JP2006281257A - インバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ショートアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれもの場合もアークが安定で、品質に優れる溶接を可能にする。
【解決手段】 入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバ−タ回路２１と、主変圧器２２と、出力側整流回路と、直流リアクトル２５と、からなる第１の主回路２０と、インバ−タ回路３１と、主変圧器３２と、主変圧器３２の出力側に直列に接続され出力電流を制限する限流手段および出力側整流回路と、直流リアクトル３５と、からなる第２の主回路３０と、インバ−タ回路２１、３１をオンオフする駆動回路２６、３６制御手段と、を設け、主変圧器２２の出力電圧を主変圧器３２の出力電圧よりも低い値とし、直流リアクトル２５のリアクタンスを直流リアクトル３５のリアクタンスの略１／５〜１／３０とし、第１主回路２０と第２の主回路３０を溶接負荷に対して並列に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショートアーク溶接、スプレーアーク溶接あるいはパルスアーク溶接のそれぞれにおいて、安定なアークを維持することができるインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源およびその制御方法に関する。

溶接負荷（アーク）に供給する電流（溶接電流）の変化率は、出力側回路に配置するリアクタのリアクタンスの値（以下、単に「リアクタンス」という。）を選択することにより変えることができ、リアクタンスを大きくするほど電流波形の立ち上がりおよび立ち下がりは緩やかになる。

例えば、消耗電極式アーク溶接の一種であるショートアーク溶接（溶接電流を小さくして意識的にワイヤと母材とを短絡させる溶接法であり、直径１．２ｍｍの軟鋼ワイヤを使用する場合の溶接電流値は概略８０〜２００Ａである。）において、リアクタンスを略５０〜３００μＨにすると、不完全短絡の発生が少なく、アークを安定に維持できる。そして、このリアクタンスの場合、短絡がほとんど発生しないスプレー溶接（直径１．２ｍｍの軟鋼ワイヤの場合の溶接電流値は概略２００〜３５０Ａである。）においてもアークを安定に維持できる。以下、特に区別する必要がある場合を除き、ショートアーク溶接とスプレーアーク溶接をまとめてショートアーク溶接という。

一方、消耗電極式アーク溶接の一種であるパルスアーク溶接（溶接負荷にパルス電流とベース電流を交互に供給する溶接法である。）においては、アークを安定に維持するためには、パルス電流の波形をシャープなものにする必要があり、リアクタンスとしては略１０μＨ（すなわち、ショートアーク溶接の場合のリアクタンスの１／５〜１／３０）が好適である。

このように、溶接法により好適なリアクタンスが異なるため、従来は、ショートアーク溶接行うための溶接電源とパルスアーク溶接を行うための溶接電源のそれぞれを用意していた。

また、１台の電源にリアクタンスの異なる２個のリアクタを準備しておき、溶接中にリアクタを接続替えするようにしたアーク溶接電源もあった（特許文献1）。このようなアーク溶接電源の場合、設置スペースを小さくすることができた。
特開平１１−１２３５５１号公報

しかし、溶接中にリアクタを接続替えするように構成しても、２個のリアクタのインダクタンスの差を大きくすると、以下のような問題点が発生する。

図８、９は、溶接中にリアクタを接続替えした場合の溶接電流波形を示す図であり、図８はショートアーク溶接の場合を、図９はパルスアーク溶接の場合を示している。

リアクタンスの大きい回路は応答が遅い。このため、ショートアーク溶接の場合、図８（ａ）に示すように、短絡電流が終了した直後（時刻Ｔ４０）に供給される溶接電流が小さくなり、アーク切れが発生する。

また、パルスアーク溶接の場合も、図９（ａ）に示すように、パルス電流が終了した直後（図中の時刻Ｔ４１）に供給されるべ−ス電流が小さくなり、アークを維持することができない。このため、アーク切れが発生して溶接が不安定になる。

