JP2920263B2 - アークスタッド溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボルト等のスタッドを
接合するアークスタッド溶接装置に関し、とくに電源電
圧や負荷の変動に対し応答良く溶接電流の制御が可能な
アークスタッド溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アークスタッド溶接装置は、周知の通り
鋼板や鋼管などの母材表面に、丸棒、ボルト、ピンなど
のスタッド類を溶植する装置である。アークスタッド溶
接を行うに際しては、溶接ガンの先端にスタッドを装着
し、スタッドを母材表面に押し付けて起動させる。そし
て、スタッドを母材から引離すことによりスタッドと母
材間との間にアーク放電が発生し、スタッドと母材とが
アーク放電による熱により溶融される。アーク放電が行
われている状態では、溶接電流は設定値に制御され、所
定の通電時間経過後にスタッドが母材表面に押し戻さ
れ、スタッドと母材との接合が行われる。

【０００３】従来のアークスタッド溶接装置では、溶接
電流の主制御はサイリスタを用いた位相制御によって行
われる。サイリスタによる位相制御の場合は、装置を起
動させるとパイロット電流というアーク柱持続用の補助
電流が流され、この状態でスタッドを母材から引き離す
と、スタッドと母材間にはパイロットアークが発生す
る。その後、パイロット電流に主溶接電流が重畳され、
設定された溶接電流値に制御される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、サイリスタ位
相制御を用いたアークスタッド溶接装置においては、電
源電圧や負荷の変動に対して応答の良い制御ができない
という問題があった。これは、溶接品質に大きな影響を
与えることになる。以下に、サイリスタ位相制御の問題
について図４および図５を参照して説明する。

【０００５】サイリスタは、電流の大きさを調整する制
御素子として用いられ、点弧位相を電圧に対して遅らせ
ると電圧のかからない期間が発生する。これによって、
電流が不連続になると同時に電流のピーク値も小さくな
る。このように、サイリスタ位相制御は、電圧の実効値
を変え、電流制御を行うものであり、点弧位相の設定値
を変えるだけで溶接電流を連続的に調整することができ
る。

【０００６】しかし、位相制御では溶接時間が溶接電源
の周波数によって制約されるため、フィードバックの応
答時間が最低半サイクルかかることになる。そのため、
応答の良い溶接電流の制御ができず、図４の波形ａに示
すように溶接電流の立ち上がり時のバラツキや、波形ｄ
に示すようにプランジポイントＰにおける溶接電流の跳
ね上がりなどが発生する。この溶接電流のバラツキや跳
ね上がりは、チリや溶接抜けを招く原因となり、溶接品
質の面で問題となる。

【０００７】また、サイリスタ位相制御の溶接電流波形
におけるリップルは、図４の波形Ｃや図５の波形ｅに示
すように、電源電圧、負荷、溶接電流値によって大きさ
が異なる。このように、直流電圧に対して電圧変動が大
きくなるリップルの存在は、アーク柱の伸縮による冷え
現象を招き、溶接品質に悪影響を与える。

【０００８】本発明に関連する先行技術として、特開平
２−１０４４７３号公報が知られている。本公報に開示
されているアークスタッド溶接装置は、溶接トランスの
一次側にインバータ主回路が配置されており、リップル
の少ない溶接電流が得られるが、一次側を数ＫＨｚの高
い周波数にする必要があり、一般の溶接トランスよりも
高価な高周波用の溶接トランスを必要とする。

【０００９】本発明は、高周波用の溶接トランスを用い
ることなく電源電圧や負荷等の変動に対して応答良く溶
接電流の制御ができるアークスタッド溶接装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本発
明は、つぎの通りである。交流電源に接続される溶接ト
ランスと、前記溶接トランスの２次側に接続され交流を
直流に変換する整流手段と、 前記溶接トランスの２次側
回路に設けられ、ＯＮの時には前記整流手段からの溶接
電流を流しＯＦＦの時には前記整流手段からの溶接電流
を流さないトランジスタからなる単一のスイッチング回
路と、前記スイッチング回路より出力端子側に接続され
た直流リアクトルと、前記トランジスタがＯＦＦのとき
前記直流リアクトルに蓄えられたエネルギーを溶接電流
を徐々に減少させるように流すフライホイールダイオー
ドと、前記２次側回路に流れる溶接電流を検知する溶接
電流検知部と、前記スイッチング回路のドライブ回路
と、を有し、該溶接電流検知部によって検知された溶接
電流値が予め設定された目標値以上になると前記トラン
ジスタをＯＦＦにし溶接電流値が許容リップル電流値以
下になると前記トランジスタをＯＮにするフィードバッ
ク制御手段と、前記整流手段に前記フィードバック制御
手段を介して接続されるアークスタッド溶接ガンと、を
具備したことを特徴とするアークスタッド溶接装置。

