JP5551664B2

JP5551664B2 - コンデンサ式溶接方法及び溶接装置

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Inventors: 康雄角谷; 幸次新井; 秋男小松; 清美渡辺
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Description

この発明は、充電回路により溶接用コンデンサに蓄えたエネルギーを溶接トランスを介して短時間で溶接電極間に放電することによって被溶接物を溶接するコンデンサ式溶接方法及び溶接装置に関する。

コンデンサ式溶接装置は、放電時間に比べて長い時間をかけて溶接用コンデンサに溶接電力を蓄え、それを短時間で一気に放電するので、一般的な交流溶接装置に比べて、受電設備が大容量化しないという設備面での利点がある。また、被溶接物が加熱される度合いが小さいので、溶接箇所の溶接痕（焼け）がほとんど無く、また歪なども小さいという利点を有することから小型から大型までの産業設備で採用されている。

コンデンサ式溶接装置は、一般的に多数の電解コンデンサを並列接続してなるコンデンサバンクを溶接用コンデンサとして用いている（例えば、特許文献１参照）。コンデンサ式溶接装置による溶接方法は広く知られているので詳しく説明しないが、溶接電極間に被溶接物を配置した後、溶接電極間の間隔を狭め、溶接電極で被溶接物に所定の加圧力（鍛圧）を与える。このような機械的動作を行いながら、並行して溶接用コンデンサを充電し、溶接用コンデンサの充電電圧が所定値まで上昇すると、充電回路をオフにし、溶接電極が被溶接物に加圧力を与えた状態で、放電用スイッチをオンさせる。このようにすることによって、溶接トランスの１次巻線には急峻に増大するパルス状の電流が流れる。溶接トランスの２次巻線は１ターン程度であって、１次巻線の巻数よりも大幅に少ないので、２次巻線には１次側電流よりも大幅に大きなパルス状の溶接電流が被溶接物に流れて溶接を行い、溶接物品を短時間で得ることができる。

従来のコンデンサ式溶接装置にあっては、溶接用コンデンサの放電回路における回路定数などによって放電電流、つまり溶接電流の波尾が長くなるものがある。このように波尾の長い溶接電流が流れるコンデンサ式溶接装置を用いて短い周期で溶接を行う場合、溶接電極の機械的な動作時間を考慮すると、溶接結果に影響を及ぼさない溶接電流の波尾をカットする。つまり、減少した溶接電流が溶接電極間をまだ流れているときに、溶接電極間が開く方向に溶接電極を移動させ始め、出来るだけ溶接周期を短くすることが行われている。

この場合、溶接トランスの２次巻線に溶接電流の波尾部分が流れているときにその２次巻線間を開放するので、その１次巻線間に大きな電圧が誘起されると同時に、溶接電極と被溶接物との間にアフターフラッシュと称されるスパークが発生し、被溶接物に傷をつけてしまうという問題がある。このアフターフラッシュの問題を解決する考案が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、アフターフラッシュを防止するために、溶接トランスの１次巻線間に、ダイオードとインピーダンスとを直列接続してなる一方向インピーダンス回路を備えている。この一方向インピーダンス回路は溶接電流の波尾部分が溶接電極間を流れている状態で、溶接電極間を開放する際に発生するアフターフラッシュを防止するには有効な手段である。

しかしながら、本発明が適用されるコンデンサ式溶接方法及び溶接装置にあっては、回路内のインダクタンス成分と溶接用コンデンサなどのキャパシタ成分との振動（共振）を利用している。このため、溶接用コンデンサの放電電流波形はインダクタンス成分とキャパシタ成分との振動動作によって正弦波状に近い波形となるので、溶接周期に影響を与えるような長い波尾は生じない。したがって、本発明では、溶接周期を短くする場合において、溶接電流の波尾は特に考慮する必要がないが、溶接トランスの励磁電流が問題となることが分かったので、この励磁電流に起因する問題を解決する。

溶接用コンデンサが放電される際の溶接トランスの励磁電流については後に詳述するので、ここでは簡単に述べる。放電用スイッチがオンし、溶接用コンデンサの充電電圧が溶接トランスの１次巻線に加わるとき、１次巻線に励磁電流が流れる。この状態で、放電用スイッチがオフすると、１次巻線を流れていた励磁電流は溶接トランスの２次巻線に転流し、２次巻線及び溶接電極を通して還流する。なお、このとき、溶接用コンデンサの充電電荷の放電に伴う溶接電流は既に消滅しており、２次巻線を流れていない。一般的に、溶接が終わった後の溶接電極間のインピーダンスは非常に小さく、溶接トランスの２次側の回路の抵抗成分も小さくなるように製作されているので、溶接電流が消滅してから数秒以内に、励磁電流が溶接トランスの２次側の回路内による消費によって消滅されることはほとんど無い。

したがって、インダクタンス成分と溶接用コンデンサなどのキャパシタ成分との振動を利用するコンデンサ式溶接にあっては、溶接周期をかなり長くしない限り、励磁電流が２次巻線から溶接電極間を流れている状態で、溶接電極間を開放することになる。このような状態で溶接電極間を開放すると、励磁電流によるアフターフラッシュが生じると共に、溶接トランスの１次巻線にかなり大きなサージ電圧が発生する。よって、アフターフラッシュによる傷が無い高品質の溶接物品を得るのは難しく、また、耐圧の大きなサイリスタなどの放電用スイッチを用いなければならないためコストアップの原因となっていた。

