JP2015519203A

JP2015519203A - パルス電流を適用する手アーク溶接装置およびその溶接方法

Info

Publication number: JP2015519203A
Application number: JP2015514338A
Authority: JP
Inventors: 良軒翁
Original assignee: BOSJOB Co Ltd
Current assignee: BOSJOB Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-07-09
Also published as: WO2013178028A1

Abstract

パルス電流を適用する手アーク溶接装置であって、順に接続された整流モジュール（１）、波形発生器（２）、変圧器（３）、および２次整流モジュール（４）を含み、さらに、その出力端が波形発生器（２）に接続され、波形発生器（２）が高周波パルス波形を発生することを制御するための制御ユニット（５）を含み、前記整流モジュール（１）の入力端が電源に接続され、前記２次整流モジュール（４）の出力端が溶接ガンに接続され、２次整流モジュール（４）の出力端はさらに制御ユニット（５）の入力端に接続されている。波形発生器（２）および制御ユニット（５）が設けられており、パルス電流を適用して溶接を行うことで、省エネルギー、入力電流を低減させる等の効果を達成する。パルス電流を適用して溶接を行う溶接方法。【選択図】図１

Description

本発明は、手アーク溶接装置、および該手アーク溶接装置の溶接方法に関する。

電気溶接の基本作動原理は、通常用いられる２２０Ｖの電圧または３８０Ｖの工業用電圧によって、溶接機内の減圧器により電圧を低減させて、電流を増加させ、かつ電気エネルギーにより非常に大きなアーク熱を発生させて鉄鋼を溶かし、溶接棒の溶け込みが鉄鋼間の融合性をより高めるものである。アーク溶接は、現在最も広く適用されている溶接方法であり、手アーク溶接、サブマージアーク溶接、タングステンイナートガスアーク溶接、プラズマアーク溶接、ガスメタルアーク溶接等が含まれる。

手アーク溶接は、各種のアーク溶接方法のうち最も早く発展し、今もなお最も広く適用されている溶接方法である。該手アーク溶接は、外部に塗料（被覆剤）が塗布された溶接棒を電極および溶加材とし、アークが溶接棒の端部と溶接されるワークの表面との間で燃焼する。塗料（被覆剤）は、アーク熱の作用で、アークを保護するようにガスを生じさせることができると共に、溶融された金属と周囲のガスとの相互作用で酸化物が生じるのを防止するように、溶融スラグを生じさせて溶融池の表面を覆うことができる。溶融スラグのより重要な作用は、溶融された金属と物理化学的反応を発生させ、または合金元素を添加して、溶接ビードの金属性能を改善することである。手アーク溶接は、設備が簡単で、軽く、操作性がよく、補修および組立中の短いビードの溶接に適用でき、特に、届きにくい部位の溶接に用いることができる。手アーク溶接は適切な溶接棒を用いることで、ほとんどの工業用炭素鋼、ステンレススチール、鋳鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、およびその合金に適用できる。

現在、市場での一般的な手アーク溶接機は、主に直流溶接機と交流溶接機があり、そのうち、直流溶接機には変圧器と整流モジュールが配設されて、交流電流が入力される際に、変圧器により変圧してから、整流器で整流され、低圧大電流の直流電流として出力される。従来の手アーク直流溶接機は作動時の出力電流が１２０Ａ以上で、出力パワーが４０００Ｗ以上であり、エネルギー消費量が多く、入力電圧が２２０Ｖの場合、その入力電流は約２０Ａであり、入力電流が大きいため、使用環境に対する要求が高く、家庭環境での使用には適していない（家庭環境における電線は細く、電流が大きすぎる場合、火災を起こしやすいので、過電流に対する保護が設定されており、かつその動作設定値は通常６０Ａ以下である）と共に、直流溶接機の変圧器の変圧比が大きく、多くのコイルを巻いておく必要があるため、溶接機の体積が大きくかつ重量が重くなり、携帯に不便をきたす。また、従来の直流溶接機の溶接電流が大きいため、薄板溶接に適用する場合、持続的な大電流により発生するアークによって薄板の溶落ちが発生しやすい。

