JP3999323B2 - ア−ク加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極と被加工物とを接触させることなく、これらの間に高周波高電圧を印加して、アークスタートを行うア−ク加工装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非消耗電極を用いるＴＩＧアーク溶接においては、電極と被加工物とを接触させると、電極を極端に損傷するだけでなく、電極材料成分が被加工物表面に付着し、外観のみならず溶接品質も大幅に損うことになるために、アークスタートの際、電極を被加工物に接触させることなくアークを発生させている。そのために、アークスタートの際、電極と被加工物との間に一定の間隙を設けた状態に保持し、電極と被加工物との間に数千ボルトに及ぶ高周波高電圧を供給して、両者間に高周波火花放電を発生させ、この火花放電によりアークが誘発されるようにしている。
【０００３】
また、消耗電極ワイヤを用いるＭＩＧアーク溶接においては、電極と被加工物とを接触させてアークを発生させているが、電流値が低いとき、電極と被加工物とが短絡してアークスタートに失敗する場合がある。そのためにＭＩＧアーク溶接においても、電極と被加工物との間に一定の間隙を設けた状態に保持し、電極と被加工物との間に高周波高電圧を供給してアークスタートさせる方法が用いられている。
【０００４】
図３は、従来のア−ク加工装置の例を示す接続図である。同図において、１は交流電源であり、単相商用交流又は三相商用交流の電源が用いられる。２は電源スイッチ、４は一次整流回路であり、交流電源１の出力が整流され平滑されて直流電力に変換される。５はインバータ回路であり、公知の回路、例えばブリッジ接続されたスイッチング素子からなり、一次整流回路４の出力が高周波交流電力に変換される。６は出力変圧器であり、インバータ回路５の出力がアーク加工に適した電圧に変換される。７は、整流器７ａおよび必要に応じて直流リアクトル７ｂを含む二次整流回路であり、出力変圧器６の出力を整流・平滑して直流電力に変換する。１０は高周波高電圧発生回路であり、コンデンサと放電ギャップ等とを用いた公知の高周波高電圧発生回路が使用される。１１はカップリングコイルであり、高周波高電圧発生回路１０の出力を二次整流回路７の出力に重畳する。９はバイパスコンデンサであり、高周波高電圧発生回路１０から出力される高周波高電圧が二次整流回路７に流入することを防止している。１２は出力端子（ａ）に接続されたアーク加工用電極、１３は出力端子（ｂ）に接続された被加工物である。１４は出力電流検出器、１５は出力電流設定器、１６は比較器であり、出力電流検出器１４の出力信号Ｉｆと出力電流設定器１５の出力信号Ｉｒとを比較して、差信号ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆを出力する。１７はインバータ制御回路であり、差信号ΔＩに応じて、駆動信号Ｐ１およびＰ２をインバータ回路５に出力し、各対となるスイッチング素子をそれぞれ導通させる。１８は起動スイッチである。
【０００５】
図３の従来装置において、電源スイッチ２を閉じた後に起動スイッチ１８を閉じると、起動信号Ｓ１がインバータ制御回路１７および高周波高電圧発生回路１０に出力される。交流電源１の出力は、一次整流回路４にて整流・平滑されて直流電力となる。この直流電力はインバータ回路５にて高周波交流電力に変換され、出力変圧器６にてアーク加工に適した電圧に変換される。出力変圧器６の出力は、二次整流回路７にて整流・平滑されて、出力端子（ａ）および（ｂ）からアーク加工用電極１２および被加工物１３に供給される。この時、アークは未だ発生していない。
【０００６】
また、高周波高電圧発生回路１０から出力される高周波高電圧が、カップリングコイル１１を介して二次整流回路７の出力に重畳されて、バイパスコンデンサ９を通して電極１２および被加工物１３の間に供給される。そして、この高周波高電圧によって電極１２および被加工物１３の間の絶縁が破壊されて、火花放電が発生し、これによって溶接アークが誘発される。この溶接アークが発生して溶接電流が流れると、出力電流検出器１４は、この溶接電流を検出して信号Ｓ２を出力する。高周波高電圧発生回路１０は、この信号Ｓ２をうけると高周波高電圧の出力を停止する。また、出力電流検出器１４は溶接電流を検出して、この溶接電流に対応した信号Ｉｆを出力する。比較器１６は、この信号Ｉｆと出力電流設定器１５の出力信号Ｉｒとを比較して、差信号ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆを出力する。インバータ制御回路１７は、この差信号ΔＩをうけて差信号ΔＩを減少させるように駆動信号Ｐ１およびＰ２をインバータ回路５に出力し、各対となるスイッチング素子をそれぞれ導通させる。この結果、溶接電流は設定値に保たれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時、ア−ク加工装置の高性能化および小型化を図るために、インバータ回路５の動作周波数が数１００ＫＨＺのものが実用化されてきた。