JP6054184B2 - アーク溶接用電源装置及びアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、多電極による溶接施工に好適なアーク溶接用電源装置、及びアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法に関する。

消耗電極式、非消耗電極式といった溶接法によらず適正なアーク溶接の実施中においては、許容される短絡状態は数ｍｓ程度であり、この短絡状態を含めて電源装置の出力電圧が数［Ｖ］以下となる時間が数１００［ｍｓ］以上継続すると、安定したアーク溶接施工が難しくなる。そのため、一旦アークが発生した後では、電源装置の出力電圧が数［Ｖ］の閾値電圧を下回る期間が一定期間（例えば５００［ｍｓ］）以上継続すると、出力電圧が低電圧異常であると判定して電源装置の出力動作を停止する等の制御を行うようにすれば、施工不良を予め防止することが可能である。

ところで、溶接施工の高効率化が要求される場合、例えば特許文献１の開示技術のように、被溶接物の同一箇所を２以上の多電極による溶接施工を行う使用形態が知られている。この場合、例えば２つの電極を近接配置し、各電極に対応する電源装置同士を連携的に動作させることが行われる。

特開２００９−２３３６８０号公報

多電極によるアーク溶接において、隣接する２つの電極が互いに異なる極性に設定される場合、その時々の状況によって隣接の電極同士（対応する電源装置同士）が電気回路として干渉することがある。

例えば自電極がマイナス極、他電極がプラス極に設定される場合では、自電極に他電極側からの電流の流れ込みが生じ、自電極側の電源装置の出力電流が見かけ上大きくなり、出力電流のフィードバックによる定電流制御が行われていると、出力電流が見かけ上大きくなる分、自電極側の電源装置の出力電圧（出力端子電圧）が低く設定されてしまう。

すると、自電極側の電源装置において出力電圧が低電圧異常であると判定されることがあり、適正な電流値でアークが安定しているにもかかわらず、電源装置の出力動作が停止されてしまうことが懸念されるところである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、多電極による溶接施工の際に他電極からの電流の流れ込みが生じる場合であっても、適正な出力電圧監視を行うことができるアーク溶接用電源装置、及びアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法を提供することにある。

上記課題を解決するアーク溶接用電源装置は、直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング回路と、該スイッチング回路からの高周波交流電力を電圧変換するトランスと、該トランスの二次側から出力された高周波交流電力を直流電力に変換する整流回路を含めアーク溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換部とを備え、溶接機の溶接トーチの電極に前記直流出力電力を供給しその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接施工を行わせるアーク溶接用電源装置において、該電源装置の出力電圧と閾値電圧との比較に基づいてその出力電圧の低電圧異常の判定を行う電圧監視部を備えたアーク溶接用電源装置であって、前記電圧監視部が用いる前記閾値電圧は、前記整流回路のその時々の出力電圧に基づいて設定されるものである。

この構成によれば、自身の溶接機と他の溶接機とを併用して多電極による溶接施工を行う際、他電極側から自電極側に電流の流れ込みが生じて電源装置の出力電圧が低下するような場合でも、電圧監視部が用いる閾値電圧はその出力電圧と同様に変動する整流回路の出力電圧に基づいて設定されるため、出力電圧が低電圧異常と誤判定することが防止される。これにより、低電圧異常で電源装置の出力動作を停止させるような制御を行うものにおいては、無用な出力動作の停止を防止でき、溶接施工の継続性を良好とする。

また上記のアーク溶接用電源装置において、前記電圧監視部が用いる前記閾値電圧は、前記整流回路の出力電圧に係数を乗じて設定されるのが好ましい。
この構成によれば、電圧監視部が用いる閾値電圧は、整流回路の出力電圧に係数を乗じて設定されるため、その時々の閾値電圧の設定が容易である。

また上記課題を解決するアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法は、直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング回路と、該スイッチング回路からの高周波交流電力を電圧変換するトランスと、該トランスの二次側から出力された高周波交流電力を直流電力に変換する整流回路を含めアーク溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換部とを備え、溶接機の溶接トーチの電極に前記直流出力電力を供給しその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接施工を行わせるアーク溶接用電源装置において、該電源装置の出力電圧と閾値電圧との比較に基づいてその出力電圧の低電圧異常の判定を行うアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法であって、前記整流回路のその時々の出力電圧に基づいて設定される前記閾値電圧を用いて前記電源装置の出力電圧の低電圧異常を判定する。

