JP5375389B2 - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、くびれ検知技術を用いてスパッタの発生を抑制する溶接装置および溶接方法に関するものである。

近年、スパッタの発生量やビード外観や溶け込みといった溶接品質のさらなる高品位化が求められている。中でもスパッタの発生を低減することは、溶接品質が向上すると共に治具へのスパッタの付着を防ぐことで保守性が向上し、作業環境の改善を実現できる。従来のスパッタ低減方法としては、短絡終期に消耗電極ワイヤ先端のくびれを検知し、短絡電流を所定の電流まで下げることにより、アーク再発生時に発生するスパッタを低減するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８と図９を用いて、上記従来のスパッタの低減方法について説明する。図８は、従来の溶接装置の概略構成を示しており、図９は、くびれ検知によりスパッタ発生を低減している溶接電流波形とタイミングチャートを示している。

図８において、２３は溶接装置であり、１は整流部、２は平滑コンデンサ、３はインバータ部、４は変圧器、６は溶接出力検出部、７はくびれ検出部、８はＡＳ判定部、１０は計時部、１１は出力端子、１２は出力端子、１３は電流検出部、１４ａは整流部、１５ａはリアクタ、１７は外部機器、１８は制御部、１９ａは抵抗部、２０は母材、２１は溶接トーチ、２２は溶接ワイヤ、ＴＲ５ａは第５のスイッチング素子を示している。

図９において、Ｅ１はくびれ検知が発生した時点、Ｅ５は短絡状態からアークが再発生した時点、Ｅ６はアーク状態から短絡が発生した時点、Ｅ１０はＥ６発生から第４の所定時間Ｔ４が経過した時点、Ｉｓ５は所定の電流値を示している。

図８において、外部機器１７から溶接装置２３に給電される電力は、整流部１と平滑コンデンサ２とにより直流電圧に変換され、インバータ部３のインバータ駆動により変圧器４を介して溶接に適した高周波交流に変換され、整流部１４ａにて整流され、制御部１８により制御される第５のスイッチング素子ＴＲ５ａまたは第５のスイッチング素子ＴＲ５ａに並列に接続される抵抗部１９ａを介し、リアクタ１５ａにより出力平滑化されて出力端子１１と出力端子１２から出力される。出力端子１１と出力端子１２からの出力は、トーチ２１内部の給電チップから消耗電極である溶接ワイヤ２２に給電され、溶接ワイヤ２２の先端と母材２０との間にアークを発生させる。

また、くびれ検出手段であるくびれ検出部７は、溶接出力検出部６からの電圧検出信号を入力とし、電圧微分値を算出し、予め設定される検出レベル（例えば０．５Ｖ／ｍｓ）に達した場合にはくびれを検知したとしてくびれ信号を出力する。

図９において、時点Ｅ１でくびれ検知が発生し、くびれ検出部７から出力されるくびれ信号がＨｉｇｈレベルとなる。くびれ検出部７からのくびれ信号をうけた制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを遮断（オフ）するよう動作する。その結果、溶接電流は第５のスイッチング素子ＴＲ５ａには流れずに抵抗部１９ａを流れることとなり電流が急減する。そして、同時に図示しないインバータ制御部によりインバータ部３を制御することで、溶接電流を第５の所定電流値Ｉｓ５（例えば５０Ａ）まで低減させる。

溶接出力検出部６からの電圧検出信号を入力とし、アーク状態か短絡状態かを判定するＡＳ判定を行うＡＳ判定部８が、アークを判定する時点Ｅ５で、制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを導通（オン）するよう動作し、電流を急峻に上昇させて通常のアーク制御に移る。

このように、アークが再発生する時点Ｅ５での電流値を低く保持することで、アーク再発生時のスパッタの発生を抑制することができる。

アーク中、溶接出力検出部６からの電圧検出信号を入力とし、ＡＳ判定を行うＡＳ判定部８が短絡を判定する図９の時点Ｅ６で、制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを遮断（オフ）するよう動作する。その結果、溶接電流は抵抗部１９ａを介して流れることになるので、出力電流は急減する。

また、計時部１０により、時間がカウントされ、第４の所定時間Ｔ４の経過後の時点Ｅ１０において、制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを導通（オン）するよう動作し、所定の短絡開放制御に移行し、所定の短絡電流を出力して短絡の開放を促進する。

なお、この第４の所定時間Ｔ４は、短絡初期制御時間とよばれる数ｍｓの制御区間であり、これを設けることで、短絡初期の短絡を確実なものとし、不測な微小短絡を減少させ、溶接ワイヤ２２の先端部に形成される溶滴の母材２０への移行を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制することができる。

次に、交流溶接について説明する。近年、薄板溶接の溶接品質の向上を目的として、交流溶接装置が実現されている。交流溶接装置は、出力端子の極性を反転し、出力電流の極性を反転し、逆極性溶接と正極性溶接を交互に繰り返し、母材２０への入熱をコントロールすることが可能であり、薄板溶接やギャップ溶接に有効である（例えば、特許文献２参照）。

図１０を用いて、従来の交流溶接方法について説明する。図１０は、交流溶接が可能な溶接装置２４の概略構成を示しており、図８と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図１０において、５は制御部、ＴＲ１は第１のスイッチング素子、ＴＲ２は第２のスイッチング素子、ＴＲ３は第３のスイッチング素子、ＴＲ４は第４のスイッチング素子を示している。

図１０において、外部機器１７から溶接装置２４に給電される電力は、整流部１と平滑コンデンサ２とにより直流電圧に変換され、インバータ部３のインバータ駆動により変圧器４を介して溶接に適した高周波交流に変換され、整流部１４ａにて整流され、リアクタ１５ａにより出力平滑化される。そして、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第２のスイッチング素子ＴＲ２とが出力側に直列接続され、また、第３のスイッチング素子ＴＲ３と第４のスイッチング素子ＴＲ４とが出力側に直列接続されており、これらのスイッチング素子は、制御部５により制御される。

逆極性溶接を行う場合には、制御部５は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）する。そして、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電し、溶接トーチ２１内部の給電チップから消耗電極である溶接ワイヤ２２にはプラスが給電され、溶接ワイヤ２２の先端とマイナス給電された母材２０との間にアークを発生させる。

