JP2797560B2 - 交流アーク溶接機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は交流アーク溶接機に関するものであり、特に
商用交流を整流する等の方法により得た直流電源をスイ
ッチング素子を用いて正・逆に切換えて、交流出力を得
るようにしたものにおいて極性切換時に一旦消滅するア
ークの再点弧を容易にするための補助電源回路を設けた
アーク溶接機の改良に関するものである。

＜従来の装置＞ 交流アーク溶接機において、極性の切換時はアークが
一旦消滅した後、反対方向の電圧の上昇によってアーク
が再点弧するが、溶接機の無負荷出力電圧が低い場合
や、電極材料、被溶接物、シールドガスの成分等によっ
て無負荷電圧が高くても再点弧が難しくなることがあ
る。このような場合に再点弧を容易にするために、極性
の切換時に溶接電源の無負荷電圧よりも高い電圧の補助
電源から電圧を供給して再点弧を助ける方式のものが提
案されている。

第５図にこの方式の従来装置の例を示す。同図におい
て１は直流電源であり、通常商用交流電源を整流するこ
とによって得られる。２は出力平滑用リアクトル、３は
平滑およびサージ吸収用コンデンサ、4a,4b,5a,5bはブ
リッジ接続されたスイッチング素子であり、トランジス
タや転流回路付のサイリスタが用いられる。６は電極、
７は被溶接物であり、８はスイッチング素子4a,4bまた
は5a,5bをそれぞれ１組として交互に所定の時間幅でON
−OFF制御するためのスイッチング素子制御回路であ
る。９は再点弧用補助電源回路であり、補助直流電源9a
と電流制限用抵抗器9bとからなり、コンデンサ３と並列
に接続されてこれを充電する。この補助直流電源９はア
ークの再点弧に必要な高い電圧に設定してある。

同図の装置において、電極６と被溶接物７との間にア
ークが発生している間は補助直流電源9aは直流電源１の
出力に重畳して、スイッチング素子4a,4bまたは5a,5bを
通して電極６と被溶接物７とに供給されるが、抵抗器9b
によってその出力電流が抑制され、またこれによって電
圧降下が発生するので溶接電流，電圧はほぼ直流電源１
の出力によって定まることになる。極性の切換に際し
て、例えばスイッチング素子4a,4bが導通している状態
から遮断するとアークは消滅し、これによって電流が流
れなくなるのでコンデンサ３は補助直流電源9aの高い電
圧にまで充電される。この電圧は直流電源１の出力より
も高く設定されているので次の極性のスイッチング素
子、先の例ではスイッチング素子5a,5b、が導通すると
この高い電圧に充電されたコンデンサ３の端子電圧がア
ークが消滅した直後の電極６と被溶接物７との間に供給
されて回復しつつある絶縁を破壊し、アークが再点弧す
るものである。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 従来の溶接機は、上記のように構成されているので、
実際にアークが発生していないときにおいても補助電源
回路９の出力電圧が電極６と被溶接物７との間に印加さ
れている。そしてこのときアークが発生しておらず、ま
た電極６と被溶接物７とが短絡もしておらず全く電流が
流れていないと、補助直流電源9aからの電流は略零であ
り、このために抵抗器9bによって電圧降下が発生しない
ので補助直流電源9aの高い出力電圧がそのまま電極６と
被溶接物７との間に現われることになる。この補助直流
電源９の出力電圧は極性切換時にアークが容易に再点弧
するように200〜300V程度に設定されるのが普通である
ので、このような高電圧が電極６（被溶接物７は通常設
地電位にある）に印加されると、作業者にとって極めて
危険な状態となる。もちろんスイッチング素子4a,4b,5
a,5bは図示を省略した起動指令回路、溶接トーチに取付
けられた起動スイッチを押さない限り導通しないように
スイッチング素子制御回路８が構成されているが、点検
修理時において電極６に手を触れた状態で起動スイッチ
を誤って押すと高電圧が印加されて感電事故が発生する
ことになる。

さらには電極６として手溶接用の電極ホルダーと手溶
接棒とを用いるときには起動スイッチはなく常時電源出
力が印加された状態であるので、溶接棒の取替時やホル
ダーを放置した状態にするときはその都度に電源スイッ
チを遮断しなければならず、これを怠ると直ちに感電事
故につながる極めて危険な装置であった。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は、上記従来装置の問題点を解決するために電
極と被溶接物とが短絡するか、またはアークが発生して
おり、電流が流れている状態であることを検出する検出
器、溶接起動検出器を設けて、アーク再点弧用の補助電
源を溶接電流が流れているときにのみ主電源回路に接続
するようにしたものである。