このような高周波のインバータ回路を用いるときには、その動作周波数が、アークスタートのために用いる高周波高電圧発生回路１０の発振周波数（通常、数ＭＨＺ程度）に近づくことになり、このためにバイパスコンデンサ９が、二次整流回路７の出力に含まれる高周波のリップル電流に対しても低インピーダンスとなる。また、溶接電流の応答性を十分速くするために、直流リアクトル７ｂのインダクタンスは小さく設定されている。この結果、バイパスコンデンサ９に二次整流回路７からのリップル電流が常時流れることになる。このリップル電流は、高周波高電圧発生回路１０の出力電流と比べて著しく大きいため、バイパスコンデンサ９が発熱して、極端な場合には破壊することがある。この不具合を解決するために、バイパスコンデンサ９の許容電流を大きくすることが提案されているが、高耐圧で許容電流の大きなコンデンサは大形で高価であるために、加工装置の大型化、また、コストアップにつながる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、直流電源と、直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と、出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路と、整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と、整流回路の出力端子に並列に接続されたバイパスコンデンサとを具備したア−ク加工装置において、整流回路の出力電圧より高く、かつ、整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチをバイパスコンデンサに直列に接続したア−ク加工装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、直流電源と、直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と、出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路と、整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路とを具備したア−ク加工装置において、整流回路の出力電圧より高く、かつ、整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子を整流回路の出力端子に並列に接続したア−ク加工装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、直流電源と直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路とインバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路とを具備した電源部と、整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と整流回路の出力端子に並列に接続されたバイパスコンデンサとバイパスコンデンサに直列に接続されて整流回路の出力電圧より高くかつ整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチを具備した高周波高電圧重畳部とからなるア−ク加工装置である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、直流電源と直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路とインバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路とを具備した電源部と、整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と、整流回路の出力端子に並列に接続されて整流回路の出力電圧より高くかつ整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子とを具備した高周波高電圧重畳部とからなるア−ク加工装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態の例を示す接続図である。同図において、１９はシリコンスイッチであり、双方向性の電圧スイッチで、その電圧−電流特性は、端子電圧がブレークオーバ電圧を超えると導通して、零［Ｖ］付近まで低下するものである。この特性を有するシリコンスイッチとしては、例えば、富士電機製のシリコンサージアブソーバ、ＥＮＳシリーズが使用される。このブレークオーバ電圧は、二次整流回路７の出力電圧のピーク値より高く、かつ、二次整流回路７の各素子の定格電圧より低いものを選定しておく。その他は、図３に示した従来の装置と同機能のものに同符号を付してある。
【００１３】