特開２０００−３５６２３０号公報実公平７−５６１３７号公報

特許文献１には、コンデンサ式溶接機が記載されているが、溶接トランスの２次巻線から溶接電極間に電流が流れているときに溶接電極間を開放することは勿論のこと、そのときの問題点などについても記述されていない。このため、特許文献１に記載される発明の場合、溶接トランスの２次巻線から溶接電極間に電流が流れているときに溶接電極間を開放するとアフターフラッシュが生じると共に、１次巻線に大きなサージ電圧が発生するので、耐圧の大きな放電用スイッチや充電回路などを用いなければならない。

特許文献２に記載される考案は、充電電流の波尾が長い場合において、溶接周期を短縮するときに発生するアフターフラッシュを防止するためのものであり、ダイオードとインピーダンスとを直列接続してなる一方向インピーダンス回路を新たに備えている。しかし、特許文献２には、溶接トランスの１次巻線に流れていた励磁電流が２次巻線に転流して流れる動作や、励磁電流が２次巻線に流れているときに溶接電極間を開放した場合の問題及びその問題を解決する方法や手段については記述されていない。

本発明は、上述した従来の課題を解決することを目的とする。本発明は、励磁電流が流れている状態で溶接電極間を開放するときには、溶接用コンデンサの充電電荷を放電するための放電用スイッチがオン状態にあるように設定することで、励磁電流が流れている溶接電極間を開放するときにアフターフラッシュが発生したり、１次巻線にサージ電圧が発生したりするのを防止することができる。

第１の発明は、充電回路から給電される電力によって溶接用コンデンサを充電し、放電用スイッチをオンして前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を溶接トランスの１次巻線に放電し、前記溶接トランスの２次巻線及び該２次巻線に接続された第１の溶接電極と第２の溶接電極とを通して溶接電流を被溶接物に通電して該被溶接物を溶接するコンデンサ式溶接方法であって、前記溶接用コンデンサに充電された前記充電電荷を放電して、放電電流が前記放電用スイッチを通して実質的に流れない状態になると、前記溶接トランスの前記１次巻線を流れていた励磁電流は前記２次巻線に転流し、前記２次巻線に前記励磁電流が流れている状態で前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときには、駆動信号を与えて前記放電用スイッチをオンできる状態にし、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに前記溶接トランスの前記１次巻線に生じるサージ電圧を前記放電用スイッチを通して前記溶接用コンデンサにサージ電流として流すことを特徴とするコンデンサ式溶接方法を提案する。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記駆動信号は連続する信号又は高周波で断続する信号であり、前記駆動信号は、前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を放電するときに前記半導体スイッチに与えられ、その後、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときまで少なくとも前記半導体スイッチに与えられていることを特徴とするコンデンサ式溶接方法を提案する。

第３の発明は、前記第１の発明において、前記駆動信号は連続する信号又は高周波で断続する信号であり、前記駆動信号は、前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を放電するときに前記半導体スイッチに与えられた後、前記駆動信号は前記半導体スイッチから除去され、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放する直前には少なくとも前記半導体スイッチに再び与えられることを特徴とするコンデンサ式溶接方法を提案する。

第４の発明は、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかにおいて、前記放電用スイッチの再度のオンによって前記溶接用コンデンサに充電される前記サージ電流による電荷は前記充電電荷の極性と逆の逆極性電荷であり、その逆極性電荷は前記充電電荷と同極性の電荷として前記溶接用コンデンサに還流されて充電され、次の周期の前記充電電荷の一部分になることを特徴とするコンデンサ式溶接方法を提案する。

第５の発明は、逆阻止機能を有する充電回路と、その充電回路から給電される電力によって充電される溶接用コンデンサと、前記溶接用コンデンサの充電電荷を放電する放電用スイッチと、１次巻線と２次巻線とを有する溶接トランスと、前記２次巻線に接続された第１の溶接電極と第２の溶接電極とを備え、前記放電用スイッチがオンするとき前記溶接用コンデンサの前記充電電荷を前記１次巻線に放電し、前記２次巻線及び前記第１の電極と前記第２の電極とを介して溶接電流を被溶接物に通電して、該被溶接物を溶接するコンデンサ式溶接装置であって、前記溶接トランスの前記２次巻線に励磁電流が流れている状態で前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに、前記放電用スイッチをオンできる状態にするための駆動信号を前記放電用スイッチに与えるコントローラを備え、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに、前記溶接トランスの前記１次巻線に生じるサージ電圧を前記放電用スイッチを通して前記溶接用コンデンサにサージ電流として流すことを特徴とするコンデンサ式溶接装置を提案する。

第６の発明は、前記第５の発明において、前記放電用スイッチの再度のオンによって前記溶接用コンデンサに充電される前記サージ電流による電荷は前記充電電荷の極性と逆の逆極性電荷であり、該逆極性電荷を前記充電電荷と同極性の電荷として前記溶接用コンデンサに流すエネルギー回収用スイッチが、前記放電用スイッチと逆の極性で並列に接続されることを特徴とするコンデンサ式溶接装置を提案する。

本発明は、簡単な回路構成で、励磁電流が流れている溶接電極間を開放するときにアフターフラッシュが発生するのを防止でき、１次巻線に大きなサージ電圧が発生するのを防止することができる。

本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための図である。本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための図であり、放電用スイッチ６がオンした直後の状態を説明する図である。本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための図であり、放電用スイッチ６がオフした直後の状態を説明する図である。本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための図であり、溶接電極間が開放された直後の状態を説明する図である。本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法を説明するための図であり、溶接電極間が開放されるときに放電用スイッチ６がオンする状態を説明する図である。本発明の実施形態１に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための電圧波形、電流波形、駆動信号波形を示す図である。本発明の実施形態２に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための図である。本発明の実施形態２に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置を説明するための電圧波形、電流波形、駆動信号波形を示す図である。

