JP2006297473A - Electron beam welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子ビームを被溶接部材の溶接部に照射して、その部分を溶融させて被溶接部材を溶接する電子ビーム溶接方法に関する。より詳細には、溶接部における溶け込み深さ（形状）を高精度に管理することができる電子ビーム溶接方法に関するものである。 The present invention relates to an electron beam welding method for irradiating a welded portion of a member to be welded, melting the portion, and welding the member to be welded. More specifically, the present invention relates to an electron beam welding method capable of managing a penetration depth (shape) in a welded portion with high accuracy.
溶接方法の１つとして、電子ビーム溶接がある。この電子ビーム溶接は、真空中で電子ビームを被溶接部材に照射することにより、光に近い速度に加速され集束された電子を被溶接部材に衝突させ、その衝突点に発生する超高熱を利用して、被溶接部材の溶接を行うようになっている。 One welding method is electron beam welding. In this electron beam welding, the target member is irradiated with an electron beam in a vacuum to cause the focused electron to collide with the target member and collide with the target member. Thus, the welded member is welded.
このような電子ビーム溶接方法では、例えば特公平６−３５０７１号公報に記載されているように、溶接部の溶け込み深さはビーム電流を変化させることにより制御されている。具体的には、図１５に示すように、溶接開始部では徐々にビーム電流を大きくしていき、溶接終了部ではビーム電流を徐々に小さくしていく。これにより、図１６に示すような溶け込み形状が形成されて被溶接部材の溶接が行われるようになっている。なお、図１５は、ビーム電流の変化の様子を表す図であり、図１６は、被溶接部材の溶け込み深さを示す断面図である。 In such an electron beam welding method, for example, as described in Japanese Patent Publication No. 6-35071, the penetration depth of the welded portion is controlled by changing the beam current. Specifically, as shown in FIG. 15, the beam current is gradually increased at the welding start portion, and the beam current is gradually decreased at the welding end portion. Thereby, the penetration shape as shown in FIG. 16 is formed, and welding of the member to be welded is performed. FIG. 15 is a diagram showing how the beam current changes, and FIG. 16 is a cross-sectional view showing the penetration depth of the member to be welded.
しかしながら、上記した従来の電子ビーム溶接方法では、溶接始終端部（図１６のｔ１〜ｔ２の区間、およびｔ３〜ｔ４の区間）において、溶け込み深さ（形状）にばらつきが生じてしまうという問題があった。なぜなら、この区間で図１５に示すようにビーム電流を変化させているため、ビーム電流が不安定となるからである。このため、溶接部における溶け込み深さ（形状）を精度よく形成することができなかった。 However, in the conventional electron beam welding method described above, there is a problem that the penetration depth (shape) varies in the welding start / end portion (sections t1 to t2 and sections t3 to t4 in FIG. 16). there were. This is because the beam current becomes unstable because the beam current is changed in this section as shown in FIG. For this reason, the penetration depth (shape) in the welded part could not be formed with high accuracy.
また、従来の電子ビーム溶接方法では、ビーム電流を上昇させた後、瞬時にビーム電流を下降させることができない。このため、図１７に示すような三角形の溶け込み形状を形成することができなかった。 Further, in the conventional electron beam welding method, the beam current cannot be instantaneously decreased after the beam current is increased. For this reason, the triangular penetration shape as shown in FIG. 17 could not be formed.
そこで、このような問題を解決すべく本出願人は、特願２００４−３４４２９にて、溶接部の溶け込み形状を精度よく形成して安定した溶接を行うことができる電子ビーム溶接方法を提案した。この電子ビーム溶接方法では、ビーム電流を一定にし、パルス照射数を変化させることにより、所望の溶け込み形状を精度良く形成することができるようになっている。 Therefore, in order to solve such a problem, the present applicant proposed in Japanese Patent Application No. 2004-34429 an electron beam welding method capable of forming a penetration shape of a welded portion with high accuracy and performing stable welding. In this electron beam welding method, a desired penetration shape can be formed with high accuracy by making the beam current constant and changing the number of pulse irradiations.
しかしながら、上記の電子ビーム溶接方法では、溶け込みピークが狙い位置からずれてしまうおそれがあることがわかった。例えば、三角形の溶け込み形状を形成する場合では、図１８に示すように、溶け込みピークがセンターから溶接方向へずれ量Ｅだけずれてしまうおそれがある。上記の電子ビーム溶接方法では、溶接部分の一端から他端に向けて電子ビームの照射が行われる（溶接方向が１方向である）ため、被溶接部材における蓄熱による熱伝導によって溶接方向に溶け込みが助長され溶け込みピークがずれると考えられる。そして、溶け込みピークがずれてしまうと、狙いの溶け込み形状を得ることができずビームの突き抜け不良等が発生するおそれがある。 However, it has been found that the above-described electron beam welding method may cause the penetration peak to deviate from the target position. For example, in the case of forming a triangular penetration shape, the penetration peak may shift by a deviation amount E from the center in the welding direction, as shown in FIG. In the above-mentioned electron beam welding method, since the electron beam is irradiated from one end of the welded portion to the other end (the welding direction is one direction), the welding is melted in the welding direction by heat conduction due to heat storage in the welded member. It is thought that the penetration peak is shifted due to the promotion. If the penetration peak shifts, the target penetration shape cannot be obtained, and there is a possibility that a beam penetration failure or the like may occur.
