電子ビーム溶接

電子ビーム溶接( EBW ) は、高速電子ビームを接合する 2 つの材料に当てる溶融溶接プロセスです。電子の運動エネルギーが衝突時に熱に変換されるため、ワークピースは溶けて一体化します。EBW は、電子ビームの 消散を防ぐために真空状態で実行されることがよくあります。

電子ビーム溶接は、当時さまざまな電子ビーム応用に取り組んでいたドイツの物理学者カール・ハインツ・シュタイガーヴァルト [de]によって1949年に開発されました^{[1] 。シュタイガーヴァルトは、1958年に稼働を開始した最初の実用的な電子ビーム溶接機を考案・開発しました[2]。}アメリカの発明家ジェームズ・T・ラッセルも、最初の電子ビーム溶接機を設計・構築したとされています^{[3] [4] [5] 。}

電子は、質量m = 9.1 · 10 ⁻³¹  kg と負の電荷e = 1.6 · 10 ^{−19 C を持つ素粒子です。電子は、}原子核に束縛された状態、金属の原子格子内の伝導電子として、または真空中の自由電子として 存在します。

真空中の自由電子は加速され、その軌道は電界と磁界によって制御されます。このようにして、高い運動エネルギーを持つ電子ビームが形成されます。固体中の原子と衝突すると、その運動エネルギーは熱に変換されます。EBW は、以下の理由から優れた溶接条件を提供します。

• 強力な電界は、電子を高速に加速して高出力を運ぶことができ、ビーム電流と加速電圧の積に等しくなります。ビーム電流と加速電圧を増加させることで、ビーム出力を実質的に任意の値に増加させることができます。
• 磁気レンズはビームを細い円錐状に成形し、小さな直径に焦点を合わせることができます。これにより、溶接する表面で高い電力密度を実現できます。ビームのクロスオーバー（焦点）における電力密度の値は、10 ⁴～10 ⁶ W/mm ²にも達することがあります。
• ^{浸透深さは 100 分の 1 ミリメートルのオーダーです。これにより、体積電力密度が高まり、10 5}～^{10 7} W/mm ³のオーダーに達することがあります。この体積内の温度は、10 ⁸～ 10 ¹⁰  K/sまで急速に上昇することがあります。

ビームの有効性は多くの要因に依存します。最も重要なのは溶接する材料の物理的特性、特に低圧条件下での溶融または気化のしやすさです。EBW は強度が強すぎて材料が沸騰することがあるため、これを考慮する必要があります。表面出力密度が低い値 (約 10 ³  W/mm ^{2の範囲) では、ほとんどの金属で蒸発による材料の損失は無視できるため、溶接に適しています。出力が高いと、ビームの影響を受けた材料は急速に蒸発するため、溶接から}機械加工に切り替わります。

伝導電子（原子核に束縛されていない電子）は、ガウスの法則に従って分布し、温度に依存する速度で金属の結晶格子内を移動します。伝導電子は、その運動エネルギー（eV 単位）が金属表面の電位障壁より高くない限り、金属から離れることはできません。この条件を満たす電子の数は、リチャードソンの法則に従い、金属温度の上昇とともに指数関数的に増加します。

電子ビーム溶接機の電子源として、材料は特定の要件を満たす必要があります。

• 高い出力密度を達成するためには、放出電流密度[A/mm ² ]、すなわち動作温度をできるだけ高くする必要がある。
• 真空中での蒸発を低く抑えるには、材料の動作温度における蒸気圧が十分に低くなければなりません。
• エミッターは機械的に安定しており、真空雰囲気中に存在するガス（酸素や水蒸気など）に対して化学的に敏感ではなく、容易に入手できることなどが必要です。

これらの条件およびその他の条件により、エミッターの材料の選択は高融点金属、実質的にはタンタルとタングステンのみに制限されます。タングステンカソードは約 100 mA/mm ^{2 の}放出電流密度を可能にしますが、アノードと制御電極の電圧によって生成される電界に応じて、放出された電子のごく一部のみがビーム形成に参加します。最も頻繁に使用されるカソードは、図 1a に示すように形作られた約 0.05 mm の厚さのタングステンストリップで作られています。ストリップの適切な幅は、必要な放出電流の最高値によって異なります。約 2 kW までの低いビーム出力の範囲では、幅 w=0.5 mm が適切です。