本発明に係るコンデンサ式溶接方法及び溶接装置は、溶接用コンデンサに充電された充電電荷を溶接トランスの１次巻線を通して放電するために必要不可欠な放電用スイッチを、溶接トランスの２次巻線から溶接電極間に励磁電流が流れている状態で溶接用電極間を開放するときに、オン状態にあるように設定する。これにより、溶接トランスの励磁電流が流れている溶接電極間を開放するときにアフターフラッシュが発生したり、１次巻線にサージ電圧が発生したりするのを防止することを特徴としている。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に示す実施形態によって、本発明は限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない限り、本発明に含まれるものとする。また、本発明で用いる溶接という用語は、溶接箇所の発熱により双方の金属が溶融してナゲットを形成する溶接だけではなく、溶接箇所の発熱により双方の金属が塑性流動化して接合する拡散接合も含む。なお、本明細書及び図面において、符号が同じ構成要素は同一の名称の部材を示すものとする。第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間に溶接電流を流すために加圧力（鍛圧）を与える加圧機構や第１の溶接電極７又は第２の溶接電極８を駆動する駆動機構、各種の検出回路など、本発明の動作を説明する上で特に必要とならない機構については図示を省略する。

［実施形態１］
図１〜図６によって本発明に係る実施形態１の溶接方法及びコンデンサ式溶接装置について説明する。図１に示すコンデンサ式溶接装置は、充電回路１、充電回路１の直流出力端子２と３、１次巻線４ａと２次巻線４ｂとを有する溶接トランス４、溶接用コンデンサ５、放電用スイッチ６、２次巻線４ｂに接続されている第１の溶接電極７と第２の溶接電極８、放電用スイッチ６に絶縁駆動回路９を介してオン信号を与えるコントローラ１０で構成される。なお、本実施形態１の説明においては、図１〜図６を適宜参照することとする。

Ｗ１とＷ２とは、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間に配置され、加圧された状態で溶接電流が通電されることにより溶接される被溶接物であり、ここでは溶接電流が通電して溶接が行われた後の被溶接物を溶接物品という。図１に示すコンデンサ式溶接装置は、溶接用コンデンサ５の充電電流と放電電流とが溶接トランス４の１次巻線４ａを互いに逆方向に流れるので、溶接トランス４が偏励磁され難いという利点がある。

充電回路１は、溶接用コンデンサ５を充電するための回路であり、回路構成は特に限定されない。充電回路１について具体的な回路を図示しないが、幾つかの例を簡単に述べる。入力電源としては、単相もしくは三相の商用交流電源、又は発電機などが用いられる。入力電源が単相交流電力である場合には、整流用ダイオードをブリッジ構成に接続した単相全波整流回路とその直流出力側に直列接続されたサイリスタのような半導体スイッチとからなる開閉機能を有する充電回路、又は整流用ダイオードとサイリスタとをブリッジ構成に接続した開閉機能を有する単相の混合ブリッジ形全波整流回路などを充電回路１として用いてもよい。また、入力電源が三相交流電力である場合には、整流用ダイオードを三相ブリッジ構成に接続した三相全波整流回路とその直流出力側に直列接続された半導体スイッチとを備えた開閉機能を有する充電回路、又は整流用ダイオードとサイリスタとを三相ブリッジ構成に接続した開閉機能を有する三相の混合ブリッジ形全波整流回路などを充電回路１として用いてもよい。

また、充電回路１は、溶接用コンデンサ５が放電した後、溶接トランス４の漏れインダクタンスや回路のインダクタンス分を有する合成のインダクタンスＬと溶接用コンデンサ５のキャパシタＣとからなる振動（共振）による充電電圧とは逆極性の電圧、すなわち、反転電圧ではオンしないようにする。この動作を実現するために、反転電圧を阻止する開閉機能を有する回路構成のものを用いる。具体的には、充電用の整流回路の正極側または負極側の整流素子にサイリスタを用い、充電終了後にゲート信号を与えないようにする。

溶接トランス４の１次巻線４ａと溶接用コンデンサ５との直列回路は、充電回路１の直流出力端子２、３間に並列に接続される。溶接トランス４は、１ターン程度の２次巻線４ｂとこれに比べて巻数の大きな１次巻線４ａとを有する一般的なものでよい。溶接トランス４の２次巻線４ｂの両端には、第１、第２の溶接電極７、８が接続される。第１、第２の溶接電極７、８は一般的なものでもよいので説明を省略する。溶接用コンデンサ５は、例えば、複数の有極性の電解コンデンサを並列に接続したブロックやこれらのブロックを複数個並列に接続したコンデンサバンク、又は無極性（両極性）の、例えばポリプロピレンフィルムコンデンサを複数個並列に接続したブロックやこれらのブロックを複数個並列に接続したコンデンサバンクなどである。

放電用スイッチ６は、溶接トランス４の１次巻線４ａと溶接用コンデンサ５との直列回路に並列に接続され、放電用スイッチ６がオンすると溶接用コンデンサ５からの放電回路が形成される。実施形態１では、放電用スイッチ６としてサイリスタを用いるので、実施形態１の以下の説明では、放電用スイッチ６を放電用サイリスタ６として説明する。また、放電用サイリスタ６は、アノード側が充電回路１の直流出力端子２に、カソード側が直流出力端子３にそれぞれ接続され、充電回路１がコンデンサ５を充電する期間では放電用サイリスタ６はオフ状態である。

