JP3203123U - 誘導放電アーク再点弧及び安定化回路 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク溶接の施行に関して、アークを再点弧及び安定化させるためのシステムを提供する。【解決手段】システムは、正期間及び負期間を含む出力波形を提供する出力システム１２０を含む。正期間は、負期間への移行の前に正の減衰期間を含み、負期間は正期間への移行の前に負の減衰期間を含む。当該システムは、少なくとも１つのインダクタ１４５を含む誘導放電及び安定化システム１４０をさらに含む。少なくとも１つのインダクタ１４５は、正期間から負期間への移行の期間及び負期間から正期間への移行の期間に電極とワークピースとの間でアークを再点弧する。少なくとも１つのインダクタ１４５は正期間の少なくとも一部及び負期間の少なくとも一部の間にアークを安定させる安定化電流も提供する。【選択図】図２

Description

特定の実施形態はアーク溶接の施工に関する。より具体的には、特定の実施形態は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接のうちのいずれかの施工のためのシステム及び方法において誘導放電（inductive discharge）を用いてアークの起動を制御することに関する。

一部のアーク溶接システムでは、アークを非接触起動及び再点弧する手段（means of non-contact arc initiation and re-ignition）を溶接機が必要とする。例えば、溶接電源は、電極からワークピースまでの間隙を埋めるのに役立つ高周波点弧回路（コンデンサ放電回路又はスパークギャップタンク回路等）を含み得る。交流モードで溶接を行う場合、アークの安定性が問題となる。何故なら、極性が切り替わる際に波形がゼロ電流を経由するたびにアークが再点弧されないかもしれないという可能性があるためである。実際に、ゼロ移行（zero transition）の間にアークが消えるのを防ぐのはほぼ不可能である。一般的なアーク電圧は通常３０ボルト未満であり、全ての状況下でアークを確実に維持するにはより高い電圧が必要になる。プロセスによっては、必要な電圧は最大で１００ボルト以上になる場合がある。一般的なシステムでは、溶接回路の様々な受動素子、例えば出力チョークによって高圧が一時的に供給されるが、それらの高圧は電源の開回路電圧（ＯＣＶ）に通常制限される。前で解説したように、ＡＣ溶接は特別なケースである。何故なら、極性が反転するたびにアークが消弧され、電源のＯＣＶはアークを再び確立するのに十分でないことが一般的だからである。アークを維持するためには、電源のＯＣＶは１００ボルトの高圧でなければならない。しかしながら、逆の極性では、アークを再び確立するのに約５０ボルトのＯＶＣに加えて出力チョークからの任意の電圧しか存在しない。この電圧は多くの場合アークを再び確立するのに十分ではない。従って、溶接波形がゼロ移行を経た後でアークを再点弧する手段を提供することが課題となっている。そのために、波形が逆の極性に移行するときに溶接負荷にわたって高圧を課して高温のイオン化ガスを再点火する方法が多く存在する。

例えば、ＡＣ波形の極性が変わるたびに高周波点弧回路をオンにすることができる。高周波点弧回路は、アークを起動するために電極とワークピースとの間で火花を生成する高圧高周波パルスをもたらす。高周波点弧回路はアークを再点弧する信頼性のある方法である。しかしながら、これらの高周波点弧回路からの電子ノイズは、現代の溶接電源の電子部品や近傍又は作業場に存在する他の高感度機器にダメージを与え得る。他の方法は、極性が切り替わったときにアークを再び確立するために重畳又はセンタータップチョークを含む。これらの方法では高圧高周波パルスを用いないため、高感度電子部品は電子ノイズによるダメージを受け難い。しかしながら、極端な状況では、溶接プロセスで「ポップアウト（pop out）」、即ちアークが再点弧されないことが依然として起こり得る。また、センタータップチョーク回路のエネルギーが放出されると、プロセスはエネルギーが再び溜まるまで待つ必要がある。重畳回路及びセンタータップチョーク回路に関する追加の情報は、特許文献１にある。特許文献１は、参照により本願に背景資料として全体的に組み込まれる。

上記に加えて、先行技術の方法は低電流安定性及び波形の平滑化を提供しない。アークの物理的性質は、溶接する材料、溶接溜まりのサイズ、入熱等の特性による影響を受け、アークの電圧又は長さが大幅に大きくなり得る。そのような場合、アークの維持に必要な電圧は、電源によって提供される電圧を瞬時に上回り、アークが消弧してしまう。

