JP7142313B2 - 溶接電源装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、溶接電源装置に関する。

従来、溶接電源装置が知られている。例えば、特許文献１には、消耗電極と溶接対象との間に溶接電力を供給する溶接電源装置が開示されている。この溶接電源装置は、消耗電極に対して溶接電流を出力する経路に設けられたリアクトルと、リアクトルに並列接続されてアークスタート制御信号に応じてリアクトルの両端子間の導通状態と遮断状態とを切り替えるアークスタート回路と、溶接開始信号に基づいてアークスタート回路を導通状態とし、溶接電流と目標値の比較結果に応じて、導通状態のアークスタート回路におけるインピーダンスを徐々に高くし、その後にアークスタート回路を遮断状態とするように、アークスタート制御信号を生成するアークスタート制御回路とを備えている。

特開２０１５－２１１９７６号公報

しかしながら、特許文献１の溶接電源装置では、消耗電極に対して溶接電流を出力する経路（溶接電流が流れる電流経路）にリアクトルが１つしか設けられていないので、溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値を変更することができない。そのため、溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値を所望のリアクトル値に設定することができない。例えば、溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値（溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値）は、溶接電流の電流値に応じて変化する。そのため、溶接電流が流れる電流経路にリアクトルが１つしか設けられていない場合、溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値を、その溶接電流の電流値に適したリアクトル値に設定することが困難である。

ここに開示する技術は、アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に出力電力を供給する溶接電源装置置に関する。この溶接電源装置は、前記出力電力を生成する電力変換部と、前記電力変換部と前記電極とを電気的に接続する電極側電流経路と、前記電力変換部と前記母材とを電気的に接続する母材側電流経路とを備えている。前記電極側電流経路および前記母材側電流経路のうち少なくとも一方は、互いに並列に設けられた複数のリアクトル経路を有している。前記複数のリアクトル経路の各々には、直列に接続されたスイッチング素子とリアクトルが設けられている。

ここに開示する技術によれば、それぞれに直列に接続されたスイッチング素子とリアクトルが設けられた複数のリアクトル経路が電力変換部と加工負荷との間に並列に設けられているので、複数のリアクトル経路のスイッチング素子のオンオフにより、電力変換部と加工負荷との間の電流経路（すなわち溶接電流が流れる電流経路）におけるリアクトル値を変更することができる。これにより、溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値を所望のリアクトル値に設定することができる。

実施形態１による溶接電源装置の構成を例示する回路図である。 実施形態２による溶接電源装置の構成を例示する回路図である。 溶接電流の波形とスイッチング素子の切り換えを例示する図である。 実施形態３による溶接電源装置の構成を例示する回路図である。

以下、実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１による溶接電源装置１０の構成を例示している。この溶接電源装置１０は、電源１１とアーク溶接用の電極２１と溶接対象物である母材２２とに電気的に接続され、電源１１から供給された入力電力に基づいてアーク溶接用の電極２１と母材２２とを含む加工負荷２０に出力電力を供給するように構成されている。具体的には、溶接電源装置１０は、電力変換部３０と、電極側電流経路４０と、母材側電流経路５０と、制御部６０とを備えている。この例では、電源１１は、単相交流電源である。

〔電力変換部〕
電力変換部３０は、出力電力を生成する。具体的には、電力変換部３０は、電源１１から供給された入力電力を出力電力に変換する。この例では、電力変換部３０は、入力整流部３１と、スイッチング部３２と、トランス部３３と、出力整流部３４とを有している。また、この例では、電源１１から供給される入力電力は、交流電力である。

入力整流部３１は、電源１１から供給された入力電力（すなわち交流電力）を直流電力に整流する。スイッチング部３２は、入力整流部３１の出力電力（すなわち直流電力）をスイッチング動作により所定の周波数を有する交流電力に変換する。トランス部３３は、スイッチング部３２の出力電力（すなわち交流電力）を降圧する。出力整流部３４は、トランス部３３の出力電力（すなわち交流電力）を直流電力に整流する。そして、出力整流部３４の出力電力は、加工負荷２０（具体的にはアーク溶接用の電極２１と母材２２との間）に供給される。

このように、電力変換部３０の出力電力がアーク溶接用の電極２１と母材２２との間に供給されることにより、電極２１と母材２２との間に発生するアークによる母材２２の溶接（アーク溶接）が行われる。

