JP5758115B2 - アーク溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、被覆アーク溶接の溶接終了時の制御に関するものである。

アーク溶接機で被覆アーク溶接を行うとき、最大負荷電圧が高いために点弧と消弧とを繰り返すタック溶接等では、アークを容易に消弧できない。

図５は、従来技術のアーク溶接機の電気接続図である。同図において、１次整流回路ＤＲ１と平滑コンデンサＣ１とで直流電源回路を形成し、１次整流回路ＤＲ１は、交流電源ＡＣを整流して整流電圧を生成し、平滑コンデンサＣ１は、脈流を有する整流電圧を平滑して直流電圧を生成する。

第１のスイッチング素子ＴＲ１乃至第４のスイッチング素子ＴＲ４でフル・ブリッジのインバータ回路を形成し、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。主変圧器ＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し、２次整流回路ＤＲ２は、主変圧器ＩＮＴの出力を整流し、直流リアクトルＤＣＬを介して手溶接棒に直流電力を供給する。

切換スイッチＳＷは、接点ａ、接点ｂの２接点を備えてタック溶接モードを選択する切換スイッチであり、ａ接点を選択することによりタック溶接モード無し、ｂ接点を選択することによりタック溶接モード有りになる。

図５に示す従来技術のアーク溶接機を用いて、被覆アーク溶接でタック溶接を行うときは、切換スイッチＳＷを接点ｂ側にして、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップｂが２次整流回路ＤＲ２に接続される。このとき、最大負荷電圧特性が降圧された第２の最大負荷電圧特性になり、突合せ溶接の仮付け作業を行うときアークが容易に消弧でき作業性が向上する。

特許文献１に記載されたアーク溶接機は、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けた各タップにサイリスタ素子を接続し、溶接法に応じて各サイリスタを通電し、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けられた各タップを選択するものである。

特開平１１−５８００９号公報

上述したアーク溶接機で被覆アーク溶接を行うとき、最大負荷電圧が高いためにアークの消弧が困難になり、タック溶接等で著しく作業性が悪くなると共に非加工物の溶接品質も落ちる。

この対策として、特許文献１の従来技術では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップを切換スイッチＳＷによって２次側の出力電圧の低いタップを選択し、最大負荷電圧を降圧させた第２の最大負荷電圧特性を生成することで、手溶接棒で短絡と引き上げとを繰り返して行うタック溶接を容易にするものである。

しかし、従来技術では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップを別途必要とし、このタップを選択する大電流対応のスイッチ又はサイリスタ素子も必要となるので、構成が複雑になると共に材料費も高くなる。

さらに、頻繁に手溶接棒を引き上げ及び引き下げを行って消弧と点弧とを繰り返すタック溶接では、アーク切れが良くなるが、逆に最大負荷電圧を降圧させるのでアークのスタート性が若干落ち、また、出力ケーブルが長い時のケーブルの電圧降下により充分なアーク電圧を得られず溶接性能が若干落ちる。

そこで、本発明では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップを設けなくてもタック溶接等が容易にできるアーク溶接機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力電流検出回路と、前記検出された出力電流に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク溶接機において、
前記整流された出力電圧を検出する出力電圧検出回路を設け、前記主制御回路は、前記インバータ回路の動作中に前記出力電流検出値が最初に予め定めた出力電流基準値を超えてから所定時間が経過した後、前記出力電圧検出値が予め定めた出力電圧基準値以上になると、前記インバータ回路の動作を予め定めた時間停止させる、ことを特徴とするアーク溶接機である。

請求項２の発明は、前記インバータ回路の停止時間は、出力電流値に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機である。

本発明の請求項１によれば、被覆アーク溶接において、手溶接棒を引き上げてアークを消弧するとき、出力電流検出値が予め定めた出力電流基準値を超えて所定時間が経過しているときに、手溶接棒を引き上げ出力電圧検出値が出力電圧基準値以上になったとき、インバータ回路の動作を予め定めた時間停止させることで、アークの消弧が容易になり、点弧と消弧とを繰り返すタック溶接等においてアーク切れが良くなり、作業性が向上する。

