JP2001276971A - 高周波パルス溶接機の制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高周波パルス溶接機においては、パルスの立ち
上がり及び立ち下がりのシャープさに、トーチまでの配
線ケーブルのインダクタンスＬが大きく影響する。 【解決手段】溶接の起動時の短期間だけ電極と母材間を
短絡し、又は溶接中の高周波電流の立ち上がり時の電流
の立ち上がり傾斜及びケーブルの印加電圧，アーク電圧
からケーブルのＬを測定し、このＬに応じて電源電圧又
は、周波数を制御する。 【効果】電流のシャープな立ち上がり，立ち下がりを持
った高周波パルスを電流のピーク値が制限されることな
く得られるので、高周波パルス溶接の特徴である直進性
の良いアークが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶接装置に係わり、
特に、高周波パルス溶接の制御方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、直流溶接又は交流溶接が主流でパ
ルス溶接も低周波のものが多い。しかし最近例えば特開
平１１−２８５６８号公報のようなアークの直進性が良
く開先の狭い狭開先溶接が出来ることや溶け込み深さを
深く出来る等の特徴を持つ１ｋＨｚ以上の高周波パルス
溶接が報告されている。高周波パルスを使用する場合問
題となるのは、溶接用のパルス発生部も含む電源装置と
溶接トーチ部，溶接母材までのケーブルのインダクタン
スＬと高周波の為に表皮効果による抵抗Ｒの増加であ
り、このため波形がなまる。従って溶接電流を高周波パ
ルスとする為電源装置の電圧を従来の直流溶接や低パル
ス溶接より高くしてパルスの立ち上がり，立ち下がりを
シャープにしている。しかし電源装置の電圧を高くする
のにも限度があり、一般的にケーブルの長さを制限して
いた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにシャープな
立ち上がり，立ち下がりを持った高周波パルスを扱う場
合は、トーチまでの配線ケーブルのインダクタンスＬが
大きく影響する。しかし従来装置は一般的なケーブルの
長さをインダクタンスＬの関係からケーブルの長さを制
限し、ケーブの長さがある値以下のものしか使用できな
かったり、指定の長さ以下のケーブルでもＬが大きいた
め、電流のピーク値が制限されていた。またＬの小さな
ケーブルを使用する時は電源電圧が必要以上に高く、ス
イッチングロスが大きく効率も悪かった。さらに溶接範
囲が広い場合は溶接中にケーブルの引き回しが変化して
Ｌの値が変化し、電流のピーク値が制限され、溶接の品
質が変化する等の問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を考慮し、本発
明による高周波パルス溶接機の制御方法及び制御装置に
おいては、溶接の起動時の短期間だけ電極と母材間を短
絡し、又は溶接中の高周波電流の立ち上がり時の電流の
立ち上がり傾斜及びケーブルの印加電圧，アーク電圧か
らケーブルのＬを測定し、このＬに応じて電源電圧又
は、周波数を制御するようにした。

【０００５】

【発明の実施の形態】溶接の一般的な構成は図７に示す
ように商用電源Ｓｙｏから与えられる交流を電源部Ｄｎ
ｇでパルスに変換され、ケーブルＣａｂを介してトーチ
部Ｔｈの先端に着けられた電極ＰｏｌからアークＡｒｃ
を発生し、溶接母材Ｂｏを溶接する。本発明の一実施例
を図１に示す。図１は高周波パルス溶接用電源の構成で
あり、図７に示した電源部ＤｎｇとケーブルＣａｂ，ア
ーク部Ａｒｃの電気的な詳細を示している。商用電源Ｓ
ｙｏから交流を直流に変換する破線で示したＡＣ−ＤＣ
変換部ＡＤＣで直流の定電圧に変換し、その出力を破線
で示した高周波パルス発生部Ｐｕｇでパルスを作り、破
線で示したケーブルＣａｂを介してアークＡｒｃを発生
するように動作する。

