JPS5839037B2 - 電子ビ−ム溶接法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子ビーム溶接法に関する。

本発明は、電子ビーム溶接機の高電圧電源回路に含まれ
るリップル成分のために生じる電子ビームの焦点位置の
時間的な上下振動を直接探知し、電子ビームの焦点が被
溶接物の溶込み先端部から遠ざかるもしくは近づいたと
き、電子ビーム電流値をパルス状に強め、もしくは弱め
て電子ビームによる被溶接物の溶融を促進もしくは抑制
することにより、溶込み先端部に発生するスパイクなど
の欠陥を防止または大巾に減少させんとするものである
。

電子ビーム溶接は電子ビームの穿孔作用を利用した溶接
法である。

このため溶込み深さが大きく、かつ溶融巾の非常に狭い
溶接ビードが得られる。

反面この穿孔作用のために独特の溶接諸欠陥が発生しや
すい。

これらの欠陥の代表的なものが、溶込み先端部に発生す
るスパイク、コールドシャットなどである。

従来これらの欠陥の防止法として、電子ビーム径を拡げ
て穿孔力を弱める方法が採用されてきたが、この方法で
は溶込み深さは浅くなり、溶融巾も広くなるため、電子
ビーム溶接の特徴は相殺される。

さらに近年、電子ビームを周期的に振動させることによ
り欠陥防止が試みられているが、十分な成果を挙げてい
ない。

これは電子ビームを任意に振動させても欠陥発生のタイ
ミングと一致しなければ欠陥を防止できないことを意味
し、当然の結果である。

従って溶接諸欠陥の本質的な防止法は皆無であり、電子
ビーム溶接の大きな特徴である精密溶接性が発揮されず
、本溶接法の利用度が大巾に制限されているのが現状で
ある。

本発明は、電子ビーム溶接のミクロ的な金属溶融機構の
研究に基づき、電子ビーム溶接中の高電圧電源回路のリ
ップル成分から、電子ビームの焦点位置を探知し、これ
をフィードバックして、電子ビーム電流をパルス的に変
化させて、溶接諸欠陥の発生を大巾に減少させることを
目的とし、電子ビーム溶接の信頼性を向上させるもので
ある。

電子ビーム溶接機においては、高電圧電源回路に、その
量の多少はともかく、リップル成分が含まれる。

このリップル変動に従って電子ビームの焦点位置は時間
的に上下振動する。

スパイクなどの溶込み先端部に発生する欠陥は、電子ビ
ームの焦点が溶込み先端部に近いときに発生しやすい。

同時に欠陥の発生は、溶込み先端部での溶融金属の状態
とも密接に関係しており、両者の条件が重なったとき、
電子ビームの穿孔作用により、大きく尖鋭なスパイクが
発生し、そこにはコールドシャットやポロシティの欠陥
が付随して残る。

本発明は、電子ビームの焦点の上下振動を、高電圧電源
のリップル変動の探知により、直接探知する。

この探知信号をフィードバックして、１）電子ビームの
焦点が溶込み先端部より遠ざかったとき、電子ビーム電
流を増加させて、電子ビームによる金属溶融を促進して
、溶込み先端部における溶融金属を維持する。

あるいは、２）電子ビームの焦点が溶込み先端部に近づ
いたとき、電子ビーム電流を減少させて電子ビームの穿
孔力を抑える。

ことを特徴としている。

また両者を組合せることも可能である。

次に本発明の詳細を図面により具体的に説明する。

第１図は、電子ビーム溶接機と電子ビーム焦点位置の検
出方法の概略図を示す。

白熱したフィラメント２から放出された大量の電子を、
フィラメント２と陽極４に加えた高電圧により加速し、
収束レンズ５により絞って電子ビーム１とし、被溶接物
６の溶接個所に照射すると、被溶接部は溶融する。

その溶融金属は後方に送られ、凝固して溶接ビード６Ａ
となる。

この溶融過程において、電子ビーム１の焦点は、高電圧
電源回路８に含まれるリップル成分により時間的に上下
振動を繰返すために、溶融される部分が時間的に上下す
る。

そして電子ビーム１の焦点が溶込み先端部に近いときに
スパイクが発生しやすに傾向になる。

電子ビーム焦点は、高電圧回路と接地間に高抵抗９と低
抵抗１０を直列に接続し、低抵抗１０での降下電圧を測
定し、帯域フィルター１１により選別したフィードバッ
ク信号１１Ｂとして検出できる。

すなわち高電圧は一般に負値とするため、高電圧が減少
し、電子ビーム焦点が上部に移動したとき、フィードバ
ック信号１１Ｂは正値となり、逆のときは負値となる。

次にフィードバック制御回路の原理図を第２図に示す。

フィードバック信号１１Ｂ（波形は同図右、以下同じ）
をトリガー信号発生器２１に印加し、信号１１Ｂが零に
なったとき、トリガー信号２１Ｂを発生する。

このトリガー信号２１Ｂを遅延回路２２に印加して遅延
したトリガー信号２２Ｂを発生し、これにより関数発生
器２３をトリガーとして、フィードバック信号１１Ｂの
適当な位相においてパルス波２３Ｂを発生する。

