JP2009269088A - 消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の構成が簡単で、かつ、スパッタの発生を大幅に低減できる消耗電極式の交流アーク溶接電源装置を提供すること。
【解決手段】 ４個のスイッチング素子Ｅｐ１、Ｅｐ２、Ｅｎ１、Ｅｎ２を独立して制御する出力制御回路３０と、溶接ワイヤ１２と母材１３との間が短絡状態かアーク状態かを検出する短絡検出回路３６と、を設け、出力制御回路３０は、溶接ワイヤ１２と母材１３が短絡した場合、現在オンされている第１の１対の前記スイッチング素子を予め定める期間Ｔ０オフし、その後、オフにした第１の１対のスイッチング素子の一方をオンし、溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下する間にリアクタ２６に蓄えられたエネルギが放出させ、溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下したら、オフされている第１の１対のスイッチング素子の他方をオンし、予め定める期間Ｔ２溶接負荷に流れる電流を電流値Ｉａｓに保ち、その後予め定められている出力電流値に戻す。
【選択図】図１

Description

本発明は消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置に関するものである。

直流の消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置においては、短絡アーク溶接時におけるスパッタの発生を低減するため、短絡電源主回路の直流電圧の極性を切り換えるスイッチング素子ＰＴＲ及びＮＴＲのそれぞれにスイッチング素子と抵抗器とからなる直列回路を並列に接続しておくと共に、短絡からアークへの前兆である溶接ワイヤに発生するくびれを判別するくびれ判別回路ＮＤを設けておき、電極プラス極性中にくびれが発生したときはスイッチング素子ＰＴＲを遮断すると共にスイッチング素子ＰＴＲに並列に接続されたスイッチング素子をオンして抵抗器を導通し、他方電極マイナス極性中にくびれが発生したときはスイッチング素子ＮＴＲを遮断すると共にスイッチング素子ＮＴＲに並列に接続されたスイッチング素子をオンして抵抗器を導通することにより、溶接負荷に供給する電流を小さくするようにした短絡アーク溶接用電源装置が知られている（特許文献１）。

特開２００４−１１４０８８号公報

特許文献１の技術によれば、スパッタの発生を防止することはできるが、制御可能なバイパス回路が必要であり、構成が複雑になった。また、短絡時の溶接電流を制限する装置として抵抗器を用いるため、損失が大きい。さらに、短絡時の溶接電流値が抵抗器の値によって決まってしまい、溶接ワイヤの種類やワイヤ径、溶接電流あるいはシールドガスの種類に応じて制御することができなかった。

本発明の目的は、装置の構成が簡単で、かつ、スパッタの発生を大幅に低減できる消耗電極式の交流アーク溶接電源装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第1の手段は、直流をインバータにより高周波交流に変換し、変換された高周波交流を整流回路により直流に整流し、整流された直流をリアクタで平滑して入力側の両端にスナバ回路を備えるブリッジ接続された４個のスイッチング素子からなるインバータ回路に供給し、前記インバータ回路により直流を交流に変換して溶接負荷に供給するようにした消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置において、前記４個のスイッチング素子を独立して制御する出力制御回路と、溶接ワイヤと母材との間が短絡状態かアーク状態かを検出する短絡検出回路と、を設け、前記出力制御回路は、溶接ワイヤと母材が短絡した場合、現在オンされている第１の１対の前記スイッチング素子を予め定める期間オフし、その後、オフにした前記第１の１対の前記スイッチング素子の一方をオンし、前記溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下する間に前記リアクタに蓄えられたエネルギが放出させ、前記溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下したら、オフされている前記第１の１対の前記スイッチング素子の他方をオンし、予め定める期間前記溶接負荷に流れる電流を前記電流値Ｉａｓに保ち、その後予め定められている出力電流値に戻すことを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、直流をインバータにより高周波交流に変換し、変換された高周波交流を整流回路により直流に整流し、整流された直流をリアクタで平滑して入力側の両端にスナバ回路を備えるブリッジ接続された４個のスイッチング素子からなるインバータ回路に供給し、前記インバータ回路により直流を交流に変換して溶接負荷に供給するようにした消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置において、前記４個のスイッチング素子を独立して制御する出力制御回路と、前記溶接ワイヤと母材が短絡状態からアーク状態へと移行する前兆を検出するアーク前兆検出回路と、溶接ワイヤと母材との間が短絡状態かアーク状態かを検出する短絡検出回路と、を設け、前記出力制御回路は、前記アーク前兆検出回路から信号が出力された場合、現在オンされている第１の１対の前記スイッチング素子を予め定める時間オフし、その後、オフにした前記第１の１対の前記スイッチング素子の一方をオンし、前記溶接負荷に流れる電流が前記小電流値Ｉａｓよりも電流値が大きい予め定める電流値Ｉｓａまで低下する間に前記リアクタに蓄えられたエネルギが放出させ、前記溶接負荷に流れる電流値が前記電流値Ｉｓａまで低下したら、オフされている前記第１の１対の前記スイッチング素子の他方をオンして前記溶接負荷に流れる電流を前記電流値Ｉｓａに保ち、短絡が解消したら出力電流の値を溶接を行うために予め設定されている出力電流値に戻すことを特徴とする。