本願の残りの部分に記載の本考案の実施形態と、従来のアプローチ、既存のアプローチ及び提案されているアプローチとを図面を参照しながら比較することにより、それらのアプローチのさらなる限界やデメリットが当業者に明らかになる。

米国特許第７３８５１５９号明細書

波形がゼロ移行を経た後にアークを再点弧する手段を提供するために、本考案は請求項１に記載のシステムを提案する。本考案の実施形態は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接のうちのいずれかの施工のためのシステム及び方法において誘導放電を用いてアークの起動を制御することを含む。当該システムは、正期間及び負期間を含む出力波形を提供する出力システムを含む。正期間は、負期間への移行の前に正の減衰期間を含み、負期間は正期間への移行の前に負の減衰期間を含む。当該システムは、少なくとも１つのインダクタを含む誘導放電及び安定化システムをさらに含む。少なくとも１つのインダクタは３００マイクロヘンリ〜９００マイクロヘンリであることが好ましい。少なくとも１つのインダクタは、正期間から負期間への移行の期間及び負期間から正期間への移行の期間に電極とワークピースとの間でアークを再点弧する。少なくとも１つのインダクタは、正期間の少なくとも一部及び負期間の少なくとも一部の間にアークを安定させるために安定化電流も提供する。当該システムは、正の減衰期間及び負の減衰期間を円滑にするためにスナバ回路をさらに含み得る。スナバ回路は５００〜１５００マイクロファラッドのコンデンサを含むことが好ましい。

本考案に係る方法は、出力波形を電極及びワークピースの一方に提供することを含む。出力波形は正期間及び負期間を含む。正期間は、負期間への移行の前に正の減衰期間を含み、負期間は正期間への移行の前に負の減衰期間を含む。当該方法は、少なくとも１つのインダクタを提供することと、正期間から負期間への移行の期間及び負期間から正期間への移行の期間に電極とワークピースとの間でアークを再点弧するよう少なくとも１つのインダクタを制御することとを含む。少なくとも１つのインダクタは、正期間の少なくとも一部及び負期間の少なくとも一部の間にアークを安定させるために安定化電流を提供する。

当該方法は、誘導放電及び安定化回路を提供して、アークを起動及び／又は再点弧し、ＡＣ及びＤＣの双方での低電流動作の間にアークの安定化をもたらすことも含む。当該方法は、誘導放電回路のインダクタの充電を観察して充電の状態を判断すること及びその状態に基づいて少なくとも誘導放電回路を制御することをさらに含み得る。当該方法は、正の減衰期間及び負の減衰期間を円滑にするためにスナバ回路をさらに含み得る。スナバ回路は５００〜１５００マイクロファラッドのコンデンサを含むことが好ましい。

本考案の他の例示の実施形態は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接のうちのいずれかの施工のためのシステム及び方法で用いる電源を含む。当該電源は、電圧波形及び電流波形の少なくとも一方を提供するように構成された出力回路を含む。当該電源は、ゼロ移行の間にアークを再点弧し、低電流作業の間にアークの安定性をもたらすアーク再点弧及び安定化回路も含む。電源は、少なくとも再点弧及び安定化回路に作動的に接続された制御ユニットをさらに含む。制御ユニットは再点弧インダクタの少なくとも充電を観察及び制御するように構成されている。制御ユニットは電圧又は電流波形を制御するようにも構成できる。

本考案のこれらの及び他の特徴に加えて、例示の実施形態の詳細は下記の説明及び図面からより十分に理解できる。

添付の図面を参照しながら本考案の例示の実施形態を詳細に説明することで、本考案の上記の及び／又は他の態様がより明らかになる。
図１は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接のうちのいずれかの施工のためのシステムの例示の実施形態の概略機能ブロック図を示す。 図２は、図１のシステムで使用可能な、アーク再点弧及び安定化回路を有する例示の電源を示す。 図３は、図２の電源の再点弧及び安定化回路からの例示の出力溶接波形及び例示のインダクタ電流を示す。 図４Ａ〜図４Ｅは、フルブリッジ動作を用いる図２の例示の電源の動作を示す。 図５Ａ〜図５Ｅは、ハーフブリッジ動作を用いる例示の電源の動作を示す。 図６は、図５Ａ〜図５Ｅの再点弧及び安定化回路からの例示の出力溶接波形及び例示のインダクタ電流を示す。

