JP2012030275A - アーク溶接機 - Google Patents

Abstract

【課題】 被覆アーク溶接のとき最大負荷電圧特性の各出力電流値における最大負荷電圧が高いので、タック溶接等を行うとき、容易にアークが消弧できない。
【解決手段】 商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、整流された出力電流を検出する出力検出回路と、検出された出力電流に基づいてインバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク溶接機において、タック溶接モードを選択する選択回路を設け、主制御回路は、タック溶接モードが選択されると、各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク溶接機である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アーク溶接機の最大負荷電圧特性を溶接モードに応じて切り換える技術に関するものである。

アーク溶接機で被覆アーク溶接を行うとき、タック溶接モード無しの第１の最大負荷電圧特性とタック溶接モード有りの第２の最大負荷電圧特性の２種類を有していないと、点弧と消弧とを繰り返すタック溶接では、最大負荷電圧が高いためにアークを容易に消弧できない。

図８は、従来技術のアーク溶接機の電気接続図である。同図において、一次整流回路ＤＲ１と平滑コンデンサＣ１とで直流電源回路を形成し、一次整流回路ＤＲ１は、交流電源ＡＣを整流して整流電圧を生成し、平滑コンデンサＣ１は、脈流を有する整流電圧を平滑して直流電圧を生成する。

第１のスイッチング素子ＴＲ１乃至第４のスイッチング素子ＴＲ４でフル・ブリッジのインバータ回路を形成し、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。主変圧器ＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し、二次整流回路ＤＲ２は、主変圧器ＩＮＴの出力を整流し、直流リアクトルＬを介して手溶接棒に直流電力を供給する。

切換スイッチＳＷは、接点ａ、接点ｂの２接点を備えてタック溶接モードを選択する切換スイッチであり、ａ接点を選択することによりタック溶接モード無し、ｂ接点を選択することによりタック溶接モード有りになる。

図８に示す従来技術のアーク溶接機を用いて、被覆アーク溶接でタック溶接を行うときは、切換スイッチＳＷを接点ａ側にして、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップ１ａが二次整流回路ＤＲ２に接続される。このとき、最大負荷電圧特性が降圧された第２の最大負荷電圧特性になり、突合せ溶接の仮付け作業を行うときアークが容易に消弧でき作業性が向上する。

特許文献１に記載されたアーク溶接機は、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けた各タップにサイリスタ素子を接続し、溶接法に応じて各サイリスタを通電し、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けられた各タップを選択するものである。

特開平１１−５８００９号公報

上述したアーク溶接機で被覆アーク溶接を行うとき、最大負荷電圧が高いためにアークの消弧が困難になり、タック溶接で著しく作業性が悪くなると共に製品の品質も落ちる。

この対策として、特許文献１の従来技術では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップを切換スイッチＳＷによって２次側の出力電圧の低いタップを選択し、最大負荷電圧を降圧させた第２の最大負荷電圧特性を生成することで、手溶接棒で短絡と引き上げとを繰り返して行うタック溶接を容易にするものである。

しかし、従来技術では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップを別途必要とし、このタップを選択する大電流対応のスイッチ又はサイリスタ素子も必要となるので、構成が複雑になると共に材料費も高くなる。

そこで、本発明では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップを設けなくてもタック溶接が容易にできるアーク溶接機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力検出回路と、前記検出された出力電流に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク溶接機において、
タック溶接モードを選択する選択回路を設け、 前記主制御回路は、前記タック溶接モードが選択されると、各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク溶接機である。

請求項２の発明は、前記外部特性制御を、出力電流値が予め定めた出力電流基準値以下であるときにのみ行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機である。

請求項３の発明は、前記各出力電流値における最大負荷電圧の降圧値を、出力電流値に応じて変化させる、ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機である。

請求項４の発明は、前記外部特性制御を、前記インバータ回路の最大ＯＮ・Ｄｕｔｙを減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接機である。

