JPS61107646A - 電子ビ−ム加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電子ビーム加工機に係り、特に電子銃内で生じ
る放電を防止し、さらに耐圧を考慮した高圧電源の改造
を必唆としない点において従来機への適用に好適な電子
ビーム制御装置に関する。

〔発明の背景〕

本発明の最も近い公知例は特公昭４８−２７２７８号で
あ纂。この技術は電子銃内で放電が生じた場合、その高
圧側回路電流を検知し、この値が例えば、０．６人の制
限電流以上になると、電子銃を２５マイクロ秒より少な
い時間で遮断（ターンオフ）、３５ミリ秒経過後復帰（
ター／オン）することができる高圧回路の制御装置を設
けて、過負荷に起因する装置の保護を目的に開発された
ものである。

この従来例には３点の問題点がある。

第１には、高圧回路においては各装置のアースに対する
耐圧が大きな問題となる。この従来技術を既存の電子ビ
ーム加工機に適用する場合、原理的には高圧電源のマイ
ナス側と電子銃間に直列に電子ビームの遮断および制御
を行なう装置を配置することは遮断装置の制御回路自身
の耐圧の問題から困難であり、高圧電源のプラス側とア
ース間に直列に制御装置を配置せざるを得ない。しかし
ながら、この場合高圧電源に電源電圧以上の耐圧を持た
せる必要が生じ、高圧電源の大幅な改造もしくは交換が
要求されることになる。

第２には、本技術を用いた場合加速電圧３０ｋＶ以上の
電子ビーム加工機においてターンオフ時間が２５マイク
ロ秒以下ではサージ電圧が大となシ、電子制御回路の亀
子部品等が高圧回路のＬによるサージにより破壊する。

第３には、本技術の遮断経過時間３５ミリ秒では、例え
ば１００　ミＩＪ厚の横向き貫通溶接で溶接の連続性が
保持できずボイド欠陥が発生してしまう。

以上のことより現状では従来機への適用において大幅な
高圧電源の改造が必要であり、さらに溶接においては放
電が生じることによシ溶接部に発生するボイド等の溶接
欠陥を防止することはできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解決して電
子ビーム加工において、電子銃内で放電が生じないよう
にし、良好な加工結果が得られ、かつ既存の電子ビーム
加工機に容易に適用可能な電子ビーム制御装置Ｃｔ−提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、かかる目的を達成するために、電子ビーム加
工機の高圧電源および該″＠、＃ｔの負荷である゛電子
銃で構成される高圧電気回路に２いて、回路内に流れる
電流、前記負荷に印加される電圧を検知し、例えば光フ
ァイバーを用いることによってアースに対して絶縁され
た状態で高圧遮断装置の制御回路からアースに対して電
位差の大きい高圧遮断装置に該検知信号を伝達すること
により、高圧電気回路を選定せる任意の時間遮断し、電
子銃の作動を停止する遮断および制１１１１機構を、間
圧電源のマイナス側と該電源の負荷である電子銃間に配
置可能とした。

〔発明の冥電例〕

以下、不発明を図示の実施例に基づき、詳細に説明する
。第１図は本発明の一実喝例の構成図である。同図にお
いて、電子ビーム加工機は、高圧電源１、電子銃２、高
圧遮断装置３が高圧主回路を構成している。高圧遮断装
置３は制御回路４の信号により高圧主回路のターンオン
およびターンオフを行なう。制御回路４から高圧遮断装
置３への４Ｈ号の伝達はここでは光ファイバー５を用い
ている。また制御回路４に送られてくる信号は、高圧！
、源１とアース間に直列に配置されるビーム電流検知回
路６、高圧主回路と並列に配置される加速電圧検知回路
７から送られてくる。

電流検知回路６および鑞圧検知回ｗ！ｒ７の信号により
制御回路４が駆動する場合の具体例を第２図に示す。

第２図は高圧電源１、電子銃２および高圧半導体モジュ
ール９をＮ個直列に連結して構成される高圧遮断装＃、
３を高圧主回路としている。それぞれの高圧半導体モジ
ュール９はサージ吸収器１０によってサージから保護さ
れている。高圧半導体モジュール９の駆動電源は絶縁ト
ランス１１よシインバータ１２を介して送られてくる。

