電子ビーム溶接（EBW）の原理、プロセス、装置、用途、メリット・デメリットを徹底解説

電子ビーム溶接（EBW）とは

電子ビーム溶接は液相溶接プロセスの一種です。液相溶接とは、金属間接合が液体または溶融状態で形成される溶接プロセスを指します。これは電子の運動エネルギーを用いて2つの金属工作物を融合するため、新しい溶接プロセスとしても分類されます。この溶接は1958年にドイツの物理学者カール・ハインツによって開発されました。この溶接プロセスでは、高速電子ビームが溶接板に照射され、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーは工作物を溶融させ、一体化するのに十分です。このプロセス全体は真空中で実施され、そうでなければ電子が空気粒子と衝突してエネルギーを失ってしまうためです。

原理

この溶接は電子ビーム加工と同一原理で動作します。このプロセスは電子の運動エネルギーを用いて熱を生成します。この熱で2枚の溶接板を溶接します。高速電子ビームが溶接板に照射されると、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーは2枚の金属板を共に融合させ、溶接継手を形成するのに十分です。

主要装置

電源装置

このプロセスでは、溶接プロセス用の連続電子ビームを供給する電源を使用します。溶接電圧範囲は、低電圧装置・薄板溶接で約5〜30kV、高電圧装置・厚板溶接で約70〜150kVです。

電子銃（エレクトロンガン）

電子ビーム溶接の心臓部です。陰極管（負極）で、電子を生成し、加速し、一点に集束させます。この銃は主にタングステンまたはタンタル合金で作られます。陰極フィラメントを2,500℃まで加熱し、電子の連続放出を実現します。

陽極（アノード）

陽極は電子銃の直後に配置される正極です。主な機能は負電荷（この場合は電子）を引き付け、経路を与え、経路から逸脱させないことです。

磁気レンズ

収束電子のみを通過させる一連の磁気レンズがあります。低エネルギー電子と発散電子を吸収し、高強度電子ビームを提供します。

電磁レンズと偏向コイル

電磁レンズで電子ビームを工作物に集束させ、偏向コイルでビームを必要な溶接エリアに偏向させます。これらはEBWプロセスの最終ユニットです。

工作物保持装置

EBWではCNCテーブルを使用して工作物を保持し、3方向すべてに移動可能です。溶接板は適切な治具を用いてCNCテーブルにクランプ固定されます。

真空チャンバー

前述の通り、プロセス全体は真空チャンバー内で行われます。真空は機械駆動または電気駆動のポンプで作られます。真空チャンバー内の圧力範囲は約0.1〜10 Paです。

作動手順

作動手順は以下の通りです：

1. 電子銃（陰極）が電子を生成する。これらの電子は電子銃の直後に配置された正帯電の陽極に向かって移動する。
2. 陽極が電子を加速し、電子ジェットを形成する。これがさらに磁気レンズに向かって移動する。
3. 磁気レンズは一連のレンズで、低エネルギー電子を吸収し、発散電子を通過させない。高強度電子ジェットを提供する。
4. この電子ビームが電磁レンズと偏向コイルを通過し、必要なスポットに電子ビームを集束・偏向させる。このユニットが高速電子ビームを溶接空隙に導き、衝突により運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーで融合溶接が行われる。この全溶接プロセスは真空チャンバー内で実施される。そうでなければ電子が途中の空気粒子と衝突しエネルギーを失うため。

この作動は以下の動画で容易に理解できます。

用途

• 航空宇宙産業と海洋産業の構造作業
• チタンとその合金の接合
• 自動車産業でギア、トランスミッションシステム、ターボチャージャー等の接合に広く使用
• 電子産業で電子コネクタの溶接
• 原子炉と医療産業でも使用

メリットとデメリット

メリット

• 同種・異種金属の両方を溶接可能
• 高い金属接合速度を提供
• フィラーメタルとフラックスを使用しないため運転コストが低い
• 高仕上げ溶接表面が得られる
• 硬い材料の溶接に使用可能
• プロセス全体が真空で行われるため溶接欠陥が少ない

デメリット

• 資本・セットアップコストが高い
• 高度な技能労働者が必要
• 頻繁なメンテナンスが必要
• 工作物サイズは真空チャンバーにより制限される
• 真空が必要なため現場施工不可

以上が電子ビーム溶接の原理、作動、装置、用途、メリット・デメリットについての解説です。ご質問がありましたらコメントでお知らせください。この記事がお役に立てば幸いです。ぜひ友人と共有し、当サイトを購読してさらなる興味深い記事をお楽しみください。

画像出典：https://www.ebindustries.com/electron-beam-welding/