JP7255066B2

JP7255066B2 - 溶接電源装置

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Publication number: JP7255066B2
Application number: JP2019163005A
Authority: JP
Inventors: 道隆藤堂; 和裕田中
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP2021041413A

Description

本発明は、アークスタッド溶接を行うための溶接電源装置に関する。

スタッドを母材に溶接するアークスタッド溶接のための溶接電流を出力する溶接電源装置が知られている。アークスタッド溶接用の溶接電源装置は、例えば２５００Ａ程度の大電流を扱う場合、サイリスタによる位相制御で溶接電流を調整している。特許文献１には、サイリスタを備えるアークスタッド溶接用の溶接電源装置が開示されている。当該溶接電源装置は、溶接開始時に、数十Ａ程度の直流電流であるパイロット電流を出力して、スタッドを母材から引き離すことでパイロットアークを発生させる。そして、出力する電流をパイロット電流から溶接電流に切り替えて、メインアークを発生させる。当該溶接電源装置は、サイリスタを含む回路によって整流され、直流リアクトルによって平滑化された直流電流を溶接電流として出力する。

アークスタッド溶接用の溶接電源装置は、建築現場間での移動などの利便性のために、小型軽量化が要求されている。当該要求に応じるために、直流リアクトルを備えていない、または、小型でインダクタンス値の小さい直流リアクトルを備えた溶接電源装置が開発されている。このような溶接電源装置においては、小電流領域でのアーク切れの発生が問題になっている。

特開平４－４９７７号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、アーク切れの発生を抑制することができる溶接電源装置を提供することを目的とする。

本発明によって提供される溶接電源装置は、スタッドを母材に溶接するアークスタッド溶接のための溶接電流を出力する溶接電源装置であって、サイリスタを有し、かつ、直流電流であるメイン電流を出力するメイン電流出力部と、溶接開始時に直流電流であるパイロット電流の出力を開始し、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後も、前記パイロット電流の出力を継続するパイロット電流出力部と、前記溶接電流の設定値を設定する溶接電流設定部と、前記設定値が所定電流値以上の場合、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後で、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの期間に、前記パイロット電流出力部からの前記パイロット電流の出力を停止させる制御部とを備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御部は、前記溶接電流を、前記パイロット電流から前記設定値まで上昇させるように制御し、前記溶接電流を前記設定値に制御するタイミングで、前記パイロット電流の出力を停止させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御部は、前記設定値が前記所定電流値未満の場合、前記スタッドと前記母材とが短絡したときに、前記パイロット電流の出力を停止させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記メイン電流の出力開始から、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの溶接時間を設定する溶接時間設定部をさらに備え、
前記制御部は、前記溶接時間が所定時間以上の場合、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後で、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの期間に、前記パイロット電流の出力を停止させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記メイン電流出力部は、交流電流を入力される入力端子と、前記メイン電流を出力する出力端子とを備え、前記パイロット電流出力部は、前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、互いに直列接続されたサイリスタおよび抵抗を備えている。

本発明によると、パイロット電流出力部は、溶接開始時にパイロット電流の出力を開始し、メイン電流出力部がメイン電流の出力を開始した後も、パイロット電流の出力を継続する。したがって、溶接電流が小さい場合でも、パイロット電流も出力されているので、アーク切れの発生を抑制することができる。また、制御部は、溶接電流の設定値が所定電流値以上の場合、パイロット電流の出力を停止させる。これにより、アーク切れが発生しにくい大電流領域では、パイロット電流出力部の負担を軽減することができる。

第１実施形態に係る溶接電源装置を備えたアークスタッド溶接システムの全体構成を示すブロック図である。アークスタッド溶接処理を説明するためのフローチャートである。アークスタッド溶接処理を説明するためのタイムチャートである。第１実施形態に係る溶接電源装置の変形例のアークスタッド溶接処理を説明するためのタイムチャートである。第２実施形態に係る溶接電源装置を備えたアークスタッド溶接システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図であり、溶接電源装置を備えたアークスタッド溶接システムの全体構成を示すブロック図である。