コントローラ１０は、絶縁駆動回路９を介して放電用スイッチ６に駆動信号を与える。絶縁駆動回路９は、例えば、ホトカプラを用いて、コントローラ１０からのゲート信号を絶縁伝達し、図示しないゲートアンプでサイリスタのゲート信号を発生する。ホトカプラとゲートアンプは一般的なものでもよいので、詳細な説明を省略する。実施形態１では、コントローラ１０は、図６（Ｃ）に示すような時刻ｔ１から時刻ｔ２の後まで連続する駆動信号を絶縁駆動回路９を通して放電用サイリスタ６のゲート−カソード間に与える。

次に、実施形態１にかかるコンデンサ式溶接方法及び装置の動作を説明する。図２は放電用サイリスタ６がオンして溶接用コンデンサ５の充電電荷を放電する状態を説明するための図、図３は溶接用コンデンサ５の充電電荷を放電して放電用サイリスタ６がオフした状態を説明するための図、図４は放電用サイリスタ６がオフした状態で第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間が開放された状態を説明するための図、図５は第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間が開放されるときに放電用サイリスタ６がオンする状態を説明するための図、図６は各部の電流波形と電圧波形、駆動信号波形を示す図である。

図１において、充電回路１が充電動作を開始すると、直流電流が直流出力端子２から溶接トランス４の１次巻線４ａ、溶接用コンデンサ５を通して直流出力端子３に流れ、溶接用コンデンサ５は図２に示す極性で充電される。このような充電を、例えば交流電源の周波数で、所要のサイクル行うことによって、溶接用コンデンサ５の充電電圧は、段階的に上昇し、図２に示す所定の電圧（＋Ｖ１）まで充電される。充電制御方法については、例えば、溶接用コンデンサ５が設定電圧になるまでは、溶接用コンデンサ５にほぼ一定の充電電流を流す定電流制御が行われる。

溶接用コンデンサ５が所定の電圧（＋Ｖ１）まで充電されると、開閉機能を有する充電回路１は、直流出力端子２、３から電気的に遮断される。溶接用コンデンサ５の充電中は、放電用サイリスタ６がオフ状態にある。この後、図６（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１でコントローラ１０から絶縁駆動回路９を通して放電用サイリスタ６のゲート−カソード間に駆動信号が印加される。その駆動信号によって放電用サイリスタ６がターンオンすると、図２に示すように、溶接トランス４の１次巻線４ａには溶接用コンデンサ５の充電電荷による放電電流Ｉ１が流れる。放電電流Ｉ１は、主に溶接電流Ｉ２として溶接トランス４の２次巻線４ｂに流れ、一部は励磁電流Ｉ３として溶接トランス４の１次巻線４ａに流れる。溶接トランス４の１次巻線４ａと２次巻線４ｂの巻数比ｎとすると、放電電流Ｉ１＝Ｉ２／ｎ＋Ｉ３となる。

放電用サイリスタ６のターンオンに伴い、１次巻線４ａと２次巻線４ｂとの巻数比に相応する大きい急峻な溶接電流Ｉ２が第１の溶接電極７、被溶接物Ｗ１とＷ２、第２の溶接電極８を流れ、被溶接物Ｗ１とＷ２との溶接が行われる。この実施形態１では、放電用サイリスタ６がターンオンすると、放電電流Ｉ１の電流波形は図６（Ｂ）に示すように、溶接トランス４の漏れインダクタンスや回路のインダクタンス分からなる合成のインダクタンスＬと溶接用コンデンサ５のキャパシタＣとによる振動（共振）によって正弦波状の波形となる。したがって、図６（Ｂ）に示す放電電流Ｉ１の電流波形のパルス幅は、実際上、数百ミリ秒以上とはならず、第１、第２の溶接電極７、８の機械的動作に要する時間に比べて短いので、本発明では放電電流Ｉ１の波尾の問題を考慮する必要は無い。

放電用サイリスタ６のオンによって、インダクタンスＬとキャパシタＣとの振動によりコンデンサ５の電圧が逆極性に反転する。放電用サイリスタ６を通して放電電流Ｉ１が実質的に流れない状態になると、すなわち、放電電流Ｉ１が放電用サイリスタ６の保持電流よりも小さくなると、放電用サイリスタ６は自然消弧でオフする。オフの時点では、溶接用コンデンサ５は上記充電電荷とは逆極性に充電されるので、溶接用コンデンサ５の電圧は図６（Ａ）及び図３に示す逆極性の電圧（−Ｖ２）となる。開閉機能を有する充電回路１はオフしているので、この逆極性の電圧（−Ｖ２）は放電されずに保持される。この逆極性の電圧（−Ｖ２）は、充電電荷による所定の充電電圧（＋Ｖ１）に比べて小さい値である。放電用サイリスタ６がオンして溶接用コンデンサ５の充電電荷を放電した後、放電用サイリスタ６がオフすると、図２に示す１次巻線４ａを流れていた１次側の励磁電流Ｉ３は、そのまま１次巻線４ａを流れ続けることができなくなるために、２次巻線４ｂに転流して図３に示す２次側の励磁電流Ｉ４となる。この励磁電流Ｉ４は溶接電流Ｉ２の向きと逆方向に流れ、２次巻線４ｂの極性を示す黒点側から第１の溶接電極７と被溶接物Ｗ１とＷ２と第２の溶接電極８からなる２次側回路を通して非黒点側に流れる。

この状態では、被溶接物Ｗ１とＷ２とは既に溶接されて溶接物品となっているので、溶接される前よりも抵抗値は小さく、かつ溶接トランス４の２次側の回路内の抵抗成分も小さくなるように製作されているので、励磁電流Ｉ４は短時間では消滅しない。溶接速度を向上させるためには、溶接周期を短くし、励磁電流Ｉ４が消滅せずに未だ２次側回路を流れている期間に、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を離す方向に機械的動作をさせ、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放する。ここでは、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放するとは、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８とのいずれかが溶接物品（Ｗ１、Ｗ２）から離れ、電気的に非接続になることを言う。図６（Ｃ）の時刻ｔ２で、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放するものとする。

