JPH044976A - スタッド溶接用電源装置 - 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、アーク溶接法のスタッド溶接に用いられる直
流のスタッド溶接用電源装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、アーク溶接法のスタッド溶接に用いられる直流の
スタッド溶接用電源装置は、電源トランス、サイリスタ
を用いて第７図に示すように構成され、交流電源として
の商用交流電源（１）が電源装置（２１の交流入力端子
（３ａ）、（３ｂ）及び遮断器（４ａ）、（４ｂ）を介
して電源トランス（５）の１次巻線（５ａ）に供給され
る。

そして、電源トランス（５）はメインアーク発生用の２
次巻線（５ｂ）及びパイロットアーク発生用の３次巻線
（５Ｃ）を有し、２次巻線（５ｂ）の出力はダイオド（
６ａ）、（６ｂ）とサイリフ　タ（７ａ）、（７ｂ）と
の混合ブリッジ回路構成のメインアーク用整流回路（８
）で全波整流された後、還流用のダイオード（９）、平
滑用のりアク）ｚＬｚ（１０を介して電源装置（２）の
出力端子（ｌｌａ）。

（ｌｌｂ）に、出力端子（１ｉｂ）を正とするメインア
ーク用の直流として供給される。

また、３次巻線（５ｃ）の出力はダイオード（１２ａ　
）　。

（１２ｂ）とサイリ、ｚ　タ（１３ａ）、（１８ｂ）と
の混合ブリッジ回路構成のパイロットアーク用整流回路
α４で全波整流された後、還流用のダイオードへｅ、平
滑用のりアク）／ｌ／αＱを介して出力端子（ｌｌａ）
　、（ｌｌｂ）に、出力端子（ｌｌｂ）を正とするパイ
ロットアーク用の直流として供給される。

そして、”ｊ−イ！Ｊ　スタ（７ａ）、（７ｂ）及び（
１３ａ）、（１３ｂ）は、電源装置（２）に設けられた
制御回路α力によシ、タイマ制御で駆動される。

すなわち、溶植銃のスタッド０樽を母材α１にアーク溶
接で植設する場合、第８図（ａ）に示すように予めスタ
ッド０Ｑを母材顛に立設して溶接銃のトリガスイッチが
オンされ、溶接が開始される。

そして、前記トリがスイッチのオンに基づき、制御回路
αηは最初にサイリスタ（１３ａ）、（ｔａｂ）を駆動
し、スタッドαね、母材Ｑ９間に第８図向の矢印線に示
す数十へ程度の小容量のパイロット用の直流を供給する
。

この状態でスタッド０秒が引上げられて母材０９から引
離され、第８図（Ｃ）に示すパイロットアーク（Ａｐ）
が発生する。

さらに、パイロットアーク（Ａｐ）の発生後に制御回路
（−７）はサイリスタ（７ａ）、（７ｂ）の駆動に切換
わり、スタッド（至）、母材０９間に第８図ｆｄ）の矢
印線に示す数１００〜数１００ＯＡの大容量のメインア
ーク用の直流を供給する。

このメインアーク用の直流によりスタッド０８）。

ＥＥ　材ａａ間にメインアーク（Ａｍ　）が発生し、こ
のアク（Ａｍ　）の熱により母材ＱＩ及びスタッド０８
）が溶融する。

そして、メインアーク（Ａｍ　）が一定時間継続すると
、溶植銃のガンコイルの圧力により、スタッドａ樽が母
材０９の方向に押下げられ、第８図ｔｅｌに示すように
スタッド０杓が母材α９に溶着される。

このとき、制御回路αηはスタッドＯね、母材ａ１間の
負荷電流が溶着の適当な大きさになるように設定された
タイミングでサイリスタ（７ａ）、（７ｂ）の駆動を停
止し、出力端子（ｔｔａ）、（ｉｔｂ）からの直流供給
を次第に停止する。

そして、スタッド（至）が母材０９に溶着した後、スタ
ッド叫が溶植銃から外され、第８図ｆｆ）に示すように
母材０９にスタッド（至）が植設されて溶接が終了する
。

なお、サイリスタ（７ａ）、（７ｂ）及び（１８ａ）、
（１３ｂ）の非導通期間には、ダイオード（９）及びα
υにより負荷電流の連続性が保たれる。

また、負荷電流は溶融が行われ易いように、母材四を正
とする極性に設定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記第７図の従来のスタンド溶接用電源装置（２）の場
合、第９図ｆａ）に示す各１溶接期間Ｔのヌタソドα鵠
の接合、離脱に対し、タイマ制御に基づく整流回路０’
ｌ）　、　０４）の駆動の切換えにより、負荷電流は同
図ｆｂ）に示すように、パイロットアーク期間中）の小
容量から数サイクルのメインアーク期間−の大容量に変
化する。

