电子束熔化炉以及使用该炉的电子束熔化炉的运转方法

摘要

提供对于形成于配设在电子束熔化炉内的炉床、铸模内的熔融金属池，将电子束精度良好地照射到事先预定的位置的技术。一种具备保持熔融金属的炉床和铸模、使熔融金属熔融的电子枪、控制电子束的照射方向的电子枪控制单元、熔融金属的图像传感器、以及运算单元的电子束熔化炉的运转方法，将对于熔融金属应该照射电子束的照射坐标输入到电子枪控制单元以将电子束照射到熔融金属，利用图像传感器检测电子束照射到熔融金属而产生的高亮度部位，利用运算单元根据检测信号运算高亮度部位坐标，利用运算单元运算照射坐标与高亮度部位坐标的差异，将差异输入到电子枪控制单元，由此以差异成为规定值以下的方式控制电子束的照射位置。

说明书

技术领域

本发明牵涉向形成于配置在电子束熔化炉内的炉床或者铸模内的熔融金属池的电子束照射技术，特别是涉及对利用电子束照射的加热位置进行控制的技术。

背景技术

电子束熔化炉已知为由于与真空电弧熔化炉相比能够将减压度设定得低，因此原料的精制效果高、适合于纯度高的金属的熔制。

在电子束熔化炉中还并设被称为炉床的精制炉的情况较多，取得能够通过在同一炉床内熔化原料来将原料中所包含的杂质有效地分离精制这样的效果。

电子束熔化炉通过使从配设在同一熔化炉的炉顶部位的电子枪发出的电子束朝向对象物，来进行所述对象物的加热熔化。从电子枪发出的电子束由于具有直进性，因此具有能够通过利用偏转线圈使电子束弯转并且设定电子束的强度来确实地加热熔化对象物这样的特征。

然而，在电子束熔化炉的炉床内部，被电子束加热的对象物保持在熔融状态，来自同一部位的金属也蒸发，当同一蒸气侵入到电子束的行进路径时，电子束与所述金属蒸气干涉，结果是存在电子束的行进方向改变的情况，且存在未必是在所设定的方向上发出电子束的情况。另外，存在不光是所述的电子束熔化炉的内部状况，还由于从外部侵入的噪声因而电子束的照射方向变化到并非意图的方向的情况。进一步地，还已知使电子束以及束弯转的偏转线圈容易受到外部磁场的影响，在像这样的情况下也存在电子束向并非预期的方向移位的情况而要求改进。

在所述那样的电子束的行进方向在并非意图的方向上散射的情况下，例如存在保持熔融金属的炉床的壁面被加热的情况，当将其长时间放置不管时，存在炉床受到损伤的风险而并不优选。

针对这样的问题，虽然已知对电子束所加热的部位的温度分布进行测定，基于同一测定值来调节电子束的强度那样的技术(例如参照专利文献1)，但是并未找到与电子束的照射位置的并非意图的移位的校正有关的记载。

另外，还已知对在从电子束发出的电子束错误地照射到铸模的情况下发生的特性X射线进行检测、以感测电子束的错误照射的方法(例如参照专利文献2)。

然而，在该方法中，由于是所述电子束错误照射开始才能够检测错误动作，因此不能预防对铸模的损伤而变成招致不少的损伤，因而不优选。

这样，期望防止从电子枪照射的电子束的并非意图的移位、确实地照射到加热对象物那样的技术。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平05-192747号公报

专利文献2：日本特公平06-003727号公报。

发明内容

发明要解决的课题

本发明是目的在于提供对于形成于配设在电子束熔化炉内配置的炉床、铸模内的熔融金属池，将电子束精度良好地照射到事先预定的位置的技术的发明。

解决课题的手段

鉴于所牵涉的实际情况对所述课题开展专心研究之时，发现把使用图像传感器输出的、电子束当前照射到配设于电子束熔化炉内的炉床或者铸模内的熔融池的高亮度部位的位置信息与事先存储于电子束的控制单元的应该照射电子束的区域的位置信息进行比较，以所述两者的差异成为最小的方式控制电子束的照射位置，由此能够精度良好地控制形成在炉床或者铸模内的熔融池的加热区域，从而达到完成本发明。

