JP2941330B2 - アーク溶接用交流矩形波溶接電源供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアーク溶接用電源供給装置に係り、特に矩形
波を用いた交流を電極と母材間に供給して行う交流アー
ク溶接機のアーク溶接用電源供給装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

一般に交流を用いたアーク溶接は、被覆棒アーク溶接
法，潜弧溶接法あるいはガスシールドアーク溶接法の一
部に用いられ数々の利点を有する事は公知の事実であ
る。

しかしながら、一般の交流アーク溶接では商用周波数
による正弦波交流が交流溶接用として用いられており、
正弦波交流は１秒間に100回ないし120回、電流及び電圧
が交番する。

従って今、第８図の36に示すように電圧波形が０ボル
トを通過し正極方向へ向うとすると電圧が徐々に上昇し
最大値に至り、徐々に下降し０ボルトに近付き、０ボル
トに至る。０ボルトを通過した該電圧は負極側でも下降
上昇を繰り返す。このように正弦波交流では、電圧が０
ボルトになる正極，負極の境界付近においては極性変化
が緩慢である。従って無負荷電圧がアーク放電開始電圧
に至るまで、第８図の38で示すごとくアーク放電は開始
しない。また電圧が反転した後アークが再点弧するまで
の間は、第８図の40で示すごとく、アークによる自己保
持特性あるいは溶接電源内のリアクトルのみによりアー
クが保たれているだけの、非常に不安定な状態である。
従って交流アークは周波数の半波毎に電流の流れる方向
が反転しその都度アークは消弧し、改めて逆方向に再点
弧しなければならず、もし再点弧に失敗したとすると、
アークは消失してしまう。溶接中に一度アークが消失す
ると、溶接継ぎ手内部に融合不良あるいはスラグ巻き込
みなどの溶接欠陥を誘発し、溶接作業性も悪化し健全な
溶接継ぎ手を作成することは、極めて困難となる。

交流アークが直流アークに比べ維持しにくいのは、こ
の再点弧の困難さにある。

従って従来技術では特公昭62−15315号公報により提
示されるごとく、再点弧の助成させるため電圧が０ボル
トとなった直後スパイク電圧を印加したり、あるいは溶
接中に高周波高電圧を印加することでアークの再点弧を
強制し、アークを安定維持させることが知られている。

しかしながら該公報に記載された手段では電気回路の
都合上電極が短絡を生じた場合、スパイク状高電圧用に
蓄えられたエネルギーがその瞬間に放出されてしまい該
スパイク状高電圧は蓄電器に充電するまで印加すること
はできず、アーク安定維持が極めて困難となる。また後
述の高周波高電圧の印加では、高周波放電時に電磁的雑
音が発生し空中に放射するため数々の電気機器に障害を
与えていた。

そこで、本発明者等は前述問題点の解決手段として特
開昭63−20168号公報の発明を提示した。該発明では溶
接電流，アーク電圧，交流周波数，電極印加電圧の正極
／負極通電時間割合及び電流値の正極／負極成分などを
可変調整可能とした装置である。該発明装置の出力波形
は立ち上がりの急峻な矩形となっているため、瞬時に極
性が転極するものである。

該装置は、電極印加電圧の正極／負極通電時間割合を
調整することで、一般的に知られているように電極電位
が正極の場合は安定した溶け込み深さがえられる作用、
また電極電位が負極の場合は消耗電極の溶融速度を速め
ることから消耗電極溶融量を制御できる作用、あるいは
交流周波数を調整する事でアーク力を制御することによ
り前述同様溶け込み深さを制御する作用等を発揮でき、
一般的に溶接困難な開先ギャップあるいは開先目違いを
有する被溶接物においても、健全な溶接継ぎ手を作成す
る事のできる溶接装置である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、溶接時において溶滴の移行が電極と母
材間で、短絡とアークを繰り返しながら行われる短絡移
行を呈するような低電流の溶接条件の場合、その上で溶
接条件の内、電極電位が負の時間が50％以上となった
時、更には電極ワイヤの種類によっては極く希にではあ
るがアーク切れが発生している事が実験から明らかとな
った。更に詳しく観察すると、該現象は電極電位が負極
から正極へ転極するときのみであることが明らかとなっ
た。このことは電極電位が正極と負極の時とでアーク再
点弧電圧が異なる事、及び、電極形状が母材側は平面で
消耗電極側は針状となっていて非対称による事から即
ち、電子放出時の電極形状の違い、あるいは電界強度の
違いにより電極電位が負極になる時の再点弧のほうが容
易であるという報告（発行所：産報，著者：安藤弘平
等，書名：溶接アーク現象138〜139頁）がある事からも
理解できるものである。

