JP6529784B2 - プラズマ溶接用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ溶接用電源装置に関する。

プラズマ溶接においては、プラズマ溶接用電源装置にて生成した出力電力を溶接トーチに供給すると共に該トーチにプラズマガスを供給し、これらが協働してトーチ・母材間にプラズマアークを生じさせ溶接を行うものである。このようなプラズマ溶接に用いる溶接トーチとしては、中心に電極を有し、該電極周りにプラズマガス噴射用で二重構造をなすノズルを、更にその周りにシールドガス噴射用のノズルを有する構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

ここで、図４は、従来のプラズマ溶接用電源装置５０の一構成例を示す。プラズマガス噴射用の二重ノズル構造をなす溶接トーチＴＨにおいて電極ａ側から順に第１ノズルｂ、第２ノズルｃとすると、溶接を実施する際には先ず、高周波回路５１及びトランス５２にて生成した高周波電圧が電極ａと第１ノズルｂとの間に印加され、電極ａ・第１ノズルｂ間に高周波放電を発生させる。次いで、電極ａと第１ノズルｂとの間にパイロット回路５３にて生成したパイロットアーク電力が供給され、先の高周波放電に基づき電極ａと第１ノズルｂとの間に一先ずパイロットアークを点弧させる。次いで、切替スイッチ（マグネットスイッチ）ＭＳにてパイロットアーク電力の供給先が第２ノズルｃ側に切り替えられ、パイロットアークを電極ａと第２ノズルｃとの間に移行させる。

このように溶接トーチＴＨでは、実溶接を行う前の待機状態としてパイロットアークを点弧させておき、実溶接に移行する際にはメイン回路５４にて生成したメインアーク電力が電極ａと母材Ｍとの間に供給される。これにより、先のパイロットアークに基づいて電極ａ・母材Ｍ間にメインアーク（プラズマアーク）が生じるようになっている。

特開２０１４−６０２号公報

ところで、図４に示す一構成例では、パイロット回路５３の出力電路が途中から第１ノズルｂ側と第２ノズルｃ側とに分岐し、分岐後の第１ノズルｂ側の電路上に切替スイッチＭＳが配置されている。即ち、切替スイッチＭＳがオンの時には、第１及び第２ノズルｂ，ｃの両側にパイロットアーク電力が供給され、切替スイッチＭＳがオフになると、第１ノズルｂ側へのパイロットアーク電力の供給が停止されると共に、第２ノズルｃ側にその電力が集約される。つまり、パイロットアークを一先ず第１ノズルｂにて点弧するまで切替スイッチＭＳはオン状態とされ、パイロットアークを第２ノズルｃ側に移行する際に切替スイッチＭＳがオフされる。

このような構成であるために、パイロットアークを第２ノズルｃ側に移行すべく切替スイッチＭＳがオフに切り替えられる瞬間に該スイッチＭＳの機械接点間で放電が生じてパイロットアーク電流が消費されることがあると、第２ノズルｃ側へのパイロットアークの移行に支障を来すことが懸念される。特に、電極ａと第１ノズルｂとの間、電極ａと第２ノズルｃとの間の各インピーダンスは溶接トーチの接続状態やガスの流れ方等で成り行きで変化するため、第１ノズルｂ側への電流配分が多い状態で切替スイッチＭＳがオフされると放電による電流消費も大きく、第２ノズルｃ側が過渡的に電流不足に陥る場合がある。つまり、パイロットアークの第２ノズルｃ側への移行時に、場合によってはパイロットアークが消弧してしまう虞もあった。パイロットアークが消弧した場合、再始動する必要があるため、溶接工数が増加してしまう。

そのため、パイロットアークをノズルｂ，ｃ間で移行させる二重ノズル構造の溶接トーチＴＨを用いるものでは、パイロットアークのスタート性をより良好とすることが検討課題となっている。

