JPH0615107B2

JPH0615107B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JPH0615107B2
Application number: JP11310684A
Authority: JP
Inventors: 俊治明賀; 勝義堀; 英二渡辺; 俊明田桑; 和喜草野
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1984-06-04
Publication date: 1994-03-02
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: JPS60257979A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明はアーク溶接、特にホットワイヤＴＩＧ溶接装置
に好適な溶接装置に関する。

〔発明の背景〕

アーム溶接には、タングステン等の消耗しにくい金属を
電極とし、イナートガスのシールド下で溶接を行なうＴ
ＩＧ溶接がある。この溶接は良好な溶接ビードを形成し
得る反面、溶接速度が遅く、この点の改良が望まれてい
た。このＴＩＧ溶接における溶接速度を向上させる方法
として、溶接用線材（ワイヤ）を、溶接前に予め所定の
温度に加熱しておくホットワイヤＴＩＧ溶接法が注目さ
れている。これを第２図により説明する。

第２図は従来のホットワイヤＴＩＧ溶接装置の系統図で
ある。図で、１は溶接対象の母材、２はアーク電源、３
はＴＩＧトーチ、４はＴＩＧトーチ４に支持されたタン
グステン電極である。５は溶接中タングステン電極４と
母材１との間に発生するアーク、６はアーク電流を制御
する電流信号制御回路である。７はアーク５の発生部に
送られるワイヤ、８はワイヤ７のコンタクトチップ、９
はコンジットケーブル、10はワイヤ７を巻いたリール、
11はリール10からワイヤ７を送り出すワイヤ給送装置で
ある。以上の構成が通常のＴＩＧ溶接装置である。12は
ワイヤ７に交流又は直流の電流を供給するワイヤ電源で
あり、一方の端子は母材１に、他方の端子はコンタクト
チップ８に接続されている。

母材１はアーク電源２の正極側端子に、又、タングステ
ン電極４は負極側端子に接続されている。アーク電源２
は直流垂下特性を有し、アルゴン等のシールドガス中で
母材１とタングステン電極４との間にアーク電源２を印
加することによりアーク５が形成される。一方、ワイヤ
７は母材１に向けて送られるが、母材１に達する途中
で、ワイヤ７にはワイヤ電源12により電流が供給されて
いるので、そのジュール熱によりワイヤ７は予め加熱さ
れている。アーク電源２には使用態様により種々のもの
があるが、汎用されている電源のうち相当数のものがサ
イリスタで構成される整流装置を有している。一方、電
流信号制御回路６には、ある定められた溶接電流が設定
されており、電流検出装置（図示されていない）で検出
された実際の溶接電流と前記設定電流とを比較すること
により、電流信号制御回路６からは両電流の差を０とす
るようなゲート角制御信号が出力される。そのゲート角
制御信号はアーク電源２の前記サイリスタのゲートに与
えられ、アーク電源２の電流出力が設定された溶接電流
になるように位相制御される。

さて、このようなホットワイヤＴＩＧ溶接装置において
は、予めワイヤ７を加熱するので、その溶融速度はＴＩ
Ｇ溶接装置と比較して格段に向上するが、その反面、ワ
イヤ７に供給される電流のため、アークの磁気吹き現象
を生じるという欠点を有する。この磁気吹き現象とは、
ワイヤ７に供給される電源によってワイヤ７の近傍に磁
界が生じ、この磁界のため、アーク５が進行方向前方又
は後方に大きく振られる現象をいう。そして、アーク５
がこのように振られると溶融池が安定せず、したがって
安定した溶接が困難となり、作業性が著しく悪化する。
なお、ワイヤ電源12に交流電源を用いても、アーク５は
前方および後方に振られ、アーク５が溶融池の中心に固
定される時間がないため、アーク５の硬直性を保持する
ことができず、溶接作業性は極めて悪くなる。

そこで、このような磁気吹き現象の影響を少なくするた
め、通常、ワイヤ電流をアーク電流の1/2以下に制御す
る手段が採用されている。しかし、この手段によっては
ワイヤの溶融速度はせいぜい20g/分程度に低下してしま
う。このため、さらに、磁気吹き現象をなくすとともに
ワイヤ７の溶融速度を高めるため、ホットワイヤスイッ
チングＴＩＧ溶接法が具体化されるようになった。その
概略を第３図および第４図(a)、(b)により説明する。

