JP2014226670A - アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御信号ケーブルを使用しないでアーク溶接装置において、使用上の制限をなくし、溶接中発生する高周波ノイズにより誤動作が発生するといった問題もなくすことが解決すべき課題である。【解決手段】アーク溶接電源の出力調整信号を2種類の搬送波を使って、溶接用トーチの近くの制御装置側から溶接電源側に伝送するように、溶接出力調整器の値を搬周波数信号に変換し、この周波数信号をＦＳＫ変調して溶接電源側に送るようにしている。溶接電源側では2種類の搬送波に乗せられた信号のみを復調して、元の周波数信号取り出し、周波数/電圧変換回路にて出力を調整する電圧信号とし、溶接機の出力を調整している。溶接出力調整信号は2種類の搬送波に乗せられた信号が同時に受信された時にしか受け付けないようにし、高周波ノイズと必要な出力調整信号を区別している。【選択図】図１

Description

この発明は、溶接電源と溶接用トーチの近くの制御装置側を接続する複数の信号線を持つ信号ケーブルをなくす溶接出力調整方法を提案するアーク溶接装置に関するものである。

特許文献のアーク溶接装置は、溶接電源側と溶接用トーチの近くの制御装置側を結ぶ出力条件の調整用の制御信号ケーブルを少なくする手段を提案するものである。搬送波を利用して溶接出力調整信号を溶接用トーチの近くに設けた制御装置側から溶接電源側に溶接電流ケーブル上に重畳して伝送し溶接機の溶接出力調整に必要な信号ケーブルをなくすものである。

特許文献１に記載のアーク溶接装置は、溶接出力調整可変抵抗器で設定された電圧を周波数信号に変換し、搬送波を用いてこの周波数信号を振幅変調して溶接電源側に溶接電流ケーブルを用いて伝送し、この信号を溶接電源側で復調してアナログ量の溶接出力調整信号として取り出し溶接機の出力を調整していることを特徴とするアーク溶接装置である。

これらの先行発明では、溶接中にノイズの成分が搬送波と同じ周波数である場合、1種類の周波数の搬送波を用いているため溶接機の出力調整値を変化させたしまう可能性がある。また、同じ作業上で同種の溶接機が使用され、隣接するアーク溶接装置の溶接電流ケーブルどうしが平行に沿わされると、隣のアーク溶接装置の溶接出力調整信号が溶接電流ケーブルを介して隣接するアーク溶接装置の空中を伝搬して搬送波を含む高周波信号が伝わり、隣接するアーク溶接装置の出力調整値を狂わしてしまうことがある。

特許公開昭和５９−１９３７６５号公報

先行発明では、「搬送波を用いるアーク溶接装置の延長ケーブルどうしを一定の長さ以上並行して配置してはいけない。」など使用上の制限があった。また、溶接中溶接電流の急激な変化から発生する高周波ノイズにより誤動作が発生すると問題があった。本発明の解決すべき課題は、高周波による誤動作の心配をなくし安定してアーク溶接装置の出力調整を可能にすることである。

本アーク溶接装置は、アーク溶接電源の出力調整信号を2種類の搬送波を使って、溶接用トーチの近くに設けた制御装置側から溶接電源側に伝送するために、溶接用トーチの近くの制御装置側で溶接出力調整信号を搬送波の周波数より低い周波数信号に変換し、この周波数信号でＦＳＫ変調して2種類の搬送波を用いて溶接電源側に送るようにしている。溶接電源側では2種類の搬送波に乗せられた信号のみを復調して、元の周波数信号取り出し、周波数／電圧変換回路にて出力電圧を調整する電圧信号としている。

この2種類の搬送波は、溶接用トーチの近くに設けた制御装置側の搬送周波数選択器で複数の周波数の組み合わせの中から選択され、溶接電源側では復調周波数選択器で溶接用トーチの近くに設けた制御装置側で選択された同じ周波数が選ばれるようにしている。

溶接電源側では、この2種類の周波数の搬送波に乗せられた出力調整信号を復調し、低い周波数信号を取り出し周波数／電圧変換回路で電圧に変換して元の出力調整信号としている。また、選択された2種類の搬送波を用いて伝送された信号が同時に受信された時にしか溶接出力調整信号として受け付けないようにして高周波ノイズによる誤動作を防止している。