本発明は、従来の手アーク溶接機のエネルギー消費量が多く、入力電流が大きく、家庭での使用に不便があり、使用時に薄板の溶落ちが発生しやすいといった問題を解決するために、パルス電流を適用して溶接を行う手アーク溶接装置およびその溶接方法を提供することを目的とする。

かかる技術問題を解決するために、本発明が採用した技術手段は以下の通りである。
パルス電流を適用する手アーク溶接装置であって、順に接続された、整流モジュール、波形発生器、変圧器、および２次整流モジュールを含み、さらに、その出力端が波形発生器に接続され、波形発生器が高周波パルス波形を発生することを制御するための制御ユニットをを含み、前記整流モジュールの入力端が電源に接続され、前記２次整流モジュールの出力端が溶接ガンに接続され、２次整流モジュールの出力端はさらに制御ユニットの入力端に接続されている。本発明においては、波形発生器および制御ユニットが設けられており、パルス電流を適用して溶接を行うことで、省エネルギーで、入力電流を低減させる等の効果を達成する。

前記手アーク溶接装置の溶接方法であって、入力された交流電流が整流モジュールを通過して、直流電流に整流されるステップ１と、ステップ１で得られた直流電流が波形発生器を通過し、制御ユニットで波形発生器を制御して直流電流が高周波パルス波に変換されるステップであって、前記高周波パルス波は、溶接棒のアークスタートのためのアークスタート段階ｔ１と周期的に繰り返す作動段階とを含み、アークスタート段階には、交互に設定された第１ピーク段階ｔ３および谷段階ｔ４が含まれ、前記作動段階の１つの周期ｔ２には、点弧のための第２ピーク段階ｔ５、作動電流を提供するための中間段階ｔ６、および低電流のテール段階ｔ７が含まれ、前記第１ピーク段階ｔ３の電流値と第２ピーク段階ｔ５の電流値とが等しく、前記谷段階ｔ４の電流値と中間段階ｔ６の電流値とが等しい、ステップ２と、ステップ２で得られた高周波パルス波が変圧器を通過して、変圧比に応じて電流値が増幅されるステップ３と、ステップ３において増幅されたパルス電流が２次整流モジュールを通過して再び整流されて、溶接ガンの使用に適した出力電流が出力され、出力電流の一部は、２次整流モジュールと制御ユニットとの間の接続によって制御ユニットにフィードバックされ、制御ユニットが高周波パルス波を調整改善するステップ４と、を含む前記手アーク溶接装置の溶接方法。

前記溶接方法の補足として、前記アークスタート段階ｔ１において、第１ピーク段階ｔ３の電流値が１００Ａ以上で、好ましくは１６０Ａであり、第１ピーク段階ｔ３の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、谷段階ｔ４の電流値が２０〜８０Ａで、好ましくは７０Ａであり、谷段階ｔ４の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が５０〜２００ｍｓであり、アークスタート段階ｔ１の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が１０００〜３０００ｍｓである。前記作動段階において、第２ピーク段階ｔ５の電流値が１００Ａ以上で、好ましくは１６０Ａであり、第２ピーク段階ｔ５の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、中間段階ｔ６の電流値が２０〜８０Ａで、好ましくは７０Ａであり、中間段階ｔ６の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓであり、テール段階ｔ７の電流値が０Ａで、テール段階ｔ７の、２次整流モジュールを通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓである。