また、正極性溶接を行う場合には、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）する。そして、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電し、溶接トーチ２１内部の給電チップから消耗電極である溶接ワイヤ２２にはマイナスが給電され、溶接ワイヤ２２の先端とプラス給電された母材２０との間にアークを発生させる。

以上のように、交流溶接は、出力端子の極性を反転して出力電流の極性を反転し、逆極性溶接と正極性溶接を交互に繰り返して溶接を行うものである。

ここで、図８に示す構成の溶接装置２３で実現する低スパッタ溶接と、図１０に示す構成の溶接装置２４で実現する交流溶接を、同一の溶接装置で行うためには、例えば図１１に示すように、両者を単純に複合させた構成とすることが考えられる。

図１１は、従来の低スパッタ溶接が可能な溶接装置２３と従来の交流溶接が可能な溶接装置２４を単純に複合した溶接装置２５の概略構成を示す図である。図１１の溶接装置２５は、低スパッタ溶接を実現するための第５のスイッチング素子ＴＲ５ａの構成と、交流溶接を実現するための第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４の構成を有している。

図１１において、制御部５は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）して逆極性溶接を行う。

そして、低スパッタ溶接を実現するために、くびれ検知が発生した際には、制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを遮断／導通し、出力電流を急減して低スパッタ溶接を実現する。

また、交流溶接を実現するためには、制御部１８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５ａを導通（オン）する。そして、制御部５は、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４を交流動作させて交流溶接を実現する。

次に、図１２を用いて、低スパッタ溶接と交流溶接を実現する構成にハーフブリッジを採用した場合の溶接装置２６の例を示す。図８や図１０と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図１２において、１５ｂはリアクタ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは整流部、１９ｂは抵抗部、ＴＲ５ｂは第６のスイッチング素子を示している。そして、図１１の構成と同様に、同一の溶接装置にて低スパッタ溶接と交流溶接を実現できる。

特開２００６−１２２９１２号公報 特開昭５８−３８６６４号公報

しかしながら、図８に示す構成で実現できる低スパッタ溶接と、図１０に示す構成で実現できる交流溶接を、一つの溶接装置で行うために、図１１や図１２に示すように、図８の構成と図１０の構成を単に複合させた構成とすると、溶接装置が非常に複雑になり、また、高価となってしまうという課題を有していた。

本発明は、低スパッタ溶接と交流溶接を行うことができる溶接装置を簡単な構成で安価に提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の溶接装置は、出力端子の極性反転が可能な溶接装置であって、溶接出力を検出する溶接出力検出部と、前記溶接出力検出部の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するくびれ検出部とを備え、前記くびれ検出部がくびれ現象を検出すると前記出力端子の極性反転を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、時間を計時する計時部を備え、前記くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから第１の所定時間が経過した時点で再度出力端子の極性反転を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、溶接出力検出部の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するアーク／短絡判定部を備え、くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから前記アーク／短絡判定部がアークを検出するまでの短絡期間中あるいはアークを検出した時点で再度出力端子の極性反転を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、溶接出力検出部の検出結果に基づいて出力電流が所定値以下に達したことを判定する出力電流判定部を備え、くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから前記出力電流判定部が出力電流が第１の所定値以下に達したことを判定した時点で再度出力端子の極性反転を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、くびれ検出部がくびれ現象を検出した時点の溶接出力検出部が検出した出力電流が、第２の所定値以上の場合には、前記くびれ検出部がくびれ現象を検出しても出力端子の極性反転を行わないものである。

また、本発明の溶接装置は、出力端子の極性反転が可能な溶接装置であって、溶接出力を検出する溶接出力検出部と、前記溶接出力検出部の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するくびれ検出部と、前記溶接出力検出部の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するアーク／短絡判定部を備え、前記くびれ検出部がくびれ現象を検出すると出力端子の極性反転を行い、前記アーク／短絡判定部がアーク期間から短絡期間になったことを検出すると再度前記出力端子の極性反転を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、アーク期間は逆極性出力を行い短絡期間は正極性出力を行う、または、アーク期間は正極性出力を行い短絡期間は逆極性出力を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、入力した電力を整流する整流部と、前記整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力を変圧する変圧器と、前記変圧器の出力側に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、前記変圧器の出力側に直列接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子から前記第４のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、逆極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子を導通し、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を遮断して溶接出力を行い、正極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子を遮断し、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を導通して溶接出力を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、入力した電力を整流する整流部と、前記整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力を変圧する変圧器と、前記変圧器の出力側に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、逆極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子を導通し、前記第２のスイッチング素子を遮断して溶接出力を行い、正極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子を遮断し、前記第２のスイッチング素子を導通して溶接出力を行うものである。

また、本発明の溶接方法は、出力端子の極性反転が可能な溶接装置を用いて溶接を行う溶接方法であって、溶接出力を検出するステップと、前記溶接出力の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するステップと、前記くびれ現象を検出すると前記出力端子の極性反転を行うステップと、からなるものである。

また、本発明の溶接方法は、出力端子の極性反転が可能な溶接装置を用いて溶接を行う溶接方法であって、溶接出力を検出するステップと、溶接出力の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するステップと、溶接出力の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するステップと、くびれ現象を検出すると出力端子の極性反転をステップと、アーク期間から短絡期間になったことを検出すると再度前記出力端子の極性反転を行うステップと、からなるものである。

以上のように、本発明の溶接装置は、出力端子の極性反転が可能な溶接装置であって、溶接出力を検出する溶接出力検出部と、溶接出力検出部の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するくびれ検出部とを備え、くびれ検出部がくびれ現象を検出すると、出力端子の極性反転を行うことにより溶接電流を低減して低スパッタ溶接を行うことができ、低スパッタを安価に実現することができる。

