JPH03234365A - アーク溶接用交流矩形波溶接電源供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアーク溶接用電源供給装置に係り、特に矩形波
を用いた交流を電極と母材間に供給して行う交流アーク
溶接機のアーク溶接用電源供給装置に関するものである
。

〔従来の技術〕

一般に交流を用いたアーク溶接は、被覆棒アーク溶接法
、潜弧溶接法あるいはガスシールドアーク溶接法の一部
に用いられ数々の利点を有する事は公知の事実である。

しかしながら、一般の交流アーク溶接では商用周波数に
よる正弦波交流が交流溶接用として用いられており、正
弦波交流は１秒間に１００回ないし１２０回、電流及び
電圧が交番する。

従って今、第８図の３６に示すように電圧波形がＯボル
トを通過し正極方向へ向うとすると電圧が徐々に上昇し
最大値に至り、徐々に下降しＯボルトに近付き、Ｏボル
トに至る。Ｏボルトを通過した該電圧は負極側でも下降
上昇を繰り返す。このように正弦波交流では、電圧がＯ
ボルトになる正極、負極の境界付近においては極性変化
が緩慢である。従って無負荷電圧がアーク放電開始電圧
に至るまで、第８図の３８で示すごとくアーク放電は開
始しない。また電圧が反転した後アークが再点弧するま
での間は、第８図の４０で示すごとく、アークによる自
己保持特性あるいは溶接電源内のりアクドルのみにより
アークが保たれているだけの、非常に不安定な状態であ
る。従って交流アークは周波数の半波毎に電流の流れる
方向が反転しその都度アークは消弧し、改めて逆方向に
再点弧しなければならず、もし再点弧に失敗したとする
と、アークは消失してしまう。溶接中に一度アークが消
失すると、溶接継ぎ手内部に融合不良あるいはスラグ巻
き込みなどの溶接欠陥を誘発し、溶接作業性も悪化し健
全な溶接継ぎ手を作成することは、極めて困難となる。

交流アークが直流アークに比べ維持しにくいのは、この
再点弧の困難さにある。

従って従来技術では特公昭６２−１５３１５号公報によ
り提示されるごとく、再点弧を助成させるため電圧が○
ボルトとなった直後スパイク電圧を印加したり、あるい
は溶接中に高周波高電圧を印加することでアークの再点
弧を強制し、アークを安定維持させることが知られてい
る。

しかしながら該公報に記載された手段では電気回路の都
合上電極が短絡を生じた場合、スパイク状高電圧用に蓄
えられたエネルギーがその瞬間に放出されてしまい該ス
パイク状高電圧は蓄電器に充電するまで印加することは
できず、アーク安定維持が極めて困難となる。また後述
の高周波高電圧の印加では、高周波放電時に電磁的雑音
が発生し空中に放射するため数々の電気機器に障害を与
えていた。

そこで、本発明者等は前述問題点の解決手段として特開
昭６３−２０１６８号公報の発明を提示した。

該発明では溶接電流、アーク電圧、交流周波数。

電極印加電圧の正極／負極通電時間割合及び電流値の正
極／負極成分などを可変調整可能とした装置である。該
発明装置の出力波形は立ち上がりの急峻な矩形となって
いるため、瞬時に極性が転極するものである。