第３図は従来のホットワイヤスイッチングＴＩＧ溶接装
置の系統図である。図で、第２図に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。15はチョッパ方式のアーク
電源を示し、大容量のトランジスタを多数個並列接続
（図では１個ずつ示されている）して構成されるスイッ
チング回路16、直流電源１７、その直流電源を構成する
ための図示されていない大形トランス等で構成されてい
る。18はスイッチング回路16を駆動してアーク電流を制
御する電流制御回路である。19はワイヤ電源を示し、直
流電源２０、スイッチング回路21等で構成されている。
スイッチング回路21は前記電流制御回路18によりそのス
イッチ動作が制御される。

第４図（ａ）、（ｂ）は第３図に示す装置のアーク電流
およびワイヤ電流の波形図である。電流制御回路18によ
りスイッチング回路16を適宜制御すると、アーク電源15
からは第４図（ａ）に示されるパルス状の周期的アーク
電流が供給される。即ち、Ｔはこのアーク電流の１周期
間を示し、そのうちの期間Ｔ_１でピーク電流が、又、期
間Ｔ_２でベース電流が供給される。一方、ワイヤ電源19
のスイッチング回路21も、電流制御回路18によりアーク
電源15と同期して制御され、ワイヤ電源19からはワイヤ
７に対して第４図(ｂ)に示されるパルス状のワイヤ電流
が供給される。ワイヤ電流は、アーク電流がピーク値に
ある期間Ｔ_１においては０であり、アーク電流がベース
値にある期間Ｔ_２においてのみ供給される。

上記ホットワイヤスイッチングＴＩＧ溶接装置は、アー
ク電流がピーク値にあるときにはワイヤ７に電流を供給
せず、アーク電流がベース値にあるときのみワイヤ７に
電流を供給するようにしたので、ワイヤ電流によるアー
クの磁気吹き現象は排除され、かつ、高溶融量を得て溶
融速度を100g/分以上に高めることができる。そして、
この装置は、アーク電流のピーク値、ベース値、ワイヤ
電流の値、通電時間比、周波数等の溶接条件を容易に設
定することができ、溶融能力も大きく優れた性能を有す
る。

しかしながら、一方、この装置は、大形のトランスや多
数の大容量トランジスタを使用しなければならず、又、
その制御も複雑であるため、極めて高価、かつ、大形で
あり、溶接現象の解明やその他の実験、研究には好都合
であるものの、一般に用いられる汎用の装置としては不
適当であるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、上記従来の欠点を除き、ワイヤ電流を
任意に調整することができるとともに磁気吹きの影響を
少なくすることができ、かつ、安価な溶接装置を提供す
るにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、ホットワイヤを
加熱するための交流電源にサイリスタを接続し、このサ
イリスタを、交流電源の半周期毎に所定の非通電期間が
存在するように制御する構成としたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係るホットワイヤＴＩ
Ｇ溶接装置の一部の回路図であり、例えば第２図に示す
装置のワイヤ電極１２に代替するものである。図で、第
２図に示す部分と同一部分には同一符号が付してある。
25はワイヤ電源を示す。26は交流電源、27はトランス、
28は交流電源26とトランス27との間に接続された双方向
性３端子サイリスタ（以下、これを双方向サイリスタと
略称する。）、29は双方向サイリスタ28のゲートを制御
するゲート制御回路、30はワイヤ電源25の出力端子であ
る。

次に、本実施例の動作を第５図に示すワイヤ電流の波形
図を参照しながら説明する。第５図において、交流電源
26の１周期の電流が破線で示されている。今、ゲート制
御回路29により双方向サイリスタ28のゲートに位相角ψ
_１、ψ_２で信号を与えると、双方向サイリスタ28は位相
角ψ_１〜πおよび位相角ψ_２〜２π間で導通し、他の期
間では遮断される。（なお、π−ψ_１＝２π−ψ_２）。
したがって、トランス27の２次側出力端子30からはワイ
ヤ７に対して双方向サイリスタ28の導通期間、即ち、半
周期毎に位相角（π−ψ_１）の期間のみ電流が供給さ
れ、他の期間は電流が遮断されることになる。このよう
な位相制御はゲート制御回路29により任意になされる
が、本実施例では、電流が０になる期間を位相角π／４
以上となるように制御される。