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、パイロットアークのスタート性を向上させることができるプラズマ溶接用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するプラズマ溶接用電源装置は、電極、その外側に第１ノズル、更にその外側に第２ノズルを少なくとも有する溶接トーチが接続対象であり、前記溶接トーチの電極と溶接対象との間にメインアークを点弧して前記溶接対象の溶接を行うためのメインアーク電力の生成と、溶接前の待機状態としてパイロットアークを点弧するためのパイロットアーク電力の生成とを行う電力生成部を備えると共に、前記パイロットアークの点弧の過程で前記溶接トーチの電極・第１ノズル間から電極・第２ノズル間に前記パイロットアークを移行させるべく、その移行時に前記パイロットアーク電力の供給を前記第１ノズルを含む供給先から前記第２ノズルに切り替えるスイッチ手段を含んで構成されるプラズマ溶接用電源装置であって、前記スイッチ手段は、半導体スイッチを用い、飽和領域と遮断領域との駆動によるオン・オフ動作に加え、能動領域駆動により抵抗体としても機能するようにその何れかで切替可能に構成されると共に、前記第１ノズルが接続される前記電源装置の第１出力端子と前記第２ノズルが接続される前記電源装置の第２出力端子との内で第１出力端子側の電路上に設けられ、該スイッチ手段により前記パイロットアーク電力の供給先が前記第２ノズル側に切り替えられる直前に自身を前記抵抗体として機能させてパイロットアーク電流が前記第２ノズル側で増加するように予め動作し、該動作を経てから前記パイロットアーク電力の供給先が前記第２ノズル側に切り替えられるように構成される。

この構成によれば、オン・オフ動作と抵抗体との何れかで切替可能なスイッチ手段により、パイロットアーク電力の供給先が第２ノズル側に切り替えられる直前にスイッチ手段自身が抵抗体として機能してパイロットアーク電流が第２ノズル側で増加するように予め動作する。そして、該動作を経てからパイロットアーク電力の供給先が第２ノズル側に切り替えられる。これにより、パイロットアークを第１ノズルから第２ノズルに移行する際、第２ノズル側へのパイロットアーク電流が不足することが抑制され、パイロットアークのスタート性がより良好となる。

この構成によれば、スイッチ手段として用いる半導体スイッチは、オン・オフ動作に加え、能動領域駆動により抵抗体として動作させることが容易であるため、スイッチ手段を簡素に構成可能である。また、従来用いていたマグネットスイッチを省略することも可能である。

上記のプラズマ溶接用電源装置において、高周波電圧を生成する高周波回路とそれを昇圧するトランスとを有し、前記パイロットアークの点弧前に前記溶接トーチの電極・第１ノズル間に高周波放電を生じさせるべく、前記第１ノズルが接続される前記電源装置の第１出力端子に前記トランスから昇圧した高周波電圧を供給する高周波電圧生成部を備えるものであり、前記半導体スイッチは、前記高周波電圧の供給電路上に配置されると共に、自身にコンデンサが並列接続されて構成されることが好ましい。

この構成によれば、スイッチ手段として用いる半導体スイッチは、高周波電圧の供給電路上に配置されるため、半導体スイッチ自身にコンデンサを並列接続することで、半導体スイッチが高周波電圧印加により破損することが未然に防止可能である。

上記のプラズマ溶接用電源装置において、前記電源装置の第２出力端子には、高周波除去用のコンデンサが接続されることが好ましい。
この構成によれば、電源装置の第２出力端子に高周波除去用のコンデンサが接続されることで、高周波電圧の出力が特に不要な第２出力端子からその高周波電圧が出力されるのが抑制される。

本発明のプラズマ溶接用電源装置によれば、パイロットアークのスタート性を向上させることができる。

一実施形態におけるプラズマ溶接用電源装置の構成図である。 電源装置の動作を説明するための波形図である。 別例におけるスイッチ回路（スイッチ手段）部分の構成図である。 従来のプラズマ溶接用電源装置の構成図である。

以下、プラズマ溶接用電源装置の一実施形態について説明する。
図１に示す本実施形態のプラズマ溶接用電源装置１０は、商用電源から供給される三相の交流入力電力からプラズマアーク溶接に適した直流出力電力を生成する電源装置である。本実施形態の電源装置１０は、メイン回路（メインアーク電力生成部）１１、パイロット回路（パイロットアーク電力生成部）１２、及び高周波電圧発生部１３を備えている。

