JP2000061636A - 溶接用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接触点弧式でアークを発生する場合に、アー
ク切れを防止する。 【解決手段】 入力側整流器２及び平滑コンデンサ３に
よって交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧をイ
ンバータ４によって高周波電圧に変換し、インバータ４
からの高周波電圧を変圧器５によって変圧する。変圧器
５からの高周波電圧を出力側整流器6a、6bと平滑リアク
トル７とによって直流電圧に変換し、母材９と電極10と
に供給する。電極９と母材10とを短絡させた状態におい
て、電極９を母材10から引き離して、電極９と母材10と
の間にパイロットアークを発生させ、さらに電極９を引
き離すことによってパイロットアークをメインアークに
移行させる。電極９と母材10との少なくとも短絡時にお
けるインバータ４の高周波電圧の周波数を、メインアー
ク発生時のインバータ４の高周波電圧の周波数よりも高
くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接用電源装置に
関し、特に母材と電極とを接触させた状態から、電極と
母材とを離して、両者の間にアークを発生させるものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接用電源装置には、小型軽量化のた
め、インバータを使用するものがある。例えば、交流電
圧を入力側交直変換器によって直流電圧に変換し、この
直流電圧をインバータによって高周波電圧に変換し、こ
の高周波電圧を変圧器によって変圧し、変圧された高周
波電圧を出力側交直変換器によって直流電圧に再変換
し、この再変換された直流電圧を、母材と電極との間に
印加する。インバータの使用によって、変圧器や、出力
側交直変換器に使用されている平滑用のリアクトルに小
型のものを使用でき、溶接用電源装置も小型化すること
ができる。

【０００３】例えば、図３に示すように、電源入力端子
１ａ乃至１ｃに供給された商用交流電圧が入力側整流器
２によって整流され、この整流電圧が平滑用コンデンサ
３によって平滑され、直流電圧に変換される。入力側整
流器２及び平滑用コンデンサ３は、入力側交直変換器と
して機能する。この直流電圧は、ＩＧＢＴ、電力用ＦＥ
Ｔまたは電力用バイポーラトランジスタ４ａ、４ｂ等の
半導体スイッチング素子を含むインバータ４によって高
周波電圧に変換される。この高周波電圧は、変圧器５に
供給されて、変圧される。この変圧された高周波電圧
は、出力側整流器６ａ、６ｂによって整流され、平滑用
リアクトル７によって平滑され、直流電圧に変換され
る。出力側整流器６ａ、６ｂと平滑用リアクトル７は、
出力側交直変換器として機能する。この直流電圧は、出
力端子８ａ、８ｂを介して電極９と母材１０とからなる
溶接負荷１１に供給される。

【０００４】母材１０とトーチ９に流れる出力電流は、
電流検出器２１によって検出され、その電流検出信号が
誤差増幅器２２に供給されている。また、誤差増幅器２
２には、切替器２４を介して基準信号源２３ａまたは２
３ｂから基準信号が供給され、基準信号と電流検出信号
との誤差を表わす誤差信号がインバータドライブ２６に
供給されている。ドライブ２６には、鋸歯状波発生器２
５から数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚの周波数の鋸歯状波も供
給されており、ドライブ２６は、誤差信号と鋸歯状波と
を比較し、数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚの周波数のＰＷＭ信
号をインバータ４に供給し、インバータ４を制御する。
出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が電圧検出器２７によって
検出され、予め定めた値、例えばメインアーク発生に充
分な電圧以上の電圧が発生すると、電圧検出器２７が切
替指令信号を切替器２４に供給し、切替器２４が、基準
信号源２３ａから基準信号源２３ｂからのものに基準信
号を切替えている。電流検出器２１、誤差増幅器２２、
基準信号源２３ａ、２３ｂ、切替器２４、鋸歯状波発生
器２５、ドライブ２６が定電流制御するインバータ制御
部として機能する。

【０００５】この溶接電源を例えばスタッド溶接に用い
る場合、図４（ａ）に示すように電極としてスタッドが
用いられる。溶接開始時には、スタッド９と母材１０と
が接触しており、切替器２４によって基準信号源２３ａ
が選択されており、この基準信号源２３ａからの基準信
号に基づいて、スタッド９と母材１０との間には、図４
（ｂ）に示すように、矢印方向に定電流制御された十数
Ａの直流の小電流が供給されている。