該装置は、電極印加電圧の正極／負極通電時間割合を調
整することで、一般的に知られているように電極電位が
正極の場合は安定した溶は込み深さかえられる作用、ま
た電極電位が負極の場合は消耗電極の溶融速度を速める
ことから消耗電極溶融量を制御できる作用、あるいは交
流周波数を調整する事でアーク力を制御することにより
前述同様溶は込み深さを制御する作用等を発揮でき、般
的に溶接困難な開先ギャップあるいは開先自速いを有す
る被溶接物においても、健全な溶接継ぎ手を作成する事
のできる溶接装置である６〔発明が解決しようとする問
題点〕 しかしながら、溶接時において溶滴の移行が電極と母材
間で、短絡とアークを繰り返しながら行われる短絡移行
を呈するような低電流の溶接条件の場合、その上で溶接
条件の内、電極電位が負の時間が５０％以上となった時
、更には電極ワイヤの種類によっては極く希にではある
がアーク切れが発生している事が実験から明らかとなっ
た。更に詳しくｗｔ察すると、該現象は電極電位が負極
から正極へ転極するときのみであることが明らかとなっ
た。このことは電極電位が正極と負極の時とでアーク再
点弧電圧が異なる事、及び、電極形状が母材側は平面で
消耗電極側は針状となっていて非対称による事から即ち
、電子放出時の電極形状の違い、あるいは電界強度の違
いにより電極電位が負極になる時の再点弧のほうが容易
であるという報告（発行所：産報、著者：安藤弘平等、
書名：溶接アーク現象１３８〜１３９頁）がある事から
も理解できるものである。

本発明は、これらの点に鑑みなされたものであって、消
耗電極式アーク溶接において、溶接時の溶滴の移行が電
極と母材間で短絡とアークを繰り返す短絡移行を呈する
ような低電流の溶接条件の場合、その上で溶接条件の内
、電極電位が負極の時間が５０％以上となった時に電極
ワイヤの種類によっては極く希にではあるが発生するア
ーク切れを防止し、健全な溶接継ぎ手を簡便に作成する
方法の提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第２図の（ロ）、（ハ）、（ニ）に示すような、電極電
位が負極の時にはアークは陰極点となるべき酸化物を求
めて消耗電極上方へはい上がるため該消耗電極が加熱溶
融される。該溶融量は電極電位が正極の時よりも、負極
の時のほうが多い事は既に報告され公知の事実となって
いる（発行所：彦根。

著者二安藤弘平等、書名：溶接アーク現象３３５〜３３
７頁及び３５１〜３５２頁）。そこで、電極電位が負極
の時には溶滴の移行は抑制され１次に電極電位が転極す
る瞬間に、第２図（ホ）に示すように加熱溶融されてい
た溶融金属は、重力に耐え切れなくなり消耗電極より離
脱する。この時、該離脱によって生じる消耗電極と母材
間距離は、電極電位が正極の時の溶滴離脱によって生じ
る消耗電極と母材間距離より遥かに長くなっているとい
う事実を秒間３０００駒の高速撮影による映像から新規
に知見した。

このことからも電極間距離が長い、電極電位が負極から
正極に転極するときのほうが、再点弧に要する絶縁破壊
電圧は高い電圧が必要である事が明らかとなった。

これらの事実に基づき発明者等は以下に述べるような実
験を実施した。シールドガスには。

Ａｒ−ＣＯ２混合ガスを用いたガスシールド溶接に於イ
テ、消耗電極にはＪＩＳ　２３３１２　ＹＶＧ１２　ノ
線径１．２閣を用い溶接電流は１００Ａ、この時の溶接
電圧は１８〜１９　Ｖとし交流周波数は２００　Ｈｚ、
電極電位が正極の割合と電極電位が負極の割合を１＝２
とし、板厚１６ｍの軟鋼平鋼板上に５００ｍ長さのビー
ド置き試験を実施した。該試験に於いて無負荷電圧を６
５　Ｖ〜４００ｖまで変化上昇させ、無負荷電圧レベル
に対するアーク切れ回数を調査したところ、第７図に示
すように、無負荷電圧が３００Ｖ以上の範囲ではアーク
切れは発生していないことを確認すると共に３００Ｖ以
下の範囲では指数関数的に該回数は増加する傾向にある
ことを新規に知見した。

さらには、消耗電極の種類、母材の種類及び、シールド
用に用いるガスの成分によってアーク切れ回数が零とな
る無負荷電圧値には違いが有ることも合わせて知見した
。

そこで本発明においては、溶接用電源供給装置の出力側
にインバータを有する溶接機を用いた、矩形波の交流を
用いる消耗電極式アーク溶接機に於いて、溶接開始時及
び溶接時に於ける電極の電位が被溶接物に対し正極の期
間のみ、アーク点弧あるいは再点弧するに必要な電圧値
以上の高電圧を印加する、あるいは電極の電位が被溶接
物に対し零ないしは負極から電極電位が正極に転極する
時に、アーク点弧あるいは再点弧するに必要な電圧値以
上の高電圧を印加する印加回路を、インバータを構成す
るスイッチング素子よりも出力側に備える。

