JP4643113B2

JP4643113B2 - 溶接方法及び溶接用電源装置

Info

Publication number: JP4643113B2
Application number: JP2002246087A
Authority: JP
Inventors: 猛森本; 秀雄石井
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: US6992264B2; US20040040945A1; JP2004082163A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムやマグネシウム等のように酸化皮膜除去を必要とする被溶接物の溶接に使用する溶接方法及び溶接用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のような被溶接物の溶接に、例えば特許第２５４３２６９号、同第２５４３２７０号の特許明細書に記載されているような技術を使用することがある。即ち、電源を溶接電極と被溶接物とに接続し、この電源から溶接電極と被溶接物とに流れる電流に、交流電流期間とこれに続く直流電流期間とを１周期として、周期的に繰り返すものとしたものである。但し、直流電流は溶接電極側が負で、被溶接物が正となる極性で供給されている。特許第２５４３２６９号では、交流電流期間の１周期に対する比率を３０乃至８０パーセントにしている。
【０００３】
この技術では、表面が酸化皮膜で覆われているアルミニウム等を被溶接物とした場合、交流電流が供給されている期間、特に被溶接物が負電位となっているときに酸化皮膜が清浄化される。また、被溶接物が正電位である直流電流が供給されている期間には、溶接電流の極性反転が無いので、高調波による騒音が無くなり、アーク音が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば被溶接部材を深く溶け込ますために、直流電流期間の１周期に対する比率を７０乃至２０パーセントよりも長くすることがある。この場合、交流電流期間が短いので、酸化皮膜が充分に清浄化されないまま、直流電流期間による直流アークによって被溶接物が溶接される。その結果、被溶接物の溶融金属の中にスラグが吹き込まれ、溶接欠陥が生じることがあった。
【０００５】
本発明は、溶接欠陥を低減させた溶接方法及び溶接用電源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の一態様の溶接方法では、被溶接物と溶接電極との間に流れる溶接電流の波形として、交流波形と、直流波形とを、１組とした波形を、周期的に繰り返す。交流波形は、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位である状態と、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である状態とを交互に繰り返す。直流波形は、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である。前記直流波形の期間が前記交流波形の期間よりも長く設定されている。前記直流波形の中途の一部の期間に、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位であるパルス電流状態を少なくとも一度形成するパルス電流挿入状態を、生成する。これによって、前記パルス電流挿入状態の前後にそれぞれ直流電流期間を形成する。前記パルス電流挿入状態の直前及び直後それぞれに、前記パルス電流挿入状態の期間よりも長い直流電流期間が形成される。
【０００７】
この溶接方法では、交流波形の溶接電流の供給によって、被溶接物の清浄化を行い、その後に、直流電流によって安定したアークを与えている。しかも、直流電流期間中に、パルス電流挿入状態を、一時的に形成することによって、被溶接物の溶融金属の中にスラグが吹き込まれることを、防止している。
【０００８】
本発明の他の態様の溶接方法でも、被溶接物と溶接電極との間に流れる溶接電流の波形として、交流波形と、直流波形とを、１組とした波形を、周期的に繰り返す。交流波形は、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位である状態と、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である状態とを交互に繰り返す。直流波形は、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である。前記直流波形の期間が前記交流波形の期間よりも長く設定されている。前記直流波形の中途の一部の期間に、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位であるパルス電流状態を少なくとも一度形成するパルス電流挿入状態を、生成する。これによって、前記パルス電流挿入状態の前後にそれぞれ直流電流期間を形成する。前記パルス電流挿入状態は、異なる間隔で複数回発生する。
【０００９】
