JP6083246B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は溶接装置に関し、特に、アーク溶接においてアークを瞬時に発生させるための高電圧発生回路を備えた溶接装置に関するものである。

アーク溶接においては、アーク電極と母材との間に直流電圧を印加してアークを発生させる。このとき、アーク電極の先端を母材に近づける必要があるが、両者の距離が離れていると溶接開始時にアークが発生しにくい。そこで両者の距離が多少離れていてもアークが発生しやすくなるように、アーク電極と母材との間に非常に高い直流電圧を印加してアークを発生させる、いわゆる高電圧直流スタート方式が採用されている。

特許文献１及び２には、上記高電圧直流スタート方式によりアークを発生させる高電圧発生回路が開示されている。高電圧発生回路は直流電圧回路と並列に接続されており、直流電圧回路が生成した直流電圧を昇圧して高電圧を得ている。また、アークが安定した後は、直流電圧回路が供給する直流電圧だけを用いてアークが維持される。

特開平１０−１６６１４６号公報 特開２００２−２６３８４２号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の溶接装置は、高電圧発生回路と直流電圧回路が並列に接続されていることから、溶接開始時（アークスタート時）には、高電圧発生回路によって変換された出力電圧だけがアークの発生に直接用いられる。つまり、直流電圧回路の出力電圧はすべて高電圧発生回路を経由してアーク電極に供給され、直流電圧回路による直流電圧はアークの発生に直接用いられないので、電力の使用効率が悪く、高電圧発生回路も大型化するという問題がある。

また特許文献２においては、アーク発生後に高電圧発生回路を直流電圧回路から切り離すスイッチが設けられているが、スイッチにかかる電圧が非常に高いため、耐圧の高いスイッチを使用しなければならないという問題がある。

したがって、本発明の目的は、アークスタート時に必要な高電圧を効率よく供給することが可能な溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による溶接装置は、母材との間でアークを発生させるアーク電極と、第１の直流電圧を発生させる第１の電源回路と、前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する第２の電源回路と、アークスタート時に前記第１及び第２の電源回路を動作させることにより、前記母材と前記アーク電極との間に前記第１の直流電圧と前記第２の直流電圧との合成電圧を供給し、アークスタート後に前記第２の電源回路の動作を停止させることにより、前記母材と前記アーク電極との間に前記第１の直流電圧を供給する制御器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第２の電源回路の出力電圧を単独で用いるのではなく、第１の電源回路の出力電圧と第２の電源回路の出力電圧とを合成した電圧を用いてアークスタートが行われるので、小型の電源回路を用いて高電圧を効率よく供給することができる。

本発明による溶接装置は、第１及び第２のダイオードをさらに備え、前記第１の電源回路は、第１の正出力端子及び第１の負出力端子を有し、前記第１の正出力端子と前記第１の負出力端子との間に前記第１の直流電圧を発生させ、前記第２の電源回路は、正入力端子、負入力端子、第２の正出力端子及び第２の負出力端子を有し、前記第２の正出力端子と前記第２の負出力端子との間に前記第２の直流電圧を発生させ、前記第１の正出力端子は、前記第１のダイオードを介して前記母材及び前記アーク電極の一方に接続されており、前記第１の負出力端子は、前記母材及び前記アーク電極の他方に接続されており、前記正入力端子は、前記第１の正出力端子に接続されており、前記負入力端子は、前記第１の負出力端子に接続されており、前記第２の正出力端子は、前記第２のダイオードを介して前記第１のダイオードと前記母材及び前記アーク電極の前記一方との接続点に接続されており、前記第２の負出力端子は、前記第１の正出力端子に接続されており、前記第１及び第２のダイオードは、前記母材及び前記アーク電極の前記一方に向かう方向が順方向となるように接続されていることが好ましい。この構成によれば、比較的簡単な回路構成により、本発明による溶接装置を実現することができる。