〔作用〕

アーク点弧あるいは再点弧するに必要な電圧値以上の高
電圧を印加する印加回路を、インバータスイッチング素
子より出力側すなわぢ装置出力端子の直近に備えるため
に、溶接電源供給装置内の配線による浮遊インピーダン
スによる影響が軽減し、電圧の時間的な立上り遅れなし
に再点弧電圧が消耗電極と母材間に印加されるので、ア
ーク切れに対し非常にスムーズな再点弧が実現し、溶接
中のアーク切れは、肉眼では確認できないくらいまでに
抑制される。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の
実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例の概略構成を示す。

この実施例は、直流をスイッチング動作させて交流に変
換するインバータスイッチング素子１，２゜３．４、こ
れらのスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホ
イールダイオード５−ａ、５−ｂ、５−ｃ、５−ｄ、再
点弧電圧昇圧用変圧器６、該変圧器よりの交流を直流に
整流する整流器７、該直流のリップル分を軽減する平滑
用コンデンサ８、消耗電極１６−ａと母材１８間にアー
ク１７が維持されている時に再点弧電圧をアーク電圧ま
で降下させるための電流制限用抵抗器９、再点弧電圧の
供給をスイッチングするための半導体スイッチング素１
０、何等かの原因によって溶接電圧が逆流することを防
ぐための逆電圧阻止用ダイオ−ド１１．インバータスイ
ッチング素子１．３を駆動するための前置増幅器１４、
および、スイッチング素子１，３と同相または同期して
信号を出力するためのパルス信号を発生させるタイミン
グ回路及び半導体スイッチ１０を駆動するための増幅回
路１２．インバータスイッチング素子２，４を駆動する
ための前置増幅器１３、出力端子１９、溶接用の直流を
得るための直流電源袋ｆ１２０、および、直流リアクト
ルしより構成される。

インバータスイッチング素子１，３および２゜４はお互
いが同相信号によりスイッチングするもので、今インバ
ータスイッチング素子１，３がオン（導通状態）だとす
ると溶接電流は消耗電極１６−ａからアークＩ７を通し
て母材１８という経路で流れる。即ち電極電位が正極の
溶接となる。

次にインバータスイッチング素子１，３がオフ（非導通
状態）に、２，４がオンにされると、溶接電流は今度は
、母材１８からアーク１７を通して消耗電極１６−ａと
流れる。即ち電極電位が負極の溶接となる。これらを繰
り返すことで交流溶接が実施される。

タイミング回路および増幅回路１２は１発振器１５の信
号に同期して、インバータスイッチング素子１，３に加
わる信号と同相の信号を、半導体スイッチング素子１０
をオンするレベルまで増幅して該素子１０に印加する。

これにより、インバータスイッチング素子１，３のオン
と同期して、即ち電極電位が正極になった所でオンする
。ここで平滑された直流の再点弧において必要な電圧が
半導体スイッチング素子１０に印加されていることから
、この電圧が、インバータスイッチング素子１．３の導
通と同時に消耗電極１６ａと母材１８の間に印加される
。これが第４図でレベル２８−ａまで上昇した電圧であ
り、これによりアークが再点弧することとなる。