また、パルスアーク溶接の場合、パルス電流に関してはリアクタンスを小さくする必要があるが、ベース電流に関してはリアクタンスの大きい方が好ましいと言われている。

本発明の目的は、ショートアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれもの場合もアークが安定で、品質に優れる溶接が可能なインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源およびその制御方法を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、インバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源として、入力される直流電圧を交流電圧に変換する第１のインバ−タ回路と、前記第１のインバ−タ回路から出力される交流電圧を降圧する第１の主変圧器と、前記第１の主変圧器によって降圧された交流電圧を直流電圧に変換する第１の出力側整流回路と、前記第１の出力側整流回路の出力側に直列に配置される第１の直流リアクトルと、からなる第１の主回路と、入力される直流電圧を交流電圧に変換する第２のインバ−タ回路と、前記第２のインバ−タ回路から出力される交流電圧を降圧する第２の主変圧器と、この主変圧器の出力側に直列に接続され第２の主変圧器の出力電流を制限する限流手段および前記第２の主変圧器によって降圧された交流電圧を直流電圧に変換する第２の出力側整流回路と、前記第２の出力側整流回路の出力側に直列に配置される第２の直流リアクトルと、からなる第２の主回路と、前記第１および第２のインバ−タ回路をオンオフする制御手段と、を設け、前記第１の主変圧器の出力電圧を前記第２の主変圧器の出力電圧よりも低い値とし、前記第１の直流リアクトルのリアクタンスを前記第２の直流リアクトルのリアクタンスの略１／５〜１／３０とし、前記第１と第２の主回路を溶接負荷に対して並列に接続する、ことを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、上記第１の手段に係るインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の制御方法として、溶接開始後アークが発生するまでの間、前記第１の回路と第２の回路を同時にオンさせることを特徴とする。

１台のアーク溶接電源で、ショートアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれの場合もアークを安定に維持することができるので、品質に優れる溶接結果が得られる。また、装置の設置面積を小さくすることができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は本発明に係るインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の接続図である。

始めに、電力回路の回路構成について説明する。

インバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源１００の入力端子１と出力端子４０ａ、４０ｂとの間には、整流器２と、平滑コンデンサ３と、２点鎖線で囲んで示す第１の主回路２０および第２の主回路３０と、が配置されている。主回路２０と主回路３０は平滑コンデンサ３および出力端子４０ａ、４０ｂに対して並列に接続されている。

主回路２０は、インバータ回路２１と、変圧器２２と、整流回路２３と、直流リアクトル２５とから構成されている。インバータ回路２１は駆動回路２６により制御される。変圧器２２の入力側と出力側の巻線の巻数比は１６：４であり、後述する変圧器３２の出力電圧に比べて約２０％低い。また、直流リアクトル２５のリアクタンスは略１０μＨであり、後述する直流リアクトル３５のリアクタンスの１／５〜１／３０である。

主回路３０は、インバータ回路３１と、変圧器３２と、整流回路３３と、限流リアクタ３４と、直流リアクトル３５とから構成されている。インバータ回路３１は駆動回路３６により制御される。変圧器３２の入力側と出力側の巻線の巻数比は１６：５である。直流リアクトル３５のリアクタンスは略５０〜３００μＨである。

なお、主回路２０の外部特性は定電圧特性である。また、限流リアクタ３４がない場合の主回路３０の外部特性は、主回路２０の外部特性と同様に、定電圧特性である。

出力端子４０ａ、４０ｂ間には電圧測定器４が接続されている。電圧測定器４の出力端子は短絡／アーク判定回路６０とパターンジェネレータ６１の定電圧制御側に接続されている。出力端子４０ｂと変圧器２２、３２の出力側巻線の中点との間には、電流測定器５が接続されている。電流測定器５の出力端子はパターンジェネレータ６１の定電流制御側に接続されている。

出力端子４０ａには消耗電極であるワイヤ５３に接触するチップ５１が、出力端子４０ｂには母材５２が接続されている。コイル状に巻かれたワイヤ５３は１対の送給ローラ５４により母材５２に向けて送り出される。

