JP3704227B2

JP3704227B2 - パルスアーク溶接電源

Info

Publication number: JP3704227B2
Application number: JP18200997A
Authority: JP
Inventors: 常夫品田
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: JPH1128567A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスアーク溶接電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の消耗電極式パルスアーク溶接電源の外部接続図である。２は溶接電源１の電源部で、変圧器３により三相交流電源４の電圧を溶接に適した電圧に降圧し、ダイオード５およびコンデンサ６により整流・平滑して、端子Ａ，Ｂ間に直流出力を供給する。７、８はスイッチング素子、９、１０はダイオード、１１、１２はリアクタ、１３、１４は外部出力端子である。なお、リアクタ１２のインダクタンス値はリアクタ１１のインダクタンス値よりも大きい。１５はプラス側の出力ケーブルで、外部出力端子１３とワイヤ１６を接続している。１７はトーチ、１８は溶接負荷、１９は母材である。２０はマイナス側の出力ケーブルで、外部出力端子１４と母材１９を接続している。
【０００３】
以下、動作を説明する。ベース期間Ｔｂにはスイッチング素子７がＰＷＭ制御によりオン・オフされる。そして、オンの時には、電源部２から供給される直流出力により、ベース電流Ｉｂが端子Ａ→スイッチング素子７→リアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子１３→出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→母材１９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→端子Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアクタ１１、１２に蓄えられたエネルギにより、ベース電流Ｉｂがリアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子１３→出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→母材１９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→ダイオード９の順で還流する。なお、以下、上記の回路における外部出力端子１３から外部出力端子１４までを負荷Ｋという。
【０００４】
また、パルス期間Ｔｐにはスイッチング素子８がＰＷＭ制御によりオン・オフされる。そして、オンの時には、電源部２から供給される直流出力により、パルス電流Ｉｐが端子Ａ→スイッチング素子８→リアクタ１２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子１４→端子Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアクタ１２に蓄えられたエネルギにより、パルス電流Ｉｐがリアクタ１２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子１４→ダイオード１０の順で還流する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、上記従来のパルスアーク溶接電源により溶接をしたときの出力電流波形を示す図である。図から明らかなように、ベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行後の期間Ｔｕにおける電流の立上りは緩い傾斜になっている。このため、設定したパルス期間Ｔｐが期間Ｔｕよりも短いと、実際に溶接負荷１８に流れるパルス電流は設定したパルス電流よりも小さくなるために溶滴移行が不安定になり、溶接品質が低下する。また、パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行後の期間Ｔｄにおける電流の立下りも緩い傾斜になっている。このため、設定したベース期間Ｔｂが期間Ｔｄよりも短いと、実際に溶接負荷１８に流れるベース電流は設定したベース電流よりも大きくなるために溶滴移行が不安定になる。さらにベース期間Ｔｂにおいて、短絡したときの短絡電流が大きくなるためにスパッタの発生が多くなり、溶接品質が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、入熱制御を確実に行うことができ、溶接品質を向上させることができるパルスアーク溶接電源を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、パルス電流用のリアクタＰとベース電流用のリアクタＢとを出力回路に備え、溶接負荷にパルス電流Ｉｐとベース電流Ｉｂを交互に供給するようにしたパルスアーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、パルス期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、またベース期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続することにより解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る消耗電極式パルスアーク溶接電源の接続図である。なお、図８と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
