JPH0331553B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、交流矩形波プラズマアーク溶接方法
に関し、特に半導体素子により極性を切換えるイ
ンバータ回路の極性切換時の相間短絡防止時間を
設けた交流矩形波プラズマアーク溶接方法におい
て、無負荷適正電圧制御を行い半導体素子の破損
を防止した交流矩形波プラズマアーク溶接方法に
関する。

〔従来の技術〕

プラズマアーク溶接またはTIG溶接において出
力電位の極性の接続方法により、母材側を陽極、
電極側を陰極とした正極性接続では、深い溶け込
みが得られ、また、母材側を陰極、電極側を陽極
とした負極性接続では、溶け込みは浅いが、母材
表面の酸化膜を除去する清浄効果が有ることが知
られている。特に、溶接物がアルミニウム、ある
いはアルミニウム合金等のように母材表面が溶融
温度の高い酸化膜で覆われている材料を溶融する
場合、清浄効果が必要なことから、交流を用いて
溶接が行なわれている。しかしながら通常の商用
周波数を用いた交流アーク溶接では、この交流が
第４図に示すような50又は60（Hz）の割合で正極、
負極が交番する正弦波交流１８である。したがつ
て、同図に示す如くこの交流１８の無負荷電圧は
必ず零電圧を通過し、除々に上昇し、最大値に至
りまた除々に下降し、再び零電圧に近づき零電圧
に至る。零電圧を通過した該電圧は負極でも同様
に上昇、下降を繰り返す。この様に、正弦波交流
では、極性変換が緩慢である。したがつて無負荷
電圧がアーク放電開始電圧に到る第４図中t₄の
間、アーク放電はしない、また無負荷電位が反転
し、アークが再点弧するまでの同図中t₅の間はア
ークの自己保持性あるいは回路のリアクトルのみ
により保持されているだけの不安定な状態の期間
である。したがつて交流アークでは電流の半波毎
にその流れる方向が反転し、その度毎にアークは
一度消弧し、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
失する。

溶接中に一度アークが消失すると、融合不良あ
るいはスラグ巻き込み等の溶接欠陥を誘発し、溶
接作業性も悪化し、完全な溶接継手を作成するこ
とは著しく困難となる。交流アークが直流アーク
に比べて維持しにくいのは、この対点弧の困難さ
にある。したがつて、従来技術では、特開昭55−
126384号公報に示される如く再点弧を助成させる
ために交流電圧が零電圧となつた直後ススパイク
状の高電圧を印加したり、あるいは、高圧高周波
電圧を重畳することによりアークを安定維持させ
ることが知られている。しかしながら前述方法で
は、正極性成分と負極性成分の時間割合と周波数
調整ができていないため、溶け込み深さの不良と
電極の過消耗があり、また、高圧高周波を用いる
ことにより、空中に電磁波を放射し、この電磁波
によつて、他の装置、例えば、テレビ、ラジオあ
るいは、コンピユータ等に障害を与えるという問
題がある。これらの問題点を改良すべくプラズマ
アーク溶接において、WELDING JOUPNAL
誌、FEBRUARY11984、（25〜35頁）に掲載さ
れているが如く、正極性、負極性用の２台の直流
電源を用い、これを交互に切り換え、電圧をを瞬
時に切り換ることで前述の再点弧の問題を解決し
た交流矩形波プラズマアーク溶接を実施すること
が報告されている。しかしながら、前述の該２台
の直流電源を用いることは溶接装置の大型化ある
いは溶接条件の設定等装置の操作が煩雑となり、
溶接作業性が悪く現場的な溶接装置とはいえな
い。そこで発明者等はすでに特願昭60−267903号
明細書でもつて１台の無負荷電圧の高い溶接電流
として周波数および正極性成分、負極性成分の時
間割合を任意に調整可能な交流矩形波電圧を用い
て溶接する相間短絡防止回路付インバータ式交流
矩形波プラズマアーク溶接方法および装置を提案
した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、相間短絡防止回路と調整可能な
矩形波周波数によつて、誘発する高電圧パルスに
より、制御回路内の半導体素子が破損する問題が
あり、耐電圧の高い半導体素子を用いなければな
らなかつた。