本発明の実施の形態における溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態における溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１における溶接電流とアーク／短絡信号とくびれ信号とスイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態２における溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態２における溶接電流とアーク／短絡信号とくびれ信号とスイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態３における溶接電流とアーク／短絡信号とくびれ信号とスイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態４における溶接電流とアーク／短絡信号とくびれ信号とスイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図 従来の溶接装置の概略構成を示す図 従来の溶接装置における溶接電流とアーク／短絡信号とくびれ信号とスイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図 従来の溶接装置の概略構成を示す図 従来の溶接装置の概略構成を示す図 従来の溶接装置の概略構成を示す図

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。図１と図２は、本実施の形態における溶接装置の概略構成を示す図である。図１はフルブリッジを用いた構成を示しており、図２はハーフブリッジを用いた構成を示している。図１や図２に示す溶接装置の動作を、図３を用いて説明する。図３は、溶接電流と、アーク／短絡信号と、くびれ信号と、スイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図である。

以下、短絡とアークを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接装置について説明する。

図１や図２に示す溶接装置において、１は整流部、２は平滑コンデンサ、３はインバータ部、４は変圧器、５は制御部、６は溶接出力検出部、７はくびれ検出部、８はＡＳ判定部、１０は計時部、１１は出力端子、１２は出力端子、１３は電流検出部、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは整流部、１５ａ，１５ｂはリアクタ、１７は外部機器、２０は母材、２１は溶接トーチ、２２は溶接ワイヤ、ＴＲ１は第１のスイッチング素子、ＴＲ２は第２のスイッチング素子、ＴＲ３は第３のスイッチング素子、ＴＲ４は第４のスイッチング素子である。

図３おいて、Ｅ１はくびれ検知が発生した時点、Ｅ２は時点Ｅ１から第１の所定期間Ｔ１が経過した時点、Ｅ４は出力電流が第１の所定電流値Ｉｓ１に達した時点、Ｅ５は短絡状態からアークが再発生した時点、Ｅ６は短絡が発生した時点、Ｅ７は時点Ｅ６から第２の所定期間Ｔ２が経過した時点、Ｅ９は出力電流が第２の所定電流値Ｉｓ２に達した時点、Ｅ１０は時点Ｅ６から第３の所定期間Ｔ３が経過した時点を示しており、Ｔ１は第１の所定期間、Ｔ２は第２の所定期間、Ｔ３は第３の所定期間、Ｉｓ１は第１の所定電流値、Ｉｓ２は第２の所定電流値、Ｉｓ３は第３の所定電流値、Ｉｓ４は第４の所定電流値を示している。

フルブリッジを用いた溶接装置２７である図１において、配電盤等の外部機器１７から給電される商用電源入力（２００Ｖ）は、ダイオード等で構成される整流部１と電解コンデンサ等で構成される平滑コンデンサ２とにより直流電圧に変換される。そして、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作にて駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されるインバータ部３のインバータ駆動により、変圧器４を介して溶接に適した高周波交流に変換される。そして、ダイオード等で構成される整流部１４ａにて整流され、リアクタ１５ａにより出力平滑化される。

リアクタ１５ａで平滑化された出力は、フルブリッジを構成する第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４を介して出力される。なお、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等で構成される。そして、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第２のスイッチング素子ＴＲ２とが出力側に直列接続され、第３のスイッチング素子ＴＲ３と第４のスイッチング素子ＴＲ４とが出力側に直列接続されている。第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびドライバ等で構成される制御部５により制御される。

制御部５は、逆極性溶接を行う場合には、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）し、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。そして、溶接トーチ２１の内部に設けられた図示しない給電チップを介して消耗電極である溶接ワイヤ２２にはプラスが給電され、溶接ワイヤ２２の先端とマイナス給電された母材２０との間でアークを発生させて溶接を行う。

ここで、逆極性溶接とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材２０から溶接ワイヤ２２への方向であり、溶接ワイヤ２２がプラス、母材２０がマイナスの場合をいう。また、正極性溶接とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、溶接ワイヤ２２から母材２０への方向であり、通常は溶接ワイヤ２２がマイナスであり、母材２０がプラスの場合をいう。

溶接出力検出部６は、出力端子１１と出力端子１２から出力される溶接出力電圧を検出し、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部１３により検出される溶接電流出力を検出する。

そして、くびれ検出手段でありＣＰＵ等で構成されるくびれ検出部７は、溶接出力検出部６からの電圧検出信号を入力とし、電圧微分値を算出し、予め設定される検出レベル（例えば０．５Ｖ／ｍｓ）に達した場合、くびれを検知したとしてくびれ信号を出力する。

ＡＳ（Ａｒｃ／Ｓｈｏｒｔ：アーク／短絡）判定を行うＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部８は、溶接出力検出部６からの電圧検出信号を入力とし、短絡判定中に予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した場合はＡＳ信号をアーク判定（Ｈｉｇｈレベル）とする。また、アーク判定中にアーク検出レベルよりも低い予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した場合、ＡＳ信号を短絡判定（Ｌｏｗレベル）とする。

図３に示す時点Ｅ１においてくびれ検知が発生すると、くびれ検出部７から出力されるくびれ信号がＨｉｇｈレベルとなる。くびれ検出部７からのくびれ信号を受けた制御部５は、溶接出力の極性を反転するため、図１に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４への駆動信号である駆動信号ＴＲ１と駆動信号ＴＲ２と駆動信号ＴＲ３と駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。

その結果、溶接電流の極性が反転し、逆極性から正極性へ移行し、逆極性側からみた溶接電流は急減する。同時に、図示しないインバータ制御部によりインバータ部３を制御し、溶接電流を第３の所定電流値Ｉｓ３（例えば逆極性側から見て−５０Ａ）になるように制御する。

なお、図３において、駆動信号ＴＲ１から駆動信号ＴＲ４が各々Ｈｉｇｈレベルの場合に、各スイッチング素子ＴＲ１からＴＲ４は導通（オン）するものとする。

このように、短絡開放直線のくびれを検出した時点で溶接装置２７の出力の極性を反転させて溶接電流を急減することにより、短絡からアークに移行する際のスパッタを低減することができる。

図３に示すように、くびれを検知した時点Ｅ１から、タイマー等で構成される計時部１０が時間をカウントし、予め設定される第１の所定期間Ｔ１が経過する時点Ｅ２において、制御部５は、再度極性反転するため、駆動信号ＴＲ１と駆動信号ＴＲ２と駆動信号ＴＲ３と駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）して出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。