即，本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉是由保持熔融金属的炉床和铸模、生成将熔融金属保持于熔融状态的电子束的电子枪；将电子束照射位置的控制信号输出到电子枪的电子束照射图案输出装置；以及输入控制信号以控制电子束的照射方向的电子枪控制单元构成的电子束熔化炉，是特征在于进一步具备：对电子束照射到炉床或者铸模内的熔融金属表面而形成的高亮度部位进行测定的图像传感器；计算由图像传感器测定的高亮度部位的位置信息与在熔化初始设定的电子束照射位置信息的差异的运算装置；基于由运算装置运算的差异来生成校正输出信号的输出装置；以及将校正输出信号附加到控制信号的装置的电子束熔化炉。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉是把所述图像传感器为高分辨率的CCD照相机或者温度传感器的情况设为优选的方式的电子束熔化炉。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉的运转方法是特征在于具备保持熔融金属的炉床和铸模；生成将熔融金属保持于熔融状态的电子束的电子枪；将电子束照射位置的控制信号输出到电子枪的电子束照射图案输出装置；输入控制信号以控制电子束的照射方向的电子枪控制单元；对电子束照射到炉床或者铸模内的熔融金属表面而形成的高亮度部位进行测定的图像传感器；计算由图像传感器测定的高亮度部位的位置信息与在熔化初始设定的电子束照射位置信息的差异的运算装置；基于由运算装置运算的差异来生成校正输出信号的输出装置；以及将校正输出信号附加到控制信号的装置的电子束熔化炉的运转方法，是特征在于以由图像传感器测定的高亮度部位的位置信息与在熔化初始设定的电子束照射位置信息的差异成为规定值以下的方式控制电子束的照射位置的电子束熔化炉的运转方法。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉的运转方法是把以所述照射坐标与所述高亮度部位坐标的差异成为最小的方式控制电子束的照射位置的情况设为优选的方式的电子束熔化炉运转方法。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉的运转方法是把在将所述高亮度部位坐标设为(x、y)、将所述照射坐标设为(X、Y)的情况下，将两者的平面坐标的X坐标和Y坐标的差异的绝对值|X-x|和|Y-y|分别控制在1mm以下的情况设为优选的方式的电子束熔化炉的运转方法。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉的运转方法是把将所述高亮度部位坐标(x、y)与所述照射坐标(X、Y)的移位量{(Y-y)²+(X-x)²}^1/2控制在1mm以下的情况设为优选的方式的电子束熔化炉的运转方法。

本申请的发明所牵涉的电子束熔化炉的运转方法是把要熔融的金属为钛或者钛合金的情况设为优选的方式的电子束熔化炉的运转方法。

发明的效果

根据上述的本发明，能够在不损伤炉床和铸模的情况下精度良好地加热形成于配设在电子束熔化炉内的炉床和在铸模内的熔融金属池，结果是取得能够有效地利用炉床整体这样的效果。

附图说明

图1是本发明的电子束熔化装置的示意性截面图。

图2是本发明中的电子束照射状况的示意性斜视图。

图3是示出本发明中的向炉床内的电子束照射状况的平面图。

图4是放大图3中电子束移位的部分的平面图。

图5是示出本发明中的向铸模内的电子束照射状况的平面图。

图6是示出本发明中的电子束照射位置的控制的流程图。

图7是示出本发明中的电子束照射位置的控制的流程图。

附图标记说明

1a、1b：电子枪；2a、2b：电子束；3：炉床；4：原料给送器；5：水冷铜铸模；6：拉拔基座；7：轴；8：拉拔动力；10：原料；11：铸锭；12：熔融金属池；13：熔融金属池；20：图像传感器；30~34：被编程的照射区域；30a~34a：端部(照射起点)；30b~34b：端部(照射终点)；30c：被编程的照射位置；30d：移位的照射位置。