本発明は、これらの点に鑑み、１台の無負荷電
圧の高い直流溶接電源を用い、相間短絡防止時間
を設けた交流矩形波によりインバータ回路での極
性変換時のアーク再点弧を確実かつ円滑に行い、
該極性変換の周期を任意に調整でき、さらに正極
性時と負極性時の時間の割合比を任意に調整する
ことができると共に、相間短絡防止回路と矩形波
周波数によつて誘発する高電圧を適正値にて制御
させることによつて半導体の破損を防止し、溶接
継手を完全かつ簡便に溶接する方法の提供を目的
とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の要旨は、交流矩形波プラズマアーク溶
接方法において、出力電圧矩形波形として正極成
分と負極成分の間に相間短絡防止の零電圧時間を
設け、該矩形波の正極成分と負極成分の比率と周
波数を調整し、かつ無負荷適正電圧を調整して溶
接することを特徴とする交流矩形波プラズマアー
ク溶接方法にある。

以下図面により本発明の詳細を説明する。

〔作用〕

第１図は本発明を一態様で実施する交流矩形波
プラズマアーク溶接装置の構成を示すブロツク図
である。この溶接装置は該図中に示すように、無
負荷電圧の高い直流溶接電源１、無負荷適正電圧
制御２ａと調整器２ｂ、インバータ回路３、イン
バータ前置増幅回路４、正極、負極性比率調整回
路５、矩形波発振回路６、および相間短絡防止回
路７より成る。矩形波発振回路６より得られた矩
形波信号は正極、負極性比率調整回路５により、
正極、負極性比率が溶接条件に希望する任意の比
率に設定される。次に相間短絡防止回路７により
インバータ回路３内の半導体素子（トランスジ
タ：Tr₁，Tr₂，Tr₃，Tr₄）の相間短絡を防止す
るため、矩形波が正極から負極、あるいは負極か
ら正極に移行する瞬時にごく僅かな時間だけ零レ
ベルの時間を設ける。また、相間短絡防止回路７
が動作するごく僅かな時間の無負荷電圧の規間に
は、直流溶接電源１とプラズマアーク１１のリア
クタンス成分によつて瞬時的に高電圧を誘発し、
各回路内の半導体素子の耐電圧を越えて破損させ
るため、無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２
ｂによつて適正な無負荷電圧値に設定することに
よつて半導体素子の破損を防止する。この高電圧
はアークの再点弧性を良好にするものである。こ
こで、無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂ
は、抵抗器とコンデンサー、半導体素子（図示せ
ず）による高電圧を吸収する電圧調整式のスナバ
制御回路である。すなわち、この回路は、調整器
２ｂにより設定した適正電圧値以上の高電圧パル
スが発生した場合、このサージ電圧の高電圧パル
スを吸収し、無負荷時にインバータ回路にかかる
適正電圧値以上の電圧を抑制するものである。

第２図は、本発明における正極性時間t₂割合が
負極性時間t₃割合に比べ僅かに大きい場合を表わ
すインバータ回路３に入力した電圧波形図であ
る。該図中、t₁は前述の相間短絡防止時間、t₂は
正極性時間、t₃は負極性時間を示す。該電圧波形
の周期は、矩形波発振回路６によつて発振周波数
を可変（図示せず）することで変化でき、発振周
波数は、10Hz〜50kHzの範囲で任意に調整でき
る。また、正極性時間t₂、負極性時間t₃の割合
は、前記にて設定された発振周波数の矩形波の一
周期内における正極、負極性の比率であつて、正
極、負極性比率調整回路５によつて各極性比率を
（０：100）〜（50：50）〜（100：０）〔％〕の範
囲が任意に可変できる。

第３図は、第２図の電圧波形入力をインバータ
回路３に入力した時に母材１２と電極１３間に発
生したプラズマアーク１１での電圧波形図であつ
て、ａは適正プラズマアーク電圧値であり、ｃは
無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂによつ
て設定される再点弧電圧値である。正極性の時間
t₂では、適正プラズマアーク電圧値ａにてプラズ
マアーク１１が保持されてプラズマ溶接を行い、
続いて負極性時間t₃に変換されるが、この時ごく
僅かな時間t₁（相間短絡防止時間）が設けられ、
無負荷状態となる。この時、直流溶接電源１の無
負荷電圧は70〜150Vに設定されてしても、直流
溶接電源１、またはプラズマアーク１１のもつて
いるリアクタンス成分により、蓄電された電圧が
プラスされることによつて、高電圧Ｐが誘発され
る。該高電圧Ｐはプラズマアーク１１の再点弧性
について極めて有利となり、プラズマアーク１１
の再点弧が確実に、かつ円滑に行われる。負極性
時間t₃によつて母材１２の表面に生成された酸化
膜を清浄したあと、再び相間短絡防止時間t₁を通
過して正極性時間t₂に入るわけであるが、前述と
同様に相間短絡防止時間t₁においては、高電圧Ｐ
によつて安定したプラズマアーク１１の再点弧性
が得られ、以降同様に繰り返し行われる。しかし
ながら、高電圧Ｐは、再点弧性には極めて有利と
なるが、直流溶接電源１およびインバータ回路３
に用いられている半導体素子の耐電圧以上となつ
て破損する方向となるため、再点弧性と半導体素
子の耐電圧を考慮して、無負荷適正電圧制御回路
２ａと調整器２ｂを働かせることにより、半導体
素子を破損させることなく、安定したプラズマア
ーク溶接性を得ることができる。

