JP2797566B2 - 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、非溶接物、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は非溶接物であり、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。10はス
イッチであり、逆極性期間にスイッチング素子4a,4bを
導通させる信号s1によって導通するトランジスタが適す
る。なお、スイッチング素子4aないし5bにはそれぞれ保
護のために逆並列にダイオードが接続されることがある
が、本発明とは関係が少ないので図示および説明を省略
してある。

同図の装置において、信号s2が供給されている正極性
期間にはスイッチ10は開いており、このためにコンデン
サ３は補助電源９から何ら充電されることはなく、直流
電源１の出力電圧によって充電されるだけである。正極
性期間の終了に際してスイッチング素子5a,5bが導通し
ている状態から遮断するとアークは消滅する。次に逆極
性信号s1が供給されるとスイッチング素子4a,4bが導通
し、同時にスイッチ10が閉じると、これによってコンデ
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おり
またスイッチング素子4a,4b、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。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効果が発生するの
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。

＜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、
逆極性アークの発生中においても補助電源９からの電流
が流れ続けることになり、このために補助電源９として
容量の大きな直流電源と抵抗器とを用意する必要があっ
た。

また、コンデンサ３は逆極性期間の始めに充電が開始
されるので、コンデンサ３を充電するのに要する時間だ
け再点弧用の高電圧の印加が遅れることになる。このた
めに、この充電時間の間にアークが消滅した電極６と被
溶接物７との間の絶縁の回復が進行し、実質的に再点弧
が困難になるものであった。

＜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正
極性期間中にのみ再点弧電圧を供給するための補助電源
によってコンデンサを充電し、逆極性期間にこの充電電
荷を溶接負荷に放出するように充放電の両回路にスイッ
チを設けた交流アーク溶接機を提案するものである。

＜実施例＞ 第１図に本発明の実施例を示す。同図において10は第
５図の従来例と同様の補助電源９に直列に接続されたス
イッチであるが、正極性時にスイッチング素子5a,5bを
導通させるための信号s2によって導通する。11はコンデ
ンサ３に充電された電荷をスイッチング素子4aないし5b
の入力側に供給するための開閉回路であり、トランジス
タやサイリスタのような単方向性スイッチング素子が適
する。この開閉回路11は逆極性時にコンデンサ３の充電
電荷を放電させるために逆極性信号s1によって導通する
スイッチング素子11aと放電時の電流を制限する抵抗器1
1bとから構成される。またコンデンサ３をサージ吸収用
にも利用するために開閉回路11にはスイッチング素子11
aと逆並列にダイオード12が接続されている。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。また各スイッチング
素子4aないし5bに逆並列に接続される保護用ダイオード
は第５図と同様に省略してある。

第１図において、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を交互に出力すると、直流
電源１の出力電圧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電極６と被溶接
物７との間に現われる。このときスイッチ10は信号s2に
よって閉路するので、コンデンサ３はスイッチング素子
5a,5bが導通する期間、即ち正極性期間において補助電
源９の出力によって充電される。信号s2が消滅するとス
イッチ10が開路してコンデンサ３に対する充電は終了
し、次に信号s1が供給されたときに開閉回路11が閉路し
てコンデンサの充電電荷は抵抗器11bを通して放電され
ることになる。このため、正極性期間において充電され
たコンデンサ３の高い電圧は逆極性期間の始めにアーク
が消滅しているときにスイッチング素子4a,4bの入力側
に印加されて、電極６と被溶接物７との間に供給されて
アークを再生する。アークが再生するとアークを通して
流れる電流によって抵抗器11bに電圧降下が生じ、コン
デンサ３の放電電流を抑制し、これによってコンデンサ
の放電時間が若干延長される。この間に再生されたアー
クが十分に成長し、直流電源１の出力電流が増加して溶
接アークが確立されるに至る。

第２図に別の実施例を示す。第２図においては、コン
デンサ３とダイオード12とを第１図と逆の順序で接続し
てある。また、これに従って補助電源９とスイッチ10は
リアクトル２側にコンデンサ３と並列に接続されてお
り、さらには開閉回路11はコンデンサ３とスイッチング
素子5bと4bとの接続点に図示の極性に接続してある。同
図の実施例においては、コンデンサ３は第１図の実施例
と同様に正極性時において信号s2にて閉路するスイッチ
10を介して補助電源９によって充電され、正極性期間の
終了によって信号s2の消滅とともに充電が終了する。次
に逆極性期間の開始時に信号s1によって開閉回路11が閉
路すると充電電荷は、「スイッチング素子4a→電源６→
被溶接物７→開閉回路11→コンデンサ３」の経路で放電
する。これによって逆極性アークが点弧する。