ここで、溶け込みピークのずれをなくすには、溶け込みピークのずれ量を実験データにより予め求めておき、そのずれ量を見込んで電子ビームの照射を制御すればよい。ところが、このような方法では、溶け込み形状が変われば、各形状に合わせて溶け込みピークのずれ量をそれぞれ求めなければならないため非常に煩雑である。 Here, in order to eliminate the deviation of the penetration peak, the deviation amount of the penetration peak may be obtained in advance from experimental data, and the electron beam irradiation may be controlled in consideration of the deviation amount. However, in such a method, if the penetration shape changes, the amount of deviation of the penetration peak must be determined according to each shape, which is very complicated.
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、溶接部の溶け込みピークが狙い位置からずれることなく安定した溶接を行うことができる電子ビーム溶接方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object to provide an electron beam welding method capable of performing stable welding without causing the penetration peak of the welded portion to deviate from the target position. And
上記課題を解決するためになされた本発明に係る電子ビーム溶接方法は、電子ビームを被溶接部材の溶接部に照射して、その部分を溶融させて被溶接部材を溶接する電子ビーム溶接方法であって、前記溶接部を複数の区間に区切り、前記各区間に対する電子ビームの照射を、前記溶接部の左右端から中央に向けて左右交互に行い、前記各区間ごとにおける電子ビームのパルス照射回数を変化させることにより、前記各区間における溶け込み深さを制御することを特徴とする。 An electron beam welding method according to the present invention made to solve the above problems is an electron beam welding method in which an electron beam is applied to a welded portion of a member to be welded, and the welded member is welded by melting that portion. The welding portion is divided into a plurality of sections, and the irradiation of the electron beam to each section is performed alternately from the left and right ends toward the center of the welding section, and the number of times of electron beam pulse irradiation in each section It is characterized in that the penetration depth in each section is controlled by changing.
この電子ビーム溶接方法では、溶接部を複数の区間に区切って、各区間ごとに電子ビームのパルス照射回数を変化させ、各区間における溶け込み深さを制御する。そして、各区間に対する電子ビームの照射を、溶接部の左右端から中央に向けて左右交互に行って溶接を行う。すなわち、各区間ごとに行う電子ビーム溶接を１方向ではなく左右交互に行って、最終的に溶接部全体を溶接するのである。このように、各区間における電子ビーム溶接が左右交互に行われるため、被溶接部材における蓄熱差がなくなり、熱伝導による溶け込みのずれが生じなくなる。 In this electron beam welding method, the welded portion is divided into a plurality of sections, and the number of times of electron beam pulse irradiation is changed for each section to control the penetration depth in each section. Then, welding is performed by alternately irradiating the electron beam to each section from the left and right ends of the welded portion toward the center. That is, the electron beam welding performed for each section is performed alternately on the left and right instead of in one direction, and finally the entire welded portion is welded. As described above, since the electron beam welding in each section is alternately performed on the left and right sides, there is no difference in heat storage in the member to be welded, and no shift in penetration due to heat conduction occurs.
そして、各区間における溶け込み深さは、電子ビームのパルス照射回数に応じて変化するので、各区間における溶け込み深さを精度よく管理することができる。そのため、溶け込みピークがずれることなく、溶接部全体の溶け込み形状を正確に形成することができるので、安定した溶接を行うことができる。その結果、図１７に示すような三角形の溶け込み形状であっても正確に形成することができる。 And since the penetration depth in each section changes according to the number of times of pulse irradiation of an electron beam, the penetration depth in each section can be managed with high accuracy. Therefore, since the penetration shape of the entire welded portion can be accurately formed without shifting the penetration peak, stable welding can be performed. As a result, even a triangular penetration shape as shown in FIG. 17 can be formed accurately.
ここで、電子ビーム溶接を行うためには、電子ビームと被溶接部材とを相対移動させる必要がある。そのためには、被溶接部材を固定して電子ビームを照射する電子銃を移動させる、あるいは逆に、電子銃を固定して被溶接部材を移動させることも考えられるが、電子銃、被溶接部材ともに固定して電子ビーム自体を高速偏向させればよい。電子ビーム自体を高速偏向させる方が簡単であり、かつ溶接部における溶け込み深さをより高精度に管理することができるからである。 Here, in order to perform the electron beam welding, it is necessary to relatively move the electron beam and the member to be welded. For this purpose, it is conceivable to move the electron gun that irradiates the electron beam while fixing the member to be welded, or conversely, the electron gun and the member to be welded may be moved by fixing the electron gun. Both may be fixed and the electron beam itself may be deflected at high speed. This is because it is easier to deflect the electron beam itself at high speed, and the penetration depth in the welded portion can be managed with higher accuracy.
また、電子ビームのパルス照射周波数は、１〜１０ｋＨｚの範囲内で設定すればよい。１ｋＨｚよりも小さく設定すると安定した溶接ができず、１０ｋＨｚよりも大きく設定するとビーム照射の制御系に余分な負荷がかかり電子ビームが不安定なものになるからである。 Moreover, what is necessary is just to set the pulse irradiation frequency of an electron beam within the range of 1-10 kHz. This is because stable welding cannot be performed if the frequency is set lower than 1 kHz, and an excessive load is applied to the beam irradiation control system and the electron beam becomes unstable when the frequency is set higher than 10 kHz.
