JPH0255154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子ビーム溶接制御方法に関する。従
来、たとえば熱処理が施される前の状態のような
凝固状態のままの溶接部の機械的および治金的性
質、つまり引張強度、耐久性、弾性（衝撃強さ）
などの特性は、溶融域の化学的組成や溶接部に施
された溶接熱サイクルに左右されることが知られ
ている。

一方、熱サイクルについては、接合部の形状を
一定とし、１回のパスで溶接を行なう場合、該接
合部に実際に加えられるエネルギーのみに依存す
ることも知られている。

電子ビーム溶接作業の場合に考慮されるパラメ
ータとして次のようなものがある。

−電子銃の加速電圧（ｕ） −電子銃の出力電流の強さ（I_f） −集束電流（I_fpc） −電子ビーム放射距離(d)、つまり電子ビーム集束
コイル面から溶接位置（被溶接部品）までの距
離。

−溶接速度（ｖ） 上記パラメータの他に、電子ビームの振動もパ
ラメータとして考慮の対象にすることができる。

上記各種パラメータから求まる大きさの１つで
ある電子銃の放射出力は次式から求めることがで
きる。

P_f＝Ｕ・Ｉ しかるに、接合部品が有効に吸収する前記放射
出力はそのわずか一部P_absにすぎないこと、P_abs
の相対的大きさは基本的に放射出力の密度分布に
依存し、この密度分布は電子ビームの集束点の正
確な位置、つまり集束電流I_fpcの大きさと共に変
化すること、さらにP_absは、距離(d)に依存するが
P_absの制御は本質的にパラメータI_fpcに依存する
ことが知られている。以上のことから明らかなよ
うに、集束電流I_fpcの大きさも重要なパラメータ
として考慮の対象とすべきである。

電子銃放射電子ビームについては、電子銃は、
吸収出力に相当する電子ビーム部分のほかに、下
記によるいくつかの電子ビームも発生することが
知られている。つまり、 −出力P_bに相当する逆拡散電子 −出力P_sに相当する二次電子 −出力P_thに相当する熱電子 −プラグ溶接の場合において部品を通り抜け、横
断出力P_trに相当する電子。

したがつて、放射出力（P_f）は次式で表わされ
る。

P_f＝P_abs＋P_b＋P_s＋P_th＋P_tr 特にP_f、P_abs、P_trに対応する値は、上記出力の
各値を電子銃の加速電圧（常時一定）で割ること
により求められる。

出力P_trは重要な因子である。特開昭54−2952
号及び特開昭54−51098号には出力P_trを測定し、
この測定値を使つてP_trを一定に保つように放射
出力P_fを制御して溶接片の反対側に一定のビード
を得るなり、あるいは溶接部分の深さを決めるも
のである。

然しながら、出力P_trを一定に保つことは溶接
部分の性質を一定にすることを意味するものでは
ない。それはP_fが変化するかも知れず、もしもP_f
が変化すればこれは決められた溶接速度、決めら
れた材料、決められた溶接面積に対しての作業の
熱サイクルを支配する最大因子であるP_absが変化
することになるからである。

一般的には最も大切なことは溶接部分の良好な
冶金的及び機械的性質を得ることであり、何回も
の作業でも溶接部の性質を同一に再現させること
である。通常のパラメータ（Ｕ、I_f、I_fpc、ｄ及び
Ｖ）の知識ではこの溶接部の性質を一定に維持し
再現することが不充分なことが実験によつて知ら
れている。それはこれらのパラメータの値と望ま
しい冶金的、機械的特性との間に存在する大きな
増幅効果、すなわち前者の微小変動が後者の致命
的変化となつてしまうからである。

従つて本発明の主要な目的はP_absを用いること
により、最良の溶接部の機械的、冶金的性質を何
回でも再現し得るような電子銃溶接のための簡単
で効果的な制御法を提供することである。