本発明は、これらの点に鑑みなされたものであって、
消耗電極式アーク溶接において、溶接時の溶滴の移行が
電極と母材間で短絡とアークを繰り返す短絡移行を呈す
るような低電流の溶接条件の場合、その上で溶接条件の
内、電極電位が負極の時間が50％以上となった時に電極
ワイヤの種類によっては極く希にではあるが発生するア
ーク切れを防止し、健全な溶接継ぎ手を簡便に作成する
方法の提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第２図の（ロ），（ハ），（ニ）に示すような、電極
電位が負極の時にはアークは陰極点となるべき酸化物を
求めて消耗電極上方へはい上がるため該消耗電極が加熱
溶融される。該溶融量は電極電位が正極の時よりも、負
極の時のほうが多い事に既に報告され公知の事実となっ
ている（発行所：産報，著者：安藤弘平等，書名：溶接
アーク現象335〜337頁及び351〜352頁）。そこで、電極
電位が負極の時には溶滴の移行は抑制され、次に電極電
位が転極する瞬間に、第２図（ホ）に示すように加熱溶
融されていた溶融金属は、重力に耐え切れなくなり消耗
電極より離脱する。この時、該離脱によって生じる消耗
電極と母材間距離は、電極電位が正極の時の溶滴離脱に
よって生じる消耗電極と母材間距離より遥かに長くなっ
ているという事実を秒間3000駒の高速撮影による映像か
ら新規に知見した。

このことからも電極間距離が長い、電極電位が負極か
ら正極に転極するときのほうが、再点弧に要する絶縁破
壊電圧は高い電圧が必要である事が明らかとなった。

これらの事実に基づき発明者等は以下に述べるような
実験を実施した。シールドガスには、Ar−CO₂混合ガス
を用いたガスシールド溶接に於いて、消耗電極にはJIS
Z3312 YWG12の線径1.2mmを用い溶接電流は100A、この時
の溶接電圧は18〜19Vとし交流周波数は200Hz、電極電位
が正極の割合と電極電位が負極の割合を1:2とし、板厚1
6mmの軟鋼平鋼板上に500mm長さのビード置き試験を実施
した。該試験に於いて無負荷電圧を65V〜400Vまで変化
上昇させ、無負荷電圧レベルに対するアーク切れ回数を
調査したところ、第７図に示すように、無負荷電圧が30
0V以上の範囲ではアーク切れは発生していないことを確
認すると共に300V以下の範囲では指数関数的に該回数は
増加する傾向にあることを新規に知見した。

さらには、消耗電極の種類，母材の種類及び、シール
ド用に用いるガスの成分によってアーク切れ回数が零と
なる無負荷電圧値には違いが有ることも合わせて知見し
た。

そこで本発明においては、溶接用電源供給装置の出力
側に、消耗電極式アーク溶接機の電極に出力端が接続し
たインバータを有する、消耗電極式アーク溶接用交流矩
形波溶接電源装置に於いて、 前記インバータの出力端と電極を結ぶ結線に出力端が
接続された逆電圧阻止用ダイオードを有し、溶接開始時
あるいは溶接時に於ける電極の電位が被溶接物に対し正
極の期間のみあるいは電極の電位が被溶接物に対し零な
いしは負極から正極に転極する時に、アーク点弧あるい
は再点弧するに必要な電圧値以上の高電圧を前記逆電圧
阻止用ダイオードを通して電極に印加する電圧印加回路
を備える。

〔作用〕

アーク点弧あるいは再点弧するに必要な電圧値以上の
高電圧を印加する印加回路を、インバータスイッチング
素子より出力側すなわち装置出力端子の直近に備えるた
めに、溶接電源供給装置内の配線による浮遊インピーダ
ンスによる影響が軽減し、電圧の時間的な立上り遅れな
しに再点弧電圧が消耗電極と母材間に印加されるので、
アーク切れに対し非常にスムーズな再点弧が実現し、溶
接中のアーク切れは、肉眼では確認できないくらいまで
に抑制される。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下
の実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例の概略構成を示す。この実
施例は、直流をスイッチング動作させて交流に変換する
インバータスイッチング素子1,2,3,4、これらのスイッ
チング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオ
ード５−a,5−b,5−c,5−ｄ、再点弧電圧昇圧用変圧器
６、該変圧器よりの交流を直流に整流する整流器７、該
直流のリップル分を軽減する平滑用コンデンサ８、消耗
電極16−ａと母材18間にアーク17が維持されている時に
再点弧電圧をアーク電圧まで降下させるための電流制限
用抵抗器９、再点弧電圧の供給をスイッチングするため
の半導体スイッチング素子10、何等かの原因によって溶
接電圧が逆流することを防ぐための逆電圧阻止用ダイオ
ード11、インバータスイッチング素子1,3を駆動するた
めの前置増幅器14、および、スイッチング素子1,3と同
相または同期して信号を出力するためのパルス信号を発
生させるタイミング回路及び半導体スイッチ10を駆動す
るための増幅回路12、インバータスイッチング素子2,4
を駆動するための前置増幅器13、出力端子19、溶接用の
直流を得るための直流電源装置20、および、直流リアク
トルＬより構成される。

