JPS5840297B2 - デンシビ−ムハツセイキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明＆Ｌ固体、液体、気体等の対象物（ワーク）に
電子ビームを照射して溶接、切断、熱処理、化学反応、
固定化、溶解等の加工を行なう電子ビーム発生機に関す
るものである。

加工用電子ビーム発生機では、ワークを大地（アース）
電位に置き、カソードから飛び出す電子を引き出すアノ
ードをワークと同じアース電位にするのが普通である。

この場合カソードは負の（高）電位にされ、アノード・
カソード間の電位差がワークへ突入する電子ビームの速
度（ビーム射突電圧）を決める加速電圧になる。

この加速電圧は又、通常の空間電荷制限状態で＆Ｌビー
ム電流は加速電圧の３／２乗に比例するので、カソード
から取り出し得る電子ビーム電流の上限を決める要素で
もある。

電子ビームを発生するカソードやアノード附近（電子銃
領域）は、１０−’Ｔｏｒｒ台より良い真空度に保つ必
要があるが、ワークはそれより悪い真空度の雰囲気中で
処理されるのが普通である。

即ち、ワークが電子ビーム照射で加熱してかなりのガス
を放出し周囲の真空度を劣化させること、ワークやワー
ク周囲の容器の密閉度を厳密にしなくてすめば構造的や
操作が簡単になること、高性能高真空大容量ポンプを使
わなくてすめば大きな節約ができることなどのため、ワ
ーク雰囲気が比較的悪い真空度で動作させるのである。

ワークを置く真空度の悪い領域と真空度の良い電子銃領
域との間（中間領域）に真空差圧を発生させるよう電子
ビーム通過用の小口径の孔又は筒を備えた仕切板（オリ
フィス）と電子銃領域排気用、場合によっては中間領域
排気用真空ポンプが必要となる。

もち論、高真空の電子銃領域と真空度の悪いワーク室ま
たは大気領域との差圧を保持するためのオリフィスの電
子ビーム通過孔の径が小さいほど排気用真空ポンプの容
量は小さいもので間に合う。

しかし、比較的大きな電流例えば３００ ｍＡ以上の電
子ビームをとり出す場合、これらビームは発散角が大き
くそのため比較的太いものとなり、このビームを通過さ
せるオリフィスの電子ビーム通過孔も大きくせざるを得
ない。

但し、前記３００ｍＡ程度のビーム電流でも加速電圧が
例えば１５０にボルトと高げれば、ビームの集束が容易
なため、オリフィスのビーム通過孔も大きくせずとも済
み、したがって、排気用真空ポンプもそれほど大容量と
しなくとも充分所要の真空度が保持できる。

一方において、例えば電子ビーム溶接機では、照射ビー
ムのパワーが一定でも、ビーム射突電圧が高いほど溶は
込みの深い溶接ができるのでゴ般的には好ましいことで
あるか、しかし、ビーム射突電圧が高いほどビームが被
加工物に当り発生するＸ線量が多くなり、作業者に危害
を及ぼさないようにするＸ線の遮蔽が難しくなったりコ
ストが増加したりする。

また、溶接物によっては、低圧大電流の溶接が適当な場
合もある。

したがって、溶接対象物によりビーム射突電圧を変える
ことが゛できれば都合がよい。

ところで、前述の例えば１６０ＫＶのビーム射突電圧（
この場合アノード・カソード間の加速電圧と同等）の電
子ビーム溶接機の加速電圧をそのまま６０にボルトに低
下させた場合はどうなるかをいうと、もち論そのままで
は所望の３００ ｍＡの電流をカソードからとり出すこ
とはできないので、カソード面積の大きいカソードにす
るか、またはカソードアノード間の距離を接近させるよ
うにしなげればならないし、また、このような電流取出
し対策の結果は必然的にビーム発散角も大きくなり、こ
れをオリフィスの小さいビーム通過孔を通すためには、
多数の集束レンズを用いて細いビームに集束させなげれ
ばならず、この集束糸に費用がかかることになる。

でなげれば、前記オリフィスのビーム通過孔を大きくし
て置いて、その代わり大容量の真空ポンプを用いて強引
に排気して所望の電子銃部の真空度を保持するようにし
なげればならない。

本発明の目的は、上述のような不都合を伴なわず、容易
にビーム射突電圧を変えることのできる大電流のビーム
発生機を提供するにある。

次に、この発明の構成、原理、等につき実施例を参照し
て説明する。

第１図は本発明の電子ビーム発生機の一実施例である電
子ビーム溶接機の要部構成図を示し、電子ビーム１は１
０→Ｔｏｒｒ程度以上の高真空領域にあるカソード２か
ら放出され、アノード３、第１オリフイス４、第２オリ
フイス５及び第３オリフイス６の各中心孔（ビーム通過
孔）を通過して１０−１Ｔｏｒｒ程度の低真空領域に置
かれているワーク（被溶接材料）１に照射される。