この構成によれば、上記と同様に、自身の溶接機と他の溶接機とを併用して多電極による溶接施工を行う際、他電極側から自電極側に電流の流れ込みが生じて電源装置の出力電圧が低下するような場合でも、出力電圧監視の際に用いる閾値電圧はその出力電圧と同様に変動する整流回路の出力電圧に基づいて設定されるため、出力電圧が低電圧異常と誤判定することを防止できる。

本発明のアーク溶接用電源装置及びアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法によれば、多電極による溶接施工の際に他電極からの電流の流れ込みが生じる場合であっても、適正な出力電圧監視を行うことができる。

実施形態における多電極アーク溶接システムの電気的構成図である。 同形態における溶接システムの電極部を中心とした等価回路図である。 同形態における出力電圧監視に用いる閾値電圧を説明するための図である。 同形態における出力電圧監視態様を説明するための図である。

以下、アーク溶接用電源装置及びアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の多電極アーク溶接システム１０は、１つの被溶接物Ｍに対して第１及び第２溶接機１１，２１の２つの溶接機を用いて構成され、各溶接機１１，２１のそれぞれの溶接トーチ１２，２２（電極１３，２３）が互いに近接配置されている。尚、図１には、第１溶接機１１は全体が示され、第２溶接機２１は溶接トーチ２２の部分が示されている。

第１溶接機１１は、ＴＩＧ溶接等の非消耗電極式アーク溶接機にて構成されている。第１溶接機１１に備えられる溶接用電源装置１５は、インバータ回路（ＩＮＶ）１６、トランス１７、及び整流回路１８を備えている。インバータ回路１６の前段では商用交流電力の直流電力への変換がなされており、該インバータ回路１６にはその変換された直流電力が入力される。インバータ回路１６は、例えば半導体スイッチング素子を用いるフルブリッジ回路よりなり、入力された直流電力を高周波交流電力に変換してトランス１７の一次側に供給する。

トランス１７の二次側からは、電圧変換がなされた高周波交流電力が出力され、後段の整流回路１８にて直流化される。整流回路１８の後段では、直流リアクトル（後述の合成インダクタンスＬに含まれる）等の平滑回路が備えられ、アーク溶接に適した直流出力電力への変換がなされる。ＴＩＧ溶接等よりなる第１溶接機１１では、電源装置１５のプラス側出力端子に被溶接物Ｍが接続され、マイナス側出力端子に溶接トーチ１２にて支持される電極１３が接続されて、電極１３がマイナス極性とされる。

電源装置１５の制御回路１９は、出力電流Ｉｄをフィードバックしてインバータ回路１６のＰＷＭ制御に反映する定電流制御を行っている。具体的に、制御回路１９は、電流検出器（ＩＤ）１９ａにて検出された出力電流Ｉｄと、電流目標設定部（ＩＳ）１９ｂにて設定された目標出力電流Ｉｓとの偏差を演算器１９ｃにて算出し、ＰＷＭ制御部１９ｄにてその偏差に応じたＰＷＭディーティに設定したＰＷＭ制御信号Ｓｐを生成し、ＰＷＭ制御部１９ｄからＰＷＭ制御信号Ｓｐをインバータ回路１６に出力している。

また、制御回路１９は、電極１３の先端電圧であるアーク電圧Ｖｄが低電圧異常かの判定を行っている。この判定は、電源装置１５の出力電圧でも可能であるが、本実施形態ではより高精度な判定が可能なアーク電圧Ｖｄを用いている。しかしながら、アーク電圧Ｖｄは直接検出するのが困難であるため、電圧検出器（ＶＤ）１９ｅにおいて、整流回路１８の出力電圧Ｅからアーク電圧Ｖｄを算出することが行われている。その際、整流回路１８の出力端子から電極１３までの電路上の合成インダクタンスＬ及び合成抵抗Ｒが必要である。合成インダクタンスＬは、先の直流リアクトルを含む電源装置１５の内部インダクタンスと、電源装置１５から電極１３（溶接トーチ１２）までの間のパワーケーブル等に起因する外部インダクタンスとを合成したものである。また同様に、合成抵抗Ｒは、電源装置１５の内部抵抗と外部抵抗とを合成したものである。