なお、溶接部を複数に区切った各区間の区間ピッチは、溶け込み深さの要求精度によって設定すればよい。この区間ピッチは、最大で０．７ｍｍ程度まで設定可能であるが、好ましくは０．２ｍｍ程度に設定することが望ましい。区間ピッチを０．７ｍｍよりも大きく設定すると、溶接部における溶け込み形状が安定しない一方、区間ピッチを０．２ｍｍよりも小さくすると、電子ビームと被溶接部材の相対移動の制御が複雑になるだけで溶接部における溶け込み形状の精度にはさほど影響しない（つまり、精度が向上しない）からである。 In addition, what is necessary is just to set the area pitch of each area which divided | segmented the welding part into plurality with the required precision of the penetration depth. The interval pitch can be set up to about 0.7 mm, but is preferably set to about 0.2 mm. If the section pitch is set larger than 0.7 mm, the penetration shape in the welded portion is not stable. On the other hand, if the section pitch is smaller than 0.2 mm, the control of the relative movement of the electron beam and the member to be welded becomes complicated. This is because the accuracy of the penetration shape in the welded portion is not significantly affected (that is, the accuracy is not improved).
そして、前記各区間における電子ビームのパルス照射回数Ｋｎは、前記溶接部における最深部の溶け込み深さをｈｃ、前記最深部における電子ビームのパルス照射回数をＫｃ、前記各区間における狙いの溶け込み深さをｈｎとすると、
Ｋｎ＝Ｋｃ・（ｈｎ／ｈｃ）2
となる関係式により設定すればよい。
The number of pulse irradiations Kn of the electron beam in each of the sections is hc, the penetration depth of the deepest part in the weld, Kc, the number of pulse irradiations of the electron beam in the deepest part, and the target penetration depth in each section. Is hn,
Kn = Kc · (hn / hc) 2
What is necessary is just to set with the relational expression which becomes.
ここで、溶接部の形状はあらかじめわかっているので、溶接部における最深部の溶け込み深さｈｃ、および各区間における狙いの溶け込み深さｈｎは簡単に求められる。一方、パルス照射回数Ｋｃと溶け込み深さｈｃとの関係は、被溶接部材の材質、ビーム電流、ビーム加速電圧、フォーカス等によって大きく変化するため、両者の関係をあらかじめ実験により求めておくことが必要である。具体的には、テストピースを準備して、実際に溶接を行う条件下において、要求される溶け込み深さが得られるまで電子ビームをテストピースに照射し、そのときのパルス照射回数を測定すればよい。このように、パルス照射回数Ｋｃと溶け込み深さｈｃとの関係も、非常に簡単に求めることができる。したがって、各区間における電子ビームのパルス照射回数Ｋｎを、上記の関係式により非常に簡単に決定することができる。 Here, since the shape of the welded portion is known in advance, the penetration depth hc of the deepest portion in the welded portion and the target penetration depth hn in each section can be easily obtained. On the other hand, the relationship between the pulse irradiation frequency Kc and the penetration depth hc varies greatly depending on the material of the member to be welded, the beam current, the beam acceleration voltage, the focus, and the like. It is. Specifically, by preparing a test piece and irradiating the test piece with an electron beam until the required penetration depth is obtained under the actual welding conditions, and measuring the number of pulse irradiations at that time Good. As described above, the relationship between the pulse irradiation frequency Kc and the penetration depth hc can be obtained very easily. Accordingly, the number of pulse irradiations Kn of the electron beam in each section can be determined very simply by the above relational expression.
電子ビームのパルス照射回数Ｋｎを求めるために、溶接部における最深部の溶け込み深さｈｃとそれを得るために必要なパルス照射回数Ｋｃを使用するのは、それ以外の部分（区間）におけるパルス照射回数Ｋｎを内挿法により求めるためである。これにより、外挿法を使用する場合に比べ、パルス照射回数Ｋｎをより精度よく求めることができる。そして、その結果として、溶け込み形状を高精度に管理し安定した溶接を行うことができるからである。 In order to obtain the number of times of pulse irradiation Kn of the electron beam, the penetration depth hc of the deepest part in the weld and the number of pulse irradiations Kc necessary to obtain it are used for pulse irradiation in the other part (section). This is because the number of times Kn is obtained by interpolation. Thereby, compared with the case where an extrapolation method is used, the pulse irradiation frequency Kn can be calculated | required more accurately. As a result, the penetration shape can be managed with high accuracy and stable welding can be performed.
また、本発明に係る電子ビーム溶接方法においては、ビーム電流を一定にして電子ビームのパルス照射回数を変化させることが望ましい。こうすることにより、ビーム電流が不安的になることがないので、溶接部における溶け込み形状をより精度よく管理することができるからである。 Further, in the electron beam welding method according to the present invention, it is desirable to change the number of times of electron beam pulse irradiation while keeping the beam current constant. By doing so, the beam current does not become uneasy, so the penetration shape in the welded portion can be managed with higher accuracy.
本発明に係る電子ビーム溶接方法によれば、上記した通り、溶接部の溶け込みピークが狙い位置からずれることなく安定した溶接を行うことができる。 According to the electron beam welding method of the present invention, as described above, stable welding can be performed without the penetration peak of the welded portion deviating from the target position.
