JP5047707B2 - アーク溶接用電源装置 - Google Patents

Description

本発明はインバータ回路にて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置に関するものである。

従来のアーク溶接用電源装置を含むアーク溶接装置としては、例えば、商用交流電源を整流器によって整流してまず直流電源を得て、その直流電源の出力をインバータ回路にて交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換し、再び整流器によって直流としてアーク溶接を行う（負荷、即ち電極と被加工物間に供給する）ものがある。

そして、上記したようなアーク溶接用電源装置としては、変圧器の励磁電流を検出し、その励磁電流が設定上限値を超えたときに偏磁発生と判断して、その後、交流半波の残り期間中インバータ回路のスイッチング素子を遮断させる禁止回路を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。このようなアーク溶接用電源装置では、偏磁に基づく大電流によるインバータ回路（スイッチング素子）の破損が防止される。
特開平４−３０５３６８号公報

しかしながら、上記した禁止回路は、偏磁が発生しだしてから機能するものであって、更に、スイッチング素子の遮断を優先させることで溶接性が悪くなってしまうことについては考慮されていない。つまり、上記したアーク溶接用電源装置では偏磁の発生自体を低減することが困難で、高い溶接性を安定して得ることが困難であった。

又、近年では、１台のアーク溶接装置（アーク溶接用電源装置）で種々の被加工物を溶接したいといった需要が高くなり、その被加工物の種類等に基づく溶接条件によっては特に偏磁が発生し易くなるため、偏磁の発生の低減が益々大きな課題となっている。

又、前記溶接条件に関わらず、特に消耗電極式のアーク溶接では、電極となる溶加材（溶接用ワイヤ）が溶けることで、電極と被加工物とが接触する短絡負荷状態と、電極と被加工物とが非接触となるアーク負荷状態とが交互に繰り返されるなど、負荷（溶接状態）が時間と共に大きく変化することになる。そして、アーク負荷状態において高い溶接性を得るべく制御目標への追従性（即ち制御ゲイン）を高く設定しておくと、短絡負荷状態で溶接電流が振動し易く、ひいては偏磁が発生し易くなってしまうという問題がある。又、勿論、短絡負荷状態において偏磁を低減すべく制御目標への追従性（制御ゲイン）を低く設定しておくと、アーク負荷状態における溶接性が悪くなってしまう。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができるアーク溶接用電源装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報が大きくなるとそれに比例して制御ゲインを高くするとともに、前記溶接インピーダンス情報が小さくなるとそれに比例して前記制御ゲインを低くする制御ゲイン変更手段を備え、前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出する。

同構成によれば、インバータ制御部における制御ゲイン変更手段にて、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインが変更されるため、各溶接条件や各溶接状態でそれぞれ最適な（高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる）制御ゲインとすることができる。例えば、アーク負荷状態においては制御ゲインを高く、短絡負荷状態においては制御ゲインを低くすることで、それぞれの状態において高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。

同構成によれば、電圧情報検出手段にて前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた（係数を掛け算した）値が前記溶接電圧情報として検出されるため、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷（電極及び被加工物）間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。

請求項２に記載の発明では、インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報が大きくなるとそれに比例して制御ゲインを高くするとともに、前記溶接インピーダンス情報が小さくなるとそれに比例して前記制御ゲインを低くする制御ゲイン変更手段を備え、前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出する。
同構成によれば、インバータ制御部における制御ゲイン変更手段にて、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインが変更されるため、各溶接条件や各溶接状態でそれぞれ最適な（高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる）制御ゲインとすることができる。例えば、アーク負荷状態においては制御ゲインを高く、短絡負荷状態においては制御ゲインを低くすることで、それぞれの状態において高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。

同構成によれば、電圧情報検出手段にて前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた（係数を掛け算した）値が前記溶接電圧情報として検出されるため、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷（電極及び被加工物）間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。

