(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割し第１のビームで溶接を行い第２のビームで溶接欠陥の抑制を行う電子ビーム溶接方法であって、第１のビームから第２のビームへの切替えと第２のビームから第１のビームへの切替えとの少なくとも一方の切替え中に、第１のビームと第２のビームとの間に電子ビームをシフト時間に幅をもたせてシフトさせ、そのシフト途中にある電子ビームにより、被溶接物の、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与えて第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間の溶融池を加熱する電子ビーム溶接方法。
【請求項２】
単一の電子ビームを発生する電子銃と、電子ビームを偏向させる磁界を発生する偏向コイルと、偏向コイル制御パターンを作成して偏向コイルに送り電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割するパターンジェネレータと、を備えた電子ビーム溶接装置であって、前記パターンジェネレータの偏向コイル制御パターンが、第１のビームから第２のビームへの切替えと第２のビームから第１のビームへの切替えとの少なくとも一方の切替え中に、第１のビームと第２のビームとの間に電子ビームをシフト時間に幅をもたせてシフトさせ、そのシフト途中にある電子ビームにより、被溶接物の、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与えて第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間の溶融池を加熱するパターンとされている電子ビーム溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平４−２２５８６号公報は、単一の電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割し第１のビームで溶接を行い第２のビームで溶接欠陥の抑制を行う電子ビーム加工方法と、その方法の実施に用いる装置を開示している。
その電子ビーム加工方法の制御パターンでは、電子銃から発射された１本の電子ビームは、電子ビーム偏向用の磁界を発生する偏向コイルで高速で繰り返し偏向されることにより、第１のビームと第２のビームに時間分割される。図６は、縦軸にビーム照射位置をとり、横軸に時間をとって、上記電子ビーム加工方法による電子ビーム時間分割パターン６を示したものである。図６に示すように、従来のビーム分割方法は、矩形波となる。第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置とは、溶接方向に距離８だけ離れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
縦軸にビーム照射位置をとり横軸に時間をとったグラフにおいて、ビーム分割パターンが矩形波となるということは、第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置以外へはビームを照射しないことを意味している。
その場合、つぎの問題が生じる。
第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置との間の、照射が行われない部位で溶融池の冷却が進み、溶融金属の粘性が低下しあるいは表面に凝固薄膜が生じる。そのため、気泡が吹き出すときに表面薄膜を撥ね上げてスパッタが生じやすくなり、かつ、溶融池の対流が生じにくくなって気泡が浮上しにくくなりブローホールが生成しやすくなる。その結果、スパッタやブローホールなどの溶接欠陥が増える。
本発明の目的は、１本の電子ビームを時間分割して電子ビーム溶接を実行する電子ビーム溶接において、溶接欠陥を抑制できる電子ビーム溶接方法および装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  単一の電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割し第１のビームで溶接を行い第２のビームで溶接欠陥の抑制を行う電子ビーム溶接方法であって、第１のビームから第２のビームへの切替えと第２のビームから第１のビームへの切替えとの少なくとも一方の切替え中に、第１のビームと第２のビームとの間に電子ビームをシフト時間に幅をもたせてシフトさせ、そのシフト途中にある電子ビームにより、被溶接物の、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与えて第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間の溶融池を加熱する電子ビーム溶接方法。