アークスタッド溶接システムＡは、溶接電源装置１、パワーケーブル２１,２２、溶接ガンＧ、スタッドＳ、および母材Ｗを備えている。溶接電源装置１の出力端子ａは、パワーケーブル２１によって、溶接ガンＧに接続されている。スタッドＳは、溶接ガンＧに取り付けられており、母材Ｗに接触するように配置されている。溶接電源装置１の出力端子ｂは、パワーケーブル２２によって、母材Ｗに接続されている。溶接電源装置１は、商用電源Ｐから供給される交流電流を直流電流に変換して出力する。また、溶接電源装置１は、溶接ガンＧの駆動を制御する。溶接電源装置１は、溶接ガンＧのガンスイッチが押圧されたときに、数十Ａ程度の直流電流であるパイロット電流を出力する。そして、溶接ガンＧを駆動させてスタッドＳを母材Ｗから引き離すことで、アークを発生させる。次に、溶接電源装置１は、溶接電流を所定時間出力してアークによってスタッドＳおよび母材Ｗを溶融させた後に、溶接ガンＧの駆動を停止させて、スタッドＳを母材Ｗに押し付けさせる。これにより、スタッドＳが母材Ｗに溶接される。

溶接電源装置１は、トランス１１、メイン電流出力部１２、パイロット電流出力部１３、および制御装置１４を備えている。

トランス１１は、商用電源Ｐから入力される三相交流電圧を降圧（または昇圧）するものであり、本実施形態では、相間リアクトル付二重星形結線の変圧器である。本実施形態では、トランス１１は、商用電源Ｐから入力される２００Ｖの交流電圧を１００Ｖの交流電圧に降圧して出力する。トランス１１は、一次側に、Δ結線された一次側巻線１１１を備えており、二次側に、Ｙ結線（星形結線）された二次側巻線１１２，１１３を、それぞれの中性点を相間リアクトル１１４を介して接続して、六相の出力としたものを備えている。一次側巻線１１１は、商用電源Ｐに接続されている。二次側巻線１１２，１１３は、メイン電流出力部１２の各入力端子に接続されており、相間リアクトル１１４に設けられたセンタータップは、出力端子ｂを介して、パワーケーブル２２に接続されている。

なお、トランス１１の回路構成は、上述したものに限定されない。二次側のメイン電流出力部１２への出力を六相にしているのは、メイン電流出力部１２からの出力をできるだけ平滑化するためである。例えば、より平滑化するために、出力が１２相であってもよい。また、より簡略化した回路とするために、二次側巻線１１３および相間リアクトル１１４を設けず、出力が三相であってもよい。また、本実施形態においては、一次側巻線１１１と二次側巻線１１２，１１３との結線方式がΔ－Ｙ結線であるが、Δ－Δ結線や、Ｙ－Δ結線、Ｙ－Ｙ結線などの他の結線方式であってもよい。

メイン電流出力部１２は、溶接電流の中心となる直流電流であるメイン電流を出力する。メイン電流出力部１２は、複数のサイリスタを備え、トランス１１から入力される交流電流を整流しつつ、位相制御によりメイン電流の調整を行う。本実施形態では、メイン電流出力部１２は、６個のサイリスタを備えている。各サイリスタのアノード端子は、互いに接続されて、出力端子ａを介して、パワーケーブル２１に接続されている。本実施形態では、メイン電流出力部１２と出力端子ａとの間に、直流リアクトルが接続されていない。各サイリスタのカソード端子は、トランス１１の六相の出力にそれぞれ接続されている。また、各サイリスタのゲート端子には、制御装置１４から、制御のためのトリガパルスが入力される。制御装置１４は、トリガパルスの位相を変化させることで、各サイリスタのターンオンのタイミングを変化させて、メイン電流出力部１２が出力するメイン電流を調整する。なお、メイン電流出力部１２の回路構成は、上述したものに限定されない。例えば、メイン電流出力部１２は、サイリスタとダイオードとからなる混合ブリッジ回路を備え、全波整流を行ってもよい。