絶縁トランス１１は５１．流鴫源１３から゛電力を供給
される。

また高圧半導体モジュール９のターンオン・ターンオフ
はＬＥＤ発信回路１４によって制御され、ＬＥＤ発信回
路１４内のＬＥＤ１５から元ファイバー５を通って光ト
リガーが筒圧半碑体モジュール９円の受光ダイオード１
６に伝送される。

ＬＥＤ発信回路１４に送られてくる信号は、本実施例で
は、ビーム電流検知回路６および加速電圧検知回路７よ
り発せられる。

以下本実施例を用いた電子ビーム溶接時の放電制御につ
いて説明する。

放電の発生しない定常状態における高圧遮断装置３は導
通の状態であり、ＬＥＤ％伯回路１４よシターンオンの
信号が送られている。電子Ｖｃｚ内で異常放電が生じる
とビーム電流検知回路６および電圧検知回路７の出力電
圧が変化する。ビーム電流検出回路６の出力電圧の変化
は電圧設定器１７の設定電圧とビーム電流比較回路１８
で比較され直流の出力信号を出す。又、加速電圧検知回
Ｗ＆７の出力電圧の変化は電圧設定器１９の設定電圧と
加速電圧比較回路２０で比較され直流の出力信号を出す
。マルチバイブレータ２１の出力信号は上記出力信号の
いずれかを選択することによシ発せられ、フォトカプラ
２２を動作させＬＥＤ発信回路１４内のＮＯＴ回路２３
によシ信号が逆転されトランジスタ２４をオフする。こ
れによりＬＥ］Ｊ１５は発光をやめ光ファイバー５を通
して高圧半導体モジュール９内の受光ダイオード１６が
トランジスタ１７のベース１１ｔＲ，をｌ；ＦＪシＭＯ
８ＦＥＴ２６０ゲート電圧をカットオフ電圧以下にし、
第６図に示す原理で高圧半導体モジュール９内の全ＭＯ
８ＦＥＴをターンオフする。この動作はＮ個の高圧半導
体モジュール９について同時に行なわれることによって
高圧遮断装置３は高圧回路を遮断することができる。遮
断後、設定した時間の後マルチバイブレータ２１の出力
信号が０となり、再び高圧遮断装置ｔ３は導通状態とな
り電子銃の運転を再開する。

第３図は、上記した回路の＃作をより詳細に表わしたも
のである。

定常状態では電子銃にビーム加速電圧Ｖ、が印加されて
電子ビーム溶接が行なわれている。しかし、溶接中、溶
接金属から放出される金属蒸気等が、電子銃内に侵入す
ると高圧（陰極−陽極間、又は、バイアス−陽慢閣）の
絶縁破壊が生じ、電子銃内で放電が生ずる。

このため、加速電圧Ｖ、が低下し、ビーム電流工、が増
加する。しかしながら、放・亀の程度により加速電圧の
低下およびビーム磁流の増加の程度は異なる。放電が生
じ、ビーム電流がＩ＝（Ｉｓ＝ＬＩ１．）となるとすな
わち点３５から点３６に増加したとき前記のビーム電流
検知回路６と電圧設定器１７の出力電圧を比較するビー
ム′）ｈ、流比較回路１８が作動しマルチバイブレータ
２１を動作させＬＥＤ発光回路１４内のＮＯＴ回路２３
により信号を逆転されその信号によりＬＥＤ１５はオフ
され島田遮断装置ｉ３は遮断動作にはいる。この間ビー
ム電流は点３６から点３７に増加するがこの時間１ｏは
数マイクロ秒以下で十分無視できる時間である。このＬ
ＥＤ１５のオフにより１゜秒でビーム電流は点３７から
点３８（零アンペア）になるように高圧遮断装置３のア
ノード・カソード間に電圧が印加される。これに伴って
、ビーム電流の低下とともに加速電圧も低下し、点２７
から点２８、点２９そして点３０（零電位）になる。

この時、点２８すなわちＶｂ（Ｖｂ＝０．９ｖ、）にな
ると、前記した加速電圧比較回路から直流電圧が出力さ
れ、マルチバイブレータにＯＮ信号が与えられる。この
時、ビーム電流は零でめるため、前記したビーム電流比
較回路の出力は１．秒後に零になっている。しかしなが
らマルチバイブレータは前記したようにビーム電流検知
回路と加速電圧検知回路の出力信号のいずれかを選択す
るためマルチバイブレータの出力により制圧遮断回路の
アノード・カソード間に電圧が印加される。またマルチ
バイブレータの出力はｔ１秒間保持するよ。