＜実施例＞ 第１図に本発明の実施例を示す。同図において10は溶
接電流検出器であり、変流器、ホール素子などが用いら
れる。11は溶接電流検出器10の出力を増幅する増幅器で
あり、溶接電流検出器10の出力のうち極性切換時に発生
する短時間の電流途絶期間に対しては電流断を感知しな
いようにする平滑回路を備えており、溶接電流検出器10
とともに溶接起動検出器を構成している。12は開閉回路
であり増幅器11の出力によって補助電源９の出力をコン
デンサ３に接続するサイリスタやトランジスタなどのス
イッチング素子を用いる。第１図のその他の部分は第５
図の従来装置と同機能のものに同符号を付して詳細な説
明を省略する。

第１図において、電極６が被溶接物７と接触し、また
は両者間にアークが発生して電流が流れ始めるまでは、
溶接電流検出器10の出力は零であり、増幅器11の出力も
零であるので開閉回路12は開放のままである。このため
電極６と被溶接物７との間には溶接起動指令によってス
イッチング素子制御回路８が信号s1,s2を出力しても、
直流電源１の出力電圧のみがスイッチング素子4a,4bま
たは5a,5bの導通にしたがった極性の電圧となって現わ
れる。したがってこの状態では電極６には比較的低い直
流電源１の出力電圧が印加されるだけであるので感電の
危険性は著しく減少する。次に電極６と被溶接物７とが
接触するとこれらには直流電源１の出力によって短絡電
流が流れ、この短絡電流によって接触部が溶断してアー
クに移行する。また短絡電流は検出器10によって検出さ
れて増幅器11の出力信号をハイレベルとし、開閉回路12
を閉じて補助直流電源9aを抵抗器9bを通してコンデンサ
３に並列接続する。コンデンサ３はこれによって直流電
源１以外に補助直流電源9aによっても充電されるように
なる。この状態で、出力電流の極性を反転すべくスイッ
チング素子制御回路８の出力信号によって導通中のスイ
ッチング素子を遮断し、次にそれまで遮断されていたス
イッチング素子を導通させるように、例えば信号s1をOF
Fとし、その後に信号s2をONすると、出力電流は一旦零
となるためにアークは消滅する。この結果、抵抗器9bの
電圧降下がなくなり、補助電流電源9aの高い出力電圧に
よってコンデンサ３が急速に充填され、この高い電圧が
次に反対極性のスイッチング素子（5a,5b）に導通駆動
信号（s2）が供給されたときに電極６と被溶接物７との
間に供給されてアークを再点弧させる。このとき増幅器
11には前述のように若干の平滑機能をもたせてあるの
で、一旦アークが切れても溶接起動中信号が消滅するこ
とはなく、開閉回路12が開放することもない。またこの
ときはアーク発生中か短絡中であるので電極６に高電圧
が印加されても作業者がこれに触れる可能性は皆無であ
り、したがって感電の危険性もない。

第２図に別の実施例を示す。第２図は開閉回路12を逆
極性（電極６側が正電位となる極性）のときのみ閉じる
ように増幅器11の出力と信号s1（逆極性用スイッチング
素子4a,4bを導通させる駆動信号）とが共に供給された
ときに閉じるようにアンドゲート13を設けたものであ
り、その他は第１図の実施例と全く同じ構成である。同
図の実施例においては溶接電流が流れている状態でかつ
逆極性のときのみ切替回路が閉じるので逆極性期間の始
めにコンデンサ３が高電圧に充電され、これがスイッチ
ング素子4a,4bを通して電極に供給されることになる。

したがって第２図の実施例は、正極性時には通常の溶
接電圧でも再点弧が容易であり、逆極性時においては困
難となる非消耗電極を用いるアーク溶接（TIGアーク溶
接）に最適である。

第３図はさらに別の実施例を示す接続図である。同図
において１は直流電源であり、商用交流電源101を整流
回路102で整流して直流とし、インバータ回路103にて高
周波交流に変換した後に２次巻線にセンタータップを有
する変圧器104にてアーク溶接に適した電圧に変換し、
変圧器104の出力電圧をセンタータップを共通端子とし
て正，負の両極性の直流に変換する両波整流回路105に
て直流とするものである。ここでインバータ回路103は
出力電流を定める基準信号設定器106,比較器107,パルス
幅変調回路108からなり、出力電流検出器10の出力を増
幅し平滑する増幅器11の出力Ifと基準信号設定器106の
出力Irとを比較器107にて比較し、差信号（Ir−If）に
て定まるパルス幅の駆動信号がパルス幅変調回路108か
らインバータ回路103のスイッチング素子に供給されて
設定値に対応した一定の出力電流となるようにDC/AC変
換が行なわれる。