そして、第８図（ｅｌの接合が行われる期間（ホ）の終
了時には、整流回路（８１、（１４Ｊの駆動が停止され
て負荷電流が回路定数等にしたがって減衰し、このとき
、接合タイミングが適当であれば、負荷電流が最適な大
きさになる。

しかし、前記接合タイミングは溶植銃のガンコイルの押
下げ機構等の機械的特性のばらつきによって変動し、例
えば第９図曲に示すように接合タイミングがｔからｔ′
に変動すると、負荷電流が■ｔからＩｔ’に大きく減少
する。

そして、接合タイミングが早くなると、負荷電流が過大
になってスパッタが発生し、接合タイミングが遅くなる
と、負荷電流が過小になって溶融部分が接合前に固まり
、接合ミスが生じる。

したがって、溶融後の接合が安定に行えず、良好な溶接
結果が得られない問題点がある。

また、第７図の従来のスタッド溶接用電源装置（２）の
場合、電源トランス（５）の商用電源周波数（低周波数
）の交流のサイリスタ整流により、アーク溶接用の直流
としての大容量のメインアーク用の直流及び小容量のパ
イロットアーク用の直流を形成するため、装置が大型、
大重量になる問題点がある。

すなわち、電源トランス（５）、リアクト＃ｎＧ、（１
（１９等には低周波用の大型、大重量のものが使用され
る。

しかも、両アーク用の直流の容量が大きく異なるため、
例えばサイリスタ（７ａ）、（７ｂ）の駆動制御により
２次巻線（５ｂ）の大容量出力を用いてパイロットアー
ク用の直流も形成しようとすると、このパイロットアー
ク用の直流を形成する際、サイリスタ（７ａ）、（７ｂ
）の導通角を極めて小さくする必要がある。

ソシて、サイリスタ（７ａ）、（７ｂ）は−船釣ナサイ
リスタと同様、導通角が極めて小さくなると、動作が不
安定になる。

そのため、２次巻線（５ｂ）　、整流回路（８）をパイ
ロットアーク用の直流の形成に兼用することはできない
。

また、小容量の３次巻線（５Ｃ）　、整流回路α（イ）
では、メインアーク用の直流を形成することができない
。

したがって、メインアーク用、パイロットアーク用それ
ぞれの専用の巻線（５ｂ）、（ｓｃ）及び整流回路（８
）、α小、リアクト／Ｌ／ｆｌＯ，Ｑ１等を要する。

さらに、両アーク用の直流がいずれも商用交流電源をそ
のまま整流して形成されるため、商用交流電源の変動の
影響を受は易く、いわゆる電源変動による溶接欠陥が生
じ易く、安定性（再現性）が悪い問題点がある。

その上、商用交流電源の低周波数のサイリスタ位相制御
で直流を形成するため、例えばスタッドα＆、母材叫を
流れる負荷電流を検出し、アーク長（負荷インピーダン
ス）の変動に応じて出力をフィードバック制御して溶接
品質を向上しようとしても、アーク長の変動に対する制
御応答が遅く、溶接品質の向上が図れない問題点もある
。

本発明は、小型、軽量な構成により安定性よくアーク溶
接用の直流を形成し、溶融後の接合が最適な負荷電流で
行えるようにしたスタッド溶接用直流電源装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

入力側整流部と、 複数のスイッチング半導体の高周波スイッチングにより
前記入力側整流部の出力を高周波交流に変換して高周波
トランスの１次側に供給するインバータ部と、 前記高周波トランスの２次側の出力を整流して前記アー
ク溶接用の直流を形成する出力側整流部と、 前記アーク溶接用の直流に基づきスタンド、母材を流れ
る負荷電流を検出する電流検出器と、大電流のアーク溶
融区間の直後に前記負荷電流を接合安定化用の定電流に
制御する平坦な接合区間を設けた出力制御用の基準信号
を発生する基準信号発生部と、 前記電流検出器の検出信号と前記基準信号とを比較し、
前記検出信号が前記基準信号に一致するように前記高周
波スイッチングをフィードバック制御する駆動制御部と
を備える。