〔電極側電流経路と母材側電流経路〕
電極側電流経路４０は、電力変換部３０の正側と電極２１との間に設けられ、電力変換部３０の正側と電極２１とを電気的に接続している。母材側電流経路５０は、電力変換部３０の負側と母材２２との間に設けられ、電力変換部３０の負側と母材２２とを電気的に接続している。

また、電極側電流経路４０および母材側電流経路５０のうち少なくとも一方は、互いに並列に設けられた複数のリアクトル経路７０を有している。この例では、電極側電流経路４０は、複数のリアクトル経路７０によって構成され、母材側電流経路５０は、例えば、電力変換部３０の負側と電極２１とを接続する電力線によって構成されている。複数のリアクトル経路７０の各々は、例えば、電力変換部３０の正側と電極２１とを接続する電力線によって構成されている。

そして、複数のリアクトル経路７０の各々には、直列に接続されたスイッチング素子７１とリアクトル７２が設けられている。スイッチング素子７１は、制御部６０による制御に応答してオン状態とオフ状態とを切り換え可能となっている。この例では、スイッチング素子７１は、半導体スイッチによって構成されており、制御部６０による制御によりオン状態とオフ状態とに切り換えられる。リアクトル７２は、電力変換部３０と加工負荷２０との間に流れる溶接電流に含まれる高調波成分を抑制するために設けられている。なお、リアクトル７２の設定については、後で詳しく説明する。

〔制御部〕
制御部６０は、スイッチング部３２において入力整流部３１の出力電力が所定の周波数を有する交流電力に変換されるように、電力変換部３０のスイッチング動作（具体的にはスイッチング部３２の動作）を制御する。また、制御部６０は、溶接電源装置１０の操作部（図示を省略）に与えられた操作や溶接電源装置１０の記憶部（図示を省略）に記憶された溶接条件に応じて、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のオンオフを制御する。例えば、制御部６０は、プロセッサや、プロセッサを動作させるためのプログラムや情報を記憶するメモリや、複数のスイッチング素子７１のオンオフを制御するための信号（例えばゲート信号）を出力する駆動回路などによって構成されている。なお、制御部６０によるスイッチング素子７１のオンオフ制御については、後で詳しく説明する。

〔溶接電流とリアクトル値の関係〕
電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路に流れる溶接電流に適したリアクトル値（溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値）は、溶接電流の電流値に応じて変化する。具体的には、溶接電流の電流値が高くなるに連れて、その溶接電流に適したリアクトル値（例えば溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値）が高くなる傾向にある。

〔リアクトルの設定〕
この例では、複数のリアクトル経路７０は、電力変換部３０と加工負荷２０との間に流れる溶接電流に対して予め定められた複数の電流域（例えば溶接電流が取り得る複数の電流域）にそれぞれ対応している。そして、複数のリアクトル経路７０の各々に設けられたリアクトル７２のリアクトル値は、複数の電流域のうちそのリアクトル経路７０に対応する電流域に応じたリアクトル値（具体的にはその電流域に属する溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値）に設定されている。

〔制御部によるオンオフ制御〕
そして、この例では、制御部６０は、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のうち、電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路に流そうとする溶接電流の電流値が属する電流域に対応するリアクトル経路７０に設けられたスイッチング素子７１がオン状態となり、残りのスイッチング素子７１がオフ状態となるように、複数のスイッチング素子７１のオンオフを制御する。

〔実施形態１による効果〕
以上のように、それぞれに直列に接続されたスイッチング素子７１とリアクトル７２が設けられた複数のリアクトル経路７０が電力変換部３０と加工負荷２０との間（この例では電力変換部３０の正側と電極２１との間）に並列に設けられているので、複数のリアクトル経路７０のスイッチング素子７１のオンオフにより、電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路（すなわち溶接電流が流れる電流経路）におけるリアクトル値を変更することができる。これにより、溶接電流が流れる電流経路におけるリアクトル値を所望のリアクトル値に設定することができる。

具体的には、この例では、複数のリアクトル経路７０の各々に設けられたリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流に対して予め定められた複数の電流域のうちそのリアクトル経路７０に対応する電流域に応じたリアクトル値に設定されている。したがって、複数のリアクトル経路７０のスイッチング素子７１のオンオフにより、溶接電流が流れる電流経路（すなわち電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路）のリアクトル値を、その溶接電流の電流値が属する電流域に応じたリアクトル値（その電流域に属する溶接電流に適したリアクトル値）に設定することができる。これにより、アーク溶接（電極２１と母材２２との間に発生するアークによる母材２２の溶接）におけるスパッタの発生を抑制することができるので、溶接施工性を向上させることができる。