その結果、溶接電流は正極性から逆極性に移行する。同時にインバータ部３を制御して溶接電流を第１の所定電流値Ｉｓ１（例えば逆極性側から見て５０Ａ）になるように制御する。

また、図３において、出力電流が第１の所定電流値Ｉｓ１に達した時点Ｅ４ではアークが再生しておらず、この場合は、アークが再生するまで溶接出力を第１の所定電流値Ｉｓ１に制御する。短絡状態からアークが再発生した時点Ｅ５において、ＡＳ判定部８はアークが発生したことを判定し、ＡＳ判定部８からの信号を受けた図示しないインバータ制御部によりインバータ部３を制御することにより所定のアーク制御に移行する。

このように、アーク再発生の時点Ｅ５で、第１の所定電流値Ｉｓ１の絶対値を低く保持することで、アーク再発生時のスパッタの発生を抑制できる。

また、第１の所定期間Ｔ１を短くすることで（例えば１００ｕｓ以下）、アークが再生する時点Ｅ５までの間に、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４は、十分な時間をもって逆極性側にスイッチングすることができ、スイッチング中にアーク期間となってしまうことを防ぐことができ、時点Ｅ５では、安定した逆極性の出力を行うことができ、時点Ｅ５でのアーク再生の際のアーク切れを防止することができる。

なお、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４がスイッチングを完全に行うには、数ｕｓ〜数十ｕｓを必要とする場合が一般的である。そして、スイッチングが完全でない場合、インバータ部３の出力を出力端子１１や出力端子１２に十分に伝達することができない。従って、スイッチング中に大出力が必要となるような場合には、出力パワーが不足してアーク切れの原因となる場合がある。

上記では、短絡終期のくびれを検出した際に出力端子１１と出力端子１２の極性を反転して溶接電流を急減してスパッタの抑制を行う例について説明したが、次に、アーク状態から短絡状態になったことを検出した際に出力端子１１と出力端子１２の極性を反転して短絡初期の溶接電流を急減してアーク状態から短絡状態となる際のスパッタの抑制を行う例について説明する。

図３において、アークから短絡が発生した時点Ｅ６において、ＡＳ判定部８は短絡判定して短絡であることを示すＡＳ信号を出力する。ＡＳ判定部８から短絡を示すＡＳ信号を受けた制御部５は、極性反転するため、駆動信号ＴＲ１と駆動信号ＴＲ２と駆動信号ＴＲ３と駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。

その結果、溶接電流は、極性反転し、逆極性から正極性へ移行し、逆極性側からみた溶接電流は、急減する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を所定の電流値Ｉｓ４（例えば逆極性側から見て−５０Ａ）に制御する。

図３に示すように、短絡判定した時点Ｅ６から計時部１０が時間をカウントし、予め設定される第２の所定期間Ｔ２が経過する時点Ｅ７において、制御部５は、極性を反転するため、駆動信号ＴＲ１と駆動信号ＴＲ２と駆動信号ＴＲ３と駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）して、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。

その結果、溶接電流は逆極性に移行する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を第２の所定電流値Ｉｓ２（例えば、５０Ａ）に制御し、第３の所定期間Ｔ３の期間中は、溶接出力を第２の所定電流値Ｉｓ２に電流制御し、第３の所定期間Ｔ３経過後の時点Ｅ１０において、所定の短絡開放制御に移行し、所定の短絡電流を出力し、短絡の開放を促進する。

時点Ｅ６における短絡発生後、溶接電流を急減し、短絡初期制御時間とよばれる第３の所定期間Ｔ３の制御区間を設けて電流を低い状態とすることで、短絡初期の短絡を確実なものとし、溶滴の母材への移行を確実なものとし、アークを安定させてスパッタの発生を抑制できる。

なお、上記では、逆極性出力を行う直流溶接の例を示したが、図１の構成において、交流溶接を行う場合には、制御部５が第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４のスイッチング動作を制御して正極性と逆極性を交互に繰り返すよう制御することで、実現可能である。

以上のように、くびれ発生時に出力端子１１と出力端子１２の極性反転を行うことで、出力電流を急減することができる。そして、アーク再生時の電流値の絶対値を低く保持することで、スパッタの発生を抑えることができる。また、短絡発生時に出力端子１１と出力端子１２の極性反転を行うことで、出力電流を急減することができる。そして、短絡初期の短絡を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制することができる。このように、低スパッタの直流溶接と、交流溶接を行うことが可能な溶接装置を実現できる。そして、従来のように、電流を急減するために抵抗とこの抵抗に並列に設けられたスイッチング素子を設けることなく、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４のスイッチングを制御することで電流を急減することができ、電流の急減を安価に実現することができる。

なお、本実施の形態では、逆極性を通常として溶接を行う例について説明したが、正極性を通常として溶接を行う場合においても、同様の制御を行い同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態の図３では、出力の極性反転を実現する構成に、図１に示すフルブリッジの構成を用いた例を示したが、図２に示すような交流出力を実現する構成にハーフブリッジの構成を用いても良い。そして、極性反転に関しては、例えば、第１のスイッチング素子ＴＲ１をオンとし、第２のスイッチング素子ＴＲ２をオフとしていた状態から、第１のスイッチング素子ＴＲ１をオフとし、第２のスイッチング素子ＴＲ２をオンとすることで極性を反転させることができる。

なお、本実施の形態では、図１に示すように第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４を、単独で配置する構成の例を示したが、電流容量や熱対策として、スイッチング素子を複数個並列に配置した構成としてもよい。

なお、図３に示すくびれ検知が発生した時点Ｅ１における短絡電流が、図示しない第３の電流閾値Ｉ３（例えば４００Ａ）を越えるような場合や、図３に示す短絡が発生した時点Ｅ６におけるアーク出力電流が、図示しない第３の電流閾値Ｉ３（例えば４００Ａ）を越えるような場合には、極性反転動作を無効とするようにしてもよく、インバータ部３の制御により出力電流を低減し、出力電流が第３の電流閾値Ｉ３（例えば４００Ａ）以下になった時点で、極性反転処理を行うようにしても良い。