３０はスイッチで、接点ｍ、ｎを閉じると接点ｒ、ｓが開き、接点ｒ、ｓを閉じると接点ｍ、ｎが開く。そして、接点ｍはスイッチング素子７の出力側に、接点ｒはスイッチング素子８の出力側にそれぞれ接続されている。３１はリアクタで、巻数Ｎｐの巻線ｐ、巻数Ｎｂの巻線ｂおよび１個の鉄芯ｆとからなり、巻線ｐと巻線ｂを鉄芯ｆに巻くことにより磁気的に結合させてある。そして、巻線ｂと鉄芯ｆとでリアクタＢを、また巻線ｐと鉄芯ｆとでリアクタＰを構成する。また、巻線ｂと巻線ｐの一方の端部は、それぞれに流れる電流により形成される磁束の向きが同一になるようにして出力回路に接続されている。
なお、リアクタＢの自己インダクタンスの値はＬｂ、リアクタＰの自己インダクタンスの値はＬｐである。
【０００９】
以下、動作を説明する。ベース期間Ｔｂには接点ｍ、ｎが閉じられる。そして、スイッチング素子７がチョッパ制御されることにより、ベース電流ＩｂがリアクタＢを介して外部負荷に供給される（以下、接点ｍ、ｎが閉じた時に形成される回路をベース電流回路という。）。また、パルス期間Ｔｐには接点ｒ、ｓが閉じられる。そして、スイッチング素子８がチョッパ制御されることにより、パルス電流ＩｐがリアクタＰを介して外部負荷に供給される（以下、接点ｒ、ｓが閉じた時に形成される回路をパルス電流回路という。）。
【００１０】
次に、本発明における電流波形を示す図２を参照しながら、過渡時の動作を説明する。パルス電流Ｉｐが流れるときにリアクタＰに蓄えられるエネルギーＥｐは１／２×Ｌｐ×Ｉｐ²であり、ベース電流Ｉｂが流れるときにリアクタＢに蓄えられるエネルギーＥｂは１／２×Ｌｂ×Ｉｂ²である。
【００１１】
パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行すると、パルス電流回路はダイオード１０よりもリアクタＰ側で遮断されるから還流回路は形成されず、リアクタＰに蓄えられていたエネルギーＥｐは総てリアクタＢに移行する。また、ベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行するときも同様に、リアクタＢにに蓄えられていたエネルギーＥｂは総てリアクタＰに移行する。したがって、リアクタＢとリアクタＰの結合係数をα（ただし、α≦１）とすると、下記の式１、２が成立する。なお、式１はパルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行する場合であり、式２はベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行する場合である。また、自己インダクタンスは略巻数の２乗に比例するから、下記の式３が成立する。そして、式１と式３とから下記の式４が、また、式２と式３とから下記の式５が得られる。
【００１２】
α×１／２×Ｌｐ×（Ｉｐ）²＝１／２×Ｌｂ×（Ｉｂ）²……式１
α×１／２×Ｌｂ×（Ｉｂ）²＝１／２×Ｌｐ×（Ｉｐ）²……式２
Ｌｐ＝Ｌｂ×（Ｎｐ／Ｎｂ）²……式３
Ｉｂ＝Ｎｐ／Ｎｂ×Ｉｐ×√α ……式４
Ｉｐ＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉｂ×√α ……式５
上記の式５から明らかなように、ベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行した時、ベース期間Ｔｂの最終的な電流がＩｂ₀であった場合、パルス期間Ｔｐのパルス電流は直ちにＩｐ₀（＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉｂ₀×√α）に上昇する。また、上記の式４から、パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行する際、パルス期間Ｔｐの電流がＩｐになっていた場合、ベース電流は直ちにＩｂに下がる。
【００１３】
図３は実際の電流波形を示す写真で、Ｉｐ＝５５０Ａ，Ｉｂ＝９０Ａ，Ｔｐ＝１．６ｍ秒、Ｔｂ＝１．６ｍ秒の場合である。写真から明らかなように、電流の立上りおよび立ち下がりの傾斜は急であり、従来技術における期間Ｔｕおよび期間Ｔｄをほぼ０にすることができたことが分かる。
【００１４】
図４は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、図１と同じものあるいは同一機能のものは同一の符号を付してある。３２はダイオードである。この実施例は、スイッチング素子７、８とダイオード９、１０、３２を組み合わせることにより、上記第１の実施の形態におけるスイッチ３０に代えたものである。すなわち、ベース期間Ｔｂはスイッチング素子８を開いた状態でスイッチング素子を７チョッパ制御する。また、パルス期間Ｔｐはスイッチング素子８を閉じた状態でスイッチング素子７をチョッパ制御する。なお、パルス期間Ｔｐにおいては、巻線ｐを流れる電流により巻線ｂには逆バイアスが加わる結果、ダイオード３２のカソード側の電圧がアノード側の電圧よりも高くなるため、ダイオード３２は非導通になり、上記第１の実施の形態におけるパルス電流回路と同一になる。
【００１５】
なお、パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行する際の電流の立ち下がりおよびベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行する際の電流の立ち上がりは上記第１の実施の形態と全く同じであるから、説明を省略する。
【００１６】
