JP2006130535A - 溶接方法および溶接用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスＴＩＧ溶接で母材に方形波交流でアークスタートさせて溶接を行うときの溶接欠陥を軽減する溶接方法及び溶接用電源装置を安価に提供する。
【解決手段】アーク中断から再スタートまでの時間が閾値を越えたときは、アークスタート時の極性が逆極性でスタート、閾値を越えないときは正極性でスタートする方形波交流アーク溶接方法。交流アークの中断からの時間が閾値を超えるか、超えないかによって正極スタートと、逆極スタートを切替える手段を具備する溶接用電源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は，溶接欠陥を軽減する溶接方法および溶接用電源装置に関するものである。

従来の技術としては、母材（被溶接物）と溶接電極との間に溶接電流を流してアークを発生させ、アーク熱により母材又は電極を溶かして溶接するアーク溶接での交流溶接機のアークスタート時において、母材がプラス極（正極性）、電極がマイナス極でスタートすることが多い。しかし、この場合の母材が薄板である場合、アークスタートが安定せず、電流を増して安定させようとすると母材に穴あきが生じたりして、溶接品質を優れたものにするには困難で、豊富な経験と熟練した技能を必要とした。この種の溶接技術が特許文献１に開示されている。

この特許文献１では、従来技術として次の記述がある。段落（０００２）に「電極がマイナス、母材がプラス、の期間で溶け込みが深く、電極消耗が少ない。電極がプラスで母材がマイナスの期間で、アルミニウム母材の酸化物の融点が高くて溶接の阻害となる場合に、酸化物除去の作用を持つ。」段落（０００４）に「アルミニウムなど酸化物の融点が高い場合は、交流電流によりＴＥＰ（電極がプラスの期間）のほうがＴＥＮ（電極がマイナスの期間）の期間より大きめで使われる事が多い」

同公報の段落（０００５）に、「しかしながら、従来のアーク溶接法のように交流の溶接電流を用いた場合、アークの指向性が悪い為、隅肉溶接や裏波溶接が難しく、しかもアーク音が高い」そこで、改善された技術が提案され、同公報に次の記述がある。段落（００２６）に「本発明のアーク溶接法は、交流電流期間と直流電流期間を周期的に繰り返す溶接電流を用い、その周波数を０．５〜１０Ｈｚとし、かつ交流電流期間比率を３０〜８０％設定して行う」との技術開示がある。

「特開平4−３５６３６４号」公報

上記のような技術が開示されているが、例えばパルスＴＩＧ溶接で母材に方形波交流でアークスタートさせて溶接を行うとき、逆極時（電極プラス、母材マイナス、）スタートのアークにより、電極が溶けて母材に付着することが頻繁に起こる欠点があった。前記の欠点を排除した溶接方法と、その溶接電流が出力できる溶接用電源装置を安価に提供し、溶接品質の優れた溶接方法を可能にすることが本発明の目的である。

溶接仕上がり品質の確保と溶接作業性の良い溶接法を追求した結果を以下に述べる。アークの途切れる原因の交流波形を改良するため出力電流の立ち上がり、立ち下がりを駿敏にすることが効果的であり、これの手段としては，出力整流回路の出力端に、波形生成手段としてスイッチング回路が接続され、該回路に含まれる直列接続された二つのスイッチング素子の接続点を出力端とし、該素子が交互にオン、オフして形成された所定の電流波形を溶接負荷に供給するように着目した。他方、アーク中断から再スタートまでの時間の関数として、電極が融けて母材に付着するかどうか、が決まってくることの知見を得た。

請求項１に関しては、母材とトーチとの間に流れる溶接電流波形が急峻な立ち上がりの方形波の交流であり、アークが中断した時から再スタートまでの時間が、時間閾値を越えたときは逆極性（トーチがプラス、母材がマイナス）で再スタートし、時間閾値を越えないときは正極性（トーチがマイナス、母材がプラス）で再スタートするようにした交流アーク溶接法とした。

請求項２に関しては、トーチにプラスの電圧、母材にマイナスのスタート電圧を出力するように、極性を切替えるスタート極性切替え手段と極性指令手段とを、電圧供給手段とトーチ及び母材との間に接続したことを特徴とする溶接用電源装置とした。