【０００６】本発明の高周波パルス発生部Ｐｕｇの各部
波形を図５に示す。図示の高周波パルス電流ｉはピーク
値ｉｐを持ち、急峻な立ち上がり，立ち下がりを持った
波形で構成され、周波数も１ｋＨｚ以上と高い。このよ
うな電流による溶接はアークの直進性が良く開先の狭い
狭開先溶接が可能であり、溶け込み深さを深く出来る。
また、このような電流を流すためには、ケーブルＣａｂ
のインダクタンスＬ，抵抗Ｒを考慮して、高周波パルス
発生部Ｐｕｇの電圧は図示Ｖｂのようになる。また、ア
ーク電圧Ｖｔ（又はトーチ電圧）はケーブルＣａｂのイ
ンダクタンスＬ，抵抗Ｒの影響で図示電圧Ｖｔのように
なる。アーク電圧Ｖｔは電流ｉに近い波形であるが完全
には比例しない。

【０００７】ここで図１を各ブロック毎に詳しく説明す
る。ＡＣ−ＤＣ変換部ＡＤＣは交流を整流するダイオー
ドブリッジＲｅｃで商用電源Ｓｙｏからの交流を整流
し、コンデンサＣ１で平滑して直流にする。その後スイ
ッチング素子Ｑ１，Ｑ２及びダイオードＤ１，Ｄ２で構
成したブリッジ回路を介してトランスＴＦの１次側を接
続する。トランスＴＦの２次側にはダイオードＤ３，Ｄ
４とインダクタンスＬ１，コンデンサＣ２により整流平
滑する。またこの出力を基準電圧Ｖｒｖと比較しその出
力でパルス幅制御器ＰＷＭ１を介してスイッチング素子
Ｑ１，Ｑ２を制御する。これは一般的なダブルフォワー
ド型のＤＣ−ＤＣコンバータを構成しているので、この
出力電圧Ｖｄを一定にする。

【０００８】次にパルス発生部ＰｕｇはＡＣ−ＤＣコン
バータＡＤＣから得られた一定電圧Ｖｄの直流を入力と
し、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４及びダイオードＤ５，
Ｄ６でブリッジ回路を構成する。その出力はケーブルＣ
ａｂを介してアークＡｒｃを生じる。ケーブル部は高周
波パルス電流が流れるので、図示のように高周波インダ
クタンスＬ，高周波抵抗Ｒが発生する。

【０００９】次に高周波パルス発生部Ｐｕｇの制御系を
説明する。まず電流制御系は出力のパルス電流を電流セ
ンサＣＤで測定して実効値回路Ｒｍｓにより、実効値電
流を得る、この電流を基準値Ｖｒｅｆと加算器Ａｄ１で
比較し、その出力をパルス幅制御器ＰＷＭ２によりパル
ス振幅変調してＡＮＤ回路Ａｎ１とＯＲ回路ＯＲ２に入
力する。ＡＮＤ回路Ａｎ１とＯＲ回路ＯＲ２によってス
イッチング素子Ｑ３，Ｑ４を制御しており、定常時は次
のように動作する。アーク電流の実効値（または平均
値）が基準値Ｖｒｅｆより少ない時はパルス幅制御器Ｐ
ＷＭ２の出力Ｄｕｔｙを大きくしてパルス電流が増加す
るように動作し、大きい時はパルス幅制御器ＰＷＭ２の
出力Ｄｕｔｙを小さくしてパルス電流が小さくなるよう
に動作し、実効電流（または平均値電流）を一定になる
ように制御する。次にピーク電流制御系は出力のパルス
電流を電流センサＣＤで測定し、その瞬時値を基準値Ｖ
ｒ１と比較器Ｃｍ１で比較して基準値より小さな間は比
較器Ｃｍ１の出力はＨレベルであり、パルス幅制御器Ｐ
ＷＭ２の信号をそのまま通過し、スイッチング素子Ｑ４
を駆動する。しかし、電流が基準値Ｖｒ１比較器Ｃｍ１
の出力はレベルであり、スイッチング素子Ｑ４をオフに
する。このような動作なので、電流のピーク値は一定に
制御される。