図４に示すように、時刻ｔ２で第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放すると、図３に示される励磁電流Ｉ４は２次側回路を流れることができなくなるので、溶接トランス４の１次巻線４ａと２次巻線４ｂとには図４の極性で理論的には無限大のサージ電圧（＋Ｖｓ１、＋Ｖｓ２）が発生する。ここでは、１次巻線４ａに発生するサージ電圧Ｖｓ１は、溶接用コンデンサ５の充電電圧（＋Ｖ１）と同じ極性である。したがって、サージ電圧Ｖｓ１が発生するときに放電用サイリスタ６がオンできる状態になければ、１次巻線４ａに生じる大きなサージ電圧Ｖｓ１は放電用サイリスタ６のアノード−カソード間に印加されるので、順方向阻止特性の大きなサイリスタを用いなければならない。なお、溶接トランス４の１次巻線４ａに発生するサージ電圧Ｖｓ１は、２次巻線４ｂに発生するサージ電圧Ｖｓ２よりも１次巻線と２次巻線との巻数比ｎ分大きくなる（Ｖｓ１＝ｎ×Ｖｓ２）。

しかし、実施形態１にあっては、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放する時刻ｔ２では、放電用サイリスタ６のゲートに駆動信号が印加されている。このため、１次巻線４ａに発生するサージ電圧（＋Ｖｓ１）が溶接用コンデンサ５の逆極性の電圧（−Ｖ２）の絶対値を越えると同時に、放電用サイリスタ６は再度ターンオンし、放電用サイリスタ６を通して図６に示すサージ電流Ｉ５を溶接用コンデンサ５に流し、溶接用コンデンサ５を電圧（−Ｖ３）に充電する。つまり、１次巻線４ａに発生するサージエネルギーを放電用サイリスタ６を通して溶接用コンデンサ５で吸収する。なお、実施形態１では溶接用コンデンサ５の容量が大きいので、電圧（−Ｖ３）は電圧（−Ｖ２）とほとんど同じである。

したがって、この実施形態１にあっては、溶接トランス４の励磁電流Ｉ４が第１、第２の溶接電極７、８及び溶接物品を流れているときに第１、第２の溶接電極７、８間を開放しても、放電用サイリスタ６に大きな値のサージ電圧（＋Ｖｓ１）は発生しない。溶接用コンデンサ５の電圧を−Ｖ２とすると、放電用サイリスタ６の電圧は、溶接用コンデンサ５の電圧（−Ｖ２）に制限される。このため、放電用サイリスタ６の耐圧を決める際に、サージ電圧Ｖｓ１は問題とはならない。また、溶接トランス４の巻数比をｎとすれば、励磁電流Ｉ４が流れている状態で第１、第２の溶接電極７、８間を開放する場合に、放電用サイリスタ６のオンにより、第１、第２の溶接電極７、８間に発生するサージ電圧はＶ２／ｎに低下するので、アフターフラッシュは生じ難い。したがって、実施形態１によれば、励磁電流Ｉ４が溶接電極間を流れている状態で溶接電極間を開放する場合に、特別な回路部品を付加する必要はなく、また、放電用サイリスタ６の耐圧を増大させること無く、サージ電圧を十分に小さな値に抑制できるので、アフターフラッシュを防止することができる。なお、溶接用コンデンサ５の電圧（−Ｖ２）や電圧（−Ｖ３）の値は、回路の損失などによって、充電電圧（＋Ｖ１）値よりも当然小さい値になる。

［実施形態２］
次に、図７及び図８を用いて、本発明の実施形態２に係る溶接方法及びコンデンサ式溶接装置を説明する。実施形態２では、直流出力端子２、３間に並列に溶接用コンデンサ５が接続され、溶接トランス４の１次巻線４ａと放電用スイッチ６との直列回路は溶接用コンデンサ５に対して並列に接続される。充電回路１は、溶接用コンデンサ５の直流出力端子２側が正、直流出力端子３側が負となる極性で溶接用コンデンサ５を充電する。充電回路１から溶接用コンデンサ５に供給される充電電流は、溶接トランス４の１次巻線４ａを流れない。充電回路１が溶接用コンデンサ５を充電する期間は、放電用スイッチ６をオフ状態にする。また、実施形態２では、放電用サイリスタ６と並列に逆極性で接続されたエネルギー回収用スイッチ１１を用いる。ここでは、放電用スイッチ６として逆方向阻止特性を有するサイリスタを用い、エネルギー回収用スイッチ１１としてサイリスタを用いるので、実施形態２の以下の説明では、放電用スイッチ６を放電用サイリスタ６、エネルギー回収用スイッチ１１をエネルギー回収用サイリスタ１１として説明する。第１の溶接電極７と第２の溶接電極８は、図１と同様に溶接トランス４の２次巻線に並列に接続され、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８とで挟んだ被溶接物Ｗ１、Ｗ２に溶接電流を流して溶接を行う。

コントローラ１０は、絶縁駆動回路９を通して図８（Ｃ）に示すような二つの駆動信号Ｓａ、Ｓｂを放電用サイリスタ６に与え、時刻ｔ２の後の時刻ｔ３には破線で示す駆動信号Ｓｓをエネルギー回収用サイリスタ１１に与える。充電回路１によって溶接用コンデンサ５が設定電圧Ｖ１まで充電された後、時刻ｔ１で放電用サイリスタ６がオンする。コントローラ１０は、絶縁駆動回路９を通して、図８（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１に駆動信号Ｓａを放電用サイリスタ６のゲート−カソード間に印加する。