パイロット電流出力部１３は、パイロット電流を出力する。パイロット電流出力部１３は、３個のサイリスタおよび抵抗を備えている。各サイリスタは、整流素子として機能し、かつ、スイッチとして機能する。各サイリスタのアノード端子は、互いに接続されて抵抗の一方端に接続されている。抵抗の他方端は、出力端子ａに接続されている。各サイリスタのカソード端子は、トランス１１の二次側巻線１１２の各出力にそれぞれ接続されている。つまり、各サイリスタは抵抗に直列接続されており、各サイリスタと抵抗とからなる直列回路が、メイン電流出力部１２の入力端子と出力端子（溶接電源装置１の出力端子ａ）との間に並列接続されている。これにより、溶接電源装置１は、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力することができる。

また、各サイリスタのゲート端子には、制御装置１４から、オンオフ切換のための制御信号が入力される。制御装置１４は、制御信号によって、パイロット電流出力部１３の出力のオンオフを切り替える。すなわち、制御装置１４は、制御信号により各サイリスタをオンにすることで、トランス１１の二次側巻線１１２の出力と抵抗とを導通させて、パイロット電流を出力させる。一方、制御信号により各サイリスタをオフにすることで、トランス１１の二次側巻線１１２の出力と抵抗とを遮断させて、パイロット電流の出力を停止させる。

抵抗は、パイロット電流出力部１３が出力するパイロット電流を調整するものである。抵抗の抵抗値は、パイロット電流の設定電流Ｉ₁を、所望の電流値に設定するように設計される。設定電流Ｉ₁は、抵抗の抵抗値と、トランス１１の二次側巻線１１２の出力電圧値によって定まる固定された電流値になる。本実施形態では、抵抗の抵抗値が２．５Ωであり、トランス１１の二次側巻線１１２の出力電圧値が１００Ｖなので、設定電流Ｉ₁は、４６（＝１００×１．１５／２．５）Ａ程度になっている。なお、抵抗の抵抗値は限定されない。また、抵抗の許容損失は、パイロット電流を流す時間の最大値である所定時間Ｔ₀に基づいて設定される。本実施形態では、所定時間Ｔ₀は例えば０．８ｓである。なお、所定時間Ｔ₀は限定されない。本実施形態では、抵抗の抵抗値が２．５Ω、トランス１１の二次側巻線１１２の出力電圧値が１００Ｖ、使用率の周期時間が１０ｓなので、抵抗での損失Ｗｒは、Ｗｒ＝｛（１００×１．１５）²／２．５｝×（０．８／１０）＝４２３Ｗになる。したがって、これを許容できる抵抗が用いられている。

なお、パイロット電流出力部１３の構成は、上記したものに限定されない。例えば、パイロット電流出力部１３は、サイリスタに代えて、スイッチおよびダイオードを備えていてもよい。

制御装置１４は、溶接電源装置１の各種制御を行う。制御装置１４は、溶接電流設定部１４１、溶接時間設定部１４２、計時部１４３、および制御部１４４を備えている。

溶接電流設定部１４１は、溶接電流の設定値Ｉ₂を設定する。溶接時間設定部１４２は、溶接時間Ｔ₂を設定する。溶接時間Ｔ₂は、メイン電流の出力開始から、スタッドＳと母材Ｗとを短絡させるまでの時間である。溶接電流の設定値Ｉ₂および溶接時間Ｔ₂は、使用するスタッドＳのスタッド径などに応じた標準溶接条件として設定されている。操作者は、使用するスタッドＳに応じた設定値Ｉ₂および溶接時間Ｔ₂を、図示しない操作部の操作により入力することで、溶接電流設定部１４１および溶接時間設定部１４２に設定する。なお、制御装置１４は、操作者がスタッドＳのスタッド径や品番を入力することで、当該スタッドＳに応じた設定値Ｉ₂および溶接時間Ｔ₂を、溶接電流設定部１４１および溶接時間設定部１４２に自動的に設定してもよい。計時部１４３は、時間を計時するタイマであって、溶接時間Ｔ₂や、後述するパイロット時間Ｔ₁、ポストヒート時間Ｔ₃などの計時を行う。