2aおよび2bは直流電源１の正出力端子および負出力端
子に接続されたリアクトルであり、両リアクトルは図示
のように鉄心を共有し、かつそれぞれの巻線に通じる電
流によって共有する鉄心に同一方向の磁束を生じるよう
に密結合されている。４および５はリアクトル2a,2bに
それぞれ直列接続されたスイッチング用トランジスタで
あり、他端は共通接続されて直流電源１の共通出力端子
C,変圧器104のセンタータップ、とともに出力端子とな
り、電極６および被溶接物７に接続される。８はスイッ
チング用トランジスタ4,5の制御回路、９は抵抗器9aと
補助直流電源9bとからなる補助電源回路、10は出力電流
検出器、11は増幅器、12は開閉回路を構成するサイリス
タなどのスイッチング素子、13はAND回路であり、それ
ぞれ第１図および第２図の同符号を付した部分に略相当
する。

また、リアクトル2aとトランジスタ４およびリアクト
ル2bとトランジスタ５との間と共通端子Ｃとの間にはコ
ンデンサ3a,3bとダイオード14a,14bとが直列接続された
サージ吸収回路が接続されており、また正極性側のサー
ジ吸収回路のコンデンサ3bには抵抗器15が、またダイオ
ード14bには抵抗器16がそれぞれ並列に接続されて放電
回路および逆方向電流の通路を形成している。一方、逆
極性側のサージ吸収回路にはダイオード14aに逆並列に
開閉回路12が、またコンデンサ3aには補助電源９が並列
に接続されている。またこの開閉回路12はAND回路13の
出力信号によって導通する。

同図の実施例において、直流電源１は出力電流検出信
号Ifと基準信号Irとの差によってパルス幅制御されるイ
ンバータ回路103によって出力電流が決定され、またこ
のインバータ回路103の出力を正，負に両波整流した直
流出力は制御回路８にて通電順序および比率が決定され
るスイッチング素子4,5にて交互にON−OFF制御されると
ともに、相互に密結合されたリアクトル2a,2bの働きに
よって略矩形波状の交流電流となって電極６および被溶
接物７からなる溶接負荷に供給される。そしてこの極性
切替時に発生するサージ電圧はスイッチング素子4,5の
最大定格電圧以下に抑制するようコンデンサ3a,3b、ダ
イオード14a,14bを通して吸収される。

一方、コンデンサ3aは補助電源回路９の補助直流電源
9aにて充電されて直流電源１の出力電圧よりも高い電圧
となる。このコンデンサ3aの充電電圧は出力電流検出器
10の出力を増幅した信号Ifとスイッチング素子制御回路
８の逆極性期間信号s1とがともに供給されたときにAND
回路13の出力がハイレベル信号となって開閉回路12が閉
路して電極６から被溶接物７に向う方向の逆極性電圧と
なって印加された逆極性アークを再点弧させる。

また第３図の実施例においては、一方のスイッチング
素子、例えばスイッチング素子５の導通期間中において
はリアクトル2bのために電流の変化は抑制されてほとん
ど一定であり、かつリアクトル2bには流れる電流に応じ
た電磁エネルギーが蓄積される。この電磁エネルギーは
スイッチング素子５が遮断し同時に反対の極性のスイッ
チング素子４が導通するときに直ちにリアクトル2a側に
移動し、リアクトル2aとスイッチング素子４とを通る回
路に先と同じ値の電流を流すべく高い電圧を誘起する。
このためにスイッチング素子５の遮断によってとぎれて
いたアークは直ちに逆方向の電流、即ち被溶接物７から
電極６にむかう方向の電流、によってアークが再生する
ことになる。

このように第３図の実施例においてはリアクトル2a,2
bの作用によって極性反転時の電圧の立上りが急峻とな
りアークの再点弧が容易になるものに加えてアークの再
点弧が比較的困難な逆極性時において、出力電流が流れ
ている状態で補助電源回路の高電圧を供給し、アークの
再点弧を促すものであるから、より確実でかつ感電の危
険のないアーク再点弧補助回路を備えた溶接機が得られ
る。