これに伴い、放電用サイリスタ６はターンオンして、溶接用コンデンサ５の充電電荷を放電し、溶接トランス４の１次巻線４ａを通して図８（Ｂ）に示すような放電電流Ｉ１を流す。実施形態２においても、実施形態１と同様に、放電電流Ｉ１の電流波形は図８（Ｂ）に示すように、溶接トランス４のインダクタンスや回路のインダクタンス分を有するインダクタンスＬと溶接用コンデンサ５のキャパシタＣとからなる振動（共振）による正弦波状の波形となる。実施形態１と同様に、１次巻線４ａには放電電流と励磁電流が流れ、溶接電流は２次巻線４ｂの黒点側から第１の溶接電極７、被溶接物Ｗ１とＷ２、第２の溶接電極８を通して２次巻線４ｂの非黒点側に流れて溶接が行われる。

また、放電用サイリスタ６のオンによって、インダクタンスＬとキャパシタＣとの振動が生じると、放電用サイリスタ６のオフの時点では、溶接用コンデンサ５は充電電荷とは逆極性の電圧（−Ｖ２）に充電される。この逆極性の電圧は充電電荷による充電電圧（＋Ｖ１）に比べて小さい値である。次に放電用サイリスタ６がオフすると、実施形態１と同様に、１次巻線４ａを流れていた励磁電流は２次巻線４ｂに転流して、２次巻線４ｂの非黒点側から第２の溶接電極８、被溶接物Ｗ２とＷ１、第１の溶接電極７を通して２次巻線４ｂの黒点側に流れ、励磁電流は短時間では消滅せずに２次側回路を流れる。

時刻ｔ２の直前に、コントローラ１０から絶縁駆動回路９を通して駆動信号Ｓｂが放電用サイリスタ６のゲート−カソード間に印加され、放電用サイリスタ６はカソード側の電圧に比べてアノード側の電圧が大きくなるといつでもターンオンできる状態にある。時刻ｔ２で、第１、第２の溶接電極７と８の少なくとも一方が動いて、第１の溶接電極７又は第２の溶接電極８が被溶接物Ｗ１又はＷ２から離れて電気的に非接続状態になる。時刻ｔ２の直前まで第１、第２の溶接電極７、８を通じて流れていた励磁電流は、時刻ｔ２後に２次側回路を流れることができなくなるから、１次巻線４ａにサージ電圧が発生する。このサージ電圧は溶接用コンデンサ５を介して放電用サイリスタ６のアノードに印加される。したがって、サージ電圧が溶接用コンデンサ５の電圧（−Ｖ２）の値を越えると、放電用サイリスタ６はターンオンして、１次巻線４ａに発生したサージ電圧をサージ電流Ｉ５として溶接用コンデンサ５で吸収させる。したがって、上記電圧（−Ｖ２）を実質上越えるサージ電圧が放電用サイリスタ６のアノードーカソード間に印加されることはなく、また、溶接電極間の開放時にアフターフラッシュの発生を防止することができる。

時刻ｔ２で放電用サイリスタ６がオンし、サージエネルギーを溶接用コンデンサ５に吸収した後に放電用サイリスタ６がオフすると、時刻ｔ３で、コントローラ１０は絶縁駆動回路９を通してエネルギー回収用サイリスタ１１に駆動信号Ｓｓを与えてターンオンさせる。前述したように、このとき溶接用コンデンサ５は直流出力端子３が直流出力端子２に対して正極である電圧に充電されているから、その電荷はエネルギー回収用サイリスタ１１を通して回路インダクタンスと振動し、直流出力端子２が直流出力端子３に対して正の極性で溶接用コンデンサ５を充電する。この充電は充電回路１によって充電される充電電荷の極性（正極性）と同じであり、サージエネルギーも重畳されているので、その分だけ次の充電時間をより短縮でき、かつ節電もできる。また、その電圧分だけ次の充電開始時に突入電流が流れ難くなるので、充電回路１の負担を軽減できる。

特に、被溶接物Ｗ１とＷ２が銅又はアルミニウムなどのように抵抗率の小さい高導電性の金属材料からなるときは、急峻に増大するパルス状の溶接電流を用いると共に、被溶接物Ｗ１とＷ２に対する加圧力の応答性を高速とする溶接方法を用いることが有効であるので、溶接用コンデンサ５に逆極性で充電される電圧（−Ｖ２）のエネルギーは大きくなる傾向がある。この場合には、溶接用コンデンサ５として有極性の電解コンデンサを用いる場合よりも、ポリプロピレンフィルムなどを誘電体として用いる無極性のフィルムコンデンサを用いた方が好ましい。このようにすることによって、溶接用コンデンサ５に何らのダメージを与えることなく、大きなエネルギーをより安全に回収することができる。

前述した実施形態１では、放電用サイリスタ６に与えられる駆動信号は、図６（Ｃ）に示すように、溶接用コンデンサ５に充電された充電電荷を放電する時刻ｔ１のときに与えられ、その後、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放する時刻ｔ２のときまで少なくとも与えられる。つまり放電用サイリスタ６には、連続する駆動信号が与えられている。また、実施形態２では、放電用サイリスタ６に与えられる駆動信号は、図８（Ｃ）に示すように、溶接用コンデンサ５に充電された充電電荷を放電する時刻ｔ１のときに駆動信号Ｓａが与えられた後、駆動信号は放電用サイリスタ６に与えられなくなり、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放する時刻ｔ２の直前には少なくとも放電用サイリスタ６に駆動信号Ｓｂが与えられる。つまり放電用サイリスタ６には、途中で遮断される駆動信号が与えられている。しかし、これらは一例であって、これに限定されるものではない。例えば、実施形態１において、実施形態２と同様の駆動信号が放電用サイリスタ６に与えられてもよく、実施形態２において、実施形態１と同様の駆動信号が放電用サイリスタ６に与えられてもよい。