添付の図面を参照しながら本考案の例示の実施形態を以下で説明する。説明する例示の実施形態は本考案の理解を助けることを意図したものであり、本考案の範囲を限定することを何ら意図したものではない。全体を通して同様の参照符号は同様の要素を表す。

図１は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接のうちのいずれかの施工のためのシステム１００を示す。システム１００は溶接電源８０を含む。溶接電源８０は適切なＡＣモジュールを備えるチョッパーベースの電源（chopper based power supply）又はインバータ型の電源であり得る。電源８０の一般構成は、本明細書に記載の解説を除いて当該技術分野で既知なものであり、既知の一般構成についてのさらなる解説は簡潔性のために省略する。そのような電源の一例としては、リンカーン・エレクトリック社（オハイオ州クリーブランド）製のＰｏｗｅｒ Ｗａｖｅ（登録商標）Ｓ３５０が挙げられる。

電源８０は、所望の溶接作業に特化した異なる相乗プログラムを選択するようにセレクタスイッチ８２がプログラム可能な状態ベース（state-based）のプログラマブルコントローラであり得る。例えば、図１に示すように、セレクタスイッチ８２により選択可能な特定の相乗プログラムは、例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）等のプロセスを行うためのプログラムを含み得る。それに加えて、相乗プログラムは、そのようなプロセス（例えば、ＡＣパルス、交流ＴＩＧ、直流ＴＩＧ、交流表面張力移行（ＳＴＴ）等）で使用される特定の溶接波形タイプのためのプログラム、様々なアークスタート法（例えば、タッチスタート、高周波スタート等）のためのプログラム、特定の消耗電極の直径（例えば、０．０３５、０．０４５等）のためのプログラム、特定の溶接材料の種類（例えば、スチール、アルミニウム等）のためのプログラム及びその組み合わせ（例えば、「０．０４５スチール交流パルス」、「高周波スタートを用いる交流ＴＩＧ」、「０．０３５交流ＳＴＴ」等）を含み得る。しかしながら、本明細書では、明確性のために本考案を溶接施工に関連して、より具体的にはＧＴＡＷの施工に関連して説明するが、本考案は、ろう付け、クラッディング、上盛り、充填、表面硬化肉盛、溶接及び接合のうちのいずれかの施工に関する交流及び直流用途のいずれにも適用できる。

図１に示すように、電源８０は、トーチ１０内に収容された電極２０に作動的に接続されている。電源８０及び電極２０は、ワークピース５０を加熱するアーク３０を生成する。任意のワイヤ送給システム（図示せず）はフィラーワイヤ４０を送給し、アーク３０により生成された溶融溜まりにフィラー材を提供する。図２に示すように、電源８０はＤＣ電源１１０及び出力回路１２０を含む。出力回路１２０はＤＣ電源１１０の出力を受信し、それを溶接波形信号に変換する。例えば、出力回路１２０はＤＣ電源１１０から１００ボルトのＤＣ出力を受信し、それを図３に示すＡＣ矩形波電流溶接波形信号に変換する。出力回路１２０は電源８０に組み込んでもよいし電源８０の外部にあってもよい。当然ながら、本考案は矩形波に限定されず、三角波、正弦波等の他の種類の波形を用いることも可能である。それに加えて、出力波形は電流波形に限定されず、（例えば、電力特性又は他の電圧／電流特性に基づいて）電圧波形又は他の波形を用いることができる。また、出力回路１２０は図２に示すフルブリッジ動作に限定されず、本考案は図５Ａ〜図５Ｅに示すようにハーフブリッジ構成でも実施可能である。

図２に示すように、スイッチ１２１〜１２４はフルブリッジ回路を形成する。フルブリッジ回路は、スイッチの構成に基づいて電極ＥからワークピースＷに又はワークピースＷから電極Ｅに電流が流れるようにする。例えば、スイッチ１２１及び１２４がオン（閉）で、スイッチ１２２及び１２３がオフ（開）の場合、ＤＣ電源１１０からの電流は電極Ｅに流れ、その後アーク３０（図１参照）を通じてワークピースＷに流れる（電極プラス構成）。スイッチ１２２及び１２３がオン（閉）で、スイッチ１２１及び１２４がオフ（開）の場合、ＤＣ電源１００からの電流はワークピースＷに流れ、その後アーク３０を通じて電極Ｅに流れる。スイッチ１２１〜１２４は、ＩＧＢＴ等の固体スイッチであり得る。ＬＯＡＤは、例えば溶接リード等の外部の溶接セットアップを含む電源８０の出力インダクタンス及び抵抗を表す。