請求項３に関しては、前記電圧供給手段が、入力側整流回路、インバータ、高周波トランス、出力側整流回路及び出力波形生成手段を具備し方形波交流電力を出力することを特徴とした電圧供給手段である請求項２記載の溶接用電源装置とした。

請求項４に関しては、出力電流の立ち上がり，立ち下がりを駿敏にすることが効果的であるから、前記スタート極性切替え手段が、制御極付きの半導体スイッチング素子で形成されたスタート極性切替え手段である請求項２及び３記載の溶接用電源装置とした。

請求項５に関しては、前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備した極性指令手段である請求項２乃至４記載の溶接用電源装置とした。

請求項６に関しては、前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備し、母材温度検知補償型の計時器と極性指令制御回路から成る極性指令手段である請求項２乃至５記載の溶接用電源装置とした。

請求項７に関しては、前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備し、トーチ温度検知補償型の計時器と極性指令制御回路から成る極性指令手段である請求項２乃至６記載の溶接用電源装置とした。

本発明によれば各種母材の溶接条件に合わせて、最適の溶接電流値とアークスタート時の極性を設定することができるから，溶接条件設定の自動化も可能とした電源装置であり，また溶接仕上がり品質を格段に向上させることができ材料資源ロス削減にも寄与できたので工業的価値が大きい。

図１は本発明による実施の形態を示すブロック図。図２は本発明による実施の形態を示す出力波形図である、これらの図を参照しながら説明する。
受電端子１で商用電圧、例えば交流２００ボルトを受電する。入力側整流回路２で受電した交流を直流に変換し，インバータ３で例えば１００キロヘルツの高周波電力に変換し，高周波トランス４で電圧を本装置の各部品が経済的である電圧値に変圧して，出力側整流回路５で再び直流化する。出力波形生成回路６で、出力波形を所望の周波数の方形波交流に変換し出力する。ここまでが電圧供給手段で、図５に示した従来の電源装置の場合も、これと同様の電源装置である。この電圧供給手段とトーチ１０及び母材１１との間に、極性指令手段１３が接続されたスタート時極性切替え手段７を設けて出力端子８、９に至る溶接用電源装置を形成している。極性指令手段１３には時間閾値設定器１４が接続されていて、溶接品質責任者が設定できるようにしてあり溶接ノウハウを発揮できる重要且つ簡便な新規の手段である。インバータで約１００キロヘルツの高周波電力に変換し，高周波トランス４で電圧を変圧するのは、５０ヘルツの商用電圧を変圧するときのトランスに比べて大幅に小型・軽量化でき、筐体を含めた電源装置全体が軽量で、安価に製作できる効果があるからである。

前記出力波形生成回路６は、例えば、一対または二対のパワーＭＯＳトランジスタ又はＩＧＢＴ等の制御極を持つスイッチング素子の主電流回路極が直列接続されていて、その接続点が出力側として形成されている。該素子の制御極には駆動信号回路１２から信号が与えられて該素子が交互にオン，オフを繰返して方形波交流を出力する。スタート時極性切替え手段７は、例えば一対のパワーＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子が直列接続されていて、その接続点が出力側として形成され、該素子の制御極には極性指令手段１３から信号が与えられて該素子が交互にオン，オフを繰返し出力する、極性指令手段１３は時間閾値設定器１４を具備しており、溶接母材と電流値などの溶接条件に合わせて、アーク中断時からアーク再スタート迄の時間閾値が設定される。

図３に第２の実施の形態を示し、極性指令制御回路２１がトーチ温度検知補償型計時器２０から出力される時間閾値を受けてスタート時の極性が指令される、トーチ温度検知補償型計時器２０は前記時間閾値設定器１４の設定自動化の機能を持っている、刻々と変化するアーク直後の温度を検知し補償して溶接条件にも合わせて極性指令制御回路２１に時間閾値信号を与えている。
図４に第３の実施の形態を示し、前記トーチ温度に替えて母材温度を検知して時間閾値信号を極性指令制御回路２１に与える母材温度検知補償型計時器２２が、図３の場合のトーチ温度検知補償型計時器２０と同様の機能を持っている。
出力電流の調整は、例えば、高周波トランス４の出力側に接続された電流検出器（図示していない）の出力で駆動信号回路１２を制御して、所望の出力電流に維持されるようインバータ３のスイッチング素子を駆動信号回路１２の出力信号が制御する。