装置の構成が簡単で、かつ、スパッタの発生を大幅に低減できる。また、従来技術の抵抗器のような損失がほとんど発生しない。

本発明に係る交流アーク溶接電源装置の外部接続図である。 溶接時における実際の出力電流と溶接電圧との関係を示す図である。 フライホイル電流の説明図である。 図２における時刻ｔ２の近傍を拡大して示す図である。 短絡溶接における溶接ワイヤと母材との関係を示す図である。

以下、本発明を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る交流アーク溶接電源装置の外部接続図である。
図において、Ｐは交流アーク溶接電源装置である。入力側ダイオード２１は三相交流電源２０の交流電圧を整流する。スイッチング回路２２は通常ＩＧＢＴやＦＥＴ等の大電流スイッチング素子で構成され、入力側ダイオード２１で整流された電流を約２０ｋＨｚの交流電流に変換する。スイッチング制御回路３２はスイッチング回路２２を構成する大電流スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミング制御を行う。整流回路２５は高周波トランス２４から出力された高周波交流を整流する。整流回路２５で整流された溶接電流はリアクタ２６で平滑され、点線で示すインバータ回路２（交流反転部）に入力される。

インバータ回路２は、ブリッジ接続された４個のトランジスタＥｐ１、Ｅｐ２、Ｅｎ１およびＥｎ２と、直流スナバ回路Ｓとから構成されている。４ａ〜４ｄはエネルギ回生用のダイオードで、トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２、Ｅｎ１およびＥｎ２の両端にそれぞれ接続あるいはトランジスタＥｐ１、Ｅｐ２、Ｅｎ１およびＥｎ２に予め作り込まれている。

直流スナバ回路Ｓは、ダイオード５と並列に接続したコンデンサ６および抵抗７とから構成され、出力の極性切り換え時にトランジスタＥｐ１、Ｅｐ２、Ｅｎ１およびＥｎ２に発生するターンオフ時のスパイク電圧を吸収する。なお、棒プラス（ＥＰ）極性の場合はトランジスタＥｐ１とＥｐ２が、棒マイナス（ＥＮ）極性の場合はトランジスタＥｎ１とＥｎ２がオンされる。

電流検出回路３３は検出した出力電流値（溶接電流値）を出力電流フィードバック回路３４を介して制御回路３０にフィードバックする。電圧フィードバック回路３５は検出した出力電圧値を制御回路３０にフィードバックすると同時に、出力側がアーク状態か短絡状態かを判定するための短絡アーク検出回路３６と出力側が短絡状態からアーク状態に移行する前兆を検出するためのアーク前兆検出回路３７に検出した出力電圧値をフィードバックする。なお、アーク前兆検出回路３７はアーク電圧または溶接電流のどちらかないし両方の変化によって検出する回路であり、この実施形態におけるアーク前兆検出回路３７は、溶接電圧の上昇率を検出する検出回路と、検出した上昇率（ｄＶ／ｄｔ）と予め定める閾値とを比較し、上昇率が閾値を超えた場合は信号を出力する比較回路とから構成されている。