出力回路１２０はダイオード１３１及び高圧アクティブスナバ１３３も含む。スナバ１３３は２つの機能を果たす。第一に、スナバ１３３は、回路内の電流のために代替経路を提供することによって出力回路１２０に過電圧保護を提供する。例えば、ダイオード１３１への入力における電圧が４００ボルトを上回る場合は、出力回路１２０がスナバの貯蔵庫（snubber reservoir）にエネルギーを消散させるようにするために、高圧スナバ１３３を例えば４００ボルトに設定することができる。過電圧保護に加えて、高圧スナバ１３３は、溶接波形がある極性から別の極性に切り替わる場合に溶接電極を素早く減衰させる役割を果たす。切り替えプロセスについては後でさらに説明する。

出力回路１２０は、ダイオード１４１〜１４３と、再点弧インダクタ１４５と、充電スイッチ１４７と検知レジスタ１４９をと含むアーク再点弧及び安定化回路１４０をさらに含む。充電スイッチ１４７がオン（閉）の場合、再点弧インダクタ１４５にエネルギーが蓄積される。インダクタ１４５がいつ所望のレベルに充電されたかを示すために、検知及び制御回路１８０により検知レジスタ１４９全体の電圧を観察できる。スイッチ１４７がオフ（開）の場合、インダクタ１４５を流れる電流はダイオード１４２を通じて（スイッチ１２１〜１２４の構成に応じて）電極Ｅ又はワークピースＷのいずれかに向けられアーク３０を再点弧し、そしてアーク３０の安定性を維持するのを助ける。ダイオード１４３は、電流減衰の間に（例えばＩＧＢＴ（スイッチ）であり得る）スイッチ１４７内の逆並列ダイオードにより「フリーホイーリング」を防ぐ逆流防止ダイオードである。そのようなフリーホイーリングを許容すると、高圧スナバの周りに代替的な低圧経路がもたらされ、減衰速度が遅くなり得る。

電源８０の例示の動作を、例示の溶接波形、例えば電流波形との関連で説明する。図３に示すように、例示の電流溶接波形２００、即ちＩ_ＷＥＬＤはセグメント２０１〜２０４を有する矩形波である。アーク３０が（初めてか又は再点弧のいずれかで）確立された後、電源８０から出力された溶接波形２００はその正パルス期間（セグメント２０１）に入る。図４Ａに示すように、この期間の間スイッチ１２１及び１２４はオン（閉）であり、スイッチ１２２及び１２３はオフ（開）である。そのため、ＤＣ電源１００の出力からの電流Ｉ_ＷＥＬＤはダイオード１４１及びスイッチ１２１を通って電極Ｅに流れる。電流Ｉ_ＷＥＬＤに加えて、インダクタ電流Ｉ_Ｌ（図４Ａ及び図３の波形２５０参照）はダイオード１４３及びスイッチ１２１を通ってインダクタ１４５から電極Ｅに流れる。これらの電流（Ｉ_ＷＥＬＤ及びＩ_Ｌ）は電極Ｅからアーク３０を通じてワークピースＷに流れ、その後スイッチ１２４を通じて電源１００に戻る。

インダクタ電流Ｉ_Ｌは、インダクタ１４５に蓄積されたエネルギーの放電を表す。即ち、図３のセグメント２５１が示すように、インダクタ１４５内のエネルギーによってアーク３０が最初に確立されるか又は再点弧されると、波形２００の正パルス期間（セグメント２０１）の間にインダクタ１４５に蓄積された残りのエネルギーがアーク負荷に印加される。インダクタ電流Ｉ_Ｌ（即ち、セグメント２５１）は、ダイオード１４１とインダクタ１４５とダイオード１４２とにより確立される並列経路の間で到達される平衡によって決定付けられる最低電流に低下する。インダクタを流れる最低（定常ＤＣ）電流は次の通りである。

Ｉ_ｉｎｄ＝（Ｖ_Ｄ１４１−Ｖ_Ｄ１４２）／Ｒ_{ＤＣｉｎｄ}
Ｖ_Ｄ１４１とそれ故にＩ_ｉｎｄとは溶接電流と共に増加する。値は、コイルのＤＣ抵抗値によって受動的に制限され、一般的には定格出力範囲で１Ａ〜２０Ａである。