なお、複数のリアクトル経路７０が溶接電流に対して予め定められた複数の電流域と一対一で対応するようになっていてもよい。すなわち、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流に対して予め定められた複数の電流域と一対一で対応するように設定されていてもよい。

または、複数のリアクトル経路７０のうち２つ以上のリアクトル経路７０が溶接電流に対して予め定められた複数の電流域のいずれか１つに対応するようになっていてもよい。すなわち、２つ以上のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた２つ以上のリアクトル７２のリアクトル値を合成して得られる合成リアクトル値が、溶接電流に対して予め定められた複数の電流域のいずれか１つに対応するリアクトル値（例えばその電流域に属する溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値）に設定されていてもよい。この場合、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のうち、その２つ以上のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた２つ以上のスイッチング素子７１をオン状態にし、残りのスイッチング素子７１をオフ状態にすることにより、電力変換部３０と加工負荷２０のと間の電流経路（すなわち溶接電流が流れる電流経路）におけるリアクトル値を、その２つ以上のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた２つ以上のリアクトル７２のリアクトル値を合成して得られる合成リアクトル値に設定することができる。

（実施形態２）
図２は、実施形態２による溶接電源装置１０の構成を例示している。実施形態２による溶接電源装置１０は、電極側電流経路４０の構成が実施形態１による溶接電源装置１０と異なっている。実施形態２では、電極側電流経路４０を構成する複数のリアクトル経路７０に、第１リアクトル経路７０ａと第２リアクトル経路７０ｂとが含まれている。なお、実施形態２による溶接電源装置１０のその他の構成は、図１に示した実施形態１による溶接電源装置１０の構成と同様となっている。

実施形態２による溶接電源装置１０を用いた溶接処理では、パルス溶接が行われる。図３に示すように、パルス溶接では、予め定められた周期Ｐ０で溶接電流がパルス状に変化する。すなわち、制御部６０は、電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路を流れる溶接電流がパルス状に変化するように、電力変換部３０のスイッチング動作（具体的にはスイッチング部３２の動作）を制御する。

〔第１リアクトル経路〕
第１リアクトル経路７０ａは、パルス溶接において電力変換部３０と加工負荷２０との間に流れる溶接電流のピーク電流値ｉ１（図３参照）に対応している。第１リアクトル経路７０ａに設けられたリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流のピーク電流値ｉ１に応じたリアクトル値に設定されている。具体的には、第１リアクトル経路７０ａのリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流のピーク電流値ｉ１に適したリアクトル値（例えばピーク電流値ｉ１に設定された溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値）に設定されている。なお、以下では、第１リアクトル経路７０ａに設けられたスイッチング素子７１を「第１スイッチング素子７１ａ」と記載する。

〔第２リアクトル経路〕
第２リアクトル経路７０ｂは、パルス溶接において電力変換部３０と加工負荷２０との間に流れる溶接電流のベース電流値ｉ２（図３参照）に対応している。第２リアクトル経路７０ｂに設けられたリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流のベース電流値ｉ２に応じたリアクトル値に設定されている。具体的には、第１リアクトル経路７０ａのリアクトル７２のリアクトル値は、溶接電流のベース電流値ｉ２に適したリアクトル値（例えばベース電流値ｉ２に設定された溶接電流に含まれる高調波成分の抑制に適したリアクトル値）に設定されている。なお、以下では、第２リアクトル経路７０ｂに設けられたスイッチング素子７１を「第２スイッチング素子７１ｂ」と記載する。

〔制御部によるオンオフ制御〕
また、実施形態２では、制御部６０は、溶接電流の電流値がピーク電流値ｉ１となるピーク期間Ｐ１において第１スイッチング素子７１ａがオン状態となる一方で第２スイッチング素子７１ｂがオフ状態となり、溶接電流の電流値がベース電流値ｉ２となるベース期間Ｐ２において第２スイッチング素子７１ｂがオン状態となる一方で第１スイッチング素子７１ａがオフ状態となるように、第１スイッチング素子７１ａおよび第２スイッチング素子７１ｂのオンオフを制御する。