本発明によれば、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができるアーク溶接用電源装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
図１に示すように、アーク溶接装置は、アーク溶接用電源装置１とトーチ２とを備える。アーク溶接用電源装置１は、外部からの商用交流電源３を整流して直流電源を得るための整流器４と、その直流電源の出力を交流に変換するためのインバータ回路５と、インバータ回路５からの出力をアーク溶接に適した電圧に変換するための変圧器６と、変圧器６からの出力を再び直流に変換するための整流器７とを備える。そして、整流器７は、アーク溶接用電源装置１における一対の外部端子８ａ，８ｂにリアクトル９を介して接続され、一方（リアクトル９が接続された側）の外部端子８ａはケーブルを介してトーチ２に接続され、他方の外部端子８ｂは被加工物Ｗに接続されることになる。

本実施の形態のトーチ２は、図示しないワイヤ送給装置から送給される溶加材としての溶接ワイヤ１０を保持しつつアーク溶接用電源装置１からの出力を溶接ワイヤ１０に供給して該溶接ワイヤ１０を電極とするものである。

又、アーク溶接用電源装置１は、前記整流器７と前記外部端子８ｂとの配線における電流値を溶接電流情報Ｉａとして検出する電流検出器１１と、溶接条件及び溶接状態等に基づいて制御目標となる制御目標電流情報Ｉｒを出力する出力電流設定部１２と、前記制御目標電流情報Ｉｒと前記溶接電流情報Ｉａとの偏差を算出する減算部１３と、前記算出された偏差に基づいてＰＩ制御を行うインバータ制御部１４とを備える。このインバータ制御部１４は、ＰＩ制御の結果に基づいて制御信号Ｓを生成し、該制御信号Ｓにて前記インバータ回路５をＰＷＭ制御する。

即ち、前記インバータ回路５は、インバータ制御部１４からの制御信号Ｓによって作動するものであって、詳しくは、自身が備える複数のスイッチング素子が制御信号ＳによってＰＷＭ制御されることで直流電源の出力を交流に変換する。

ここで、本実施の形態のアーク溶接用電源装置１は、外部端子８ａ，８ｂ間、即ち、負荷（溶接ワイヤ１０及び被加工物Ｗ）間の電圧値を溶接電圧情報Ｖａとして検出する電圧検出器１５と、前記溶接電圧情報Ｖａを前記溶接電流情報Ｉａで除算して溶接インピーダンス情報Ｚを算出し前記インバータ制御部１４に出力する除算部１６とを備えている。

又、本実施の形態のインバータ制御部１４は、前記溶接インピーダンス情報Ｚに基づいて制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段としての制御ゲイン変更部１７を備えている。

詳しくは、本実施の形態の制御ゲイン変更部１７は、図３に示すように、主な溶接条件（被加工物Ｗや溶接ワイヤ１０が鉄の場合やアルミの場合等）や主な溶接状態（通常発生する短絡負荷状態やアーク負荷状態）にあるときの溶接インピーダンスの主な範囲Ｚａ内においては前記溶接インピーダンス情報Ｚの変化に比例して制御ゲインを変更する。又、本実施の形態の制御ゲイン変更部１７は、前記溶接インピーダンス情報Ｚが前記範囲Ｚａを僅かに下回ると（それ以下は全て）制御ゲインを下限値Ｇａに変更し、前記範囲Ｚａを僅かに上回ると（それ以上は全て）上限値Ｇｂに変更する。そして、インバータ制御部１４は、制御ゲイン変更部１７にて設定（変更）された制御ゲインを用いて前記制御信号Ｓを生成する。

次に、上記のように構成されたアーク溶接装置（アーク溶接用電源装置１）の特徴的な作用を図２に従って具体的に説明する。
図２（ａ）は、時間と共に変化する負荷、即ち溶接インピーダンス情報Ｚを示す。まずタイミングｔ１まではアーク負荷状態であって、タイミングｔ１から短絡負荷状態となり、更にタイミングｔ２からアーク負荷状態となっている。又、タイミングｔ１までのアーク負荷状態におけるタイミングｔａでは、被加工物Ｗに対する溶接ワイヤ１０の距離が若干変化したことにより溶接インピーダンス情報Ｚが若干大きくなっている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に対して出力電流設定部１２から出力される制御目標電流情報Ｉｒを示す。図２（ｂ）に示すように、出力電流設定部１２は、前記タイミングｔａで制御目標電流情報Ｉｒを若干低くし、前記タイミングｔ１で制御目標電流情報Ｉｒを高く（詳しくは一度低くした後、急激に高くし、更にその後徐々に高く）し、前記タイミングｔ２で制御目標電流情報Ｉｒを低くしている。尚、この出力電流設定部１２の動作は、予め設定された前記溶接条件と、時間とともに変化する溶接状態（例えば溶接電圧情報Ｖａ等）とに基づいて行われる。