なお、第３図においてはリアクトル2a,2bの機能を十
分に発揮させるためにはスイッチング素子制御回路８の
出力信号s1,s2をそれぞれ間隙なく、または若干の重な
り時間をもって交互に出力しスイッチング素子4,5の導
通期間を実質的に間隙なく、または若干の重なり時間を
設けて制御することが望ましい。この様にすることによ
り、極性の切換えに際して一方のスイッチング素子の導
通期間の末期に他方のスイッチング素子に導通信号を供
給すると、整流回路105の出力はスイッチング素子4,5に
て短絡されるが、その電流はリアクトル2a,2bが存在す
るために、それ以前の電流値とほとんど変化せず、一方
アークはスイッチング素子4,5によって短絡されるため
に直ちに消弧する。この状態で先に導通していた方のス
イッチング素子が遮断すると、電極６と被溶接物７との
間の短絡が解消されてリアクトル2a,2bはそれぞれに流
れていた電流を維持すべく高い電圧を誘起し、これによ
って後に導通した方のスイッチング素子を通してアーク
が再生する。この結果、溶接電流は略矩形波状となり、
極性の切換え時に電流の立上がりが急峻となって、アー
クの再生が容易となるものである。

上記から、極性の切換え時において電極と被溶接物と
の間に印加すべき補助電源９は、スイッチング素子4,5
による短絡が解消されたとき、即ち両極性のスイッチン
グ素子が導通している状態から先に導通していた方の素
子が遮断した瞬間に供給したほうがより効果的であるこ
とが判る。

第４図は、このようにした時の実施例を示す接続図で
ある。同図において、AND回路13は第３図の実施例と異
なり、電流検出器11の出力を増幅する増幅器11の出力
と、正極性用スイッチング素子５の端子電圧が一定以上
となったときに出力を発生する電圧検出器17の出力とが
入力されるように構成されている。同図の実施例におい
ては、正極性期間の末期において電流が流れており、か
つスイッチング素子５が遮断してその端子電圧が上昇し
たときに初めて開閉回路12が閉路となることになる。こ
のために正極性から逆極性に至るときに真にアークが再
点弧すべき瞬間に開閉回路12が閉路して補助電源９の出
力が電極６と被溶接物７との間に供給されることにな
り、より確実なアークの再点弧が実現できるものであ
る。

第４図においてはまた、AND回路13に対する入力とし
て、逆極性期間信号s1を他の２信号と共に供給するよう
にしてもよい。さらに第３図および第４図において、コ
ンデンサ3aの充電を反対の極性の期間、即ち正極性期
間、において行うように、信号s2で閉路する別のスイッ
チング補助電源回路９に直列に接続してもよい。この場
合には、逆極性期間に補助電源9aから電流が無駄に消費
されることがなくなる。

なお、第３図および第４図の実施例において、コンデ
ンサ3aおよびダイオード14aにはそれぞれコンデンサ3b
およびダイオード14bと同様に抵抗器を並列に接続して
もよく、また正極性側のコンデンサ3bおよびダイオード
14bに逆極性側と同様の補助電源回路９および開閉回路1
2をそれぞれ並列に接続して正極性時のアークの再点弧
を補助するようにしてもよい。

さらに第１図なしい第４図において、再点弧のための
補助電源は各スイッチング素子の出力側、即ちスイッチ
ング素子と溶接負荷との間に設けてもよい。

＜発明の効果＞ 上記のように本発明のアーク溶接機においては、電極
が被溶接物と接触しているかアークが発生しているかの
いずれかで実質的に溶接起動状態にあるときのみ、アー
ク再点弧用の補助電源の出力を主電源回路の出力に重畳
して溶接負荷に供給するものであるので、作業者がこれ
によって感電する危険性も全くない装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す接続図、第２図ないし第
４図は本発明の別の実施例を示す接続図、第５図は従来
の溶接機の例を示す接続図である。 １……直流電源、2,2a,2b……リアクトル、3,3a,3b……
コンデンサ、4,4a,4b,5,5a,5b……スイッチング素子
（トランジスタ）、６……電極、７……被溶接物、８…
…スイッチング素子制御回路、９……補助電源、9a……
補助直流電源、9b……抵抗器、10……出力電流検出器、
12……開閉回路、13……AND回路、14a,14b……ダイオー
ド、17……電圧検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 博幸 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 (56)参考文献 特開 昭63−281744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309373（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−81267（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/073