本発明の溶接方法は、パルス電流を出力して溶接を行う。パルス電流には、アークスタート段階ｔ１と作動段階とが含まれている。アークスタート段階ｔ１において、大電流の第１ピーク段階ｔ３と作動電流を提供する谷段階ｔ４とが交互に設定され、作動開始時に溶接棒がアークスタートするための十分なエネルギーを有することを確保して、アークスタート操作をより成功しやすくする。作動段階の１つの周期ｔ２には、第２ピーク段階ｔ５、中間段階ｔ６、およびテール段階ｔ７が含まれ、そのうち、稼働しているのは第２ピーク段階ｔ５および中間段階ｔ６であり、第２ピーク段階ｔ５で大電流を用いて点弧した後、中間段階ｔ６に入り、電流値が第２ピーク段階ｔ５の電流値の約半分である作動電流を提供して、溶接棒の放電動作を補助する。テール段階ｔ７の電流値は０であり、溶接棒を休ませると同時に、作動段階の平均パワーを低減させる。従来の直流式の手アーク溶接機に比べ、同等な溶接効果が得られると共に、本発明のパルス電流を適用する手アーク溶接装置の出力パワーは直流溶接機の出力パワーの半分以下で、エネルギー消費量を大幅に減少させている。また、出力パワーの低減は、入力電流を低減させ、本発明の溶接装置を家庭環境に適するようにしている。さらに、平均作動電流の低減は、溶接時の溶接棒と母材との間の温度を低下させ、母材の溶落ちが発生にくくなり、本発明の溶接装置の薄板溶接への使用を可能にする。

上述の技術手段のさらなる改良として、前記アークスタート段階ｔ１の開始段階を谷段階ｔ４にし、谷段階ｔ４において溶接棒の予熱を行い、開始電流が大きすぎるために溶接棒が母材に付着するのを回避する。

上述の技術手段のさらなる改良として、前記高周波パルス波の周波数を２０ＫＨｚ以上にし、パルス波の周波数が高いほど変圧の過程が容易になり、変圧器のコイルに対する要求を低くし、変圧器の体積と重量を減少させて、本発明の手アーク溶接装置の体積が小さくかつ重量が軽くなるようにする。

下記の図面および実施形態を参照して、本発明についてさらに説明する。

本発明の電気原理のブロック図である。本発明の溶接装置の作動時における電流波形である。

図１を参考すると、本発明が提供するパルス電流を適用する手アーク溶接装置は、整流モジュール１、波形発生器２、変圧器３、２次整流モジュール４、および制御ユニット５を含む。整流モジュール１はブリッジ型全波整流回路であってもよく、交流電流を直流電流に変換するのに用いられる。波形発生器２はＭＯＳＦＥＴ電界効果トランジスタ回路またはＩＧＢＴ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ回路で、高周波パルス波形を発生させるのに用いられる。変圧器３は降圧変圧器で、２次整流モジュール４は、変圧後の電流に対して再び整流を行い、溶接ガンの使用に適した出力電流を出力するのに用いられる。制御ユニット５はマイクロコントローラチップまたはＰＬＣチップおよびその周辺回路で、チップ内に入力されたプログラムに基づいて高周波パルス波形の波形形状を制御する。本発明において、整流モジュール１、波形発生器２、変圧器３、２次整流モジュール４が順に接続され、整流モジュール１の入力端が電源に接続され、２次整流モジュール４の出力端が溶接ガンに接続され、制御ユニット５の出力端が波形発生器２に接続され、制御ユニット５の入力端が２次整流モジュール４の出力端に接続され、フィードバックされた出力電流を受け、フィードバック回路によって高周波パルス波の波形形状を調整するのに用いられる。