次に、電力回路の動作について説明する。

整流器２は、入力端子１に供給される商用交流電圧を直流に整流する。平滑コンデンサ３は整流器２によって整流された直流電圧を平滑する。

主回路２０のインバータ回路２１は入力される直流電圧を高周波交流電圧に変換する。変圧器２２は入力される交流電圧を溶接に適した電圧に降圧する。整流回路２３は、入力される交流電圧を直流電圧に変換する。

主回路３０のインバータ回路３１は入力される直流電圧を高周波交流電圧に変換する。変圧器３２は入力される交流電圧を溶接に適した電圧に降圧する。整流回路３３は、入力される交流電圧を直流電圧に変換する。限流リアクタ３４は整流回路３３に流れる電流を制限する。

ここで、限流リアクタが主回路３０の外部特性に与える影響について説明する。

図２は、主回路２０と主回路３０の外部特性を示す図であり、実線はインバータ回路の通電比率（インバータ回路がオンされてインバータ回路に電流が流れる時間のオンとオフされる時間との和に対する割合で、デューティともいう。）が高い場合、点線は通電比率が低い場合である。

始めに、主回路３０の限流手段である限流リアクタ３４の動作と、出力電流（出力端子４０ａに流れる電流）について説明する。

いま、限流リアクタ３４のリアクタンスがＬであるとすると、限流リアクタ３４のインピーダンスはωＬ（ただし、ωは位相角である。）である。したがって、溶接負荷が接続されていなければ、限流リアクタ３４による電圧降下はωＬ×出力電流となり、出力電流に比例して増減する。一方、溶接負荷は抵抗であるため、限流リアクタ３４での電圧降下とは位相が９０度ずれる。このため、同図に示すように、主回路３０の外部特性は曲線状になり、ある値以上の電流は流れない。

次に、定常状態における主回路２０と主回路３０を同時にオンさせた場合の出力電流について、同図に実線で示す場合について説明する。なお、主回路２０と主回路３０の外部特性が交差する点の電流値は電流値Ａである。

（１）出力電流値が電流値Ａよりも小さい例えば電流値Ｂの場合（すなわち、溶接負荷が大きい場合）
主回路３０の出力電圧が主回路２０の出力電圧よりも高いので、主回路３０から電流値Ｂの電流が出力端子４０ａに供給される。

（２）出力電流値が電流値Ａ以上である電流値Ｃの場合（すなわち、溶接負荷が小さい場合）
主回路２０の出力電圧が主回路３０の出力電圧よりも高いので、主回路３０からは電流値Ａの出力電流が、主回路２０からは電流値（Ｃ−Ａ）の出力電流が、それぞれ出力端子４０ａに供給される。すなわち、溶接負荷に流れる溶接電流の電流値は電流値Ｃである。

なお、主回路２０の外部特性が定電圧特性であるといっても、通常は僅かな傾斜があるため、主回路２０からは電流値Ａよりも僅かに大きい電流が供給されるが、実用上無視できる程度の大きさである。

次に、主回路２０と主回路３０を同時にオンさせた場合の過渡状態における出力電流について説明する。

図３は、過渡状態における出力電流について説明する図であり、（ａ）は出力電流値が電流値Ｂ（ただし、Ｂ＜Ａ）未満の場合、（ｂ）は出力電流値が電流値Ｃ（ただし、Ｃ≧Ａ）の場合である。

過渡状態においては、直流リアクタ２５、３５の作用により、主回路２０と主回路３０の出力電圧が定常状態とは異なる。

すなわち、出力電流値が電流値Ｂの場合、同図（ａ）に示すように、過渡状態においては主回路２０と主回路３０の両者から電流が出力され、時間が経過して主回路３０の出力電圧が主回路２０の出力電圧よりも高くなると、電流値Ｂの電流が主回路３０から溶接負荷に供給される。

また、出力電流値が電流値Ｃの場合、同図（ｂ）に示すように、過渡状態においては主回路２０と主回路３０の両者から電流が出力され、時間が経過して主回路２０の出力電圧が主回路３０の出力電圧よりも高くなると、電流値Ａの電流が主回路３０から、また、電流値（Ｃ−Ａ）の電流が主回路２０から、それぞれ出力される。