制御部１４４は、メイン電流出力部１２が出力するメイン電流を調整することで、溶接電源装置１が出力する溶接電流を制御する。制御部１４４は、メイン電流出力部１２の各サイリスタにトリガパルスを入力することでメイン電流を出力させ、トリガパルスの位相を変化させることで、各サイリスタのターンオンのタイミングを変化させて、メイン電流を調整する。また、制御部１４４は、パイロット電流出力部１３に制御信号を入力することで、パイロット電流の出力開始および停止を制御する。パイロット電流出力部１３がパイロット電流を出力しているときは、メイン電流にパイロット電流が重畳された電流が溶接電流として制御されて、出力端子ａ，ｂから出力される。一方、パイロット電流出力部１３がパイロット電流を出力していないときは、メイン電流が溶接電流として制御されて、出力端子ａ，ｂから出力される。また、制御部１４４は、図示しない制御線を介して、溶接ガンＧの駆動を制御する。

図２は、制御部１４４が行うアークスタッド溶接処理を説明するためのフローチャートである。アークスタッド溶接処理は、溶接ガンＧから、ガンスイッチが押圧されたことを示す信号が入力されたときに開始される。操作者は、スタッドＳと母材Ｗとを接触させた状態で、溶接ガンＧのガンスイッチを押圧することで、アークスタッド溶接処理を開始させる。

まず、パイロット電流の出力が開始される（Ｓ１）。具体的には、制御部１４４は、パイロット電流出力部１３に、各サイリスタをオンにする制御信号を出力する。パイロット電流出力部１３が出力したパイロット電流は、出力端子ａ，ｂから出力され、接触されたスタッドＳと母材Ｗとを流れる。次に、パイロット時間Ｔ₁の経過が待機される（Ｓ２）。パイロット時間Ｔ₁はあらかじめ設定されており、本実施形態では、例えば２０ｍｓ程度である。なお、パイロット時間Ｔ₁は限定されない。次に、溶接ガンＧが駆動される（Ｓ３）。具体的には、制御部１４４は、溶接ガンＧに駆動指令を出力する。駆動指令を入力された溶接ガンＧは、スタッドＳを母材Ｗから引き離す。これにより、スタッドＳと母材Ｗとの間にアークが発生する。パイロット電流の出力が開始されてから、パイロット時間Ｔ₁が経過するまでの期間を、以下では「パイロット期間」とする。

次に、メイン電流の出力が開始される（Ｓ４）。具体的には、制御部１４４は、メイン電流出力部１２に、各サイリスタを制御のためのトリガパルスを出力する。メイン電流出力部１２が出力したメイン電流は、パイロット電流に重畳されて、出力端子ａ，ｂから出力される。制御部１４４は、トリガパルスの位相を変化させることで、メイン電流出力部１２から出力されるメイン電流を調整して、溶接電流をパイロット電流から溶接電流設定部１４１に設定された設定値Ｉ₂まで、スロープ時間Ｔ₄の間に徐々に上昇させる。スロープ時間Ｔ₄はあらかじめ設定されており、本実施形態では、例えば４０ｍｓ程度である。なお、スロープ時間Ｔ₄は限定されない。

次に、スロープ時間Ｔ₄の経過が待機される（Ｓ５）。スロープ時間Ｔ₄が経過したときに、溶接電源装置１から出力される溶接電流は、溶接電流設定部１４１に設定された設定値Ｉ₂に制御されている。メイン電流の出力が開始されてから、スロープ時間Ｔ₄が経過するまでの期間を、以下では「スロープ期間」とする。スロープ期間では、パイロット電流の出力も継続されているので、出力端子ａ，ｂからは、メイン電流にパイロット電流が重畳された電流が溶接電流として出力される。

次に、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上であるか否かが判別される（Ｓ６）。所定電流値Ｉ₀は、溶接電流が設定値Ｉ₂に制御されたときに、アーク切れが発生する可能性があるか否かを判断するためのしきい値である。本実施形態では、所定電流値Ｉ₀は例えば８００Ａである。なお、所定電流値Ｉ₀は限定されない。設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上である場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、アーク切れがほぼ発生しないと判断できるので、パイロット電流の出力が停止されて（Ｓ７）、ステップＳ９に進む。具体的には、制御部１４４は、パイロット電流出力部１３に、各サイリスタをオフにする制御信号を出力する。これにより、パイロット電流出力部１３は、パイロット電流の出力を停止する。つまり、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上である場合、溶接電流が設定値Ｉ₂に制御されるタイミングで、パイロット電流の出力が停止され、出力端子ａ，ｂからは、メイン電流だけが溶接電流として出力されるようになる。

