JPH0335028B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ ２個の加工片の隣接端縁の全長に沿つて継ぎ
目を形成する電子ビーム溶接方法において、 電子ビームガンにより電子ビームを発生し、 このビームが加工片の隣接端縁を照射するよう
ビームの加工片に指向させ、 前記加工片が停止する状態で加工片において点
のマトリツクスを生ずるようビーム偏向およびビ
ーム滞留時間の所定プログラムに従つてビームを
互いに直交する２個の軸線方向にに偏向させ、 溶接すべき継ぎ目に平行な方向に加工片を移動
させ、 電子ビームを発生する電子ビームガンに対して
前記加工物を移動させる間にビーム偏向およびビ
ーム滞留時間の前記所定プログラムを連続的に繰
返す ことよりなることを特徴とする電子ビーム溶接方
法。

２ 請求の範囲第１項記載の電子ビーム溶接方法
において、 前記加工片が停止している間に溶接すべき加工
片の隣接端縁の第１位置でビームを所定時間滞留
させ、 前記隣接端縁から所定距離だけ継ぎ目の一方の
側方にビームを偏向して所定時間この位置に電子
ビームを維持し、 ビームを継ぎ目に復帰させてこの位置に第２所
定時間にわたり維持し、 ビームを継ぎ目に対して前記第１位置とは反対
側の位置に偏向してこの位置で所定時間にわたり
維持し、 ビームを継ぎ目の中心に復帰させてこの位置で
所定時間にわたり維持し、 ビームの下で加工物を移動する間にビーム偏向
および滞留時間の前記プログラムを連続的に繰返
す ことを特徴とする電子ビーム溶接方法。

３ 端縁がギヤツプにより互いに分離している２
個の加工片を電子ビームにより継目溶接する電子
ビーム溶接方法において、 溶接すべき２個の板間のギヤツプを横切るよう
電子または他のエネルギービームを所定速度で移
動させることによりギヤツプ幅を動的に測定し、
前記板から反射した電子の強度の急激な変化のあ
つた時点間の期間を測定し、ギヤツプ幅を規定す
るアナログ電圧に前記期間を変換し、ギヤツプ幅
アナログ電圧に対する実際のギヤツプ幅の予め確
立された法則に応じて偏向コイル電流を発生し、
この偏向コイル電流を電子ビームガンに関連する
偏向コイルに送つて測定したギヤツプ幅に対して
加工片におけるビームの移動量を変化させること
を特徴とする電子ビーム溶接方法。

４ 請求の範囲第３項記載の電子ビーム溶接方法
において、ギヤツプ幅を規定するアナログ電圧を
溶接パラメータのいずれかに作用させ、変化させ
るべきパラメータに対するギヤツプ幅のプリセツ
トプログラムに従つてそのパラメータを変化させ
ることを特徴とする電子ビーム溶接方法。

技術分野 本発明は電子ビームによる厚い金属板の溶接方
法に関するものである。とくにここに記述する方
法は、部分溶込み溶接におけるルート部の欠陥を
なくし、また完全溶込み溶接における上向および
下向斜面部分の欠陥をなくし、さらに比較的に広
いギヤツプによつて離れている突合せ溶接継手の
応接欠陥をなくそうとするものである。