ところでこの電圧が印加されるときアーク切れが発生し
アークが消弧している場合は、負荷即ちアーク１７（１
６ａ−１８間）のインピーダンスが高く、印加される電
圧は電極１６−ａと母材１８にそのままの電圧で印加さ
れることになり、アークが再点弧する。しかしながらア
ーク切れが発生せずアークが健全な状態で維持されてい
る状態であったときには、負荷（１６ａ−１８間）のイ
ンピーダンスが低いために、第１図中に示す電流制限用
の抵抗器９により、第５図及び第６図の３２および３３
に示すごとく、電位降下を生じすなわち半導体スイッチ
ング素子１０の電流値が制限され、アーク電圧とほぼ同
一電圧になるよう抵抗値が選択されている。したがって
アーク切れが発生せずアークが安定に維持されている場
合には電圧印加回路（６〜１２）は、アーク電圧とほぼ
同一電圧の出力電圧となる。したがってアーク切れが発
生した時のみに再点弧に必要な電圧が、第５図及び第６
図の３４−ａ、３４−ｂに示すごとく消耗電極１６ａと
母材Ｉ８間に印加されることになり、消弧していたアー
クは速やかに健全なアーク状態に復帰する。

なお、インバータスイッチング素子１，３のオン全期間
、半導体スイッチング素子１０もオンにしているので、
電圧印加回路（６〜１２）の出力端の電圧が第５図に示
すような再点弧用印加電圧となるが、タイミング回路及
び増幅回路１２によって、インバータスイッチング素子
１．３に加わるオン信号の立上部分を拾いだし、再点弧
に必要な極短い時間だけパルス状のオン信号を整形して
半導体スイッチング素子１０に印加して該オン信号の間
のみ素子１０をオンにしてもよい。この場合には、電圧
印加回路（６〜１２）の出力端の電圧が第６図に示すよ
うな再点弧用印加電圧となる。

この場合でも同様な再点弧効果が得られる。

いずれに於いてもインバータスイッチング素子１〜４よ
り出力側かつ装置出力端子の直近に、再点弧電圧を印加
するようにしているために、溶接電源供給装置内の配線
による浮遊インピーダンスによる影響が軽減し、電圧印
加回路（６〜１２）の出力電圧による消耗電極１６ａ／
母材１８間の電圧の立上り遅れおよび電圧低下が小さく
アーク切れに対し非常にスムーズな再点弧が実現し、溶
接中のアーク切れ期間は、肉眼では確認できないくらい
まで極く短い時間となった。

また、インバータスイッチング素子１〜４に逆電圧を阻
止する回路を付加する（図示せず）ことで、該インバー
タスイッチング素子に耐電圧の低い素子を使用する事が
可能となり電気回路的に複雑な回路を用いなくてもある
いは、価格的にも安価に装置作製することが可能となる
。

第１図に示す装置を用いて、−例としてＡｒ−Ｃ○２ガ
スシールド溶接を実施した。

消耗電極（溶接ワイヤ）１６ａには、ＪＩＳ　２３３２
１２ＹＧＷ　１２の線径１．２−を用い、溶接電流を１
００Ａ。

交流周波数を２００　Ｈｚ　、電極電位が正極の期間と
電極電位が負極の期間の割合をｌ：２とし、再点弧用印
加電圧は４００Ｖを印加し、母材１８は軟鋼板、板厚８
ＩＩＩｌｌのＹ開先において溶接を実施した。