うにセットされており、従って１３秒後マルチバイブレ
ータの出力がオフされるとＬＥＤは発光を開始し、高圧
半導体モジュールのＭＯＳＦＥＴにター／オン信号を送
り筒圧半導体モジュールはターンオンされ高圧遮断装置
のアノード・カソード間。

電圧は工４秒後に零となる。これに伴なって、電子銃の
加速電圧は点３０から点３１を経て、最初に設定され九
Ｖ、値となシ、ビーム′亀流も同様に点３Ｂから点３９
を経て点４０の工、値にもどり、再び連続した電子ビー
ム溶接が可能である。

また、放電が生じ、ビーム電流が大きく変化せず、加速
電圧のみが低下し、Ｖｂ　　（Ｖｂ　＝０．９Ｖ−）と
なった論合は、前記したように、加速電圧比較回路から
直流電圧が出力され、直ちにマルチバイブレータがＯＮ
し、同様の動作をし、＠　、　−）−ｔ　ｚ　＋ｔ３＋
ｔａ秒後に定常状態に復帰し連続した電子ビーム溶接が
可能となる。

さらに、本装置においては、加速電圧の再点弧に失敗し
た場合、マルチバイブレータが点３１よＪｔｌ＋ｔｓ秒
後再び前記した動作を行ない、加速電圧を点３３よシ回
復し、点３４で正常に回復する機能を有している。この
場合の各要素への動作例を一点鎖線で示している。さら
に、加速電圧の再点弧時に過大なビーム電流（≧より）
が流れた場合は前記した動作を行ない、正常に回復する
機能を有している。以上の各要素の動作で最も重要す４
　ツカ、Ｉｂ　、　Ｖｂ　、　ｔ２　、　ｔ３　　およ
びｔ４である。これらの具体的設定値とその結果を以下
に示す。

ｔ、とｔ４は装置の保護的な面より５００マイクロ秒か
ら１ミリ秒に設定すべきである。

これは高圧回路に存在するインダクタンスＬにより急激
な回路遮断でのサージ電圧が発生し、電子部品が破損す
るためである。実験的には、加速電圧３０ｋＶで１００
ｍＡのビーム電流のとき、ｔ２が１００マイクロ秒以下
で前記破損が発生した。このため使用するビームｔＲ，
に応じて５００マイクロ秒から１ミリ秒の間で設定する
ことが効果的であることが判明した。

■−は３０〜５０ミリ秒間で２０％程度の降下で溶接に
対して問題ないため、その半分の１０％に設定した。さ
らに、Ｉｂについて３０〜５０ミリ秒で、２０％程度の
増加は溶接にｔＷないことを確認しているため、その半
分の１０％に設定した。

ｔ３は溶接の連続性を保持する上で、すなわち健全な溶
接部を得るために紋も重要な値である。

板厚１００Ｗ級を負通して溶接速度１００ｗＲ／分で電
子ビーム浴接した結果、ｔｚ＋ｔ、＋ｔ４が１２ミリ秒
以下では良好な結果が得られたが、これを越えると、急
速な復帰にも拘らずボイド欠陥が発生した。この状況を
第４図、第５図に示す。

第４図は板厚１００ｍの被加工材４１．４２を突合せ溶
接し、前記した゛電子銃内で発生する放電の復帰を、１
．＋１．＋１．を１２ミリ秒以下に設定して電子ビーム
溶接した結果であり、溶接部の横断面を（ａ）、そのＡ
−Ａ断面すなわち縦断面を（ｂ）に示している。溶接金
属４３はいずれの断面とも欠陥のない良好な品質を示し
た。また、裏ビード４４も均一で良好な形状を示してい
る。これに対して、１２ミリ秒以上では、第５図にその
縦断面を示すが、ビード表面に凹み４６および裏面に芙
起４７が生じ、一部にボイド４５が発生している。