請求項５の発明は、前記直流電源回路と前記インバータ回路との間に出力直流電圧が予め定めた目標電圧設定値と等しくなるように制御する昇降圧チョッパー回路を設け、前記外部特性制御を、前記目標電圧設定値を減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接機である。

本発明の請求項１及び４によれば、タック溶接モードを選択すると、インバータ回路を制御するパルス信号の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙを減少させるだけで、各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させた最大負荷電圧特性を形成できるので、頻繁に手溶接棒を引き上げ及び引き下げを行って消弧と点弧とを繰り返す溶接でアーク切れが良くなり、作業性が改善すると共に溶接の品質も向上する。

本発明の請求項２及び４によれば、タック溶接モードを選択すると、出力電流値と小電流領域の予め定めた出力電流基準値とを比較し、出力電流値が出力電流基準値以下のときのみの最大負荷電圧を降圧するので、出力電流基準値以上のときアーク切れが抑制されると共に、出力電流基準値以下のときのみアーク切れが良くなり溶接の品質が更に向上する。

本発明の請求項３及び４によれば、タック溶接モードを選択すると、出力電流値に応じて最大負荷電圧の降圧値を変化させると、出力電流値ごとに最適な最大負荷電圧になるので精度の良いタック溶接が可能となり溶接の品質が大きく向上する。

本発明の請求項５によれば、異電圧対応のアーク溶接機に設けられている標準装備の昇降圧チョッパー回路の目標電圧値を変更するだけで、最大負荷電圧特性がタック溶接モードに適応した負荷電圧特性にできるので、異電圧対応に加えて新たな機能が部品を追加しなくても可能となる。

実施の形態１に係るアーク溶接機の電気接続図である。 実施の形態１の被覆アーク溶接の定電流特性を有する最大負荷電圧特性を 示す特性図である。 実施の形態２に係るアーク溶接機の電気接続図である。 実施の形態２の被覆アーク溶接の定電流特性を有する最大負荷電圧特性を 示す特性図である。 実施の形態３に係るアーク溶接機の電気接続図である。 実施の形態１の被覆アーク溶接の定電流特性を有する最大負荷電圧特性を 示す特性図である。 実施の形態４に係るアーク溶接機の電気接続図である。 従来技術のアーク溶接機の電気接続図である。

図１は、実施形態１のアーク溶接機の電気接続図である。同図において、図８に示す従来技術のアーク溶接機の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図１に示す選択回路ＷＤは、タック溶接モード有り又は無しを選択する。出力電流設定回路ＩＲは、予め定めた出力電流設定信号Ｉｒを設定する。

主制御回路ＳＣは、選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されると、タック溶接モード信号Ｗｃを出力すると共に出力電流設定信号Ｉｒの値と出力電流検出信号Ｉｄの値とを比較演算して比較演算信号Ｓｃを出力する。

図１に示すパルス幅変調回路ＰＷＭは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するＰＷＭ制御を行い、比較演算信号Ｓｃの値に応じて第１の出力制御信号Ｐｗ１及び第２の出力制御信号Ｐｗ２のパルス幅を制御すると共に、予め定めた第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙと、この第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙより所定値小さくした第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙとを有している。

インバータ駆動回路ＤＫは、第１の出力制御信号Ｐｗ１に応じて第１のインバータ駆動信号Ｄｋ１及び第４のインバータ駆動信号Ｄｋ４を出力し、第２の出力制御信号Ｐｗ２に応じて第２のインバータ駆動信号Ｄｋ２及び第３のインバータ駆動信号Ｄｋ３を出力する。

図２は、本発明のタック溶接有り又は無しの最大負荷電圧特性を示す図である。以下、図１及び図２を参照して実施の形態１の動作について説明する。

図１に示す主制御回路ＳＣは、選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されるとタック溶接モード信号Ｗｃを出力する。パルス幅変調回路ＰＷＭは、タック溶接モード信号Ｗｃが入力されると、第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙから第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙに切り換えられる。このとき、図２に示す、各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させてタック溶接モードに対応した最大負荷電圧特性を形成する。