〔作用〕

前記のように構成された本発明の電源装置の場合、商用
交流電源等の交流電源は入力側整流部で整流された後、
インバータ部で高周波交流に変換される。

そして、インバータ部の高周波交流は高周波トランスを
介して出力側整流部で整流され、アーク溶接用の直流に
変換されてスタッドと母材との間に供給される。

そのため、小型、軽量なスイッチングレギュレータ構成
の回路により、従来のようにパイロット７−１用、メイ
ンアーク用の区別なくアーク溶接用の直流が形成される
。

しかも、電流検出器の検出信号と基準信号発生部の基准
信号とに基づく駆動制御部のフィードバック制御によシ
、検出信号が基準信号に一致するようにインバータ部の
高周波スイッチングが制御される。

この制御に基づき負荷電流がアーク溶融区間直後の接合
区間に定電流制御されるとともに、この接合区間内に溶
植銃のガンフィルがスタッドを押下げて母材に接合する
。

そして、前記接合区間の定電流制御で接合タイミングの
ずれが吸収されるため、接合時の負荷電流が接合安定化
用の定電流になってスタッドと母材との接合が安定に行
われる。

さ・らに、前記高周波スイッチングのフィードバック制
御により、電源側、負荷側の変動の影響が迅速な応答制
御で防止される。

〔実施例〕 １実施例について、第１図ないし第６図を参照して説明
する。

第１図に示すように、交流電源としての商用交流電源（
１）はスタッド溶接用電源装置ωの交流入力端子（２１
Ｂ）、（２１ｂ）及び遮断器（２２ａ　）　、　（２２
ｂ　）を介して入力側整流部ωの整流回路（至）に供給
される。

この整流回路（ハ）は整流用のダイオード（２５ａ）（
２５ｂ）、（２５Ｃ）、（２５ｄ）のブリッジ整流回路
で形成され、商用交流電源（１）を整流する。

そして、整流回路（支）の出力は整流用の直流リアクト
ル（至）、平滑用のコンデンサーを介してフルブリッジ
構成のインバータ部（至）に供給される。

このインバータ部（至）はスイッチング半導体としての
トランジスタ（２９ａ）、（２９ｂ）、（２９ｃ）、（
２９ｄ）を有し、駆動制御信号の出力回路（３１）から
供給されるペースドライブ用の駆動信号により、数十魁
ないし数社の高周波数でトランジスタ（２９ａ）、（２
９ｄ）とトランジスタ（２９ｂ）、（２９０）とが相互
に逆にスイッチングする。

−ｔして、トランジスタ（２９＆）〜（２９ｄ　）の高
周波スイッチングにより、高周波トランス（３４の１次
巻線（３２ａ）に高周波交流が供給される。

さらに、高周波トランス３ｚのセンタータップ付の２次
巻線（３２ｄ）の高周波交流が、出力側整流部＠３）ノ
整ｆｆｉ用ｏタイオード（８４ａ　）　、　（８４ｂ　
）で全波整流された後リアク１すａで平滑され、アーク
溶接用の直流が形成される。

この直流が出力端子（３６ａ）　、　（８６ｂ）を介し
てスタッドαねと母材ａ９との間に供給されるとともに
、この供給に基づきスタッドα鵠、母材α９を流れる負
荷電流がダイオード（３４ａ）、（３４ｂ）のカソード
と出力端子（８６ｂ）との間に設けられた電流検出器−
で検出される。

そして、負荷電流に応じた検出器（３７）の検出信号Ｖ
ｄが駆動制御部（至）の誤差増幅回路（ト）に供給され
、この増幅回路蕊により検出信号Ｖｄと基準信号発生部
噸）の出力制御用の基準信号Ｖｒｅｆとが比較される。

この比較に基づき誤差増幅回路（３８）は、検出信号Ｖ
ｄの基準信号Ｖｒｅｆからのずれ量に相当する信号を形
成して鷹変調回路（４■に供給する。

そして、変調回路顛は前記ずれ量に応じてパルス幅が変
化する高周波の駆動制御信号を形成し、この駆動制御信
号に基づき、出力回路（３１）が前記ずれ量に応じてト
ランジスタ（２９ａ）〜（２９ｄ）のオン期間を可変制
御する。