陰極から放出される電子のエネルギーは低く、わずか数eVです。必要な速度を与えるために、電子はエミッターと陽極の間に印加される電界によって加速されます。加速電界は、電子が軸の周りに狭い収束「束」を形成するように誘導する必要もあります。これは、電子を軸方向に強制する、半径方向の追加成分と軸方向成分を持つ陰極付近の電界によって実現できます。この効果により、電子ビームは陽極に近い平面で一定の直径に収束します。

実際の用途では、電子ビームのパワーを制御できる必要があります。これは、最初のカソードに対して負に帯電した別のカソードによって生成される別の電界によって実現できます。

少なくとも電子銃のこの部分は、陰極の「燃焼」と放電の発生を防ぐために、高真空に排気する必要があります。

陽極を離れた後の発散電子ビームは金属を溶接するのに十分な電力密度を持たないため、焦点を合わせる必要があります。これは、円筒形コイル内の電流によって生成される磁場によって実現できます。

回転対称磁場が電子の軌道に及ぼす集束効果は、磁場が移動する電子に及ぼす複雑な影響の結果である。この効果は、磁場の誘導Bと電子の速度vに比例する力である。誘導B _rの半径方向成分と速度v _aの軸方向成分のベクトル積は、これらのベクトルに垂直な力であり、電子を軸の周りで移動させる。同じ磁場内でのこの運動による追加の効果は、軸に対して半径方向に向けられた別の力Fであり、これが磁気レンズの集束効果の原因である。結果として、磁気レンズ内の電子の軌道はらせんに似た曲線になる。この文脈では、焦点距離（励起電流）の変化により、ビーム断面がわずかに回転する。

ビームスポットは、溶接する接合部に対して正確に配置する必要があります。これは通常、電子銃に対してワークピースを移動させることによって機械的に行われますが、代わりにビームを偏向させる方が望ましい場合もあります。この目的のためには、集束レンズの後ろで銃軸の周りに対称的に配置された 4 つのコイルのシステムを使用して、銃軸に対して垂直な磁場を生成します。

ビームからの電子が固体の表面に衝突すると、一部は反射 (後方散乱) され、残りは表面を貫通して固体に衝突します。非弾性衝突では、電子は運動エネルギーを失います。電子は運動エネルギーを熱に変換する前に、表面下のわずかな距離だけ「移動」できます。この距離は、電子の初期エネルギーに比例し、固体の密度に反比例します。通常の状況では、「移動距離」は 100 分の 1 ミリメートルのオーダーです。

電子の数（ビーム電流）を増やすことで、ビームのパワーを任意の値にまで上げることができます。ビームを小さな直径に集中させることで、平面のパワー密度は 10 ^{4から 10 7}  W/mm ²まで上げることができます。電子は固体の薄い層でエネルギーを熱に変換するため、この体積のパワー密度は高くなります。体積密度は 10 ⁵ –10 ⁷  W/mm ³のオーダーに達することがあります。その結果、この体積の温度は 10 ⁸ –10 ⁹  K/s で急速に上昇します。

ビーム適用の結果はいくつかの要因によって異なります。

1. ビーム出力 – ビーム出力 [W] は加速電圧 [kV] とビーム電流 [mA] の積で、簡単に測定できますが、正確に制御する必要があります。出力は、通常、利用可能な最高電圧の一定電圧でのビーム電流によって制御されます。
2. 電力密度 (ビームの集束) – 入射点における電力密度は、陰極電子源のサイズ、加速電気レンズと集束磁気レンズの光学品質、ビームの配置、加速電圧の値、焦点距離などの要因によって決まります。これらの要因 (焦点距離を除く) はすべて設計の関数です。
3. 溶接速度 - 溶接装置では、ビームに対するワークピースの相対的な移動速度を、たとえば 2 ～ 50 mm/s などの広い範囲で調整できます。
4. ^{材料特性 – 条件に応じて、蒸発の程度は無視できる程度から完全に蒸発するまで変化します。表面電力密度が約 10 3}  W/mm ²の場合、ほとんどの金属では蒸発による材料の損失は無視できるため、溶接に適しています。
5. ジョイントの形状と寸法