なお、この例では、オフ状態のスイッチング素子７１がオン状態に切り換えられるタイミング（オンタイミング）と、オン状態のスイッチング素子７１がオフ状態に切り換えられるタイミング（オフタイミング）とが互いに一致している。すなわち、制御部６０は、複数のリアクトル経路７０（第１リアクトル経路７０ａと第２リアクトル経路７０ｂ）にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のうち、オン状態であるスイッチング素子７１がオフ状態に切り換えられると同時に、オフ状態であるスイッチング素子７１がオン状態に切り換えられるように、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のオンオフを制御する。

〔実施形態２による効果〕
以上のように、第１リアクトル経路７０ａに設けられたリアクトル７２のリアクトル値が溶接電流のピーク電流値ｉ１に応じたリアクトル値に設定され、第２リアクトル経路７０ｂに設けられたリアクトル７２のリアクトル値が溶接電流のベース電流値ｉ２に応じたリアクトル値に設定されているので、第１スイッチング素子７１ａおよび第２スイッチング素子７１ｂのオンオフにより、溶接電流が流れる電流経路（すなわち電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路）のリアクトル値を、その溶接電流のピーク電流値ｉ１に応じたリアクトル値（またはベース電流値ｉ２に応じたリアクトル値）に設定することができる。これにより、アーク溶接（電極２１と母材２２との間に発生するアークによる母材２２の溶接）におけるスパッタの発生を抑制することができるので、溶接施工性を向上させることができる。

（実施形態３）
図４は、実施形態３による溶接電源装置１０の構成を例示している。実施形態３による溶接電源装置１０は、図１に示した実施形態１による溶接電源装置１０の構成に加えて、アークスタート電流経路８０を備えている。

また、実施形態３による溶接電源装置１０を用いた溶接処理では、アークスタート処理が行われた後に、本溶接処理が行われる。アークスタート処理では、電力変換部３０と電極２１との間の電流経路を流れる溶接電流の電流値が本溶接処理において要求される電流値となるように、溶接電流の電流値が次第に増加していく。本溶接処理では、溶接電流の電流値が所望の電流値（本溶接処理において要求される電流値）となるように溶接電流の電流値が維持される。

〔アークスタート電流経路〕
アークスタート電流経路８０は、電力変換部３０と加工負荷２０との間において複数のリアクトル経路７０と並列に設けられている。この例では、アークスタート電流経路８０は、電力変換部３０の正側と電極２１との間において電極側電流経路４０を構成する複数のリアクトル経路７０と並列に設けられ、電力変換部３０の正側と電極２１とを電気的に接続している。例えば、アークスタート電流経路８０は、電力変換部３０の正側と電極２１とを接続する電力線によって構成されている。そして、アークスタート電流経路８０には、アークスタートスイッチング素子８１が設けられている。アークスタートスイッチング素子８１の構成は、スイッチング素子７１の構成と同様となっている。また、アークスタート電流経路８０におけるリアクトル値は、複数のリアクトル経路７０の各々におけるリアクトル値よりも低くなっている。この例では、アークスタート電流経路８０には、リアクトルが設けられていない。

〔制御部によるオンオフ制御〕
また、実施形態３では、アークスタート処理において、制御部６０は、アークスタートスイッチング素子８１がオン状態となる一方で複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１がオフ状態となるように、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１とアークスタートスイッチング素子８１のオンオフを制御する。

また、実施形態３では、アークスタート処理の後に行われる本溶接処理において、制御部６０は、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１のうち、本溶接処理において電力変換部３０と加工負荷２０との間の電流経路に流そうとする溶接電流の電流値が属する電流域に対応するリアクトル経路７０に設けられたスイッチング素子７１がオン状態となり、残りのスイッチング素子７１とアークスタートスイッチング素子８１がオフ状態となるように、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子７１とアークスタートスイッチング素子８１のオンオフを制御する。

〔実施形態３による効果〕
以上のように、複数のリアクトル経路７０に加えてアークスタート電流経路８０が設けられているので、複数のリアクトル経路７０のスイッチング素子７１およびアークスタートスイッチング素子８１のオンオフにより、アークスタート処理における溶接電流の電流経路としてアークスタート電流経路８０を選択することができる。なお、アークスタート電流経路８０におけるリアクトル値は、リアクトル経路７０におけるリアクトル値よりも低くなっている。そのため、アークスタート処理における溶接電流の電流経路としてアークスタート電流経路８０を選択することにより、アークスタート処理において溶接電流の立ち上がりを急峻にすることができる。これにより、アークスタート性を向上させることができる。

なお、アークスタート電流経路８０にリアクトル（例えばリアクトル経路７０のリアクトル７２のリアクトル値よりも小さいリアクトル値を有するリアクトル）が設けられていてもよい。