具体实施方式

以下在参照附图的同时说明本发明的最佳实施方式。

以下在说明本发明所牵涉的优选方式之前，使用图1叙述使用于本发明的电子束熔化炉的优选方式。图1是电子束熔化炉的示意图。标号4是用于从外部供给原料10的原料给送器，在原料给送器4的下游侧设置有保持原料10及其溶液12的炉床3。在炉床3的下游侧设置有用于浇注溶液12而使之冷却凝固的铸模5。在炉床3和铸模5的上方分别配置有用于使原料熔融而作为炉床3内的溶液12和铸模5内的溶液池13的电子枪1a和1b。在铸模5的下方连接有卡合使溶液12冷却凝固而形成的铸锭11的拉拔基座6、将拉拔基座6与铸锭11一起引向下方的轴7、以及拉拔动力8。

首先，把以海绵钛所代表那样的原料10从炉床3的侧壁投入到形成于该炉床3内部的炉床溶液12。投入到炉床溶液12的原料10被由电子枪1a照射电子束2a而与炉床溶液12成为一体，并被供给至配置在炉床3的下游的铸模5。

被供给至铸模5的炉床溶液12虽然在浴面由于从电子枪1b照射的电子束2b而保持熔融状态并形成溶液池13，但是越是向下方行进越是被铸模5的水冷壁冷却固化并形成凝固壳。形成于铸模5内的壁附近的凝固壳沿着铸模5的拉拔方向增加其厚度，最终整体成为固相而被作为铸锭11抽出。

在铸锭11的底部卡合有拉拔基座6，能够经由接合至上述拉拔基座6的轴7利用拉拔动力8向铅垂下方拔出。

图2放大示出图1中的电子枪1a、水冷铜炉床3以及在其内部以熔融状态保持的炉床池12的一部分。在本发明中，进一步地在所述电子枪1a附近配置有图像传感器20。通过该图像传感器20，能够使得如以下叙述那样检测照射到炉床池12内的电子束的照射位置。

电子束2a以由电子枪1a一边线状地扫描炉床池12的表面一边进行照射的方式被控制。即为从预先编程输入的各起点30a~32a至各终点30b~32b为止的、从照射开始起的每个时刻的XY坐标被从未图示的电子束照射图案输出装置作为控制信号输出，该控制信号被输入到未图示的电子枪控制单元，通过被输入有控制信号的电子枪控制单元在X方向和Y方向上控制电子枪的偏转线圈的磁场，按着电子枪从起点30a向终点30b经区域30之上照射束、从起点31a向终点31b照射区域31、接着从起点32a向终点32b照射区域32来高速照射依次确定的区域这样的方式。

当通过设置于电子束熔化炉主体的窥视窗观察所述电子束2a所照射的位置时，虽然电子束本身是不可见的，但是在电子束所照射的炉床池12上的部位存在发出高亮度的部位，能够以所述高亮度部位为线索掌握电子束当前正照射的区域。所述的高亮度部位如图2所示，能够相对于在电子束所照射的区域与电子束未照射的部位的边界附近而被观察为线状(30~32等)，特别是在作为电子束照射的起点和终点的端部30a/b、31a/b、32a/b观察到高亮度。

因此，能够通过利用图像传感器20对从这些高亮度部分发出的与周围相比相对高温的热进行检测，来读取高亮度部分的XY坐标。如使得像以上那样，能够进行电子束照射位置的设定、电子束的照射、以及所照射电子束的实际位置的检测。此外，图像传感器20虽然优选使用高分辨率的CCD照相机，但是还可以使得使用其它图像传感器来检测高亮度部分的光。

在本发明的电子束熔化炉的控制方法中，通过最初以手动方式进行所述的电子束照射位置在每个时刻的坐标的输入操作，来把保持在炉床3内的熔融金属12的照射位置、即平面坐标事先存储到未图示的电子束照射图案输出装置，作为控制信号而输出。在此，所说的“在每个时刻的坐标”意味着从照射开始起经过规定时间之后应该被照射的坐标。