最終的な効果は、これらのパラメータの特定の組み合わせによって異なります。

• 低い電力密度で、または短い間隔でビームを作用させると、薄い表面層が溶けます。
• 焦点がずれたビームは貫通せず、低速溶接では材料は表面からの熱伝導によってのみ加熱され、半球状の溶融領域が生成されます。
• 高い電力密度と低速により、より深く、わずかに円錐状の溶融ゾーンが生成されます。
• 高出力密度の集中ビームは、総出力に比例してより深く浸透します。

薄肉部品の溶接には、通常、適切な溶接補助具が必要です。補助具の構造は、部品の完全な接触を実現し、溶接中の動きを防止するものでなければなりません。通常、補助具は特定のワークピースに合わせて個別に設計する必要があります。

すべての材料が真空中の電子ビームで溶接できるわけではありません。この技術は、溶融温度での蒸気圧が高い材料には適用できません。これは、亜鉛、カドミウム、マグネシウム、および実質的にすべての非金属に影響します。

もう一つの制限としては、溶接プロセスによって引き起こされる材料特性の変化、例えば高速冷却などが挙げられます。^[2]

金属部品の中には、材料の特性が異なる場合、接合部付近で両方の一部を溶かす溶接ができないものがあります。それでも、機械的コンパクト性に対する高い要求を満たし、真空密閉性を完全に確保した接合部を実現することは可能です。基本的なアプローチは、融点の低い方を溶かし、もう一方を固体のままにすることです。電子ビーム溶接の利点は、加熱を正確なポイントに局所化し、プロセスに必要なエネルギーを正確に制御できることです。真空度が高いほど、良い結果に大きく貢献します。この方法で接合部を構築する一般的なルールは、融点の低い部分にビームが直接アクセスできることです。

局所真空システムでは、ワークピースを作業室内に封入することなく溶接することができる。代わりに、真空は、ワークピースの1つのセクションにチャンバーを密閉し、そのセクションを溶接し、チャンバーまたはワークピースを（連続的または離散的に）追加のセクションに移動し、溶接が完了するまでプロセスを繰り返すことによって確立される。^[6]圧力容器でアーク溶接を使用するには、100以上の個別の溶接/サイクルと各サイクルでの追加処理。最大厚さ200 mmの溶接を 1 回のパスで行うことができます。収縮は最小限です (熱処理をお勧めします)。溶接により酸化物や窒化物の汚染が回避されます。材料の強度がよりよく維持されます。溶接には欠陥や空隙が少なく、NDE の必要性も少なく、数十年にわたって使用されています。

ビームによって溶融された材料が凝固後の冷却中に収縮すると、割れ、変形、形状変化が生じる可能性があります。

2 枚のプレートの突合せ溶接では、溶接の根元よりも溶接の先端で溶ける材料が多くなるため、溶接部が曲がる場合がありますが、この影響はアーク溶接ほど大きくはありません。

溶接部に亀裂が生じる場合があります。両方の部品が硬い場合、溶接収縮によって高い応力が生じ、脆い材料に亀裂が生じる可能性があります (溶接による再溶融後であっても)。

これまで、構造、作業空間の容積、ワークピースマニピュレータ、ビーム出力が異なる、多くのタイプの溶接機が設計されてきました。溶接用に設計された電子ビーム発生器 (電子銃) は、数ワットから最大 100 キロワットまでの範囲のビームを供給できます。極小部品の「マイクロ溶接」や、最大 300 mm 以上の深溶接を実現できます。真空作業室の容積は、数リットルから数百立方メートルまでの範囲です。