グリッド８はカソード２から出る電子を制御しビーム（
細い束）状に形成するもので、これらクリッド８とカソ
ード２は第１インシユレータ９により大地（アース）電
位の真空容器（コラム）１０から絶縁して保持され、主
高電圧電源１１（便宜上ここでは記号的に示し、カソー
ド加熱電源やグリッドバイアス電源等は略しである）か
ら高電圧や電流の供給を受ける。

アノード３は従来の電子ビーム溶接機ではアース即ちコ
ラム１０と同電位にしていたが、本発明ではコラム１０
の（アース）電位とは異なる電位にすることができるよ
うにアノードを第２インシユレータ１２で絶縁保持し、
副高電圧電源１３から給電されるようにしである。

カソード２、グリッド８、アノード３等からなる電子銃
の周囲空間に近接してコラム１０に第１の真空ポンプの
排気口１４を設け、第１オリフイス４と第２オリフイス
５の中間空間、第２オリフイス５と第３オリフイス６の
中間空間に近接したコラム１０の側壁部にもそれぞれ第
２の真空ポンプの排気口１５と第３の真空ポンプの排気
口１６を設けである。

（上記各真空ポンプは図示せず。

）本図で補正コイル１１は電子ビーム１の軌道を磁気レ
ンズ１８の電子光学的中心軸に合致させるよう修正する
ための装置であり、偏向コイル１９は電子ビーム１を振
らせてウィービング等を行なわせるための装置である。

また、観察用光字系２０は屈折系２１を介してワーク１
の電子ビーム照射部附近を観測可能な装置であり、第３
オリフイス６をはね上げることにより、より大きな視野
が得られ、あるい＆ま遮断弁２２で電子ビーム１０通路
を閉ざしたときは弁２２０片面に刻んだ目盛と光学系２
０内の目盛とを照合して光学系２０等の光学的中心軸の
校正、確認を行なわせることもできる。

本実施例ではカソード２とアノード３０間に一定の加速
電圧１６０ＫＶ（アノード側がカソード側に比し正の高
電位）を印加できるようにしてあり、例えばカソードを
アースに対し負の１６０ＫＶにするとき＆入アノード電
位をアースに対しＯＶとし、又、例えばカソード２を一
６０ＫＶにするときはアノード３を＋１００ＫＶに設定
する。

アノード３をアース電位に選んだときにはアノード３以
降ワーク１までずっと同電位となり、電子ビーム１はカ
ソード電位に相当する１６０ＫＶという高い加速電圧の
ままずつと加速され細く発散角（ビームの開き角）の小
さなものが得られる。

従ってこのときの電子ビームの通過を許す第１、第２、
第３の各オリフィス４，５，６は磁気レンズ１８の集束
作用の助けも受けて中心孔の直径又は内寸法が充分小さ
く、長さは大きく、ガスの流通抵抗の大きな（コンダク
タンスの小さな）ものとなし得、従ってワーク１を極め
て真空度の悪い１０”Ｔｏｒｒ程度より高いガス圧の空
間に置いても、２５，１６，１５，１４の排気口に比較
的小容量の各真空ポンプを接続することにより容易に電
子銃空間を所要の高真空１０〜’ Ｔｏｒｒ程度に排気
し、ワーク７の溶接加工を安定に実施することができる
。

次にカソード２を一６０ＫＶに調整した場合を説明する
。

この場合はアノード３を＋１００ＫＶにすればカソード
２とアノード３０間に１６０ＫＶの電位差（加速電圧）
が生じ、電子ビーム１は前記の場合と同様に高速に加速
されてアノード３附近に細いクロスオーバーを形威し、
そこから小さな発散角で進行して行く。

しかしアノード３の後でアース電位領域に入るまでの間
の電界で電子ビームは減速作用を受げ６０ＫＶの加速電
圧に相当する比較的低速の電子ビームとなる。

この際の電子ビームの形状は第２図に示すように、アノ
ード附近に生ずるクロスオーバー３１から発散するビー
ムの開き角３２を減するが、相変らず発散傾向は持続す
るところの電子ビーム３３のようにすることができる。

その理由はアノードとその後段のアース電位部との間に
発生する減速電界にレンズ作用があるからであり、一方
、このレンズ作用を十分弱くしたり、このレンズ作用位
置を十分アノードに近付けておくことにより（レンズの
焦点距離をレンズ−クロスオーバー間距離より大きくで
き）発散する電子ビームを平行あるいは集速する傾向に
まで屈曲しないようにすることが可能だからである。

例えば第１図でアノード３の下側の内口径やアノード３
に対向するアース電位部２３の内口径やアノード３とア
ース電位部２３の距離等を大きくして、電子ビーム１０
通路に沿って電位変化率（電界）を小さくすれば集束（
レンズ）作用も小さく（レンズの焦点距離は大きく）な
り、電子ビームの速度を１６０ＫＶ相当から６０ＫＶ相
当におとす程度の電界（１６０：６０程度の電位比）で
は最初約１度の発散角の電子ビームが約０．４度の発散
角に減する程度に変化を小さく抑さえることができる。