メイン回路１１は、溶接に用いるメインアークのための電力を生成する回路である。メイン回路１１は、例えばインバータやトランス（図示略）等を含む回路構成よりなり、商用交流電力からメインアークに適した直流出力電力（メインアーク電力）を生成するように構成されている。また、メイン回路１１に対しては、その時々に適した出力値となるように電流フィードバックによる出力制御（ＰＷＭ制御）が行われる。このようなメイン回路１１のマイナス側及びプラス側出力端子は、電源装置１０におけるマイナス側出力端子Ｔ１及びプラス側出力端子Ｔ２にそれぞれ接続されている。つまり、メイン回路１１にて生成されるメインアーク電力は、電源装置１０の出力端子Ｔ１，Ｔ２から出力される。因みに、出力端子Ｔ１はコンデンサＣ１を介してアース接続（ケースアース）される。

パイロット回路１２は、溶接前の待機状態として点弧させておくパイロットアークのための電力を生成する回路である。パイロット回路１２は、例えばメイン回路１１と同様にインバータやトランス（図示略）等を含み、商用交流電力からパイロットアークに適した直流出力電力（パイロットアーク電力）を生成するように例えばメイン回路１１よりも小型に構成されている。また、パイロット回路１２に対しては、パイロットアークの点弧に適した一定電流が生じる出力制御が行われる。このようなパイロット回路１２のマイナス側出力端子は、メイン回路１１と共通のマイナス側出力端子Ｔ１に接続されている。

一方、パイロット回路１２のプラス側出力端子は、電路上の接続点Ｎから一方では電源装置１０の出力端子Ｔ３に接続されると共に、他方では後述のトランス１５の二次コイル１７及び半導体スイッチＳＷを介して電源装置１０の出力端子Ｔ４に接続されている。つまり、パイロット回路１２にて生成されるパイロットアーク電力は、半導体スイッチＳＷがオフの時には出力端子Ｔ３から出力され、半導体スイッチＳＷがオンの時には各出力端子Ｔ３，Ｔ４からそれぞれ分配されて出力される。

高周波電圧発生部１３は、高周波回路１４及びトランス１５を備えている。高周波回路１４の出力端子間にはトランス１５の一次コイル１６が接続されている。トランス１５の二次コイル１７の第１端子は出力端子Ｔ３に接続され、第２端子は半導体スイッチＳＷを介して電源装置１０の出力端子Ｔ４に接続されている。半導体スイッチＳＷは、ＩＧＢＴ等のトランジスタ素子（Ｔｒ）よりなる。また、半導体スイッチＳＷには、自身の保護用として、ダイオードＤ１が逆接続されると共にコンデンサＣ３が並列接続されている。そして、高周波電圧発生部１３は高周波回路１４にて生成した数ＭＨｚの高周波電圧をトランス１５を介して十数ｋＶまで昇圧し、昇圧した高周波電圧は出力端子Ｔ４から出力される。尚、出力端子Ｔ３は、コンデンサＣ２を介してアース接続（ケースアース）され、該端子Ｔ３から高周波電圧が出力されることの抑制が図られている。

ここで、電源装置１０に用いる溶接トーチＴＨは、中心に電極ａが設けられ、その外側に第１ノズル（カソードスリーブ）ｂが、更にその外側に第２ノズル（アノードスリーブ）ｃが、最も外側にシールドキャップｄが設けられてなる。電極ａと第１ノズルｂとの間、及び第１ノズルｂと第２ノズルｃとの間からはそれぞれプラズマガスが噴射され、第２ノズルｃとシールドキャップｄとの間からはシールドガスが噴射される。ガスの供給路及び供給源については図示を省略している。このような溶接トーチＴＨは、電極ａが電源装置１０の出力端子Ｔ１と、第１ノズルｂが出力端子Ｔ４と、第２ノズルｃが出力端子Ｔ３とそれぞれ接続される。溶接対象の母材Ｍは、電源装置１０の出力端子Ｔ２と接続される。