前述した実施形態１のコンデンサ式溶接装置における放電用スイッチ６と逆極性にして並列にエネルギー回収用サイリスタ１１を接続しても、前述と同様な効果を得ることができる。前述した実施形態１、２の放電用スイッチ６、エネルギー回収用サイリスタ１１としては、サイリスタの他に逆方向阻止特性を有するバイポーラトランジスタ、あるいはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いてもよい。また、放電用スイッチ６として双方向のオンオフ機能を有する双方向半導体スイッチを用い、この双方向半導体スイッチに放電用スイッチ６とエネルギー回収用サイリスタ１１の両者の働きをさせてもよい。また、前述の実施形態１、２では絶縁駆動回路９をホトカプラとして説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁トランスなどを用いてもよい。

図示しないが、上述の実施形態１、２等において、抵抗手段とダイオードとを直列接続した回路を溶接用コンデンサ５に並列に接続して、溶接用コンデンサ５の上記逆極性の電圧（−Ｖ２）を呈する逆極性電荷を抵抗手段とダイオードとの直列回路を通して放電させてことができる。つまり、抵抗手段とダイオードとの直列回路によって逆極性のエネルギーを消費させるので、逆極性の電圧（−Ｖ２）を下げることができる。例えば、この逆極性の電圧（−Ｖ２）をほぼゼロボルトにすることができる。この結果、第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放するときに、溶接トランス４の励磁電流に起因して生じるサージ電圧を例えばほぼゼロボルトまで抑制でき、アフターフラッシュをより確実に防止することができる。なお、上述の抵抗手段とダイオードとの直列回路において、ダイオードに替えてサイリスタや半導体スイッチを用いることもできる。

さらに、上述した実施形態１の放電用スイッチ６を第１の放電用サイリスタとし、この第１の放電用サイリスタと逆並列に第２の放電用サイリスタを接続し、第１の放電用サイリスタと第２の放電用サイリスタとを用いて溶接用コンデンサ５に蓄積される電荷を放電する場合について簡単に述べる。前述した実施形態１と同様に、第１の放電用サイリスタ６をオンさせて、溶接用コンデンサ５の正極性の電圧、すなわち図２に示される溶接用コンデンサ５の電圧（＋Ｖ１）によって正極性の電荷を放電させる。この正極性の電荷による放電が終わると、次に、第２の放電用サイリスタをオンさせて、正極性の電荷の放電によって溶接用コンデンサ５に充電される逆極性の電圧、すなわち図３に示される溶接用コンデンサ５の極性の電圧（−Ｖ２）を呈する電荷を放電させる。この溶接用コンデンサ５の極性の電圧（−Ｖ２）の放電によって、溶接用コンデンサ５は再び正極性の電圧、すなわち図２の電圧（＋Ｖ１）と同じ極性の電圧で、Ｖ１、Ｖ２よりも絶対値が低い電圧に充電される。

第１の放電用サイリスタを通じて流れていた溶接用コンデンサの放電電流が、第１の放電用サイリスタが自然消弧により実質的に流れない状態になったときに、第２の放電用サイリスタはオンしないものとする。この場合は、実施形態１と同様に、図２のＩ３の方向で流れていた溶接トランス４の１次巻線の励磁電流は、図３のＩ４の向きで２次巻線の励磁電流として転流する。このＩ４の向きで２次巻線の励磁電流が流れている状態で第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放するときに発生するサージ電圧は、図４に示したＶｓ１、Ｖｓ２と同様の極性となる。よって、実施形態１と同様に、第１の放電用サイリスタをオンさせて、溶接トランス４の励磁電流に起因するサージ電圧を溶接用コンデンサ５によって吸収することができる。なお、この場合は、放電スイッチとして用いられる第２の放電用サイリスタの替わりに半導体スイッチを用いてもよい。

一方、第１の放電用サイリスタがオフした後、第２の放電用サイリスタを通じて流れていた溶接用コンデンサの放電電流が第２の放電用サイリスタが自然消弧により実質的に流れない状態になったとき、第１の放電用サイリスタは再度オンしないものとする。この場合は、実施形態１とは異なり、図２のＩ３と逆方向に流れていた溶接トランスの１次巻線の励磁電流は、図３のＩ４と逆向きで２次巻線の励磁電流として転流する。このため、２次巻線の励磁電流が図３のＩ４と逆向きの流れている状態で第１の溶接電極７と第２の溶接電極８との間を開放するときに発生するサージ電圧は、図４に示したＶｓ１、Ｖｓ２とは逆の極性、つまり、溶接トランスの１次巻線及び２次巻線の黒点がマイナスの極性となる。よって、第２の放電用サイリスタをオン状態にさせて、１次巻線に生じるサージ電圧を第２の放電用サイリスタを通して溶接用コンデンサ５にサージ電流として流すことにより、溶接トランス４の励磁電流に起因するサージ電圧を溶接用コンデンサ５によって吸収することができる。なお、この場合は、放電スイッチとして用いられる第２の放電用サイリスタの替わりにダイオードや半導体スイッチを用いてもよい。