本発明において、前記第２の電源回路は、前記正入力端子及び前記負入力端子と、前記第２の正出力端子及び前記第２の負出力端子との間に接続されたトランスを有する絶縁型のＤＣＤＣコンバータであることが好ましい。この構成によれば、第２の電源回路が動作を停止した後は、第１の電源回路に対して影響を及ぼさなくなる。

本発明による溶接装置は、第３のダイオードをさらに備え、前記第３のダイオードは、前記接続点と前記第１の負出力端子との間に設けられており、前記接続点に向かう方向が順方向となるように接続されていることが好ましい。この構成によれば、比較的簡単な回路構成により、本発明による溶接装置を実現することができる。

本発明において、前記制御器は、アーク発生中に流れるアーク電流が所定のしきい値に達したことに応答して前記第２の電源回路の動作を停止させることが好ましい。この構成によれば、第２の電源回路によるアシスト動作を適切なタイミングで終了させることができる。

本発明による溶接装置は、前記アークスタート時に前記制御器からの指示に従って高電圧パルスを発生させて、前記母材と前記アーク電極との間に前記高電圧パルスを供給する高電圧パルス発生回路をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、アークをより瞬時に発生させることができる。

本発明によれば、アークスタート時に必要な高電圧を効率よく供給することが可能な溶接装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による溶接装置１の構成を示す略ブロック図である。 図２は、図１に示す溶接装置１の回路構成の一例を示す回路図である。 図３は、ＡＣＤＣコンバータ１０並びにＤＣＤＣコンバータ２０の最大出力電圧と最大出力電流との関係を示す模式図である。 図４は、母材２とアーク電極３との間の電圧の変化を模式的に示すグラフである。 図５は、本発明の他の実施の形態による溶接装置２の構成を示す略ブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による溶接装置１の構成を示す略ブロック図である。また、図２は、図１に示す溶接装置１の回路構成の一例を示す回路図である。

図１及び図２に示すように、溶接装置１は、母材２とアーク電極３との間に発生させたアークによってもたらされる高熱で母材と溶加材とを溶融させて溶接を行うものであって、交流電圧を所定の直流電圧に変換するＡＣＤＣコンバータ１０と、ＡＣＤＣコンバータ１０の出力電圧を昇圧又は降圧するＤＣＤＣコンバータ２０と、第１〜第３のダイオードＤ１〜Ｄ３と、アーク発生中に流れるアーク電流を検出する電流検出回路３１と、ＤＣＤＣコンバータ２０の動作を制御する制御器３２と、高電圧パルス発生回路３３を備えている。

ＡＣＤＣコンバータ１０は、アークの維持に必要な直流電圧を生成する第１の電源回路であり、その回路構成は特に限定されないが、図２に示すように、ノイズフィルタ１５と、ＰＦＣ（Power Factor Correction）機能付き整流回路１６と、ＤＣＤＣコンバータ１７によって構成することができる。ＡＣＤＣコンバータ１０の一対の入力端子１１ａ，１１ｂは交流電源４（商用電源）に接続されており、正出力端子１２ａは第１のダイオードＤ１を介して母材２に接続されており、負出力端子１２ｂはアーク電極３に接続されている。第１のダイオードＤ１のアノードはＡＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａに接続されており、カソードは母材２に接続されている。つまり、第１のダイオードＤ１は母材２に向かう方向が順方向となるように設けられている。

ＤＣＤＣコンバータ２０は、アークスタート時に動作を開始して高電圧を発生させる第２の電源回路であり、電流検出回路３１によって検出された電流（アーク電流）がしきい値を超えたときに動作を停止する。ＤＣＤＣコンバータ２０の構成は、いわゆる絶縁タイプである限り特に限定されない。