さらに、板厚９．３〜３０．９■の薄板についても同様
の結束が得られた。

以上のことよりｔ３は１０ミリ秒以下が望ましい。

以上、本発明の実施例を示した。さらに本実施例による
多大な効果は既設設備に付加する際に、高圧電源の大幅
表改造を考慮する必要がない点である。第１図において
、従来技術では回路のプラス側４９において、アース５
０とビーム電流検知回路６との間に遮断装置、例えば真
空管を配置することになり、放電発生時はこの真空看に
より遮断動作が行なわれ、高圧電源のプラス端子はアー
スに対して電源電圧に相当する電圧がかかった状態にな
る。すなわち、安全の為に高圧電源の外箱をアースして
おくものとすれば、高圧電源装置の外箱とプラス側端子
およびプラス側回路は電源電圧に応じて絶縁しなければ
ならない。ところが遮断装置を持たない高圧電源のプラ
ス側端子と外箱は一般にアースされておシ、本発明によ
る遮断回路をプラス側４９に挿入する場合には、高圧電
源の改造が必要になシ、必要な耐電圧間隙を取るため外
箱を大きくせねばならず深刻な問題となる。

一方、本実施例においては、第１図の該当位置の状態か
ら明らかなように、尚圧電源の対アース電位は、定常加
速電圧印加時、放電による高圧主回路遮断時ともに変動
する仁となく零ボルトである。すなわち高圧電源につい
て耐電圧を考慮する必要がなく（設計上要求される必要
最小限、の耐電圧は考慮されてよい）、高圧電源装置の
小を化が可能であり、さらに電子ビーム加工機自身の小
を化につながり、高い経済性を有する装置となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子ビーム溶接において、電子銃内で
発生する放電に起因した溶接欠陥をなくすことが可能で
ある。また、放電により生じるサージに起因する装置の
電子部品の破損をなくすことが可能となる。さらに従来
の電子ビーム加工機に、高圧電源の耐圧の問題において
大幅な改造あるいは交換を必要とすることなく本装置を
適用することか可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図はその具体
例、第３図は制御装置の作動を示す線図、第４図（ａ）
は本装置による被加工材の溶接部横断面図、第４図（ｂ
）は第４図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、第５図は本発明以
外の方法による被加工材の溶接部欠陥発生状況説明図で
ある。 １・・・高圧電源、２・・・電子銃、３・・・高圧遮断
装置、４・・・制御回路、５・・・光ファイバー、６・
・・ビーム電流検知回路、７・・・加速電圧検知回路、
８・・・電子銃内真空度検知回路、９・・・高圧半導体
モジュール、１０・・・サージ吸収器、１１・・・絶縁
トランス、１２・・・インバータ、１３・・・交流電源
、１４・・・ＬＥＤ発信回路、１５・・・ＬＥＤ、１６
・・・受光ダイオード、１７・・・電圧設定器、１８・
・・ビーム電流比較回路、１９・・・電圧設定器、２０
・・・加速電圧比較回路、衰 ２１・・・マルチバイブレータ、２２・・・７オトカブ
ラ、２３・・・ＮＯＴ回路、２４・・・トランジスタ、
２５・・・トランジスタ、２６・・・ＭＯＳＦＥＴ、２
７〜３４・・・加速電圧の変化状況を説明する走めの点
を示す、３５〜４０・・・ビームを流の変化状況を説明
するための点を示す、４１．４２・・・被加工材、４３
・・・溶接金属、４４・・・裏ビード、４５・・・ボイ
ド欠陥、４６・・・表ビード凹み、４７・・・裏ビード
突起、４８・・・回路のマイナス側、４９・・・回路の
プラス側（アース側）、５０・・・アース。 箪　Ｔ　図 ！ ′４３国 時間　→ 箪４　品 扇　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子ビーム加工機の高圧電源および該電源の負荷で
   ある電子銃で構成される高圧電気回路で回路内に流れる
   ビーム電流、前記負荷に印加される加速電圧を検知し、
   該検知信号を高圧遮断装置の制御回路から高圧遮断装置
   に絶縁された信号で伝達することにより高圧電気回路を
   選定せる任意の時間遮断し、電子銃の作動を停止する遮
   断および制御機構において、高圧電源の耐圧を考慮しな
   くても良いように高圧電源のマイナス側と該電源の負荷
   である電子銃間に配置可能としたことを特徴とする電子
   ビーム加工機。 ２、電子銃の作動を停止する時間が１０ミリ秒以下でか
   つターンオン、ターンオフ時間を５００マイクロ秒から
   １ミリ秒で制御することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に係る電子ビーム加工機。