以下、本発明の電子ビーム溶接方法を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態では、図１に示すような部品１０（自動車のＡ／Ｔ部品）を製造するために、図２および図３に示すキャリア１１をベース１２に溶接する場合について説明する。キャリア１１とベース１２の材質は、ともに炭素鋼である。なお、図１は、溶接後の部品（完成品）を示す斜視図である。図２は、キャリアを示す斜視図である。図３は、キャリアの底面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The most preferred embodiment that embodies the electron beam welding method of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a case will be described in which the
ここで、キャリア１１は、図２および図３に示すように、３本の支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃが備わっている。そして、これらの支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの底面がベース１２に対して溶接されて部品１０（図１参照）が完成する。これら支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、すべて同一形状であり、略三角柱形状をなしている。そして、キャリア１１とベース１２とを溶接するためには、これらの支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各底面部を溶融させることが必要となる。そのため、各溶接部（溶け込み形状）ＥＢＷは、三角形状となる。そして、各支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの底面に、三角形状の溶接部ＥＢＷを正確に形成しないと、ビーム貫通不良や完成品の剛性不足などの不具合が発生してしまうので、三角形状の溶接部ＥＢＷを正確に形成することが必要となる。
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, the
次に、上記したキャリア１１とベース１２との溶接を行う装置の概要について、図４を参照しながら説明する。図４は、電子ビーム溶接装置２０の概略構成を示す構成図である。この電子ビーム溶接装置２０は、電子ビームＥＢを溶接部ＥＢＷに対して発射する電子銃２１と、電子銃２１から照射される電子ビームＥＢが通過する金属蒸気シール筒２２と、金属蒸気シール筒２２の周辺に配置され、金属蒸気シール筒２２内の磁界を自由に変化させる偏向コイル２３とを備えている。そして、図示しない制御回路が電子銃２１および偏向コイル２３に接続されており、電子ビームＥＢの照射や偏向などが制御されるようになっている。
Next, an outline of an apparatus for welding the
このような電子ビーム溶接装置２０では、まず、電子銃２１から電子ビームＥＢが発射される。そうすると、電子ビームＥＢは、金属蒸気シール筒２２内を通過する。このとき、偏向コイル２３に所定の電流を供給すると、金属蒸気シール筒２２内の磁界が変化する。そして、偏向コイル２３に供給する電流の大きさに応じて、金属蒸気シール筒２２内の磁界の変化割合が変化する。このようにして電子ビーム溶接装置２０は、金属蒸気シール筒２２内の磁界を変化させることにより、電子ビームＥＢの照射方向を偏向させ、電子ビームＥＢを溶接部ＥＢＷの左右端から中央に向けて左右交互に照射する。これにより、電子ビーム溶接装置２０は、被溶接部材の溶接部ＥＢＷ全域を溶融させて被溶接部材を溶接することができるようになっている。
In such an electron
次に、上記の電子ビーム溶接装置２０を使用した溶接方法、つまり本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法について、図５を参照しながら説明する。図５は、本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法の概要を説明するための説明図である。まず、電子ビーム溶接装置２０において、電子銃２１から発射される電子ビームＥＢのパルス照射周波数を１ｋＨｚに設定する。このとき、ビーム電流、ビーム加速電圧、フォーカスは一定に設定する。つまり、溶接中はこれらの値を変更しない。また、被溶接部材（キャリア１１とベース１２）を所定位置に固定する。
Next, a welding method using the above-described electron
なお、電子ビームのパルス照射周波数は、１〜１０ｋＨｚの範囲内で設定することが可能である。１ｋＨｚよりも小さく設定すると安定した溶接ができず、１０ｋＨｚよりも大きく設定するとビーム照射の制御系に余分な負荷がかかり電子ビームが不安定なものになるからである。 The pulse irradiation frequency of the electron beam can be set within a range of 1 to 10 kHz. This is because stable welding cannot be performed if the frequency is set lower than 1 kHz, and an excessive load is applied to the beam irradiation control system and the electron beam becomes unstable when the frequency is set higher than 10 kHz.
次いで、図５に示すように、溶接区間を０．２ｍｍピッチで区切り、各区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎにおける電子ビームＥＢのパルス照射回数Ｋｃ，Ｋ１〜Ｋｎを次式を用いて設定する。
Ｋｎ＝Ｋｃ・（ｈｎ／ｈｃ）2
例えば、ｈｃ＝１０ｍｍ、Ｋｃ＝４０回であって、求めたい区間Ｐｎの狙い溶け込み深さｈｎがｈｎ＝５ｍｍであるとすると、区間Ｐｎにおける電子ビームＥＢのパルス照射回数Ｋｎは、Ｋｎ＝１０回となる。
Next, as shown in FIG. 5, the welding section is divided at a pitch of 0.2 mm, and the number of pulse irradiations Kc, K1 to Kn of the electron beam EB in each section Pc, P1 to Pn is set using the following formula.
Kn = Kc · (hn / hc) 2
For example, if hc = 10 mm and Kc = 40 times, and the target penetration depth hn of the section Pn to be obtained is hn = 5 mm, the number of pulse irradiations Kn of the electron beam EB in the section Pn is Kn = 10 times. It becomes.
なお、各区間の区間ピッチは、溶け込み深さの要求精度に応じて設定すればよく、最大で０．７ｍｍ程度まで設定可能である。ここで、区間ピッチを０．７ｍｍよりも大きく設定すると、溶接部における溶け込み形状が安定しない。その一方、区間ピッチを０．２ｍｍよりも小さくしても電子ビームＥＢの偏向制御が複雑になるだけで溶接部における溶け込み形状の精度は向上しない。したがって、本実施の形態では、区間ピッチを０．２ｍｍに設定しているのである。 In addition, what is necessary is just to set the area pitch of each area according to the required precision of the penetration depth, and it can set to about 0.7 mm at maximum. Here, if the section pitch is set larger than 0.7 mm, the penetration shape in the welded portion is not stable. On the other hand, even if the section pitch is smaller than 0.2 mm, the deflection control of the electron beam EB is only complicated, and the accuracy of the penetration shape in the welded portion is not improved. Therefore, in this embodiment, the section pitch is set to 0.2 mm.