ＤＣＤＣコンバータ２０の正入力端子２１ａ及び負入力端子２１ｂはＡＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａ及び負出力端子１２ｂにそれぞれ接続されている。ＤＣＤＣコンバータ２０の正出力端子２２ａは第２のダイオードＤ２を介して第１のダイオードＤ１のカソードに接続されており、負出力端子２２ｂは正入力端子２１ａと共に、第１ダイオードＤ１のアノード（あるいはＡＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａ）に接続されている。つまり、第１のダイオードＤ１は正出力端子２２ａから負出力端子２２ｂに向かう方向並びに母材２から正出力端子１２ａに向かう方向が逆方向（母材２に向かう方向が順方向）となるように設けられており、これにより一対の出力端子２２ａ，２２ｂ間の電位差が確保される。

このように、本実施形態においては、ＤＣＤＣコンバータ２０がＡＣＤＣコンバータ１０に対して並列接続されているのではなく、ＤＣＤＣコンバータ２０の正出力端子２２ａ及び負出力端子２２ｂがいずれもＡＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａ側に接続されている。このため、ＤＣＤＣコンバータ２０が動作している期間においては、ＡＣＤＣコンバータ１０から出力される第１の直流電圧Ｖ１に、ＤＣＤＣコンバータ２０から出力される第２の直流電圧Ｖ２が重畳され、その合成電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が母材２とアーク電極３との間に印加されることになる。一方、ＤＣＤＣコンバータ２０の動作が停止している期間においては、ＡＣＤＣコンバータ１０から出力される第１の直流電圧Ｖ１だけが母材２とアーク電極３との間に印加される。

第２のダイオードＤ２のアノードはＤＣＤＣコンバータ２０の正出力端子２２ａに接続されている。また第２のダイオードＤ２のカソードは第１のダイオードＤ１のカソードと母材２との間の接続点Ｎ１に接続されている。つまり、第２のダイオードＤ２は母材２から正出力端子２２ａに向かう方向が逆方向となるように設けられており、これによりＤＣＤＣコンバータ２０の停止中におけるＡＣＤＣコンバータ１０の一対の出力端子１２ａ，１２ｂ間の電位差が確保される。

第３のダイオードＤ３は、ＡＣＤＣコンバータ１０の一対の出力端子１２ａ，１２ｂ間に並列接続されており、特に、第３のダイオードＤ３のカソードは第１のダイオードＤ１のカソードと母材２との接続点Ｎ１に接続されており、アノードはＡＣＤＣコンバータ１０の負出力端子１２ｂに接続されている。これにより、ＡＣＤＣコンバータ１０の一対の出力端子１２ａ，１２ｂ間の電位差が確保される。

電流検出回路３１は、ＤＣＤＣコンバータ２０の正出力端子２２ａと接続点Ｎ１とをつなぐライン上に設けられており、このライン上を流れる電流を検出する。

制御器３２は、アークスタート信号ＳＳがオペレータにより入力されたときに動作を開始し、ＤＣＤＣコンバータ２０の動作を開始させると共に、高電圧パルス発生回路３３の動作を開始させる。制御器３２は電流検出回路３１によって検出される電流（アーク電流）がしきい値以上となったときにＤＣＤＣコンバータ２０の動作を停止させると共に、高電圧パルス発生回路３３の動作を停止させる。

高電圧パルス発生回路３３は、第３のダイオードＤ３のアノードとアーク電極３との間に設けられている。高電圧パルス発生回路３３はイグナイターとも呼ばれるアークを誘起させる装置であり、制御器３２からの指示に従ってアークスタート時に動作を開始し、また制御器３２からの指示に従って動作を停止する。

本実施形態によるＤＣＤＣコンバータ２０は、トランスＴ１を有するシングルフォワード方式のＤＣＤＣコンバータであり、トランスＴ１の１次側には、並列キャパシタＣ１、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２、及び第１及び第２のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２が設けられている。またトランスＴ１の２次側には、直列ダイオードＤ４、並列ダイオードＤ５、直列インダクタＬ１、並列キャパシタＣ２、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４、及び直列抵抗Ｒ５が設けられている。さらに、ＤＣＤＣコンバータ２０は第１及び第２のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２を制御するスイッチング制御回路２３を備えている。

