JPH0134715B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高周波パルス電流によつてアーク
溶接を行なう高周波パルスアーク溶接機に関す
る。

直流アーク溶接機において10KHz〜100KHzの
周波数の高周波パルス電流成分が溶接電流に含ま
れると、非消耗性電極式、消耗性電極式にかゝわ
らず、アークの硬直性、安定性に優れ、高速溶接
が可能であり、ビードも美しくなり冶金学的にも
溶接特性が改善できることは周知の通りである。

第１図イ〜ハは各々、従来のこの種の溶接機の
構成の概略を示す回路図およびアーク電流波形図
である。第１図イにおいてスイツチ１をオン状態
とすると、直流電源２の正電圧が配線インダクタ
ンスL₀を介して被溶接物３ａへ供給される一方、
直流電源２の負電圧がスイツチ１を介して電極３
ｂへ供給され、これにより、被溶接物３ａおよび
電極３ｂ間に逐次上昇するアーク電流が流れる
（波形図における期間T₁）。なお、以後被溶接物
３ａおよび電極３ｂをアーク負荷３と称する。次
いで、アーク電流が一定値に達した時点でスイ
ツチ１をオフとすると、配線インダクタンスL₀
に蓄えられたエネルギーにより、配線インダクタ
ンスL₀→アーク負荷３→ダイオード４→配線イ
ンダクタンスL₀なる経路で逐次減少するアーク
電流が流れる（波形図における期間T₂）。そし
て、アーク電流が一定値まで減少した時点で再
びスイツチ１をオンとし、以後上記動作の繰返し
によりパルス状のアーク電流がアーク負荷３に
流される。

また、第２図ロにおいてスイツチ５および６を
共にオン状態にすると、スイツチ５，６を通して
アーク負荷３にアーク電流が流れる（波形図に
おける期間T₃）。このアーク電流が一定値に達
した時点でスイツチ５，６を共にオフとすると、
配線インダクタンスL₀に蓄えられたエネルギー
により、配線インダクタンスL₀→ダイオード７
→直流電源２→ダイオード８→アーク負荷３→配
線インダクタンスL₀なる経路でアーク電流が
流れ（波形図における期間T₄）、以後上記動作が
繰返えされる。

また、第１図ハにおいてスイツチ１１がオン状
態になると、このスイツチ１１を通してアーク負
荷３にアーク電流が流れる（波形図における期
間T₅）。次いでスイツチ１１がオフになると、配
線インダクタンスL₀に蓄えられたエネルギーに
より、配線インダクタンスL₀→アーク負荷３→
ダイオード１２→コンデンサ１３→直流電源２→
配線インダクタンスL₀なる経路でアーク電流
が流れ（波形図における期間T₆）、またこの時、
配線インダクタンスL₀に蓄えられたエネルギー
がコンデンサ１３に移される。コンデンサ１３に
蓄えられたエネルギーは、スイツチ１１より長い
周期でオン／オフされるスイツチ１４およびコイ
ル１５を通して直流電源２へ回生される。

以上、従来の高周波パルスアーク溶接機の構成
例について述べたが、これら従来のものには次の
様な欠点がある。

配線インダクタンスL₀に蓄えられたエネル
ギーを吸収するための回路（第１図におけるダ
イオード４，７，８，１２等）が必要であり、
また、同回路におけるエネルギー吸収時の損失
が大きい。

アーク電流のピーク点でスイツチ１，５，
６，１１をオフとする必要があるため、これら
のスイツチ１，５，６，１１としてサイリスタ
を用いることができず、トランジスタを用いな
ければならない。周知のように、サイリスタは
同一定格のトランジスタに比較し、20倍程度の
過電流耐量が得られ、したがつて、スイツチ素
子としてはサイリスタの方がはるかに有利であ
る。

