JP4759429B2 - 消耗電極式のアーク溶接電源 - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク溶接あるいはパルスアーク溶接において、安定なアークを維持することができるインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源に関する。

溶接負荷（アーク）に供給する電流（溶接電流）の変化率は、出力側回路に配置するリアクタのリアクタンスの値（以下、単に「リアクタンス」という。）を選択することにより変えることができ、リアクタンスを大きくするほど電流波形の立ち上がりおよび立ち下がりは緩やかになる。

例えば、消耗電極式アーク溶接の一種であるショートアーク溶接（溶接電流を小さくして意識的にワイヤと母材とを短絡させる溶接法であり、直径１．２ｍｍの軟鋼ワイヤを使用する場合の溶接電流値は概略８０〜２００Ａである。）の場合、リアクタンスを略５０〜２００μＨにすると、不完全短絡の発生が少なく、アークを安定に維持できる。そして、リアクタンスを略２００〜３００μＨにすると、短絡がほとんど発生しないスプレー溶接（直径１．２ｍｍの軟鋼ワイヤの場合の溶接電流値は概略２００〜３５０Ａである。）の場合もアークを安定に維持できる。（以下、特に区別する必要がある場合を除き、ショートアーク溶接とスプレーアーク溶接をまとめてショートアーク溶接という。）
一方、消耗電極式アーク溶接の一種であるパルスアーク溶接（溶接負荷にパルス電流とベース電流を交互に供給する溶接法である。）においては、アークを安定に維持するためにパルス電流の波形をシャープなものにする必要があり、リアクタンスとしては略１０μＨ（すなわち、ショートアーク溶接の場合のリアクタンスの１／５〜１／３０）が好適である。

このように、溶接法により好適なリアクタンスが異なるため、従来は、ショートアーク溶接を行うための溶接電源とパルスアーク溶接を行うための溶接電源のそれぞれを用意していた。

また、１台の電源にリアクタンスの異なる２個のリアクタを準備しておき、溶接中にリアクタを接続替えするようにしたアーク溶接電源もあった（特許文献１）。このようなアーク溶接電源の場合、設置スペースを小さくすることができた。
特開平１１−１２３５５１号公報

しかし、溶接中にリアクタを接続替えするように構成しても、２個のリアクタのリアクタンスの差を大きくすると、以下のような問題点が発生する。

図６は、ショートアーク溶接中にリアクタを接続替えした場合の溶接電流波形を示す図である。

リアクタンスの大きい回路は応答が遅い。このため、短絡電流が終了した直後（時刻Ｔ１０）に供給される溶接電流が小さくなり、アーク切れが発生する。このため、溶接が不安定になる。図示を省略するが、パルスアーク溶接の場合も同様に、パルス電流が終了した直後に供給されるベース電流が小さくなり、アーク切れが発生する。

なお、パルスアーク溶接の場合、パルス電流に関してはリアクタンスを小さくする必要があるが、ベース電流に関してはリアクタンスの大きい方が好ましいと言われている。

本発明の目的は、ショートアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれもの場合もアークが安定で、品質に優れる溶接が可能なインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明は、インバータ回路から出力される交流電圧を降圧する変圧器と、第１の整流回路と、第１の直流リアクトルと、を備え、前記変圧器の出力側コイルから出力される交流電圧を前記第１の整流回路により整流して前記第１の直流リアクトルと溶接負荷が直列に接続された回路に供給するインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源において、一端が前記出力側コイルに接続される限流リアクトルと、入力側が前記限流リアクトルの他端に接続される第２の整流回路と、リアクタンスが前記第１の直流リアクトルよりも大きい第２の直流リアクトルと、コンデンサと、を設け、前記第２の直流リアクトルと前記溶接負荷が直列に接続され前記コンデンサがその両端に接続された回路に前記第２の整流回路の出力を供給することを特徴とする。

１台のアーク溶接電源で、ショートアーク溶接およびパルスアーク溶接のいずれの場合もアークを安定に維持することができるので、品質に優れる溶接結果が得られる。また、装置の設置面積を小さくすることができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は本発明に係る第１のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源の接続図である。

始めに、全体の構成について説明する。
インバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源１００の入力端子１と出力端子６、７との間には、整流器２と、平滑コンデンサ３と、インバータ回路４と、変圧器５と、点線で囲んで示す第１の出力回路１０および第２の出力回路２０と、が配置されている。出力回路１０と出力回路２０は変圧器５の出力側および出力端子６、７に対して並列に接続されている。出力端子６と出力端子７との間には溶接負荷８が接続される。インバータ回路４は駆動回路９により制御される。