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源の出力をスイッチング素子によ
   り、正，逆両極性に切換えて溶接負荷に供給するアーク
   溶接用電源において、前記スイッチング素子の入力側ま
   たは出力側に極性切換時のアーク再点弧用高電圧を供給
   するための補助電源回路と、実際に溶接負荷に電流が流
   れていることを検出する溶接起動検出器と、前記補助電
   源回路の出力を前記起動検出器が溶接起動中信号を出力
   しているときのみ前記スイッチング素子の入力側または
   出力側に供給する開閉回路とを具備した交流アーク溶接
   機。
2. 【請求項２】前記開閉回路は前記起動検出器の起動中信
   号と前記スイッチング素子の逆極性期間信号との論理積
   によって前記補助電源の出力を前記スイッチング素子の
   入力側または出力側に供給する回路である請求項１に記
   載の交流アーク溶接機。
3. 【請求項３】前記補助電源回路は、前記スイッチング素
   子の入力側に設けられたコンデンサを抵抗器を通して充
   電するアークの再点弧に必要な高電圧の補助直流電源を
   有する回路である請求項１または２に記載の交流アーク
   溶接機。
4. 【請求項４】前記スイッチング素子は入力側にコンデン
   サと前記直流電源の出力に対して順方向となるダイオー
   ドとが直列に接続されたサージ吸収回路を含み、前記補
   助電源回路は前記コンデンサを抵抗器を通して充電する
   補助直流電源からなり、前記開閉回路は前記ダイオード
   に逆並列に接続されたスイッチング素子である請求項３
   に記載の交流アーク溶接機。
5. 【請求項５】２組の直流電源が直列に接続されて正、
   零、及び負の出力端子を有する直流電源と、前記直流電
   源の正出力端子と負出力端子とにそれぞれ順方向となる
   単方向スイッチング素子を接続し他端を共通接続して一
   方の溶接用出力端子とし、前記直流電源の共通接続点を
   他方の溶接用出力端子とし、前記スイッチング素子を交
   互に実質的に間隙無く導通・遮断制御するためのスイッ
   チング素子制御回路と、前記スイッチング素子の少なく
   とも一方の端子電圧を検出し端子電圧が一定値以上とな
   ったときに信号を出力する電圧検出器と、実際に溶接負
   荷に電流が流れていることを検出する溶接起動検出器
   と、前記電圧検出器によって端子電圧が検出されるスイ
   ッチング素子に対向するスイッチング素子の入力側また
   は出力側に極性切換時のアーク再点弧用高電圧を供給す
   るための補助電源回路と、前記補助電源回路の出力を前
   記起動検出器が溶接起動中信号と前記電圧検出器の出力
   とが共に供給されたときに前記スイッチング素子の入力
   側または出力側に供給する開閉回路とを具備した交流ア
   ーク溶接機。
6. 【請求項６】前記各スイッチング素子にはそれぞれ前記
   直流電源との間に直列に直流リアクトルが接続されてお
   り、前記各直流リアクトルは互いに共通の鉄心に巻かれ
   かつそれぞれ直列に接続された前記スイッチング素子の
   導通によって共有する鉄心に同方向の磁束を生じる極性
   に巻き方向が定められたコイルを有する請求項５に記載
   の交流アーク溶接器。
7. 【請求項７】前記電圧検出器は溶接負荷に対して被溶接
   物から電極に向う方向（正極性）の電流を供給するスイ
   ッチング素子の端子電圧を検出する電圧検出器であり、
   前記補助電源は前記電圧検出器の出力信号と前記溶接起
   動検出器の溶接起動中信号とが共に供給されたときに前
   記２組の直流電源のうち電極から被溶接物に向う方向
   （逆極性）の電流を供給する極性の直流電源の出力に重
   畳して同極性の高い電圧を供給する電源である請求項５
   または６に記載の交流アーク溶接器。
8. 【請求項８】前記直流電源は商用交流電源を一旦整流し
   て直流とし、インバータ回路によって高周波交流に変換
   した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換
   し、再度整流回路によって整流して直流を得る電源であ
   る請求項１または５に記載の交流アーク溶接機。
9. 【請求項９】前記変圧器は２次巻線にセンタータップを
   有する変圧器であり、前記整流回路は前記変圧器の２次
   巻線出力を正および負の両極性と中性点とを有する直流
   に変換する回路であり、前記スイッチング素子は前記
   正，負各極性の直流出力端子にそれぞれ順方向に直列接
   続されて他端が共通接続された２組のスイッチング素子
   である請求項８に記載の交流アーク溶接機。