製造に使用される板の厚さが38.1mm（１1/2イ
ンチ）以上のアルミニウム板または鋼板により大
形溝体を製造する場合、溝体の設計には比較的重
量のある厚板間に部分溶込み溶接が要求されるこ
とがよくある。更に、溶接すべき端縁間のギヤツ
プが相当大きく、しばしば電子ビームの直径に近
似する場合もあるギヤツプを埋めるのは実用的で
ないことがわかつている。金属を電子ビームで溶
接するには、高出力ではあるが直径が0.25mm〜
1.27mm（0.010〜0.050インチ）程度の小直径の電
子ビームを発生し、加工片の表面にビームを指向
させ、加工物と電子ビームとを相対移動させて溶
接すべき継ぎ目に電子ビームを照射するのが一般
的である。この溶接方法は、仕上る組立体に過度
の歪みを与えずに２個の部分間に良好な溶接を行
うのに極めて有益であることがわかつている。し
かし、断面寸法が38.1mm（１1/2インチ）以上の
厚板を溶接するとき、溶接断面を検査すると多数
の気孔を有するスパイク状の溶接断面がよく見ら
れ、これらスパイクは特に溶接部の底部に向つて
鋭端を形成する。この欠陥は厚板に部分溶込み溶
接を行う場合によく見られる。更に溶接部分がギ
ヤツプによつて離れている場合、溶接断面の頂部
にクレータが生じ、このクレータの深さはギヤツ
プの幅に基づく。他の欠陥部は、上向斜面部から
溶接を開始し、下向斜面部で溶接を終了する完全
溶込み溶接の斜面部の継ぎ目に見られる。

背景技術 継ぎ目に対して横方向にビームを振動させた
り、または円、楕円若しくは正弦波形を描く運動
をさせてビームを加工品に照射することによる上
述のような溶接欠陥を克服する試みがこれまで行
われてきた。これらの方法は頂部に溝のない溶接
部を形成することができるが、溶接部の底部には
継ぎ目の両側面にスパイクを形成してしまう。更
にこれらの溶接部に材料を脆くし、応力集中部を
形成する多数の気孔を生ずるという欠陥がある。

発明の開示 広範な実験を行つた結果、38.1mm（１1/2イン
チ）以上の厚さの金属板において多数の気孔がな
く丈夫であり、溶接部の頂部に溝や窪みがなく、
また溶接部の全長にわたり溶接側面を平行に形成
することができ、また溶接部の底部にスパイクが
ない溶接を行うことができる方法を本願人は見出
した。本発明方法は、高出力の電子ビームを発生
し、加工物に対する所定点にビームを集束させる
とともにビームを継ぎ目に指向させ、溶接すべき
継ぎ目の方法に沿つて加工片をビームに対して移
動させるとともにビームを急速に偏向すべき多数
の点よりなるマトリツクスパターンにおいてビー
ムを偏向させ、各点においてビームを所定時間に
わたり滞留（ドウエル）させることよりなること
を特徴とする。この場合ビームの移動および滞留
時間のプログラムは、加工片を溶接している継ぎ
目に沿つてビームに対して移動させるときに所要
パターンを連続的に繰返す。各点におけるマトリ
ツクスパターンおよび滞留時間は溶接すべき材料
の厚さ、材料の形式、および溶接すべき加工片の
隣接端縁間のギヤツプの分離度に応じて選択す
る。簡単な実施例においては、４点マトリツクス
があり、この場合ビームを継ぎ目から超高速で継
ぎ目を横切る方向にビームの幅分の距離にわたり
偏向させ、所定時間だけビームを継ぎ目に維持
し、ビームを継ぎ目の反対側に偏向させ、この反
対側の位置で所定時間にわたりビームを維持し、
次にビームを継ぎ目に復帰させるとともに所定時
間にわたりこの継ぎ目位置にビームを維持し、所
要の継ぎ目の全長にわたり溶接を行うまでこのビ
ーム偏向およびビーム休止のプログラムを継続す
る。

本発明の目的は、重量厚板において空孔のない
部分溶込み溶接を行うことができる方法および装
置を得るにある。

本発明の他の目的は、溶接部の下部にスパイ
ク、気孔、または応力集中部を生じない深溶込み
溶接方法を得るにある。

本発明の他の目的は、重量厚板であつて、板の
端縁が電子ビームの直径に近似する幅のギヤツプ
によつて離れている厚板溶接を良好に行う方法を
得るにある。

更に本発明の目的は、１個以上の溶接パラメー
タを溶接すべき板間のギヤツプに応じて自動的に
調整し、継ぎ目に沿うギヤツプが位置毎に変化し
ても溶接すべき継ぎ目の全長にわたり良好な溶接
を行うことができる方法を得るにある。