インバータスイッチング素子1,3および2,4はお互いが
同相信号によりスイッチングするもので、今インバータ
スイッチング素子1,3がオン（導通状態）だとすると溶
接電流は消耗電極16−ａからアーク17を通して母材18と
いう経路で流れる。即ち電極電位が正極の溶接となる。
次にインバータスイッチング素子1,3がオフ（非導通状
態）に、2,4がオンにされると、溶接電流は今度は、母
材18からアーク17を通して消耗電極16−ａと流れる。即
ち電極電位が負極の溶接となる。これらを繰り返すこと
で交流溶接が実施される。

タイミング回路および増幅回路12は、発振器15の信号
に同期して、インバータスイッチング素子1,3に加わる
信号と同相の信号を、半導体スイッチング素子10をオン
するレベルまで増幅して該素子10に印加する。これによ
り、インバータスイッチング素子1,3のオンと同期し
て、即ち電極電位が正極になった所でオンする。ここで
平滑された直流の再点弧において必要な電圧が半導体ス
イッチング素子10に印加されていることから、この電圧
が、インバータスイッチング素子1,3の導通と同時に消
耗電極16aと母材18の間に印加される。これが第４図で
レベル28−ａまで上昇した電圧であり、これによりアー
クが再点弧することとなる。

ところでこの電圧が印加されるときアーク切れが発生
しアークが消弧している場合は、負荷即ちアーク17（16
a−18間）のインピーダンスが高く、印加される電圧は
電極16−ａと母材18にそのままの電圧で印加されること
になり、アークが再点弧する。しかしながらアーク切れ
が発生せずアークが健全な状態で維持されている状態で
あったときには、負荷（16a−18間）のインピーダンス
が低いために、第１図中に示す電流制限用の抵抗器９に
より、第５図及び第６図の32および33に示すごとく、電
位降下を生じすなわち半導体スイッチング素子10の電流
値が制限され、アーク電圧とほぼ同一電圧になるよう抵
抗値が選択されている。したがってアーク切れが発生せ
ずアークが安定に維持されている場合には電圧印加回路
（６〜12）は、アーク電圧とほぼ同一電圧の出力電圧と
なる。したがってアーク切れが発生した時のみに再点弧
に必要な電圧が、第５図及び第６図の34−a,34−ｂに示
すごとく消耗電極16aと母材18間に印加されることにな
り、消弧していたアークは速やかに健全なアーク状態に
復帰する。

なお、インバータスイッチング素子1,3のオン全期
間、半導体スイッチング素子10もオンにしているので、
電圧印加回路（６〜12）の出力端の電圧が第５図に示す
ような再点弧用印加電圧となるが、タイミング回路及び
増幅回路12によって、インバータスイッチング素子1,3
に加わるオン信号の立上部分を拾いだし、再点弧に必要
な極短い時間だけパルス状のオン信号を整形して半導体
スイッチング素子10に印加して該オン信号の間のみ素子
10をオンにしてもよい。この場合には、電圧印加回路
（６〜12）の出力端の電圧が第６図に示すような再点弧
用印加電圧となる。この場合でも同様な再点弧効果が得
られる。

いずれに於いてもインバータスイッチング素子１〜４
より出力側かつ装置出力端子の直近に、再点弧電圧を印
加するようにしているために、溶接電源供給装置内の配
線による浮遊インピーダンスによる影響が軽減し、電圧
印加回路（６〜12）の出力電圧による消耗電極16a/母材
18間の電圧の立上り遅れおよび電圧低下が小さくアーク
切れに対し非常にスムーズな再点弧が実現し、溶接中の
アーク切れ期間は、肉眼では確認できないくらいまで極
く短い時間となった。

また、インバータスイッチング素子１〜４に逆電圧を
阻止する回路を付加する（図示せず）ことで、該インバ
ータスイッチング素子に耐電圧の低い素子を使用する事
が可能となり電気回路的に複雑な回路を用いなくてもあ
るいは、価格的にも安価に装置作製することが可能とな
る。

第１図に示す装置を用いて、一例としてAr−CO₂ガス
シールド溶接を実施した。

消耗電極（溶接ワイヤ）16aには、JIS Z33212YGW12の
線径1.2mを用い、溶接電流を100A,交流周波数を200Hz,
電極電位が正極の期間と電極電位が負極の期間の割合を
1:2とし、再点弧用印加電圧は400Vを印加し、母材18は
軟鋼板，板厚8mmのＹ開先において溶接を実施した。