すなわち、本発明は電子銃から照射される電子
ビームの強度と被溶接部材を通過した後の電子ビ
ームの強度とを測定してその差を求め、これを溶
接の際に望ましい機械的及び冶金的特性を与える
ものとして予め用意されている特定値と比較し、
この比較によつて得られる信号に応じて電子ビー
ムの集束を調節することによつて、良好な機械的
及び冶金的特性を得ることを特徴とする電子ビー
ム溶接制御方法であつて、P_trの代わりにP_absを
用いている点に最大の特徴を有するものである。
出力P_bはP_fの一部で15％〜25％の間、例えば20％
であり、残りのP_abs＋P_trは75％と85％の間、例
えば80％で、第１の近似としてその他の二つの因
子P_s及びP_thは無視され得る。従つて本発明によ
れば、P_absを一定に保つために溶接部の機械的、
冶金的性質は極めて正確に一定に保たれる。

例えば実際に化学組成がC0.14、Mn1.23、
Si0.22、Ni0.43、Mo0.18、B17ppmで硬度HV5の
鋼を放射出力22.4kW、溶接速度40cm／分、距離
600mm、溶接片厚さ32mmで処理した例ではI_fpcの変
化がこの機械的性質の変化に与える増幅効果は50
倍程度であり、また同じ試料でI_fpcの変化が150倍
のP_absの変化となる。

この上述の例で、P_absの変化が機械的性質の変
化に及ぼす増幅効果は0.33であり、これは機械的
性質の変化率がP_absの1/3であることを意味して
いる。

このようにP_absの変動は機械的性質に与える影
響が少なく、このことがP_absの函数としての機械
的性質の安定性を保証し、それによつて望ましい
機械的性質の再現性が高い信頼度で保証されるも
のである。P_absの変化を例えば１％以内に保つこ
とによつて問題となる機械的性質の変化率はさら
に良くなり、その特性値を簡単に再現することが
可能となる。

本発明のその他の特徴と利点については、以下
添付図面に例示した実施例を参照して詳述する説
明から明らかにされる通りである。

以上に説明したように、以下に詳述する溶接装
置を使用して溶接される接合部品を通り抜けた電
子ビームの強さに比例する電圧を測定することに
よつて、パラメータI_fpcの値を決めることができ
る。

第１図において、符号１はパラメータI_fpcと共
に変化するP_absの変化曲線である。この曲線は最
低値を示している。同図においてほぼ同一尺度で
示している曲線２はP_trの相関変化曲線である。
この曲線２は曲線１と対称をなしている。したが
つて、その値はP_absの最低値に対して最大値を示
している。

第２図のグラフにおいて、符号３と４はそれぞ
れ、溶接線に沿つて電子銃が移動するとき、つま
り時間の経過と共に変化するP_absとP_trの絶対値
から作図した曲線である。なお、この場合、同一
断面の２管状部品を相互に溶接する作業において
電子銃の移動速度は一定であるものと仮定してい
る。溶接ワイヤの１回転は、横軸上αに位置する
0°から始まり、横軸上α′の位置の360°で終わり、
このα′位置以降ではP_absの値はワイヤの所望被覆
となる延長線上に延長する。P_tr曲線の場合も、
時間は短いが被覆延長線がある。

実線で示した曲線３は、問題の溶接作業の進行
に伴い変化する出力P_absの値を示し、破線の曲線
４は、出力P_trの変化の状態を示している。

溶接作業の開始時点αにおいては、出力P_fと
P_absはまだゼロである。

この開始時点を過ぎると、P_fはある値に増加を
始め、この結果P_absが現われる。この２出力はそ
の後増加して行き、グラフに示すように、Ａ−Ｃ
間でP_absは、縦軸上のＣ点に相当するP_fの値まで
増加する。γで示したこの時点は電子ビーム溶接
部品に電子ビームが通り抜ける開始時に相当す
る。つまり、この時点で、出力P_trが現われる。

上記２出力P_absとP_trの増加の相関関係は、Ｃ
−Ｂ−C′−B′（時点β）において現われる。ここ
で、Ｃ−Ｂ間の勾配はＡ−Ｃ間の勾配よりゆるや
かになつている。

それぞれの位置ＢとＢ以降は、関係する出力は
それぞれＤとD′点（時点δ）まで一定値に維持
される。

P_fの減少の結果、被覆期間の終期と電子ビーム
消滅の始期となる上記時点以降は、P_fは徐々に減
少して行く。時点εにおいては、電子ビームはも
はや溶接部品を通り抜けていないことが認められ
る。