図５は本発明の上記第２の実施の形態の変形例を示す図であり、図１、４と同じものあるいは同一機能のものは同一の符号を付してある。図で、５１はインバータ、５２は変圧器、５３はダイオードである。ここで、同図で点線で囲んだ部分の動作を説明すると、インバータ５１により入力される直流電圧を交流電圧に変換し、変圧器５２でこの交流電圧を溶接に適した電圧に変換してダイオード９、１０、３１、５３からなる整流回路で整流する。この結果、出力端Ｊ，Ｂに出力される出力は上記第２の実施の形態におけるスイッチング素子７と実質的に同一になる。パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行する際の電流の立ち下がりおよびベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行する際の電流の立ち上がりは上記第１の実施の形態と全く同じであるから、説明を省略する。
【００１７】
なお、この変形例の場合、パルス期間Ｔｐとベース期間Ｔｂにおける変圧器５２の巻き数を変えるようにしてあるから、パルス電流Ｉｐおよびベース電流Ｉｂの電流波形をいずれもリップルが小さい平坦な波形にすることができる。また、変圧器５２の端子のうち端子ａ、端子ｅを設けず、端子ｂ、端子Ｂ、端子ｄだけとし、図中の接続点Ｊを接続点Ｋに接続してもよい、なお、このようにすると、上記第２の実施の形態とほぼ同一になる。
【００１８】
ところで、巻数Ｎｐ、Ｎｂは固定である。したがって、上記式４、５から明らかなように、パルス電流Ｉｐの値を決めると、ベース電流Ｉｂの値は決まった値になり、大きさを変えることはできない。そこで、巻数比Ｎｐ／Ｎｂを変えたリアクタＰおよびリアクタＢを複数組設けておき、溶接条件（例えば大電流で溶接する場合と小電流で溶接する場合）に応じて接続を変更するようにしても良い。
【００１９】
図６はリアクタ３１の変型例を示す図であり、図１における巻線ｂと巻線ｐの接続位置を変更したものである。すなわち、ベース電流Ｉｂは巻線ｂ１と巻線ｂ２（すなわち巻線ｐ）の両者を流れ、パルス電流Ｉｐは巻線ｐ（すなわち巻線ｂ２）を流れる。このようにすると、巻線ｐと巻線ｂの磁気的な結合度合いを図１に示したものに比べて向上させることができる。
【００２０】
図７はリアクタ３１の他の変型例を示す図であり、図６における巻線ｐを巻線ｐ１と巻線ｐ２の２個にして並列に接続したものである。このようにすると、巻線ｐと巻線ｂの磁気的な結合度合いを図６に示したものに比べてさらに向上させることができる。
【００２１】
なお、巻線ｐと巻線ｂをエッジワイズ巻きにすると、磁気的な結合度合いを向上させることができる。また、少なくとも巻線ｐを複数の並列巻きにして、巻線ｐと巻線ｂを交互に配置するようにすると磁気的な結合度合いを向上させることができる。また、上記では鉄心を１個で説明したが、実質的に１個の鉄心であるいわゆる外鉄形の鉄芯構造にしてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス電流用のリアクタＰとベース電流用のリアクタＢとを出力回路に備え、溶接負荷にパルス電流Ｉｐとベース電流Ｉｂを交互に供給するようにしたパルスアーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線ｐとリアクタＢを構成する第２の線ｂを同一の鉄芯に巻き、パルス期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、またベース期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続したから、パルス期間Ｔｐからベース期間Ｔｂに移行する際およびベース期間Ｔｐからパルス期間Ｔｂに移行する際、溶接電流は直ちに予め設定したベース電流Ｉｂあるいは予め設定したパルス電流Ｉｐにすることができる。したがって、パルス期間Ｔｐあるいはベース期間Ｔｂが短い場合でも、適正な溶滴移行ができ、溶接品質を向上させることができる。また、ベース期間Ｔｂが短い場合でも、ベース期間Ｔｂにおいて短絡したときの短絡電流が小さくなることにより、スパッターの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る消耗電極式パルスアーク溶接電源の接続図である。
【図２】本発明における出力電流波形を示す図である。
【図３】本発明による実際の電流波形の写真である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の上記第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図６】リアクタ３１の変型例を示す図である。
【図７】リアクタ３１の他の変型例を示す図である。
【図８】従来の消耗電極式パルスアーク溶接電源の接続図である。
【図９】従来の出力電流波形を示す図である。

Claims

パルス電流用のリアクタＰとベース電流用のリアクタＢとを出力回路に備え、溶接負荷にパルス電流Ｉｐとベース電流Ｉｂを交互に供給するようにしたパルスアーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、パルス期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、またベース期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続したことを特徴とするパルスアーク溶接電源。
同一の鉄芯に巻きつけた第１の線と第２の線からなるリアクタＰおよびリアクタＢを、前記第１の線と前記第２の線の巻き数比を変えて複数組設け、溶接条件に応じて前記複数組のリアクタＰとリアクタＢの１つを接続するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接電源。