JP2009012028A - アーク溶接用電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができるアーク溶接用電源装置を提供する。
【解決手段】アーク溶接用電源装置1は、整流器4にて外部からの商用交流電源3を整流して直流電源を得て、インバータ制御部14からの制御信号Sによってインバータ回路5を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器6によってアーク溶接に適した電圧に変換し、変圧器6からの出力を整流器7にて再び直流に変換する。そして、インバータ制御部14は、検出した溶接電圧情報Vaを検出した溶接電流情報Iaで除算した溶接インピーダンス情報Zに基づいて制御ゲインを変更する制御ゲイン変更部17を備える。よって、例えば、アーク負荷状態においては制御ゲインを高く、短絡負荷状態においては制御ゲインを低くすることで、それぞれの状態において高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。
【選択図】図1

Description

本発明はインバータ回路にて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置に関するものである。
従来のアーク溶接用電源装置を含むアーク溶接装置としては、例えば、商用交流電源を整流器によって整流してまず直流電源を得て、その直流電源の出力をインバータ回路にて交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換し、再び整流器によって直流としてアーク溶接を行う(負荷、即ち電極と被加工物間に供給する)ものがある。
そして、上記したようなアーク溶接用電源装置としては、変圧器の励磁電流を検出し、その励磁電流が設定上限値を超えたときに偏磁発生と判断して、その後、交流半波の残り期間中インバータ回路のスイッチング素子を遮断させる禁止回路を備えたものがある(例えば、特許文献1参照)。このようなアーク溶接用電源装置では、偏磁に基づく大電流によるインバータ回路(スイッチング素子)の破損が防止される。
特開平4−305368号公報
しかしながら、上記した禁止回路は、偏磁が発生しだしてから機能するものであって、更に、スイッチング素子の遮断を優先させることで溶接性が悪くなってしまうことについては考慮されていない。つまり、上記したアーク溶接用電源装置では偏磁の発生自体を低減することが困難で、高い溶接性を安定して得ることが困難であった。
又、近年では、1台のアーク溶接装置(アーク溶接用電源装置)で種々の被加工物を溶接したいといった需要が高くなり、その被加工物の種類等に基づく溶接条件によっては特に偏磁が発生し易くなるため、偏磁の発生の低減が益々大きな課題となっている。
又、前記溶接条件に関わらず、特に消耗電極式のアーク溶接では、電極となる溶加材(溶接用ワイヤ)が溶けることで、電極と被加工物とが接触する短絡負荷状態と、電極と被加工物とが非接触となるアーク負荷状態とが交互に繰り返されるなど、負荷(溶接状態)が時間と共に大きく変化することになる。そして、アーク負荷状態において高い溶接性を得るべく制御目標への追従性(即ち制御ゲイン)を高く設定しておくと、短絡負荷状態で溶接電流が振動し易く、ひいては偏磁が発生し易くなってしまうという問題がある。又、勿論、短絡負荷状態において偏磁を低減すべく制御目標への追従性(制御ゲイン)を低く設定しておくと、アーク負荷状態における溶接性が悪くなってしまう。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができるアーク溶接用電源装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明では、インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段を備えた。
同構成によれば、インバータ制御部における制御ゲイン変更手段にて、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインが変更されるため、各溶接条件や各溶接状態でそれぞれ最適な(高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる)制御ゲインとすることができる。例えば、アーク負荷状態においては制御ゲインを高く、短絡負荷状態においては制御ゲインを低くすることで、それぞれの状態において高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のアーク溶接用電源装置において、前記制御ゲイン変更手段は、少なくとも一部の範囲内における前記溶接インピーダンス情報の変化に比例して前記制御ゲインを変更する。
同構成によれば、少なくとも一部の範囲内における溶接インピーダンス情報の変化に比例して制御ゲインが変更されるため、前記範囲内においては、例えば、複数段階で制御ゲインを変更するものに比べて、高精度に最適な制御ゲインとすることができる。よって、より高い溶接性を得ながら、偏磁の発生をより低減することができる。
請求項3に記載の発明では、請求項1又は2に記載のアーク溶接用電源装置において、前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出する。
同構成によれば、電圧情報検出手段にて前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた(係数を掛け算した)値が前記溶接電圧情報として検出されるため、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷(電極及び被加工物)間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。
請求項4に記載の発明では、請求項1又は2に記載のアーク溶接用電源装置において、前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出する。