また、図５に示す下向き矢印は、電子ビームの照射回数のイメージを表している。つまり、下向き矢印が少ない区間では電子ビームの照射回数が少なく、下向き矢印が多い区間では電子ビームの照射回数が多い。従って、図５では、三角形状の溶け込み形状を形成するために、左右端よりも中央に位置する区間における下向き矢印の数（つまり、電子ビームの照射回数）が多くなっている。 Moreover, the downward arrow shown in FIG. 5 represents an image of the number of times of electron beam irradiation. That is, the number of times of electron beam irradiation is small in the section where the downward arrow is small, and the number of times of electron beam irradiation is large in the section where the downward arrow is large. Therefore, in FIG. 5, in order to form a triangular penetration shape, the number of downward arrows (that is, the number of times of electron beam irradiation) in the section located in the center rather than the left and right ends is increased.
そして、上記のようにして求めた各区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎにおける電子ビームＥＢのパルス照射回数Ｋｃ，Ｋ１〜Ｋｎに応じて、各区間内で等間隔にパルス照射するように、各区間における照射ピッチを求める。なお、本実施の形態では、区間ピッチを０．２ｍｍとしているため、各区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎにおける照射ピッチは、「０．２／（各区間における電子ビームのパルス照射回数）」となる。 Then, irradiation in each section is performed so as to perform pulse irradiation at equal intervals in each section according to the number of pulse irradiation times Kc, K1 to Kn of the electron beam EB in each section Pc, P1 to Pn obtained as described above. Find the pitch. In the present embodiment, since the section pitch is 0.2 mm, the irradiation pitch in each section Pc, P1 to Pn is “0.2 / (number of electron beam pulse irradiation in each section)”.
以上の設定にて、図６に示すように、溶接部左右端から中央（中心）に向かって、電子ビームＥＢを高速偏向させながら、図示する（１）（２）（３）…の順で左右交互に照射していく。これにより、溶接部ＥＢＷを溶融させて溶接を行う。図６では、溶接部左端から溶接（電子ビームの照射）を開始しているが、溶接部右端から溶接を開始してもよい。なお、図６は、照射順序を模式的に示す説明図である。 With the above settings, as shown in FIG. 6, the electron beam EB is deflected at high speed from the left and right ends of the welded portion toward the center (center), and in the order of (1), (2), (3). Irradiate alternately left and right. Thereby, welding is performed by melting the welded portion EBW. In FIG. 6, welding (electron beam irradiation) is started from the left end of the welded portion, but welding may be started from the right end of the welded portion. In addition, FIG. 6 is explanatory drawing which shows an irradiation order typically.
このように、本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法では、溶接部ＥＢＷを複数の区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎに区切って、ビーム電流を一定にして各区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎごとに電子ビームＥＢのパルス照射回数Ｋｃ，Ｋ１〜Ｋｎを変化させ、各区間Ｐｃ，Ｐ１〜Ｐｎにおける溶け込み深さを制御する。このとき、各区間に対する電子ビームＥＢの照射を、電子ビームＥＢを高速偏向させることにより溶接部ＥＢＷの左右端から中心に向かって左右交互に行う。 Thus, in the electron beam welding method according to the present embodiment, the welded portion EBW is divided into a plurality of sections Pc, P1 to Pn, the beam current is made constant, and the electron beam EB is used for each section Pc, P1 to Pn. The number of pulse irradiations Kc, K1 to Kn is changed, and the penetration depth in each section Pc, P1 to Pn is controlled. At this time, the electron beam EB is irradiated to each section alternately left and right from the left and right ends of the welded portion EBW by deflecting the electron beam EB at high speed.
これにより、各区間における溶け込み深さは、電子ビームのパルス照射回数に応じて変化するので、各区間における溶け込み深さを精度よく管理することができる。また、電子ビームＥＢの照射が左右交互に行われるため、被溶接部材における蓄熱差がなくなり熱伝導による溶け込みのずれがなくなる。その結果として、三角形状の溶接部ＥＢＷにおける溶け込みを、溶け込みピーク位置がずれることなく正確に形成することができ、安定した溶接を行うことができる。 Thereby, since the penetration depth in each section changes in accordance with the number of times of electron beam pulse irradiation, the penetration depth in each section can be managed with high accuracy. Moreover, since the irradiation of the electron beam EB is alternately performed on the left and right, there is no difference in heat storage in the member to be welded, and there is no shift in penetration due to heat conduction. As a result, the penetration in the triangular welded portion EBW can be accurately formed without shifting the penetration peak position, and stable welding can be performed.