ステップＳ６において、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満である場合（Ｓ６：ＮＯ）、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上であるか否かが判別される（Ｓ８）。溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上である場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒが許容損失を超える可能性があるので、パイロット電流の出力が停止されて（Ｓ７）、ステップＳ９に進む。つまり、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上である場合、溶接電流が設定値Ｉ₂に制御されるタイミングで、パイロット電流の出力が停止され、出力端子ａ，ｂからは、メイン電流だけが溶接電流として出力されるようになる。なお、厳密にはパイロット時間Ｔ₁の間も抵抗で損失が発生するので、ステップＳ８では（Ｔ₁＋Ｔ₂）を所定時間Ｔ₀と比較すべきであるが、パイロット時間Ｔ₁は溶接時間Ｔ₂に比べてはるかに小さく、所定時間Ｔ₀を若干の余裕を持たせた値にしているので、ここでは省略して比較している。なお、ステップＳ８で（Ｔ₁＋Ｔ₂）を所定時間Ｔ₀と比較してもよい。

ステップＳ８において、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀未満である場合（Ｓ８：ＮＯ）、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒは許容損失を超えないので、パイロット電流の出力は継続されたまま、ステップＳ９に進む。実際のアークスタッド溶接においては、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀（例えば８００Ａ）未満である場合、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀（例えば０．８Ｓ）以上になることはない。したがって、実際のアークスタッド溶接が行われているときには、パイロット電流の出力は継続される。一方、溶接電源装置１の製品検査時や、定期的な電流計校正時には、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満で、かつ、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上に設定される場合がある。この場合、アークスタッド溶接は行われておらず、アーク切れを考慮する必要がないので、パイロット電流の出力が停止されても、問題が生じない。

次に、メイン電流の出力が開始されてから溶接時間Ｔ₂の経過が待機される（Ｓ９）。メイン電流の出力が開始されてから、溶接時間Ｔ₂が経過するまでの期間を、以下では「溶接期間」とする。この溶接期間に、アークによって、スタッドＳおよび母材Ｗが加熱されて溶融する。次に、溶接ガンＧの駆動が停止される（Ｓ１０）。具体的には、制御部１４４は、溶接ガンＧに停止指令を出力する。停止指令を入力された溶接ガンＧは、溶融したスタッドＳを溶融した母材Ｗに押し付ける。これにより、スタッドＳが母材Ｗに溶接される。

次に、パイロット電流の出力が停止される（Ｓ１１）。スタッドＳと母材Ｗとが短絡して、アークは消滅しているので、アーク切れを抑制するためのパイロット電流は不要である。次に、ポストヒート時間Ｔ₃の経過が待機される（Ｓ１２）。ポストヒート時間Ｔ₃は、溶接電流Ｉ₂に応じてあらかじめ設定されており、本実施形態では、例えば０．１～０．２ｓ程度である。なお、ポストヒート時間Ｔ₃は限定されない。次に、メイン電流の出力が停止され（Ｓ１３）、アークスタッド溶接処理は終了される。具体的には、制御部１４４は、メイン電流出力部１２へのトリガパルスの出力を停止する。溶接ガンＧの駆動停止からポストヒート時間Ｔ₃が経過してメイン電流が停止するまでの期間を、以下では「ポストヒート期間」とする。ポストヒート期間では、溶接電流は設定値Ｉ₂に制御されたままであり、この期間の通電によりスタッドＳおよび母材Ｗへの加熱が継続され、スタッドＳと母材Ｗとの溶接状態が良くなる。

なお、図２のフローチャートに示す処理は一例であって、制御部１４４が行う、アークスタッド溶接処理は上述したものに限定されない。例えば、ステップＳ１２を設けず（ポストヒート期間を設けず）、溶接期間の終了後、すぐにメイン電流の出力を停止させてもよい。