例えば、出力電流を１５０Ａに設定し突合せ溶接の仮付け作業を行うとき、仮付け作業が１箇所終了するごとに作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る。そして、次の仮付け箇所に手溶接棒を移動し再度アークを発生させる。このとき、手溶接棒を引き上げてアーク長を長くすると図２の示す負荷電圧が増加し、最大負荷電圧がＡ点に到達すると緩やかな増加に移行すると共に出力電流の減少が生じる。そして、例えば、出力電流が５Ａ近傍のＢ点になるとアークが切れる場合において、タック溶接モード有りのとき、最大負荷電圧を約５８Ｖになり、タック溶接モード無しのときの最大負荷電圧は約６８Ｖになる。

上述より、タック溶接モード有りのとき、最大負荷電圧を降圧させることで作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る作業に行うとき、アークが容易に消弧するので被覆アーク溶接に仮付け作業等を行うとき、作業性が改善すると共に溶接性の品質も向上する。

図３は、実施形態２のアーク溶接機の電気接続図である。
同図において、図１及び図８に示すアーク溶接機の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図３に示す出力電流基準設定回路ＲＦは、予め定めた出力電流基準設定信号Ｒｆを設定する。比較回路ＣＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準設定信号Ｒｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準設定信号Ｒｆの値より小さいときに、比較信号ＣｐをＨｉｇｈレベルにする。

選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されると、図３に示す主制御回路ＳＣは、比較信号ＣｐがＨｉｇｈレベルかＬｏｗレベルかを判別し、比較信号ＣｐがＨｉｇｈレベルのときタック溶接モード信号Ｗｃを出力し、Ｌｏｗレベルのとき出力を停止する。パルス幅変調回路ＰＷＭは、タック溶接モード信号Ｗｃが入力されると第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙから第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙに切り換えられ、タック溶接モード信号Ｗｃの入力が停止されると第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙから第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙに切り換えられる。

図４に示す、例えば、出力電流が５０Ａ〜４００Ａの範囲で作業者が被覆アーク溶接を行うと、パルス幅変調回路ＰＷＭは、最大負荷電圧が高くなる第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙで被覆アーク溶接が行われるのでアーク切れのない安定した溶接が可能となる。そして、例えば、出力電流が５０Ａ以下の範囲でパルス幅変調回路ＰＷＭは、最大負荷電圧を降圧させる第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙで被覆アーク溶接が行われる。

被覆アーク溶接で突合せ溶接の仮付け作業が終了すると、作業者は手溶接棒を引き上げてアークを切る作業に行う。このとき、手溶接棒を引き上げによってアーク長を長くすると、アーク長の増加の応じて出力電流検出信号Ｉｄの値が減少する。比較回路ＣＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値が（例えば、５０Ａになると）出力電流基準設定信号Ｒｆの値（例えば、５０Ａ）より小さくなると比較信号ＣｐをＨｉｇｈレベルにする。

主制御回路ＳＣは、比較信号ＣｐがＨｉｇｈレベルになるとタック溶接モード信号Ｗｃを出力し、パルス幅変調回路ＰＷＭは、第１の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙから第２の最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙに切り換える。このとき、図４に示す、出力電流が５０Ａ以下の最大負荷電圧が降圧される。

作業者が出力電流を１５０Ａに設定し突合せ溶接の仮付け作業を行うとき、仮付け作業が１箇所終了するごとに作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る作業を行う。そして、次の仮付け箇所に手溶接棒を移動し再度アークを発生させる。このとき、手溶接棒を引き上げてアーク長を長くすると図４に示す負荷電圧が増加し、最大負荷電圧がＡ点に到達すると緩やかな増加に移行すると共に出力電流の減少が生じる。このとき、手溶接棒を更に引き上げによってアーク長を長くすると、アーク長の増加の応じて出力電流検出信号Ｉｄの値が減少する。比較回路ＣＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準設定信号Ｒｆの値（例えば、５０Ａ）より小さくなると比較信号ＣｐをＨｉｇｈレベルにする。