この発明は上述した事情に鑑み、配線インダク
タンスL₀に蓄えられたエネルギーの吸収回路を
必要とせず、かつ、スイツチ素子としてサイリス
タを用いることができる高周波パルスアーク溶接
機を提供するもので、LCR共振回路およびスイ
ツチ素子によつて高周波パルスを作ることを特徴
としている。

以下、図面を参照しこの発明の一実施例につい
て説明する。

第２図はこの発明による高周波パルスアーク溶
接機の構成を示す回路図である。この図におい
て、入力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは約50の３相交流電圧
が印加される端子であり、この入力端子Ｕ，Ｖ，
Ｗに印加された３相交流電圧はダイオード２１〜
２６から構成される３相全波整流回路２７によつ
て整流され、平滑用コンデンサ２８へ供給され
る。そして、平滑用コンデンサ２８の端子に得
られる電圧がトランジスタ２９のコレクタへ供給
される。トランジスタ２９は、そのベースへ供給
される制御回路３０の出力によつてオン／オフ制
御されるチヨツパトランジスタであり、そのエミ
ツタがフライホイールダイオード３１のカソード
に接続されると共に、チヨークコイル３２を介し
て共振用コンデンサ３３の一方の端子に接続され
ている。また、平滑用コンデンサ２８の端子は
フライホイールダイオード３１のアノードおよび
共振用コンデンサ３３の他方の端子へ各々接続さ
れている。そして、上述した各部２７〜３２が直
流電源部６０を構成している。共振用コンデンサ
３３の一方の端子は電流検出用のシヤント３５を
介してアーク負荷３６の被溶接物３６ａに接続さ
れ、同コンデンサ３３の他方の端子はサイリスタ
３４（開閉手段）のカソードに接続され、また、
サイリスタ３４のアノードが可飽和リアクトル３
７（共振コイル）を介してアーク負荷３６の電極
３６ｂに接続されている。そして、シヤント３５
の両端電圧が制御回路３０へ供給されている。ま
た、シヤント３５およびアーク負荷３６の直列回
路の両端間に直流電源３９およびアークスタータ
４０が各々接続されている。直流電源３９はアー
ク負荷３６に常時小電流i_B（例えば、5A）を流す
ための電源であり、比較的リツプルの少いものが
用いられる。この小電流i_Bを常時アーク負荷３６
に流す理由は、アーク負荷３６にパルス電流が印
加されない期間においてもアークを断としないた
めである。また、アークスタータ４０は、起動時
において被溶接物３６ａと電極３６ｂとの間のエ
アギヤツプの絶縁を破壊するためのもので、起動
時において約1MHz・3000の高周波交流電圧を
短時間アーク負圧３６に印加する。なお、サイリ
スタ３４のゲートはパルス発生回路（図示略）か
ら出力される一定周期（この周期は変更可能であ
る）のパルス信号GPによつてトリガされる。

次に、上記構成になる回路の動作を第３図に示
す波形図を参照して説明する。

まず、直流電源部６０において、制御回路３０
はこの実施例ではシヤフト３５を流れる電流の平
均値が常に一定になるようにトランジスタ２９を
オン／オフ制御する。この結果、平滑用コンデン
サ２８の両端電圧がトランジスタ２９によつてオ
ン／オフ制御され、チヨークコイル３２を介して
共振用コンデンサ３３の両端に印加され、これに
より、共振用コンデンサ３３の充電が行なわれ
る。

