電子ビーム溶接の定義、プロセス、メリットを解説

電子ビーム溶接とは？

電子ビーム溶接（EBW）は、高速電子ビームを接合する2つの材料に照射する融解溶接プロセスです。ワークが溶融・流動し、電子の運動エネルギーが衝撃時に熱に変換されることで接合されます。EBWは電子ビームの散逸を防ぐため、真空条件下で行われることが多いです。

電子は電子銃で生成され、電界で極めて高速に加速されます。この高速電子流は磁界で集束され、接合材料に精密に照射されます。

電子が材料に衝突すると、その運動エネルギーが熱に変換され、金属が溶融・流動して接合されます。ガス分子の存在がビームを散乱させるため、電子ビーム溶接は一般的に真空中で行われます。

EB溶接には高電圧が関与し、真空が必要なため、プロセス全体がコンピュータ制御され、高度に自動化されています。技術の精密さゆえ、専用治具で部品を固定し、CNCテーブルで溶接チャンバー内の治具とワークを移動させるのが一般的です。

電子ビーム溶接機は非常に高価で、厳格なメンテナンスが必要、高電圧・高真空技術に必要なサポートは要求が厳しいです。しかし、電子ビーム溶接は信じられないほど精密、強靭、純粋で、プロセス全体が高精度に繰り返し可能であり、多くの用途と材料において、電子ビーム溶接は最良の接合技術です。

典型的な電子ビーム溶接手順

すべての電子ビーム溶接ジョブは異なりますが、EBインダストリーズでは溶接品質と生産率を両立させるため、基本手順を以下のように定めています。

• 組立対象部品を徹底的に検査・洗浄；

溶接プロセス中に部品を確実に保持する治具を考案。1真空サイクルあたりの溶接部品数を最大化し、高生産率を維持。必要なら自社機械工場で治具をカスタムメイド；

• 部品を治具に載せ、治具を電子ビーム溶接機のCNCテーブルに取り付け。CNCテーブルをプログラミングし、溶接プロセス中に部品を電子ビーム下で精密に位置決め；
• 真空チャンバーを密封し、空気を排出して顧客仕様で要求される部分的または完全な真空を達成；
• 必要に応じてテスト溶接を実施し、ビームアライメント・焦点、ビーム出力、溶け込み、溶接全体の品質を確認。パラメータを調整し、全溶接作業中継続的に監視；
• 量産溶接サイクルの場合、溶接オペレーターがCNCテーブルプログラミングと電子ビーム照射サイクルを開始。部品が電子ビーム溶接される；
• 溶接サイクル終了時、真空チャンバーを排気し、部品と治具を溶接機から取り出し；
• 部品を治具から慎重に取り出し、完全な品質管理検査を実施。

電子ビーム溶接の作動原理

電子ビーム（EB）溶接は、電子銃で生成された電子を電界で高速に加速する融解溶接プロセスです。この高速電子流は磁界で強く集束され、接合材料に照射されます。電子ビームはワークに衝突する際に運動エネルギー熱を生成し、ワークを溶融・接合させます。

ガスの存在がビームを散乱させるため、電子ビーム溶接は真空環境で実施されます。真空プロセスであり高電圧を使用するため、この溶接方法は高度に自動化・コンピュータ制御されています。その結果、専用治具とCNCテーブルで溶接真空チャンバー内のワークを移動させます。

電子ビーム溶接機技術の最近の進展により、ワーク全体を真空チャンバーに入れる代わりに、電子ビーム銃を材料側面の真空ボックス内に収納するローカル電子ビーム溶接法が実現されています。

電子ビーム溶接では、電子銃のカソードから電子が生成されます。カソードの後ろにカップグリッドが設けられ、電子の発散を防ぎ制御します。カソードとアノード間に高電圧が印加されるため、正に帯電したアノードがカップグリッドから電子を引き寄せます。

アノードが電子を加速し、速度は50,000〜200,000 km/sの範囲に達します。アノードから高速電子ビームは磁気レンズと偏向コイルを通過します。

磁気レンズが電子ビームをワーク上の所望位置に集束。偏向コイルがビームを必要な溶接領域に偏向。高速電子ビームがワークに衝突すると激しい熱が発生し、2つのワークの金属が溶融して溶接部を充填。溶融溶接金属が凝固し、強固な溶接継手を形成します。

電子ビーム溶接の応用

• 航空宇宙産業でジェット部品、構造部品、伝達部品、センサーの製造に使用。
• 発電産業で使用。
• 宇宙産業でチタンタンクとセンサーの製造に使用。
• 自動車産業でトランスミッションシステム、ギア、ターボチャージャーの製造に使用。
• 電気・電子産業で銅構造部品の製造に使用。
• その他、原子力産業、医療、研究センターなどで使用。

電子ビーム溶接の利点

• 高い溶接速度。
• 異種金属の溶接が可能。
• 高い溶接品質と精度。
• 運転コストが低い。
• 高融点材料を容易に溶接可能。
• 熱影響部が小さいため歪みが少ない。
• 洗浄コストが無視できるレベル。
• 0.025mm〜100mmの厚板溶接が可能。
• アクセス困難な継手も溶接可能。

電子ビーム溶接の欠点

• 設備コストが非常に高い。
• 高度な熟練オペレーターが必要。
• 高真空が必要。
• 真空操作のため、大型ワークの溶接が困難。
• 高い安全対策が必要。