整流回路１８の出力電圧Ｅは、アーク電圧Ｖｄ、合成インダクタンスＬ、合成抵抗Ｒ、及び溶接電流Ｉ（第１溶接機１１単体では出力電流Ｉｄ）で表すと、次式［数１］のようになる。

従って、アーク電圧Ｖｄは、次式［数２］のように表すことができる。

電圧検出器１９ｅは、上記算出式からアーク電圧Ｖｄの算出を行っている。
制御回路１９の電圧監視部（ＶＷ）１９ｆは、算出したアーク電圧Ｖｄが数［Ｖ］の閾値電圧を下回り、且つその下回る期間が一定期間（例えば５００［ｍｓ］）以上継続すると、アーク電圧Ｖｄが低電圧異常であると判定する。つまり、アーク溶接においては、許容される短絡状態は数ｍｓ程度であり、アーク電圧Ｖｄが数［Ｖ］以下となる時間が数１００［ｍｓ］以上継続すると、安定したアーク溶接施工が難しくなるため、低電圧異常と判定するようにしている。そして、電圧監視部１９ｆは、アーク電圧Ｖｄが低電圧異常であると判定すると、エラー表示又は報知を行うためのエラー信号Ｅｒを出力するとともに、ＰＷＭ制御部１９ｄに対してインバータ回路１６の動作停止、即ち電源装置１５の出力動作を停止させて施工不良を予め防止するための停止指令信号Ｓｔを出力する。

第２溶接機２１は、ＭＩＧ溶接等の消耗電極式アーク溶接機にて構成されている。第２溶接機２１の電極２３は、アーク溶接時の消耗に応じて送給がなされるワイヤ電極よりなり、溶接トーチ２２にて支持されている。第２溶接機２１に備えられる溶接用電源装置（図示略）の構成としては、第１溶接機１１の電源装置１５と同様の構成をなしているが、このＭＩＧ溶接等よりなる第２溶接機２１では、電源装置のプラス側出力端子に溶接トーチ２２にて支持される電極２３が接続され、マイナス側出力端子に被溶接物Ｍが接続されて、電極２３がプラス極性とされる。

そして、多電極アーク溶接システム１０としては、第１及び第２溶接機１１，２１の各溶接トーチ１２，２２、即ち電極１３，２３が近接配置され、例えば溶接方向前側に第１溶接機１１の電極１３が、溶接方向後側に第２溶接機２１の電極２３が位置するように配置される。つまり、溶接方向前側に位置する第１溶接機１１が被溶接物Ｍに対して余熱を行い、溶接方向後側の第２溶接機２１での溶着効率向上が図られ、高効率な溶接施工が可能な溶接システム１０となっている。

ところで、本実施形態の多電極アーク溶接システム１０では、第１溶接機１１の電極１３はマイナス極性、第２溶接機２１の電極２３はプラス極性であり、近接する電極１３，２３の極性が異なっている。

そのため図２に示すように、第１及び第２溶接機１１，２１の各電極１３，２３にて生じるアークのタイミングによっては、各電極１３，２３間が抵抗にて接続される状態となり、第１溶接機１１の電極１３に第２溶接機２１の電極２３からの電流Ｉｏの流れ込みが生じ得る。すると、第１溶接機１１の溶接電流Ｉは、次式［数３］に示すように、自身の電源装置１５の駆動により生成される出力電流Ｉｄに、第２溶接機２１側から流れ込む電流Ｉｏが加わったものとなる。

第１溶接機１１単体では電流Ｉｏがゼロとして考えればよい。
制御回路１９の定電流制御は、出力電流Ｉｄのフィードバック制御であり、第２溶接機２１側から流れ込む電流Ｉｏのない第１溶接機１１単体での使用を想定しての制御となっている。

ここで、例えばインバータ回路１６のＰＷＭ動作のオフ期間で整流回路１８の出力電圧Ｅがゼロとなる状況で、第２溶接機２１側から電流Ｉｏが流れ込むと、第１溶接機１１側の回路上に電流Ｉが流れる。従って、上記［数２］にＥ＝０を代入すると、