図１において、起動スイッチ１８を閉じた後に、高周波高電圧発生回路１０から高周波高電圧が出力されると、その出力電圧がシリコンスイッチ１９のブレークオーバ電圧以下の期間は、バイパスコンデンサ９には電流は流れず、高周波高電圧発生回路１０の出力電圧が、ブレークオーバ電圧を超える期間のみ、バイパスコンデンサ９に電流が流れる。この結果、二次整流回路７の出力端子にかかる電圧は、シリコンスイッチ１９のブレークオーバ電圧以下に制限される。次に、シリコンスイッチ１９にかかる電圧が、ブレークオーバ電圧を超える期間には、このシリコンスイッチ１９は導通し、その結果、バイパスコンデンサ９を通して、電極１２および被加工物１３との間に高周波高電圧が印加される。そして、この高周波高電圧によって電極１２および被加工物１３の間の絶縁が破壊されて、火花放電が発生し、これによって溶接アークが誘発される。この溶接アークが発生して溶接電流が流れると、出力電流検出器１４は、この溶接電流を検出して信号Ｓ２を出力する。高周波高電圧発生回路１０は、この信号Ｓ２をうけると、高周波高電圧の出力を停止する。この結果、シリコンスイッチ１９には二次整流回路７の出力電圧のみが印加されることになるので、導通することはなくなり、その後バイパスコンデンサ９には電流は流れない。
【００１４】
また、シリコンスイッチ１９がブレークオーバする以前においても、バイパスコンデンサ９には二次整流回路７からの出力電圧は印加されないために、大電流は流れないので、焼損することはない。さらに、二次整流回路７の出力端子に現われる電圧は、シリコンスイッチ１９のブレークオーバ電圧を超えることがないから、このブレークオーバ電圧を二次整流回路７の出力電圧より高く、かつ、二次整流回路７の各素子の定格電圧より低い値に選定しておけば、高周波高電圧発生回路１０から出力される高周波高電圧によって、二次整流回路７の各素子が破壊されることはない。その他の動作は、図３に示した従来装置の動作と同じであるため省略する。
【００１５】
なお、図１に示した実施例においては、高周波高電圧発生回路１０を内蔵したア−ク加工装置を示したが、図２に示すように、電源部と高周波高電圧重畳部とを分離しても良い。同図において、電源スイッチ２ないし二次整流回路７および出力電流検出器１４ないしインバ−タ制御回路１７は、電源部２０を構成し、バイパスコンデンサ９、高周波高電圧発生回路１０、カップリングコイル１１およびシリコンスイッチ１９は、高周波高電圧重畳部２１を構成している。また、（ｃ）および（ｄ）は、交流電源１からの出力を入力する電源部２１の端子、（ｅ）ないし（ｇ）は、電源部２０の出力端子、（ｈ）は、起動スイッチ１８から出力される起動信号Ｓ１を入力する電源部２０の端子である。また、（ｉ）ないし（ｋ）は、電源部２０からの出力を入力する高周波高電圧重畳部２１の端子、（ｌ）および（ｍ）は、高周波高電圧重畳部２１の出力端子、（ｎ）は、起動スイッチ１８から出力される起動信号Ｓ１を入力する高周波高電圧重畳部２１の端子である。その他は、図１に示した装置と同機能のものに同符号を付してある。図２に示す装置においては、電源部と電極１２および被加工物１３とが離れていても、高周波高電圧重畳部２１を電極１２および被加工物１３の近くに設けることによって、高周波高電圧を減衰させることなく供給することができる。また、高周波が重畳されるケ−ブルが短くなり、高周波電磁ノイズの発生を最小にできる。
【００１６】
また、図１および図２に示したシリコンスイッチ１９の電圧−電流特性として、前述したように端子電圧がブレークオーバ電圧を超えると、零［Ｖ］付近まで低下するものの代わりに、ブレークオーバ電圧を超えても、このブレークオーバ電圧を維持するような電圧クランプ機能を有する素子を使用することができる。この場合、同様の効果が得られるばかりでなく、シリコンスイッチ１９がＯＮしたときに、二次整流回路７の出力を短絡することがないために、バイパスコンデンサ９を省略することができる。この特性を有するシリコンスイッチとしては、例えば、オリジン電気製、シリコンサージクランパを使用することができる。
【００１７】
また、図１および図２に示した二次整流回路７の直流リアクトル７ｂは、配線のインダクタンスで代用できるときは、特に設けなくてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
上記の通り、請求項１に記載の発明は、高周波高電圧発生回路から出力される高周波高電圧が、二次整流回路に流入することを防止するために設けられたバイパスコンデンサに、直列にシリコンスイッチを接続し、このシリコンスイッチの電圧−電流特性を、端子電圧がブレークオーバ電圧を超えると、零［Ｖ］付近まで低下するものとし、また、このブレークオーバ電圧を、二次整流回路の出力電圧より高く、かつ、二次整流回路の各素子の定格電圧より低く選定するものである。この結果、二次整流回路の出力電圧ではシリコンスイッチがＯＮすることがなく、二次整流回路から出力される大きなリップル電流がバイパスコンデンサに供給されることがないために、バイパスコンデンサが発熱して破壊することがない。