インダクタ電流Ｉ_Ｌ（即ちセグメント２５１）は、特に低電流溶接作業の間にアーク３０を安定させるのに役立つ。従って、再点弧インダクタ１４５は、アーク３０を再点弧するのに十分なエネルギーを蓄積すること共に、溶接波形２００がセグメント２０１の最後に到達する時までに蓄積された残りのエネルギーが放出されるようなサイズに構成される。一般的な再点弧回路では、インダクタ１４５は３００〜９００マイクロヘンリであり得る。例えば、インダクタ１４５の値は約５００マイクロヘンリであり得る。当然ながら、これらのインダクタの値に限定されず、溶接プロセスに応じてインダクタ１４５の値を他の値にすることができる。

正パルス期間（セグメント２０１）の最後に、溶接波形２００の極性が切り替わり、負パルス期間（セグメント２０３）になる。しかしながら、極性変化の前に、電流Ｉ_ＷＥＬＤは先ずゼロに減衰しなければならず、その時にアーク３０が消弧し再点弧しなければならない。溶接プロセスが途切れるのを最小限に抑えるために、溶接電流Ｉ_ＷＥＬＤの減衰（セグメント２０２参照）及びアーク３０の再点弧はできるだけ素早く生じる必要がある。しかしながら、溶接システム内で蓄積された誘導エネルギーを先ず消散しなければならないため、溶接システム内のインダクタンス、例えば溶接リードにおけるインダクタンスは溶接電流の減衰を長引かせる傾向にある。

図４Ｂに示すように、この減衰を速めるために、検知及び制御ユニット１８０は、電流Ｉ_ＷＥＬＤがダイオード１３１により方向転換され、その後に高圧アクティブスナバ１３３に向かわせるようにスイッチ１２１〜１２４を制御する。即ち、正パルス期間の最後に、図４Ｂに示すようにスイッチ１２２及び１２３の逆並列ダイオードにより電流Ｉ_ＷＥＬＤがスナバの貯蔵庫に向かうように経路を再変更するためにスイッチ１２２及び１２３がオン（閉）にされ、スイッチ１２１及び１２４をオフ（開）にされる。スナバ１３３によって課された高圧（例えば４００ボルト）はアークのエネルギーを枯渇させ、溶接電流を素早く減衰させる（図３の波形２００のセグメント２０２参照）。一部の実施形態では、スナバ１３３はコンデンサであり、ケーブルのインダクタンス及び切り替え閾値に応じて５００〜１５００マイクロファラッドの範囲であり得る。例えば、一般的なスナバコンデンサは約１０００マイクロファラッドであり得る。スナバコンデンサは、溶接ケーブルによって蓄積されたエネルギーを吸収し、結果として生じる電圧の上昇を抑えるようなサイズに構成される。ケーブルのエネルギーの全てがスナバに吸収されると仮定すると、ゼロ交差毎の電圧上昇は次のようになる。

Ｖ_{ｉｎｃｒｅａｓｅ}＝Ｉ_{ｓｗｉｔｃｈ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}（Ｌ_{ｃａｂｌｅ}／Ｃ_{ｓｎｕｂｂｅｒ}）^−０．５
当然ながら、エネルギーの一部はスイッチで失われるか又は他の素子によって吸収されゼロ交差時又はゼロ交差の後で再度アークに印加される。

電流Ｉ_ＷＥＬＤがゼロに減衰する期間の間、アーク３０の再点弧を準備するために検知及び制御ユニット１８０もインダクタ１４５を充電する。そのため、アーク電流が減衰する間にそのエネルギーを失う従来のセンタータップチョーク回路とは異なり、本考案では、電流Ｉ_ＷＥＬＤが減衰する間にエネルギーを方向転換させてインダクタ１４５を充電する。インダクタ１４５を充電するために、図４Ｂに示すように、インダクタ１４５を充電するのにＤＣ電源１００の出力が用いられるように検知及び制御ユニット１８０はスイッチ１４７をオン（閉）にする。インダクタ１４５内の電流Ｉ_Ｌの大きさは、電源８０によって規制される値（一般に極性の切り替えが開始されたときの電流の値）に制限される。そのため、インダクタ電流がプロセスによって制御される。しかしながら、一部の実施形態では、例えば、レジスタ１４９全体の電圧Ｖを測定し、その測定に基づいて特定の行動を取ることによって電流Ｉ_Ｌを観察することでインダクタ１４５の充電を所望の最大値に限定できる。例えば、検知及び制御回路１８０はレジスタ１４９全体の電圧を観察し、その電圧が所定の値に達した場合にスイッチ１４７をオフ（開）にすることができる。それに加えて（又はあるいは）、スイッチ１４７を所定の充電時間が経過した後でオフ（開）にすることができる。アーク電流Ｉ_ＷＥＬＤの放電及びインダクタ１４５の充電は、例えば±１０μ秒内（±１００μ秒まで拡大できる）で同時に完了する。