更に本発明の目的は、部分溶込みまたは完全溶
込み溶接の継ぎ目の起点および終点におけるルー
ト欠陥を回避することができる方法を得るにあ
る。

【図面の簡単な説明】

これらの目的および利点を以下に下記の図面に
つき詳細に説明する。即ち、 第１図は、電子ビーム溶接機の構成を示すブロ
ツク図、 第２図は、電子ビームガンおよび電源部分の基
本部分を示す線図、 第３図は、簡単な４点ラスタを使用して加工物
に対してビームがたどる経路を示す加工物の斜視
図、 第４図は、従来の厚板溶接方法による溶接部の
断面図、 第５図は、本発明方法による溶接部の断面図、 第６図は、ビームを加工片に照射する点に若干
先行する点におけるギヤツプ幅を測定し、所定プ
ログラムに従つて１個またはそれ以上の溶接パラ
メータを変化させる本発明方法の変更例の説明
図、 第７、８および９図は、それぞれ異なるエネル
ギー分布輪郭を示すドツトマトリツクスを示す説
明図である。

発明実施の最良の形態 第１図につき説明するが、この図は電子ビーム
により溶接するための装置全体の構成を示し、電
子ビームガン１を、集束コイル２に装着して電子
ビームを加工片上に集束するようにするととも
に、偏向コイル３にも装着して所定プログラムの
制御の下にビームを２個の相互に直交する軸線に
沿つて偏向しうるようにし、この所定プログラム
はオペレータによつてコンピユータ制御装置８の
メモリに予め記憶しておく。溶接すべき部片４を
真空室１２内のキヤリツジ５に取付け、この真空
室１２を真空ポンプ装置１１により電子ビーム溶
接に適当な低圧状態に維持する。キヤリツジ５の
移動をサーボモータ６により所要の移動軸線に沿
つて行うようにし、このサーボモータ６をサーボ
駆動装置７により制御する。モータにより真空室
内でのキヤリツジの位置決めを行い、加工物を電
子ビーム１３の休止位置に対して適正に位置決め
し、この電子ビーム１３を偏向コイル３の磁界の
作用によつて偏向するようにし、この偏向コイル
３をビーム偏向増幅器９により制御し、このビー
ム偏向増幅器９をコンピユータ制御装置のメモリ
に予め記憶させていた情報により制御する。コン
ピユータ８はビーム偏向プログラムを制御するだ
けでなく、加速電圧、ビーム電流、集束コイル電
圧といつた電子ビームガンのパラメータ、並びに
真空ポンプ装置および溶接する部片を駆動するの
に使用するサーボ駆動装置をも制御する。溶接作
業を行うため溶接機のオペレータは真空室内の支
持取付具に部片を取付け、真空室のドアを閉め、
「スタート」ボタンを押すことによつて溶接機の
機能を開始させる。このとき溶接機の制御装置が
作動し、真空ポンプ装置および真空弁を動作さ
せ、部片を配置した真空室１２を急速に抽気し、
この後電子ビームガンを付勢し、また部片を位置
決めして溶接作業のために電子ビームが加工物の
所要初期位置を照射するようにし、この後電子ビ
ームを発射させるとともに加工物の移動およびコ
ンピユータメモリに記憶した予め作成したプログ
ラムによるビーム制御を行う。数個の溶接パラメ
ータは、コンピユータ制御装置のプログラム、電
子ビーム偏向増幅器９およびビーム電源１０を介
して制御し、部片はサーボ駆動装置７の制御の下
でのモータ６により制御する。加工片を溶接すべ
き継ぎ目の方向に移動するとき、電子ビームを本
発明の教示するように偏向させ、継ぎ目の全長に
わたり丈夫な継ぎ目を形成する。