【０００６】この状態でスタッド９を引き上げて、スタ
ッド９と母材１０との引き離しを開始すると、図４
（ｃ）に示すように、スタッド９と母材１０との間にパ
イロットアークＡｐが発生する。このパイロットアーク
Ａｐの発生により、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が上昇
する。このとき、スタッド９と母材１０との間には短絡
時と同じ定電流制御された小電流のパイロット電流が流
れている。更に、スタッド９を母材１０から引き離して
いくと、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が上昇し、ついに
はメインアーク発生に充分な電圧となり、出力電圧検出
器２７が切替指令信号を発生し、切替器２４が基準信号
源２３ｂからの基準信号を誤差増幅器２２ａに供給す
る。これによって、基準信号源２３ｂの基準信号に応じ
た、例えば定電流制御された数百乃至数千Ａの大電流
が、母材１０とスタッド９との間に流れ、図４（ｄ）に
示すようにメインアークＡｍが発生する。

【０００７】このメインアークＡｍの熱によって母材１
０とスタッド９とが溶融する。そして、スタッド９が母
材１０側に押し下げられ、図４（ｅ）に示すようにスタ
ッド９が母材１０に溶着される。このとき、スタッド９
と母材１０との間の電流が適当な大きさになるように設
定されたタイミングで、インバータ４の駆動を停止し、
出力端子８ａ、８ｂからの直流の供給を停止する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように接触点弧式
のものでは、図４（ｂ）に示すように、スタッド９と母
材１０とが短絡している場合及びパイロットアークが発
生している場合、スタッド９と母材１０とに流れる電流
は、図５に示すように山点と谷点との差が大きいリップ
ルを有している。これは、鋸歯状波発生器２５の発振周
波数が数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚと比較的低い周波数とさ
れているからである。このような低い周波数が選択され
ているのは、メインアークＡｍが発生しているときに、
高い周波数とするとインバータ４のＩＧＢＴ４ａ、４ｂ
でのスイッチング損失が増加し、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂを
損傷する恐れがあるからである。

【０００９】このように山点と谷点との差が大きいリッ
プルを有する電流が、スタッド９と母材１０とに流れて
いるので、谷点のときに、図５（ｃ）に示すようにスタ
ッド９の引き上げが開始されると、パイロットアークが
発生せず、アーク切れを生じることがあった。また、パ
イロットアークの発生時、パイロットアーク電流は小電
流のため、電流リップルの谷が０Ａまたはその近くまで
低下することがあるので、パイロットアークの発生時に
アーク切れが生じることがあった。例えば、スタッド９
と母材１０とに１０Ａの電流を流しているとき、複数回
にわたってアークスタートの実験を行った場合の７０パ
ーセントは、アーク切れが生じていた。

【００１０】本発明は、接触点弧式によってアークを発
生させる場合に、アーク切れが生じにくい溶接用電源装
置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明による溶接用電源装置は、交流電圧を直流
電圧に変換する入力側交直変換器と、この交直変換器か
らの直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、こ
のインバータを制御するインバータ制御部と、前記イン
バータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、この変圧
器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変換し、母
材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、具備し、
前記電極と母材とを短絡させた状態において、前記電極
を前記母材から引き離して前記電極と母材との間にパイ
ロットアークを発生し、このパイロットアークをメイン
アークに移行させる。前記インバータ制御部は、前記電
極と母材との少なくとも短絡状態における前記インバー
タの高周波電圧の周波数を、前記メインアーク発生時の
インバータの高周波電圧の周波数よりも高く制御する。
この高い周波数の期間は、パイロットアークの発生して
いる期間にまで延長することができ、例えば短絡状態及
びパイロットアーク発生状態にわたって、メインアーク
発生時のインバータの高周波電圧の周波数よりも高く、
インバータの高周波電圧の周波数を制御できる。

【００１２】インバータ制御部は、例えば前記インバー
タの高周波電圧の周波数を規定する周波数基準信号、例
えば鋸歯状波信号を発生する基準信号発生器を備えるこ
とができる。この基準信号発生器は、その周波数基準信
号の周波数を高い周波数と低い周波数との間で可変でき
る。周波数基準信号は、電極と母材との間にパイロット
アークが発生し、例えば電極と母材との間の電圧が所定
値にまで上昇したときに、高い周波数から低い周波数に
切替えることができる。この切替のトリガとして、電極
と母材との間の電圧が所定値まで上昇したことを検出す
る電圧検出器の検出信号を使用できる。