インダクタ１４５が十分に充電された後、検知及び制御ユニットはスイッチ１４７をオフ（開）にする。インダクタ１４５は蓄積されたエネルギーがある限り電流の流れを維持しようと試みるため、インダクタ１４５は、電流Ｉ_Ｌがダイオード１４２を通じて、そしてブリッジ回路のスイッチ１２１及び１２４によりＬＯＡＤに通してＤＣ電源１１０に戻るようにするよう試みる。しかしながら、ゼロ交差によってアーク３０が消弧しているため、電流経路に間隙が、即ち、電極ＥとワークピースＷとの間に間隙が存在する。電流経路が断絶されているため、インダクタ１４５の出力電圧は、アーク３０を再び確立するために間隙に亘って火花を生じさせるレベルに上昇する。即ち、ワークピースＷにおける電圧は、ワークピースＷと電極Ｅとの間で火花を生成するのに必要な値に上昇する。火花が形成されると、電流経路及びアーク３０が再び確立される。スナバ１３３は、電圧が高くなりすぎた場合にインダクタ電流のために経路を提供することで回路に過電圧保護を提供する。例えば、スナバ１３３が４００ボルトに構成された場合、間隙全体での電圧は４００ボルトに制限される。何故なら、４００ボルトを超える電圧は、電流がダイオード１３１を通りインダクタ１４５からスナバ１３３に流入させるようにするからである。

図４Ｃに示すように、再点弧段階の間、検知及び制御ユニット１８５はスイッチ１２１〜１２４をそれらの前の状態で、即ち、スイッチ１２１及び１２４がオフ（開）でスイッチ１２２及び１２３がオン（閉）の状態で維持する。従って、アーク３０が再点弧されると、インダクタ電流Ｉ_Ｌは前で解説した正パルスの方向とは反対の方向に、即ち、電流はワークピースＷから電極Ｅに流れる。スイッチ１２１〜１２４は、既に波形２００の負パルス期間（セグメント２０３）に適切な状態にあるため、アーク３０（故に電流経路）が確立されると電流Ｉ_ＷＥＬＤは直ちにＤＣ電源１１０から流れ始める。即ち、図４Ｄに示すように、アーク３０がインダクタ１４５によって再点弧されると、波形２００は負パルス期間（セグメント２０３）に入り、電流Ｉ_ＷＥＬＤがワークピースＷから電極Ｅに流れる。負パルスの間の出力回路１２０の動作は正パルスに関して前で解説したものと同様である。正パルス期間の場合と同様に、アーク３０が確立されるとインダクタ１４５で蓄積された残りのエネルギーがアーク負荷に適用され、インダクタ電流Ｉ_Ｌは、特に低電流溶接作業の間にアーク３０を安定させるのに役立つ（図３のセグメント２５２参照）。

前で解説した正パルスの場合と同様に、溶接波形２００が負パルス期間（セグメント２０３）の最後にいくと、検知及び制御ユニット１８０は、極性を切り替えるために電流Ｉ_ＷＥＬＤが素早くゼロに減衰するようスイッチ１２１〜１２４を制御する。図４Ｅに示すように、検知及び制御ユニット１８０は、電流Ｉ_ＷＥＬＤがスイッチ１２１及び図１２４の逆並列ダイオードを通じてスナバ１３３に移動するようにスイッチ１２１及び１２４をオン（閉）にし、スイッチ１２２及び１２３をオフ（開）にする。それに加えて、正パルスに関して前で解説したように、負パルスの減衰が起こっている間、検知及び制御ユニット１８０はインダクタ１４５を充電するためにスイッチ１４７をオンにする。インダクタ１４５が充電され、電流Ｉ_ＷＥＬＤがゼロに減衰した後、溶接波形は前で解説したように正パルス期間（セグメント２０１）に入る。