そして、図２（ｃ）は、本実施の形態における図２（ａ）及び図２（ｂ）に応じた溶接電流、即ち溶接電流情報Ｉａを示す。
又、図２（ｄ）は、制御ゲインを大きく設定しておいた従来技術における図２（ａ）及び図２（ｂ）に応じた溶接電流（情報）を示す。

又、図２（ｅ）は、制御ゲインを小さく設定しておいた従来技術における図２（ａ）及び図２（ｂ）に応じた溶接電流（情報）を示す。
まず、図２（ｄ）に示すように、制御ゲインを大きく設定しておいた従来技術では、前記タイミングｔａ付近での制御目標電流情報Ｉｒ（破線で示す）に対する溶接電流の追従性が高いものの、短絡負荷状態で溶接電流が振動してしまっており、偏磁が発生し易い状態となっている。

一方、図２（ｅ）に示すように、制御ゲインを小さく設定しておいた従来技術では、短絡負荷状態で溶接電流が良好に（振動せずに）制御目標電流情報Ｉｒ（破線で示す）に追従しているものの、前記タイミングｔａ付近での制御目標電流情報Ｉｒに対する溶接電流の追従性が悪く（遅く）、溶接性が悪い状態となっている。

そして、図２（ｃ）に示すように、本実施の形態では、溶接インピーダンス情報Ｚが比較的に大きいアーク負荷状態においては制御ゲインが大きくなるため、前記タイミングｔａ付近での制御目標電流情報Ｉｒ（破線で示す）に対する溶接電流情報Ｉａの追従性が高くなっている。更に、溶接インピーダンス情報Ｚが比較的に小さい短絡負荷状態においては制御ゲインが小さくなるため、短絡負荷状態で溶接電流情報Ｉａが良好に（振動せずに）制御目標電流情報Ｉｒ（破線で示す）に追従している。

次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）インバータ制御部１４における制御ゲイン変更部１７にて、溶接インピーダンス情報Ｚに基づいて制御ゲインが変更されるため、各溶接条件や各溶接状態でそれぞれ最適な制御ゲインとすることができ、高い溶接性を得ながら、偏磁の発生を低減することができる。

（２）主な範囲Ｚａ内における溶接インピーダンス情報Ｚの変化に比例して制御ゲインが変更されるため、前記範囲Ｚａ内においては、例えば、複数段階で制御ゲインを変更するものに比べて、高精度に最適な制御ゲインとすることができる。よって、より高い溶接性を得ながら、偏磁の発生をより低減することができる。

上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、溶接電圧情報Ｖａを検出するための電圧情報検出手段を、負荷（溶接ワイヤ１０及び被加工物Ｗ）間の電圧値を溶接電圧情報Ｖａとして直接的に検出する電圧検出器１５としたが、これに限定されず、同様の溶接電圧情報を検出することができれば他の電圧情報検出手段に変更してもよい。

例えば、図４に示すように、電圧情報検出手段としての電圧情報検出部２１をインバータ制御部１４に設け、電圧情報検出部２１にて、前記インバータ制御部１４で生成した前記制御信号Ｓに含まれるパルス幅情報に基づいた値（係数を掛け算した値）を前記溶接電圧情報Ｖｂとして検出するようにしてもよい。尚、この場合、前記除算部１６は、前記溶接電圧情報Ｖａに替えて前記溶接電圧情報Ｖｂを前記溶接電流情報Ｉａで除算して溶接インピーダンス情報Ｚを算出する。又、インバータ回路５を制御するための前記制御信号Ｓに含まれるパルス幅情報は、負荷（溶接ワイヤ１０及び被加工物Ｗ）間の電圧値と比例関係にあるため、前記パルス幅情報に係数を掛け算することで溶接電圧情報Ｖｂを得ることができる。

