電子ビーム溶接

しくみ

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   電子を放出させる。 タングステンの陰極(マイナス電極)を、電子を放つまで加熱します。昔の電球のフィラメントによく似ています。

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   電子を加速する。 通常約 30–150 kV の高電圧が、電子を陽極(プラスの板)の穴へ引き込みます。電子は、光速のかなりの割合の速さで飛び出します。

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   絞って、向きを変える。 磁気コイルがレンズの役割をします。ビームを 1 ミリよりずっと小さな点に絞り、揺らして溶接の形をつくることもできます。

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   継手に当てる。 電子が金属に当たると、運動のエネルギーがほぼ一瞬で熱に変わります。真空(気圧が通常のおよそ百万分の1以下)により、空気分子がビームを散乱させるのを防ぎます。

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   キーホールをあける。 レーザー溶接と同じく、金属が溶けて一部が沸騰し、全厚にわたって届く細い蒸気の通り道ができます。

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   動かして固める。 テーブルが、固定されたビームの下で部品を動かします。キーホールの後ろで溶けた金属が閉じて固まり、幅の約 20 倍の深さをもつ溶接部になります。

主なポイント

材料

鋼、ステンレス鋼、チタン、ニッケル超合金、銅、ニオブやタンタルなどの高融点金属。多くの異種金属の組み合わせ

代表的な部品

ジェットエンジンのローターや歯車、ロケットや衛星の部品、変速機の歯車、加速器の空洞、原子力部品

部品サイズ

小さなセンサーから、長さ数メートルの部品まで。限界はチャンバーで決まります

精度

ひずみが非常に小さい。部品は、多くの場合、仕上げ寸法の近くで、約 ±0.1 mm 以内に溶接できる

表面仕上げ

完全に貫通すると、両面に狭くなめらかな溶接部ができる。スパッタはほとんどまたはまったくない

向いているロット数

高価な部品の小ロットから中ロット。一部の自動車歯車工場では量産でも使われる

金型・設備コスト

おおよそ数十万から数百万ドルに、治具が加わる

速度

溶接は速く、多くは毎分 1 m ほどだが、チャンバーに入れるたびに、数分の真空引きが必要

強みと限界

使われる場所

• 航空宇宙ジェットエンジンの圧縮機ローター、チタン構造材、ロケットのノズル
• 宇宙衛星の燃料タンクとスラスター部品
• 自動車変速機の歯車と歯車群
• 科学とエネルギー粒子加速器の空洞、原子炉の部品
• 医療とエレクトロニクスセンサーと、密閉された機器のハウジング

見分け方

• 極めて狭くまっすぐな溶接部。厚い部品でも、幅は 1–2 mm 未満のことが多い。
• 同じ細い溶接部が、裏面にも見えます(完全溶け込み)。
• 溶接部の隣は、酸化のない光った金属で、チタンでも焼け色がありません。

比較

動画を見る

Electron Beam Welding Animation: CGI Explainer

Cambridge Vacuum Engineering · 電子銃、ビーム、キーホールをアニメーションで

Electron Beam Welding Explained

Aluminium Guide Videos · 工程を、平易な言葉で概説

Introducing TWI's Advanced Electron Beam Welding Equipment

TWI Ltd · 研究室にある、本物の機械とチャンバー

Electron beam welding large components/assemblies

TWI Ltd · 非常に大きな部品が、巨大な真空チャンバーにどう収まるか

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• Wikipedia: 電子ビーム溶接 — 原理、電子銃とチャンバーの図、写真へのリンク
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