そして、電源装置１０内に備えられる制御回路２０は、メイン回路１１、パイロット回路１２、高周波電圧発生部１３（高周波回路１４）、及び半導体スイッチＳＷの動作を制御する。また、制御回路２０は、プラズマガス及びシールドガスの噴射時期や噴射量等についても制御し、プラズマアーク溶接に係る動作の統括的な制御を行っている。

次に、本実施形態のプラズマ溶接用電源装置１０の動作、特にパイロットアークのスタート時の動作を中心に図１及び図２を用いて説明する。尚、ガスの噴射態様についてはその時々で適切に行われるものとし、以下の説明では省略する。

溶接を実施するに際して先ず、制御回路２０は半導体スイッチＳＷをオンすると共に、高周波回路１４を駆動して高周波電圧の生成を行う（図２のｔ１）。高周波回路１４で生じた高周波電圧はトランス１５にて昇圧され、昇圧された高周波電圧は電源装置１０の出力端子Ｔ４から出力されて溶接トーチＴＨの第１ノズルｂに供給される。溶接トーチＴＨの電極ａは電源装置１０の出力端子Ｔ１に接続されていることから、溶接トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電が生じる。尚、電源装置１０の出力端子Ｔ３において高周波電圧はコンデンサＣ２にて吸収されるため、出力端子Ｔ３からの高周波電圧の出力は抑制されている。

次いで、溶接トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電を生じさせた状態で、制御回路２０はパイロット回路１２を駆動してパイロットアーク電力の生成を行う（図２のｔ２）。パイロット回路１２で生じたパイロットアーク電力は、電源装置１０の出力端子Ｔ３から溶接トーチＴＨの第２ノズルｃに供給されると共に、半導体スイッチＳＷを介して出力端子Ｔ４から第１ノズルｂに供給される。この時、電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電が生じていることから、この高周波放電を拠り所として電極ａと第１ノズルｂとの間にパイロットアークが点弧する。尚、制御回路２０は、パイロット回路１２を駆動後に程なくして高周波回路１４の駆動を停止する。

次いで、制御回路２０は、半導体スイッチＳＷをオン（飽和領域駆動）から能動領域駆動（オン抵抗増大）に切り替え、該スイッチＳＷを所定値の抵抗体として機能させる（図２のｔ３：抵抗モード）。その際、半導体スイッチＳＷが適切な抵抗値となるように、該スイッチＳＷのゲート電圧の調整（設定）が行われる。これにより、電源装置１０の出力端子Ｔ４側に設けられる半導体スイッチＳＷが抵抗体となることで、出力端子Ｔ４側よりも出力端子Ｔ３側のパイロットアーク電力（電流）が相対的に増加する。つまり、次に半導体スイッチＳＷがオフして電源装置１０の出力端子Ｔ３側に電力を集約させる動作に予め備える動作となっている。尚、電源装置１０の出力端子Ｔ３側のパイロットアーク電力が減少するが、電極ａと第１ノズルｂとの間で点弧しているパイロットアークが消弧しない電流配分（半導体スイッチＳＷのオン抵抗）となるように適切に設定されている。

次いで、制御回路２０は半導体スイッチＳＷをオフする（図２のｔ４）。即ち、電極ａと第１ノズルｂとの間で点弧しているパイロットアークを電極ａと第２ノズルｃとの間に移行すべく、制御回路２０は半導体スイッチＳＷをオフ（遮断領域駆動）してパイロットアーク電力を第２ノズルｃ側（電源装置１０の出力端子Ｔ３側）に集約させる。

ここで、半導体スイッチＳＷがオフされる直前においては抵抗体として機能する動作となることから、パイロット回路１２から出力されるパイロットアーク電流が予め出力端子Ｔ３側、即ち第２ノズルｃ側に多く流れる状況が作られるようになっている。つまり、背景技術で述べた切替スイッチ（ＭＳ）のオフ時に過渡的に第２ノズルｃ側のパイロットアーク電流が不足してパイロットアークが消弧してしまうようなことが本実施形態では抑制されている。