同構成によれば、電圧情報検出手段にて前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた(係数を掛け算した)値が前記溶接電圧情報として検出されるため、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷(電極及び被加工物)間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。
本発明によれば、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができるアーク溶接用電源装置を提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図1〜図3に従って説明する。
図1に示すように、アーク溶接装置は、アーク溶接用電源装置1とトーチ2とを備える。アーク溶接用電源装置1は、外部からの商用交流電源3を整流して直流電源を得るための整流器4と、その直流電源の出力を交流に変換するためのインバータ回路5と、インバータ回路5からの出力をアーク溶接に適した電圧に変換するための変圧器6と、変圧器6からの出力を再び直流に変換するための整流器7とを備える。そして、整流器7は、アーク溶接用電源装置1における一対の外部端子8a,8bにリアクトル9を介して接続され、一方(リアクトル9が接続された側)の外部端子8aはケーブルを介してトーチ2に接続され、他方の外部端子8bは被加工物Wに接続されることになる。
本実施の形態のトーチ2は、図示しないワイヤ送給装置から送給される溶加材としての溶接ワイヤ10を保持しつつアーク溶接用電源装置1からの出力を溶接ワイヤ10に供給して該溶接ワイヤ10を電極とするものである。
又、アーク溶接用電源装置1は、前記整流器7と前記外部端子8bとの配線における電流値を溶接電流情報Iaとして検出する電流検出器11と、溶接条件及び溶接状態等に基づいて制御目標となる制御目標電流情報Irを出力する出力電流設定部12と、前記制御目標電流情報Irと前記溶接電流情報Iaとの偏差を算出する減算部13と、前記算出された偏差に基づいてPI制御を行うインバータ制御部14とを備える。このインバータ制御部14は、PI制御の結果に基づいて制御信号Sを生成し、該制御信号Sにて前記インバータ回路5をPWM制御する。
即ち、前記インバータ回路5は、インバータ制御部14からの制御信号Sによって作動するものであって、詳しくは、自身が備える複数のスイッチング素子が制御信号SによってPWM制御されることで直流電源の出力を交流に変換する。
ここで、本実施の形態のアーク溶接用電源装置1は、外部端子8a,8b間、即ち、負荷(溶接ワイヤ10及び被加工物W)間の電圧値を溶接電圧情報Vaとして検出する電圧検出器15と、前記溶接電圧情報Vaを前記溶接電流情報Iaで除算して溶接インピーダンス情報Zを算出し前記インバータ制御部14に出力する除算部16とを備えている。
又、本実施の形態のインバータ制御部14は、前記溶接インピーダンス情報Zに基づいて制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段としての制御ゲイン変更部17を備えている。
詳しくは、本実施の形態の制御ゲイン変更部17は、図3に示すように、主な溶接条件(被加工物Wや溶接ワイヤ10が鉄の場合やアルミの場合等)や主な溶接状態(通常発生する短絡負荷状態やアーク負荷状態)にあるときの溶接インピーダンスの主な範囲Za内においては前記溶接インピーダンス情報Zの変化に比例して制御ゲインを変更する。又、本実施の形態の制御ゲイン変更部17は、前記溶接インピーダンス情報Zが前記範囲Zaを僅かに下回ると(それ以下は全て)制御ゲインを下限値Gaに変更し、前記範囲Zaを僅かに上回ると(それ以上は全て)上限値Gbに変更する。そして、インバータ制御部14は、制御ゲイン変更部17にて設定(変更)された制御ゲインを用いて前記制御信号Sを生成する。
次に、上記のように構成されたアーク溶接装置(アーク溶接用電源装置1)の特徴的な作用を図2に従って具体的に説明する。
図2(a)は、時間と共に変化する負荷、即ち溶接インピーダンス情報Zを示す。まずタイミングt1まではアーク負荷状態であって、タイミングt1から短絡負荷状態となり、更にタイミングt2からアーク負荷状態となっている。又、タイミングt1までのアーク負荷状態におけるタイミングtaでは、被加工物Wに対する溶接ワイヤ10の距離が若干変化したことにより溶接インピーダンス情報Zが若干大きくなっている。
図2(b)は、図2(a)に対して出力電流設定部12から出力される制御目標電流情報Irを示す。図2(b)に示すように、出力電流設定部12は、前記タイミングtaで制御目標電流情報Irを若干低くし、前記タイミングt1で制御目標電流情報Irを高く(詳しくは一度低くした後、急激に高くし、更にその後徐々に高く)し、前記タイミングt2で制御目標電流情報Irを低くしている。尚、この出力電流設定部12の動作は、予め設定された前記溶接条件と、時間とともに変化する溶接状態(例えば溶接電圧情報Va等)とに基づいて行われる。
そして、図2(c)は、本実施の形態における図2(a)及び図2(b)に応じた溶接電流、即ち溶接電流情報Iaを示す。
又、図2(d)は、制御ゲインを大きく設定しておいた従来技術における図2(a)及び図2(b)に応じた溶接電流(情報)を示す。
又、図2(e)は、制御ゲインを小さく設定しておいた従来技術における図2(a)及び図2(b)に応じた溶接電流(情報)を示す。
まず、図2(d)に示すように、制御ゲインを大きく設定しておいた従来技術では、前記タイミングta付近での制御目標電流情報Ir(破線で示す)に対する溶接電流の追従性が高いものの、短絡負荷状態で溶接電流が振動してしまっており、偏磁が発生し易い状態となっている。
一方、図2(e)に示すように、制御ゲインを小さく設定しておいた従来技術では、短絡負荷状態で溶接電流が良好に(振動せずに)制御目標電流情報Ir(破線で示す)に追従しているものの、前記タイミングta付近での制御目標電流情報Irに対する溶接電流の追従性が悪く(遅く)、溶接性が悪い状態となっている。