【００１０】以上のように動作するので、この回路の動
作波形はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が共にオンする
と、図５に示した波形の（ａ）点から（ｂ）点のように
パルス発生部Ｐｕｇの出力電圧は、スイッチング素子Ｑ
３，Ｑ４のオン電圧が小さいので無視すると、ＡＣ−Ｄ
ＣコンバータＡＤＣの出力電圧ＶｂがケーブルＣａｂと
アーク部Ａｒｃの直列回路に印加される。このため、ケ
ーブルのＬにより電流ｉが立ち上がり、この電流が基準
値Ｖｒ１に達するとスイッチング素子Ｑ４がオフするの
で、インダクタンスＬに貯えられたエネルギーを放出す
るため、電流はダイオードＤ６を通りスイッチング素子
Ｑ３を通って戻り、回路抵抗でエネルギーが消費される
ので徐々に低下する。この部分が(ｂ）点から(ｃ）点の
部分で、出力電圧は零である。次にスイッチング素子Ｑ
３，Ｑ４が同時にオフする（ｃ）点から（ｄ）点ではイ
ンダクタンスＬに貯えられたエネルギーを放出するた
め、電流はダイオードＤ６とＤ５を通って戻る。ダイオ
ードＤ６とＤ５が導通するので、この結果出力電圧は−
Ｖｄとなる。このため、電流は急速に減少して零にな
る。この繰り返しで高周波パルス電流を流し続ける。こ
こでは直流バイアスの無い例を示したが、直流バイアス
電流を加える方式もある。

【００１１】次に実施例におけるケーブルＣａｂのＬの
測定についてその一例を説明する。この例は溶接スター
ト時にＬの測定を行う方法で、アーク起動時の電極と母
材間を短絡してアークを立ち上げるタッチスタート時
に、電流の立ち上がり傾斜及びケーブルの印加電圧から
ケーブルのＬを測定する方法である。図示のようにスタ
ート回路ＳＴＣの入力は電流センサＣＤの出力とＡＣ−
ＤＣコンバータＡＤＣの出力電圧Ｖｄであり、その出力
はＯＲ回路ＯＲ１，ＯＲ２と電流制御系のパルス幅制御
器ＰＷＭ２及びＡＣ−ＤＣコンバータＡＤＣの電圧制御
系に入力する。このような構成であり、アーク起動時に
スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を短時間オンするようにス
タート回路ＳＴＣが信号を発生する。この信号は図２
（ｃ）に示すようにｔ０〜ｔ３の間にスイッチング素子
Ｑ３，Ｑ４をオンする。そのため、前記したように図２
（ｂ）の電圧ＶがケーブルＣａｂに印加され、これによ
って図２（ａ）の電流がながれ始める。スタート信号が
オンした時点をｔ０とすると、少しの時間後のｔ１時点
で電流ｉ１、ＡＣ−ＤＣコンバータＡＤＣの電圧Ｖ１を
測定し、さらにある時間経過後のｔ２時点で電流ｉ２、
ＡＣ−ＤＣコンバータＡＤＣの電圧Ｖ２を測定し、この
値を元に次式でインダクタンスＬを求める。

【００１２】 Ｌ＝（（Ｖ１＋Ｖ２）／２）×（ｔ２−ｔ１）／（ｉ２−ｉ１） …（１） 電圧は定電圧化されているので一般にはＶ１≒Ｖ２であ
り、（２）式のようになる。

【００１３】 Ｌ＝Ｖ１×（ｔ２−ｔ１）／（ｉ２−ｉ１） …（２） この関係を図３のフローチャートで説明すると、アーク
起動時の電極と母材間を短絡してアークを立ち上げるタ
ッチスタート時に出力１をオンしてＨレベルの信号を発
生し、この時点をｔ＝０とする。次に時間がｔ１になっ
たら電流ｉ１とＶ１を測定する。時間がｔ２になったら
電流ｉ２とＶ２を測定し、次の演算をしてＬを計算す
る。