スイッチング制御回路２３は制御器３２からの信号を受けて動作を開始し、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のオンオフ状態を制御する。スイッチング制御回路２３は、１次側分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧値から求められるＤＣＤＣコンバータ２０の入力電圧と、２次側分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４による分圧値から求められるＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧に基づいて出力パルスのパルス幅を決定し、これにより所望の出力電圧Ｖｏ２となるようフィードバック制御する。なお、スイッチング制御回路２３が動作していないときには、ＤＣＤＣコンバータ２０自体が動作せず、その入力側と出力側がトランスＴ１によって絶縁されているので、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧はゼロである。

ＡＣＤＣコンバータ１０に含まれるＤＣＤＣコンバータ１７も上記ＤＣＤＣコンバータ２０と同様の回路構成を有しているため、重複する説明は省略する。ＡＣＤＣコンバータ１０に含まれる整流回路１６は、４つのダイオードからなるフルブリッジ回路１８と、直列インダクタ（平滑コイル）Ｌ０と、並列キャパシタＣ０（平滑コンデンサ）と、スイッチング素子Ｔｒ０とで構成されている。

図３は、ＡＣＤＣコンバータ１０並びにＤＣＤＣコンバータ２０の最大出力電圧と最大出力電流との関係を示す模式図である。また、図４は、母材２とアーク電極３との間の電圧の変化を模式的に示すグラフである。

図３に示すように、ＡＣＤＣコンバータ１０はその最大出力電圧Ｖ１が比較的低い代わりに、最大出力電流Ｉ１が比較的大きい。これに対し、ＤＣＤＣコンバータ２０は、最大出力電圧Ｖ２が比較的高い代わりに最大出力電流Ｉ２が比較的小さい。そのため、本実施形態においては、ＤＣＤＣコンバータ２０の最大出力電流Ｉ２をしきい値とし、アーク電流が電流Ｉ２に達した時点でＤＣＤＣコンバータ２０の動作を停止して、ＡＣＤＣコンバータ１０による単独駆動に切り替えるものである。

図４に示すように、アークスタート信号ＳＳをトリガとするアークスタート時にはＡＣＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖ１とＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧Ｖ２との合成電圧Ｖ１＋Ｖ２が母材２とアーク電極３との間に印加され、さらに高電圧パルス発生回路３３による高電圧パルス（不図示）も加えられ、これによりアークが瞬時に発生し、アーク電流が徐々に流れ始める。アークの発生量が増加して、アーク電流がしきい値に達したことを電流検出回路３１が検出すると、ストップ信号ＳＴをトリガにして制御器３２がＤＣＤＣコンバータ２０（具体的にはスイッチング制御回路２３）の動作を停止するので、ＡＣＤＣコンバータ１０の電圧Ｖ１だけが母材２とアーク電極３との間に印加されることになる。

以上説明したように、本実施形態による溶接装置１は、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧を用いてアークスタートを瞬時に開始させることができる。特に、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧を単独で用いるのではなく、ＡＣＤＣコンバータ１０の出力電圧とＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧とを合成した電圧を用いているので、小型のＤＣＤＣコンバータ２０を用いて高電圧を効率よく供給することができる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態による溶接装置１は高電圧パルス発生回路３３を備えているが、本発明において高電圧パルス発生回路３３は必須ではなく、例えば図５に示すように、コイルＬと抵抗Ｒの直列回路からなる簡易的なトリガ回路３４を設けて、アークの発生が手動で促進されるようにしてもよい。

また、上記実施形態による溶接装置１では、第１の電源回路としてＡＣＤＣコンバータ１０を用いているが、本発明がこれに限定されるものではなく、直流電源を用いる場合にはＤＣＤＣコンバータを用いることが可能である。

さらに、上記実施形態による溶接装置１では、ＡＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａ側に母材２を接続し、ＡＣＤＣコンバータ１０の負出力端子１２ｂ側にアーク電極３を接続しているが、これらの接続は逆であっても構わない。