このような制御を行うことで、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４の極性反転時に発生するサージ電圧による周辺素子の破損保護が可能となる。

ここで、第３の電流閾値Ｉ３は、極性反転時に発生するサージ電圧に影響を与える。そして、第３の電流閾値Ｉ３が低いほどサージ電圧は下がる傾向となる。しかし、本実施の形態の効果を得るためには、くびれを検知した時点で極性反転を行う必要があるので、第３の電流閾値Ｉ３を極力高い値にする必要がある。なお、許容されるサージ電圧の値は、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４を構成するＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴの信頼性定格やスイッチング速度や周辺のスナバ回路の構成に影響される。これらを考慮し、第３の電流閾値Ｉ３は例えば実験的に求めることができる。

なお、第３の電流閾値Ｉ３は、固定値（例えば４００Ａ）でもよく、または、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つに基づいて求める関数としてもよい。

なお、本実施の形態では、第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４が同時に反転する例を示したが、極性反転させる前後にて、短い時間（例えば５０ｕｓ）の間、半導体素子のサージ保護やアーク切れ対策を目的として、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第２のスイッチング素子ＴＲ２を同時に導通（オン）もしくは同時に遮断（オフ）したり、第３のスイッチング素子ＴＲ３と第４のスイッチング素子ＴＲ４を同時に導通（オン）もしくは同時に遮断（オフ）したりしても良い。

また、図３に示す第１の所定期間Ｔ１、第２の所定期間Ｔ２、第３の所定期間Ｔ３、第１の所定電流値Ｉｓ１、第２の所定電流値Ｉｓ２、第３の所定電流値Ｉｓ３、第４の所定の電流値Ｉｓ４の最適値は、溶接対象物や溶接条件等に合わせて、実験等により決めることができる。

そして、第１の所定期間Ｔ１は、固定値（例えば１００ｕｓ）でもよく、くびれ検出部７がくびれを検出した時点Ｅ１における溶接電流の関数（例えば、１５０Ａで検出した場合は、１００ｕｓに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

また、第２の所定期間Ｔ２は、固定値（例えば２００ｕｓ）でもよく、ＡＳ判定部８が短絡を検出した時点Ｅ６における溶接電流の関数（例えば、２００Ａで検出した場合は、２００ｕｓに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガスおよび溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

また、第３の所定期間Ｔ３は、固定値（例えば１５００ｕｓ）でもよく、ＡＳ判定部８が短絡を検出した時点Ｅ６における溶接電流の関数（例えば、２００Ａで検出した場合は、１５００ｕｓに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

なお、第１の所定電流値Ｉｓ１は、固定値（例えば５０Ａ）でもよく、くびれ検知部７がくびれを検出した時点Ｅ１における溶接電流の関数（例えば、２５０Ａで検出した場合は、５０Ａに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

また、第２の所定電流値Ｉｓ２は、固定値（例えば５０Ａ）でもよく、ＡＳ判定部８が短絡を検出した時点Ｅ６での溶接電流の関数（例えば、２００Ａで検出した場合は、５０Ａに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

また、第３の所定電流値Ｉｓ３は、固定値（例えば逆極性側から見た−５０Ａ）でもよく、くびれ検知部７がくびれを検出した時点Ｅ１における溶接電流の関数（例えば、２５０Ａで検出した場合は、逆極性側から見た−５０Ａに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

また、第４の所定電流値Ｉｓ４は、固定値（例えば逆極性側から見た−５０Ａ）でもよく、ＡＳ判定部８が短絡を検出した時点での溶接電流の関数（例えば、２００Ａで検出した場合は、逆極性側から見た−５０Ａに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

なお、所定の電流値Ｉｓ１と所定の電流値Ｉｓ３とは、Ｉｓ３＝−Ｉｓ１の関係を持たせても良い。

また、所定の電流値Ｉｓ２と所定の電流値Ｉｓ４とは、Ｉｓ４＝−Ｉｓ２の関係を持たせても良い。

（実施の形態２）
本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、出力電流判定部９を設けた点であり、極性反転はするが、電流が正極性とならずに逆極性の期間において再度極性反転を行うようにした点である。

本実施の形態の溶接装置について、図４と図５を用いて説明する。図４は本実施の形態の溶接装置２９の概略構成を示す図である。図４において、９は溶接出力検出部６が検出した出力電流の大きさを判定する出力電流判定部である。図５は、溶接電流と、アーク／短絡信号と、くびれ信号と、スイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図である。図５において、Ｉ１は第１の電流閾値、Ｉ２は第２の電流閾値、Ｅ３は出力電流が第１の電流閾値Ｉ１に達した時点、Ｅ８は出力電流が第２の電流閾値Ｉ２に達した時点を示している。

図５の時点Ｅ１でくびれ検知が発生すると、くびれ検出部７から出力されるくびれ信号がＨｉｇｈレベルとなる。くびれ検出部７からのくびれ信号を受けた制御部５は、極性反転するために、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。その結果、溶接電流は極性反転し、逆極性から正極性へ移行しようとして逆極性側からみた溶接電流は急減する。

図５に示すように、くびれを検知した時点Ｅ１から溶接電流が急減し、溶接出力検出部６からの電流検出信号を入力するＣＰＵ等で構成される出力電流判定部９は、出力電流が予め設定される第１の電流閾値Ｉ１（例えば逆極性での７５Ａ）に達したことを判定する。出力電流が第１の電流閾値Ｉ１に達した時点Ｅ３において、制御部５は、出力端子１１と出力端子１２の極性を反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）し、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。その結果、溶接電流は逆極性に移行する。

本実施の形態では、くびれを検知した時点Ｅ１で出力端子１１と出力端子１２の極性を反転した後、出力電流が逆極性から正極性に移行する前の第１の電流閾値Ｉ１となる時点Ｅ３において、再度出力端子の極性反転を行う。この出力端子の極性反転を行った後に出力電流が急減する傾きは、溶接トーチ２１や母材２０のひきまわし、リアクタ１５ａといった溶接経路のインピーダンスの状態に影響される。