【００１１】

【作用】このように構成されたアークタッド溶接装置に
おいては、溶接トランスの２次側に接続された整流手段
によって交流が直流に変換される。整流手段によって整
流された溶接電流は、アークスタッド溶接ガンに流さ
れ、この溶接電流はフィードバック制御手段によってフ
ィードバック制御される。フィードバック制御手段で
は、溶接電流検知部によって２次側回路を流れる溶接電
流を検知し、この溶接電流検知部によって検知された溶
接電流値と目標値とに基づいてフィードバック制御が行
われる。

【００１２】ここで、フィードバック制御は、２次側回
路をスイッチング制御により断続することにより行うの
で、溶接時間が溶接電源周波数によって制約されるサイ
リスタ位相制御のように半サイクルの期間で溶接電流を
可変させることができなくなるという問題はなくなる。
したがって、電源電圧や負荷等の変動に対し応答良く溶
接電流の制御が可能となり、溶接品質の低下を招く溶接
電流の立ち上がり時のバラツキの発生や、プランジポイ
ントにおける溶接電流の跳ね上がりが解消される。

【００１３】また、本発明では、溶接トランスの２次側
をスイッチング制御により断続させているので、１次側
をインバータ制御する従来装置のように高周波用の溶接
トランスを必要とすることもなくなる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係るアークスタッド溶接装
置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。図１
ないし図３は、本発明の一実施例を示している。図１に
おいて、１は三相交流電源を示しており、三相交流電源
１には溶接トランス２が接続されている。溶接トランス
２は三相交流電源１が接続される１次側が星形結線とな
っており、２次側が三角結線となっている。

【００１５】溶接トランス１の２次側には、三相全波整
流を行う整流手段３が接続されている。整流手段３は、
６つの整流ダイオード３ａの組合せによって構成されて
いる。整流手段３が配置される２次側回路４の端子５
ａ、５ｂには、アークスタッド溶接ガン６および母材３
２が接続されている。本実施例では、たとえば一方の端
子５ａにアークタッド溶接ガン６が接続され、他方の端
子５ｂに母材３２が接続される。

【００１６】２次側回路４には、整流手段３に対して並
列に平滑コンデンサ８が接続されている。平滑コンデン
サ８は、整流手段３によって三相全波整流された溶接電
流を平滑にする機能を有する。また、２次側回路４に
は、フライホイールダイオード９と直流リアクトル１０
が介装されている。フライホイールダイオード９は、平
滑コンデンサ８と並列に接続されており、後述するスイ
ッチング制御により、２次側回路４が閉路されたときに
電流を一時的に流す機能を有する。直流アクトル１０
は、２次側回路４に直列に接続されており、直流電圧に
対する電圧変動であるリップルを鈍らせる機能を有す
る。

【００１７】２次側回路４には、実際の溶接電流値と予
め設定された目標溶接電流値との差異に基づいて２次側
回路４をスイッチング制御によって断続することにより
溶接電流を目標値に追従させるフィードバック制御手段
１１が設けられている。フィードバック制御手段１１
は、溶接電流検知部１２、ドライブ回路部１３、スイッ
チング回路１４、タイマ制御回路部１５とから構成され
ている。

【００１８】溶接電流検知部１２は、変流器１２ａと電
流検出回路部１２ｂとから構成されている。変流器１２
ａは、２次側回路４に直列に接続されており、変流器１
２ａには溶接電流に応じた検出電圧が誘起されるように
なっている。電流検出回路部１２ｂは、変流器１２ａに
誘起された検出電圧を補正する機能を有しており、電流
検出回路部１２ｂからの信号はタイマ制御回路部１５に
入力されるようになっている。

【００１９】平滑コンデンサ８とフライホイールダイオ
ード９との間には、単一のスイッチング回路１４が設け
られている。スイッチング回路１４は、２次側回路４に
直列に接続されている。スイッチング回路１４は、半導
体素子（トランジスタ）によって２次側回路４を断続す
る機能を有している。スイッチング回路１４は、ドライ
ブ回路部１３と接続されており、スイッチング回路１４
は、ドライブ回路部１３からの出力信号によってスイッ
チング制御されるようになっている。ドライブ回路部１
３はタイマ制御回路部１５と接続されている。