図３は、アークスタッド溶接処理を説明するためのタイムチャートである。同図（ａ）は、溶接ガンＧのガンスイッチの操作状態を示している。同図（ｂ）は、溶接ガンＧの駆動状態を示している。同図（ｃ）は、パイロット電流出力部１３の動作状態を示している。同図（ｄ）は、メイン電流出力部１２の動作状態を示している。同図（ｅ）は、溶接電源装置１から出力される出力電流の波形を示している。同図（ｆ）は、出力電流の波形からリップルを省略した波形を示している。同図（ｃ）においては、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満であり、かつ、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀未満である場合を実線で示しており、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上であるか、または、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上である場合を太破線で示している。

まず、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満であり、かつ、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀未満である場合について説明する。

時刻ｔ１において、ガンスイッチが押圧されてオンになって（図３（ａ）参照）、溶接が開始されている。このとき、パイロット電流出力部１３がオンになって（図３（ｃ）参照）、パイロット電流の出力が開始されている。これにより、出力電流はパイロット電流の設定電流Ｉ₁になっている（図３（ｆ）参照）。この状態が、時刻ｔ１からパイロット時間Ｔ₁が経過するまでのパイロット期間において継続している。

パイロット期間終了時の時刻ｔ２において、溶接ガンＧが駆動されてオンになり（図３（ｂ）参照）、メイン電流出力部１２がオンになって（図３（ｄ）参照）、メイン電流の出力が開始されている。時刻ｔ２からスロープ時間Ｔ₄が経過する時刻ｔ３までのスロープ期間において、出力電流（溶接電流）は、パイロット電流の設定電流Ｉ₁から設定値Ｉ₂まで、徐々に上昇する（図３（ｆ）参照）。その後、時刻ｔ２から溶接時間Ｔ₂が経過する時刻ｔ４まで、出力電流（溶接電流）は設定値Ｉ₂に固定されている。

溶接期間終了時の時刻ｔ４において、溶接ガンＧがオフになり（図３（ｂ）参照）、パイロット電流出力部１３がオフになって（図３（ｃ）参照）、パイロット電流の出力が停止されている。しかし、出力電流（溶接電流）は設定値Ｉ₂に制御されたまま、時刻ｔ４からポストヒート時間Ｔ₃が経過するまでのポストヒート期間において継続している（図３（ｆ）参照）。

ポストヒート期間終了時の時刻ｔ５において、メイン電流出力部１２がオフになって（図３（ｄ）参照）、メイン電流の出力が停止されている。これにより、出力電流はゼロになっている（図３（ｆ）参照）。

次に、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上であるか、または、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上である場合について説明する。

時刻ｔ１からｔ３までは、上記と同様なので、説明を省略する。スロープ期間終了時の時刻ｔ３において、パイロット電流出力部１３がオフになって（図３（ｃ）太破線参照）、パイロット電流の出力が停止されている。しかし、出力電流（溶接電流）は設定値Ｉ₂に制御されたままである（図３（ｆ）参照）。その後、時刻ｔ５までも、上記と同様なので、説明を省略する。

次に、本実施形態に係る溶接電源装置１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、溶接電源装置１は、メイン電流出力部１２と出力端子ａとの間に、直流リアクトルを備えていない。したがって、リップルの大きいメイン電流が平滑されずにそのまま出力される。メイン電流は激しく上下するので、スロープ期間において、メイン電流の電流値が「０」に近くなる瞬間がある。しかしながら、本実施形態では、制御部１４４は、スロープ期間においては、メイン電流に比べてリップルが小さいパイロット電流を、メイン電流に重畳させて出力させる（図３（ｅ）参照）。したがって、溶接電源装置１は、アークに供給される電流が小さくなりすぎることを抑制して、アーク切れが発生することを抑制することができる。

また、本実施形態によると、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満であり、かつ、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀未満の場合、溶接期間においてパイロット電流の出力を継続させ、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力させる（図３（ｅ）参照）。したがって、溶接電源装置１は、アークに供給される電流が小さくなりすぎることを抑制して、アーク切れが発生することを抑制することができる。また、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀未満なので、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒは許容損失を上回らない。したがって、パイロット電流出力部１３の抵抗の焼損を防止することができる。