【００１４】 Ｖ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２ …（３） Ｌ＝Ｖ×（ｔ２−ｔ１）／（ｉ２−ｉ１） …（４） 次にｔ３になったら，出力１をオフしてＬレベルの信号
にし、出力２，３にＬに応じた値を出力する。出力２は
パルス幅制御器ＰＷＭ２に入力され、ケーブルのＬに合
わせて周波数を制御し、ピーク電流が所望の値になるよ
うにする。また出力３はＡＣ−ＤＣコンバータＡＤＣの
基準電圧ＶｒＶに加算されるように加えられ、直流電圧
Ｖｄを制御し、ピーク電流が所望の値になるようにす
る。勿論この制御は直流電圧Ｖｄか周波数か片方でも良
い。

【００１５】以上のように本実施例によればケーブルの
長さ等に影響されず、電流のシャープな立ち上がり，立
ち下がりを持った高周波パルスを電流のピーク値が制限
されることなく得られるので、高周波パルス溶接の特徴
である直進性の良いアークが得られる。さらにＬの小さ
なケーブルでもスイッチング損失が少ない効率の良い溶
接が出来る。

【００１６】図４は本発明の他の実施例を示す。これは
溶接の定常運転時にある時間ごとにケーブルＣａｂのイ
ンダクタンスＬを測定し、ケーブルのＬが変わっても対
応できるようにした実施例である。ここではＡＣ−ＤＣ
コンバータＡＤＣを省略し、Ｖｄｃの直流電源で表し
た。本図では省略されているが、図１における、パルス
幅制御器ＰＷＭ１及び加算器Ａｄ０は本実施例も備えて
いる。また図１と同じ記号は同じ動作をする。図１と異
なるのはパルス幅制御器ＰＷＭ３が入ったことであり、
このパルス幅制御器ＰＷＭ３は図１のパルス幅制御器Ｐ
ＷＭ２の機能を備え、その他に電流，電圧を取り込みこ
れらの演算をする機能も持っている。また出力はスイッ
チング素子Ｑ３，Ｑ４をドライブする出力１とＡＣ−Ｄ
Ｃコンバータの電圧制御部に指令を与える出力３を備え
ている。パルス幅制御器ＰＷＭ３の入力は加算器Ａｄ１
の出力、及び電流センサＣＤの出力、直流電源Ｖｄｃと
接続されている。出力はそれぞれスイッチング素子Ｑ３
のゲート及び加算器Ａｄ０の入力に接続している。この
ような構成であり、その動作は図１のパルス幅制御器Ｐ
ＷＭ２で説明したほかに、インダクタンスＬを測定する
ため、図６のフローチャートに示すような動作をする。
ケーブルのＬが変化するような比較的長いある時間ごと
に図６のスタートに入り、まずスイッチング素子Ｑ３，
Ｑ４がオフであることを確認し、オフであれば今度はオ
ンになるタイミングを待つ、そこでオンになればタイマ
ーｔを０にし、タイマーｔがｔ１になるまで待つ。ｔ１
になると、電流ｉ１と直流電圧Ｖ１を測定し、時間ｔ２
を待ち、ｔ２になれば電流ｉ２と直流電圧Ｖ２を測定
し、図１で説明した（３）式の演算を行いＶを求める。
次に（５）式の演算を行う。Ｖａはアーク電圧で材料や
溶接条件で変化する値で実験例では６〜８Ｖ程度であ
り、前もって与えておく。

【００１７】 Ｌ＝（Ｖ−Ｖａ）×（ｔ２−ｔ１）／（Ｉｉ２−Ｉｉ１） …（５） 次にＬの値を出力３に出力すると同時にパルス発生の周
波数決定に取り入れる。以上でこの処理を抜け出し、あ
る時間経過後にこの動作を繰り返す。また出力３のＬの
値で直流電圧が調整され、ピーク電流が所望の値になる
ように制御される。以上のように本実施例によれば溶接
中にケーブルのＬが変化しても電流のピーク値が制限さ
れること無く安定した高品質の溶接が可能になる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によればケーブルの
長さ等に影響されず、電流のシャープな立ち上がり，立
ち下がりを持った高周波パルスを電流のピーク値が制限
されることなく得られるので、高周波パルス溶接の特徴
である直進性の良いアークが得られる。さらにＬの小さ
なケーブルでもスイッチング損失が少ない効率の良い溶
接が出来る。更に溶接中にケーブルのＬが変化しても電
流のピーク値が制限されること無く安定した高品質の溶
接が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す高周波パルス溶接用電源
の構成図である。

