JP2010240682A - 交流溶接装置 - Google Patents

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亘 梅田
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Abstract

【課題】従来の重畳回路は、重畳電圧印加用コンデンサの充電開始タイミングが極性反転のタイミングと同期するため、正極性期間を短く設定した場合に充電時間が不足し、所望の重畳電圧値まで充電させることができないという課題を有していた。
【解決手段】逆極性重畳電圧印加期間のみONするt1信号を第3の逆極性用スイッチング素子153へ供給することにより、逆極性重畳電圧印加期間終了後、ただちに第1の逆極性用コンデンサ152への充電を開始させることができる。同様に、正極性重畳電圧印加期間のみONするt2信号を第3の正極性用スイッチング素子163へ供給することにより、正極性重畳電圧印加期間終了後ただちに第1の正極性用コンデンサ162への充電を開始させることができる。この動作により、正極性期間を短く設定した場合でも充電期間を確保し、所望の重畳電圧値まで充電させることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、溶接出力を電極が母材に対して(+)である逆極性の期間と、(−)である正極性の期間とを交互に繰り返す交流アーク溶接に関し、特に、極性切り換え時に電圧を印加する重畳回路を備えた交流溶接装置に関するものである。
近年、溶接部の溶け込み深さの調節や溶接ビードの形状を調節するため、逆極性と正極性を交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接機が使用されている(例えば、特許文献1参照)。
図10に、従来の交流アーク溶接機の構成の一例を示す。アーク溶接機は、電源入力部1と、電源入力部1に接続されたインバータ制御部2と、インバータ制御部2に接続された主変圧器3と、主変圧器3からの出力を整流する第1のダイオード4と、主変圧器3からの出力を整流する第2のダイオード5と、第1のダイオード4の出力を電極12と母材14との間に逆極性出力として供給するように接続された第1の逆極性用スイッチング素子6と、第2のダイオード5の出力を電極12と母材14との間に正極性出力として供給するように接続された第1の正極性用スイッチング素子8と、溶接機の出力端子10と、通電用コンタクトチップ11と、電極12と、逆極性重畳回路部15と、正極性重畳回路部16を備えている。なお、電極12と被溶接物である母材14との間に溶接アーク13を発生させて溶接を行う。
そして、逆極性重畳回路部15内では、第1の逆極性用直流電源151により第1の逆極性用コンデンサ152を充電するように接続がされ、また、第1の逆極性用直流電源151と第3の逆極性用スイッチング素子153と第1の抵抗154を直列に接続している。
また、正極性重畳回路部16では、第2の正極性用直流電源161により第1の正極性用コンデンサ162を充電するように接続がされ、また、第2の正極性用直流電源161と第3の正極性用スイッチング素子163と第2の抵抗164を直列に接続している。
上記のように構成されたアーク溶接機の各スイッチング素子の動作と、第1の逆極性用コンデンサ152の電圧波形と、第1の正極性用コンデンサ162の電圧波形について、図11を参照して説明する。
図11において、EP信号は、第1の逆極性用スイッチング素子6と第3の正極性用スイッチング素子163を逆極性出力期間にONし、正極性出力期間にOFFする信号である。EN信号は、正極性用スイッチング素子8と第3の逆極性用スイッチング素子153を正極性出力期間にONし、逆極性出力期間にOFFする信号である。第1の逆極性用コンデンサ152は、第3の逆極性用スイッチング素子153がONになる正極性出力時に第1の逆極性用直流電源151によって充電され、第3の逆極性用スイッチング素子153がOFFになる逆極性出力時に電極12と母材14との間に逆極性重畳電圧を印加し、急峻に放電される。一方、第1の正極性用コンデンサ162は、第3の正極性用スイッチング素子163がONになる逆極性出力時に第1の正極性用直流電源161によって充電され、第3の正極性用スイッチング素子163がOFFになる正極性出力時に電極12と母材14との間に正極性重畳電圧を印加し、急峻に放電される。
特開平6−63747号公報
しかし、従来の重畳回路部は、交流周波数を大きくした場合や、正極性期間の比率を逆極性期間に対して低く設定した場合など、正極性期間が短くなる状態では、逆極性重畳電圧印加用コンデンサの充電の開始が逆極性出力から正極性出力へ切り替わるタイミングと同期するため、図11に示すように充電時間が不足し、所望の重畳電圧値まで充電させることができず、故に、極性切換時に印化する電圧が低くなり、重畳電圧を印加してもアーク切れを防ぐことができない場合が生じるという課題を有していた。