短絡／アーク判定回路６０は、電圧Ｖを監視し、電圧Ｖが予め定める値よりも小さくなった場合は、出力端子４０ａ、４０ｂ間が短絡であると判定し、その結果をパターンジェネレータ６１に出力する。

次に、制御回路について説明する。

制御装置７０には、選択スイッチ７１とパターンジェネレータ６１が接続されている。パターンジェネレータ６１には、駆動回路２６および駆動回路３６が接続されている。

次に、制御回路の動作について説明する。

制御装置７０は、選択スイッチ７１により指定される溶接法、溶接電流および溶接電圧の値に基づき、図示を省略するデータベースを参照して、パターンジェネレータ６１が出力するパターンを決定する。

図示を省略する起動ボタンがオンされると、パターンジェネレータ６１は、指定されたパターンに従って主回路２０，３０を定電圧制御をするか定電流制御をするかを決定すると共に、インバータ回路２１を駆動する駆動回路２６とインバータ回路３１を駆動する駆動回路３６をオンオフ制御する。そして、パターンジェネレータ６１は、定電圧制御を行う場合は電圧Ｖが指示された値を維持するための制御信号（以下、「ＰＷＭ信号」という。）を駆動回路２６、３６に出力し、定電流制御を行う場合は電流Ｉが指示された値を維持するためのＰＷＭ信号を駆動回路２６、３６に出力する。

駆動回路２６、３６はパターンジェネレータ６１から出力されたＰＷＭ信号に従ってそれぞれインバータ回路２１、３１を制御（オンオフ）する。

次に、本発明の好適な制御例を、ショートアーク溶接の場合、スプレーアーク溶接の場合、パルスアーク溶接の場合、およびアークスタートの場合について順番に説明する。

（Ａ）ショートアーク溶接の場合
図４はショートアーク溶接の場合における主回路２０と主回路３０のオンオフのタイミングおよび制御方法を示す図であり、（ａ）は溶接電流を、（ｂ）溶接電圧を、（ｃ）は主回路２０のオンオフを、（ｄ）は主回路３０のオンオフを、（ｅ）は定電流制御のタイミングを、（ｆ）は定電圧制御のタイミングを、それぞれ示している。なお、ショートアーク溶接の場合、溶接電流としては図２における電流値Ａ以下の電流が使用される。

パターンジェネレータ６１は、定電圧制御の条件で主回路３０をオンにしておき、短絡の発生を待つ。そして、短絡が発生したら（時刻Ｔ１０）、定電圧制御の条件を定電流制御の条件に切り替え、短絡を検出してから０．５秒後（時刻Ｔ１１）に主回路２０をオンし、アークが発生したら主回路２０をオフし、定電流制御の条件を定電圧制御の条件に切り替える（時刻Ｔ１２）。主回路２０がオンされると、主回路３０からの電流に加えて主回路２０から急峻な電流がワイヤ５３に供給され、短絡は速やかに解除されると共に、短絡からアークになった時刻Ｔ１２においてアーク切れが発生しない。そして、短絡が解消された後のアーク状態では、リアクタンスが大きい直流リアクタを有する主回路３０より安定なアークが維持される。

なお、この実施形態では、短絡が発生すると同時に定電圧制御の条件を定電流制御の条件に切り替えるので、時刻Ｔ１０（Ｔ１３）以降の溶接電流のオーバーシュートを抑制できる。この結果、大粒のスパッタの発生を抑制することができる。

なお、短絡を検出してから０．５秒後に主回路２０をオンするようにしたが、この時間は、実際の溶接に応じて定めた値であり、変更することができる。

また、電流の立ち上がりを余り急峻にすると、却ってスパッタが発生する傾向があるので、短絡時の溶接電流はある程度緩やかになるように制御している（図中のＴ１１〜Ｔ１２の間）。