【図２】インダクタンス測定時の波形である。

【図３】インダクタンス測定時のフローチャートであ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す制御構成である。

【図５】高周波パルス発生部の各部波形である。

【図６】他の実施例のインダクタンス測定時のフローチ
ャートである。

【図７】一般的な溶接の構成図である。

【符号の説明】

Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ
２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６…ダイオード、Ｃａｂ…ケ
ーブル、Ｌ…ケーブルの高周波インダクタンス、Ｒ１〜
Ｒ１７…抵抗、Ｒ…ケーブルの高周波抵抗、Ｓｙｏ…商
用電源、ＣＤ…電流センサ、Ｐｕｇ…高周波パルス発生
部、ＰＷＭ１,ＰＷＭ２,ＭＷＭ３…パルス幅制御器、Ｒ
ｍｓ…実効値回路、Ａｒｃ…アーク、Ｖｔ…アーク電
圧、Ａｄ０，Ａｄ１…加算器、Ｃｍ１…コンパレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊坂 隆夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 加藤 光雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 4E082 BA04 CA01 EC03 EC13 EC20 ED01 EF02 EF14

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波でオン，オフするスイッチングによ
   り、直流電圧を高周波パルスに変換する高周波パルス発
   生部を備え、高周波パルス発生部からケーブルを介して
   電極と溶接母材にパルス電流を流して溶接を行う高周波
   パルス溶接機の制御方法において、定期的にスイッチン
   グ素子オン時の短時間の時間に対する電流変化と、アー
   ク電圧及び印加電圧の関係から接続ケーブルのＬを測定
   することを特徴とする高周波パルス溶接機の制御方法。
2. 【請求項２】請求項１において、測定した接続ケーブル
   のＬの値に応じて前記直流電圧を制御することを特徴と
   する高周波パルス溶接機の制御方法。
3. 【請求項３】請求項１において、測定した接続ケーブル
   のＬの値に応じてパルス周波数を制御することを特徴と
   する高周波パルス溶接機の制御方法。
4. 【請求項４】高周波でオン，オフするスイッチングによ
   り、直流電圧を高周波パルスに変換する高周波パルス発
   生部を備え、高周波パルス発生部からケーブルを介して
   電極と溶接母材にパルス電流を流して溶接を行う高周波
   パルス溶接機の制御方法において、起動時に電極と溶接
   母材を短時間短絡し、その短絡時間内の電流変化と時
   間、及び印加電圧の関係から接続ケーブルのＬを測定す
   ることを特徴とする高周波パルス溶接機の制御方法。
5. 【請求項５】請求項４において、タッチスタート時に短
   絡時間内の電流変化と時間、及び印加電圧の関係から接
   続ケーブルのＬを測定することを特徴とする高周波パル
   ス溶接機の制御方法。
6. 【請求項６】請求項４において、短絡時間内の電流変化
   と時間、及び印加電圧，アーク電圧の関係から接続ケー
   ブルのＬを測定することを特徴とする高周波パルス溶接
   機の制御方法。
7. 【請求項７】請求項４において、Ｌの値に応じて前記直
   流電圧を制御することを特徴とする高周波パルス溶接機
   の制御方法。
8. 【請求項８】請求項４において、Ｌの値に応じてパルス
   周波数を制御することを特徴とする高周波パルス溶接機
   の制御方法。
9. 【請求項９】高周波でオン，オフするスイッチングによ
   り、直流を高周波パルスに変換する高周波パルス発生部
   を備え、高周波パルス発生部からケーブルを介して電極
   と溶接母材にパルス電流を流して溶接を行う高周波パル
   ス溶接機の制御装置において、パルス電流とアーク電圧
   を検出する手段、前記検出されたパルス電流とアーク電
   圧（又はトーチ電圧）から電力を求める手段、この電力
   をフィードバックする制御手段とをそなえ、指令アーク
   電力に前記フィードバック電力を等しくなるように制御
   する高周波パルス発生部を有することを特徴とする高周
   波パルス溶接機の制御装置。