続いて、ベース１２に対してキャリア１１を溶接する場合について、図７〜図９を参照しながら具体的な数値を挙げて説明する。図７は、ベース１２に対してキャリア１１を溶接する場合における溶接方法および要求される溶け込み形状を説明する説明図である。図８は、溶接位置と電子ビームのパルス照射回数およびビーム電流との関係を示すグラフである。図９は、溶け込み深さが１０ｍｍの位置（図７に示す位置ｂ）において、ビーム電流を変化させた場合におけるパルス照射回数の変化を示す図である。
Subsequently, the case where the
ベース１２に対してキャリア１１を溶接する場合には、図７に示すような正三角形（最深部ｂの溶け込み深さが１０ｍｍ）の溶け込み形状を形成することが要求される。完成品１０は、高剛性が要求されるものであり、可能な限り広範囲で溶接する必要があるからである。そして、このような溶け込み形状を形成すべく、上記した方法により図７に示すように、位置ａから位置ｃまでの区間を０．２ｍｍピッチで区切り、電子ビームＥＢを高速偏向して左右交互に各区間ごとに所定回数ずつ照射する。このときの溶接条件は、図８に示すように、最深部ｂにおけるパルス照射回数ＫｃはＫｃ＝４０回であり、ビーム電流ＩはＩ＝７５ｍＡである。なお、図８に示すグラフは、ビーム加速電圧６０ｋＶ、パルス照射周波数１ｋＨｚ、ＪＵＳＴフォーカスの場合である。
When the
図８に示すパルス照射回数Ｋｎは、
Ｋｎ＝Ｋｃ・（ｈｎ／ｈｃ）2
により設定される。ここで、Ｋｃ＝４０回、ｈｃ＝１０ｍｍであるから、
Ｋｎ＝０．４（ｈｎ）2
となる。すなわち、パルス照射回数Ｋｎが簡単な二次関数になる。
The number of pulse irradiation Kn shown in FIG.
Kn = Kc · (hn / hc) 2
Is set by Here, since Kc = 40 times and hc = 10 mm,
Kn = 0.4 (hn) 2
It becomes. That is, the number of pulse irradiation Kn is a simple quadratic function.
なお、加工対象ワークの材料特性やワーク形状により部分的に溶け込み不足などが発生した場合には、そのような溶け込み不足などが発生した区間のパルス照射回数に補正値「±Ｋ′ｍ」を入れる必要がある。 If partial penetration is insufficient due to the material properties or workpiece shape of the workpiece to be machined, a correction value “± K′m” is added to the number of pulse irradiations in the section where such insufficient penetration has occurred. There is a need.
このことからも明らかなように、図８に示すように、パルス照射回数Ｋｎのグラフは、
溶接位置（最深部）ｂを境界として左右に線対称な２次関数グラフとなる。一方、ビーム電流Ｉは、図８に示すように溶接を行っている間は常に一定である。これらのことから、本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、図７に示す三角形状の溶け込みを形成して安定した溶接を行うことができるがわかる。また、電子ビームＥＢの照射が左右交互に行われるため、被溶接部材における蓄熱差がなくなり熱伝導による溶け込みのずれがなくなる。そして、実際に溶接したものを調べたところ、ビームの突き抜け不良や溶け込み不足などが発生することなく、また溶け込みピークがずれることなく、三角形状の溶け込み形状が形成されていたことが確認された。
As is clear from this, as shown in FIG. 8, the graph of the pulse irradiation frequency Kn is
It becomes a quadratic function graph that is line-symmetrical to the left and right with the welding position (deepest part) b as a boundary. On the other hand, the beam current I is always constant during welding as shown in FIG. From these facts, it can be seen that the electron beam welding method according to the present embodiment can form a triangular penetration shown in FIG. 7 and perform stable welding. Moreover, since the irradiation of the electron beam EB is alternately performed on the left and right, there is no difference in heat storage in the member to be welded, and there is no shift in penetration due to heat conduction. Then, when the actually welded material was examined, it was confirmed that a triangular penetration shape was formed without causing a penetration failure of the beam or insufficient penetration, and without causing a shift in the penetration peak.
ここで、ビーム電流とパルス照射回数との関係について図９を参照しながら説明する。溶け込み深さｈが一定であれば、ビーム電流Ｉはパルス照射回数Ｋの平方根に反比例することが知られている。つまり、ビーム電流Ｉとパルス照射回数Ｋとの関係は、
Ｉ・√Ｋ＝Ｃ（定数）
となる。
Here, the relationship between the beam current and the number of pulse irradiations will be described with reference to FIG. It is known that if the penetration depth h is constant, the beam current I is inversely proportional to the square root of the pulse irradiation frequency K. That is, the relationship between the beam current I and the pulse irradiation frequency K is
I · √K = C (constant)
It becomes.
したがって、照射区間ピッチが０．２ｍｍ、パルス照射周波数が１ｋＨｚ、材質が炭素鋼の場合、図７に示す溶接位置（最深部：溶け込み深さ１０ｍｍ）ｂでは、ビーム電流ＩはＩ＝７５ｍＡ、パルス照射回数ＫはＫ＝４０回であるから、
７５・√４０＝４７４．３
となる。このようにして算出された定数Ｃ（＝４７４．３）は、前述の条件下では固有値であり、この固有値に基づいてビーム電流Ｉとパルス照射回数Ｋとの関係が図９に示すように求められる。
Therefore, when the irradiation section pitch is 0.2 mm, the pulse irradiation frequency is 1 kHz, and the material is carbon steel, the beam current I is I = 75 mA, pulse at the welding position (deepest part:
75 · √40 = 474.3
It becomes. The constant C (= 474.3) calculated in this way is an eigenvalue under the above-described conditions, and the relationship between the beam current I and the pulse irradiation frequency K is obtained based on this eigenvalue as shown in FIG. It is done.