本発明の一態様の溶接用電源装置は、直流電源を有している。この直流電源は、正及び負の端子を有し、前記正端子から正の電流を、前記負端子から負の電流を、溶接電極と被溶接物とからなる溶接負荷に供給可能である。この直流電源としては、例えば、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換器と、この直流電圧を高周波電圧に変換する高周波変換器と、高周波電圧を変圧する変圧器と、前記正端子に正の電圧を、前記負端子に負の電圧を発生するように、変圧器の高周波電圧を直流電圧に変換する高周波−直流変換器とを、備えたものとすることができる。前記正端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に第１の半導体スイッチング素子が設けられている。前記負端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に第２の半導体スイッチング素子が設けられている。第１及び第２の半導体スイッチング素子としては、制御電極を有し、この制御電極に制御信号が供給されている期間、導通するもの、例えばバイポーラトランジスタ、ＦＥＴまたはＩＧＢＴ等を使用することができる。第１及び第２の半導体スイッチング素子を制御手段が、開閉制御する。この制御手段は、第１及び第２の半導体スイッチング素子を交互に導通させる交流期間と、この交流期間に続いて第１の半導体スイッチング素子を継続して導通させる正の直流期間とを、１組として、繰り返すように、第１及び第２の半導体スイッチング素子を制御する。正の直流期間は、交流期間よりも長い時間に設定されている。更に、制御手段は、前記直流期間の中途の一部の期間に、第１の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、かつ第２の半導体スイッチング素子を導通させ、その後に第２の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、第１の半導体スイッチング素子を導通させることによって、少なくとも１度負のパルス期間を設けている。これによって、前記正の直流期間を、前記負のパルス期間の直前及び直後に第１及び第２の正の直流期間を有するものとしている。前記第１及び第２の正の直流期間は、前記負のパルス期間よりも長い。
【００１０】
本発明の他の態様の溶接用電源装置も、上記の態様の溶接用電源装置と同様に、直流電源、第１及び第２の半導体スイッチング素子及び制御手段を有している。制御手段は、この制御手段は、第１及び第２の半導体スイッチング素子を交互に導通させる交流期間と、この交流期間に続いて第１の半導体スイッチング素子を継続して導通させる正の直流期間とを、１組として、繰り返すように、第１及び第２の半導体スイッチング素子を制御する。正の直流期間は、交流期間よりも長い時間に設定されている。更に、制御手段は、前記直流期間の中途の一部の期間に、第１の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、かつ第２の半導体スイッチング素子を導通させ、その後に第２の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、第１の半導体スイッチング素子を導通させることによって、負のパルス期間を設けている。この負のパルス期間を異なる間隔で複数個設けてある。これらのように構成した溶接用電源装置を用いて溶接を行うと、上述した溶接方法と同様な溶接を行うことができる。
【００１１】
また、前記正の端子と第１の半導体スイッチング素子との間に第１のリアクトルを設け、前記負の端子と第２の半導体スイッチング素子との間に第２のリアクトルを設けることができる。この場合、第１及び第２のリアクトルは、同一のコア上に、それぞれの誘起電圧が逆になるように巻回されている。
【００１２】
このように構成すると、交流電流期間において、第１の半導体スイッチング素子が導通して、第１のリアクトルを介して被溶接物に正電流が流れている状態から、第１の半導体スイッチング素子が非導通状態になり、かつ第２の半導体スイッチング素子が導通して、第２のリアクトルを介して被溶接物に負電流が流れる状態に切り換えられたとき、第１のリアクトルに誘起した電圧によって、第２のリアクトルに第１のリアクトルとは逆極性の電圧が誘起される。このとき、第１のリアクトルに誘起される電圧は、被溶接物に正の電流を流す極性であるので、第２のリアクトルに誘起される電圧は、逆に被溶接物に負の電流を流す極性となる。従って、極性の変化する移行時に、第２のリアクトルを介して負端子から供給される負電流に、第２のリアクトルに誘起される電圧は、更に負の電流を重畳する。従って、正電流から負電流への移行が円滑に行われる。第２の半導体スイッチング素子が非導通になって、同時に第１の半導体スイッチング素子が導通状体になるときも、同様に動作する。
【００１３】
【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、例えばＴＩＧ溶接用の電源装置で、図１に示すように、直流電源２を有している。
【００１４】
直流電源２は、交流電源、例えば商用交流電源４からの交流電圧を整流する整流回路６を有している。この整流回路６からの整流出力は、直流−高周波電圧変換手段、例えばインバータ８に供給され、高周波電圧に変換される。