パルス波２３Ｂの持続時間はフィードバック信号１１Ｂ
の半周期以下とし、その波高値はその結果生じる電子ビ
ーム電流の変化が、被溶接物６の溶融過程に本質的な変
化をもたらさない範囲とする。

パルス波２３Ｂの符号は電子ビームの焦点が溶込み先端
部から遠ざかったときは正、すなわち電子ビーム電流の
増加方向、逆のときは負となるように設定する。

一方電子ビーム電流の直流値の制御は、通常利用されて
いる回路を利用する。

すなわち第１図の高電圧電源８の二次整流回路の接地側
に接続した抵抗１２での降下電圧から、低域フィルター
１３により直流成分１３Ｂを検出し、これを第２図のグ
リッド電圧制御回路２４に印加し、これが設定値（希望
値）になるように出力電圧２４Ｂを発生する。

この２つの回路２３と２４から発生したパルス電圧２３
Ｂと直流電圧２４Ｂを加算した信号２５を昇圧回路１４
の入力端子１４Ａに印加して、フィラメント２とグリッ
ド３の間にバイアス電圧を発生して、電子ビーム電流値
を制御する。

本発明は、上記の図示した例に限らず、本発明の趣旨を
害さない種々の変形が可能である。

本発明の方法で得られる電子ビーム溶接のビード形状は
、電子ビーム電流をパルス的に、かつ溶接現象を本質的
に変化させずに制御しているため、パルス制御を行わな
いときのビード形状を維持したまま欠陥を防止もしくは
大巾に減少することが可能である。

従って電子ビーム溶接の特徴である深溶込み性と精密溶
接性を損うことなく信頼できる溶接結果を得ることがで
き、電子ビーム溶接の適用範囲を拡大できる。

本発明の実施例を示す。

第１図及び第２図に示す電子ビーム溶接装置及び制御方
法によりつぎの実験を行った。

加速電圧４０ｋＶ、電子ビーム電流２４０ｍＡ（リップ
ル含有率３係ｐ−ｐ、 リップル主周波数１００Ｈｚ
）、溶接速度７６２ｃｙｎ／ｖｔｉｙｉで５Ｍ５０鋼板
の部分溶造み溶接を行ったとき、本発明の方法を利用し
なかったときの溶接結果は、 溶込み深さ＝２４ｉＢ スパイクの大きさ一最太２．６
ｍｍ、スパイクでのポロシティ発生率−６５個／ｃｒｒ
Ｌ。

一方本発明のパルス電流制御を上述の溶接条件に重畳さ
せる。

制御条件として、高電圧（加速電圧）がリップル変動に
より最低値となったときに、電子ビーム電流が１０φ（
＝２４ｍＡ）増加するように、関数発生器２３から三角
波パルス電圧（周波数２００Ｈｚ）を選択する。

結果は、溶込み深さ＝２５ｍπ、スパイクの大きさ＝最
大０．５山、スパイクでのポロシティ発生率＝１．７個
／ｃｒｒＬ。

なお、このときのポロシティはスパイクが小さいため、
非常に微細なものとなる。

両結果を比較すると、本発明の制御法の採用により、溶
込み形状を維持したまま、溶込み先端部での欠陥を著る
しく除去できる。

なお、フィードバック信号１１Ｂの位相が逆のときの制
御でも同様必結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子ビーム溶接装置と電子ビーム焦点位置の検
出方法の概略図、第２図は本発明の制御法の原理図を示
す。 １は電子ビーム、２はフィラメント、３はグリッド、４
は陽極、５は収束レンズ、６は被溶接物、６Ａは溶接ビ
ート、７は溶接方向、８は高電圧電源、９は高抵抗、１
０は低抵抗、１１は帯域フィルター １１Ｂはフィルタ
ー１１の出力、１２は抵抗、１３は低域フィルター １
３Ｂはフィルター１３の出力、１４はグリッド電圧の昇
圧回路、１４Ａは回路１４の入力端子、２１はトリガー
電圧発生器、２１Ｂは発生器２１の出力、２２は遅延回
路、２２Ｂは遅延回路の出力、２３は関数発生器、２３
Ｂは発生器の出力、２４はグリッド電圧制御回路、２４
Ｂは回路２４の出力、２５は出力２３Ｂと２４Ｂの加算
出力。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電子ビーム溶接において、高電圧電源回路に含まれ
   るリップルのうち主成分を検出し、当リップル成分の位
   相のうち電子ビームの焦点が被溶接物の溶込み先端部か
   ら遠ざかるときの又は溶込み先端部に近づくときの位相
   において、当リップル成分の半周期以下の持続時間でか
   つ全体の溶融形態を変化させない範囲で、おのおのにお
   いてパルス状の電子ビーム電流の増加または減少を、電
   子ビーム電流の直流値に重畳させるか若しくは両者を組
   合せて行なうことを特徴とする電子ビーム溶接法。