図９から明らかなように、ビーム電流Ｉを小さくするとパルス照射回数Ｋが増加し、ビーム電流Ｉを大きくするとパルス照射回数Ｋは減少する。ここで、理論的には、ビーム電流Ｉを非常に小さくしてもパルス照射回数Ｋを増やせば所望の溶け込み深さを得ることができる。しかしながら、実際上は加工（溶接）時間も考慮する必要がある。つまり、加工（溶接）時間が長くなるのは、実用的ではない。このようなことから、加工（溶接）時間も考慮すると、周波数１ｋＨｚのときパルス照射回数Ｋが数十回程度となるようにビーム電流Ｉを設定することが好ましい。なお、ビーム電流Ｉの上限は、溶接装置のスペックで決まってしまう。例えば、６ｋＷ仕様の溶接装置を使用した場合で、電子ビームの加速電圧が６０ｋＶであるとすると、ビーム電流Ｉの最大値は１００ｍＡとなる。 As is clear from FIG. 9, when the beam current I is reduced, the number of pulse irradiations K increases, and when the beam current I is increased, the number of pulse irradiations K decreases. Theoretically, a desired penetration depth can be obtained by increasing the number K of pulse irradiations even if the beam current I is very small. However, in practice, it is necessary to consider processing (welding) time. That is, it is not practical that the processing (welding) time becomes long. Therefore, considering the processing (welding) time, it is preferable to set the beam current I so that the pulse irradiation frequency K is about several tens of times when the frequency is 1 kHz. Note that the upper limit of the beam current I is determined by the specifications of the welding apparatus. For example, when a 6 kW welding apparatus is used and the acceleration voltage of the electron beam is 60 kV, the maximum value of the beam current I is 100 mA.
したがって、前述の条件下で固有値Ｃ＝４７４．３を有する場合には、図９からわかるように、ビーム電流ＩとしてＩ＝５０〜１００ｍＡの範囲内で設定すればよい。より好ましくは、溶接装置のスペックから定まる最大ビーム電流値の半分程度にするのがよい。これにより、加工（溶接）時間を長くすることなく溶接装置への負担もかからないからである。 Therefore, when it has eigenvalue C = 474.3 under the above-mentioned conditions, as can be seen from FIG. 9, the beam current I may be set within a range of I = 50 to 100 mA. More preferably, it should be about half of the maximum beam current value determined from the specifications of the welding apparatus. This is because the processing (welding) time is not increased and no burden is imposed on the welding apparatus.
次に、被溶接部材（材質）を変更した場合における、ビーム電流とパルス照射回数との関係について、図１０〜図１２を参照しながら説明する。図１０は、６ｋＷ：６０ｋＶ仕様の電子ビーム溶接装置において、炭素鋼と同一条件下で溶接した場合における各材質ごとの溶け込み深さを示す図である。図１１は、炭素鋼と同一条件下で溶接した場合に、各材質ごとに必要とされるビーム電流を示す図である。図１２は、各材質ごとにおけるビーム電流とパルス照射回数との関係を示す図である。 Next, the relationship between the beam current and the number of pulse irradiations when the member to be welded (material) is changed will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram showing a penetration depth for each material when welding is performed under the same conditions as carbon steel in an electron beam welding apparatus of 6 kW: 60 kV specification. FIG. 11 is a diagram showing a beam current required for each material when welding is performed under the same conditions as carbon steel. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the beam current and the number of pulse irradiations for each material.
まず、炭素鋼と同一条件下で溶接した場合、各材質では図１０に示すような溶け込み深さが得られた。すなわち、炭素鋼（鉄）で１０ｍｍの溶け込み深さが得られる溶接条件下において、銅の場合には３．１ｍｍ、アルミニウムの場合には１８．８ｍｍ、ステンレス鋼の場合には１２．５ｍｍの溶け込み深さがそれぞれ得られた。 First, when welding was performed under the same conditions as carbon steel, a penetration depth as shown in FIG. 10 was obtained for each material. That is, under the welding conditions that can provide a penetration depth of 10 mm with carbon steel (iron), penetration of 3.1 mm for copper, 18.8 mm for aluminum, and 12.5 mm for stainless steel Each depth was obtained.
ここで、溶け込み深さとビーム電流Ｉは比例関係にあるので、各材質で１０ｍｍの溶け込み深さを得るためには、各材質ごとに図１１に示すような大きさのビーム電流が必要となる。すなわち、銅の場合には２４２ｍＡ（定数Ｃ＝１５３０．１）、アルミニウムの場合には４０ｍＡ（定数Ｃ＝２５２．３）、ステンレス鋼の場合には６０ｍＡ（定数Ｃ＝３７９．５）のビーム電流がそれぞれ必要になる。なお、電子ビームのパルス照射回数は、すべて４０回である。 Here, since the penetration depth and the beam current I have a proportional relationship, in order to obtain a penetration depth of 10 mm for each material, a beam current having a magnitude as shown in FIG. 11 is required for each material. That is, a beam current of 242 mA (constant C = 1530.1) in the case of copper, 40 mA (constant C = 252.3) in the case of aluminum, and 60 mA (constant C = 379.5) in the case of stainless steel. Is required for each. Note that the number of electron beam pulse irradiations is 40 times.
そして、図１１に示す各材質の固有値（定数Ｃ）に基づいて、
Ｉ・√Ｋ＝Ｃ（定数）
となる関係式からビーム電流Ｉとパルス照射回数Ｋとの関係を求めると図１２に示す通りになる。ここで、図１１から明らかなように、どの材質でも、ビーム電流Ｉを小さくするとパルス照射回数Ｋが増加し、ビーム電流Ｉを大きくするとパルス照射回数Ｋは減少することがわかる。また、図９と図１１とを比較すると、アルミニウムおよびステレス鋼であれば、炭素鋼（鉄）と同一の条件で溶接を行うことができることがわかる。これに対して、銅の場合には、ビーム電流が最大値１００ｍＡを超えてしまうため、溶接条件を変更しないと成り立たない。
And based on the eigenvalue (constant C) of each material shown in FIG.
