【図５】全偏向パターンを説明する図である。

【図６】代表的偏向パターンのオシログラム。

【図７】ゾーンＢ及びＣに対するランプ信号を説明する
図である。

【図８】ゾーンＡに対するランプ信号を説明する図であ
る。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ゾーンに沿って電子ビームを移動さ
   せる電子ビーム溶接において、 電子ビームを基準位置から偏向させて、ビーム基準位置
   の回りに、実質的にはっきり区別される熱密度の異なる
   ゾーンを発生させることを特徴とする電子ビーム溶接
   法。
2. 【請求項２】 熱密度を異にするゾーンが、溶接ゾーン
   に沿ってビーム基準位置が移動する方向に関して前方領
   域と後方領域で構成される請求項１に記載の電子ビーム
   溶接法。
3. 【請求項３】 電子ビームが、その基準位置の近傍で熱
   分布パターンを与えるために繰り返しパターンで偏向さ
   れ、その熱分布パターンが熱密度を異にするゾーンで構
   成され、この熱分布パターンが周期的に繰り返される請
   求項１または２に記載の電子ビーム溶接法。
4. 【請求項４】 熱分布パターンのそれぞれのサイクル
   が、無偏向ビームが溶接ゾーンに沿って、焦点面におけ
   るビーム直径または０．１ｍｍのいずれか小さい方より
   も多く移動しないうちに繰り返される請求項３に記載の
   電子ビーム溶接法。
5. 【請求項５】 熱分布パターンが、少なくとも、熱密度
   を異にする第一、第二、及び第三ゾーンから成り、溶接
   ゾーンに沿う電子ビームの移動方向に、第一ゾーン
   （Ａ）と第二ゾーン（Ｂ）との間にスペースを備え、第
   三ゾーン（Ｃ）が第二ゾーン（Ｂ）の前にあり、第二ゾ
   ーン（Ｂ）の前にスペースを備え、第三ゾーン（Ｃ）は
   実質的に第二ゾーン（Ｂ）と隣接する、請求項３または
   ４に記載の電子ビーム溶接法。
6. 【請求項６】 最大熱密度が第二ゾーン（Ｂ）に生ず
   る、請求項５に記載の電子ビーム溶接法。
7. 【請求項７】 熱分布パターンが、Ｘ，Ｙ偏向電磁コイ
   ルにおけるランプ信号発生器によって作られる、請求項
   ３〜６の電子ビーム溶接方法。
8. 【請求項８】 熱分布パターンを、電子ビームの基準位
   置の回りの点のマトリックスに対して所定の順序で、電
   子ビームをそれぞれの点に偏向させることによって定義
   する、請求項３〜６に記載の電子ビーム溶接法。
9. 【請求項９】 電子ビーム発生手段と、更に電子ビーム
   をその基準位置から偏向させてビーム基準位置の周りに
   実質的に判然とした熱密度を異にするゾーンを形成する
   のに適した第二制御手段を付加していることを特徴とし
   て電子ビームを溶接ゾーンに沿って動かす第一制御手段
   とで構成される、電子ビーム溶接装置。