P_absはＤ−Ｅに沿つて減少し、これに伴つて
P_trもD′−E′間で減少し、E′点においてゼロにな
る。

これに対応してP_fも減少する結果、P_absがＥか
らＦになると電子ビームは消滅する。

上述した各区間の勾配はすべてあらかじめ設定
してある。

第３図は本発明に係る方法を実施するための装
置の特徴部分の概略ブロツク図である。ここで考
慮している要因は２出力P_fとP_trの大きさに比例
する電圧である。

第３図において、出力P_trの大きさに比例する
電圧５が測定される。この出力は電子ビーム進路
上で求められ、この進路上において、耐火プレー
トで構成されている検出装置４１が接合部分４２
の背後に介設されている。この検出装置は前記耐
火プレートとアース間に接続した抵抗４３の変化
を検出するもので、装置の高電圧電源の陽極をア
ース接続し陰極を公知の通り電子銃の陰極側に接
続する。こうして検出された出力に比例する電圧
５は、電子的減算回路ｂに印加される。さらに、
この減算回路には電子銃の出力P_fに相当する総電
子ビーム量に比例する電圧発生装置４４からの電
圧７の一部９が印加される。この部分電圧９は公
知の電子的乗算回路８の出力から得るもので、こ
の乗算回路には、出力P_fに相当する大きさに比例
する電圧７が予め印加されている。この場合、比
例係数はP_tr電圧の場合と同様に上記部分電圧９
は乗算回路の入力電圧７のほぼ80％に相当してい
る。

符号１０は減算回路の出力電圧を示し、この電
圧はP_absに相当し、比較回路１１に入力される。
この比較回路には、さらに所望一定電圧値であり
所望P_absに相当する値の基準電圧値１２が印加さ
れる。

比較回路１１に入力された上記２電圧値の差を
示すエラー信号１３は、フイードバツク信号とし
て集中電流I_fpc制御回路に入力される。制御ルー
プは閉ループにし、P_absを一定レベルに維持して
所期の目的を達成する。被制御パラメータ（ここ
では、集束電流）の制御信号１４をしきい値に制
限するリミタ回路１６で装置回路は完結する。こ
の制限は特に溶接作業の開始時に行なわれる。Ｄ
−D′区間の溶接作業の全期間中一定になつてい
るリミタ回路１６の出力信号１７はメモリ回路１
８に入力され、電子ビーム消滅開始時点δのこの
信号値を電子ビーム消滅期間中保持、記憶してい
る。メモリ回路１８の入出力信号値１７と１９は
この時点まで等しく一定になつている。

信号１９はプログラミング回路２０に入力さ
れ、この回路において前述したような制御が行な
われる。

つまり、一方では電子銃の出力立上がり初期段
階から、他方ではこの出力の最終消滅段階までの
期間、電子銃の一定放射出力P_fで動作状態にある
ときこの制御が行なわれる。したがつて、プログ
ラミング回路２０は、各種溶接パラメータ、溶接
部品の位置および時間の変化に応じて、これに対
応する操作段階の勾配を判断する働きをする。

プログラミング回路２０の出力信号２１は、同
時に電圧／電流変換回路として働く増幅回路２２
に入力される。増幅回路の出力信号２２ａは集束
電流I_fpcとして集束コイル２３に供給される。こ
の増幅回路２２には、その増幅回路側の一端がア
ース接続された抵抗が並列接続されて回路２５が
形成される。増幅回路２２を含むこのループ回路
２６で実際の集束電流I_fpcが測定される。

第４図は、その化学的組成を本明細書の前半で
示した金属に、本発明に係る方法を適用して得た
結果を示すグラフ図である。

同図中、曲線２７は電流I_pare-feu曲線であり、
集束電流I_fpcの変化に伴い変化するP_trの値を示し
ている。この電流はミリアンペア単位で示してあ
る。

曲線２８は上記金属の硬度HV5の変化を示し
たものである。

曲線２９は−10℃におけるK_cv単位で示した弾
性エネルギー（衝撃強さ）曲線である。

上記曲線から明らかなように、縦座標に符号３
０で示した集束電流I_fpc値が約2.165Aの場合、硬
度と弾性エネルギーの値は最大値に近似している 本発明に係る方法の利点はこの点にある。