この可変制御によシ検出信号Ｖｄが基準信号Ｖｒｅｆに
等しくなるように、負荷電流がフィードバック制御され
る。

そして、基準信号発生部■９）は第２図に示すように構
成され、溶植銃のトリガスイッチの操作に連動してスイ
ッチ制御回路（４１）がトリガされて起動される。

この制御回路（４１）はタイマ動作に基づき、各１溶接
期間Ｔを溶接開始から第８図ｆｃ）のパイロットアーク
（Ａｐ）が発生するまでのパイロット区間（１）、同図
（ｄ）のメインアーク（Ａｍ）でスタッド０８）、母材
０９が溶融するアーク溶融区間（ｉｉ＋　、同図（ｅ）
、げ）のスタッドα〜が母材Ｑ’Ｊに接合して植設され
る接合区間（１）に時分割する。

そして、各区間１）　、　ｔ１１＋　、　（ｌｉｉ＋に
スイッチ（４２ａ）（４２ｂ）　、　（４２ｃ　）のオ
ン制御信号を順次に発生し、第３図ｉａ）　、　ｆｂ）
　、　（ｃ）に示すように、パイロット区間中にスイッ
チ（４２ａ）をオンし、アーク溶融区間（１１）にスイ
ッチ（４２ｂ）をオンし、接合区間（■）にスイソチ（
４２Ｃ）をオンする。

妊うニ、スイッチ（４２ＪＩ）がオンするとパイロット
アーク用基準電源（４：Ｍ）の出力がスイッチ（４２ａ
）。

抵抗（４４ａ　）を介してバッファ増幅用の演算増幅回
路（倍に供給され、−スイッチ（４２ｂ）がオンすると
メインアーク用基準電源（４３ｂ）の出力がスイッチ（
４２ｂ）　、抵抗（４４ｂ）を介して演算増幅回路（帳
に供給され、スイッチ（４２０）がオンすると接合安定
化用基準電源（４３Ｇ　）の出力がスイッチ（４２０）
　、抵抗（４４Ｃ）を介して演算増幅回路（州に供給さ
れる。

なお、第２図の（４６）　、　（４７）は演算増幅回路
（４〜の利得決定用、バイアス用の抵抗である。

そして、各電源（４３ａ）、（４３ｂ）、（４３ｃ）の
レベル設定に基き、演算増幅回路（社）から第１図の誤
差増幅回路（３８）に供給される基準信号Ｖｒｅｆは第
３図ｆｄｌに示すように、パイロット区間＋１）にレベ
ルＶｐになるとともにアーク溶融区間（１１）にレベル
Ｖｍになり、接合区間ｆｉｎ＋にレベルＶｃ　（Ｖｐ　
（Ｖｃ　（Ｖｍ　）になる。

すなわち、基準信号Ｖｒｅｆは溶接の進行にしたがって
階段波形状にレベル変化し、アーク溶融区間（１１）の
直後に平坦な接合区間（…）の定レベルに保持される。

そして、基準信号Ｖｒｅｆのレベル変化に基づき、第４
図（ａ）のスタッドα〜の接合、！Ｉ！脱に対して負荷
電流は同図市）に示すように変化し、パイロット区間中
にパイロットアーク（Ａｐ）が発生する数十Ａ程度の小
容量ｌｐになシ、アーク溶融区間（１１）にメインアー
ク（Ａｍ）が発生する数百ないし数千Ａの大容量１ｍに
なる。

さらに、アーク溶融区間（１１）の直後の接合区間（ｉ
ｉｉ）には、接合安定化用の数百Ａ程度の容量ＩＣの定
電流になる。

この定電流に基づき、スタッド（至）が母材０１に接合
するときは、溶植銃のガンコイルの押下げ機構等の機械
的特性のばらつきで接合タイミングが接合区間（ｉｆｉ
）内の例えば１−１の範囲で変動しても、負荷電流が安
定に接合の行えるＩＣの定電流に保持され、スタッド（
至）と母材α９との接合が安定に行われる。

そして、電源装置翰がいわゆるスイッチング電源で形成
さね、インバータ部翰のトランジスタ（２９ａ）〜（２
９ｄ）の高周波スイッチングのフィードバック制御によ
り、負荷電流が基準信号Ｖｒｅｆに応じてパイロットア
ーク用の小容量１ｐからメインアーク用の大容量１ｍの
広い範囲に渡って連続的に安定かつ正確に変化するため
、パイロットアーク用。