よって、出力端子の極性反転した後に、実際に出力電流の極性が反転するまでには、ある程度の時間（数百ｕｓ以下）を要し、出力端子の極性反転から次の極性反転までの時間が短くなるような場合（例えば５０ｕｓ）は、図５に示す本実施の形態のように、溶接電流が０Ａまで到達せず、出力電流が極性反転しない場合もありえる。

出力電流が第１の電流閾値Ｉ１に達した時点Ｅ３において極性反転すると同時に、インバータ部３を制御して溶接電流を第１の所定電流値Ｉｓ１（例えば、５０Ａ）になるように制御する。図５において、出力電流が第１の所定電流値Ｉｓ１に達した時点Ｅ４ではアーク再生しておらず、この場合は、アークが再生するまで溶接出力として第１の所定電流値Ｉｓ１に一定となるように電流制御する。

また、短絡状態からアークが再発生した時点Ｅ５において、ＡＳ判定部８はアーク判定し、所定のアーク制御に移行する。このように、アークが再発生した時点Ｅ５での第１の所定電流値Ｉｓ１の絶対値を低く保持することで、アーク再発生時のスパッタの発生を抑制することができる。

次に、アーク状態から短絡状態となった短絡初期の制御について説明する。

図５において、アーク期間中に短絡が発生した時点Ｅ６において、ＡＳ判定部８は短絡が発生したことを判定する。ＡＳ判定部８から短絡判定であるＡＳ信号をうけた制御部５は、極性を反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。

その結果、溶接電流は、極性反転し、逆極性から正極性へ移行しようとし、逆極性側からみた溶接電流は急減する。

図５に示すように、短絡が発生して電流の急減を開始した時点Ｅ６から、出力電流判定部９は、出力電流が予め設定される第２の電流閾値Ｉ２（例えば逆極性での７５Ａ）に達したことを判定する。

出力電流が第２の電流閾値Ｉ２に達した時点Ｅ８において、制御部５は、極性を反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）し、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。

その結果、溶接電流は正極性から逆極性に移行する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を第２の所定電流値Ｉｓ２（例えば、５０Ａ）となるように制御する。第３の所定期間Ｔ３の間は、第２の所定電流値Ｉｓ２に電流制御し、第３の所定期間Ｔ３の経過後の時点Ｅ１０において、所定の短絡開放制御に移行して所定の短絡電流を出力し、短絡の開放を促進する。時点Ｅ６の短絡発生後、溶接電流を急減し、第３の所定期間Ｔ３の制御区間を設けることで、短絡初期の短絡を確実なものとし、溶滴の母材２０への移行を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制できる。

また、実施の形態１で図１を用いて説明したのと同様に、交流溶接を行うためには、図５において、制御部５が第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４を、正極性／逆極性を交互に繰り返すよう制御することで、実現可能である。

以上のように、くびれ発生時に出力端子の極性反転をおこなうことで、電流を急減することができ、アーク再生時の電流値の絶対値を低く保持することで、スパッタの発生を抑えることができ、短絡発生時に出力端子の極性反転を行うことで、電流を急減することができ、短絡初期の短絡を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制することができる低スパッタ溶接と交流溶接が可能な溶接装置を安価に実現できる。

なお、第１の電流閾値Ｉ１、第２の電流閾値Ｉ２の最適値は、溶接対象物や溶接条件等に合わせて実験などにより決定しても良い。

なお、第１の電流閾値Ｉ１は、固定値（例えば７５Ａ）でもよく、くびれ検知部７がくびれを検出した時点Ｅ１における溶接電流の関数（例えば、２５０Ａで検出した場合は、７５Ａに設定）としてもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数としてもよい。

なお、第２の電流閾値Ｉ２は、固定値（例えば７５Ａ）でもよく、ＡＳ判定部８が短絡を検出した時点Ｅ６における溶接電流の関数（例えば、２００Ａで検出した場合は、７５Ａに設定）でもよく、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、および溶接電流の設定電流の少なくとも１つから求める関数でもよい。

なお、くびれ検知部７がくびれを検出した時点Ｅ１で出力端子の極性反転を行ってから再度出力端子の極性反転を行う時点は、図３に示すように、くびれ検知した時点Ｅ１から計時部１０が時間をカウントし、予め設定される第１の所定期間Ｔ１が経過するＥ２と、図５に示すように、くびれ検知した時点Ｅ１から溶接出力検出部６からの電流検出信号を入力とし、出力電流判定部９が、出力電流が予め設定される第１の電流閾値Ｉ１（例えば逆極性での７５Ａ）に達したことを判定した時点Ｅ３とのどちらか一方が発生した時点でもよく、あるいは、時点Ｅ２と時点Ｅ３の両方が発生した時点、すなわち、時点Ｅ２と時点Ｅ３で遅く発生した方の時点としてもよい。

なお、アーク期間中にＡＳ判定部８が短絡を検出した時点で出力端子の極性反転する時点Ｅ６から、再度出力端子の極性反転を行う時点は、図３に示すように、短絡判定した時点Ｅ６から、計時部１０が時間をカウントし、予め設定される第２の所定期間Ｔ２が経過する時点Ｅ７と、図５に示すように、短絡が発生した時点Ｅ６から溶接出力検出部６からの電流検出信号を入力とし、出力電流判定部９が、出力電流が予め設定される第２の電流閾値Ｉ２（例えば逆極性での７５Ａ）に達したことを判定する時点Ｅ８のどちらか一方が発生した時点でもよく、時点Ｅ７と時点Ｅ８の両方が発生した時点、すなわち、時点Ｅ７と時点Ｅ８で遅く発生した方の時点としてもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、くびれ検知して極性を反転した後に、アーク状態から短絡を検出した時点で再度極性を反転するようにした点である。

本実施の形態の溶接装置について、図１と図３と図５と図６を用いて説明する。図６は、溶接電流と、アーク／短絡信号と、くびれ信号と、スイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図である。

図６の時点Ｅ１でくびれ検知が発生すると、くびれ検出部７から出力されるくびれ信号がＨｉｇｈレベルとなる。くびれ検出部７からのくびれ信号をうけた制御部５は、極性反転するために、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。