本発明の請求項２によれば、定電流領域での出力電流値に応じてインバータ回路の停止時間を変化させると、出力電流値ごとに最適な停止時間となるので、頻繁に手溶接棒を引き上げ及び引き下げて消弧と点弧とを繰り返す、タック溶接等でのアーク消弧の精度が良くなり、さらに、アーク・スタート時の最大負荷電圧が降圧しないので、アークのスタート性も良く、溶接の品質が大きく向上する。

本発明のアーク溶接機の電気接続図である。 図１に示す出力電流判別回路の詳細図である。 本発明のの動作を説明する波形タイミング図である。 本発明の被覆アーク溶接の定電流特性を有する最大負荷電圧特性図である。 従来技術のアーク溶接機の電気接続図である。

図１は、実施形態１のアーク溶接機の電気接続図である。同図において、図５に示す従来技術のアーク溶接機の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図１に示す出力電流検出回路ＩＤは、出力電流を検出して出力電流検出信号Ｉｄとして出力する。出力電圧検出回路ＶＤは、出力電圧を検出して出力電圧検出信号Ｖｄとして出力する。

出力電流基準設定回路ＩＦは、無負荷でないことを判別する予め定めた値の出力電流基準信号Ｉｆを出力する。例えば、図４に示すＡ点近傍の数Ａ〜１０Ａを出力電流基準値とする。

出力電流比較回路ＩＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準信号Ｉｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｆの値より大きいときに溶接電流検出信号Ｗｃｒを出力する。

出力電圧基準設定回路ＶＦは、予め定めた値の出力電圧基準信号Ｖｆを出力する。例えば、図４に示すＡ点近傍の６０Ｖを出力電圧基準値とする。

出力電圧比較回路ＶＰは、出力電圧検出信号Ｖｄの値と出力電圧基準信号Ｖｆの値とを比較し、出力電圧検出信号Ｖｄの値が出力電圧基準信号Ｖｆの値より大きいときに出力電圧比較信号Ｖｐを出力する。

図１に示す出力電流判別回路ＷＴは、図２に示す第１の遅延回路ＤＴ１．第１の反転回路ＩＮ１、アンド論理回路ＡＮＤ、第２の反転回路ＩＮ２、第２の遅延回路ＤＴ２及びオアー論理回路ＯＲにて形成される。

図２に示す第１の遅延回路ＤＴ１は、溶接電流検出信号ＷｃｒのＨｉｇｈレベルに応じて予め定めた時間の第１の遅延信号Ｄｔ１を出力する。第１の反転回路ＩＮ１は、第１の遅延信号Ｄｔ１を反転して第１の反転信号Ｉｎ１として出力する。アンド論理回路ＡＮＤは、溶接電流検出信号Ｗｃｒと第１の反転信号Ｉｎ１とのアンド論理を行ってアンド論理信号Ａｄとして出力する。

第２の反転回路ＩＮ１は、アンド信号Ａｄを反転して第２の反転信号Ｉｎ２として出力する。第２の遅延回路ＤＴ２は、第２の反転信号Ｉｎ２のＨｉｇｈレベルに応じて予め定めた時間の第２の遅延信号Ｄｔ２を出力する。オアー論理回路ＯＲは、アンド信号Ａｄと第２の遅延信号Ｄｔ２とのオアー論理を行って出力電流判別信号Ｗｔとして出力する。

主制御回路ＳＣは、出力電流設定信号Ｉｒの値と出力電流検出信号Ｉｄの値とを誤差増幅して誤差増幅信号Ｓｃを出力する。さらに、溶接電流検出信号Ｗｃｒ、出力電流判別信号Ｗｔ及び出力電圧比較信号Ｖｐに応じてインバータ駆動信号Ｓｔの出力を制御する。

図１に示すパルス幅変調回路ＰＷＭは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するＰＷＭ制御を行い、誤差増幅信号Ｓｃの値に応じて第１の出力制御信号Ｐｗ１及び第２の出力制御信号Ｐｗ２のパルス幅を制御する。