第２図に電子ビームガンおよびこれに関連する
電源の基本構成部分の全体構成を線図的に示す。
電子ビームガンの構成部分は、フイラメント１
５、陰極１６、陽極１７、集束コイル２、偏向コ
イル３、およびこれらに関連する電力源１８，１
９，２０および１４により構成する。フイラメン
ト電流源１８により電流をフイラメント１５に送
りフイラメントの温度を電子発生状態のレベルに
上昇させる。高圧電源２０により60000ボルトの
電圧をフイラメント１５に対向する陽極１７に供
給し、電子を陽極の方向に加速して、陽極の開口
を通過させ、光の速度に近似する速度で移動する
電子ビームを形成する。陰極１６および陽極１７
は、陽極および陰極間に静電界を発生する形状に
し、この静電界により電子ビームを陽極の外側に
短距離離れた点に指向させる。約2000ボルトの調
整可能DC電源１９をフイラメントと陰極間に加
え、このことにより電子ビーム電流を制御する。
フイラメントに対する陰極の負電圧を増加するこ
とにより電子ビーム電流を減少させたり、その逆
を行つたりする。陽極の開口を越えた位置には静
電界自由空間が存在し、この自由空間においてビ
ームは集束コイル２を通過し、この集束コイルに
おいてビームは磁気的に加工片の所要位置に集束
されるが、このとき電源１４により集束コイルに
供給される電流を調整する。集束コイル２の真ぐ
下の偏向コイル３によりビームを２個の相互に直
交する軸線に沿つて偏向させ、加工物の所要点に
順次照射させる。電子ビームガンのための種々の
電流源および電圧源のすべての出力をコンピユー
タにより制御し、また以下に説明するようにすべ
てをプログラム化してこれらの値を溶接の進行に
つれて変化するようにする。

第３図に、溶接すべき部片４と電子ビームガン
１との位置関係を斜視図的に示し、溶接すべき継
ぎ目に対して電子ビームに与える移動の簡単な実
施例について示す。点線２１は電子ビームガンか
ら発生する電子ビームを示す。本発明によれば、
この実施例において所定のプログラムに基づいて
溶接すべき継ぎ目を横切る方向に電子ビームを移
動させ、この所定プログラムによりビームは先ず
継ぎ目の中心点２３に指向し、この中心点２３で
所定時間にわたり滞留させ、次いで点２２に偏向
し、点２３に復帰し、点２４に偏向し、再び点２
３に復帰し、各位置に所定時間にわたり維持し、
静止ガンの下方で加工物を矢印に示す方向に移動
するときこのプログラムを継続する。従つてビー
ムは誇張して示した経路２５に沿つて加工物を照
射する。ビームの横方向移動量は溶接すべき材料
の厚さおよび部片間のギヤツプに基づく。例えば
厚さ38.1mm（１1/2インチ）、端縁間のギヤツプ
1.02mm（0.04インチ）のアルミニウム厚板の場
合、丈夫な溶接を得るには、ビームを継ぎ目の中
心線の側方に1.52mm（0.06インチ）の位置までず
らし、点２２，２４において334マイクロセカン
ドだけ滞留させ、点２３において166マイクロセ
カンドだけ滞留させ、加工物を継ぎ目の方向に毎
分762mm（30インチ）の速度で移動する間に数マ
イクロセカンド程度のビーム移動時間で中心線の
一方の側から他方の側への移動を継続して行う。
大寸法材料を溶接する従来の試みは静止ビームの
下で溶接すべき継ぎ目を移動したり、ビームを継
ぎ目に交差して矩形、円形または楕円軌道を抽い
て振動させることによつて行つてきたが、満足の
いく結果は得られなかつた。第３図に示したステ
ツプ経路２５は誇張して描いたもので、経路２５
の各ステツプの実際の長手方向移動行程は極めて
短かい極超微細ステツプであり、継ぎ目の側方の
点２２，２４に滞留する長手方向の行程は短か
く、このステツプでの継ぎ目の中心における熱量
は若干少ないもののこの前後における点２３での
滞留照射で発生するフル熱量の影響を十分受けて
補完され、スパイクを生ずることがない適切な熱
量で良好な溶接が持続される。