【００１５】
この高周波電圧は、変圧器１０の一次巻線１０Ｐに供給される。この変圧器１０の二次巻線１０Ｓは、中間タップ１０Ｔを有している。二次巻線１０Ｓに誘起された高周波電圧は、整流回路１２によって整流される。この整流回路１２は、二次巻線１０Ｓの一端にアノードが接続されたダイオード１２ａと、二次巻線１０Ｓの他端にアノードが接続されたダイオード１２ｂとを含み、これらダイオード１２ａ、１２ｂのカソードの相互接続点が、この整流回路１２の正の出力端子、すなわち直流電源２の正の出力端子１２Ｐとされている。また、この整流回路１２は、二次巻線１０Ｓの一端にカソードが接続されたダイオード１２ｃと、二次巻線１０Ｓの他端にカソードが接続されたダイオード１２ｄとを含み、これらダイオード１２ｃ、１２ｄのアノードの相互接続点が、この整流回路１２の負の出力端子、すなわち直流電源２の負の出力端子１２Ｎとされている。
【００１６】
二次巻線１０Ｓの両端に中間タップ１０Ｔに対して正の電圧が誘起されているとき、正の電流がダイオード１２ａ、１２ｂから正の端子１２Ｐを介して後述する回路、二次巻線１０Ｓの中間タップ１０Ｔに流れる。二次巻線１０Ｓの両端に中間タップ１０Ｔに対して負の電圧が誘起されているとき、負の電流が、ダイオード１２ｃ、１２ｄから負の端子１２Ｎを介して後述する回路、二次巻線１０Ｓの中間タップ１０Ｔに流れる。
【００１７】
正の端子１２Ｐは、第１のリアクトル、例えば平滑用リアクトル１４を介して半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１６のコレクタに接続されている。同様に、負の端子１２Ｎは、第２のリアクトル、例えば平滑用リアクトル１８を介して半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ２０のエミッタに接続されている。ＩＧＢＴ１６のエミッタと、ＩＧＢＴ２０のコレクタとは、相互に接続され、被溶接物用端子２２を介して被溶接部２４に接続されている。この被溶接部２４は、例えば酸化皮膜を有するアルミニウム製のものである。
【００１８】
平滑用リアクトル１４、１８は、同一のコアに巻回されており、しかも、一方のリアクトルに或る極性の電圧が誘起されているとき、他方のリアクトルには、或る極性と逆の極性の電圧が誘起されるように、コアに巻回されている。
【００１９】
被溶接物２４との間にアークを発生する溶接電極、例えばトーチ２６が、溶接電極端子２８に接続されている。この溶接電極端子２８は、電流検出器（ＣＤ）３０を介して二次巻線１０Ｓの中間タップ１０Ｔに接続されている。
【００２０】
電流検出器３０は、トーチ２６及び被溶接物２４に流れる溶接電流を表す電流検出信号を発生する。この電流検出信号は、制御回路３２に供給される。この制御回路３２は、例えばマイクロコンピュータによって構成され、電流検出信号が予め定めた値に等しくなるように、駆動信号生成回路３４に制御指令を供給する。駆動信号生成回路３４は、この制御指令に応じて、インバータ８に駆動信号を供給する。即ち、インバータ８は定電流制御されている。
【００２１】
さらに、制御回路３２は、駆動信号生成回路３４がＩＧＢＴ１６、２０の導通、非導通を制御する駆動信号を供給するように、駆動信号生成回路３４に制御指令を供給する。
【００２２】
即ち、制御回路３２は、例えば図２に示すように、被溶接物用端子２２の電位が正負を繰り返す交流期間を所定の間、継続する。この交流期間は、例えば期間が１０ｍ秒の正負のパルス電流を繰り返し流すものである。この交流期間に続いて、０．１秒乃至１秒、例えば１秒の期間にわたって、直流電流を流す正の直流期間が継続する。この直流電流は、被溶接物用端子２２が正で、トーチ２８が負となるものである。この交流期間と直流期間とを１サイクルとして、繰り返される。
【００２３】
直流期間が所定時間、例えば直流期間の約１／２を経過した時点、具体的には０．５秒を経過した時点に、少なくとも１パルスだけ、被溶接物用端子２２が負で、トーチ２６が正となる負のパルス期間が挿入されている。１つの負のパルス期間は、３００μ秒乃至５００μ秒、例えば４００μ秒である。
【００２４】
このような制御を行うために、制御回路３２では、例えば図３に示すように、まず交流供給を行う（ステップＳ２）。即ち、ＩＧＢＴ１６、２０を交互に１０ｍ秒ずつ導通させるように、制御回路３２が駆動信号生成回路３４に指令を与える。これに続いて、交流期間として予め定めた時間（交流供給期間）が経過したか制御回路３２が判断する（ステップＳ４）。もし、この時間が経過していなければ、経過するまでステップＳ２、Ｓ４のループを繰り返す。従って、交流供給期間の間には、非溶接物２４とトーチ２６との間には、正負が交互に反転するパルス状の交流電流が印加され、非溶接物の酸化膜の清浄化が行われる。
【００２５】
ステップＳ４において交流供給期間が経過したと制御回路３２が判断すると、直流供給を行う（ステップＳ６）。即ち、ＩＧＢＴ１６を導通させ、ＩＧＢＴ２０を非導通とさせるように、制御回路３２が駆動信号生成回路３４に指令を与える。これによって、非溶接物２４が正で、トーチ２６が負の電圧が両者に印加される。これによって、アークの集中性が良好になり、幅が狭く溶け込みの深いビードが得られる。