本発明は、正極性期間が短くなる場合にも、重畳電圧印加用コンデンサへ所望の重畳電圧値まで充電させることを可能にする交流溶接装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の交流溶接装置は、電極がプラス極性である逆極性期間と前記電極がマイナス極性である正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流溶接装置であって、前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する第1の重畳回路部と、前記第1の重畳回路部による電圧の印加を制御する第1の制御部と、前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と前記溶接対象物との間に電圧を印加する第2の重畳回路部と、前記第2の重畳回路部による電圧の印加を制御する第2の制御部とを備え、前記第1の重畳回路部は、第1の容量性素子と、前記第1の容量性素子を充電するための第1の電源部と、前記第1の容量性素子の充電と放電を切り替えるための第1のスイッチング素子を備え、前記第2の重畳回路部は、第2の容量性素子と、前記第2の容量性素子を充電するための第2の電源部と、前記第2の容量性素子の充電と放電を切り替えるための第2のスイッチング素子を備え、前記第1の重畳回路を構成する前記第1の容量性素子が放電を行った後に前記逆極性期間において前記第1の容量性素子の充電を開始するものである。
また、本発明の交流溶接装置は、上記に加えて、第2の重畳回路を構成する第2の容量性素子が放電を行った後に放電を行ったこの正極性期間において前記第2の容量性素子の充電を開始するものである。
また、本発明の交流溶接装置は、電極がプラス極性である逆極性期間と前記電極がマイナス極性である正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流溶接装置であって、前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際および/または前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する重畳回路部と、前記重畳回路部による電圧の印加を制御する制御部とを備え、前記重畳回路部は、容量性素子と、前記容量性素子を充電するための電源部と、前記容量性素子の充電と放電を切り替えるためのスイッチング素子を備え、前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する場合には前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記容量性素子を放電させて電圧を印加し、この放電の後に前記逆極性期間において前記容量性素子の充電を開始し、前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する場合には前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記容量性素子を放電させて電圧を印加し、この放電の後に前記正極性期間において前記容量性素子の充電を開始するものである。
以上のように、本発明は、正極性出力から逆極性出力へ極性反転させる場合と逆極性出力から正極性出力へ極性反転させる場合とに印加する重畳電圧に関し、重畳電圧印加期間終了後に重畳電圧印加用の容量性素子に充電を開始させることにより、重畳電圧印加用の容量性素子に所望の重畳電圧値となるまで確実に充電させることができる。
本発明の実施の形態1にアーク溶接機の概略構成を示す図 本発明の実施の形態1における各スイッチング素子の駆動信号のタイミングを示す図 本発明の実施の形態1における溶接電流と極性信号と重畳電圧の時間変化を示す図 本発明の実施の形態1にアーク溶接機の概略構成を示す図 本発明の実施の形態1にアーク溶接機の一部の概略構成を示す図 本発明の実施の形態1にアーク溶接機の一部の概略構成を示す図 本発明の実施の形態2にアーク溶接機の一部の概略構成を示す図 本発明の実施の形態2における各スイッチング素子の駆動信号のタイミングを示す図 本発明の実施の形態2における溶接電流と極性信号と重畳電圧の時間変化を示す図 従来の交流アーク溶接機の概略構成を示す図 従来の交流アーク溶接機における溶接電流と極性信号と重畳電圧の時間変化を示す図
(実施の形態1)
図1は本実施の形態における交流溶接装置の一例であるアーク溶接機の概略構成を示す図である。図1において、アーク溶接機は、交流電力を入力するための電源入力部1と、電源入力部1に接続され交流周波数を変更するインバータ制御部2と、インバータ制御部2に接続され電力の変換を行う主変圧器3と、主変圧器3からの出力を整流する第1のダイオード4と、主変圧器3からの出力を整流する第2のダイオード5と、第1のダイオード4の出力を電極12と母材14との間に逆極性出力として供給するように接続された第1の逆極性用スイッチング素子6と、第1のダイオード4の出力を電極12と母材14との間に逆極性出力として供給するように接続された第2の逆極性用スイッチング素子7と、第2のダイオード5の出力を電極12と母材14との間に正極性出力として供給するように接続された第1の正極性用スイッチング素子8と、第2のダイオード5の出力を電極12と母材14との間に正極性出力として供給するように接続された第2の正極性用スイッチング素子9と、溶接機の出力端子10と、通電用コンタクトチップ11と、電極12と、逆極性重畳回路部15と、正極性重畳回路部16とを備えている。なお、電極12と被溶接物である母材14との間に溶接アーク13を発生させて溶接を行う。