また、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上の場合、パイロット電流の出力を停止させる（図３（ｃ）太破線参照）。したがって、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒが許容損失を上回らないので、パイロット電流出力部１３の抵抗の焼損を防止することができる。また、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上なので、アーク切れがほぼ発生しない。また、制御部１４４は、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上の場合、パイロット電流の出力を停止させる。したがって、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒが許容損失を上回らないので、パイロット電流出力部１３の抵抗の焼損を防止することができる。設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀（例えば８００Ａ）未満で、かつ、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀（例えば０．８Ｓ）以上になるのは、製品検査時や電流計校正時であり、実際のアークスタッド溶接は行われておらず、アーク切れを考慮する必要がないので、パイロット電流の出力が停止されても、問題が生じない。

また、本実施形態によると、パイロット電流出力部１３は、サイリスタと抵抗とからなる直列回路をメイン電流出力部１２の入力端子と出力端子（溶接電源装置１の出力端子ａ）との間に並列接続させたものである。したがって、別途、定電流回路を設ける場合などと比べて、パイロット電流出力部１３を簡略な回路とすることができるので、溶接電源装置１の小型軽量化および低コスト化に寄与する。

なお、本実施形態においては、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上である場合や、溶接時間Ｔ₂が所定時間Ｔ₀以上である場合に、溶接電流が設定値Ｉ₂に制御されるタイミング（スロープ期間が終了したタイミング）で、パイロット電流の出力が停止される場合について説明したが、パイロット電流の出力停止のタイミングは、これに限定されない。パイロット電流の出力停止のタイミングは、メイン電流の出力を開始した後でスタッドＳと母材Ｗとが短絡するまでの期間のうちのいずれかのタイミングであればよい。例えば、スロープ期間の途中の任意のタイミング（例えばスロープ期間の開始から所定時間後）であってもよいし、スロープ期間終了後の任意のタイミング（例えばスロープ期間の終了から所定時間後）であってもよい。ただし、パイロット電流の出力停止のタイミングが早すぎると、スロープ期間の途中でアーク切れが発生する場合がある。また、パイロット電流の出力停止のタイミングが遅すぎると、パイロット電流出力部１３の抵抗での損失Ｗｒが許容損失を超える場合がある。したがって、スロープ期間が終了したタイミングとするのが望ましい。

本実施形態においては、直流リアクトルが設けられていない場合について説明したが、これに限られず、メイン電流出力部１２と出力端子ａとの間に、直流リアクトルが接続されていてもよい。この場合でも、直流リアクトルのインダクタンスが小さいと、メイン電流はリップルを有して上下する。したがって、メイン電流にパイロット電流を重畳させることは、アーク切れの発生をより抑制するために有効である。

〔変形例〕
図４は、溶接電源装置１の変形例のアークスタッド溶接処理を説明するためのタイムチャートである。当該変形例のハード構成は、溶接電源装置１のものと同様なので、図示および説明を省略する。当該変形例は、アークスタッド溶接処理において、溶接時間Ｔ₂と所定時間Ｔ₀との比較を行わない。図４に示すように、当該変形例のアークスタッド溶接処理は、ステップＳ６において、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満である場合（Ｓ６：ＮＯ）、溶接時間Ｔ₂と所定時間Ｔ₀との比較を行うことなく、ステップＳ９に進む。

本変形例においても、制御部１４４は、スロープ期間においては、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力させるので、アーク切れが発生することを抑制することができる。また、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上の場合、パイロット電流の出力を停止させるので、パイロット電流出力部１３の抵抗の焼損を防止することができる。また、設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上なので、アーク切れがほぼ発生しない。また、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満の場合、溶接期間においてパイロット電流の出力を継続させ、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力させるので、アーク切れが発生することを抑制することができる。

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係る溶接電源装置１０を説明するための図であり、溶接電源装置１０を備えたアークスタッド溶接システムの全体構成を示すブロック図である。同図において、第１実施形態に係る溶接電源装置１を備えたアークスタッド溶接システム（図１参照）と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る溶接電源装置１０は、パイロット電流出力部１３の構成が第１実施形態に係る溶接電源装置１と異なる。