I · √K = C (constant)
The relationship between the beam current I and the number of pulse irradiations K is obtained from the relational expression as shown in FIG. Here, as is apparent from FIG. 11, it can be seen that the pulse irradiation frequency K increases when the beam current I is decreased and the pulse irradiation frequency K decreases when the beam current I is increased in any material. Moreover, when FIG. 9 and FIG. 11 are compared, if it is aluminum and stainless steel, it turns out that welding can be performed on the same conditions as carbon steel (iron). On the other hand, in the case of copper, since the beam current exceeds the maximum value of 100 mA, it cannot be established unless the welding conditions are changed.
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、ベース１２に対してキャリア１１を溶接するために、位置ａから位置ｃまでの区間を０．２ｍｍピッチで区切り、電子ビームＥＢを高速偏向して溶接区間の左右端から中央に向かって左右交互に各区間ごとに必要なパルス照射回数を照射することにより、各区間における溶け込み深さを制御する。このとき、ビーム電流は一定に制御されている。
As described above in detail, according to the electron beam welding method according to the present embodiment, in order to weld the
このため、各区間における溶け込み深さは、電子ビームＥＢのパルス照射回数に応じて変化するので、各区間における溶け込み深さを精度よく管理することができる。また、電子ビームＥＢの照射が左右交互に行われるため、キャリア１１およびベース１２における蓄熱差がなくなり熱伝導による溶け込みピークのずれがなくなる。その結果として、キャリア１１の各支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの底面を広範囲に正確に溶け込ませることができる。つまり、三角形状の溶接部ＥＢＷにおける溶け込みを、溶け込みピーク位置がずれることなく正確に形成することができる。その結果として、ビームの突き抜け不良や溶け込み不足などが発生することなく、安定した溶接を行うことができる。
For this reason, since the penetration depth in each section changes according to the number of pulse irradiations of the electron beam EB, the penetration depth in each section can be managed with high accuracy. Further, since the irradiation with the electron beam EB is performed alternately on the left and right sides, there is no difference in heat storage between the
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、溶け込み形状が三角形の場合について例示したが、本発明によれば、三角形状以外の溶け込み形状、例えば、図１３あるいは図１４に示すようなものであっても正確に形成することができる。その結果、図１３に示すような溶接部ＥＢＷ１や、図１４に示すような溶接部ＥＢＷ２を有する被溶接部材でも安定した溶接を行うことができる。 It should be noted that the above-described embodiment is merely an example and does not limit the present invention in any way, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the case where the penetration shape is a triangle is illustrated, but according to the present invention, a penetration shape other than the triangle shape, for example, as shown in FIG. 13 or FIG. Can be formed. As a result, stable welding can be performed even with a welded member having a welded portion EBW1 as shown in FIG. 13 or a welded portion EBW2 as shown in FIG.
また、上記した実施の形態では、溶接部の左右端から中央に向かって左右交互に電子ビームを照射して溶接を行っているが、溶接部の中央から左右端に向かって左右交互に電子ビームを照射して溶接を行うこともできる。 Further, in the above-described embodiment, welding is performed by irradiating the left and right ends of the welded portion with an electron beam alternately left and right, but the electron beam is alternately turned left and right from the center of the welded portion toward the left and right ends. Can also be welded.
１０ 完成品
１１ キャリア
１２ ベース
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 支柱
２０ 電子ビーム溶接装置
２１ 電子銃
２２ 金属蒸気シール筒
２３ 偏向コイル
ＥＢ 電子ビーム
ＥＢＷ 溶接部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記溶接部を複数の区間に区切り、
前記各区間に対する電子ビームの照射を、前記溶接部の左右端から中央に向けて左右交互に行い、
前記各区間ごとにおける電子ビームのパルス照射回数を変化させることにより、前記各区間における溶け込み深さを制御することを特徴とする電子ビーム溶接方法。 An electron beam welding method of irradiating a welded part of a member to be welded, melting the part and welding the member to be welded,
Dividing the weld into a plurality of sections;
Irradiation of the electron beam with respect to each section, alternately from the left and right ends of the welded portion toward the center,
An electron beam welding method, wherein the penetration depth in each section is controlled by changing the number of times of electron beam pulse irradiation in each section.
前記各区間における電子ビームのパルス照射回数Ｋｎは、前記溶接部における最深部の溶け込み深さをｈｃ、前記最深部における電子ビームのパルス照射回数をＫｃ、前記各区間における狙いの溶け込み深さをｈｎとすると、
Ｋｎ＝Ｋｃ・（ｈｎ／ｈｃ）2
となる関係式により設定されることを特徴とする電子ビーム溶接方法。 The electron beam welding method according to claim 1,
The number of pulse irradiations Kn of the electron beam in each section is hc, the penetration depth of the deepest part in the welded portion, Kc is the number of pulse irradiations of the electron beam in the deepest part, and the target penetration depth hn is in each section. Then,
Kn = Kc · (hn / hc) 2
An electron beam welding method, wherein the electron beam welding method is set by a relational expression as follows.
ビーム電流を一定にして電子ビームのパルス照射回数を変化させることを特徴とする電子ビーム溶接方法。 In the electron beam welding method according to claim 1 or 2,
An electron beam welding method characterized by changing the number of times of electron beam pulse irradiation with a constant beam current.
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