EBW の主なコンポーネントは次のとおりです。

• 電子銃（ビーム発生装置）
• 真空チャンバー
• ワークマニピュレータ（位置決め機構）
• 電源
• 制御および監視電子機器

電子銃はビームを生成、加速、集束します。自由電子は熱い金属ストラップ（またはワイヤ）からの熱放出によって得られます。

その後、電子は加速され、3つの電極によって生成される電界によって細いビームに形成されます。電子放出ストラップ、高（加速）電圧電源の負極に接続されたカソード（30～200 kV）と陽極の間にあります。3 番目の（ウェーネルトまたは制御）電極は、陰極に対して負に帯電しています。その負の電位によって、加速場に入る放出電子の割合、つまり電子ビーム電流が制御されます。陽極開口部を通過した後、電子はわずかに広がる円錐状を一定の速度で移動します。

技術的な用途では、発散ビームを集束させる必要があり、これはコイルの磁場、つまり磁気集束レンズによって実現されます。

ビームは、加速電気レンズと磁気集束レンズの光軸に向ける必要があります。これは、集束レンズの前に、光軸に垂直な特定の半径方向と強度の磁場を適用することで実現できます。これは通常、2 組のコイルで構成される単純な補正システムによって実現されます。これらのコイルの電流を調整することで、正しい磁場が生成されます。

集束レンズを通過した後、ビームは直接または偏向システムによって偏向された後、溶接に適用される。偏向システムこれは、x方向とy方向のそれぞれに1つずつ、2組のコイルから構成される。これらは静的または動的偏向に使用できる。静的偏向は、ビームの正確な位置決めに有用である。動的偏向は、コンピュータによって制御される電流を偏向コイルに供給することによって実現される。その後、ビームは、表面硬化、アニーリング、正確なビーム位置決め、イメージング、彫刻など、溶接以外の用途のニーズに合わせて方向を変えることができる。0.1mmを実現できます。

溶接は通常、高真空または低真空環境の作業用真空チャンバー内で行われますが、溶接機はチャンバーなしでも作業できます。

作業室の容積は数リットルから数百立方メートルまでの範囲です。

電子ビーム溶接は、たとえ真空中では実現できないとしても、強力なX 線が存在するため、「手作業」で操作することはできません。ビームとワークピースの相対的な動きは、ほとんどの場合、ワークピースまたはビームを回転または移動することによって実現されます。

電子ビーム装置には適切な電源を供給する必要があります。加速電圧の範囲は30～200 kV、通常60～150 kV。技術的な課題と設備コストは動作電圧に応じて増加します。

高電圧機器は、低電圧電流も供給する必要がある。5 V、カソード加熱用、負電圧は約制御電極の場合は 1000V 。

電子銃には、補正システム、集束レンズ、偏向システム用の低電圧電源が必要です。

電子機器はワークピースマニピュレータを制御し、溶接プロセスを監視し、特定のアプリケーションに必要なさまざまな電圧を調整します。

このようなシステムは小型モジュール炉の原子炉圧力容器の溶接に適用されており、アーク溶接に比べて時間とコストを大幅に節約できます。^[6]圧力容器にアーク溶接を使用するには100以上の個別の溶接/サイクルと各サイクルでの追加処理。最大厚さ200mmの鋼板を1回の溶接で溶接できます。収縮は最小限です（熱処理をお勧めします）。溶接により酸化物や窒化物の汚染が回避されます。材料の強度がより良く保持されます。溶接部の欠陥や空隙が少なくなります。非破壊検査の必要性が少なくなります。^[7]

洋上風力タービンには6000アークオン時間の溶接。局所真空EBMは、はるかに低コストで時間をかけずに、品質を向上させてこれを置き換えることができます。^[7]

• 電子ビーム技術

ウィキメディア・コモンズには、電子ビーム溶接に関連するメディアがあります。

• Schulze, Klaus-Rainer. 「電子ビーム技術」。DVS Media、デュッセルドルフ、2012 年。
• Elmer, John (2008-03-03). 「電子ビーム溶接技術の標準化」 ローレンス・リバモア国立研究所。 2008-09-20 にオリジナルからアーカイブ。2008-10-16に取得。
• 電子ビーム溶接とは何ですか?
• 薄肉部品の電子ビーム溶接 2014-05-17 にWayback Machineでアーカイブ
• さまざまな材料の溶接性 Archived 2016-03-04 at the Wayback Machine
• レプトンテクノロジーズ 金属の溶接性 2020-10-07ウェイバックマシンにアーカイブ