接下来，在存储所述的电子束的照射区域之后，把其控制信号输入到电子枪控制单元来进行运行，在所设定的区域内如上所述那样一边进行扫描一边照射电子束，能够均匀地加热保持在炉床3内的熔融金属12。

在本发明中，在配设于炉床3的上方空间的电子枪1a附近配设有图像传感器20，利用所述图像传感器20，基于当前正熔化的部位的温度信息来得到高亮度部位的坐标信息，利用未图示的运算单元，运算被预先编程的在该时刻的应被照射的坐标、及其分别与实际的高亮度部位坐标的差异，取得能够掌握电子束2a当前所照射的区域这样的效果。

在将基于所述温度信息得到的高亮度部位(加热区域)的位置信息与事先存储在电子枪控制单元的位置信息进行比较运算而得到的位置信息差异超过上限的情况下，能够修正电子束的照射位置。

使用图3和图4具体地说明该方法。在图3和图4中实线部分为被预先编程的电子束照射对象的区域。从起点30a起开始电子束照射，在假设由于金属蒸气的干涉、外部磁场等的影响电子束开始移位、电子束被照射到用虚线示出的路线的情况下，在某一时刻，根据被预先编程的坐标信息电子束应照射到30c(坐标x_c、y_c)的时候，由图像传感器检测出的高亮度位置成为30d(坐标x_d、y_d)，两者的坐标产生差异。

将这两个坐标输入到运算单元，通过运算来求出其移位量{(y_d-y_c)²+(x_d-x_c)²}^1/2，在移位量超过规定的值的情况下，对电子枪控制单元反馈移位的X分量ΔX=|x_d-x_c|和Y分量ΔY=|y_d-y_c|的信息，将电子束的照射方向修正该X分量和Y分量的量，能够消除产生在30d与30c的坐标之间的差异。

如图6所示，关于电子束的照射位置的修正，将两者的位置信息作为输入，由比较运算器10输出它们的差异、即修正两个坐标的偏移那样的电子束照射位置控制用的信号，将该信号输入到电子枪控制装置，能够自动地控制电子束的照射位置。

图7表示具体地示出图6的内容的电子束控制系统。图7示出的高分辨率CCD是指本申请的发明所牵涉的图像传感器的优选的一个方式，优选由能够基于对电子枪的照射状况进行摄像的结果、检测由于电子束的照射而被加热的炉床或者铸模内池的高亮度部位那样的装置构成的情况。

能够利用由所述装置检测的高亮度部位来检测电子束的照射位置。将所述照射位置信息输入到运算装置，计算电子束的照射目标位置、以及与计算实际位置所得的偏移，生成校正信号，将该校正信号附加到从电子束照射图案输出装置由电子枪照射的信号，由此取得能够接近电子束的照射位置这样的效果。

图7示出的H意味着照射到形成在炉床或者铸模内的池的表面的电子束宽度。所述电子束的宽度H还是取得能够作为电子束照射信号的宽度(H)而输出这样的效果的宽度。

此外，由图7的虚线包围的高分辨率CCD照相机、运算装置以及校正信号的输出装置能够构成为各别的单元以增设在现有的EB照射图案输出装置的形式来实施本申请的发明。

或者，还能够以对于电子束照射图案输出装置最初就嵌入高分辨率CCD照相机、运算装置以及校正信号的输出装置的形式来实施本申请的发明。

在图3和图4中，由于电子束照射而被加热的点的平面坐标(x_d、y_d)和本来想要照射电子束的点的平面坐标(x_c、y_c)是把将两者的平面坐标的差异的绝对值控制为成为在规定的值以下的情况设为优选的方式的平面坐标。