本実施形態に係るトランス１１は、二次側巻線１１５をさらに備えている。二次側巻線１１５は、単相交流を取り出すための補助巻線であり、パイロット電流出力部１３に接続されている。二次側巻線１１５は、取り出した単相交流をパイロット電流出力部１３に出力する。

本実施形態に係るパイロット電流出力部１３は、定電流回路１３１およびスイッチ１３２を備えている。定電流回路１３１は、二次側巻線１１５から入力された単相交流を、設定電流Ｉ₁の直流電流に変換して、パイロット電流として出力端子ａ，ｂを介して出力する。定電流回路１３１の内部構成は限定されず、通常知られている定電流回路が用いられる。スイッチ１３２は、二次側巻線１１５と定電流回路１３１とを接続する電力線に配置されており、定電流回路１３１に単相交流を入力する状態と入力しない状態とを切り替える。パイロット電流出力部１３は、制御装置１４からスイッチ１３２をオンにする制御信号を入力された場合、二次側巻線１１５から単相交流を入力されて、パイロット電流を出力する。一方、制御装置１４からスイッチ１３２をオフにする制御信号を入力された場合、二次側巻線１１５から単相交流を入力されず、パイロット電流を出力しない。パイロット電流出力部１３は、第１実施形態に係るパイロット電流出力部１３と異なり、抵抗を備えていないので、抵抗の焼損を考慮する必要がない。したがって、制御装置１４（図示を省略している制御部１４４）は、第１実施形態の変形例に係るアークスタッド溶接処理（図４参照）を行う。なお、パイロット電流出力部１３の構成は限定されない。パイロット電流出力部１３は、制御装置１４から入力される制御信号に応じて、パイロット電流の出力の開始および停止を制御できるものであればよい。

本実施形態においても、制御部１４４は、スロープ期間においては、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力させるので、アーク切れが発生することを抑制することができる。また、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀未満の場合、溶接期間においてパイロット電流の出力を継続させ、メイン電流にパイロット電流を重畳させて出力させるので、アーク切れが発生することを抑制することができる。また、制御部１４４は、溶接電流の設定値Ｉ₂が所定電流値Ｉ₀以上の場合、パイロット電流の出力を停止させる。これにより、アーク切れが発生しにくい大電流領域では、パイロット電流出力部１３の負担を軽減することができる。

本発明に係る溶接電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る溶接電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

１，１０：溶接電源装置、１２：メイン電流出力部、１３：パイロット電流出力部、１４１：溶接電流設定部、１４２：溶接時間設定部、１４４：制御部、Ｓ：スタッド、Ｗ：母材

Claims

スタッドを母材に溶接するアークスタッド溶接のための溶接電流を出力する溶接電源装置であって、
サイリスタを有し、かつ、直流電流であるメイン電流を出力するメイン電流出力部と、
溶接開始時に直流電流であるパイロット電流の出力を開始し、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後も、前記パイロット電流の出力を継続するパイロット電流出力部と、
前記溶接電流の設定値を設定する溶接電流設定部と、
前記設定値が所定電流値以上の場合、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後で、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの期間に、前記パイロット電流出力部からの前記パイロット電流の出力を停止させる制御部と、
を備えている溶接電源装置。
前記制御部は、前記溶接電流を、前記パイロット電流から前記設定値まで上昇させるように制御し、前記溶接電流を前記設定値に制御するタイミングで、前記パイロット電流の出力を停止させる、
請求項１に記載の溶接電源装置。
前記制御部は、前記設定値が前記所定電流値未満の場合、前記スタッドと前記母材とが短絡したときに、前記パイロット電流の出力を停止させる、
請求項１または２に記載の溶接電源装置。
前記メイン電流の出力開始から、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの溶接時間を設定する溶接時間設定部をさらに備え、
前記制御部は、前記溶接時間が所定時間以上の場合、前記メイン電流出力部が前記メイン電流の出力を開始した後で、前記スタッドと前記母材とが短絡するまでの期間に、前記パイロット電流の出力を停止させる、
請求項１または２に記載の溶接電源装置。
前記メイン電流出力部は、交流電流を入力される入力端子と、前記メイン電流を出力する出力端子とを備え、
前記パイロット電流出力部は、前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、互いに直列接続されたサイリスタおよび抵抗を備えている、
請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接電源装置。