ビーム射突電圧１００ＫＶで電子ビーム１をワーク７に
照射したいときは、カソード２を一１００ＫＶ１アノー
ド３を＋６０ＫＶに選べばよく、このときの電子ビーム
１の形状（発散角やその変化）は前記両者のそれの中間
になる。

従ってワーク７へ照射するビーム射突電圧を１６０ＫＶ
から６０ＫＶの間の任意の値に調整しても電子ビーム１
の形状ははｇ射突電圧１６０ＫＶの場合の細さ以内に収
まり、射突電圧１６０ＫＶのときに適合できるようにし
た各オリフィス４，５，６等は殆んどそのま呈使用可能
となる。

但し、第２図において、射突電圧１６０ＫＶを６０ＫＶ
に減速したときの電子ビーム３３では、クロスオーバー
３１よりもその虚像３４が大きくなるという傾向がある
が、元々のクロスオーバーが十分小さいため、この傾向
によるビーム形状の拡がりはあまり問題にならない。

尚、１６０ＫＶの加速のま匁の場合のビーム形状は電子
ビーム３５で示される。

（この第２図は説明し易くするためビーム発散角を実際
より拡大して描いてあり、アノード直後の減速電界のレ
ンズ作用により電子ビームは曲線的に一旦発散してから
絞られるが図では折れ線的に屈折する如く描いである。

）又、第１図に示す如く、カソード２の直前には、いず
れの場合にもアノード３との電位差（加速電圧）１６０
ＫＶに基づく強電界が存在しワーク７へ照射する電子ビ
ーム１の射突電圧を低くしても前記強電界に相当して大
きな電子ビーム電流を取り出せるという利点も生ずる。

アノード３の直後の減速電界はツークツ側（下側）から
来る正荷電イオンを反撥するイオンリペラーの作用も有
し、各オリフィス４，５．６の電子ビーム通過孔を小さ
く且つ長くすることができることと相俟って、ビーム射
突電圧６０〜１６０ＫＶの全範医にわたって大きなビー
ム電流を用いて悪い真空度雰囲気でのワーク７の安定な
溶接を可能ならしめる。

このような本機の特性により、溶接条件を変え得る範囲
が大きくなり種々のワークに対応した最良の溶接施工を
容易に達成できる。

ワーク１へ照射する電子ビーム１の速度（ビーム射突電
圧）を下げればＸ線発生量が減るという効果があり、高
電位のアノード３には電子ビーム１は殆んど突入しない
のでアノード３での硬Ｘ線発生の増大は殆んどなくしか
もアノード３はコラム１０で囲まれているので僅かのＸ
線が発生してもその漏洩防止は簡単且つ確実に行なえる
。

アノ−ト３へ電子ビーム１が殆んど流入しないというこ
とは副高電圧電源１３の電流容量は僅小ですみ、小型の
電源でよいことをも意味し、この電源１３を増設するこ
とによる負担増は得られる諸利点に対し比較的小さいと
云える。

本実施例では各オリフィス４，５．６の各円筒の長さを
それぞれ７０ｒｒｍｔ、 １５０Ｍ、 ８０とし、各内
寸法（平均直径）をそれぞれ１０ｍｍ 、 ２８ｍｍ
。

１２ｍｍとして各排気口１４，１５，１６，２５の真空
ポンプにそれぞれ排気速度毎分３０．０００ ｔの油拡
散ポンプ、毎分５，０００．／、のメカニカルブースタ
ーポンプ、毎分３．０・００ｔの油回転ポンプ、同じ毎
分３，０００．／！、の油回転ポンプを採用してｌＸ１
０”Ｔｏｒｒの雰囲気中のワーク室２４で種種の厚さの
溶接鋼管（ワーク１）に対しビーム射突電圧６Ｏ−１６
０ＫＶの範囲でいずれも最大４００ ｍＡの電子ビーム
を安定に照射でき良好に溶接する条件を選ぶことができ
た。

このように本発明の電子ビーム発生機は比較的簡単な構
造、操作で広汎な対象物やその周囲真空度条件に適応し
て最も望ましい加工を行なえる電子ビームを取り出すこ
とができ、実用的効果の犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子ビーム発生機の一実施例の構成概
要図、第２図は第１図の電子ビーム形状の一部拡大説明
図である。 １・・・電子ビーム、２・・・カソード、３・・・アノ
ード、４・・・第１オリフイス、５・・・第２オリフイ
ス ６・・・第３ｔリフイス、７・・・ワーク、８・・
・グリッド、９・・・第１インシユレータ、１０・・・
コラム、１１・・・主高電圧電源、１２・・・第２イン
シユレータ、１３・・・副高電圧電源、１４・・・排気
口、１８・・・磁気レンズ、２４・・・ワーク室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アノードに電子ビーム被照射対象物又はその周囲の
   電位より高い電位を与え、カソードより電子ビームを引
   き出し加速しクロスオーバーを形成してから該対象物電
   位まで電子ビームを減速し、この減速電界によりクロス
   オーバーから発散する開き角を減じた電子ビームを磁気
   レンズで集束し、電子銃領域より真空度の悪い領域にあ
   る対象物に電子ビームを照射し得る如くした加工用電子
   ビーム発生機。