ドライバー３１は制御回路３０の指令により、スイッチング素子 Ｅｐ１，Ｅｐ２、Ｅｎ１、Ｅｎ２を個別に制御する。

外部への出力端子９にはケーブル４０を介してチップ１１が、出力端子１０にはケーブル４１を介して母材１３に接続されている。４０ａ、４１ａはケーブル４０、４１のリアクタンスである。溶接ワイヤ１２はコイル１６に巻かれており、モータ１４に駆動される１対のローラ１５により溶接部に供給される。

ここで、本発明における溶接ワイヤおよび母材と溶接電流（出力電流）の制御内容との関係を図面を用いて説明する。
図５は、短絡溶接における溶接ワイヤと母材との関係を示す図であり、上段は設計上の（理想的な）出力電流を、下段は溶接ワイヤと母材との関係を模式的に示している。
（ａ）：アーク状態であり、溶接ワイヤ１２の先端に形成された溶滴５２と母材１３に形成された溶融プール５３との間にアークが発生している。
（ｂ）：短絡が発生した瞬間（すなわち、溶滴５２が溶融プール３に接触した瞬間）である。短絡発生以降の溶接電流値をアーク状態の溶接電流値と同じにすると、接触部分から再度アークが発生してスパッタが発生する場合がある。そこで、短絡が発生したら、出力電流値を急減させ、スパッタの発生を防止する。
（ｃ）：出力電流値を電流値Ｉａｓに保つ。電流値Ｉａｓは小さいので、溶滴５２は溶融プール５３に入り込む。
（ｄ）：出力電流を増加させることにより、溶滴５２の溶融プール３への移行を促進させる。
（ｅ）：出力電流の増加に伴う電磁ピンチ力の増加により、溶滴５２にクビレ５４が生じる。クビレ５４が生じたら、アークが発生する直前に出力電流を急減させ、出力電流値を小電流値Ｉｓａに保つ。
（ｆ）：アーク発生時、出力電流（小電流値Ｉｓａ）が小さいので、スパッタの発生を低減することができる。

次に、制御回路３０の動作を説明する。
図２は溶接時における実際の出力電流と溶接電圧との関係を示す図である。また、図３はフライホイル電流の説明図であり、図２における期間Ｔ１および期間Ｔ４に対応している。また、図４は図２における時刻ｔ１近傍を拡大して示す図である。

図２に示すように、短絡が発生したら（時刻ｔ０）、トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２をオフにする。すると、リアクタ２６に蓄えられていたエネルギが直流スナバ回路Ｓの抵抗７により消費され、出力電流Ｉｗが減少する。予め定める期間時間Ｔ０（例えば、２０〜５０μｓ）が経過したら（時刻ｔ１）、トランジスタＥｐ１またはＥｐ２のいずれか一方（ここでは、トランジスタＥｐ１）を期間Ｔ１（数十μｓ）オンにする。すると、チップ１１と母材１３とが溶接ワイヤ１２により接続されているので、図３に示すように、母材１３、ケーブル４１，ダイオード４ｄ、トランジスタＥｐ１、ケーブル４０、チップ１１、溶接ワイヤ１２からなる閉回路が形成され、リアクタンス４０ａ、４１ａに蓄えられていたエネルギによりこの回路に点線で示すフライホイル電流Ｉｆが流れる。そして、フライホイル電流Ｉｆの値が後述する電流値Ｉａｓまで低下したら（時刻ｔ２）、予め定める期間Ｔ２（１００〜６００μｓ。溶接ワイヤ径が軟鋼１．２ｍｍの場合５００μｓ程度。）の間トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２をオンにして電流フィードバック制御（ＦＢ制御）により出力電流値をＩａｓに保ち、その後（時刻ｔ３）、溶接を行うために設定された出力電流値に戻す。なお、Ｉａｓの電流値としては、アークが消弧しない程度の値とすることが好ましく、例えば、溶接ワイヤが軟鋼１．２ｍｍφの場合には５０Ａ以下とするのが実用的である。