次に、例えば第３図イに示す時刻t₁においてパ
ルス信号GPがサイリスタ３４のゲートに印加さ
れ、サイリスタ３４がオン状態になると、共振用
コンデンサ３３、シヤント３５、アーク負荷３
６、可飽和リアクトル３７によりLCR直列共振
回路が形成され、コンデンサ３３に蓄えられてい
る電荷により上記共振回路に共振電流i_Tが流れ
る。この場合、電流i_Tの値は、コンデンサ３３の
容量、可飽和リアクトル３７のインダクタンスお
よび直列抵抗分（アーク負荷３６の抵抗、配線抵
抗等）によつて決まり、言い換えればLCR直列
共振回路の共振特性によつて決まる。ところで、
可飽和リアクトル３７は、電流が小さい時は未飽
和状態にあり、大きなインダクタンスを有してい
る。したがつて、共振電流i_Tは、まず可飽和リア
クトル３７の未飽和インダクタンスおよび共振用
コンデンサ３３の容量等によつて決定される共振
特性にしたがつて、第３図ロに示すように徐々に
上昇する（期間t₁〜t₂）。一方、この期間t₁〜t₂に
おいては、電源部６０から供給される電流i_Dの方
が電流i_Tより大であり、したがつて、コンデンサ
３３の両端電圧E_Cは、第３図ハに示すように、
逐次上昇する。次に、電流i_Tがある一定値i₀に達
すると（時刻t₂）、可飽和リアクトル３７が飽和
し、以後電流i_Tは可飽和リアクトル３７の飽和イ
ンダクタンスと共振用コンデンサ３３の容量等に
より決定される共振特性にしたがつて急速に上昇
する。この場合、電流i_Tの値が電流i_Dよりはるか
に大となり、したがつて、共振用コンデンサ３３
の電荷が放電し、その両端電圧E_Cが、第３図ハ
に示すように急速に下降する。そして、コンデン
サ３３が時刻t₃において放電し終えると、電流i_T
の上昇が止まり、次いで、期間t₂―t₃において可
飽和リアクトル３７に蓄えられたエネルギーが、
共振用コンデンサ３３へ急激に供給される。この
結果、電流i_Tが第３図ロに示すように急激に減少
するとともに、共振用コンデンサ３３が負側に充
電され、電圧E_Cが負側に降下してゆく（期間t₃〜
t₄）。そして、時刻t₄においてi_T＜i₀となると、可
飽和リアクトル３７のインピーダンスが未飽和時
インピーダンスになり、この結果、電流i_Tが以後
徐々に減少する（期間t₄〜t₅）。この期間t₄〜t₅に
おいても、電流i_Tによる共振用コンデンサ３３の
充電が行なわれるが、この充電々流はわずかであ
り、かつ、コンデンサ３３の電圧変化の影響を受
けない程度のチヨークコイル３２があるため、時
刻t₄以降直流電源部６０からの充電々流i_Dによつ
て共振用コンデンサ３３が正方向に充電されてゆ
き、電圧E_Cが逐次上昇する。

時刻t₅において電流i_Tが零になると、この時点
においてサイリスタ３４のアノード・カソード間
に共振用コンデンサ３３による逆バイアスが印加
されることから、サイリスタ３４がカツトオフ状
態になる。なお、第３図ハに示す斜線部分がサイ
リスタ３４の逆バイアス時間に対応している。ま
た、期間t₂―t₄の電流i_Tの波形は、共振コンデン
サ３３、アーク負荷３６および可飽和リアクトル
３７から成る直列共振回路のＱによつて決定され
る。以後、共振用コンデンサ３３が電流i_Dによつ
て引き続き充電され、電圧E_Cが逐次上昇する。
そして、時刻t₆においてパルス信号GPが再びサ
イリスタ３４のゲートに印加されると、サイリス
タ３４がオン状態となり、再び上述した動作が繰
返えされる。

しかして、アーク負荷３６には上述した電流i_T
と電流i_Bとの和の電流i_T＋i_B（第３図ニ参照）が流
れ、この電流によりパルスアーク溶接が行なわれ
る。また、上述したことから分るように、可飽和
リアクトル３７（および配線インダクタンス）に
蓄えられたエネルギーは、すべて共振コンデンサ
３３に吸収されるので、第１図イ〜ハに示すよう
なエネルギを吸収するためのダイオード４，７，
８，１２が不要となる。なお、フライホイールダ
イオード３１はトランジスタ２９がOFFした時
のチヨークコイル３２の逆起電力を吸収するため
のもので、配線インダクタンスや可飽和リアクト
ル３７に蓄えられたエネルギを吸収するためのも
のではない。