（２）  単一の電子ビームを発生する電子銃と、電子ビームを偏向させる磁界を発生する偏向コイルと、偏向コイル制御パターンを作成して偏向コイルに送り電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割するパターンジェネレータと、を備えた電子ビーム溶接装置であって、前記パターンジェネレータの偏向コイル制御パターンが、第１のビームから第２のビームへの切替えと第２のビームから第１のビームへの切替えとの少なくとも一方の切替え中に、第１のビームと第２のビームとの間に電子ビームをシフト時間に幅をもたせてシフトさせ、そのシフト途中にある電子ビームにより、被溶接物の、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与えて第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間の溶融池を加熱するパターンとされている電子ビーム溶接装置。
【０００５】
上記（１）の電子ビーム溶接方法および上記（２）の電子ビーム溶接装置では、被溶接物の、第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置との間の部分に電子ビーム照射による入熱が入るので、溶融池のうち第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置との間の部分が再加熱されて、冷え固まるのが遅らされ、かつ対流により攪拌される。冷え固まりの遅延によって、溶融金属の粘性が低下され、気泡が溶融池表面から噴出するときに溶融金属を巻きこみにくくなり、スパッタが減少する。また、溶融金属の攪拌が促進されることによって、溶融金属内の気泡が表面に移動しやすくなり、溶接部のブローホール欠陥も減少する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の電子ビーム溶接方法と電子ビーム溶接装置を、図１〜図５を参照して説明する。
まず、本発明実施例の電子ビーム溶接方法を説明する。電子ビーム溶接では、被溶接物、たとえば、２枚の炭素鋼の薄鋼板の突き合わせ部、を電子ビームを突き合わせ線に沿って連続的に移動させて２枚の薄鋼板を溶接する。
本発明実施例の電子ビーム溶接方法は、図１〜図３に示すように、単一の電子ビームを送り方向（溶接方向）に第１のビーム１と該第１のビーム１より後方の第２のビーム２に時間分割し第１のビーム１で溶接を行い第２のビーム２で溶接欠陥の抑制を行う電子ビーム溶接方法であって、第１のビーム１から第２のビーム２への切替えと第２のビーム２から第１のビーム１への切替えとの少なくとも一方の切替え中に、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与える電子ビーム溶接方法からなる。電子ビームは溶接方向に連続的に送られる。
１本の電子ビームは電磁石である偏向コイル（電磁石）１０等により照射方向を交互に切替えられ、第１のビーム１照射時には第２のビームは照射されておらず、第２のビーム照射時は第１のビームは照射されていない。
切替えは高速（たとえば１サイクルがｍｓｅｃのオーダ）で行われる。第１のビーム１で溶接を行い、第２のビーム２で溶接欠陥抑制を行う。
【０００７】
本発明実施例の電子ビーム溶接方法における第１、第２のビーム１、２の照射位置と時間との関係を、第１、第２のビーム１、２の照射位置を縦軸に、時間を横軸にとって、グラフに示すと、図２のパターン７のようになる。８は第１、第２のビーム１、２の照射位置間の距離である。
図２（本発明実施例方法）と図６（従来方法）との比較からわかるように、従来方法では第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置とが横軸（時間軸）に直交する直線で連結されていたものが、本発明方法では、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置とが横軸（時間軸）に直交する直線に対して傾いた、曲線７ａ、７ｂまたは直線により、連結されている。すなわち、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置との間の電子ビームのシフトを、従来の矩形波のように瞬時に（時間０で）行うのではなく、本発明方法では若干の時間幅で緩慢に行う。そして、この横軸（時間軸）に直交する直線に対して傾いた、曲線７ａ、７ｂまたは直線の部分で、電子ビームは、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間の部分（溶融池５の部分）１１を加熱しながらシフトするので、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間の部分１１に入熱が与えられる。