出力回路１０は、整流回路１２（ここでは２個のダイオードで構成されている。）と、直流リアクトル１３とから構成されている。直流リアクトル１３は整流回路１２の出力側と出力端子６との間に配置されている。直流リアクトル１３のリアクタンスは略１０μＨである。

出力回路２０は、整流回路２２（ここでは２個のダイオードで構成されている。）と、限流リアクタ２１と、直流リアクトル２３、コンデンサ２４および２個のフライホイール用のダイオード２５とから構成されている。直流リアクトル２３のリアクタンスは略３００μＨである。

限流リアクタ２１の両端は整流回路２２を介して変圧器５の出力側に接続されている。直流リアクトル２３は限流リアクタ２１の中点と出力端子６との間に配置されている。

コンデンサ２４の一方は限流リアクタ２１の中点に、他方はフライホイール用のダイオード２５のアノード側に接続されている。ダイオード２５の一方のカソード側は限流リアクタ２１の一方に、ダイオード２５の他方のカソード側は限流リアクタ２１の他方に、それぞれ接続されている。

次に、動作について説明する。

整流器２は、入力端子１に供給される商用交流電圧を直流に整流する。平滑コンデンサ３は整流器２によって整流された直流電圧を平滑する。インバータ回路４はＰＷＭ制御により、入力される直流電圧を高周波交流電圧に変換する。変圧器５は入力される交流電圧を溶接に適した電圧に降圧する。

出力回路１０の整流回路１２は、入力される交流電圧を直流電圧に変換する。

出力回路２０の限流リアクタ２１は整流回路２２に流れる電流を制限する。整流回路２２は、入力される交流電圧を直流電圧に変換する。コンデンサ２４は出力回路２０の出力電流を滑らかにする。

ここで、限流リアクタ２１が出力回路２０の外部特性に与える影響について説明する。

なお、出力回路１０の外部特性は定電圧特性である。また、限流リアクタ２１がない場合の出力回路２０の外部特性は、出力回路２０の外部特性と同様に、定電圧特性である。

図２は、出力回路１０と出力回路２０の外部特性を示す図であり、実線はインバータ回路の通電比率（インバータ回路がオンされてインバータ回路に電流が流れる時間のオンとオフされる時間との和に対する割合で、デューティともいう。）が高い場合、点線は通電比率が低い場合である。

出力回路２０において、直流リアクタ２３に流れる電流値は略以下のようになる。すなわち、限流リアクタ２１のリアクタンスとして通電比率が最大（１００％）の場合にコンデンサ２４をピークまで充電するように選定すると、出力回路２０の出力電流は略通電比率に比例する。また、例えば、通電比率が５０％の場合にコンデンサ２４がフルに充電されるようにコンデンサ２４と限流リアクタ２１を選定すると、出力回路２０の出力電流は通電比率が５０％までは略通電比率に比例するが、それ以上は飽和して増加しない。従って、出力回路２０の出力電流として大電流が必要な場合は、コンデンサ２４の容量を大きくして、限流リアクタ２１のリアクタンスを小さくする。

次に、定常状態における出力回路１０と出力回路２０の出力電流について、同図に実線で示す場合について説明する。なお、出力回路１０と出力回路２０の外部特性が交差する点の電流値は電流値Ｋである。

（１）出力電流値が電流値Ｋよりも小さい例えば電流値Ｂの場合（すなわち、溶接負荷が大きい場合）
出力回路２０の出力電圧が出力回路１０の出力電圧よりも高いので、出力回路２０から電流値Ｂの電流が出力端子６に供給される。

（２）出力電流値が電流値Ｋ以上である電流値Ｃの場合（すなわち、溶接負荷が小さい場合）
出力回路１０の出力電圧が出力回路２０の出力電圧よりも高いので、出力回路２０からは電流値Ｋの出力電流が、出力回路１０からは電流値（Ｃ−Ｋ）の出力電流が、それぞれ出力端子６に供給される。すなわち、溶接負荷８に流れる溶接電流の電流値は電流値Ｃである。

なお、出力回路１０の外部特性が定電圧特性であるといっても、通常は僅かな傾斜がある。このため、出力回路２０からは電流値Ｋよりも僅かに大きい電流が供給されるが、実用上無視できる程度の大きさである。

次に、溶接電流値について説明する。

図３は、出力端子６（すなわち溶接負荷８）に供給される電流値を説明する図である。

なお、溶接電流値はＣ（ただし、Ｃ≧Ｋ）に設定されている。

アーク溶接電源１００の図示を省略するスイッチをオンすると（時刻Ｔ０）、出力回路１０、２０の両者から電流が供給される。このとき、出力回路２０の出力電流は、直流リアクトル２３のリアクタンスが大きいため、電流値Ｋまで徐々に増加する。一方、出力回路１０の出力電流は、直流リアクトル１３のリアクタンスが小さいため、電流値（Ｃ−Ｋ）まで急速に増加する。