ここで、図３、図４により、時刻ｔ１近傍の出力電流についてさらに説明する。
トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２をオフにすると、リアクタンス４０ａ、４１ａに蓄えられていたエネルギによる回生電流が直流スナバ回路Ｓを介して流れ、抵抗７により一部が熱に変えられる結果、出力電流は図４の実線のように減少し、時刻ｔｗに０になる。一方、リアクタ２６に蓄えられていたエネルギも直流スナバ回路Ｓを介して流れ、抵抗７により一部が熱に変えられるが、リアクタ２６に蓄えられていたエネルギはリアクタンス４０ａ、４１ａに蓄えられていたエネルギよりも大きいため、点線で示すように遅れて減少し、時刻ｔｃにエネルギは０になる。このため、時刻ｔｗより前にトランジスタＥｐ１、トランジスタＥｐ２の両者をオンすると、図４に二点鎖線で示すように、出力電流値が増加し、瞬間的にアークが発生してスパッタが発生する場合がある。これに対して、時刻ｔｗより前の時刻ｔ１にトランジスタＥｐ１またはトランジスタＥｐ２のいずれか一方だけをオンすると、図４に実線で示すように、リアクタンス４０ａ、４１ａに蓄えられていたエネルギに基づく出力電流はフライホイル電流Ｉｆとなるので、時刻ｔｃ時点で出力電流値を出力電流Ｉａｓと同等以上に維持することができ、アークの発生を防止できる。例えば、溶接ワイヤが軟鋼１．２ｍｍφの場合、期間Ｔ０としては２０〜５０μｓとすれば、フライホイル電流Ｉｆの最大値は電流Ｉａｓの１．５倍（７５Ａ程度である。）以下になり、アークが発生することはない。なお、時刻ｔ５の場合も同様である。

そして、出力電圧の傾きが急上昇し、上昇率が閾値を超えることによりアーク前兆検出回路３７から信号が出力されたら（時刻ｔ４）、予め定める期間Ｔ３（例えば、２０〜５０μｓ）の間トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２をオフにする。予め定める期間時間Ｔ３が経過したら（時刻ｔ５）、トランジスタＥｐ１またはＥｐ２のいずれか一方（ここでは、トランジスタＥｐ１）をオンにする。すると、母材１３、ケーブル４１，ダイオード４ｄ、トランジスタＥｐ１、ケーブル４０、チップ１１、溶接ワイヤ１２からなる閉回路が形成される結果、リアクタンス４０ａ、４１ａに蓄えられていたエネルギにより、この回路にフライホイル電流Ｉｆが流れる。そして、フライホイル電流Ｉｆの値が予め定める電流値をＩｓａまで低下したら（時刻ｔ６）、トランジスタＥｐ１、Ｅｐ２をオンにして出力電流値をＩｓａに保ち（期間Ｔ５）、短絡検出回路が短絡の解消を検出したら、出力電流の値を溶接を行うために予め設定されている出力電流値に戻す。すなわち、期間Ｔ５は溶接ワイヤ１２にくびれが発生するのを待つ時間であり、通常、１００〜４００μｓである。

ここで、出力電流Ｉｓａの値は、アークへの移行がスムーズに行われる、できるだけ低い値が望ましく、例えば、溶接ワイヤが軟鋼１．２ｍｍφの場合、Ｉｓａの電流値として８０Ａ程度とするのが実用的である。

なお、時刻ｔ１を予め定めることに代えて、例えば出力電流値がＩａｓの１．５倍になった時点としてもよい。同様に、時刻ｔ５を予め定めることに代えて、例えば出力電流値がＩｓａの１．５倍になった時点としてもよい。

期間Ｔ２は、長さを変えることにより、溶接ビードの形状を制御することができる。すなわち、期間Ｔ２の長さを長くすると、単位時間当たりの入熱量が小さくなることにより凸ビードになり、期間Ｔ２と期間Ｔ５の長さを短くすると、単位時間当たりの入熱量が大きくなることによりフラットなビードになる。