第４図に従来の方法で溶接した継ぎ目部分の断
面を示す。第４図の右側に部分溶込み溶接の断面
を示し、この部分溶込み溶接は２個の加工片の隣
接端縁の中心に集束させた静止ビームによつて行
つたものである。この方法による溶接では多数の
気孔２７を生じ、最低レベル２８において尖つた
形状となり、また溶接頂部において窪み２６を生
ずる。図面の左側に示した溶接断面は、円形を描
くようビームを振動させることによつて行つた溶
接のものである。この溶接は、溶接側面が真直ぐ
であり、頂部に窪みがないが、好ましくないこと
に、下方部分において溶接の両側に１個づつ２個
のスパイク３０を生じ、これらスパイクには気孔
が含まれる。これら溶接の双方とも鋭端が応力集
中部として作用するため、また接合部が母材に対
して十分な強度を示すことができないため好まし
くない。

第５図に、本発明方法により行つた溶接の断面
を示す。この溶接においては、溶接側面３３が真
直ぐであり、深さ３１にわたり丈夫であり、スパ
イクがなく、むしろ底部において丸味を帯びた部
分３４を生ずる。更に溶接の頂部３２に窪みがな
い。

第６図に、本発明方法のより洗練した変更例を
示し、この変更例は溶接すべき２個の部片の機械
加工の変動または配置変動のため、溶接の全長に
わたりギヤツプが均一でなく、各位置毎に変化す
る場合に適用する。このような場合、ギヤツプの
幅を測定する装置を、電子ビームにより照射すべ
き加工物の位置に僅かな距離先行する位置に指向
させる。このギヤツプ幅測定装置に、電子または
放射線ビーム発生装置３５を設け、この装置によ
り電子または放射線エネルギービーム３６をギヤ
ツプに指向させる。このビーム３６を所定振動数
で周期的に移動させ、加工物の隣接端縁３７，３
８に交差させる。加工表面からの反射電子または
放射線エネルギー３９をレシーバ４０によりピツ
クアツプする。この場合、振動ビームが加工片の
隣接端縁を横切る瞬間に、レシーバに達する反射
エネルギーの強度は、ビーム３６が加工物表面を
照射する最大値から加工片の隣接端縁間のギヤツ
プ内に透過するときの最小値に急激に変化する。
ビームが加工物表面を照射する間に受けるエネル
ギーレベル以下のエネルギーレベルを示す期間を
ギヤツプ幅測定装置４１によりアナログ電圧に変
換し、この電圧が継ぎ目に沿う各位置毎のギヤツ
プ幅を表わす。次にこのギヤツプ幅アナログ電圧
をギヤツプ幅−ビーム移動コンバータ４２に送
り、このコンバータ４２が偏向コイル増幅器４３
に作用し、所要品質の溶接を行うために十分な量
だけビームを偏向させる。代案としてギヤツプ幅
−ビーム移動コンバータ４２から得られる信号
を、満足のいく溶接を行うに必要であると実証さ
れている溶接パラメータに作用させることもでき
る。

第７図に、矩形ドツトマトリツクスを示し、こ
のマトリツクスは、ギヤツプにより分離している
板を溶接するに有効な溶接領域におけるエネルギ
ー分布輪郭を生ずる。第８および９図に他のマト
リツクスの点分布を示し、これらのマトリツクス
は、溶接継ぎ目の開始時および終了時におけるル
ート欠陥を回避するのに使用する。あらゆる溶接
において必要とされる多種類のエネルギー分布輪
郭を得るのにこれらのマトリツクスを使用するこ
とができる。