本発明のアーク溶接装置では、溶接中発生する高周波ノイズにより誤動作が発生するといった問題もなくなる。ＦＳＫ変調された出力調整信号を溶接電源側で受信するように構成しているので、同一作業場に同種のアーク溶接装置が複数台同時に使用されたとしても、それぞれの搬送波の周波数の組み合わせを変えてやれば、誤って隣接するアーク溶接装置の信号を受信してしまう心配をしなくて済む。そのため、「延長ケーブルを一定の長さ以上並行して配置してはいけない。」と言った使用上の制限がなくなる。本発明によると、溶接電源と溶接用トーチの近くに設けた制御装置の間を結ぶ制御ケーブルがなくすことができ、移動して溶接をする場合の作業者の可搬重量が少なくすることができる。そのため、作業の機動性の向上が図れ、アーク溶接作業の作業効率が向上する。

本発明の非消耗電極式アーク溶接装置の構成 本発明の消耗電極式アーク溶接装置の構成 本発明の多条件選択方式の消耗電極式アーク溶接装置の構成

アーク溶接装置は、消耗電極式のアーク溶接装置と非消耗電極式のアーク溶接装置の2種類に分類されるが、ここでは2種類の搬送波を用いて出力調整信号を伝送する方法を非消耗電極式アーク溶接装置の回路を用いた本発明を実施するための形態を説明する。次に、消耗電極式のアーク溶接装置に本発明の実施の形態を適用した場合どこが変わるのかについて説明する。さらに、溶接作業の効率化を実現できる本発明の出力調整方法を取り入れた消耗電極式アーク溶接装置の構成について説明する。図１は、本発明の非消耗電極式アーク溶接装置の構成を示す。図２は、本発明の消耗電極式アーク溶接装置の構成を示す。図3は、本発明の多条件選択方式の消耗電極式アーク溶接装置の構成を示すもので、溶接用トーチの近くに設けた制御装置側に複数の溶接電流調整器を設け、溶接電源側に溶接電流調整器と同数の溶接電圧調整器を設け、１組の溶接電流調整器と溶接電圧調整器を選び出すようにしている。

図１において、１は溶接用可変電源、2はリアクトル、3は通電部、4は母材、5はトーチ側ケーブル、6は母材側ケーブル、7は溶接電流調整器、8は電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換回路）、9はＦＳＫ回路、10は第1の搬送波発振器、11は第2の搬送波発振器、12は搬送波周波数選択器、13は高周波増幅回路、14は結合用トランス、15は結合用コンデンサ、16は結合用トランス、17は結合用コンデンサ、18は復調回路、19は復調周波数選択器、20は周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換回路）、21は溶接用可変電源駆動回路、22は第1の搬送波の中心周波数発振回路、23は第2の搬送波の中心周波数発振回路である。1から23までの構成要素は、図1、図2、図3において共通である。図2と図3における25は溶接電圧調整器、26は消耗電極、27は送給ローラ、28は送給モータ、29は送給モータガバナー回路である。図２における31はデジタル信号／周波数変換回路で、図3における30は周波数／デジタル信号変換回路である。

図１を用いて搬送波を用いた出力調整信号の伝送の原理について説明する。 溶接用トーチの近くの制御装置側で溶接電流調整器からの信号を電圧／周波数変換器でデジタル信号であるパルス周波数に変換し、この周波数が「Ｈｉｇｈ」の期間は第1の搬送波発振器で作りだされる周波数に、「Ｌｏｗ」の期間はと第2の搬送波発振器で作りだされる周波数になるようにＦＳＫ変調回路で変調し、この変調回路の信号を高周波増幅回路で増幅して、結合用トランスと結合用コンデンサを用いて前記高周波増幅回路の出力信号をトーチ側ケーブルと母材側ケーブルの間に重畳する。ように構成し信号波を作り出す前記を、溶接電源側でトーチ側ケーブルと母側ケーブルの間に重畳された高周波信号のみを結合用コンデンサと結合用トランスを用いて取り出し、復調回路にてパルス周波数信号を復調し、周波数／電圧変換回路にてこのパルス周波数信号を電圧信号に変換して溶接用可変電源駆動回路に加え溶接電源の出力を調整するようにしている。