（Ｂ）スプレーアーク溶接の場合
図５はスプレーアーク溶接の場合における主回路２０と主回路３０のオンオフのタイミングおよび制御方法を示す図であり、（ａ）は溶接電流を、（ｂ）溶接電圧を、（ｃ）は主回路２０のオンオフを、（ｄ）は主回路３０のオンオフを、（ｅ）は定電流制御のタイミングを、（ｆ）は定電圧制御のタイミングを、それぞれ示している。なお、スプレーアーク溶接の場合、溶接電流としては図２における電流値Ａ以上の電流が使用される。

スプレーアーク溶接の場合の制御は、主回路２０が常にオンであることを除き、ショートアーク溶接の場合と実質的に同じであるので、重複する説明を省略する。

なお、スプレーアーク溶接の場合、通常、短絡は直ちに解除される。

このように、主回路２０と主回路３０の両者から出力電流を供給するため、各々の回路の負担を軽減でき、装置を小型軽量化することができる。

（Ｃ）パルスアーク溶接の場合
図６はパルスアーク溶接の場合における主回路２０と主回路３０のオンオフのタイミングおよび制御方法を示す図であり、（ａ）は溶接電流を、（ｂ）溶接電圧を、（ｃ）は主回路２０のオンオフを、（ｄ）は主回路３０のオンオフを、（ｅ）は定電流制御のタイミングを、（ｆ）は定電圧制御のタイミングを、それぞれ示している。なお、パルス期間（図中の時刻Ｔ３２〜時刻Ｔ３５の間）とベース期間（図中の時刻Ｔ３１〜時刻Ｔ３２の間）は予め定められている。

パターンジェネレータ６１は、定電流制御の条件で主回路３０をオンにしてベース期間の終了時刻Ｔ３３を監視し、ベース期間が終了する約１ｍｓ前の時刻Ｔ３２に主回路２０をオンする。そして、パルス期間の終了時刻Ｔ３５を監視し、パルス期間が終了する約１ｍｓ前の時刻Ｔ３４に主回路３０をオンする。すなわち、パルス期間（ベース期間）の開始後および終了前の約１ｍｓは、主回路２０、３０の両者をオンにする。

このように制御すると、パルス期間開始時にパルス電流を急峻に立ち上げることができる。また、パルス期間終了時に溶接電流がベース電流以下になることを予防できると共に、磁気吹きが発生した場合であっても、アーク切れが発生しない。

（Ｄ）アークスタートの場合
図７は本発明におけるアークスタート時の主回路２０と主回路３０のオンオフのタイミングおよび制御方法を示す図であり、（ａ）は溶接電流を、（ｂ）溶接電圧を、（ｃ）は主回路２０のオンオフを、（ｄ）は主回路３０のオンオフを、（ｅ）は定電流制御のタイミングを、（ｆ）は定電圧制御のタイミングを、それぞれ示している。

ここでは、ショートアーク溶接の場合について説明する。

アークスタート時、パターンジェネレータ６１は、定電流制御の条件で主回路２０、３０のいずれもオンにしておき（時刻Ｔ１）、アークが発生したら（時刻Ｔ２）定電流制御の条件を定電圧制御の条件に切り替える。

このようにすると、同図（ａ）に示すように、リアクタンスの小さい主回路２０の急峻な電流によりアークが発生し、スムースなアークスタートとすることができる。また、アークが発生した後はリアクタンスの大きい主回路３０の電流によりアークを安定に維持することができる。

なお、このアークスタート方法は、ショートアーク溶接だけでなく、スプレーアーク溶接およびパルスアーク溶接にも適用される。すなわち、スプレーアーク溶接の場合、パターンジェネレータ６１は、時刻Ｔ２以降も主回路２０をオンさせた状態を維持し、上記図５によって説明した制御を行う。また、パルスアーク溶接の場合、パターンジェネレータ６１は、時刻Ｔ２以降定電流制御の条件に切り替えると共にその時の時刻を例えば上記図６における時刻Ｔ３１として、以降同図によって説明した制御を行う。