上述の手アーク溶接装置の溶接方法は、以下のステップを含む。入力された交流電流が整流モジュール１を通過して、直流電流に整流されるステップ１。ステップ１で得られた直流電流が波形発生器２を通過し、制御ユニット５で波形発生器を制御して直流電流を高周波パルス波に変換するステップであって、図２は高周波パルス波の波形であり、前記高周波パルス波は、溶接棒のアークスタートのためのアークスタート段階ｔ１と周期的に繰り返す作動段階とを含み、アークスタート段階ｔ１において、交互に設定された第１ピーク段階ｔ３および谷段階ｔ４が含まれ、開始段階は谷段階ｔ４であり、第１ピーク段階ｔ３の電流値が１００Ａ以上で、好ましくは１６０Ａであり、第１ピーク段階ｔ３の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、例えば５０ｍｓを採用してもよく、谷段階ｔ４の電流値が２０〜８０Ａで、好ましくは７０Ａであり、谷段階ｔ４の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が５０〜２００ｍｓであり、例えば１５０ｍｓを採用してもよく、アークスタート段階ｔ１全体の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が１０００〜３０００ｍｓであり、例えば２０００ｍｓを採用してもよく、前記作動段階の１つの周期ｔ２には、点弧のための第２ピーク段階ｔ５、作動電流を提供するための中間段階ｔ６、および低電流の尾階段ｔ７が含まれ、第２ピーク段階ｔ５の電流値が１００Ａ以上で、好ましくは１６０Ａであり、第２ピーク段階ｔ５の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、好ましくは第１ピーク段階ｔ３の時間と等しく、中間段階ｔ６の電流値が２０〜８０Ａで、好ましくは７０Ａであり、中間段階ｔ６の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓであり、例えば５００ｍｓを採用してもよく、テール段階ｔ７の電流値が０Ａで、テール段階ｔ７の、２次整流モジュール４を通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓで、例えば５００ｍｓを採用してもよい、ステップ２。ステップ２で得られた高周波パルス波が変圧器３を通過して、変圧比に応じて電流値が増幅されるステップ３。ステップ３において増幅されたパルス電流が２次整流モジュール４を通過して再び整流されて、溶接ガンの使用に適した出力電流が出力させ、出力電流の一部は、２次整流モジュール４と制御ユニット５との間の接続によって制御ユニットにフィードバックされ、制御ユニット５が高周波パルス波を調整改善するステップ４。溶接機が使用を停止した場合は、停止時間がテール段階ｔ７の１．３倍を超過してから、制御ユニット５が自動的にリセットされて、溶接機が次回作動する際に再びアークスタート段階ｔ１を経て作動段階に入る。

本発明の溶接方法は、パルス電流を出力して溶接を行う。パルス電流には、アークスタート段階ｔ１と作動段階が含まれている。アークスタート段階ｔ１において、大電流の第１ピーク段階ｔ３と作動電流を提供する谷段階ｔ４とが交互に設定され、作動開始時に溶接棒がアークスタートするための十分なエネルギーを有することを確保して、アークスタート操作をより成功しやすくする。作動段階の１つの周期ｔ２には、第２ピーク段階ｔ５、中間段階ｔ６、およびテール段階ｔ７が含まれ、そのうち、稼働しているのは第２ピーク段階ｔ５および中間段階ｔ６であり、第２ピーク段階ｔ５で大電流を用いて点弧した後、中間段階ｔ６に入り、電流値が第２ピーク段階ｔ５の電流値の約半分である作動電流を提供して、溶接棒の放電動作を補助する。テール段階ｔ７の電流値は０であり、溶接棒を休ませると共に、作動段階の平均パワーを低減させる。

上述の技術手段のさらなる改良として、前記高周波パルス波の周波数を２０ＫＨｚ以上にし、パルス波の周波数が高いほど変圧の過程が容易になり、変圧器３のコイルに対する要求を低くし、変圧器３の体積と重量を減少させて、本発明の手アーク溶接装置の体積が小さくかつ重量が軽くなるようにする。

従来の直流式の手アーク溶接機に比べ、同等な溶接効果が得られると共に、本発明のパルス電流を適用する手アーク溶接装置の出力パワーは直流溶接機の出力パワーの半分以下で、エネルギー消費量を大幅に減少させており、出力パワーの低減は入力電流を低減させ、本発明の溶接装置を家庭環境に適するようにし、また平均作動電流の低減は、溶接時の溶接棒と母材との間の温度を低下させ、母材の溶落ちが発生しにくくなり、本発明の溶接装置の薄板溶接への使用を可能にする。