逆極性重畳回路部15内では、第1の逆極性用直流電源151により第1の逆極性用コンデンサ152を充電するように第1の逆極性用直流電源151と逆極性用コンデンサ152とが並列に接続され、逆極性用コンデンサ152と第3の逆極性用スイッチング素子153と第1の抵抗154とが直列に接続されている。
また、正極性重畳回路部16内では、第2の正極性用直流電源161により第1の正極性用コンデンサ162を充電するように第2の正極性用直流電源161と第1の正極性用コンデンサ162とが並列に接続され、第1の正極性用コンデンサ162と第3の正極性用スイッチング素子163と第2の抵抗164とが直列に接続されている。
次に、上記のように構成されたアーク溶接機の各スイッチング素子に供給される駆動信号について、図2の動作タイミング図を参照して説明する。
図2において、極性比率設定部17は正極性期間を決定するためのものであり、交流出力制御部18は各スイッチング素子に対して極性比率設定部17で設定された極性比率に応じたON−OFF信号を供給するものである。
EP信号は、第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7を逆極性出力期間にONし、正極性出力期間にOFFするための信号である。
EN信号は、正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9を正極性出力期間にONし、逆極性出力期間にOFFするための信号である。
t1信号は、正極性出力から逆極性出力への極性反転時に、逆極性重畳電圧印加期間のみONし、逆極性重畳電圧印加期間以降はOFFするための信号である。なお、逆極性重畳電圧印加期間は、逆極性期間より短い。
t2信号は、逆極性出力から正極性出力への極性反転時に、正極性重畳電圧印加期間のみONし、正極性重畳電圧印加期間以降はOFFするための信号である。
次に、前述のEP信号、EN信号、t1信号、t2信号を供給した場合における各スイッチング素子の動作と、第1の逆極性用コンデンサ152の電圧と、第1の正極性用コンデンサ162の電圧について、図3を参照して説明する。
溶接電流を正極性出力から逆極性出力へ極性反転をさせる場合、EP信号により第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7をONし、EN信号により第1の正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9をOFFし、t1信号により第3の逆極性用スイッチング素子153をONし、逆極性重畳電圧印加期間終了後に第3の逆極性用スイッチング素子153をOFFする。この動作における第1の逆極性用コンデンサ152は、第3の逆極性用スイッチング素子153がONの期間には電極12と母材14との間に逆極性重畳電圧を印加するため急峻に放電し、第3の逆極性用スイッチング素子153がOFFした後は逆極性出力回路から切り離されるため第1の逆極性用コンデンサ152を充電するように並列接続した第1の逆極性用直流電源151によって逆極性重畳電圧値まで充電する。すなわち、逆極性期間に放電を行い、この逆極性期間内において充電を開始する。従って、正極性期間だけではなく逆極性期間においても充電を行うことが可能であり、極性比率が小さく正極性期間が短い場合でも、逆極性重畳電圧値まで充電することができる。
一方、溶接電流を逆極性出力から正極性出力へ極性反転をさせる場合、EN信号により第1の正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9をONし、EP信号により第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7をOFFし、t2信号により第3の正極性用スイッチング素子163をONし、正極性重畳電圧印加期間終了後に第3の正極性用スイッチング素子163をOFFする。この動作における第1の正極性用コンデンサ162は、第3の正極性用スイッチング素子163がONの期間には電極12と母材14との間に正極性重畳電圧を印加するため急峻に放電し、第3の正極性用スイッチング素子163がOFFした後は正極性出力回路から切り離されるため第1の正極性用コンデンサ162を充電するように並列接続した第2の正極性用直流電源161によって正極性重畳電圧値まで充電する。なお、正極性期間に放電を行い、正極性重畳電圧印加期間終了時もまだ正極性期間が続いていれば、この正極性期間内において充電を開始する。従って、逆極性期間だけではなく正極性期間においても充電を行うことが可能である。なお、正極性重畳電圧印加期間終了時に逆極性期間となっていれば、この逆極性期間から充電を開始する。
以上のように、図2に示す交流出力制御部18で設定した重畳電圧印加期間のみ重畳電圧を印加し、重畳電圧印加期間終了と同時あるいは遅れて重畳電圧の充電を開始する重畳回路部を2回路搭載することにより、正極性期間の長さの影響を受けず、常に安定した重畳電圧を印加し、円滑な溶接を実現することが可能になる。