以上説明したように、この実施形態では、制御回路およびフイードッバック回路を１組設ければ良いので、構成を簡略にすることができる。

また、本発明によれば、ショートアーク溶接、スプレーアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれに対しても第１と第２の主回路を適切にオンオフ制御することにより、最適な波形の溶接電流を供給することができる。

また、ショートアーク溶接、スプレーアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれの場合も、アークスタート時においてアークを確実に発生させることができるので、操作性が向上すると共に、品質に優れる溶接部を得ることができる。

なお、この実施例では限流手段として限流リアクタ９を採用したが、第２の整流回路を全波整流の整流回路とする場合には、限流リアクタ９に代えて、コンデンサを用いてもよい。

ここで、限流リアクタ９を設けない場合について説明を補足しておく。

限流リアクタ９を設けない場合、主回路２の出力電圧は主回路１の出力電圧よりも高いので、両方を同時に駆動した場合、略１ｍｍｓの過度的な期間を過ぎた後は、主回路２だけから出力電流が供給される。

スプレーアーク溶接の場合は大電流であり、かつほとんど短絡が発生しないので、出力電流のほとんどを主回路２から供給することになる。すなわち、主回路２の容量として実質的に１台分の容量を持たせなければならない。

これに対して、限流リアクタ９を設けた本願の場合、図２に示したように、主回路２には電流値Ａからほとんど増加しない。したがって、電流値Ａをスプレーアーク領域とショートアーク領域の境界付近に設定することにより、出力電流を主回路２０と主回路３０で分担することになり、主回路３０の負担を大幅に低減（例えば、定格容量の１／２〜２／３）することができる。

本発明に係るインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の接続図である。 本発明に係る主回路の外部特性を示す図であである。 本発明の動作を説明する図であである。 本発明をショートアーク溶接に適用した場合の説明図である。 本発明をスプレーアーク溶接に適用した場合の説明図である。 本発明をパルスアーク溶接に適用した場合の説明図である。 本発明の動作を説明する図であである。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

２０ 第１の主回路
２１ インバ−タ回路
２２ 主変圧器
２５ 直流リアクトル
２６ 駆動回路
３０ 第２の主回路
３１ インバ−タ回路
３２ 主変圧器
３５ 直流リアクトル
３６ 駆動回路

Claims (6)

1. 入力される直流電圧を交流電圧に変換する第１のインバ−タ回路、前記第１のインバ−タ回路から出力される交流電圧を降圧する第１の主変圧器、前記第１の主変圧器によって降圧された交流電圧を直流電圧に変換する第１の出力側整流回路、及び前記第１の出力側整流回路の出力側に直列に配置される第１の直流リアクトルを含む第１の主回路と、
   入力される直流電圧を交流電圧に変換する第２のインバ−タ回路、前記第２のインバ−タ回路から出力される交流電圧を降圧する第２の主変圧器、前記第２の主変圧器の出力側に直列に接続され前記第２の主変圧器の出力電流を制限する限流手段、前記第２の主変圧器によって降圧された交流電圧を直流電圧に変換する第２の出力側整流回路、及び前記第２の出力側整流回路の出力側に直列に配置される第２の直流リアクトルを含む第２の主回路と、
   前記第１および第２のインバ−タ回路をオンオフする制御手段と、
   を備え、
   前記第１の主変圧器の出力電圧を前記第２の主変圧器の出力電圧よりも低い値とし、
   前記第１の直流リアクトルのリアクタンスを前記第２の直流リアクトルのリアクタンスの略１／５〜１／３０とし、
   前記第１と第２の主回路を溶接負荷に対して並列に接続する、
   ことを特徴とするインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
2. 同一の駆動信号により前記第１および第２のインバ−タ回路を駆動することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
3. 前記第１の主変圧器の出力電圧を前記第２の主変圧器の出力電圧の５０〜８０％とすることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
4. 前記第１の直流リアクトルのリアクタンスを略１０μＨとすることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
5. 前記限流手段は、リアクタまたはコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の制御方法において、
   溶接開始後、アークが発生するまでの間、前記第１の主回路と第２の主回路を同時にオンさせることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の制御方法。

Images