このとき、最大負荷電圧が降圧される。そして、出力電流が５Ａ近傍のＢ点になるとアークが切れる場合において、タック溶接モード有りのとき、負荷電圧は約５８Ｖになり、タック溶接無しのときは約６８Ｖにもなる。

上述より、タック溶接モード有りのとき、最大負荷電圧を降圧させることで作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る作業に行うとき、アークが容易に消弧するので被覆アーク溶接に仮付け作業等を行うとき、作業性が改善すると共に溶接性の品質も向上する。

図５は、実施形態３のアーク溶接機の電気接続図である。以下、図５及び図６を参照して動作について説明する。

主制御回路ＳＣは、選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されるとタック溶接モード信号Ｗｃを出力する。

図５に示すパルス幅変調回路ＰＷＭは、タック溶接モード信号Ｗｃが入力されると、図６に示す（２０Ｖ＋０．０４×ＩＡ）によって算出される標準負荷電圧特性に、例えば１２Ｖ加算した値（３２Ｖ＋０．０４×ＩＡ）になる最大負荷電圧特性が生成される。

作業者が、出力電流を１５０Ａに設定し突合せ溶接の仮付け作業を行うとき、（３２Ｖ＋０．０４×ＩＡ）の式より最大Ｏｎ・Ｄｕｔｙが制御され、Ａ点の最大負荷電圧５４Ｖが降圧されて３８Ｖになる。
そして、仮付け作業が１箇所終了するごとに作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る作業を行う。このとき、手溶接棒を引き上げてアーク長を長くすると図６に示す負荷電圧が増加し、負荷電圧がＡ点の３８Ｖに到達すると緩やかな減少に移行すると共に出力電流も減少する。そして、例えば、出力電流が５Ａ近傍のＢ点になるとアークが切れる場合において、タック溶接モード有りのとき、負荷電圧が約３２Ｖになり、タック溶接モード無しのときは約６８Ｖにもなる。

上述より、タック溶接モード有りのとき、出力電流値ごとに最大負荷電圧の降圧値を最適化するので、作業者が手溶接棒を引き上げてアークを切る、被覆アーク溶接の仮付け作業のとき、アークが容易に消弧でき作業性が改善すると共に溶接性の品質も向上する。

図７は、実施形態４のアーク溶接機の電気接続図である。同図において、図１及び図８に示すに示すアーク溶接機の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図７に示す電気接続図は、商用交流電圧の異電圧に対応した標準アーク溶接機であり、第５のスイッチング素子ＴＲ５、ダイオードＤ１、第２の直流リアクトルＤＣＬ２及びコンデンサＣ２によって形成される昇降圧チョッパー回路が、直流電源回路とインバータ回路との間に標準に設けられており、直流電源回路からの直流電圧を予め定めた目標電圧設定値と等しくしてインバータ回路に供給する。

図７に示す主制御回路ＳＣは、選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されると、パルス信号である昇降圧チョッパー制御信号Ｃｃの予め定めたＯｎ・Ｄｕｔｙを変更する。

昇降圧チョッパー駆動回路ＣＨは、昇降圧チョッパー制御信号Ｃｃに応じて第５のスイッチング素子ＴＲ４を駆動する昇降圧チョッパー駆動信号Ｃｈを出力する。

次に、動作について説明する。
図７に示す主制御回路ＳＣは、選択回路ＷＤによりタック溶接モード有りが選択されると、所定のＯｎ・Ｄｕｔｙに変更された昇降圧チョッパー制御信号Ｃｃを出力すると共に出力電流設定信号Ｉｒの値と出力電流検出信号Ｉｄの値とを比較演算して比較演算信号Ｓｃを出力する。

パルス幅変調回路ＰＷＭは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するＰＷＭ制御を行い、比較演算信号Ｓｃの値に応じて、第１の出力制御信号Ｐｗ１及び第２の出力制御信号Ｐｗ２のパルス幅を制御する。