上記の例示の実施形態では、出力回路でフルブリッジ動作を用いる。しかしながら、本考案はフルブリッジ動作に限定されず、図５Ａ〜図５Ｅに示すようにハーフブリッジ構成でも使用可能である。図５Ａ〜図５Ｅに示すように、出力回路３２０は、インバータベースの電源であり得るＤＣ電源３１０の出力を受け取る。ＤＣ電源３１０は、ハーフブリッジ回路のスイッチ３２１及び３２２の構成に基づいて、電流が正の整流器からセンタータップへ又はセンタータップから負の整流器に流れるようにセンタータップ構成を有する。出力回路は、インダクタ３４５Ａ及び３４５Ｂを含むアーク再点弧及び安定化回路３４０を含む。インダクタ３４５Ａ及び３４５Ｂは連結インダクタであり、それらの動作については後で解説する。アーク再点弧及び安定化回路３４０は、ダイオード３４１〜３４３と共にインダクタ３４５Ａ及び３４５Ｂの放電／充電動作を制御するスイッチ３４７も含む。出力回路３２０は、スナバ３３３及びダイオード３３１を有するスナバ回路も含む。前で解説したフルブリッジ回路の場合と同様に、出力回路３２０及びＤＣ電源３１０は１つの電源に組み込んでもよいし、別々の構成要素であってもよい。それに加えて、出力波形は三角波形、正弦波、矩形波等の任意の所望の波形でよい。例えば、出力波形は図６に示す波形４００であってもよい。出力回路３２０の構成要素の機能は、フルブリッジ回路に関して前で解説したものと同様であり、簡潔性のために関連する差異のみを解説する。

図５Ａに示すように、波形４００の正パルス期間（図６のセグメント４０１）の間は、スイッチ３２１がオン（閉）でスイッチ３２２がオフ（開）になっている。そのため、インダクタ３４５Ａによってアーク３０が再び確立されると、電流Ｉ_ＷＥＬＤはＤＣ電源３１０の正の整流器からスイッチ３２１、電極Ｅ、ＬＯＡＤを通り、その後ワークピースＷを通ってＤＣ電源３１０のセンタータップに流れる。この間、インダクタ３４５Ａは蓄積されたエネルギーを放電し、電流Ｉ_ＬＡ（図６のセグメント４５１）もダイオード３４１、スイッチ３２１、電極Ｅを通り、その後ワークピースＷを通ってＤＣ電源３１０のセンタータップに流れる。フルブリッジ回路の場合と同様に、インダクタ電流Ｉ_ＬＡは低電流溶接作業の間にアーク３０を安定させるのに役立つ。

正パルス期間（セグメント４０１）の最後に、溶接波形４００の極性が切り替わり、正の減衰期間（セグメント４０２）を経て負パルス期間（セグメント４０３）に移る。正の減衰期間（セグメント４０２）を速めるために、図５Ｂに示すように、スイッチ３２１をオフ（開）に切り替え、スイッチ３２２（閉）をオンにすることにより溶接電流Ｉ_ＷＥＬＤがダイオード３３１を通じて方向転換されてスナバ３３３に流れる（電流Ｉ_ＷＥＬＤはスイッチ３２２の逆並列ダイオードを通る）。この間、連結インダクタ３４５Ａ及び３４５Ｂを充電するためにスイッチ３４７がオン（閉）にされる（図６のセグメント４５１参照）。

正の減衰期間（セグメント４０２）の最後に、波形４００が負パルス期間（セグメント４０３）に入るためアーク３０が消弧する。図５Ｃに示すようにスイッチ３４７がオフ（開）にされると、インダクタ３４５Ｂに蓄積されたエネルギーは電流をＤＣ電源４１０の負の整流器に再び戻すよう試みる。これがワークピースＷと電極Ｅとの間の間隙に亘ってアーク３０を再点弧させる火花を生じさせる。アーク３０が再点弧されると、電流Ｉ_ＬＢ（図６のセグメント４６１）がＤＣ電源４１０のセンタータップからワークピースＷ、ＬＯＡＤ、電極Ｅ、スイッチ３２２、ダイオード３４３及びインダクタ３４５Ｂを通りＤＣ電源４１０の負の整流器に流れる。図５Ｄに示すように、アーク３０（及び電流経路）が確立されると、溶接電極Ｉ_ＷＥＬＤもＤＣ電源４１０のセンタータップから負の整流器に流れる。