【００２６】
この直流供給の開始に続いて、制御回路３２は、第１直流供給期間が経過したか判断する（ステップＳ８）。即ち、直流期間として予め定めた期間、例えば１秒の半分である第１供給期間、例えば０．５秒が直流供給を開始してから経過したか判断する。第１直流期間が経過していないと制御回路３２が判断すると、経過するまで、制御回路３２はステップＳ６、Ｓ８のループを繰り返す。
【００２７】
第１直流期間が経過したと判断されると、制御回路３２は、負供給を行う（ステップＳ１０）。即ち、４００μ秒にわたってＩＧＢＴ２０を導通させ、かつＩＧＢＴ１６を非導通とするように、制御回路３２が駆動信号生成回路３４に指令を与える。これによって、４００μ秒にわたって、被溶接物用端子２２が負の電位となり、溶接電極用端子２８が正となる。
【００２８】
この負供給に続いて、再び直流供給を行う（ステップＳ１２）。即ち、ステップＳ６と同様に、ＩＧＢＴ１６を導通させ、ＩＧＢＴ２０を非導通とさせるように、制御回路３２が駆動信号生成回路３４に指令を与える。
【００２９】
次に、制御回路３２は、第２直流供給期間が経過したか判断する（ステップＳ１４）。即ち、直流期間の残りの期間である第２直流期間が経過したか判断する。第２直流期間が経過していないと、経過するまでステップＳ１２、Ｓ１４のループを繰り返す。第２直流期間が経過したと制御回路３２が判断すると、再びステップＳ２から実行し、交流期間の制御が開始される。
【００３０】
なお、負供給において、連続的に複数の負パルスを供給する場合、ステップＳ１０に代えて、ステップＳ２、Ｓ４と同様なステップを実行すればよい。但し、ステップＳ４における交流期間に相当する期間は、交流期間よりも短く設定される。
【００３１】
このように、直流期間の途中で、被溶接物用端子２２が負の電位となる電流を一時的に被溶接物２４及びトーチ２６に供給するので、交流期間において完全に洗浄されなかった酸化皮膜が、被溶接物２４の溶融金属の中に吹き込まれることを防止できる。
【００３２】
さらに、この電源装置では、平滑用リアクトル１４に誘起電圧が発生したとき、これとは逆極性の誘起電圧が平滑用リアクトル１８に発生し、平滑用リアクトル１８に誘起電圧が発生したとき、これとは逆極性の誘起電圧が平滑用リアクトル１４に発生するように、平滑用リアクトル１４、１８が同一のコアに巻回されている。
【００３３】
従って、交流期間において、ＩＧＢＴ１６が非導通状態となって、同時にＩＧＢＴ２０が導通状態になるように駆動信号が供給されたとき、ＩＧＢＴ１６の非導通によって平滑用リアクトル１４には、ＩＧＢＴ１６に向かう電流を流すように電圧が誘起される。同時に、平滑用リアクトル１８には逆極性の電圧、即ち、ＩＧＢＴ２０のエミッタ側から負の出力端子１２Ｎに電流を流す方向の電圧が誘起される。従って、ＩＧＢＴ２０が導通する際に、負の出力端子１２Ｎと中間タップ１０Ｔとの間に発生している直流電圧に、平滑用リアクトル１８に誘起された電圧が重畳されて、ＩＧＢＴ２０のコレクタ・エミッタ間に供給されるので、ＩＧＢＴ２０を速やかに導通状態とすることができる。
【００３４】
なお、ＩＧＢＴ２０が非導通状態になって、同時にＩＧＢＴ１６が導通状態になるように駆動信号が供給された場合には、上記と同様にして、正の出力端子１２Ｐと中間タップ１０Ｔとの間に発生している直流電圧に、平滑用リアクトル１４に誘起された電圧が重畳されて、ＩＧＢＴ１６のコレクタ・エミッタ間に供給されるので、ＩＧＢＴ１６を速やかに導通状態とすることができる。即ち、交流期間において、溶接電流の極性の切換が円滑に行われ、アーク切れを生じることがない。
【００３５】
上記の実施の形態では、直流期間に挿入する負のパルスは、図２に示すように１つだけ供給した場合と、複数の負のパルスを連続して供給した場合としたが、例えば図４に示すように、スラグの吹き込みをより減少させる必要のある場合には、複数の負のパルスを挿入すればよい。しかも、これら負のパルスの挿入間隔を、図４に示すように、不連続とすることもできる。この場合、連続的に一度だけ負のパルスを挿入する場合に比較して、直流期間中の異なる部分に負のパルスが挿入されるので、酸化皮膜の溶け込みをより防止することができる。上記の実施の形態では、直流電源２を整流回路６、インバータ８、整流回路１２によって構成したが、他の回路構成の直流電源を使用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、非溶接物が正で、溶接電極が負になる状態で両者に直流電流を供給している直流期間中に、非溶接物が負で、溶接電極が正になる負のパルス電流を挿入しているので、非溶接物の酸化皮膜が非溶接物の溶解金属に溶け込むことを防止することができる。
【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の電源装置の溶接電流の一例の波形図である。
【図３】図１の電源装置のフローチャートである。
【図４】図１の電源装置の溶接電流の他の例の波形図である。
【符号の説明】
２直流電源
１６、２０ＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）