溶接電流波形は、図２（ａ）に示すように、例えばパルス幅１０ミリ秒の、パルス波形の交流電流を逆極性（母材側がマイナス電圧印加）で、時刻ｔ１でアークスタートする態様のときは、直前のアークが停止してから長時間を経ている（時間閾値を越えた）ときに限って有効である。図２（ｂ）に示すように、例えばパルス幅１０ミリ秒のパルス波形の交流電流を正極性（母材側がプラス電圧印加）で、時刻ｔ２でアークスタートするときは、直前のアークが停止してから長時間を経ていない（アーク中断直後の時間閾値を越えない）ときに有効である、このようにアーク中断直後の場合には、もし逆極性（母材側がマイナス電圧印加）でスタートすると、逆極のアークにより、電極が融けて母材に付着するので不具合である。

極性指令制御回路２１の構成は、例えば、溶接条件と電流波形を記憶させ、更にトーチ温度検知補償型計時器２０からの信号を受けて制御するソフトウエアによって、マイクロコンピュータで制御することが有効である。これによって，溶接品質の均一性が保たれ溶接作業の機械化，インテリジェンス化にも対応できる利点がある。

本発明による溶接法によれば、溶接品質の向上が達成できて、溶接物の品質ロスが排除できたので、溶接工数の削減と計画時間内に安定した量の達成が出来た。溶接条件を記憶させた電源は、比較的簡単な構成の溶接用電源装置となるから、熟練者不足の溶接現場での扱いが容易になる。電源装置製作工数の削減で、溶接設備費の削減にも寄与でき、省資源にも貢献できたので工業価値が高い。

本発明による実施の形態を示すブロック図。 本発明による実施の形態を示す出力波形図。 本発明による第２の実施形態を示すブロック図。 本発明による第３の実施形態を示すブロック図。 従来の溶接用電源装置を示す回路図。

符号の説明

１ 受電端子
２ 入力側整流回路
３ インバータ
４ 高周波トランス
５ 出力側整流回路
６ 出力波形生成手段
７ スタート時極性切換手段
８ 出力端子（トーチ側）
９ 出力端子（母材側）
１０ トーチ
１１ 母材（被溶接物）
１２ 駆動信号回路
１３ 極性指令手段
１４ 時間閾値設定器
２０ トーチ温度検知補償型計時器
２１ 極性指令制御回路
２２ 母材温度検知補償型計時器

Claims (7)

1. 母材とトーチとの間に流れる溶接電流波形が方形波の交流であり、アーク中断時から再スタートまでの時間が、時間閾値を越えたときは逆極性で再スタートし、時間閾値を越えないときは正極性で再スタートするようにした、溶接方法および溶接用電源装置。
2. トーチにプラスの電圧、母材にマイナスのスタート電圧を出力するように、極性を切替えるスタート極性切替え手段と極性指令手段とを、電圧供給手段とトーチ及び母材との間に接続したことを特徴とする溶接方法および溶接用電源装置。
3. 前記電圧供給手段が、入力側整流回路、インバータ、高周波トランス、出力側整流回路及び出力波形生成手段を具備し方形波交流電力を出力することを特徴とした電圧供給手段である請求項２記載の溶接方法および溶接用電源装置。
4. 前記スタート極性切替え手段が、制御極付きの半導体スイッチング素子で形成されたスタート極性切替え手段である請求項２及び３記載の溶接方法および溶接用電源装置。
5. 前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備した極性指令手段である請求項２乃至４記載の溶接方法および溶接用電源装置。
6. 前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備し、母材温度検知補償型の計時器と極性指令制御回路から成る極性指令手段である請求項２乃至５記載の溶接方法および溶接用電源装置。
7. 前記極性指令手段が、時間閾値設定器を具備し、トーチ温度検知補償型の計時器と極性指令制御回路から成る極性指令手段である請求項２乃至５記載の溶接方法および溶接用電源装置。

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