【００１３】この溶接用電源装置では、母材と電極との
少なくとも短絡状態において、高い周波数の高周波電圧
をインバータが発生しており、電極と母材とに供給され
る電流の山点と谷点との差は小さい。従って、この状態
から電極と母材と引き離すと、たとえ谷点で電極と母材
との引き離しが開始されたとしても、両者の間に良好に
パイロットアークが発生し、アーク切れは発生しない。

【００１４】前記電極と母材との少なくとも短絡状態に
おける前記インバータの高周波電圧周波数は、３０kHz
以上に選択することができる。この場合、メインアーク
発生時のインバータの高周波電圧の周波数は、上述した
ように数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚである。即ち、少なくと
も短絡時の周波数は、アーク発生時の周波数の約２倍以
上の周波数である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の１実施の形態の溶接用電
源装置は、図１に示すように構成されている。図３に示
した従来の溶接用電源装置と同等部分には同一符号を付
して、その説明を省略する。

【００１６】図３の溶接用電源装置と、図１の溶接用電
源装置とにおける相違点は、鋸歯状波発生器２５ａが、
その発振周波数を可変できる点にある。この発振周波数
は、メインアーク発生時用として上述したように数ｋＨ
ｚ乃至十数ｋＨｚであり、短絡時用及びパイロットアー
ク発生時用として３０ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚである。こ
の発振周波数の切替は、パイロットアークが発生した
後、さらにスタッド９が引き離されて、出力端子８ａ、
８ｂ間の電圧が上昇し、メインアークの発生に充分な値
以上の電圧が出力端子８ａ、８ｂ間に発生したときに、
電圧検出器２７が発生する切替指令信号によって行われ
る。即ち、基準信号源２３ａ、２３ｂの切替と同期し
て、鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数の切替が行われ
る。

【００１７】このように構成された溶接用電源装置にお
いて、スタッド溶接を行う場合、スタッド９と母材１０
とを短絡させた状態において、基準信号源２３ａが使用
され、鋸歯状波発生器２５ａは、上述した３０ｋＨｚ乃
至５０ｋＨｚの周波数の鋸歯状波を発生している。この
とき、スタッド９と母材１０との間には約１０Ａの定電
流が流れるが、この電流に含まれているリップルの山点
と谷点との差は、図２に示すように、図５に示す低い周
波数の場合よりも小さい。これは、インバータ４の発振
周波数が高いので、インバータ４のＩＧＢＴ４ａ、４ｂ
が導通している期間が、インバータ４の発振周波数が低
いときよりも短く、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂの最大電流（Ｉ
ＧＢＴ４ａ、４ｂが導通状態から非導通状態に切り替わ
る時点の電流）と最小電流（ＩＧＢＴ４ａ、４ｂが非導
通状態から導通状態に切り替わる時点の電流）との差が
小さくなるからである。従って、たとえ出力電流の谷点
においてスタッド９が引き上げられても、良好にパイロ
ットアークＡｐが発生し、アーク切れは生じない。パイ
ロットアークＡｐが発生し、スタッド９と母材１０との
距離が短いと、短絡時と同じ約１０Ａの定電流がスタッ
ド９と母材１０との間に流れている。従って、パイロッ
トアークの発生後、スタッド９が更に引き上げられてい
っても、アーク切れは生じない。

【００１８】パイロットアークＡｐが発生し、スタッド
９が更に引き上げられて、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧
が、メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇すると、
これを電圧検出器２７が検出し、切替指令信号を切替器
２４と鋸歯状波発生器２５ａに供給するので、基準信号
源２３ｂからの基準信号が誤差増幅器２２に供給され、
かつ鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数が低い周波数に
切替えられる。これによって、スタッド９と母材１０と
を流れる電流が大きくなり、メインアークＡｍが発生す
る。また、メインアークＡｍの発生後には、鋸歯状波の
周波数が低くされているので、インバータ４のＩＧＢＴ
４ａ、４ｂでのスイッチング損失が大きくなることがな
く、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂの損傷を防止できる。