２４非溶接物
２６トーチ（溶接電極）
３２制御回路

Claims

被溶接物と溶接電極との間に流れる溶接電流の波形として、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位である状態と、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である状態とを、交互に繰り返す交流波形と、これに続いて前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である直流波形とを、１組とした波形を、周期的に繰り返し、前記直流波形の期間が前記交流波形の期間よりも長い過程と、
前記直流波形の中途の一部の期間に、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位であるパルス電流状態を少なくとも一度形成するパルス電流挿入状態を、生成し、前記パルス電流挿入状態の直前及び直後それぞれに、前記パルス電流挿入状態の期間よりも長い直流電流期間を形成する過程とを、
具備する溶接方法。
被溶接物と溶接電極との間に流れる溶接電流の波形として、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位である状態と、前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である状態とを、交互に繰り返す交流波形と、これに続いて前記溶接電極が前記被溶接物に対して負電位である直流波形とを、１組とした波形を、周期的に繰り返し、前記直流波形の期間が前記交流波形の期間よりも長い過程と、
前記直流波形の中途の一部の期間に、前記溶接電極が前記被溶接物に対して正電位であるパルス電流状態を形成するパルス電流挿入状態を、生成する過程とを、
具備し、前記パルス電流挿入状態が、異なる間隔をおいて複数回発生する溶接方法。
正及び負の端子を有し、前記正端子から正の電流を、前記負端子から負の電流を、溶接電極と被溶接物とからなる溶接負荷に供給可能な直流電源と、
前記正端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に設けられた第１の半導体スイッチング素子と、
前記負端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に設けられた第２の半導体スイッチング素子と、
第１及び第２の半導体スイッチング素子を開閉制御する制御手段とを、
具備し、この制御手段は、第１及び第２の半導体スイッチング素子を交互に導通させる交流期間と、この交流期間に続いて第１の半導体スイッチング素子を継続して導通させる正の直流期間とを、１組として、繰り返すように、第１及び第２の半導体スイッチング素子を制御し、
前記正の直流期間は、前記交流期間よりも長く、
更に、前記直流期間の中途の一部の期間に、少なくとも１度、第１の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、かつ第２の半導体スイッチング素子を導通させ、その後に第２の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、第１の半導体スイッチング素子を導通させることによって、負のパルス期間を設け、かつ前記正の直流期間を、前記負のパルス期間の直前及び直後に第１及び第２の直流期間を有するものとし、前記第１及び第２の直流期間は、前記負のパルス期間よりも長い
溶接用電源装置。
正及び負の端子を有し、前記正端子から正の電流を、前記負端子から負の電流を、溶接電極と被溶接物とからなる溶接負荷に供給可能な直流電源と、
前記正端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に設けられた第１の半導体スイッチング素子と、
前記負端子から前記被溶接物に供給する電流を断続可能に設けられた第２の半導体スイッチング素子と、
第１及び第２の半導体スイッチング素子を開閉制御する制御手段とを、
具備し、この制御手段は、第１及び第２の半導体スイッチング素子を交互に導通させる交流期間と、この交流期間に続いて第１の半導体スイッチング素子を継続して導通させる正の直流期間とを、１組として、繰り返すように、第１及び第２の半導体スイッチング素子を制御し、
前記正の直流期間は、前記交流期間よりも長く、
更に、前記直流期間の中途の一部の期間に、少なくとも１度、第１の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、かつ第２の半導体スイッチング素子を導通させ、その後に第２の半導体スイッチング素子を非導通とさせ、第１の半導体スイッチング素子を導通させることによって、負のパルス期間を設け、この負のパルス期間を異なる間隔で複数個設けた溶接用電源装置。
請求項３記載の溶接用電源装置において、前記正の端子と第１の半導体スイッチング素子との間に第１のリアクトルを設け、前記負の端子と第２の半導体スイッチング素子との間に第２のリアクトルを設け、第１及び第２のリアクトルは、同一のコア上に、それぞれの誘起電圧が逆になるように巻回されている溶接用電源装置。