以上の説明は、本発明の最適な実施形態に過ぎず、本発明は上述の例に限定されるものではなく、実質的に同じ手段で本発明の目的を達成する技術手段は、すべて本発明の保護範囲内に属する。

Claims

順に接続された、整流モジュール（１）、波形発生器（２）、変圧器（３）、および２次整流モジュール（４）を含み、さらに、その出力端が波形発生器（２）に接続され、波形発生器（２）が高周波パルス波形を発生することを制御するための制御ユニット（５）を含み、前記整流モジュール（１）の入力端が電源に接続され、前記２次整流モジュール（４）の出力端が溶接ガンに接続され、２次整流モジュール（４）の出力端はさらに制御ユニット（５）の入力端に接続されていることを特徴とするパルス電流を適用する手アーク溶接装置。
請求項１に記載の手アーク溶接装置の溶接方法であって、
入力された交流電流が整流モジュール（１）を通過して、直流電流に整流されるステップ１と、
ステップ１で得られた直流電流が波形発生器（２）を通過し、制御ユニット（５）で波形発生器（２）を制御して直流電流が高周波パルス波に変換されるステップであって、前記高周波パルス波は、溶接棒のアークスタートのためのアークスタート段階ｔ１と周期的に繰り返す作動段階ｔ２とを含み、アークスタート段階には、交互に設定された第１ピーク段階ｔ３および谷段階ｔ４が含まれ、前記作動段階の１つの周期には、点弧のための第２ピーク段階ｔ５、作動電流を提供するための中間段階ｔ６、および低電流のテール段階ｔ７が含まれ、前記第１ピーク段階ｔ３の電流値と第２ピーク段階ｔ５の電流値とが等しく、前記谷段階ｔ４の電流値と中間段階ｔ６の電流値とが等しい、ステップ２と、
ステップ２で得られた高周波パルス波が変圧器（３）を通過して、変圧比に応じて電流値が増幅されるステップ３と、
ステップ３において増幅されたパルス電流が２次整流モジュール（４）を通過して再び整流されて、溶接ガンの使用に適した出力電流が出力され、出力電流の一部は、２次整流モジュール（４）と制御ユニット（５）との間の接続によって制御ユニット（５）にフィードバックされるステップ４と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記アークスタート段階ｔ１において、第１ピーク段階ｔ３の電流値が１００Ａ以上で、第１ピーク段階ｔ３の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、谷段階ｔ４の電流値が２０〜８０Ａで、谷段階ｔ４の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が５０〜２００ｍｓであり、アークスタート段階ｔ１の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が１０００〜３０００ｍｓであることを特徴とする請求項２に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記アークスタート段階ｔ１の開始段階が谷段階ｔ４であることを特徴とする請求項３に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記第１ピーク段階ｔ３の電流値が１６０Ａであることを特徴とする請求項３に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記谷段階ｔ４の電流値が７０Ａであることを特徴とする請求項３に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記作動段階において、第２ピーク段階ｔ５の電流値が１００Ａ以上で、第２ピーク段階ｔ５の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が２０〜１００ｍｓであり、中間段階ｔ６の電流値が２０〜８０Ａで、中間段階ｔ６の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓであり、テール段階ｔ７の電流値が０Ａで、テール段階ｔ７の、２次整流モジュール（４）を通過後、出力される際の持続時間が２００〜８００ｍｓであることを特徴とする請求項２に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記第２ピーク段階ｔ５の電流値が１６０Ａであることを特徴とする請求項７に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記中間段階ｔ６の電流値が７０Ａであることを特徴とする請求項７に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。
前記高周波パルス波の周波数が２０ＫＨｚ以上であることを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項に記載の手アーク溶接装置の溶接方法。