【０００８】
図２の例では、第１のビーム１から第２のビーム２への切替えと第２のビーム２から第１のビーム１への切替えとの両方の切替え中に、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間に入熱を与える場合を示している。そして、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置とが横軸（時間軸）に直交する直線に対して傾いた、二次曲線により、連結されている場合を示している。ただし、これらの条件に限定されるものではなく、第１のビーム１から第２のビーム２への切替えか、または第２のビーム２から第１のビーム１への切替えかのいずれか一方に入熱がある場合であってもよいし、また、第１のビームの照射位置と第２のビームの照射位置とが横軸（時間軸）に直交する直線に対して傾いた、直線により、連結されている場合であってもよい。また、電子ビームは第１のビームの照射位置および第２のビームの照射位置の少なくとも一方の位置で、前後方向に振動させてもよい。
【０００９】
本発明実施例の電子ビーム溶接方法では、第１のビーム１は溶接を行うためのビームで、キーホール３を形成しながら溶接方向へと進んで行く。図１において、第１のビーム１より前方の被溶接物の上面より第１のビーム１より後方の被溶接物の上面が高い位置にあるのは溶接ビードが盛り上がるからである。キーホール３の後方でキーホール３の近傍部分は、被溶接物の金属（たとえば、炭素鋼）の溶融した溶融池５であり、第１のビーム３から後方に離れるに従って冷えて固まろうとする。キーホール３の近傍では溶融金属が気化することによって発生する気泡４が生じる。
この気泡４は大きいものは浮力によって上昇し、溶融池表面から噴出しスパッタやクレーターの溶接欠陥の原因となる。小さい気泡４は溶融池５内にとどまってブローホール等の欠陥の原因となる。これを抑制するのが第２のビーム２で、溶融池５を再加熱し、攪拌することにより、気泡４を母材外に逃がす役目を果たす。
【００１０】
従来は、第１のビーム照射位置と第２のビーム照射位置との間の部分に電子ビーム照射による入熱が与えられないので、第１のビーム照射位置と第２のビーム照射位置との間の部分は冷えて表面が固まろうとする。それに伴って溶融金属の粘度も高くなる。その状態で気泡４が表面から噴出するとスパッタも多くなりクレータも大きくなる。それに対し、本発明実施例の電子ビーム溶接方法では、従来と異なり、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間の部分１１に入熱が与えられるので、溶融池５は再加熱されて冷え固まるのが遅れ表面に薄膜も張らなくなり粘度も低くなって、気泡４噴出時のスパッタが少なくなり、クレータも小さくなる。また、溶融池５の溶融金属の対流、攪拌も促進され、溶融池５内の気泡４も表面に循環されて、ブローホールの形成が抑制される。これらの結果、溶接欠陥発生が抑制される。
【００１１】
本発明実施例の電子ビーム溶接方法と従来の電子ビーム溶接方法とで、スパッタ発生回数を測定し、比較した結果の比を、図３に示す。図３からわかるように、本発明実施例の電子ビーム溶接方法でのスパッタ発生回数は、従来の電子ビーム溶接方法でのスパッタ発生回数の約７割に減少した。
また、本発明実施例の電子ビーム溶接方法では、溶接欠陥の抑制の他に、溶接部の置き割れ（残留応力で鋼材溶接部に生じる割れ）対策にも効果がある。これは、第１のビーム１によって溶融された金属が固まる速度が第１、第２のビーム位置間での入熱によって遅らされ、徐冷となって、急冷によるマルテンサイト組織の生成が抑制されるからである。
【００１２】
つぎに、本発明実施例の電子ビーム溶接装置を、図４、図５を参照して説明する。
本発明実施例の電子ビーム溶接装置は、図４に示すように、単一の電子ビームを発生する電子銃１２と、電子ビームを偏向させる磁界を発生する偏向コイル１０と、偏向コイル制御パターンを作成して偏向コイルに送り電子ビームを送り方向に第１のビームと該第１のビームより後方の第２のビームに時間分割するパターンジェネレータ（制御信号パターン発生器）１３と、を備えた電子ビーム溶接装置である。電子銃１２は、ヒータで加熱したタングステン陰極から出た電子を陽極に向かって加速させ、電子を射出する。パターンジェネレータ１３に書き込まれる偏向コイル制御パターン（図２のパターン７）は、第１のビーム１から第２のビーム２への切替えと第２のビーム２から第１のビーム１への切替えとの少なくとも一方の切替え中に、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビーム２の照射位置との間の部分１１に入熱を与えるパターンとされている。電子銃１２と偏向コイル１０との間に、電子ビームを所要の大きさに集束する集束コイルが、通常設けられている。電子ビームが偏向コイル１０で発生された磁界の中を通る時に磁界の強さに応じて曲がり、磁界をオンオフさせるかまたは磁界の強さを強弱させることにより、曲がり具合（偏向）が変化し、電子ビームは第１のビーム１と第２のビーム２に時間分割される。