【００１９】例えば、鋸歯状波発生器２５ａの短絡時の
周波数を５０ｋＨｚとし、スタッド９と母材１０とに１
０Ａの電流を流したとき、全アークスタートが正常に動
作し、パイロットアークが発生し、パイロットアークか
らメインアークへの移行が完全に行われた。また基準信
号発生器２５ａの短絡時の周波数を３０ｋＨｚとし、ス
タッド９と母材１０とに１０Ａの電流を流したとき、全
アークスタートの９５パーセントがアークスタートし
た。また、基準信号発生器２５ａの短絡時の周波数を２
０ｋＨｚとし、スタッド９と母材１０との間に１０Ａの
電流を流したとき、全アークスタートの８５パーセント
乃至９０パーセントがアークスタートした。これらの例
から明らかなように、短絡時の周波数を３０ｋＨｚ以上
とすると、殆どアーク切れが生じることがない。

【００２０】なお、上記の実施の形態では、パイロット
アークが発生した後、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧がメ
インアークの発生に適した電圧にまで上昇したとき、イ
ンバータ４の周波数を低い周波数に切替えたが、短絡状
態からパイロットアークの発生状態に移行した後、メイ
ンアークの発生に適した電圧にまだ上昇していない状態
で、鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数の切換を行うこ
ともできる。この場合、電圧検出器２７とは別個に、電
圧検出器２７が検出信号を発生する電圧よりも低いが、
短絡状態よりも高く予め定めた電圧が出力端子８ａ、８
ｂ間に発生したときに、切替信号を鋸歯状波発生器２５
ａに供給する電圧検出器を設ければよい。

【００２１】また、上記の実施の形態では、この溶接用
電源装置をスタッド溶接に実施したが、起動時に電極と
母材とを短絡させ、その後に電極を引き上げる接触点弧
式のものであれば、例えばＴＩＧ溶接にも実施すること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明による溶接用電源
装置では、電極と母材との少なくとも短絡状態におい
て、インバータの周波数を高くしているので、アーク切
れが生じることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施の形態の溶接用電源装置のブロ
ック図である。

【図２】図１の溶接用電源装置において電極と母材との
接触状態でこれらの間に流れる電流の波形図である。

【図３】従来の溶接用電源装置のブロック図である。

【図４】図３の溶接用電源装置を使用したスタッド溶接
の説明図である。

【図５】図３の溶接用電源装置において電極と母材との
接触でこれらの間に流れる電流の波形図である。

【符号の説明】

２ 入力側整流器（入力側交直変換器） ３ 平滑コンデンサ（入力側交直変換器） ４ インバータ ５ 変圧器 ６ａ、６ｂ 出力側整流器（出力側交直変換器） ７ 平滑リアクトル（出力側交直変換器） ９ 電極 １０ 母材 ２１ 電流検出器（インバータ制御部） ２２ 誤差増幅器（インバータ制御部） ２３ａ、２３ｂ 基準信号源（インバータ制御部） ２４ 切替器（インバータ制御部） ２５ａ 鋸歯状波発生器（インバータ制御部） ２６ ドライブ回路（インバータ制御部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大村 剛史 大阪府大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株式会社三社電機製作所内 (72)発明者 森口 晴雄 大阪府大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株式会社三社電機製作所内 Ｆターム(参考） 4E082 BA01 CA01 DA01 EA02 EA03 EB01 EF14 FA01 FA20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧を直流電圧に変換する入力側交
   直変換器と、 この交直変換器からの直流電圧を高周波電圧に変換する
   インバータと、 このインバータを制御するインバータ制御部と、 前記インバータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、 この変圧器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変
   換し、母材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、
   具備し、前記電極と母材とを短絡させた状態において、
   前記電極を前記母材から引き離すことによって、前記電
   極と母材との間にパイロットアークを発生し、このパイ
   ロットアークをメインアークに移行させる溶接用電源装
   置において、 前記インバータ制御部は、前記電極と母材との少なくと
   も短絡状態における前記インバータの高周波電圧の周波
   数を、前記アーク発生時のインバータの高周波電圧の周
   波数よりも高く制御することを特徴とする溶接用電源装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の溶接用電源装置におい
   て、前記電極と母材との少なくとも短絡状態における前
   記インバータの高周波電圧の周波数が、３０kHz 以上で
   あることを特徴とする溶接用電源装置。