メインアーク用の直流が、第７図の従来の電源トランス
Ｃ５１より小型、軽量な高周波トランス０２等を用いた
小型、軽量な共通の１個の回路で形成される。

し２かも、トランジスタ（２９ａ）〜（２９ｄ）の高周
波スイッチングにより、商用交流電源（１）、アーク長
の変動に対して応答性よく負荷電流が補正制御され電源
変動に基づく溶接欠陥及びアーク長変動に基づく溶接品
質の低下が防止される。

ところで、インバータ部（ハ）等は第５図又は第６図に
示すように構成してもよい。

そして、第５図の場合は、インバータ部＠がスイッチン
グ半導体としての２個のトランジスタ（４８ａ）　、（
４８ｂ）及び２個のコンガン”ｊ　（４９ａ）、（４９
ｂ）のハーフブリッジ構成で形成されている。

まだ、第６図の場合は、インバータ部（至）がスイッチ
ング半導体としての２個のトランジスタ（５０ａ　）　
。

（５０ｂ）及び２個のダイオード（５１，８）　、　（
５１ｂ　）の２石フォワード構成で形成されるとともに
、高周波トランス０２が１次巻線（３２ａ）’　、　２
次巻線（８２ｂ）’にセンタタップのないトランスで形
成されている。

そして、駆動制御部（至）、基準信号発生部（３９）等
の構成及び基準信号Ｖｒｅｆの各区間中、　（ｉｉ＋　
、　（ｔのレベルは、実施例に限定されるものではない
。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているため、以
下に記載する効果を奏する。

交流電源を入力側整流部で直流に変換し、この直流をイ
ンバータ部で高周波交流に変換し、高周波トランスを介
した高周波交流を出力側整流部で直流に戻してアーク溶
接用の直流を形成し、この直流をスタッドと母材との間
に供給するとともに、電流検出器の負荷電流の検出信号
が基準信号発生部の基準信号に一致するように駆動制御
部を介してインバータ部の高周波スイッチングをフィー
ドバック制御し、しかも、アーク溶融区間の直後に定電
流制御された平坦な接合区間を設けたため、小型、軽量
なスイッチング電源構成の回路により、パイロットアー
ク用、メインアーク用の区別すく負荷電流を広範囲に安
定に可変してアーク溶接用の直流を形成することができ
るとともに、メインアークでスタッド、母材が溶融され
た後、最適な大きさの定電流の負荷電流により、接合タ
イミングのずれによらずスタッドを母材に安定に接合す
ることができ、その上、高周波スイッチングのフィード
バック制御に基づき、電源側及び負荷側の変動の影響を
防止して安定性よく前記直流を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明のスタッド溶接用電源装置
の１実施例を示し、第１図は÷→＋結線図、第２図は第
１図の一部の詳細な結線図、第３図ｆａ）〜回は第２図
の動作説明用のタイミングチャート、第４図（ａｌ　、
　ｆｂ）はスタッドの接離、負荷電流のタイミングチャ
ート、第５図、第６図はそれぞれインバータ部の他の例
の結線図、第７図は従来例の結線図、第８図（ａ）〜げ
）はスタンド溶接の工程説明図、第９図ｃａｌ　、　（
ｂ）は第７図のスタッドの接離、負荷電流のタイミング
チャートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スタッドと母材との間にアーク溶接用の直流を供
   給するスタッド溶接用電源装置において、交流電源を整
   流する入力側整流部と、 複数のスイッチング半導体の高周波スイッチングにより
   前記入力側整流部の出力を高周波交流に変換して高周波
   トランスの１次側に供給するインバータ部と、 前記高周波トランスの２次側の出力を整流して前記アー
   ク溶接用の直流を形成する出力側整流部と、 前記アーク溶接用の直流に基づき前記スタッド、前記母
   材を流れる負荷電流を検出する電流検出器と、 大電流のアーク溶融区間の直後に前記負荷電流を接合安
   定化用の小容量の定電流に制御する平坦な接合区間を設
   けた出力制御用の基準信号を発生する基準信号発生部と
   、 前記電流検出器の検出信号と前記基準信号とを比較し、
   前記検出信号が前記基準信号に一致するように前記高周
   波スイッチングをフィードバック制御する駆動制御部と を備えたことを特徴とするスタッド溶接用電源装置。