となる。定電流制御にて目標出力電流Ｉｓに一致する制御が行われているとすると、Ｌの項が略ゼロとみなすことができ、アーク電圧Ｖｄは、次式［数５］、

となり、負値を示すこととなる。
つまり、多電極アーク溶接システム１０としての第１溶接機１１の挙動と、第１溶接機１１単体の挙動とは異なり、第２溶接機２１側からの電流Ｉｏの流れ込みでアーク電圧Ｖｄが低くなりがちな状況となり得る。そのため、制御回路１９の電圧監視部１９ｆにてアーク電圧Ｖｄが低電圧異常と判定され易くなり、場合によってはアークが安定していてもかかわらず、電圧監視部１９ｆがＰＷＭ制御部１９ｄに対して停止指令信号Ｓｔを出力し、インバータ回路１６の動作停止、即ち電源装置１５の出力動作を停止させることが考えられる。

これを踏まえ、本実施形態の電圧監視部１９ｆにおいては、アーク電圧Ｖｄと比較する閾値電圧Ｖｓを以下の［数６］に従って設定することとした。

但し、αは次式［数７］、

を満たす値を選択する。例えばＲ＝０．１、Ｅ＝８０、Ｉ＝３５０とすると、α＞０．４３７５であり、これに基づいてα＝０．４５を選択したとすると、係数（１−α）は０．５５、即ちＶｓ＝Ｅ×０．５５となる。つまり、図３及び図４に示すように、閾値電圧Ｖｓは、整流回路１８の出力電圧Ｅの５５％に設定され、整流回路１８の出力電圧Ｅの変動に追従する。

次に、本実施形態の多電極アーク溶接システム１０における第１溶接機１１側の電源装置１５の制御回路１９での出力電圧監視動作（作用）を図４を参照しつつ説明する。
時間ｔ１にて、第２溶接機２１側からの電流Ｉｏの流れ込みが生じると、アーク電圧Ｖｄは図４の破線にて示すように低下する。

制御回路１９の電圧監視部１９ｆにおいて、アーク電圧Ｖｄの低電圧異常の判定に用いる閾値電圧Ｖｓが図４の一点鎖線にて示すように従前の固定値（数［Ｖ］固定）とした場合、時間ｔ２にてアーク電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｓ以下となる。電圧監視部１９ｆは、アーク電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｓを下回った時間ｔ２から監視時間Ｔの計時を行う。監視時間Ｔは、例えば５００［ｍｓ］である。

そして、監視時間Ｔが経過した時間ｔ３においてアーク電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｓ以下のままであると、電圧監視部１９ｆは、ＰＷＭ制御部１９ｄに対して停止指令信号Ｓｔを出力し、インバータ回路１６の動作停止を図る。つまり、従前では、単に第２溶接機２１側からの電流Ｉｏの流れ込みによるアーク電圧Ｖｄの低下であり、溶接電流Ｉとしては十分でアークが安定していてもかかわらず、電源装置１５の出力動作が停止となってしまう。

これに対し、本実施形態の電圧監視部１９ｆにおいては、整流回路１８の出力電圧Ｅ、即ち第２溶接機２１側からの流れ込み電流Ｉｏを含む溶接電流Ｉと相関のある電圧Ｅに係数（１−α）を乗じて閾値電圧Ｖｓが設定されている。

従って時間ｔ１にて、第２溶接機２１側からの電流Ｉｏの流れ込みが生じてアーク電圧Ｖｄが低下、整流回路１８の出力電圧Ｅも低下するのに追従して、閾値電圧Ｖｓも図４の破線にて示すように低下する。そのため、単に第２溶接機２１側からの電流Ｉｏの流れ込みによるアーク電圧Ｖｄの低下が生じても本実施形態の電圧監視部１９ｆでは低電圧異常と判定せず、電源装置１５の出力動作が継続され、アーク溶接施工の継続が可能となっている。