インバータ駆動回路ＤＫは、インバータ駆動信号ＳｔがＨｉｇｈレベルのとき動作を行い、第１の出力制御信号Ｐｗ１に応じて第１のインバータ駆動信号Ｄｋ１及び第４のインバータ駆動信号Ｄｋ４を出力し、第２の出力制御信号Ｐｗ２に応じて第２のインバータ駆動信号Ｄｋ２及び第３のインバータ駆動信号Ｄｋ３を出力する。そして、インバータ駆動信号ＳｔがＬｏｗレベルのとき、第１のインバータ駆動信号Ｄｋ１から第４のインバータ駆動信号Ｄｋ４の出力を禁止して、インバータ回路の動作を停止する。

図３は、本発明の動作を説明する波形タイミング図である。同図において、同図（Ａ）の波形は、出力電圧検出信号Ｖｄを示し、同図（Ｂ）の波形は、出力電流検出信号Ｉｄを示し、同図（Ｃ）の波形は、溶接電流検出信号Ｗｃｒを示し、同図（Ｄ）の波形は、第１の遅延信号Ｄｔ１を示し、同図（Ｅ）の波形は、第１の反転信号Ｉｎ１を示し、同図（Ｆ）の波形は、アンド論理信号Ａｄを示し、同図（Ｇ）の波形は、第２の遅延信号Ｄｔ２を示し、同図（Ｈ）の波形は、出力電流判別信号Ｗｔを示し、同図（Ｉ）の波形は、出力電圧比較信号Ｖｐを示し、同図（Ｊ）の波形は、インバータ駆動信号Ｓｔを示す。

図４は、本発明の被覆アーク溶接の定電流特性を有する最大負荷電圧特性を示す特性図である。以下、図１〜図４を参照して動作について説明する。

図３に示す時刻ｔ＝ｔ１において、手溶接棒１が被加工物Ｍに短絡したとき、図１に示す出力電圧検出回路ＶＤは、出力電圧を検出して図３（Ａ）に示す出力電圧検出信号Ｖｄとして出力する。このとき、出力電圧比較回路ＶＰは、出力電圧検出信号Ｖｄの値と出力電圧基準信号Ｖｆの値とを比較し、出力電圧検出信号Ｖｄの値が出力電圧基準信号Ｖｆの値より小さいとき、出力電圧比較信号ＶｐはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになる。

出力電流検出回路ＩＤは、時刻ｔ＝ｔ１において、手溶接棒１が被加工物Ｍに短絡したときの出力電流を検出して図３（Ｂ）に示す出力電流検出信号Ｉｄとして出力する。このとき、出力電流比較回路ＩＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準信号Ｉｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｆの値より大きくなる時刻ｔ＝ｔ２において、溶接電流検出信号ＷｃｒをＨｉｇｈレベルにして出力する。

図２に示す第１の遅延回路ＤＴ１は、溶接電流検出信号ＷｃｒのＨｉｇｈレベルに応じて、図３（Ｄ）に示す予め定めた時間Ｔ１の第１の遅延信号Ｄｔ１を出力し、第１の反転回路ＩＮ１は、第１の遅延信号Ｄｔ１を反転して図３（Ｅ）に示す第１の反転信号Ｉｎ１として出力する。そして、アンド論理回路ＡＮＤは、溶接電流検出信号Ｗｃｒと第１の反転信号Ｉｎ１とのアンド論理を行い、アンド論理信号ＡｄをＬｏｗレベルにする。

手溶接棒１を被加工物Ｍに短絡してアークが発生しないとき、作業者は手溶接棒１を被加工物Ｍから引き上げて短絡を解除する。このとき、出力電流検出信号Ｉｄの値が減少し、出力電流比較回路ＩＰは、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準信号Ｉｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｆの値（例えば、図４に示す５Ａ）より小さくなる時刻ｔ＝ｔ３のとき、溶接電流信号ＷｃｒをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルにする。

このとき、図３（Ａ）に示す出力電圧検出信号Ｖｄの値も増加し、出力電圧検出信号Ｖｄの値が出力電圧基準信号Ｖｆの値（例えば、図４に示す６０Ｖ）より大きなる時刻ｔ＝ｔ４のときに、出力電圧比較回路ＶＰは、出力電圧比較信号ＶｐをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルにする。