【００１３】
第１のビーム１と第２のビーム２の一方から他方への切替えの時間的遅延は、たとえばつぎのようにして行うことができる。パターンジェネレータ１３への図２の制御パターン７の書込みは、ＲＯＭライターで行うが、この時、図５に示すように、第１のビーム１と第２のビーム２の一方から他方への切替え時近傍を時間的に数区間に区分し、各区分での偏向コイル１０の磁界の強さを変える信号をパターンジェネレータ１３であるＲＯＭに書き込んでおく。これによって、第１のビーム１と第２のビーム２の一方から他方への切替えパターンが、図２の時間軸に直交する線から傾斜した曲線７ａ、７ｂまたは直線となる。ただし、第１のビーム１と第２のビーム２の一方から他方への切替えの時間的遅延は、上記以外の方法によって行ってもよい。
【００１４】
本発明実施例の電子ビーム溶接装置の作用は、前述の本発明実施例の電子ビーム溶接方法と同じである。
すなわち、被溶接物９の、第１のビーム１の照射位置と第２のビームの照射位置との間の部分１１に入熱が与えられるので、溶融池５は再加熱されて冷え固まるのが遅れ、気泡４噴出時のスパッタが少なくなり、クレータも小さくなる。また、溶融池５の溶融金属の対流、攪拌も促進され、ブローホールの形成が抑制される。これらの結果、溶接欠陥発生が抑制される。
また、溶接欠陥の抑制の他に、溶接部の置き割れ対策にも効果がある。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の電子ビーム溶接方法および請求項２の電子ビーム溶接装置によれば、被溶接物の、第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置との間の部分に電子ビーム照射による入熱が入るので、溶融池のうち第１ビーム照射位置と第２ビーム照射位置との間の部分が再加熱されて、冷え固まるのが遅らされ、かつ対流により攪拌される。冷え固まりの遅延によって、溶融金属の粘性が低下され、気泡が溶融池表面から噴出するときに溶融金属を巻きこみにくくなり、スパッタを減少させることができる。また、溶融金属の攪拌が促進されることによって、溶融金属内の気泡が表面に移動しやすくなり、溶接部のブローホール欠陥を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の電子ビーム溶接方法および電子ビーム溶接装置における第１、第２ビームが照射されている状態での被溶接物の断面図である。
【図２】本発明実施例の電子ビーム溶接方法および電子ビーム溶接装置における、第１、第２ビーム位置を縦軸にとり時間を横軸にとったグラフで示した、電子ビームの時間分割パターン図である。
【図３】本発明実施例の電子ビーム溶接方法および電子ビーム溶接装置におけるスパッタ発生量と、従来の電子ビーム溶接方法におけるスパッタ発生量との、比較を示す棒グラフである。
【図４】本発明実施例の電子ビーム溶接装置の系統図である。
【図５】本発明実施例の電子ビーム溶接方法および電子ビーム溶接装置における、電子ビームの時間分割パターンの作成要領図である。
【図６】従来の電子ビーム溶接方法における、第１、第２ビーム位置を縦軸にとり時間を横軸にとったグラフで示した、電子ビームの時間分割パターン図である。
【符号の説明】
１  第１ビーム
２  第２ビーム
３  キーホール
４  気泡
５  溶融池
６  従来の電子ビーム時間分割パターン
７  本発明の電子ビーム時間分割パターン
７ａ  本発明の電子ビーム時間分割パターンの第１ビームから第２ビームへの移行部分（時間軸に直交する線から傾いた部分）
７ｂ  本発明の電子ビーム時間分割パターンの第２ビームから第１ビームへの移行部分（時間軸に直交する線から傾いた部分）
８  第１ビーム照射位置と第１ビーム照射位置との間の距離
９  被溶接物（２枚の薄鋼板の突き合わせ部）
１０  偏向コイル（電磁石）
１１  被溶接物の、第１ビーム照射位置と第１ビーム照射位置との間の部分
１２  電子銃
１３  パターンジェネレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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