よって、第１の放電用サイリスタと逆並列に第２の放電用サイリスタを接続した場合も、励磁電流に起因して生じるサージ電圧の極性に応じた第１又は第２の放電用サイリスタをオンさせることによって、励磁電流が流れている溶接電極間を開放するときにアフターフラッシュが発生するのを防止でき、１次巻線に大きなサージ電圧が発生するのを防止することができるという本発明の効果を奏する。なお、実施形態２の回路構成で、図７に示す放電用スイッチ６に逆並列に接続されるエネルギー回収用サイリスタ１１を上述の第２の放電用サイリスタとして作用させることもできる。この場合は、エネルギー回収用サイリスタ１１も放電用スイッチに含まれるものとする。

１・・・充電回路
２、３・・・充電回路の直流出力端子
４・・・溶接トランス
４ａ・・・溶接トランス４の１次巻線
４ｂ・・・溶接トランス４の２次巻線
５・・・溶接用コンデンサ
６・・・放電用スイッチ（放電用サイリスタ）
７・・・第１の溶接電極
８・・・第２の溶接電極
９・・・絶縁駆動回路
１０・・・コントローラ
１１・・・エネルギー回収用スイッチ１１（エネルギー回収用サイリスタ）
Ｗ１、Ｗ２・・・被溶接物
Ｌ・・・合成のインダクタンス
Ｃ・・・溶接用コンデンサ５のキャパシタンス
Ｖ１・・・溶接用コンデンサ５の設定充電電圧
Ｖ２・・・溶接用コンデンサ５の逆極性の電圧
Ｖ３・・・放電用スイッチ６が２度目にオンした後の溶接用コンデンサ５の逆極性の電圧
Ｖｓ１・・・溶接トランス４の１次巻線４ａに生じるサージ電圧
Ｖｓ２・・・溶接トランス４の２次巻線４ｂに生じるサージ電圧
Ｉ１・・・溶接用コンデンサ５の放電電流
Ｉ２・・・溶接電流
Ｉ３・・・溶接トランス４の１次巻線４ａを流れる励磁電流
Ｉ４・・・溶接トランス４の２次巻線４ｂを流れる励磁電流
Ｉ５・・・１次巻線４ａに生じるサージ電圧Ｖｓ１によるサージ電流
Ｓａ、Ｓｂ・・・放電用スイッチ６の駆動信号
Ｓｓ・・・エネルギー回収用スイッチ１１の駆動信号

Claims

充電回路から給電される電力によって溶接用コンデンサを充電し、放電用スイッチをオンして前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を溶接トランスの１次巻線に放電し、前記溶接トランスの２次巻線及び該２次巻線に接続された第１の溶接電極と第２の溶接電極とを通して溶接電流を被溶接物に通電して該被溶接物を溶接するコンデンサ式溶接方法であって、
前記溶接用コンデンサに充電された前記充電電荷を放電して、放電電流が前記放電用スイッチを通して実質的に流れない状態になると、前記溶接トランスの前記１次巻線を流れていた励磁電流は前記２次巻線に転流し、前記２次巻線に前記励磁電流が流れている状態で前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときには、駆動信号を与えて前記放電用スイッチをオンできる状態にし、
前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに前記溶接トランスの前記１次巻線に生じるサージ電圧を前記放電用スイッチを通して前記溶接用コンデンサにサージ電流として流すことを特徴とするコンデンサ式溶接方法。
請求項１において、
前記駆動信号は、前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を放電するときに前記放電用スイッチに与えられ、その後、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときまで少なくとも前記放電用スイッチに与えられていることを特徴とするコンデンサ式溶接方法。
請求項１において、
前記駆動信号は、前記溶接用コンデンサに充電された充電電荷を放電するときに前記放電用スイッチに与えられた後、前記駆動信号は前記放電用スイッチに与えられなくなり、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放する直前には少なくとも前記放電用スイッチに与えられることを特徴とするコンデンサ式溶接方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに前記放電用スイッチがオンすることによって前記溶接用コンデンサに充電される前記サージ電流による電荷は、前記放電用スイッチと逆並列に接続されたエネルギー回収用スイッチを通じて前記溶接用コンデンサに蓄積され、次の周期の前記充電電荷の一部分になることを特徴とするコンデンサ式溶接方法。
開閉機能を有する充電回路と、該充電回路から給電される電力によって充電される溶接用コンデンサと、前記溶接用コンデンサの充電電荷を放電する放電用スイッチと、１次巻線と２次巻線とを有する溶接トランスと、前記２次巻線に接続された第１の溶接電極と第２の溶接電極とを備え、前記放電用スイッチがオンするとき前記溶接用コンデンサの前記充電電荷を前記１次巻線に放電し、前記２次巻線及び前記第１の電極と前記第２の電極とを介して溶接電流を被溶接物に通電して、該被溶接物を溶接するコンデンサ式溶接装置であって、
前記溶接トランスの前記２次巻線に励磁電流が流れている状態で前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに、前記放電用スイッチをオンできる状態にするための駆動信号を前記放電用スイッチに与えるコントローラを備え、
前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに、前記溶接トランスの前記１次巻線に生じるサージ電圧を前記放電用スイッチを通して前記溶接用コンデンサにサージ電流として流すことを特徴とするコンデンサ式溶接装置。
請求項５において、
前記放電用スイッチと逆並列にエネルギー回収用スイッチが接続され、
前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間を開放するときに前記放電用スイッチがオンすることによって前記溶接用コンデンサに充電される前記サージ電流による電荷は、前記サージ電流とは逆向きの電流を流す前記エネルギー回収用スイッチを通じて前記溶接用コンデンサに回収されることを特徴とするコンデンサ式溶接装置。