在本发明中，特别是将两者的平面坐标的差异的绝对值的差异控制在1mm以下的情况设为优选的方式。

即，当在图4的状况中将其公式化时，能够表现为式(1)和(2)。

|x_d-x_c| < 1mm   ···(1)

　　　|y_d-y_c| < 1mm   ···(2)。

电子束2a的照射位置能够通过控制在装备于电子枪1a内的偏转线圈内流动的电流从而变更形成于线圈的磁场来进行控制。当把在偏转线圈没有任何输入的情况下的来自电子枪的电子束照射方向设为初始位置时，能够通过使电流流动于X方向的偏转线圈来使电子束的照射方向沿着X轴方向从初始位置变化，同样地，能够通过与X方向独立地使电流流动于Y方向的偏转线圈来使电子束的照射方向沿着Y轴方向从初始位置变化。

在本发明中，利用运算单元运算上述的所述平面坐标(x_c、y_c)与平面坐标(x_d、y_d)、以及式(1)和式(2)的值，将其结果反馈到电子枪1a，由此取得能够对于炉床池12精度良好地控制当前应加热的区域这样的效果。

本发明不仅对于所述那样的炉床3，而且对于形成在铸模5内的熔融池13也能够合适地进行应用。图5示出这样的情形。如图5所示，作为铸模5内的应照射电子束的区域，对从起点33a至终点33b的区域33、同样地对区域34等的坐标进行编程，能够与上述同样地进行电子束照射、高亮度部分的检测以及照射位置的修正。

另外，具备具有本发明的机构的电子束熔化炉是取得不仅对于纯钛的熔化，而且对于钛合金的熔化也能够合适地进行应用这样的效果的电子束熔化炉。进一步地，是取得对于纯钛、钛合金以外的钼、铌等高熔点金属也能够合适地进行应用这样的效果的电子束熔化炉。

实施例

以下通过实施例和比较例来更详细且具体地说明本发明。

1) 电子枪的输出：400KA

　　　2) 炉床

　　　材质：水冷铜

　　　尺寸：0.5m(长度)×0.3m(宽度)

　　　3) 铸模

　　　材质：水冷铜

　　　铸模截面形状：圆型

　　　4) 熔化原料：海绵钛、合金碎块

　　　5) 图像传感器：高分辨率CCD照相机

　　　6) 运算装置：根据由CCD照相机测定的温度信息来运算高亮度区域的位置信息，接下来与应照射电子束的位置进行比较，输出电子束的照射位置的修正信号的装置。　

　　　7) 电子束照射位置控制装置：利用偏转线圈控制电子束的照射方向。另外，再加上基于从运算装置输出的修正信号来控制电子束的照射方位的装置。

[实施例1]

使用上述的装置，将海绵钛供给至炉床进行熔化而成为溶液，将该溶液排出到铸模而生成铸锭。在上述铸锭的生成结束之后，虽然用肉眼观察了配设在电子束熔化炉内的炉床壁，但是没有检测出炉床受损伤的情形。

[比较例1]

除了不使用本发明所牵涉的图像传感器和电子束照射位置控制装置且不修正电子束的照射位置以外，在与实施例1相同的条件下按初始程序的原样照射电子束并生成铸锭。在铸锭的熔制之后，将电子束熔化炉解体，用肉眼观察炉床的损伤状况的时候，在一个位置观察到电子束照射的轻微的痕迹。

[实施例2]

以除了在实施例1中将原料从海绵钛变更为合金碎块以外的相同条件熔制铸锭。在对所熔制的铸锭中的合金成分的分布进行调查的时候，在长度方向和半径方向上均对于铸锭的平均值的绝对值确认了按照相对误差落入在3%~8%的偏差内。

[比较例2]

以除了在比较例1中使用实施例2的原料以外的相同条件下熔制合金铸锭。在经所熔制的合金铸锭中的长度方向调查半径方向的合金成分的偏析状况的时候，对于平均值的绝对值确认了按照相对误差为6%~17%的偏差。

产业上的可利用性

本发明是提供能够延长在电子束熔化炉中使用的炉床、铸模的寿命、还可制造均匀组分的铸锭的装置以及方法的发明。