JP4440358B2 - 溶接用電源装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接用電源装置に関し、特に母材と電極とを接触させた状態から、電極と母材とを離して、両者の間にアークを発生させるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
溶接用電源装置には、小型軽量化のため、インバータを使用するものがある。例えば、交流電圧を入力側交直変換器によって直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータによって高周波電圧に変換し、この高周波電圧を変圧器によって変圧し、変圧された高周波電圧を出力側交直変換器によって直流電圧に再変換し、この再変換された直流電圧を、母材と電極との間に印加する。インバータの使用によって、変圧器や、出力側交直変換器に使用されている平滑用のリアクトルに小型のものを使用でき、溶接用電源装置も小型化することができる。
【0003】
例えば、図3に示すように、電源入力端子1a乃至1cに供給された商用交流電圧が入力側整流器2によって整流され、この整流電圧が平滑用コンデンサ3によって平滑され、直流電圧に変換される。入力側整流器2及び平滑用コンデンサ3は、入力側交直変換器として機能する。この直流電圧は、IGBT、電力用FETまたは電力用バイポーラトランジスタ4a、4b等の半導体スイッチング素子を含むインバータ4によって高周波電圧に変換される。この高周波電圧は、変圧器5に供給されて、変圧される。この変圧された高周波電圧は、出力側整流器6a、6bによって整流され、平滑用リアクトル7によって平滑され、直流電圧に変換される。出力側整流器6a、6bと平滑用リアクトル7は、出力側交直変換器として機能する。この直流電圧は、出力端子8a、8bを介して電極9と母材10とからなる溶接負荷11に供給される。
【0004】
母材10とトーチ9に流れる出力電流は、電流検出器21によって検出され、その電流検出信号が誤差増幅器22に供給されている。また、誤差増幅器22には、切替器24を介して基準信号源23aまたは23bから基準信号が供給され、基準信号と電流検出信号との誤差を表わす誤差信号がインバータドライブ26に供給されている。ドライブ26には、鋸歯状波発生器25から数kHz乃至十数kHzの周波数の鋸歯状波も供給されており、ドライブ26は、誤差信号と鋸歯状波とを比較し、数kHz乃至十数kHzの周波数のPWM信号をインバータ4に供給し、インバータ4を制御する。出力端子8a、8b間の電圧が電圧検出器27によって検出され、予め定めた値、例えばメインアーク発生に充分な電圧以上の電圧が発生すると、電圧検出器27が切替指令信号を切替器24に供給し、切替器24が、基準信号源23aから基準信号源23bからのものに基準信号を切替えている。電流検出器21、誤差増幅器22、基準信号源23a、23b、切替器24、鋸歯状波発生器25、ドライブ26が定電流制御するインバータ制御部として機能する。
【0005】
この溶接電源を例えばスタッド溶接に用いる場合、図4(a)に示すように電極としてスタッドが用いられる。溶接開始時には、スタッド9と母材10とが接触しており、切替器24によって基準信号源23aが選択されており、この基準信号源23aからの基準信号に基づいて、スタッド9と母材10との間には、図4(b)に示すように、矢印方向に定電流制御された十数Aの直流の小電流が供給されている。
【0006】
この状態でスタッド9を引き上げて、スタッド9と母材10との引き離しを開始すると、図4(c)に示すように、スタッド9と母材10との間にパイロットアークApが発生する。このパイロットアークApの発生により、出力端子8a、8b間の電圧が上昇する。このとき、スタッド9と母材10との間には短絡時と同じ定電流制御された小電流のパイロット電流が流れている。更に、スタッド9を母材10から引き離していくと、出力端子8a、8b間の電圧が上昇し、ついにはメインアーク発生に充分な電圧となり、出力電圧検出器27が切替指令信号を発生し、切替器24が基準信号源23bからの基準信号を誤差増幅器22aに供給する。これによって、基準信号源23bの基準信号に応じた、例えば定電流制御された数百乃至数千Aの大電流が、母材10とスタッド9との間に流れ、図4(d)に示すようにメインアークAmが発生する。
【0007】
このメインアークAmの熱によって母材10とスタッド9とが溶融する。そして、スタッド9が母材10側に押し下げられ、図4(e)に示すようにスタッド9が母材10に溶着される。このとき、スタッド9と母材10との間の電流が適当な大きさになるように設定されたタイミングで、インバータ4の駆動を停止し、出力端子8a、8bからの直流の供給を停止する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように接触点弧式のものでは、図4(b)に示すように、スタッド9と母材10とが短絡している場合及びパイロットアークが発生している場合、スタッド9と母材10とに流れる電流は、図5に示すように山点と谷点との差が大きいリップルを有している。これは、鋸歯状波発生器25の発振周波数が数kHz乃至十数kHzと比較的低い周波数とされているからである。このような低い周波数が選択されているのは、メインアークAmが発生しているときに、高い周波数とするとインバータ4のIGBT4a、4bでのスイッチング損失が増加し、IGBT4a、4bを損傷する恐れがあるからである。
【0009】
このように山点と谷点との差が大きいリップルを有する電流が、スタッド9と母材10とに流れているので、谷点のときに、図5(c)に示すようにスタッド9の引き上げが開始されると、パイロットアークが発生せず、アーク切れを生じることがあった。また、パイロットアークの発生時、パイロットアーク電流は小電流のため、電流リップルの谷が0Aまたはその近くまで低下することがあるので、パイロットアークの発生時にアーク切れが生じることがあった。例えば、スタッド9と母材10とに10Aの電流を流しているとき、複数回にわたってアークスタートの実験を行った場合の70パーセントは、アーク切れが生じていた。