次いで、電極ａと第２ノズルｃとの間にパイロットアークを移行させた状態が実溶接を行う前の待機状態であり、実溶接を行う指令が生じると、制御回路２０はメイン回路１１を駆動してメインアーク電力の生成を行う（図２のｔ５）。メイン回路１１で生じたメインアーク電力は、電源装置１０の出力端子Ｔ２から母材Ｍに供給され、先のパイロットアークを拠り所として電極ａと母材Ｍとの間にメインアークが点弧するようになっている。そして、このメインアークによる母材Ｍの実溶接が行われる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）オン・オフ動作と抵抗体との何れかで切替可能な半導体スイッチＳＷが用いられ、パイロットアーク電力の供給先が第２ノズルｃ側に切り替えられる直前に半導体スイッチＳＷ自身が抵抗体（能動領域駆動）として機能してパイロットアーク電流が第２ノズルｃ側で増加するように予め動作する。そして、該動作を経てからパイロットアーク電力の供給先が第２ノズルｃ側に切り替えられる。これにより、パイロットアークを第１ノズルｂから第２ノズルｃに移行する際、第２ノズルｃ側へのパイロットアーク電流が不足することを抑制でき、パイロットアークのスタート性を向上することができる。結果、パイロットアークが消弧する機会を減少でき、再始動を繰り返して溶接工数が増加してしまうことを抑制することができる。

因みに、パイロット回路１２にて生成するパイロットアーク電流は数Ａ程度と小さいことから、パイロット回路１２を構成する例えばインバータに対してＰＷＭ制御を実施する態様としている場合、インバータを構成するスイッチング素子のオンパルス幅が幅狭に設定されがちである。特に制御ゲインを高めに設定するような場合では、オンパルス幅が消滅し出力が停止して、パイロットアークが消弧（アーク切れ）することも懸念される。しかしながら、本実施形態ではパイロット回路１２の出力側に設けられる半導体スイッチＳＷが抵抗体として動作することで、パイロット回路１２側から見て負荷が増大することになるため、オンパルス幅の消滅が生じ難く出力停止も起こり難くなり、アーク切れを防止する効果もある。

（２）半導体スイッチＳＷは、オン・オフ動作に加え、能動領域駆動により抵抗体として動作させることが容易であるため、スイッチ手段として簡素に構成することができる。また、従来用いていたマグネットスイッチ（ＭＳ）を省略することもでき、電源装置１０の簡素化に寄与することができる。

（３）半導体スイッチＳＷは、トランス１５の二次コイル１７と電源装置１０の出力端子Ｔ４との間、即ち高周波電圧の供給電路上に配置されるため、半導体スイッチＳＷ自身にコンデンサＣ３を並列接続することで、半導体スイッチＳＷが高周波電圧印加により破損することを未然に防止することができる。

（４）電源装置１０の出力端子Ｔ３に高周波除去用のコンデンサＣ２を接続する構成としたことで、高周波電圧の出力が特に不要な出力端子Ｔ３からその高周波電圧が出力されるのを抑制することができる。

（５）メインアーク電力を生成するメイン回路１１と、パイロットアーク電力を生成するパイロット回路１２とを別々の電力生成部として構成したことで、各回路１１，１２にそれぞれ特化した回路構成及び制御とすることができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・特に言及しなかったが、半導体スイッチＳＷを抵抗体として機能させる際、ゲート電圧を一定として自身の抵抗値（オン抵抗）を一定としてもよく、またその時々で適切な抵抗値となるようにゲート電圧をその時々で変更させてもよい。

・オン・オフ動作と抵抗体との何れかで切替可能なスイッチ手段として半導体スイッチＳＷを用い、特に能動領域にて駆動することで抵抗体として機能させる構成としたが、スイッチ手段の構成はこれに限らない。