尚、第２溶接機２１側では、第１溶接機１１側に電流Ｉｏが流出する分、第２溶接機２１のアーク電圧は高くなりがちである。そのため、第２溶接機２１側では、従前のような閾値電圧固定値による出力電圧監視でも足りる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）溶接機１１，２１を併用して多電極による溶接施工を行う際、第２溶接機２１側の電極２３から第１溶接機１１側の電極１３に電流Ｉｏの流れ込みが生じて電源装置１５の出力電圧（アーク電圧Ｖｄ）が低下するような場合でも、制御回路１９の電圧監視部１９ｆが用いる閾値電圧Ｖｓはそのアーク電圧Ｖｄと同様に変動する整流回路１８の出力電圧Ｅに基づいて設定されため、電圧監視部１９ｆにてアーク電圧Ｖｄが低電圧異常と誤判定することを防止することができる。これにより、アーク電圧Ｖｄが低電圧異常で電源装置１５の出力動作を停止させる制御において無用な出力動作の停止を防止でき、溶接施工の継続性を良好とすることができる。

（２）制御回路１９の電圧監視部１９ｆが用いる閾値電圧Ｖｓは、整流回路１８の出力電圧Ｅに係数（１−α）を乗じて設定されるため、その時々の閾値電圧Ｖｓの設定が容易であり、制御回路１９の演算負荷の軽減に貢献する。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・整流回路１８の出力電圧Ｅは、整流回路１８の出力端子間に電圧検出器を設置して取得してもよく、また電源装置１５の出力端子間に電圧検出器を設置して、その出力端子電圧から整流回路１８の出力電圧Ｅを算出するようにしてもよい。

・電極１３の先端のアーク電圧Ｖｄにて低電圧監視を行ったが、電源装置１５の出力電圧（出力端子電圧）にて低電圧監視を行う態様でもよい。
・整流回路１８の出力電圧Ｅに単に係数（１−α）を乗じて閾値電圧Ｖｓを設定したが、これ以外の算出を行って閾値電圧Ｖｓの設定を行ってもよい。

・上記実施形態の各数値は一例であり、適宜変更してもよい。
・上記実施形態の電源装置１５の回路構成は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、インバータ回路１６を他のスイッチング回路としてもよい。

・上記実施形態の溶接システム１０として溶接機１１（ＴＩＧ溶接等）及び溶接機２１（ＭＩＧ溶接等）を用いる組み合わせは一例であり、適宜変更してもよい。また、３以上の溶接機を用いる溶接システムであってもよい。

１１ 第１溶接機
１２ 溶接トーチ
１３ 電極
１５ 電源装置
１６ インバータ回路（スイッチング回路）
１７ トランス
１８ 整流回路（直流変換部）
１９ｆ 電圧監視部
Ｅ 出力電圧（整流回路の出力電圧）
Ｌ 合成インダクタンス（直流変換部の直流リアクトルを含む）
Ｍ 被溶接物
Ｖｄ アーク電圧（電源装置の出力電圧）
Ｖｓ 閾値電圧

Claims (3)

1. 直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング回路と、該スイッチング回路からの高周波交流電力を電圧変換するトランスと、該トランスの二次側から出力された高周波交流電力を直流電力に変換する整流回路を含めアーク溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換部とを備え、溶接機の溶接トーチの電極に前記直流出力電力を供給しその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接施工を行わせるアーク溶接用電源装置において、該電源装置の出力電圧と閾値電圧との比較に基づいてその出力電圧の低電圧異常の判定を行う電圧監視部を備えたアーク溶接用電源装置であって、
   前記電圧監視部が用いる前記閾値電圧は、前記整流回路のその時々の出力電圧に基づいて設定されるものであることを特徴とするアーク溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載のアーク溶接用電源装置において、
   前記電圧監視部が用いる前記閾値電圧は、前記整流回路の出力電圧に係数を乗じて設定されるものであることを特徴とするアーク溶接用電源装置。
3. 直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング回路と、該スイッチング回路からの高周波交流電力を電圧変換するトランスと、該トランスの二次側から出力された高周波交流電力を直流電力に変換する整流回路を含めアーク溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換部とを備え、溶接機の溶接トーチの電極に前記直流出力電力を供給しその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接施工を行わせるアーク溶接用電源装置において、該電源装置の出力電圧と閾値電圧との比較に基づいてその出力電圧の低電圧異常の判定を行うアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法であって、
   前記整流回路のその時々の出力電圧に基づいて設定される前記閾値電圧を用いて前記電源装置の出力電圧の低電圧異常を判定することを特徴とするアーク溶接用電源装置の出力電圧監視方法。