複数の搬送波周波数発振器の周波数の１組の搬送波の組み合わせを選択する搬送波周波数選択器を溶接用トーチの近くに設けた制御装置側に設け、溶接電源側にて搬送周波数選択器で選択された２種類の搬送波の中心周波数発振回路を復調周波数選択器で選択して、この中心周波数より一定幅のバンド幅を持つ搬送波に乗せられた信号のみを復調して元のパルス周波数信号を得るようにしている。この複調方式としては、ＰＬＬ回路が用い、２個のＰＬＬ回路を組み合わせてそれぞれの搬送波に乗せられた信号を復調している。ＰＬＬ回路の自走発振周波数の中心値をそれぞれ第1の搬送波の中心周波数発振回路、第2の搬送波の中心周波数発振回路で作り出している。

図１に示す本発明の実施例では２種類の信号の組み合わせの搬送波を使って溶接電流調整信号を伝送している。そのため自然界に発生する高周波ノイズでは一定周波数の組み合わせで繰り返されることはないので、確実に溶接電流調整信号と不必要なノイズを識別できるので誤動作の心配はない。

また、同一作業場に同種のアーク溶接装置が複数台同時に使用されたとしても、２種類の搬送波の周波数の組み合わせを変えてやれば、誤って隣接するアーク溶接装置の信号を受信して誤動作する可能性はない。

図２は消耗電極式アーク溶接装置の構成であるが、溶接出力の調整のやり方は非消耗電極式アーク溶接装置と同じである。この場合、溶接電流は7の溶接電流調整器で決定される26の消耗電極の送り速度で決まる。消耗電極の送り速度は28の送給モータの速度を29の送給モータガバナー回路で制御し、溶接電圧を溶接電流ケーブルに信号を重畳して溶接装置の出力を制御している。

消耗電極式のアーク溶接装置の溶接電圧信号は、25の溶接電圧調整器の信号で設定され、図１に示す非消耗電極式のアーク溶接装置の溶接電流調整信号と同じように搬送波を用いて、周波数に変換され溶接電源側に伝送し、1の溶接用可変電源の出力を変え溶接電圧を調整している。

図３は、本発明の多条件選択方式消耗電極式アーク溶接装置の構成を示す図で、本発明の信号の伝送方式を採用し、さらに信号の伝達の信頼性を向上さすものである。溶接作業性を向上するために複数の溶接電流調整器と溶接電圧調整器を準備し、あらかじめ溶接する部材に適当な溶接条件の組み合わせを複数用意しておき、24の出力条件選択器で選択するようにしたものである。24の主力条件設定器で選択されたデジタル信号は、31のデジタル信号／周波数信号変換器で周波数信号に変換して、搬送波を用いて溶接電源側に伝送される。溶接電源側では、搬送波を用いて伝送された出力条件設定信号を復調回路で復調し周波数信号を取り出し、この周波数信号をデジタル信号に30の周波数／デジタル信号変換器で変換している。このデジタル信号で25の溶接電圧調整器を選択し、選択された溶接電圧調整器で溶接用可変電源の出力を調整する。

図３の30の周波数／デジタル信号変換器は、周波数をカウントするカウンタ回路を用いても同じ動作を行うことができる。また、この30の周波数／デジタル信号変換器の出力が溶接中は変化しないように固定しておくことも可能である。

図３に示す構成は、溶接開始前に溶接電圧を選択し、溶接中は選択された溶接電圧の設定値は固定しているので、アークにより発生するノイズの影響による誤動作をなくすことが可能である。また、予め設定された最適な溶接電流設定値と溶接電圧設定値の組み合わせを溶接作業者の手許で選択できるので溶接作業の効率化も可能である。

搬送波の周波数は、低すぎると溶接出力電流ケーブルを用いて出力調整信号を伝送しにくい。高すぎると空中伝搬して周りの電波を利用する設備に障害を与える可能性がある。安定して溶接出力調整信号を伝送するためには30ｋHzから450ｋHzが適切であることが判った。本発明では、第1の搬送波発振器と第2の搬送波発振器の作りだす搬送波の周波数を30kHzから450kHzの間の周波数で10ｋHz程度の間隔をおいて複数用意しておき、２種類の搬送波の組み合わせを選択できるようにしている。

前記8の電圧／周波数変換器で電圧信号を周波数信号に変換する場合、周波数が低すぎると出力調整信号の応答性が悪くなる。また、高すぎると搬送波との電圧信号を変換した後の変調周波数の差が小さくなるので安定して溶接電流ケーブルを使用して伝送することが難しくなる。この周波数信号の周波数を5Ｈｚから5ｋＨｚに選べば適切であることが実験的に分かったので、本発明では電圧／周波数変換回路からの周波数信号の周波数を5Ｈｚから5ｋＨｚに選んでいる。

