電子ビーム溶接方法
【課題】 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。
【解決手段】 本発明の電子ビーム溶接方法では、ベース１２に対してキャリア１１に備わる各支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの底面（溶け込み形状ＥＢＷ）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、溶接区間の左右端から中央に向かって電子ビームＥＢを高速偏向し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して、各区間における溶け込み深さを制御する。このとき、ビーム電流を常に一定に制御する。
【解決手段】 本発明の電子ビーム溶接方法では、ベース１２に対してキャリア１１に備わる各支柱１３ａ，１３ｂ，１３ｃの底面（溶け込み形状ＥＢＷ）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、溶接区間の左右端から中央に向かって電子ビームＥＢを高速偏向し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して、各区間における溶け込み深さを制御する。このとき、ビーム電流を常に一定に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−３５０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【発明の効果】
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法にて製造した完成部品を示す斜視図である。
【図２】キャリアの斜視図である。
【図３】キャリアの底面図である。
【図４】電子ビーム溶接装置の概略構成を示す構成図である。
【図５】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。
【図６】照射順序を模式的に示す説明図である。
【図７】図１に示す完成部品を製造するための溶接方法および要求される溶け込み形状を説明するための説明図である。
【図８】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚの時における、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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
【図１０】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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。
【図１３】溶け込み形状の変形例を示す図である。
【図１４】溶け込み形状の別の変形例を示す図である。
【図１５】従来の電子ビーム溶接におけるビーム電流の変化の様子を示す図である。
【図１６】従来の電子ビーム溶接における被溶接部材の溶け込み形状を示す図である。
【図１７】従来の電子ビーム溶接では不可能であった溶け込み形状の一例を示す図である。
【図１８】従来の電子ビーム溶接により三角形の溶け込み形状を形成しようとしたときに実際に形成された溶け込み形状を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−３５０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【発明の効果】
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係る電子ビーム溶接方法にて製造した完成部品を示す斜視図である。
【図２】キャリアの斜視図である。
【図３】キャリアの底面図である。
【図４】電子ビーム溶接装置の概略構成を示す構成図である。
【図５】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。
【図６】照射順序を模式的に示す説明図である。
【図７】図１に示す完成部品を製造するための溶接方法および要求される溶け込み形状を説明するための説明図である。
【図８】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚの時における、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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
【図１０】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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】出力６ｋＷ、加速電圧６０ｋＶ、周波数１ｋＨｚ、照射区間ピッチ０．２ｍｍの時、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。
【図１３】溶け込み形状の変形例を示す図である。
【図１４】溶け込み形状の別の変形例を示す図である。
【図１５】従来の電子ビーム溶接におけるビーム電流の変化の様子を示す図である。
【図１６】従来の電子ビーム溶接における被溶接部材の溶け込み形状を示す図である。
【図１７】従来の電子ビーム溶接では不可能であった溶け込み形状の一例を示す図である。
【図１８】従来の電子ビーム溶接により三角形の溶け込み形状を形成しようとしたときに実際に形成された溶け込み形状を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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電子ビーム溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載する電子ビーム溶接方法において、
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されることを特徴とする電子ビーム溶接方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する電子ビーム溶接方法において、
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。
【請求項１】
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電子ビーム溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載する電子ビーム溶接方法において、
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されることを特徴とする電子ビーム溶接方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する電子ビーム溶接方法において、
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−２９７４７３（Ｐ２００６−２９７４７３Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２６９５５（Ｐ２００５−１２６９５５）
【出願日】平成１７年４月２５日（２００５．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２５日（２００５．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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