例えば図３に示すように、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を直列接続し、一方のスイッチ素子ＳＷ２に抵抗素子Ｒ１を並列接続し、各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に自身の保護用のコンデンサＣ４，Ｃ５をそれぞれ並列接続するスイッチ回路として構成してもよい。そして、スイッチ回路のオンの際にはスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を共にオン、オフの際にはスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を共にオフし、スイッチ回路を抵抗体として機能させる場合は、スイッチ素子ＳＷ１をオン、スイッチ素子ＳＷ２をオフし、抵抗素子Ｒ１を電路上に介装するように動作させる。この構成では、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を単にオン・オフ動作させるだけで済む。

・電源装置１０の出力端子Ｔ３に高周波除去用のコンデンサＣ２を接続したが、高周波の除去が可能な他の回路素子を設置してもよい。また、高周波除去用のコンデンサＣ２を省略してもよい。

・メイン回路１１とパイロット回路１２とを別々の電力生成部として構成したが、メインアーク電力とパイロットアーク電力とを共に生成する一つの電力生成部で構成してもよい。

１０ プラズマ溶接用電源装置
１１ メイン回路（メインアーク電力生成部、電力生成部）
１２ パイロット回路（パイロットアーク電力生成部、電力生成部）
１３ 高周波電圧生成部
１４ 高周波回路
１５ トランス
Ｔ３ 出力端子（第２出力端子）
Ｔ４ 出力端子（第１出力端子）
ＴＨ 溶接トーチ
ａ 電極
ｂ 第１ノズル
ｃ 第２ノズル
Ｍ 母材（溶接対象）
ＳＷ 半導体スイッチ（スイッチ手段、抵抗体）
ＳＷ１ スイッチ素子（スイッチ手段）
ＳＷ２ スイッチ素子（スイッチ手段）
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ３ コンデンサ
Ｒ１ 抵抗素子（スイッチ手段、抵抗体）

Claims (3)

1. 電極、その外側に第１ノズル、更にその外側に第２ノズルを少なくとも有する溶接トーチが接続対象であり、前記溶接トーチの電極と溶接対象との間にメインアークを点弧して前記溶接対象の溶接を行うためのメインアーク電力の生成と、溶接前の待機状態としてパイロットアークを点弧するためのパイロットアーク電力の生成とを行う電力生成部を備えると共に、前記パイロットアークの点弧の過程で前記溶接トーチの電極・第１ノズル間から電極・第２ノズル間に前記パイロットアークを移行させるべく、その移行時に前記パイロットアーク電力の供給を前記第１ノズルを含む供給先から前記第２ノズルに切り替えるスイッチ手段を含んで構成されるプラズマ溶接用電源装置であって、
   前記スイッチ手段は、半導体スイッチを用い、飽和領域と遮断領域との駆動によるオン・オフ動作に加え、能動領域駆動により抵抗体としても機能するようにその何れかで切替可能に構成されると共に、前記第１ノズルが接続される前記電源装置の第１出力端子と前記第２ノズルが接続される前記電源装置の第２出力端子との内で第１出力端子側の電路上に設けられ、該スイッチ手段により前記パイロットアーク電力の供給先が前記第２ノズル側に切り替えられる直前に自身を前記抵抗体として機能させてパイロットアーク電流が前記第２ノズル側で増加するように予め動作し、該動作を経てから前記パイロットアーク電力の供給先が前記第２ノズル側に切り替えられるように構成されていることを特徴とするプラズマ溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ溶接用電源装置において、
   高周波電圧を生成する高周波回路とそれを昇圧するトランスとを有し、前記パイロットアークの点弧前に前記溶接トーチの電極・第１ノズル間に高周波放電を生じさせるべく、前記第１ノズルが接続される前記電源装置の第１出力端子に前記トランスから昇圧した高周波電圧を供給する高周波電圧生成部を備えるものであり、
   前記半導体スイッチは、前記高周波電圧の供給電路上に配置されると共に、自身にコンデンサが並列接続されて構成されていることを特徴とするプラズマ溶接用電源装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ溶接用電源装置において、
   前記電源装置の第２出力端子には、高周波除去用のコンデンサが接続されていることを特徴とするプラズマ溶接用電源装置。