なお、本実施の形態では、第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7と第1の正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9からなる溶接出力を直流から交流に変換する2次インバータ部の直流側に重畳回路部を配置しているが、図4に示すように、2次インバータ部の交流側に配置してもよい。このように交流側に配置することにより、内部インピーダンスの影響が低減されるという利点がある。
また、本実施の形態では、溶接出力を直流から交流に変換する2次インバータ部がフルブリッジで構成されている例を示しているが、従来例のように2次インバータ部がハーフブリッジで構成する場合にも適用でき、例えば図5や図6に示す構成とすることで容易にハーフブリッジに適用することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態において、実施の形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態1と異なる主な点は、実施の形態1では重畳回路部を2つ備えていたのに対し、本実施の形態では重畳回路部を1つ備える構成とした点である。すなわち、実施の形態1における逆極性重畳回路部15と正極性重畳回路部16を、後述する両極性重畳回路19とした点である。
図7は、本実施の形態におけるアーク溶接機の概略構成を示す図である。なお、電源入力部1から母材14は図1の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。
図7において、アーク溶接機は、逆極性の重畳電圧印加と正極性の重畳電圧印加とを兼ねた両極性重畳回路部19を備えている。両極性重畳回路部19内では、第1の両極性用直流電源191により第1の両極性重畳電圧コンデンサ192を充電するように、第1の両極性用直流電源191と第1の両極性重畳電圧コンデンサ192を並列に接続している。そして、第1の両極性重畳電圧コンデンサ192と第1の両極性用スイッチング素子193と第1の抵抗154を直列に接続している。
上記のように構成されたアーク溶接機の各スイッチング素子に供給される駆動信号について、図8の動作タイミング図を参照して説明する。なお、極性比率設定部17と交流出力制御部18は実施の形態1において図2を用いて説明したものと同様であるため、詳細な説明は省略する。
EP信号は、図7における第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7を逆極性出力期間にONし、正極性出力期間にOFFする信号である。
EN信号は、正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9を正極性出力期間にONし、逆極性出力期間にOFFする信号である。
t1信号とt2信号は、正極性出力から逆極性出力への極性反転時と、逆極性出力から正極性出力への極性反転時に、重畳電圧印加期間のみONし、重畳電圧印加期間以降はOFFする信号である。
前述のEP信号とEN信号とt1信号とt2信号を供給した場合における各スイッチング素子の動作と、第1の両極性用コンデンサ192の電圧について、図9を参照して説明する。
溶接電流を正極性出力から逆極性出力へ極性反転をさせる場合、EP信号により第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7をONし、EN信号により第1の正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9をOFFする。そして、t1信号とt2信号により第1の両極性用スイッチング素子193をONし、逆極性重畳電圧印加期間終了後に第1の両極性用スイッチング素子193をOFFする。この動作における第1の両極性用コンデンサ192は、第1の両極性用スイッチング素子193がONの期間には電極12と母材14との間に逆極性重畳電圧を印加するため急峻に放電し、第3の逆極性用スイッチング素子153がOFFした後は出力回路から切り離されるため、第1の両極性用コンデンサ192を充電するように並列接続した第1の両極性用直流電源191により重畳電圧値まで充電する。
溶接電流を逆極性出力から正極性出力へ極性反転をさせる場合、EN信号により第1の正極性用スイッチング素子8と第2の正極性用スイッチング素子9をONし、EP信号により第1の逆極性用スイッチング素子6と第2の逆極性用スイッチング素子7をOFFする。そして、t1信号とt2信号により第1の両極性用スイッチング素子193をONし、正極性重畳電圧印加期間終了後に第1の両極性用スイッチング素子193をOFFする。この動作における第1の両極性用コンデンサ192は、第1の両極性用スイッチング素子193がONの期間には電極12と母材14との間に正極性重畳電圧を印加するため急峻に放電し、第1の両極性用スイッチング素子193がOFFした後は出力回路から切り離されるため、第1の両極性用コンデンサ192を充電するように並列接続した第1の両極性用直流電源191により重畳電圧値まで充電する。
上記のように、逆極性期間に放電を行い、この逆極性期間内において充電を開始し、また、正極性期間に放電を行い、この正極性期間内において充電を開始する。