その結果、溶接電流は、極性反転し、逆極性から正極性へ移行し、逆極性側からみた溶接電流は、急減する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を第３の所定電流値Ｉｓ３（例えば逆極性側から見て−５０Ａ）に制御する。

そして、ＡＳ判定部８は、アーク判定を判定した時点Ｅ５でＡＳ信号を（Ｈｉｇｈ）とし、ＡＳ信号を受信した制御部５は、極性反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）して、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。

その結果、溶接電流は逆極性に移行する。同時に、所定のアーク制御に移行する。

以上のように、アークの再発生時点である時点Ｅ５における第３の所定電流値Ｉｓ３の絶対値を低く保持することで、アーク再発生時のスパッタの発生を抑制することができる。

なお、くびれ検知部７がくびれを検出した時点で出力端子の極性反転する時点Ｅ１から、再度出力端子の極性反転を行う時点は、図３に示すように、くびれ検知した時点Ｅ１から計時部１０が時間をカウントし、予め設定される第１の所定期間Ｔ１が経過するＥ２と、図５に示すように、くびれ検知した時点Ｅ１から溶接出力検出部６からの電流検出信号を入力とし、出力電流判定部９が出力電流が予め設定される第１の電流閾値Ｉ１（例えば逆極性での７５Ａ）に達したことを判定した時点Ｅ３と、図６に示すように、くびれ検知した時点Ｅ１からアーク判定した時点Ｅ５のうち、時点Ｅ２と時点Ｅ５のどちらかが発生した時点でもよく、あるいは、時点Ｅ３と時点Ｅ５のどちらかが発生した時点でもよい。

以上のように、本実施の形態では、アークの再発生時点である時点Ｅ５において必ず極性反転することで、くびれ検知後に瞬時にアークが再生したような場合でも、逆極性の状態を保持でき、施工上の問題が発生しない。すなわち、短絡期間からアーク期間になった場合に、極性を反転しないままアーク状態になることはなく、短絡期間からアーク期間になった場合には必ず極性を反転するものである。

（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、短絡中は正極性溶接を行い、短絡中にくびれを検知すると極性反転して逆極性溶接を行い、アーク中も逆極性溶接を行い、アーク期間が終了して短絡を検出すると極性反転して正極性溶接を行うようにした点である。

図１に示す溶接装置の動作について図７を用いて説明する。図７は、溶接電流と、アーク／短絡信号と、くびれ信号と、スイッチング素子の駆動信号の時間変化を示す図である。

図７に示すように、アーク中に短絡が発生した時点Ｅ６において、制御部５は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電し、正極性出力を行う。

図７の時点Ｅ１においてくびれ検知が発生すると、くびれ検出部７から出力されるくびれ信号がＨｉｇｈレベルとなる。くびれ検出部７からのくびれ信号をうけた制御部５は、極性反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通（オン）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断（オフ）し、出力端子１１にプラスを給電し、出力端子１２にマイナスを給電する。

その結果、正極性側からみた溶接電流は急減し、溶接電流は逆極性に移行する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を第１の所定電流値Ｉｓ１（例えば逆極性側から見て５０Ａ）に制御する。

図７において、出力電流が第１の所定電流値Ｉｓ１に達した時点Ｅ４においてはアークは再生しておらず、この場合は、アークが再生するまで溶接出力を第１の所定電流値Ｉｓ１に一定に電流制御する。

短絡状態からアークが再発生した時点Ｅ５において、ＡＳ判定部８はアーク判定し、所定のアーク制御に移行する。このように、アークの再発生時点である時点Ｅ５における第１の所定電流値Ｉｓ１の絶対値を低く保持することで、アーク再発生時のスパッタの発生を抑制できる。

図７において、アーク期間中に短絡が発生した時点Ｅ６において、ＡＳ判定部８は短絡判定し、ＡＳ判定部８からの短絡判定であるＡＳ信号をうけた制御部５は、極性を反転するため、駆動信号ＴＲ１、駆動信号ＴＲ２、駆動信号ＴＲ３、駆動信号ＴＲ４を出力し、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断（オフ）し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通（オン）して、出力端子１１にマイナスを給電し、出力端子１２にプラスを給電する。

その結果、溶接電流は、極性反転し、逆極性から正極性へ移行し、逆極性側からみた溶接電流は、急減する。同時にインバータ部３を制御し、溶接電流を第４の所定電流値Ｉｓ４（例えば逆極性側から見て−５０Ａ）に制御する。第３の所定期間Ｔ３の期間中は、溶接出力を第４の所定電流値Ｉｓ４に一定電流制御し、第３の所定期間Ｔ３の経過後の時点Ｅ１０において、所定の短絡開放制御に移行し、所定の短絡電流を出力し、短絡の開放を促進する。

時点Ｅ６の短絡発生後、溶接電流を急減し、短絡初期制御時間とよばれる第３の所定期間Ｔ３の制御区間を、設けることで、短絡初期の短絡を確実なものとし、溶滴の母材への移行を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制できる。

以上のように、くびれ発生時に出力端子の極性反転を行うことで電流を急減することができ、アーク再生時の電流値の絶対値を低く保持することでスパッタの発生を抑えることができ、短絡発生時に出力端子の極性反転を行うことで電流を急減することができ、短絡初期の短絡を確実なものとし、アークを安定させ、スパッタの発生を抑制することができる低スパッタ溶接と交流溶接が可能な溶接装置を安価に実現できる。

また、本実施の形態によれば、他の実施の形態に比べて極性反転の回数が低減することになり、スイッチング素子への負担が減る。そして、スイッチング回数が減ることでスイッチングロスが減り、動作温度にマージンをとることができ、信頼性の向上や冷却装置を簡易化することによるコストダウンを図ることができる。