その結果、目視による観察ではアーク切れは見られ
ず、オシロスコープで溶接電圧及び溶接電流を観察した
ところ、極く希ではあったがアーク切れが発生しようと
したにもかかわらず直ちに再点弧している様子がうがが
われ、溶接部の外観およびＸ線透過試験も良好で、溶接
欠陥は何等見られなかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による電源供給装置を用い
て溶接を実施すれば、交流の溶接時において電極電位が
零ないしは負極から正極に転極する時あるいは何等かの
原因によってアーク切れが発生しようとした時、いずれ
の場合にでも再点弧可能な電圧を、インバータスイッチ
ング素子よりも出力側でかつ装置出力端子の直近に印加
しているため、浮遊インピーダンスによる影響を受けず
に速やかに再点弧が行われるので、従来に比較し溶接欠
陥の無い均一な健全な溶接継ぎ手を簡便に作成できる。
したがって本発明は、溶接作業の能率を向上させる事の
できる極めて工業的に価値の高いアーク溶接用交流矩形
溶接電源供給装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の交流矩形波溶接電源供給
装置を示す回路図である。 第２図は、矩形波交流によるアークの変化と溶滴の移行
の一例を表す拡大図であり、（イ）〜（チ）は矩形波交
流一サイクルの間の各時点の様子を示す。 第３図は、再点弧用印加電圧の無い場合にアーク切れが
発生したときの溶接電圧及び溶接電流の推移を示すタイ
ムチャートである。 第４図および第５図は、第１図に示す装置による溶接時
の溶接電圧及び溶接電流の推移を示すタイムチャートで
ある。 第６図は、第１図に示す装置の一変形例による溶接電圧
及び溶接電流の推移を示すタイムチャートである。 第７図は、従来の溶接態様における無負荷電圧とアーク
切れ回数の関係を示すグラフである。 第８図は、一般的な正弦波交流による溶接電源波形36と
溶接時にこれによって電極／母材間に表われる溶接電圧
波形37を示すタイムチャートである。 １〜4:インバータスイッチング素子（インバータ） ５−ａ〜５−d:フライホールダイオード 6:再点弧電圧昇圧用変圧器、7:整流器 8:平滑用コンデンサ、9:電流制限用抵抗器 10:半導体スイッチング素子、11:逆電圧阻止用ダイオー
ド 12:タイミング回路及び増幅回路（６〜12:印加回路） 13,14:前置増幅器、15:発振器 16a,16−ｂ〜16−i:消耗電極（電極） 17:アーク、18:母材（被溶接物） 19:出力端子、20:直流電源装置 21−ａ〜21−f:溶接アークフレーム 22:電極が正極時にアーク切れが発生した場合の無負荷
電圧値 23−a,23−b,23−c,23−d:電極が正極時の場合の溶接電
圧値 24:電極が負極に転極した時に再点弧した場合の電圧波
形 25−a,25−b,25−c,25−d:電極電位が負極時の溶接電圧
値 26−a,26−b:電極が正極時の溶接電流値 27−a,27−b:電極が負極時の溶接電流値 28−a,28−b,28−c:再点弧電圧値 29−a,29−b,29−c,29−d:溶接電圧波形 30−a,30−b:溶接電流波形 31−a,31−b:インバータスイッチング素子のオン付勢信
号 32,33:再点弧用電源電圧波形、34−a,34−d:再点弧電圧
値 35−a,35−b:制限抵抗器９により電位降下した電圧値 36:正弦波交流電圧波形、37:溶接電圧波形 38:無負荷電圧がアーク放電開始に至るまでの期間 39−a:アーク点弧電圧値、39−b:アーク再点弧電圧値 40:アークの自己保持特性又は溶接用リアクトルにより
アークが保持されている期間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長友 和男 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新 日本製鐵株式会社第２技術研究所内 (72)発明者 市村 治通 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新 日本製鐵株式會社第２技術研究所内 (56)参考文献 実開 昭51−71828（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接用電源供給装置の出力側に、消耗電極
   式アーク溶接機の電極に出力端が接続したインバータを
   有する、消耗電極式アーク溶接用交流矩形波溶接電源装
   置に於いて、 前記インバータの出力端と電極を結ぶ結線に出力端が接
   続された逆電圧阻止用ダイオードを有し、溶接開始時あ
   るいは溶接時に於ける電極の電位が被溶接物に対し正極
   の期間のみあるいは電極の電位が被溶接物に対し零ない
   しは負極から正極に転極する時に、アーク点弧あるいは
   再点弧するに必要な電圧値以上の高電圧を前記逆電圧阻
   止用ダイオードを通して電極に印加する電圧印加回路を
   備えることを特徴とする消耗電極式アーク溶接用交流矩
   形波溶接電源装置。