その結果、目視による観察ではアーク切れは見られず、
オシロスコープで溶接電圧及び溶接電流を観察したとこ
ろ、極く希ではあったがアーク切れが発生しようとした
にもかかわらず直ちに再点弧している様子がうががわれ
、溶接部の外観およびＸ線透過試験も良好で、溶接欠陥
は何等見られなかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による電源供給装置を用いて
溶接を実施すれば、交流の溶接時において電極電位が零
ないしは負極から正極に転極する時あるいは何等かの原
因によってアーク切れが発生しようとした時、いずれの
場合にでも再点弧可能な電圧を、インバータスイッチン
グ素子よりも出力側でかつ装置出力端子の直近に印加し
ているため、浮遊インピーダンスによる影響を受けずに
速やかに再点弧が行われるので、従来に比較し溶接欠陥
の無い均一な健全な溶接継ぎ手を簡便に作成できる。し
たがって本発明は、溶接作業の能率を向上させる事ので
きる極めて工業的に価値の高いアーク溶接用交流矩形溶
接電源供給装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の交流矩形波溶接電源供給
装置を示す回路図である。 第２図は、矩形波交流によるアークの変化と溶滴の移行
の一例を表す拡大図であり、（イ）〜（チ）は矩形波交
流−サイクルの間の各時点の様子を示す。 第３図は、再点弧用印加電圧の無い場合にアーク切れが
発生したときの溶接電圧及び溶接電流の推移を示すタイ
ムチャートである。 第４図および第５図は、第１図に示す装置による溶接時
の溶接電圧及び溶接電流の推移を示すタイムチャートで
ある。 第６図は、第１図に示す装置の一変形例による溶接電圧
及び溶接電流の推移を示すタイムチャートである。 第７図は、従来の溶接態様における無負荷電圧とアーク
切れ回数の関係を示すグラフである。 第８図は、一般的な正弦波交流による溶接電源波形３６
と溶接時にこれによって電極／母材間に表われる溶接電
圧波形３７を示すタイムチャートである。 １〜４：インバータスイッチング素子（インバータ）５
−ａ〜５−ｄ：フライホールダイオード６：再点弧電圧
昇圧用変圧器　　７：整流器８：平滑用コンデンサ　　
　　　　９：１！流制限用抵抗器ｌＯ：半導体スイッチ
ング素子　　１１：逆電圧阻止用ダイオード１２：タイ
ミング回路及び増幅回路（６〜１２：印加回路）１３．
１４：前置増幅器　　　　　　　１５：発振器１６ａ、
１６−ｂ−１６ｊ：消耗電極（電極）１７：アーク　　
　　　　　　　　１８：母材（被溶接物）１９：出力端
子　　　　　　　　　２０：直流電源装置２１−ａ〜２
１−ｆ　：溶接アークフレーム２２：電極が正極時にア
ーク切れが発生した場合の無負荷電圧値２３−ａ、２３
−ｂ、２３−ｃ、２３−ｄ　：電極が正極時の場合の溶
接電圧値２４：電極が負極に転極した時に再点弧した場
合の電圧波形２５−ａ、２５−ｂ、２５−ｃ、２５−ｄ
　：電極電位が負極時の溶接電圧値２６−ａ、２６−ｂ
　：電極が正極時の溶接電流値２７−ａ、２７−ｂ　：
電極が負極時の溶接電流値２８−ａ、２８−ｂ、２８−
ｃ　：再点弧電圧値２９−ａ、２９−ｂ、２９−ｃ、２
９−ｄ　：溶接電圧波形３０−ａ、３０−ｂ　：溶接電
流波形 ３１−ａ、３１−ｂ　：インバータスイッチング素子の
オン付勢信号３２．３３　：再点弧用電源電圧波形　　
　３４−ａ、３４−ｄ　：再点弧電圧値３５−ａ、３５
−ｂ　：制限抵抗器９により電位降下した電圧値３６：
正弦波交流電圧波形　　　　　３７：溶接電圧波形３８
：無負荷電圧がアーク放電開始に至るまでの期間３９−
ａ：アーク点弧電圧値　　　　　３９−ｂ：アーク再点
弧電圧値４０：アークの自己保持特性又は溶接用リアク
トルによりアークが保持されている期間 堵３図 鵞４図 篇 ５ 図 東６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶接用電源供給装置の出力側にインバータを有する溶接
   機を用いた、矩形波の交流を用いる消耗電極式アーク溶
   接機に於いて、溶接開始時あるいは溶接時に於ける電極
   の電位が被溶接物に対し正極の期間のみ、アーク点弧あ
   るいは再点弧するに必要な電圧値以上の高電圧を印加す
   る、あるいは電極の電位が被溶接物に対し零ないしは負
   極から正極に転極する時に、アーク点弧あるいは再点弧
   するに必要な電圧値以上の高電圧を印加するものであっ
   て、インバータを構成するスイッチング素子よりも出力
   側にある印加回路を備える事を特徴とする消耗電極式ア
   ーク溶接用交流矩形波溶接電源装置。