（その他の実施形態）
以上の説明では、複数のリアクトル経路７０が電極側電流経路４０を構成する場合を例に挙げたが、これに限らず、複数のリアクトル経路７０は、母材側電流経路５０を構成するものであってもよいし、電極側電流経路４０および母材側電流経路５０の両方を構成するものであってもよい。また、母材側電流経路５０が複数のリアクトル経路７０によって構成されている場合、アークスタート電流経路８０は、電力変換部３０の負側と母材２２との間において母材側電流経路５０を構成する複数のリアクトル経路７０と並列に設けられて電力変換部３０の負側と母材２２とを電気的に接続するものであってもよい。

また、以上の説明では、オフ状態のスイッチング素子７１がオン状態に切り換えられるタイミング（オンタイミング）とオン状態のスイッチング素子７１がオフ状態に切り換えられるタイミング（オフタイミング）とが互いに一致している場合を例に挙げたが、オンタイミングがオフタイミングよりも早くなっていてもよいし、オンタイミングがオフタイミングよりも遅くなっていてもよい。すなわち、オン状態に切り換えようとするスイッチング素子７１とオフ状態に切り換えようとするスイッチング素子７１の両方がオフ状態となっている期間が設けられていてもよいし、オン状態に切り換えようとするスイッチング素子７１とオフ状態に切り換えようとするスイッチング素子７１の両方がオン状態となっている期間が設けられていてもよい。

また、以上の説明では、電源１１が単相交流電源である場合を例に挙げたが、電源１１は、三相交流電源であってもよい。

また、以上の説明において、複数のリアクトル経路７０にそれぞれ設けられる複数のリアクトル７２は、それぞれ異なる鉄心に巻回されるものであってもよいし、１つの鉄心に共通に巻回されるものであってもよい。

また、以上の実施形態および変形例を適宜組み合わせて実施してもよい。例えば、図２に示した溶接電源装置１０が図４に示したアークスタート電流経路８０を備えていてもよい。以上の実施形態および変形例は、本質的に好ましい例示であって、この発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、ここに開示する技術は、溶接電源装置として有用である。

１０ 溶接電源装置
２０ 電源
２１ 電極
２２ 母材
３０ 電力変換部
４０ 電極側電流経路
５０ 母材側電流経路
６０ 制御部
７０ リアクトル経路
７１ スイッチング素子
７２ リアクトル
８０ アークスタート電流経路
８１ アークスタートスイッチング素子

Claims (3)

1. アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に出力電力を供給する溶接電源装置であって、
   前記出力電力を生成する電力変換部と、
   前記電力変換部と前記電極とを電気的に接続する電極側電流経路と、
   前記電力変換部と前記母材とを電気的に接続する母材側電流経路とを備え、
   前記電極側電流経路および前記母材側電流経路のうち少なくとも一方は、互いに並列に設けられた複数のリアクトル経路を有し、
   前記複数のリアクトル経路の各々には、直列に接続されたスイッチング素子とリアクトルが設けられており、
   前記複数のリアクトル経路は、前記電力変換部と前記加工負荷との間に流れる溶接電流に関して予め定められた複数の電流域にそれぞれ対応し、
   前記複数のリアクトル経路の各々に設けられたリアクトルのリアクトル値は、前記複数の電流域のうち該リアクトル経路に対応する電流域に応じたリアクトル値に設定されている
   ことを特徴とする溶接電源装置。
2. 請求項１において、
   前記複数のリアクトル経路には、パルス溶接において前記電力変換部と前記加工負荷との間に流れる溶接電流のピーク電流値に対応する第１リアクトル経路と、該溶接電流のベース電流値に対応する第２リアクトル経路とが含まれており、
   前記第１リアクトル経路に設けられたリアクトルのリアクトル値は、前記溶接電流のピーク電流値に応じたリアクトル値に設定され、
   前記第２リアクトル経路に設けられたリアクトルのリアクトル値は、前記溶接電流のベース電流値に応じたリアクトル値に設定されている
   ことを特徴とする溶接電源装置。
3. 請求項１または２において、
   前記複数のリアクトル経路と並列に設けられ、アークスタートスイッチング素子が設けられたアークスタート電流経路を備え、
   前記アークスタート電流経路におけるリアクトル値は、前記複数のリアクトル経路の各々におけるリアクトル値よりも低くなっている
   ことを特徴とする溶接電源装置。

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