なお、希望する溶接条件により矩形波発振回路
の周波数、矩形波の正極負極性比率を調整する
が、これにより、直流溶接電源１およびプラズマ
アーク１１のリアクタンス成分（X_L＝2πf・Ｌ）
が変化する。これにより誘発する高電圧パルスの
波高値が変化するが、本発明においては無負荷適
正電圧制御回路２ａと調整器２ｂを働かせること
により、高電圧パルスＰ波高値を再点弧電圧値ｃ
に抑制する。

本発明の方法はアルミニウム、アルミニウム合
金の他にもチタン、タチン合金、ステンレス鋼、
あるいは表面が酸化膜で覆われている材料にも適
用が可能である。

次に、本発明に基づいて交流矩形波を用いた移
行式のプラズマアーク溶接法の実施例について説
明する。

〔実施例〕

供試材料は、幅100mm、長さ500mm、板厚５mmの
JISA1050アルミ板を用い、溶接電源は無負荷電
圧が135V、電流容量が300Aのプラズマアーク溶
接用の溶接装置を用いて実施した。その時の溶接
電流は150Aであり、プラズマアーク電圧は30V
のキーホール溶接であつた。矩形波交流の周波数
は1kHzを用い、相間短絡防止時間t₁は0.1ｍ秒と
し、正極、逆極性の割合を（2.5：1.0）とし、溶
接速度を15cm／秒、再点弧電圧を200Vに設定し、
パイロツトガスおよびシールドガスは、100％の
アルゴンを用いた。以上の結果、ビード外観はビ
ード幅平均８mm清浄効果の表われた幅平均1.5mm
で均一な表面欠陥の無いビード外観が得られた。
この時の溶け込み深さは2.4mmを得た。アークの
再点弧性について波形測定した結果、100％の再
点弧であり、その後のＸ線透過試験を実施した
が、内部欠陥も無く、完全な溶接ビードと半導体
素子にも何ら影響もなかつた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の商用周数を用い交流プ
ラズマ溶接法と比べ、アークの再点弧性が良く、
溶接作業性に優れ、また、正極成分、負極成分の
割合および、周波数を可変することで母材の溶け
込み深さあるいは清浄効果域の幅を任意に調整で
き、溶接電流の大小にかかわらず、常に安定した
交流矩形波プラズマアークを維持することができ
る。また、正極成分、負極成分の割合において正
極成分を多くする極電極径を細くすることがで
き、したがつて、溶接トーチを小型、軽量にする
ことができるので、溶接者の負担を軽減できる。
装置的には、インバータ回路に用いる半導体素子
の耐電圧値を必要以上に大きくすることがなくな
り、同時に、応答速度が向上し、溶接継手の品質
向上と均一化を計ることができる。

この様に、本発明はきわめて工業的価値の高い
溶接方法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する交流矩形波
プラズマアーク溶接装置の構成を示すブロツク
図、第２図は第１図のインバータ回路に入力する
電圧波形図、第３図は第２図の電圧波形を第１図
のインバータ回路に入力した時に、母材と電極の
間にアークとして発生したアーク電圧波形図、第
４図は従来の一般的な交流アーク溶接における溶
接電極印加電圧波形の概略を表わす電圧波形図で
ある。 １：直流溶接電源、２ａ：無負荷適正電圧制御
回路、２ｂ：調整器、３：インバータ回路、４：
インバータ前置増幅回路、５：正極負極性比率調
整回路、６：矩形波発振回路、７：相間短絡防止
回路、１１：アーク、１２：母材、１３：電極、
１４：ノズル、１７：負極アーク波形、１８：正
弦波交流波形、１９：正極時のアーク再点弧位
置、２０：負極時のアーク再点弧位置、Tr₁〜
Tr₄：半導体素子、D₁〜D₄：整流器、ａ：プラズ
マアーク電圧、ｃ：再点弧電圧。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流矩形波プラズマアーク溶接方法におい
   て、出力電圧矩形波形の正極成分と負極成分の間
   に相間短絡防止の零電圧時間を設け、該矩形波の
   正極成分と負極成分の比率と周波数を調整し、か
   つ無負荷適正電圧を調整して溶接することを特徴
   とする交流矩形波プラズマアーク溶接方法。