アンド論理回路ＡＮＤは、時刻ｔ＝ｔ３において、溶接電流信号ＷｃｒのＬｏｗレベルと第１の反転信号Ｉｎ１のＬｏｗレベルとのアンド論理を行い、アンド論理信号ＡｄのＬｏｗレベルを維持する。

オアー論理回路ＯＲは、アンド信号ＡｄのＬｏｗレベルと第２の遅延信号Ｄｔ２のＬｏｗレベルのオアー論理を行って出力電流判別信号ＷｔをＬｏｗレベルにする。このとき、主制御回路ＳＣは、溶接電流信号ＷｃｒのＬｏｗレベル及び出力電流判別信号ＷｔのＬｏｗレベルに基づいてアーク発生が失敗と判別してインバータ駆動信号ＳｔのＨｉｇｈレベルを維持する。

時刻ｔ＝ｔ５において、手溶接棒１が被加工物Ｍに再度短絡してアークが発生すると、出力電流検出信号Ｉｄの値が増加し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｆの値より大きくなる時刻ｔ＝ｔ６のときに、出力電流比較回路ＩＰは、溶接電流検出信号ＷｃｒをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルにする。

第１の遅延回路ＤＴ１は、溶接電流検出信号ＷｃｒのＨｉｇｈレベルに応じて、図３（Ｄ）に示す予め定めた時間Ｔ１の第１の遅延信号Ｄｔ１を出力し、第１の反転回路ＩＮ１は、第１の遅延信号Ｄｔ１を反転して図３（Ｅ）に示す第１の反転信号Ｉｎ１として出力する。

図２に示すアンド論理回路ＡＮＤは、時刻ｔ＝ｔ７において、溶接電流検出信号ＷｃｒのＨｉｇｈレベルと第１の反転信号Ｉｎ１のＨｉｇｈレベルとアンド論理を行い、アンド論理信号ＡｄをＨｉｇｈレベルにする。そして、第２の遅延信号Ｄｔ２とのオアー論とのオアー論理を行って、出力電流判別信号ＷｔをＨｉｇｈレベルにする。このとき、主制御回路ＳＣは、溶接電流信号ＷｃｒのＨｉｇｈレベル及び出力電流判別信号ＷｔのＨｉｇｈレベルに基づいてアークは継続していると判別し、インバータ駆動信号ＳｔのＨｉｇｈレベルを維持する。

そして、突合せ溶接等の仮付け作業が終了すると作業者が手溶接棒を引き上げてアークを消弧する。このとき、手溶接棒を引き上げてアーク長を長くすると、図４に示す最大負荷電圧がＣ点、Ｂ点、Ａ点へと移行して行く。そして、アーク長がさらに長くなり、図３に示す時刻ｔ＝ｔ８において、出力電圧検出信号Ｖｄの値が出力電圧基準信号Ｖｆの値より大きくなると、出力電圧比較信号ＶｐをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルにする。

このとき、出力電流検出信号Ｉｄの値も減少し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｆの値より小さいくなる時刻ｔ＝ｔ８のとき、溶接電流信号ＷｃｒがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになる。そして、図３（Ｆ）に示す、アンド論理信号Ａｄは溶接電流信号Ｗｃｒに応じてＬｏｗレベルになる。

第２の遅延回路ＤＴ２は、図示省略の第２の反転信号Ｉｎ２のＨｉｇｈレベルに応じて、図３（Ｇ）に示す、予め定めた時間Ｔ２の第２の遅延信号Ｄｔ２を出力する。オアー論理回路ＯＲは、アンド信号ＡｄのＬｏｗレベルと第２の遅延信号Ｄｔ２のＨｉｇｈレベルとのオアー論理を行って、出力電流判別信号ＷｔのＨｉｇｈレベルを所定時間継続する。そして、主制御回路ＳＣは、出力電流判別信号ＷｔがＨｉｇｈレベルで出力電圧比較信号ＶｐがＨｉｇｈレベルのとき、図３（Ｊ）に示すインバータ駆動信号ＳｔのＨｉｇｈレベルをＬｏｗレベルにする。このとき、タック溶接の作業性を考慮してインバータ駆動信号ＳｔのＬｏｗレベルの時間Ｔ３を、例えば、１００ｍｓ〜１０ｍｓとする。