また、符号３１で示すように、集束電流I_fpcの
値３０の動作領域は狭くなつている。この動作領
域の範囲においても、硬度と弾性エネルギーの値
が利用可能である。

本発明は上述した各種実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の枠を逸脱しない範囲において
種々変更が可能であることは勿論である。

たとえば、本発明に係る方法の制御をより向上
させるために、出力P_b、P_thおよびP_sを考慮の対
象とすることも可能である。この目的のために、
それぞれの出力の大きさの測定は、電子ビーム進
路上に、その中心部に開口を設けた第１電極を溶
接部品の上流側に配置すると共に、同じく中心部
に開口を設けた第２電極を溶接部品の下流側に配
置して行なう。この２電極は相互に電気的に接続
すると共に、耐火プレートに接続する。検出抵抗
に流れる電流の大きさの測定は、次のように各電
流を直接加算して行なわれる。

I_b＋I_s＋I_th＋I_tr 上記の同じ目的のために、アース接続され、横
断電子ビーム通過孔を設けたスクリーンを溶接部
品と検出装置の間に介設することもできる。

下述するように、さらに種々の変形も可能であ
る。

たとえば、次のようにして溶接部品を通る電子
ビームの大きさに比例する電圧を検出することが
できる。つまり、耐火プレートでなる検出装置を
抵抗を介してアース接続し、この抵抗両端に現わ
れる電圧を直接比較回路に入力すると共に、さら
にこの電圧の所定値の基準電圧を入力する。かく
して得た出力信号の処理は前述と同じ方法で行な
われる。

また、耐火プレートをフアラデー遮蔽かごで包
囲し、該かごをプレートに電気的に接続すると共
に溶接部品を通る電子ビーム通過孔を設ければ、
結果精度を向上させることができる。

溶接部品の直後に、電子ビーム通過孔が設けら
れ、アーム接続したスクリーンを設けることも、
あるいは溶接部品の手前側にこの種のスクリーン
を設け、該スクリーンを電気的に耐火プレートに
電気的に接続することもできる。

以上詳述した本発明に係る電子ビーム溶接方法
によれば、溶接部の機械的および治金的特性の値
を一定に保つと共に、再現性を確実にする効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、集束電流I_fpcの変化および出力P_abs
とP_trの変化の関係を示す変化曲線である。第２
図は、接合される２管状部材の一方の部材の横断
面に電子ビーム溶接する作業過程でP_absとP_trが
もつそれぞれの値から作図したグラフ図である。
第３図は、本発明に係る方法の実施装置である
P_abs制御装置の特徴部分の概略ブロツク図であ
る。第４図は、前述した化学的組成でなる金属に
本発明に係る方法を適用して得た結果を要約した
グラフ図である。 １……P_abs変化曲線、２……P_tr相関変化曲線、
３……P_abs曲線、４……P_tr変化曲線、５……出
力P_tr比例電圧、６……減算回路、７……出力P_f
比例電圧、８……乗算回路、９……部分電圧、１
０……減算回路の出力電圧、１１……比較回路、
１２……基準電圧値、１３……エラー信号、１４
……被制御パラメータ制御信号、１６……リミタ
回路、１７……リミタ回路出力信号、１８……メ
モリ回路、１９……メモリ回路出力信号、２０…
…プログラミング回路、２１……プログラミング
回路出力信号、２２……増幅回路（電圧／電流変
換回路）、２２ａ……回路２２の出力信号、２３
……集束コイル、２４……抵抗、２５……回路、
２６……ループ回路、２７……電流I_pare-feu曲線、
２８……金属硬度変化曲線、２９……弾性エネル
ギー曲線、３０……集束電流I_fpc値、３１……動
作領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電子銃から照射される電子ビームの強度と被
   溶接部材を通過した後の電子ビームの強度とを測
   定してその差を求め、これを溶接の際に望ましい
   機械的及び冶金的特性を与えるものとして予め用
   意されている特定値と比較し、この比較によつて
   得られる信号に応じて電子ビームの集束を調節す
   ることによつて、良好な機械的及び冶金的特性を
   得ることを特徴とする電子ビーム溶接制御方法。