電子ビーム溶接:定義、プロセス、用途、メリット・デメリット
本記事では、電子ビーム溶接機について詳細に概説します。
この溶接プロセスは1949年、ドイツの物理学者カール・ハインツ・シュタイガーワルトによって最初に開発されました。
本記事ではまず定義と作動原理を見てから、EBW機の用途、利点、限界も紹介します。
電子ビーム溶接とは
電子ビーム溶接は、高エネルギー電子によって生成される熱を用いて、同種または異種の2つの金属を接合する液相溶接プロセスです。高速で電子が工作物に衝突すると、運動エネルギーと熱エネルギーの2形態のエネルギー変換が起こります。
電子ビーム溶接機の構成
電子ビーム溶接機は以下の部品で構成されます:
- 高圧電源
- 電子銃
- カソードグリッド
- アノード
- 光学観察システム
- 磁気レンズ
- 偏向コイル
- 真空チャンバー
- 工作物
- 工作物保持装置
高圧電源
電源は低電圧と高電圧の2通りに分類されます:
- 薄板溶接用低電圧範囲:5〜30 kV
- 厚板溶接用高電圧範囲:70〜150 kV
電子銃
電子銃では、熱電子放出によって熱した金属ストラップやワイヤーから自由電子が生成されます。電子銃の主目的は、カソードグリッド、アノード、磁気レンズ、偏向コイルの助けを借りて自由電子を電子ビームに変換することです。
カソードグリッド
この部品で自由電子が生成されます。ただし生成された自由電子の電圧は非常に低いeVです。これらの自由電子を加速するため、アノードとエミッター(カソード)によって生成される高電界を通過させます。
アノード
アノードはカソードグリッドで生成された電子を加速するために使用されます。
光学観察システム
電子ビームが工作物に衝突する作用点を決定・設定するのに役立ちます。
磁気レンズ
磁気レンズは収束電子のみを通過させ、発散電子の低エネルギーを吸収し、高強度の電子ビームを提供します。
偏向コイル
- 偏向コイルは磁気レンズの一種で、ブラウン管で使用されます
- 電子ビームを画面全体に走査するのに役立ちます
真空チャンバー
- 真空チャンバー内には空気が存在せず、溶接は真空中で行われます
- ここでの圧力は大気圧以下または大気圧にプリセットされます
- ブラウン管またはチャンバーとしても知られます
工作物
- 工作物は治具に取り付けられます
- 同種または異種金属が工作物となります
工作物保持装置
- 工作物保持装置は治具とも呼ばれ、工作物を剛性よく保持するために使用されます
- 治具は鋼鋳物、ステンレス鋼、鋳鉄、高張力鋼などで作られます
電子ビーム溶接の作動原理
電子溶接の作動原理は電子ビーム加工と同じです。ここでは電子ビームを用いて同種または異種金属を接合します。
まずシステムに電力を供給します。図示の通り、タングステン製のカソード(負電荷)があり、その直下にアノードが接続されています。30〜175 kVの電位差を生成する必要があります。カソードから発生するコヒーレント光がアノードを通過し、アノードが可能な限り加速します。
コヒーレント光が直接工作物に向かう一方、フォーカシングコイルがコヒーレント光の余分な隙間を縮めます。偏向コイルの助けを借りて光が直接工作物に到達し、ここで温度が非常に高く工作物を溶融させます。運動エネルギーが熱エネルギーに変換されます。
工作物は治具に取り付けられ、全プロセスは真空中で行われます(空気なし)。空気が入るとコヒーレント光の方向が偏向し、溶接したくない場所に到達する恐れがあります。
電子ビーム溶接の用途
- 工作物の溶接と穴あけ
- 海洋、自動車、航空機、製造、防衛、医療産業など幅広い産業で使用
- 同種・異種金属の接合
- タングステン、セラミックスなどの難溶材料の接合
- 25µmの狭いスロット切削
電子ビーム溶接の利点
- 溶加材不要
- 歪みが非常に小さい
- 溶接欠陥が非常に少ない
- 硬質材料も溶接可能
- 高い表面仕上げが得られる
- 高い金属接合速度
- 熱影響部と溶接部が狭い
- 均一・拡散金属の接合にも有効
- 溶接プロセスが連続で密着性が高い
- 工作物は高強度特性を持ち、母材強度の95%まで維持
- 非常に高精度な溶接プロセス
- 完全自動化された溶接プロセス
電子ビーム溶接の欠点
- 半熟練工では不可能で、高度な熟練工(電子溶接プロセスの知識必須)が必要
- 真空チャンバーの制約により工作物サイズに限界
- 高いメンテナンスが必要
- 装置コストが高い
- 設置費と資本コストが高い
- X線放射があり、人体への重大な問題
- 生産費用も高い
結論
以上、電子ビーム溶接の詳細な概説でした。機械工学分野の知識ベース記事も多数用意していますので、ぜひご覧ください。
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