昇降圧チョッパー回路は、第５のスイッチング素子ＴＲ５のＴｏｎ/ＴｏｆｆのＯｎ・Ｄｕｔｙが、例えば、１から０．９に変更し昇降圧チョッパー回路を降圧回路として動作すると、直流電源回路の直流電圧Ｖｄは、Ｖｏ＝（Ｔｏｎ/Ｔｏｆｆ）×Ｖｄ の式より０，９Ｖｄに降圧されてインバータ回路に入力される。そして、昇降圧チョッパー回路の降圧動作によって各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行うことができる。

上述において、図示省略の出力電流基準設定回路ＲＦと比較回路ＣＰとを設け、比較回路ＣＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準設定信号Ｒｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準設定信号Ｒｆの値より小さいときに、比較信号ＣｐをＨｉｇｈレベルにする。

主制御回路ＳＣは、比較信号ＣｐがＨｉｇｈレベルになったとき、昇降圧チョッパー制御信号ＣｃのＯｎ・Ｄｕｔｙを変更してもよい。

上述より、アーク溶接機に設けられている昇降圧チョッパー回路のＯｎ・Ｄｕｔｙを制御するだけで、最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御が被覆アーク溶接に適応した外部特性に制御できるので、このために新たな部品を設ける必要がない。

Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃｃ 昇降圧チョッパー制御信号
ＣＰ 比較回路
Ｃｐ 比較信号
ＣＨ 昇降圧チョッパー駆動回路
Ｃｈ 昇降圧チョッパー駆動信号
Ｄ１ 第１のダイオード
ＤＫ インバータ駆動回路
Ｄｋ１ 第１のインバータ駆動信号
Ｄｋ２ 第２のインバータ駆動信号
Ｄｋ３ 第３のインバータ駆動信号
Ｄｋ４ 第４のインバータ駆動信号
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＤＣＬ２ 第２の直流リアクトル
ＤＲ１ １次整流回路
ＤＲ２ ２次整流回路
ＥＳ 手溶接棒
ＩＤ 出力電流検出回路
Ｉｄ 出力電流検出信号
ＩＮＴ 主変圧器
ＩＲ 出力電流設定回路
Ｉｒ 出力電流設定信号（出力電流基準値）
ＲＦ 出力電流基準設定回路
Ｒｆ 出力電流基準設定信号（出力電流基準設定値）
Ｍ 被加工物
ＰＷＭ パルス幅変調回路
Ｐｗ１ 第１の出力制御信号
Ｐｗ２ 第２の出力制御信号
ＳＣ 主制御回路
Ｓｃ 比較演算信号
ＳＷ 切換スイッチ
ＴＲ１ 第１のスイッチング素子
ＴＲ２ 第２のスイッチング素子
ＴＲ３ 第３のスイッチング素子
ＴＲ４ 第４のスイッチング素子
ＴＲ５ 第５のスイッチング素子
ＷＤ 選択回路
Ｗｃ タック溶接モード信号

Claims (5)

1. 商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力検出回路と、前記検出された出力電流に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク溶接機において、
   タック溶接モードを選択する選択回路を設け、 前記主制御回路は、前記タック溶接モードが選択されると、各出力電流値における最大負荷電圧を降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク溶接機。
2. 前記外部特性制御を、出力電流値が予め定めた出力電流基準値以下であるときにのみ行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。
3. 前記各出力電流値における最大負荷電圧の降圧値を、出力電流値に応じて変化させる、ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。
4. 前記外部特性制御を、前記インバータ回路の最大ＯＮ・Ｄｕｔｙを減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接機。
5. 前記直流電源回路と前記インバータ回路との間に出力直流電圧が予め定めた目標電圧設定値と等しくなるように制御する昇降圧チョッパー回路を設け、前記外部特性制御を、前記目標電圧設定値を減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接機。

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