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（零出
力端子）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からなるインバータ制御回
路によって制御され、出力電流検出器14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はスイッ
チ、11は開閉回路であり、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12a,12b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12b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12aに逆並列に
開閉回路11が、またコンデンサ3aには補助電源９とスイ
ッチ10の直列回路が並列に接続されている。またスイッ
チ10は接続回路８の正極性信号s2によって閉路し、開閉
回路11は制御回路８の逆極性用出力信号s1によって閉路
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
切換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ようコンデンサ3a,3b、ダイ
オード12a,12bを通して吸収される。

一方、コンデンサ3aは正極性期間中において信号s2に
よってスイッチ10が閉じるので補助電源回路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の充電電圧はスイッチ
ング素子制御回路８の逆極性期間信号s1が供給されたと
きに開閉回路11が開閉して電極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て逆極性アークを再
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、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、より確実な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１図ないし第３図の実施例において、信号s1
およびs2を各信号のハイレベル期間はローレベルに、ロ
ーレベル期間はハイレベルにそれぞれ反転する信号反転
回路を設けて、スイッチ10を信号s1の反転信号によって
閉路し、また開閉回路11を信号s2の反転信号によって閉
路するようにしてもよい。その場合には信号1s、s2が相
互に重なり期間をもって供給されるときにも確実にコン
デンサ３が逆極性期間が終了して正極性期間となってか
ら充電され、かつ実際の逆極性期間の開始時に溶接負荷
に向って放電されるようになる。

また、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。次に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
の間に印加すべきコンデンサ3aの電圧は、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、17は正極性信号S2を入力として入
力信号の立上り時から一定時間遅れて出力信号s3が立上
り信号s2の消滅によって消滅する信号を出力する時限回
路であり、スイッチング素子４と５とが共に導通する期
間を除いた正極性期間中においてスイッチ10を閉路しコ
ンデンサ3aの充電を行うためのものである。また18は正
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であり、19は電圧検
出器18の出力と制御回路８の逆極性信号s1とがともにハ
イレベルとなったときに開閉回路11を閉路する信号を出
力するAND回路である。同図の実施例においては、正極
性期間の末期において信号s2に重ねて信号s1が出力され
てスイッチング素子４と５とがともに導通している状態
から、次にスイッチング素子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11が閉路することにな
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11が閉路してコンデン
サ3aの充電電圧が電極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。

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12aにはそれぞれコンデンサ3b
およびダイオード12bと同様に抵抗器を並列に接続して
もよい、 また、第１図ないし第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、正極
性期間中において再点弧電圧を供給するためのコンデン
サを充電しておき、逆極性期間の初期においてこの電圧
を電極と被溶接物との間に放出するものであるので、再
点弧電圧供給用の補助電源を小容量のものにすることが
でき、またコンデンサを逆極性時になってから充電する
従来方式のもののように再点弧が遅れたり、この遅延時
間のためのアークの再点弧に失敗することがない安定し
た溶接が行なえるものである。

【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……スイッチ、11……開閉回路、 12,12a,12b……ダイオード、 18……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63−281774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309373（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/073

Claims (8)

(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、コンデンサと前記コンデンサを正
   極性期間中に充電するアークの再点弧に必要な高電圧の
   補助電流電源と、前記コンデンサの充電電荷を逆極性時
   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。
2. 【請求項２】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
   向性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うち逆極性側のスイッチン
   グ素子の入力側または出力側に設けられたコンデンサと
   前記コンデンサを正極性期間中に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と前記コンデンサの充
   電電荷を前記スイッチング素子を導通させるための逆極
   性期間信号によって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。
3. 【請求項３】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
   向性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うち正極性側のスイッチン
   グ素子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、前記スイッチン
   グ素子のうち逆極性側のスイッチング素子の入力側また
   は出力側に設けられたコンデンサと前記コンデンサを正
   極性期間中に充電するアークの再点弧に必要な高電圧の
   補助直流電源と、前記コンデンサの充電電荷を前記端子
   電圧検出器の出力によって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。
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
   助直流電源は前記サージ吸収回路のコンデンサのうち逆
   極性側のコンデンサを抵抗器を通して充電する補助直流
   電源であり、前記開閉回路は前記逆極性側のコンデンサ
   に直列接続された前記ダイオードに逆並列に接続された
   単方向性スイッチング素子である請求項１ないし３のい
   ずれかに記載の交流アーク溶接機。
5. 【請求項５】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２または
   ３のいずれかに記載の交流アーク溶接器。
6. 【請求項６】前記スイッチング素子は交互に実質的に間
   隔無く導通・遮断制御されるスイッチング素子である請
   求項５に記載の交流アーク溶接器。
7. 【請求項７】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ないし６のいずれかに記載の交流アーク溶接
   機。
8. 【請求項８】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７に記載の交流アーク溶接機。