【００２０】タイマ制御回路部１５は、電流検出回路部
１２ｂから出力される溶接電流値と予め設定された目標
溶接電流値との差を求め、実際に２次側回路４に流れる
溶接電流を目標値に追従させるようにドライブ回路部１
３を制御する機能を有している。このように、フィード
バック制御手段１１は、溶接電流値と目標値との差異に
基づいてドライブ回路部１３を駆動し、つづいてドライ
ブ回路部１３からの出力信号によってスイチイング回路
部１４をスイッチング制御することにより、２次側回路
４を流れる溶接電流を目標値に追従させるようになって
いる。

【００２１】タイマ制御回路部１５は、電流検出回路部
１２ｂから出力される溶接電流値が目標値を超えると、
スイッチング回路１４をＯＦＦにして２次側回路４を遮
断するようになっている。また、溶接電流値が目標値よ
りも減少した場合は、スイッチング回路１４をＯＮにし
て２次側回路４を閉路にし、溶接電流を増加させるよう
になっている。

【００２２】タイマ制御回路部１５のメモリ部には、最
適な溶接品質が得られるように、スタッド３１および母
材３２の形状、材質によって各種の溶接電流を予め記憶
させることが可能となっている。したがって、溶接時間
内において、図３の目標値である溶接電流設定値Ｓ₁ を
随時変化させて制御することにより、単純なアップスロ
ープおよびダウンスロープは勿論、任意の電流波形によ
って溶接することが可能となる。

【００２３】タイマ制御回路部１５には、スタッドフィ
ーダ２１とエアバルブユニット２２が電気的に接続され
ている。スタッドフィーダ２１は、アークスタッド溶接
ガン６にボルト等のスタッド３１を供給する機能を有し
ており、タイマ制御回路１５からの出力信号によりアー
クスタッド溶接ガン６へのスタッド３１の供給が行われ
るようになっている。エアバルブユニット２２は、アー
クスタッド溶接ガン６を移動させるために用いられる移
動装置（図示略）の制御部品であり、タイマ制御回路１
５からの出力信号によってアークスタッド溶接ガン６は
所定の方向に自動的に移動可能となっている。

【００２４】つぎに、上記のアークスタッド溶接装置に
おける作用について説明する。母材３２である鋼板が所
定の位置に搬送されると、図示されない移動装置によっ
てアークスタッド溶接ガン６が所定の位置に位置決めさ
れる。アークスタッド溶接ガン６の位置決めが完了する
と、タイマ制御回路１５からスタッドフィーダ２１に出
力信号が出力され、スタッド３１がアークスタッド溶接
ガン６に供給される。スタッド３１がアークスタッド溶
接ガン６に装着されると、スタッド３１の先端部が母材
３２の表面に押し付けられる。

【００２５】スタッド３１の母材３２への押し付けが完
了すると、溶接装置が起動されパイロット電流というア
ーク柱を持続させるための補助電流が流される。この状
態でスタッド３１が母材３２から引き離され、スタッド
３１と母材３２との間にはパイロットアークが発生す
る。その後、図２に示すように、パイロット電流に主溶
接電流が重畳され、溶接電流によりアーク放電が行われ
る。この状態では、アーク放電が行われているスタッド
３１の先端部と母材３２の部位は、アーク放電による熱
によって溶融される。このアーク放電時における２次側
回路４における溶接電流は、フィードバック制御手段１
１によってフィードバック制御される。

【００２６】ここで、フィードバック制御手段１１は、
２次側回路４をスイッチング回路１４で断続することに
よって溶接電流を制御するので、サイリスタ位相制御の
ように溶接電源の周波数にかかわらず溶接電流を可変さ
せることができる。図２は、本発明における溶接電流の
変化を示している。図２において波形ｆはパイロット電
流を示しており、波形ｇ、ｈ、ｊが接合に寄与する溶接
電流Ｉ₁ を示している。図に示すように、パイロット電
流から設定された溶接電流に移行する立上がり時間が非
常に短くなっている。

【００２７】図３は、図２の溶接電流Ｉ₁ の拡大波形を
示している。図に示すように、溶接電流Ｉ₁ は極めて小
さいリップルを含むが、これは実質的に溶接品質には影
響しない。図３において、常時監視されている溶接電流
Ｉ₁ が目標値である設定値Ｓ₁ を超えると、スイッチン
グ回路１４がＯＦＦとなり、２次側回路４は開とされ
る。このため、プランジポイントＰにおける溶接電流Ｉ
₁ の跳ね上がりがなくなる。