また、極端に短い時間間隔の極性反転の可能性が減るため、常に安定した半導体のオン状態を保つことができ、アーク切れの危険も減り、安定した溶接が実現できる。

なお、本実施の形態では、アーク中は逆極性で溶接を行う例について説明したが、アーク中は正極性で溶接を行う場合についても同様の制御を行うことで同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明の溶接装置は、低スパッタ溶接と交流溶接をおこなうことができる溶接装置を安価に提供することができ、消耗電極式アーク溶接施工をおこなう自動車、造船、橋梁といったスパッタの発生や薄板の溶接性を問題としている業界で広く利用可能性がある。

Ｅ１ 時点（くびれ検知が発生した時点）
Ｅ２ 時点（時点Ｅ１からＴ１が経過した時点）
Ｅ３ 時点（出力電流がＩ１に達した時点）
Ｅ４ 時点（出力電流がＩｓ１に達した時点）
Ｅ５ 時点（短絡状態からアークが再発生した時点）
Ｅ６ 時点（短絡が発生した時点）
Ｅ７ 時点（時点Ｅ６からＴ２が経過した時点）
Ｅ８ 時点（出力電流がＩ２に達した時点）
Ｅ９ 時点（出力電流がＩｓ２に達した時点）
Ｅ１０ 時点（時点Ｅ６からＴ３が経過した時点）
Ｔ１ 第１の所定期間
Ｔ２ 第２の所定期間
Ｔ３ 第３の所定期間
Ｔ４ 第４の所定時間
Ｉ１ 第１の電流閾値
Ｉ２ 第２の電流閾値
Ｉ３ 第３の電流閾値
Ｉｓ１ 第１の所定電流値
Ｉｓ２ 第２の所定電流値
Ｉｓ３ 第３の所定電流値
Ｉｓ４ 第４の所定電流値
Ｉｓ５ 第５の所定電流値
１ 整流部
２ 平滑コンデンサ
３ インバータ部
４ 変圧器
５ 制御部
６ 溶接出力検出部
７ くびれ検出部
８ ＡＳ判定部
９ 出力電流判定部
１０ 計時部
１１ 出力端子
１２ 出力端子
１３ 電流検出部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 整流部
１５ａ，１５ｂ リアクタ
１７ 外部機器
１８ 制御部
１９ａ，１９ｂ 抵抗部
２０ 母材
２１ 溶接トーチ
２２ 溶接ワイヤ
２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９ 溶接装置
ＴＲ１ 第１のスイッチング素子
ＴＲ２ 第２のスイッチング素子
ＴＲ３ 第３のスイッチング素子
ＴＲ４ 第４のスイッチング素子
ＴＲ５ａ 第５のスイッチング素子
ＴＲ５ｂ 第６のスイッチング素子

Claims (11)

1. 出力端子の極性反転が可能な溶接装置であって、
   溶接出力を検出する溶接出力検出部と、
   前記溶接出力検出部の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するくびれ検出部とを備え、
   前記くびれ検出部がくびれ現象を検出すると前記出力端子の極性反転を行う溶接装置。
2. 時間を計時する計時部を備え、
   前記くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから第１の所定時間が経過した時点で再度出力端子の極性反転を行う請求項１記載の溶接装置。
3. 溶接出力検出部の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するアーク／短絡判定部を備え、
   くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから前記アーク／短絡判定部がアークを検出するまでの短絡期間中あるいはアークを検出した時点で再度出力端子の極性反転を行う請求項１記載の溶接装置。
4. 溶接出力検出部の検出結果に基づいて出力電流が所定値以下に達したことを判定する出力電流判定部を備え、
   くびれ検出部がくびれ現象を検出して出力端子の極性反転を行ってから前記出力電流判定部が出力電流が第１の所定値以下に達したことを判定した時点で再度出力端子の極性反転を行う請求項１記載の溶接装置。
5. くびれ検出部がくびれ現象を検出した時点の溶接出力検出部が検出した出力電流が、第２の所定値以上の場合には、前記くびれ検出部がくびれ現象を検出しても出力端子の極性反転を行わない請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接装置。
6. 出力端子の極性反転が可能な溶接装置であって、
   溶接出力を検出する溶接出力検出部と、
   前記溶接出力検出部の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するくびれ検出部と、
   前記溶接出力検出部の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するアーク／短絡判定部を備え、
   前記くびれ検出部がくびれ現象を検出すると出力端子の極性反転を行い、
   前記アーク／短絡判定部がアーク期間から短絡期間になったことを検出すると再度前記出力端子の極性反転を行う溶接装置。
7. アーク期間は逆極性出力を行い短絡期間は正極性出力を行う、または、アーク期間は正極性出力を行い短絡期間は逆極性出力を行う請求項６記載の溶接装置。
8. 入力した電力を整流する整流部と、
   前記整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部の出力を変圧する変圧器と、
   前記変圧器の出力側に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、
   前記変圧器の出力側に直列接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子から前記第４のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   逆極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子を導通し、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を遮断して溶接出力を行い、
   正極性出力を行う場合には、
   前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子を遮断し、
   前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を導通して溶接出力を行う請求項１から７のいずれか１項に記載の溶接装置。
9. 入力した電力を整流する整流部と、
   前記整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部の出力を変圧する変圧器と、
   前記変圧器の出力側に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   逆極性出力を行う場合には、前記第１のスイッチング素子を導通し、前記第２のスイッチング素子を遮断して溶接出力を行い、
   正極性出力を行う場合には、
   前記第１のスイッチング素子を遮断し、前記第２のスイッチング素子を導通して溶接出力を行う請求項１から７のいずれか１項に記載の溶接装置。
10. 出力端子の極性反転が可能な溶接装置を用いて溶接を行う溶接方法であって、
    溶接出力を検出するステップと、
    前記溶接出力の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するステップと、
    前記くびれ現象を検出すると前記出力端子の極性反転を行うステップと、からなる溶接方法。
11. 出力端子の極性反転が可能な溶接装置を用いて溶接を行う溶接方法であって、
    溶接出力を検出するステップと、
    溶接出力の検出結果に基づいて短絡開放直前のくびれ現象を検出するステップと、
    溶接出力の検出結果に基づいてアーク／短絡を判定するステップと、
    くびれ現象を検出すると出力端子の極性反転をステップと、
    アーク期間から短絡期間になったことを検出すると再度前記出力端子の極性反転を行うステップと、からなる溶接方法。

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