【0010】
本発明は、接触点弧式によってアークを発生させる場合に、アーク切れが生じにくい溶接用電源装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明による溶接用電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する入力側交直変換器と、この交直変換器からの直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御部と、前記インバータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、この変圧器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変換し、母材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、具備し、前記電極と母材とを短絡させた状態において、前記電極を前記母材から引き離して前記電極と母材との間にパイロットアークを発生し、このパイロットアークをメインアークに移行させる接触点弧式溶接用のものである。前記インバータ制御部は、前記インバータからの高周波電圧の周波数を、第1の周波数と、第1の周波数よりも高い第2の周波数とに可変可能に構成され、前記出力側交直変換器の出力電圧を検出する電圧検出器を有し、前記電極と前記母材との短絡状態及び前記パイロットアーク発生状態において前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第2の周波数に制御し、前記パイロットアークの発生状態において前記電極と前記母材との引き離しが進行し、前記電圧検出器によって前記出力側交直変換器の出力電圧が前記メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇したことが検出されたとき、前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第1の周波数に制御する。
【0012】
インバータ制御部は、例えば前記インバータの高周波電圧の周波数を規定する周波数基準信号、例えば鋸歯状波信号を発生する基準信号発生器を備えることができる。この基準信号発生器は、その周波数基準信号の周波数を第1の周波数と第2の周波数との間で可変できる。
【0013】
この溶接用電源装置では、母材と電極との少なくとも短絡状態において、高い周波数の高周波電圧をインバータが発生しており、電極と母材とに供給される電流の山点と谷点との差は小さい。従って、この状態から電極と母材と引き離すと、たとえ谷点で電極と母材との引き離しが開始されたとしても、両者の間に良好にパイロットアークが発生し、アーク切れは発生しない。
【0014】
前記電極と母材との少なくとも短絡状態における前記インバータの高周波電圧周波数は、30kHz 以上に選択することができる。この場合、メインアーク発生時のインバータの高周波電圧の周波数は、上述したように数kHz乃至十数kHzである。即ち、少なくとも短絡時の周波数は、アーク発生時の周波数の約2倍以上の周波数である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の1実施の形態の溶接用電源装置は、図1に示すように構成されている。図3に示した従来の溶接用電源装置と同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0016】
図3の溶接用電源装置と、図1の溶接用電源装置とにおける相違点は、鋸歯状波発生器25aが、その発振周波数を可変できる点にある。この発振周波数は、メインアーク発生時用として上述したように数kHz乃至十数kHzであり、短絡時用及びパイロットアーク発生時用として30kHz乃至50kHzである。この発振周波数の切替は、パイロットアークが発生した後、さらにスタッド9が引き離されて、出力端子8a、8b間の電圧が上昇し、メインアークの発生に充分な値以上の電圧が出力端子8a、8b間に発生したときに、電圧検出器27が発生する切替指令信号によって行われる。即ち、基準信号源23a、23bの切替と同期して、鋸歯状波発生器25aの発振周波数の切替が行われる。
【0017】
このように構成された溶接用電源装置において、スタッド溶接を行う場合、スタッド9と母材10とを短絡させた状態において、基準信号源23aが使用され、鋸歯状波発生器25aは、上述した30kHz乃至50kHzの周波数の鋸歯状波を発生している。このとき、スタッド9と母材10との間には約10Aの定電流が流れるが、この電流に含まれているリップルの山点と谷点との差は、図2に示すように、図5に示す低い周波数の場合よりも小さい。これは、インバータ4の発振周波数が高いので、インバータ4のIGBT4a、4bが導通している期間が、インバータ4の発振周波数が低いときよりも短く、IGBT4a、4bの最大電流(IGBT4a、4bが導通状態から非導通状態に切り替わる時点の電流)と最小電流(IGBT4a、4bが非導通状態から導通状態に切り替わる時点の電流)との差が小さくなるからである。従って、たとえ出力電流の谷点においてスタッド9が引き上げられても、良好にパイロットアークApが発生し、アーク切れは生じない。パイロットアークApが発生し、スタッド9と母材10との距離が短いと、短絡時と同じ約10Aの定電流がスタッド9と母材10との間に流れている。従って、パイロットアークの発生後、スタッド9が更に引き上げられていっても、アーク切れは生じない。
【0018】