このようにしても、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。しかも、このようにすると、溶接電圧情報Ｖｂを容易に高精度で検出することができる。即ち、例えば、負荷（溶接ワイヤ１０及び被加工物Ｗ）間の電圧値を溶接電圧情報として電圧検出器１５にて直接的に検出する場合、負荷までのケーブルの長さ等に基づくノイズにて電圧値を高精度に検出することが困難となるが、このノイズの悪影響を回避することができるので、溶接電圧情報Ｖｂを容易に高精度で検出することができる。

又、例えば、前記インバータ回路５で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた（係数を掛け算した）値を前記溶接電圧情報として検出する電圧情報検出手段に変更してもよい。このようにしても、上記別例（図４参照）と同様にノイズの悪影響を回避することができ、溶接電圧情報を容易に高精度で検出することができる。

・上記実施の形態では、制御ゲイン変更部１７は、主な範囲Ｚａ内における溶接インピーダンス情報Ｚの変化に比例して制御ゲインを変更するとしたが、これに限定されず、例えば、溶接インピーダンス情報Ｚに応じて複数段階（例えば２段階や５段階等）で制御ゲインを変更するようにしてもよい。又、上記実施の形態の制御ゲイン変更部１７は、溶接インピーダンス情報Ｚに対する制御ゲインを溶接条件に関わらず変更（設定）するよう記載したが、これに限定されず、例えば、被加工物Ｗや溶接ワイヤ１０が鉄の場合とアルミの場合とで溶接インピーダンス情報Ｚに対する制御ゲインを変更するようにしてもよい。即ち、制御ゲイン変更部１７は、図３に示す設定図やその計算式を２種類以上有し、それらを（例えば手動にて）選択可能としてもよい。このようにすると、より細かく高精度に最適な制御ゲインとすることができ、ひいては、より高い溶接性を得ながら、偏磁の発生をより低減することができる。

本実施の形態におけるアーク溶接装置のブロック図。 （ａ）時間−溶接インピーダンス情報特性図。（ｂ）時間−制御目標電流情報設定図。（ｃ）本実施の形態における時間−溶接電流情報特性図。（ｄ）（ｅ）従来技術における時間−溶接電流（情報）特性図。 本実施の形態における溶接インピーダンス情報−制御ゲイン設定図。 別例におけるアーク溶接装置のブロック図。

符号の説明

１…アーク溶接用電源装置、５…インバータ回路、６…変圧器、１４…インバータ制御部、１７…制御ゲイン変更部（制御ゲイン変更手段）、２１…電流情報検出部（電流情報検出手段）、Ｉａ…溶接電流情報、Ｓ…制御信号、Ｖａ，Ｖｂ…溶接電圧情報、Ｚ…溶接インピーダンス情報、Ｚａ…範囲。

Claims (2)

1. インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、
   前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報が大きくなるとそれに比例して制御ゲインを高くするとともに、前記溶接インピーダンス情報が小さくなるとそれに比例して前記制御ゲインを低くする制御ゲイン変更手段を備え、
   前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記制御信号に含まれるパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
2. インバータ制御部からの制御信号によってインバータ回路を作動させて直流電源の出力を交流に変換した後、変圧器によってアーク溶接に適した電圧に変換する方式のアーク溶接用電源装置において、
   前記インバータ制御部は、検出した溶接電圧情報を検出した溶接電流情報で除算した溶接インピーダンス情報が大きくなるとそれに比例して制御ゲインを高くするとともに、前記溶接インピーダンス情報が小さくなるとそれに比例して前記制御ゲインを低くする制御ゲイン変更手段を備え、
   前記溶接電圧情報を検出するための電圧情報検出手段は、前記インバータ回路で生成される交流を検出しその交流のパルス幅情報に基づいた値を前記溶接電圧情報として検出することを特徴とするアーク溶接用電源装置。

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