【００２８】図３のＳ₂ は許容リップルレベルであり、
図のイに示すように緩やかに溶接電流Ｉ₁ が減少した場
合は、スイッチング回路１４がＯＮとなり、２次側回路
４は閉じられ、溶接電流Ｉ₁ の増加が行われる。また、
溶接電流Ｉ₁ の減少の傾きが図のロに示すように急激な
場合は、スイッチング回路１４をＯＦＦとしてからつぎ
のＯＮとなるまでに最小時間を設定し、図のハ点にてス
イッチング回路１４をＯＮとする。これにより、スイッ
チング回路１４の回路素子にかかる負担が軽減される。
このように、許容リップルレベルＳ₂ を設け、かつスイ
ッチング回路１４のＯＦＦからＯＮへの切替え時間を最
小にすることにより、最小リップルが実現可能となり、
安定した溶接電流Ｉ₁ が得られる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、溶接トランスの２次側
回路に設けられ、ＯＮの時には整流手段からの溶接電流
を流しＯＦＦの時には整流手段からの溶接電流を流さな
いトランジスタからなる単一のスイッチング回路と、ス
イッチング回路より出力端子側に接続された直流リアク
トルと、トランジスタがＯＦＦのとき直流リアクトルに
蓄えられたエネルギーを溶接電流を徐々に減少させるよ
うに流すフライホイールダイオードと、２次側回路に流
れる溶接電流を検知する溶接電流検知部と、スイッチン
グ回路のドライブ回路と、を有し、溶接電流検知部によ
って検知された溶接電流値が予め設定された目標値以上
になると前記トランジスタをＯＦＦにし溶接電流値が許
容リップル電流値以下になると前記トランジスタをＯＮ
にするフィードバック制御手段を設けたので、つぎの効
果が得られる。 （イ） サイリスタ位相制御よりも電源電圧や負荷等の
変動に対して応答良く溶接電流の制御が可能となり、リ
ップルのほとんどない溶接電流を得ることができる。そ
の結果、溶接電流の立上がり時の溶接電流のバラツキの
発生や、プランジポイントにおける溶接電流の跳ね上が
りが防止でき、溶接品質を高めることができる。 （ロ） サイリスタ位相制御のように、溶接時間が溶接
電源周波数によって制約されることがなくなるので、細
かな条件設定が可能となり、溶接条件の選択の幅が広く
なる。したがって、スタッドおよび母材の形状や材質に
最適な溶接電流波形での溶接が可能となり、溶接品質を
さらに高めることができる。 （ハ） 溶接トランスの２次側回路をスイッチング回路
により断続させているので、１次側をインバータ制御す
る従来装置のように高周波用の溶接トランスを必要とす
ることがなく、装置の低コスト化がはかれる。（ニ） スイッチング回路が単一のため回路構成が単純
であり安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るアークスタッド溶接装
置の概略構成図である。

【図２】図１の装置によるアークスタッド溶接時の溶接
電流の波形図である。

【図３】図２の波形図の部分拡大図である。

【図４】従来のアークスタッド溶接機におけるスタッド
溶接時の溶接電流の変化を示す波形図である。

【図５】図４のアークスタッド溶接機において溶接条件
を異ならせた場合の溶接電流の変化を示す波形図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ 溶接トランス ３ 整流手段 ４ ２次側回路 ６ アークスタッド溶接ガン９ フライホイールダイオード １０ 直流リアクトル １１ フィードバック制御手段 １２ 溶接電流検知部 １３ ドライブ回路部 １４ スイッチング回路 １５ タイマ制御回路部 ３１ スタッド ３２ 母材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西脇 由起男 愛知県西春日井郡西春町大字徳重字御宮 前一 株式会社名古屋電元社 西春工場 内 (56)参考文献 特開 昭53−118252（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−4977（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118175（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−459（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/073 550 B23K 9/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源に接続される溶接トランスと、 前記溶接トランスの２次側に接続され交流を直流に変換
   する整流手段と、 前 記溶接トランスの２次側回路に設けられ、ＯＮの時に
   は前記整流手段からの溶接電流を流しＯＦＦの時には前
   記整流手段からの溶接電流を流さないトランジスタから
   なる単一のスイッチング回路と、前記スイッチング回路
   より出力端子側に接続された直流リアクトルと、前記ト
   ランジスタがＯＦＦのとき前記直流リアクトルに蓄えら
   れたエネルギーを溶接電流を徐々に減少させるように流
   すフライホイールダイオードと、前記２次側回路に流れ
   る溶接電流を検知する溶接電流検知部と、前記スイッチ
   ング回路のドライブ回路と、を有し、該溶接電流検知部
   によって検知された溶接電流値が予め設定された目標値
   以上になると前記トランジスタをＯＦＦにし溶接電流値
   が許容リップル電流値以下になると前記トランジスタを
   ＯＮにするフィードバック制御手段と、前記整流手段に前記フィードバック制御手段を介して接
   続されるアークスタッド溶接ガンと、 を具備したことを特徴とするアークスタッド溶接装置。