パイロットアークApが発生し、スタッド9が更に引き上げられて、出力端子8a、8b間の電圧が、メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇すると、これを電圧検出器27が検出し、切替指令信号を切替器24と鋸歯状波発生器25aに供給するので、基準信号源23bからの基準信号が誤差増幅器22に供給され、かつ鋸歯状波発生器25aの発振周波数が低い周波数に切替えられる。これによって、スタッド9と母材10とを流れる電流が大きくなり、メインアークAmが発生する。また、メインアークAmの発生後には、鋸歯状波の周波数が低くされているので、インバータ4のIGBT4a、4bでのスイッチング損失が大きくなることがなく、IGBT4a、4bの損傷を防止できる。
【0019】
例えば、鋸歯状波発生器25aの短絡時の周波数を50kHzとし、スタッド9と母材10とに10Aの電流を流したとき、全アークスタートが正常に動作し、パイロットアークが発生し、パイロットアークからメインアークへの移行が完全に行われた。また基準信号発生器25aの短絡時の周波数を30kHzとし、スタッド9と母材10とに10Aの電流を流したとき、全アークスタートの95パーセントがアークスタートした。また、基準信号発生器25aの短絡時の周波数を20kHzとし、スタッド9と母材10との間に10Aの電流を流したとき、全アークスタートの85パーセント乃至90パーセントがアークスタートした。これらの例から明らかなように、短絡時の周波数を30kHz以上とすると、殆どアーク切れが生じることがない。
【0020】
なお、上記の実施の形態では、パイロットアークが発生した後、出力端子8a、8b間の電圧がメインアークの発生に適した電圧にまで上昇したとき、インバータ4の周波数を低い周波数に切替えたが、短絡状態からパイロットアークの発生状態に移行した後、メインアークの発生に適した電圧にまだ上昇していない状態で、鋸歯状波発生器25aの発振周波数の切換を行うこともできる。この場合、電圧検出器27とは別個に、電圧検出器27が検出信号を発生する電圧よりも低いが、短絡状態よりも高く予め定めた電圧が出力端子8a、8b間に発生したときに、切替信号を鋸歯状波発生器25aに供給する電圧検出器を設ければよい。
【0021】
また、上記の実施の形態では、この溶接用電源装置をスタッド溶接に実施したが、起動時に電極と母材とを短絡させ、その後に電極を引き上げる接触点弧式のものであれば、例えばTIG溶接にも実施することができる。
【0022】
【発明の効果】
以上のように、本発明による溶接用電源装置では、電極と母材との少なくとも短絡状態において、インバータの周波数を高くしているので、アーク切れが生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施の形態の溶接用電源装置のブロック図である。
【図2】図1の溶接用電源装置において電極と母材との接触状態でこれらの間に流れる電流の波形図である。
【図3】従来の溶接用電源装置のブロック図である。
【図4】図3の溶接用電源装置を使用したスタッド溶接の説明図である。
【図5】図3の溶接用電源装置において電極と母材との接触でこれらの間に流れる電流の波形図である。
【符号の説明】
2 入力側整流器(入力側交直変換器)
3 平滑コンデンサ(入力側交直変換器)
4 インバータ
5 変圧器
6a、6b 出力側整流器(出力側交直変換器)
7 平滑リアクトル(出力側交直変換器)
9 電極
10 母材
21 電流検出器(インバータ制御部)
22 誤差増幅器(インバータ制御部)
23a、23b 基準信号源(インバータ制御部)
24 切替器(インバータ制御部)
25a 鋸歯状波発生器(インバータ制御部)
26 ドライブ回路(インバータ制御部)
Claims (2)
- 交流電圧を直流電圧に変換する入力側交直変換器と、
この交直変換器からの直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、
このインバータを制御するインバータ制御部と、
前記インバータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、
この変圧器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変換し、母材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、
具備し、前記電極と母材とを短絡させた状態において、前記電極を前記母材から引き離すことによって、前記電極と母材との間にパイロットアークを発生し、このパイロットアークをメインアークに移行させる接触点弧式溶接用の電源装置において、
前記インバータ制御部は、
前記インバータからの高周波電圧の周波数を、第1の周波数と、第1の周波数よりも高い第2の周波数とに可変可能に構成され、前記出力側交直変換器の出力電圧を検出する電圧検出器を有し、前記電極と前記母材との短絡状態及び前記パイロットアーク発生状態において前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第2の周波数に制御し、前記パイロットアークの発生状態において前記電極と前記母材との引き離しが進行し、前記電圧検出器によって前記出力側交直変換器の出力電圧が前記メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇したことが検出されたとき、前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第1の周波数に制御する
溶接用電源装置。 - 請求項1記載の溶接用電源装置において、前記第2の周波数が、30KHz以上であることを特徴とする溶接用電源装置。
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