なお、上述した実施例においては共振コイルと
して可飽和リアクトル３７を用いているが、この
発明によるパルスアーク溶接機は共振コイルとし
て普通のコイルを用いることも可能である。しか
しながら、普通のコイルを用いた場合は次に述べ
る不都合が生じ、したがつて可飽和リアクトルを
用いることが望ましい。

すなわち、普通のコイルを用いた場合は、第３
図ロにおける時刻t₄〜t₅間の滑らかな立下りが得
られず、電流i_Tが急速に零まで下降する。この結
果、サイリスタ３４に、第４図に符号Ａにて示す
負のリカバリ電流が流れ、この電流によりアーク
が切れたり不安定になつたりする。このリカバリ
電流は電流減少勾配―di_T／dtに比例して大きく
なり、例えば30A/μsの電流減少勾配においては
数10A程度のリカバリ電流が発生する。（なお、
高周波パルスアーク溶接機においては、可飽和リ
アクトルを用いない場合、上述した30A/μs前後
の電流減少勾配となる。）このリカバリ電流に対
応してアーク電流を正常に維持するには、電流i_B
としてこのリカバリ電流と略等しい電流を流すこ
とが必要であるが、この場合、高周波パルスアー
ク溶接機の長所である小電流による溶接が不可能
となり、極めて好ましくない。

また、上述した実施例においては、共振コイル
として可飽和リアクトル３７のみを用いている
が、可飽和リアクトル３７の飽和時インピーダン
スは通常非常に小さいので、可飽和リアクトル３
７に直列に別の共振コイル（比較的インダクタン
スの小さい共振コイル）を挿入してもよい。

また、上述した実施例における整流回路２７を
サイリスタによつて構成し、チヨツパトランジス
タ２９を除去してもよいが、リツプルの点で実施
例に示す回路の方が有利である。

以上説明したように、この発明によればLC共
振回路およびサイリスタによつて高周波パルスを
作つているので、次の利点が得られる。

開閉素子としてサイリスタを用いることがで
きる。

電流零の時点でサイリスタがオフとなるた
め、配線インダクタンス（10μH程度）のエネ
ルギ吸収時における損失をきわめて小さい値と
し得る（従来の1/50〜1/100）。

配線インダクタンスに蓄えられるエネルギー
を吸収する回路をわざわざ設ける必要がない。

直流電源部が低電圧回路でよく、部品等の面
で有利である。

直流電源部のコントロール（第２図の実施例
ではチヨツパのコントロール）は低周波数でよ
く、直流電源部の制御回路の構成を簡略化し得
る。

また、共振コイルとして可飽和リアクトルを
用いた場合は、アーク電流への悪影響を除去で
きると共に、開閉手段のスイツチング損失を極
めて小とすることができる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ハは各々、従来の高周波パルスアー
ク溶接機の構成を示す回路図およびアーク電流波
形図、第２図はこの発明の一実施例の構成を示す
回路図、第３図イ〜ニは各々同実施例の動作を説
明するための波形図、第４図はサイリスタのリカ
バリ電流を説明するための波形図である。 ３３…共振用コンデンサ、３４…サイリスタ、
３６…アーク負荷、３７…可飽和リアクトル（共
振コイル）、６０…直流電源部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源部と、この直流電源部から出力され
   る直流電流が印加される共振用コンデンサと、サ
   イリスタと、共振コイルとを具備するとともに、
   前記サイリスタ、共振コイルおよびアーク負荷を
   前記共振用コンデンサの両端に直列に介挿して共
   振回路を形成し、かつ、前記サイリスタは前記共
   振回路を流れる電流が０となつている期間におい
   てオンとされることを特徴とする高周波パルスア
   ーク溶接機。 ２ 前記共振コイルが可飽和リアクトルまたは可
   飽和リアクトルとコイルの直列回路である特許請
   求の範囲第１項記載の高周波パルスアーク溶接
   機。