次に、過渡状態における出力電流の変化を、パルス溶接を行う場合について説明する。

図４は、パルス溶接時における溶接電流を示す図である。

パルス期間が開始されると（時刻Ｔ１）、上記溶接開始時の場合と同様に、リアクタンスが大きい直流リアクトル２３を備える出力回路２０から供給される電流は立ち上がりが緩やかであり電流値は徐々に増加するが、実用上無視できる変化である。一方、リアクタンスが小さい直流リアクトル１３を備える出力回路１０から供給される電流は立ち上がりが急峻であるため、電流値は直ちに増加する。この結果、溶接負荷８に対して、パルス期間開始とほぼ同時にパルス電流を供給することができる。

また、パルス期間が終了すると（時刻Ｔ２）、リアクタンスが小さい直流リアクトル１３を備える出力回路１０から供給される電流は立ち下がりが急峻であるため、電流値は直ちに減少する。一方、リアクタンスが大きい直流リアクトル２３を備える出力回路２０から供給される電流は立ち下がりが緩やかであるため、電流値は徐々に減少するが、実用上無視できる変化である。この結果、溶接負荷８に対して、ベース期間開始とほぼ同時（パルス期間の終了時）にベース電流を供給することができる。

ここで、例えば、電流値Ｋをベース電流よりも小さい値、例えば５Ａに設定しておくと、同図に示すように、出力回路２０がパルス電流に与える影響をほとんどなくすことができ、特に、５０アンペア以下のパルス溶接であっても安定な溶接を行うことができる。

また、図示を省略するが、ショートアーク溶接中に短絡が発生した場合にも、出力回路１０から立ち上がりが急峻な短絡電流が供給されるので短絡を速やかに解除できると共に、短絡電流が終了した直後も出力回路２０から供給される電流によりアークが維持されるので、安定した溶接を行うことができる。

なお、フライホイール用のダイオード２５は直流リアクトル２３に蓄えられたエネルギに起因する電圧が整流回路１２，２２に加わらないようにしている。

以上説明したように、本発明に依れば、インバータ周波数と、限流リアクトルおよびコンデンサ容量を選択することにより、第2の直流リアクトルに流れる電流を図２〜４で示すように設定することができる。

図５は、出力回路２０の変形例を示す図である。

この変形例の場合、限流リアクタ２１の一端は変圧器５の出力側に、他端は整流回路２２の入力側に、それぞれ接続されている。また、直流リアクトル２３は整流回路２２の出力側と出力端子６との間に配置されている。また、コンデンサ２４の一方は整流回路２３の出力側に、他方は出力端子７に接続されている。そして、フライホイール用のダイオード２５は、出力端子７と整流回路２３の入力側との間に配置されている。出力回路２０をこのように構成しても上記と同じ効果を得ることができる。

なお、動作は図１の場合と同じであるので、重複する説明を省略する。

本発明に係るアーク溶接電源の接続図である（実施例１）。 本発明に係る出力回路１０と出力回路２０の外部特性を示す図である。 本発明の動作を説明する図である。 本発明の動作を説明する図である。 本発明に係るアーク溶接電源の接続図である（実施例２）。 従来技術の説明図である。

符号の説明

４ インバータ回路
５ 変圧器
８ 溶接負荷
１０ 第１の出力回路
１２ 整流回路
１３ 直流リアクトル
２０ 第２の出力回路
２１ 限流リアクトル
２２ 整流回路
２３ 直流リアクトル
２４ コンデンサ

Claims (3)

1. インバータ回路から出力される交流電圧を降圧する変圧器と、第１の整流回路と、第１の直流リアクトルと、を備え、前記変圧器の出力側コイルから出力される交流電圧を前記第１の整流回路により整流して前記第１の直流リアクトルと溶接負荷が直列に接続された回路に供給するインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源において、
   一端が前記出力側コイルに接続される限流リアクトルと、入力側が前記限流リアクトルの他端に接続される第２の整流回路と、リアクタンスが前記第１の直流リアクトルよりも大きい第２の直流リアクトルと、コンデンサと、を設け、
   前記第２の直流リアクトルと前記溶接負荷が直列に接続され前記コンデンサがその両端に接続された回路に前記第２の整流回路の出力を供給することを特徴とするインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
2. 前記第２の整流回路の入力側と前記溶接負荷のマイナス側との間にフライホイール用のダイオードを配置することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。
3. 前記第１の直流リアクトルのリアクタンスを略１０μＨ、前記第２の直流リアクトルのリアクタンスを数百μＨ、とすることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御による消耗電極式のアーク溶接電源。

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