また、期間Ｔ０、Ｔ２、Ｔ３および出力電流値Ｉａｓおよび出力電流値Ｉｓａは、溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤの直径、溶接電流値およびシールドガスによって最適値が異なるため、予めデータベースに適切な値を定めておき、溶接時に適正値を選択するようにすると、更に効果的である。

以上説明したように、本発明によれば、バイパス回路を設けることなく、短絡が発生した後の出力電流を確実に制御できるので、スパッタの発生を防止することができる。

また、短絡からアークへ移行する際にも、出力電流値Ｉｓａの値を確実に制御できるので、スパッタの発生を防止することができる。

なお、上記においてはＥｐ極性の場合について説明したが、Ｅｎ極性の場合も実質的に同じであるので重複する説明を省略する。

１２ 溶接ワイヤ
１３ 母材
２６ リアクタ
３０ 出力制御回路
３６ 短絡検出回路
Ｅｐ１ スイッチング素子
Ｅｐ２ スイッチング素子
Ｅｎ１ スイッチング素子
Ｅｎ２ スイッチング素子
Ｉａｓ 電流値
Ｔ０ 予め定める期間
Ｔ２ 予め定める期間

Claims (4)

1. 直流をインバータにより高周波交流に変換し、変換された高周波交流を整流回路により直流に整流し、整流された直流をリアクタで平滑して入力側の両端にスナバ回路を備えるブリッジ接続された４個のスイッチング素子からなるインバータ回路に供給し、前記インバータ回路により直流を交流に変換して溶接負荷に供給するようにした消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置において、
   前記４個のスイッチング素子を独立して制御する出力制御回路と、溶接ワイヤと母材との間が短絡状態かアーク状態かを検出する短絡検出回路と、を設け、
   前記出力制御回路は、溶接ワイヤと母材が短絡した場合、現在オンされている第１の１対の前記スイッチング素子を予め定める期間オフし、その後、オフにした前記第１の１対の前記スイッチング素子の一方をオンし、前記溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下する間に前記リアクタに蓄えられたエネルギが放出させ、前記溶接負荷に流れる電流が予め定める電流値Ｉａｓまで低下したら、オフされている前記第１の１対の前記スイッチング素子の他方をオンし、予め定める期間前記溶接負荷に流れる電流を前記電流値Ｉａｓに保ち、その後予め定められている出力電流値に戻す
   ことを特徴とする消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置。
2. 直流をインバータにより高周波交流に変換し、変換された高周波交流を整流回路により直流に整流し、整流された直流をリアクタで平滑して入力側の両端にスナバ回路を備えるブリッジ接続された４個のスイッチング素子からなるインバータ回路に供給し、前記インバータ回路により直流を交流に変換して溶接負荷に供給するようにした消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置において、
   前記４個のスイッチング素子を独立して制御する出力制御回路と、
   前記溶接ワイヤと母材が短絡状態からアーク状態へと移行する前兆を検出するアーク前兆検出回路と、
   溶接ワイヤと母材との間が短絡状態かアーク状態かを検出する短絡検出回路と、を設け、
   前記出力制御回路は、前記アーク前兆検出回路から信号が出力された場合、現在オンされている第１の１対の前記スイッチング素子を予め定める時間オフし、その後、オフにした前記第１の１対の前記スイッチング素子の一方をオンし、前記溶接負荷に流れる電流が前記小電流値Ｉａｓよりも電流値が大きい予め定める電流値Ｉｓａまで低下する間に前記リアクタに蓄えられたエネルギが放出させ、前記溶接負荷に流れる電流値が前記電流値Ｉｓａまで低下したら、オフされている前記第１の１対の前記スイッチング素子の他方をオンして前記溶接負荷に流れる電流を前記電流値Ｉｓａに保ち、短絡が解消したら出力電流の値を溶接を行うために予め設定されている出力電流値に戻す
   ことを特徴とする消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置。
3. 前記電流値Ｉａｓが５０Ａであることを特徴とする請求項１に記載の消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置。
4. 前記電流値Ｉｓａが８０Ａであることを特徴とする請求項２に記載の消耗性電極式の交流アーク溶接電源装置。

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