このために、バイパスコンデンサとして小さな許容電流のものが使用できるので、小形で安価な装置を実現できる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られるばかりでなく、シリコンスイッチがＯＮしたときに、回路を短絡することがないために、バイパスコンデンサを省略することができるという効果も有する。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られるばかりでなく、電源部と電極１２および被加工物１３とが離れていても、高周波高電圧重畳部２１を電極１２および被加工物１３の近くに設けることによって、高周波高電圧を減衰させることなく供給することができ、また、高周波が重畳されるケ−ブルが短くなり、高周波電磁ノイズの発生を最小にできる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明と同様の効果が得られるばかりでなく、電源部と電極１２および被加工物１３とが離れていても、高周波高電圧重畳部２１を電極１２および被加工物１３の近くに設けることによって、高周波高電圧を減衰させることなく供給することができ、また、高周波が重畳されるケ−ブルが短くなり、高周波電磁ノイズの発生を最小にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の例を示す接続図である。
【図２】 本発明の別の実施の形態の例を示す接続図である。
【図３】従来のア−ク加工装置の例を示す接続図である。
【符号の説明】
１ 交流電源
２ 電源スイッチ
４ 一次整流回路
５ インバータ回路
６ 出力変圧器
７ 二次整流回路
７ａ 整流器
７ｂ 直流リアクトル
９ バイパスコンデンサ
１０ 高周波高電圧発生回路
１１ カップリングコイル
１２ アーク加工用電極
１３ 被加工物
１４ 出力電流検出器
１５ 出力電流設定器
１６ 比較器
１７ インバータ制御回路
１８ 起動スイッチ
１９ シリコンスイッチ
２０ 電源部
２１ 高周波高電圧重畳部

Claims (4)

1. 直流電源と、前記直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と、前記出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路と、前記整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と、前記整流回路の出力端子に並列に接続されたバイパスコンデンサとを具備したア−ク加工装置において、前記整流回路の出力電圧より高く、かつ、前記整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチを前記バイパスコンデンサに直列に接続したア−ク加工装置。
2. 直流電源と、前記直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と、前記出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路と、前記整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路とを具備したア−ク加工装置において、前記整流回路の出力電圧より高く、かつ、前記整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子を前記整流回路の出力端子に並列に接続したア−ク加工装置。
3. 直流電源と前記直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と前記インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と前記出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路とを具備した電源部と、前記整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と前記整流回路の出力端子に並列に接続されたバイパスコンデンサと前記バイパスコンデンサに直列に接続されて前記整流回路の出力電圧より高くかつ前記整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチを具備した高周波高電圧重畳部とからなるア−ク加工装置。
4. 直流電源と前記直流電源の出力を交流電力に変換するインバータ回路と前記インバータ回路の出力を所定の電圧に変換する出力変圧器と前記出力変圧器の出力を整流して直流とする整流回路とを具備した電源部と、前記整流回路の出力端子の一方に直列に接続されたカップリングコイルを介して高周波高電圧を供給する高周波高電圧発生回路と、前記整流回路の出力端子に並列に接続されて前記整流回路の出力電圧より高くかつ前記整流回路の各素子の定格電圧より低い一定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子とを具備した高周波高電圧重畳部とからなるア−ク加工装置。

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