この発明によると、広い作業上で移動をしながら溶接しないといけない場合、制御信号を伝送する制御ケーブルが全くなくすことができるので、作業者の負担を大幅に軽減できる。本発明は、特に造船所などの広い作業場で延長ケーブルを使用して溶接を行うアーク溶接装置に利用されると、溶接作業者の移動作業が容易になり、溶接の効率化が図れる。機器の構成が従来のものと比べ複雑になり機器の生産コストは上がるが、作業効率の向上により機器の生産コストの上昇分は十分補うことが可能である。そのため、産業上の利用可能性は十分あると考えられる。

１ 溶接用可変電源
2 リアクトル
3 通電部
4 母材
5 トーチ側ケーブル
6 母材側ケーブル
7 溶接電流調整器
8 電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換回路）
9 ＦＳＫ回路
10 第1の搬送波発振器
11 第2の搬送波発振器
12 搬送波周波数選択器
13 高周波増幅回路
14 結合用トランス
15 結合用コンデンサ
16 結合用トランス
17 結合用コンデンサ
18 復調回路
19 復調周波数選択器
20 周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換回路）
21 溶接用可変電源駆動回路
22 第1の搬送波の中心周波数発振回路
23 第2の搬送波の中心周波数発振回路
24 溶接出力条件選択器
25 溶接電圧調整器
26 消耗電極
27 送給ローラ
28 送給モータ
29 送給モータガバナー回路
30 周波数／デジタル信号変換回路
31 デジタル信号／周波数変換回路

Claims (4)

1. アーク溶接電源の出力を設定する溶接電流調整器と、前記溶接電流調整器からの信号を周波数に変換する電圧/周波数変換器と搬送波を作り出す第1の搬送波発振器と第2の搬送波発振器と、複数の発振器の周波数の組み合わせを選択する搬送波周波数選択器、前記2種類の搬送周波数を使って信号波を作り出すＦＳＫ回路と、前記ＦＳＫ回路の信号を増幅する高周波増幅回路を溶接用トーチの近くの制御装置側に設け、結合用トランスと結合用コンデンサを用いて前記高周波増幅回路の出力信号をトーチ側ケーブルと母材側ケーブルの間に重畳するように構成し、溶接電源側に前記トーチ側ケーブルと母材側ケーブルの間に重畳された高周波信号のみを結合用コンデンサと結合用トランスを用いて取り出すよう構成し、復調周波数選択器により前記トランスの2次側出力を前記搬送波周波数選択器で選択された変調された信号を復調するようにした復調回路と、前記復調回路からの周波数信号を電圧信号に変換する周波数／電圧変換回路と前記周波数電圧変換回路の出力信号を溶接用可変電源駆動回路に加え溶接電源の出力を調整するように構成したアーク溶接装置
2. 溶接電流調整器と溶接電圧調整器と、前記溶接電圧調整器からの信号を周波数に変換する電圧／周波数変換器と、前記溶接電流調整器の信号を受けて消耗電極を送給する送給モータの回転速度を制御する送給モータガバナー回路を溶接用トーチの近くに設けた制御装置側に設けた前記請求項1に記載したアーク溶接装置。
3. 複数個の溶接電流調整器と、デジタル信号を受けて前記溶接電流調整器と同数個の異なる周波数の周波数信号を出力するデジタル信号／周波数変換回路を用意し、1組の前記溶接電流調整器と前記周波数信号を選択する出力条件選択器と、前記溶接電流調整器の信号を受けて消耗電極を送給する送給モータの回転速度を制御する送給モータガバナー回路を溶接用トーチの近くに設けた制御装置側に設け、溶接電源側に復調回路からの周波数信号を受けてデジタル信号に変換する周波数／デジタル信号変換器と、前記溶接電流調整器と同数の溶接電圧調整器を設け、前記周波数／デジタル信号変換器からの信号により前記出力条件切り換え器で選択された周波数信号に対応する溶接電圧調整器を選択する電圧調整器選択回路を設けた請求項１に記載のアーク溶接装置。
4. 前記第1の搬送波発振器と第2の搬送波発振器の作りだす搬送波の周波数を30kHzから450kHzとし、前記電圧/周波数変換器で電圧信号を周波数信号に変換した周波数信号の周波数を5Ｈｚから5ｋＨｚとした請求項1に記載のアーク溶接装置。

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