そして、図2(c)に示すように、本実施の形態では、溶接インピーダンス情報Zが比較的に大きいアーク負荷状態においては制御ゲインが大きくなるため、前記タイミングta付近での制御目標電流情報Ir(破線で示す)に対する溶接電流情報Iaの追従性が高くなっている。更に、溶接インピーダンス情報Zが比較的に小さい短絡負荷状態においては制御ゲインが小さくなるため、短絡負荷状態で溶接電流情報Iaが良好に(振動せずに)制御目標電流情報Ir(破線で示す)に追従している。
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
(1)インバータ制御部14における制御ゲイン変更部17にて、溶接インピーダンス情報Zに基づいて制御ゲインが変更されるため、各溶接条件や各溶接状態でそれぞれ最適な制御ゲインとすることができ、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。
(2)主な範囲Za内における溶接インピーダンス情報Zの変化に比例して制御ゲインが変更されるため、前記範囲Za内においては、例えば、複数段階で制御ゲインを変更するものに比べて、高精度に最適な制御ゲインとすることができる。よって、より高い溶接性を得ながら、偏磁の発生をより低減することができる。
上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、溶接電圧情報Vaを検出するための電圧情報検出手段を、負荷(溶接ワイヤ10及び被加工物W)間の電圧値を溶接電圧情報Vaとして直接的に検出する電圧検出器15としたが、これに限定されず、同様の溶接電圧情報を検出することができれば他の電圧情報検出手段に変更してもよい。
例えば、図4に示すように、電圧情報検出手段としての電圧情報検出部21をインバータ制御部14に設け、電圧情報検出部21にて、前記インバータ制御部14で生成した前記制御信号Sに含まれるパルス幅情報に基づいた値(係数を掛け算した値)を前記溶接電圧情報Vbとして検出するようにしてもよい。尚、この場合、前記除算部16は、前記溶接電圧情報Vaに替えて前記溶接電圧情報Vbを前記溶接電流情報Iaで除算して溶接インピーダンス情報Zを算出する。又、インバータ回路5を制御するための前記制御信号Sに含まれるパルス幅情報は、負荷(溶接ワイヤ10及び被加工物W)間の電圧値と比例関係にあるため、前記パルス幅情報に係数を掛け算することで溶接電圧情報Vbを得ることができる。
このようにしても、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。しかも、このようにすると、溶接電圧情報Vbを容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷(溶接ワイヤ10及び被加工物W)間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器15にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報Vbを容易に高精度で検出することができる。
又、例えば、前記インバータ回路5で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた(係数を掛け算した)値を前記溶接電圧情報として検出する電圧情報検出手段に変更してもよい。このようにしても、上記別例(図4参照)と同様にノイズの悪影響を回避することができ、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。
・上記実施の形態では、制御ゲイン変更部17は、主な範囲Za内における溶接インピーダンス情報Zの変化に比例して制御ゲインを変更するとしたが、これに限定されず、例えば、溶接インピーダンス情報Zに応じて複数段階(例えば2段階や5段階等)で制御ゲインを変更するようにしてもよい。又、上記実施の形態の制御ゲイン変更部17は、溶接インピーダンス情報Zに対する制御ゲインを溶接条件に関わらず変更(設定)するよう記載したが、これに限定されず、例えば、被加工物Wや溶接ワイヤ10が鉄の場合とアルミの場合とで溶接インピーダンス情報Zに対する制御ゲインを変更するようにしてもよい。即ち、制御ゲイン変更部17は、図3に示す設定図やその計算式を2種類以上有し、それらを(例えば手動にて)選択可能としてもよい。このようにすると、より細かく高精度に最適な制御ゲインとすることができ、ひいては、より高い溶接性を得ながら、偏磁の発生をより低減することができる。
本実施の形態におけるアーク溶接装置のブロック図。 (a)時間−溶接インピーダンス情報特性図。(b)時間−制御目標電流情報設定図。(c)本実施の形態における時間−溶接電流情報特性図。(d)(e)従来技術における時間−溶接電流(情報)特性図。 本実施の形態における溶接インピーダンス情報−制御ゲイン設定図。 別例におけるアーク溶接装置のブロック図。
符号の説明
1…アーク溶接用電源装置、5…インバータ回路、6…変圧器、14…インバータ制御部、17…制御ゲイン変更部(制御ゲイン変更手段)、21…電流情報検出部(電流情報検出手段)、Ia…溶接電流情報、S…制御信号、Va,Vb…溶接電圧情報、Z…溶接インピーダンス情報、Za…範囲。

Claims (4)

  1. インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、
    前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段を備えたことを特徴とするアーク溶接用電源装置。
  2. 請求項1に記載のアーク溶接用電源装置において、
    前記制御ゲイン変更手段は、少なくとも一部の範囲内における前記溶接インピーダンス情報の変化に比例して前記制御ゲインを変更することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
  3. 請求項1又は2に記載のアーク溶接用電源装置において、
    前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
  4. 請求項1又は2に記載のアーク溶接用電源装置において、
    前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
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