１ 溶接装置
２ 母材
３ アーク電極
４ 交流電源
１０ ＡＣＤＣコンバータ（第１の電源回路）
１１ａ，１１ｂ ＡＣＤＣコンバータの一対の入力端子
１２ａ ＡＣＤＣコンバータの正出力端子
１２ｂ ＡＣＤＣコンバータの負出力端子
２０ ＤＣＤＣコンバータ（第２の電源回路）
２１ａ ＤＣＤＣコンバータの正入力端子
２１ｂ ＤＣＤＣコンバータの負入力端子
２２ａ ＤＣＤＣコンバータの正出力端子
２２ｂ ＤＣＤＣコンバータの負出力端子
２３ スイッチング制御回路
３１ 電流検出回路
３２ 制御器
３３ 高電圧パルス発生回路
３４ トリガ回路
Ｃ１ 並列キャパシタ
Ｃ２ 並列インダクタ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード
Ｌ コイル
Ｌ１ 直列インダクタ
Ｒ 抵抗
Ｒ１，Ｒ２ 分圧抵抗
Ｒ３，Ｒ４ 分圧抵抗
Ｒ５ 直列抵抗
ＳＷ スタートスイッチ
Ｔ１ トランス
Ｔｒ１，Ｔｒ２ スイッチング素子

Claims (5)

1. 母材との間でアークを発生させるアーク電極と、
   第１の直流電圧を発生させる第１の電源回路と、
   前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する第２の電源回路と、
   アークスタート時に前記第１及び第２の電源回路を動作させることにより、前記母材と前記アーク電極との間に前記第１の直流電圧と前記第２の直流電圧との合成電圧を供給し、アークスタート後に前記第２の電源回路の動作を停止させることにより、前記母材と前記アーク電極との間に前記第１の直流電圧を供給する制御器と、
   第１及び第２のダイオードと、を備え、
   前記第１の電源回路は、第１の正出力端子及び第１の負出力端子を有し、前記第１の正出力端子と前記第１の負出力端子との間に前記第１の直流電圧を発生させ、
   前記第２の電源回路は、正入力端子、負入力端子、第２の正出力端子及び第２の負出力端子を有し、前記第２の正出力端子と前記第２の負出力端子との間に前記第２の直流電圧を発生させ、
   前記第１の正出力端子は、前記第１のダイオードを介して前記母材及び前記アーク電極の一方に接続されており、
   前記第１の負出力端子は、前記母材及び前記アーク電極の他方に接続されており、
   前記正入力端子は、前記第１の正出力端子に接続されており、
   前記負入力端子は、前記第１の負出力端子に接続されており、
   前記第２の正出力端子は、前記第２のダイオードを介して前記第１のダイオードと前記母材及び前記アーク電極の前記一方との接続点に接続されており、
   前記第２の負出力端子は、前記第１の正出力端子に接続されており、
   前記第１及び第２のダイオードは、前記母材及び前記アーク電極の前記一方に向かう方向が順方向となるように接続されている、溶接装置。
2. 前記第２の電源回路は、前記正入力端子及び前記負入力端子と、前記第２の正出力端子及び前記第２の負出力端子との間に接続されたトランスを有する絶縁型のＤＣＤＣコンバータである、請求項１に記載の溶接装置。
3. 第３のダイオードをさらに備え、
   前記第３のダイオードは、前記接続点と前記第１の負出力端子との間に設けられており、前記接続点に向かう方向が順方向となるように接続されている、請求項１又は２に記載の溶接装置。
4. 前記制御器は、アーク発生中に流れるアーク電流が所定のしきい値に達したことに応答して前記第２の電源回路の動作を停止させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の溶接装置。
5. 前記アークスタート時に前記制御器からの指示に従って高電圧パルスを発生させて、前記母材と前記アーク電極との間に前記高電圧パルスを供給する高電圧パルス発生回路をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の溶接装置。