以上のように、交流出力制御部18で設定した重畳電圧印加期間のみ重畳電圧を印加し、重畳電圧印加期間終了と同時あるいは遅れて重畳電圧の充電を開始する両極性重畳回路19を搭載することにより、重畳回路1つで両極性の重畳電圧を印加することができる。
なお、本実施の形態では、1つの両極性重畳回路19により、正極性期間から逆極性期間に極性反転する場合と逆極性期間から正極性期間に極性反転する場合の両方に電圧を重畳する例を示したが、正極性期間から逆極性期間に極性反転する場合のみ、あるいは、逆極性期間から正極性期間に極性反転する場合のみのいずれか一方のみの場合に電圧を重畳するようにしてもよい。特に、正極性期間から逆極性期間に極性反転する場合のみ電圧を印加するようにしてもよい。
なお、本実施の形態では、t1信号とt2信号とを別個にしてスイッチング素子に供給する例をしめしたが、予めt1信号とt2信号とを併せて1つにした信号をスイッチング素子に供給するようにしても良い。
本発明の交流溶接装置は、交流溶接において、正極性期間に影響を受けずに安定した重畳電圧を印加することができ、極性比率を変更して交流アーク溶接を行う交流溶接装置として産業上有用である。
1 電源入力部
2 インバータ制御部
3 主変圧器
4 第1のダイオード
5 第2のダイオード
6 第1の逆極性用スイッチング素子
7 第2の逆極性用スイッチング素子
8 第1の正極性用スイッチング素子
9 第2の正極性用スイッチング素子
10 出力端子
11 通電用コンタクトチップ
12 電極
13 溶接アーク
14 母材
15 逆極性重畳回路部
16 正極性重畳回路部
17 極性比率設定部
18 交流出力制御部
19 両極性重畳回路部
151 第1の逆極性用直流電源
152 第1の逆極性用コンデンサ
153 第3の逆極性用スイッチング素子
154 第1の抵抗
161 第2の正極性用直流電源
162 第1の正極性用コンデンサ
163 第3の正極性用スイッチング素子
164 第2の抵抗
191 第1の両極性用直流電源
192 第1の両極性重畳電圧コンデンサ
193 第1の両極性用スイッチング素子
194 第3の抵抗

Claims (3)

  1. 電極がプラス極性である逆極性期間と前記電極がマイナス極性である正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流溶接装置であって、
    前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する第1の重畳回路部と、
    前記第1の重畳回路部による電圧の印加を制御する第1の制御部と、
    前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と前記溶接対象物との間に電圧を印加する第2の重畳回路部と、
    前記第2の重畳回路部による電圧の印加を制御する第2の制御部とを備え、
    前記第1の重畳回路部は、第1の容量性素子と、前記第1の容量性素子を充電するための第1の電源部と、前記第1の容量性素子の充電と放電を切り替えるための第1のスイッチング素子を備え、
    前記第2の重畳回路部は、第2の容量性素子と、前記第2の容量性素子を充電するための第2の電源部と、前記第2の容量性素子の充電と放電を切り替えるための第2のスイッチング素子を備え、
    前記第1の重畳回路を構成する前記第1の容量性素子が放電を行った後に前記逆極性期間において前記第1の容量性素子の充電を開始する交流溶接装置。
  2. 第2の重畳回路を構成する第2の容量性素子が放電を行った後に放電を行ったこの正極性期間において前記第2の容量性素子の充電を開始する請求項1記載の交流溶接装置。
  3. 電極がプラス極性である逆極性期間と前記電極がマイナス極性である正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流溶接装置であって、
    前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際および/または前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する重畳回路部と、
    前記重畳回路部による電圧の印加を制御する制御部とを備え、
    前記重畳回路部は、容量性素子と、前記容量性素子を充電するための電源部と、前記容量性素子の充電と放電を切り替えるためのスイッチング素子を備え、
    前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する場合には前記正極性期間から前記逆極性期間に変わる際に前記容量性素子を放電させて電圧を印加し、この放電の後に前記逆極性期間において前記容量性素子の充電を開始し、
    前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記電極と溶接対象物との間に電圧を印加する場合には前記逆極性期間から前記正極性期間に変わる際に前記容量性素子を放電させて電圧を印加し、この放電の後に前記正極性期間において前記容量性素子の充電を開始する交流溶接装置。
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