インバータ駆動信号ＳｔがＬｏｗレベルになると、インバータ駆動回路ＤＫより出力される第１のインバータ駆動信号Ｄｋ１〜第４のインバータ駆動信号Ｄｋ４の出力を禁止し、インバータ駆動信号ＳｔがＬｏｗレベルの時間Ｔ３の間、インバータ回路の動作を停止してアークを消弧する。そして、図３（Ｊ）に示すインバータ駆動信号ＳｔのＬｏｗレベル（時間Ｔ３）が終了すると、インバータ回路は再度動作を開始する。

上述より、仮付け作業が１箇所終了するごとに作業者が手溶接棒を引き上げてアークを消弧するとき、出力電流検出値が予め定めた出力電流基準値を超えて所定時間が経過しているときに、手溶接棒を引き上げて出力電圧検出値が出力電圧基準値以上になったとき、インバータ回路を、例えば、１００ｍｓの時間停止することで、アークの消弧が容易になり、点弧と消弧とを繰り返すタック溶接等において作業性が向上する。

また、上述の主制御回路ＳＣは、出力電流判別信号ＷｔがＨｉｇｈレベルで出力電圧比較信号ＶｐがＨｉｇｈレベルのとき、インバータ回路の動作を、例えば、１００ｍｓ停止させているが、図４に示すＣ点〜Ｄ点の定電流領域の出力電流検出信号Ｉｄの値に基づいてインバータ駆動信号ＳｔのＬｏｗレベルの時間、例えば、１００ｍｓを変化させて、インバータ回路の停止時間を変更してもよい。これにより、出力電流値ごとにインバータ回路の最適な停止時間が設定できるので、頻繁に手溶接棒を引き上げ及び引き下げを行って消弧と点弧とを繰り返すタック溶接等で、出力電流値の違いによって、アークの消弧に差が生じなくなり、溶接の品質が大きく向上する。

Ｃ１ 平滑コンデンサ
ＤＫ インバータ駆動回路
Ｄｋ１ 第１のインバータ駆動信号
Ｄｋ２ 第２のインバータ駆動信号
Ｄｋ３ 第３のインバータ駆動信号
Ｄｋ４ 第４のインバータ駆動信号
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＤＲ１ １次整流回路
ＤＲ２ ２次整流回路
ＥＳ 手溶接棒
ＩＤ 出力電流検出回路
Ｉｄ 出力電流検出信号
ＩＮＴ 主変圧器
ＩＰ 出力電流比較回路
ＩＦ 出力電流基準設定回路
Ｉｆ 出力電流基準信号
ＩＲ 出力電流設定回路
Ｉｒ 出力電流設定信号
Ｍ 被加工物
ＰＷＭ パルス幅変調回路
Ｐｗ１ 第１の出力制御信号
Ｐｗ２ 第２の出力制御信号
ＳＣ 主制御回路
Ｓｃ 誤差増幅信号
ＳＷ 切換スイッチ
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
ＶＤ 出力電圧検出回路
Ｖｄ 出力電圧検出信号
ＶＰ 出力電圧比較回路
Ｖｐ 出力電圧比較信号
ＶＦ 出力電圧基準設定回路
Ｖｆ 出力電圧基準信号
Ｗｃｒ 溶接電流検出信号

Claims (2)

1. 商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力電流検出回路と、前記検出された出力電流に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク溶接機において、
   前記整流された出力電圧を検出する出力電圧検出回路を設け、前記主制御回路は、前記インバータ回路の動作中に前記出力電流検出値が最初に予め定めた出力電流基準値を超えてから所定時間が経過した後、前記出力電圧検出値が予め定めた出力電圧基準値以上になると、前記インバータ回路の動作を予め定めた時間停止させる、ことを特徴とするアーク溶接機。
2. 前記インバータ回路の停止時間は、出力電流値に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。

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