波形４００の負パルス期間（セグメント４０３）の最後に、波形が負の減衰期間（図６のセグメント４０４）に入る。図５Ｅに示すように、負の減衰期間の間、スイッチ３２１がオン（閉）にされ、スイッチ３２２がオフ（開）にされて、ダイオード３３１を流れる電流Ｉ_ＷＥＬＤがスイッチ３２１の逆並列ダイオードを通じてスナバ３３３に向けられる。この間、連結インダクタ３４５Ａ及び３４５Ｂを充電するためにスイッチ３４７がオン（閉）にされる。負パルス期間（セグメント４０４）の最後に、インダクタ３４５Ａによってアーク３０が再点弧され、前で解説したように波形が正パルス期間（セグメント４０１）に移行する。

上記の例示の実施形態を、溶接の施工、より具体的にはＴＩＧ溶接の施工に関して一般的に説明した。しかしながら、本考案はＴＩＧ溶接の施工に限定されず、アークが存在する限り他の溶接、クラッディング、ろう付け技術を含み得る。

特定の実施形態を参照しながら本考案を説明してきたが、当業者であれば本考案の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ、同等物に置き換えられ得ることが分かる。それに加えて、本考案の教示に特定の状況又は材料を適合させるために、本考案の範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられ得る。従って、本考案は開示した特定の実施形態に限定されず、本考案は添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図している。

１０ トーチ
２０ 電極
３０ 生成アーク
４０ フィラーワイヤ
５０ ワークピース
８０ 溶接電源
８２ セレクタスイッチ
１００ システム又は電源
１１０ 電源
１２０ 出力システム又は回路
１２１ スイッチ
１２２ スイッチ
１２３ スイッチ
１２４ スイッチ
１３１ ダイオード
１３３ スナバ
１４０ 安定化回路
１４１ ダイオード
１４２ ダイオード
１４３ ダイオード
１４５ インダクタ
１４７ 充電スイッチ
１４９ 検知レジスタ
１８０ 制御ユニット
２００ 波形
２０１ セグメント
２０２ セグメント
２０３ セグメント
２５０ 波形
２５１ セグメント
２５２ セグメント
３１０ 電源
３２０ 出力回路
３２１ スイッチ
３２２ スイッチ
３３１ ダイオード
３３３ スナバ
３４０ 安定化回路
３４１ ダイオード
３４２ ダイオード
３４３ ダイオード
３４５Ａ インダクタ
３４５Ｂ インダクタ
３４７ スイッチ
４００ 波形
４０１ セグメント
４０２ セグメント
４０３ セグメント
４０４ セグメント
４１０ 電源
４５１ セグメント
４６１ セグメント
Ｅ 電極
Ｗ ワークピース

Claims (8)

1. アーク溶接の施工でアークを再点弧及び安定化するためにシステムであって、
   正期間及び負期間を含む出力波形を電極及びワークピースの一方に提供する出力システムと、
   前記出力システムに作動的に接続され、少なくとも１つのインダクタを含む誘導放電及び安定化システムと、
   前記誘導放電及び安定化システムと、前記出力システムとに作動的に接続された制御ユニットと、
   を含み、
   前記正期間は、前記負期間への移行の前に正の減衰期間を含み、前記負期間は前記正期間への移行の前に負の減衰期間を含み、
   前記少なくとも１つのインダクタは、前記正期間から前記負期間への移行の期間及び前記負期間から前記正期間への移行の期間に前記電極と前記ワークピースとの間でアークを再点弧し、
   前記少なくとも１つのインダクタは、前記正期間の少なくとも一部及び前記負期間の少なくとも一部の間に前記アークを安定させるために安定化電流を提供する、システム。
2. 前記制御ユニットは、前記正の減衰期間及び前記負の減衰期間に前記少なくとも１つのインダクタが充電されるように前記誘導放電及び安定化システムを制御する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記出力システムは、前記正の減衰期間及び前記負の減衰期間を円滑にするためにスナバ回路を含み、前記少なくとも１つのインダクタが充電されているときに該スナバ回路を通じて前記アークのエネルギーが消散される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御ユニットは、前記少なくとも１つのインダクタの少なくとも充電状態を観察し、
   前記制御ユニットは、前記充電状態に基づいて前記少なくとも１つのインダクタの充電を制御する、請求項２又は３に記載のシステム。
5. 前記出力システムはフルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つのインダクタは第１のインダクタ及び第２のインダクタを含み、該第１のインダクタ及び該第２のインダクタは連結されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つのインダクタは３００マイクロヘンリ〜９００マイクロヘンリである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記スナバ回路は５００〜１５００マイクロファラッドのコンデンサを含む、請求項３に記載のシステム。