このように、本実施例では、交流電源回路に双方向サイ
リスタを介在させ、そのゲートをゲート制御回路によ
り、電流の非導通期間が半周期毎に位相角π／４以上の
期間となるように位相制御し、この電流をトランスを介
して出力するようにワイヤ電源を構成したので、ワイヤ
電流を任意に調整することができるとともに、半周期毎
に電流０となる期間を相当期間存在せしめることによ
り、磁気吹きの影響を少なくすることができ、又、交流
を使用しているためアークの振れはワイヤに対して均等
とすることができる。そして、このワイヤ電源を、連続
してアーク電流を供給する従来装置（第１図に示す装
置）のワイヤ電源に代えて使用することにより、連続す
るアークに対する磁気吹きの影響を飛躍的に減少せしめ
ることができ、アークの硬直性を大きく改善することが
できる。又、双方向サイリスタを電源一次側で使用する
ので素子の容量は小さくてよい。さらに、通電のデュー
ティーが小さいのでトランスも小形で済み、小形、軽
量、安価なワイヤ電源を構成することができる。

なお、非導通期間を位相角π／４以上としたのは、これ
がπ／４未満であると磁気吹き現象が大きくなり、アー
クの硬直性が失なわれ、作業性に悪影響を与えるからで
ある。

第６図は本発明の第２の実施例に係るホットワイヤＴＩ
Ｇ溶接装置の一部の回路図である。図で、31はワイヤ電
源であり、さきの実施例と同じく交流電源26、トランス
27、出力端子30を備えている。本実施例におけるワイヤ
電源では、さきの実施例における双方向サイリスタ28に
代えてシリコン制御整流素子（ＳＣＲという）を使用す
るものである。即ち、32Ａ、32ＢはそれぞれＳＣＲであ
り、これら各ＳＣＲ32Ａ、32Ｂは互いに逆方向に並列接
続されている。33は各ＳＣＲ32Ａ、32Ｂのゲートを位相
制御するゲート制御回路である。さきの実施例における
双方向サイリスタ28が単独で各半周期毎に所定期間電流
を遮断（又は導通）するのに対し、本実施例において
は、ＳＣＲ32Ａが最初の半周期の所定期間電流の遮断
（又は導通）を担当し、ＳＣＲ32Ｂは次の半周期の所定
期間電流の遮断（又は導通）を担当するというように、
両ＳＣＲ32Ａ、32Ｂがこれを半周期毎に交互に担当する
構成となっている。そして、それ以外の本実施例の作用
および効果は、さきの実施例のものと同じである。

第７図は本発明の第３の実施例に係るホットワイヤＴＩ
Ｇ溶接装置の一部の回路図である。図で、第１図に示す
部分と同一部分には同一符号が付してある。36Ａ、36Ｂ
はトランス27の二次側の両端に接続されたダイオードで
ある。本実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実
施例のワイヤ電源25の出力端子30からの電流が交流であ
るのに対して、本実施例においては、図示のようにトラ
ンス27の二次側にダイオード36Ａ、36Ｂを設けて端子30
からの電流を直流とした点のみであり、他の構成は同じ
である。第８図に本実施例の出力端子30から出力される
電流の波形図を示す。図から明らかなように、ワイヤ電
源35からワイヤ７に供給される電流はパルス状の直流電
流である。このように、ワイヤ７に直流が供給されるこ
とにより、アーク５は第１の実施例と同じようにその硬
直性を保持しながら一方に振れることになる。したがっ
て、何等かの理由でアーク５を定められた一方向へ強制
的に振らせたい場合は、本実施例のワイヤ電源を使用す
ればよいことになる。

第９図は本発明の第４の実施例に係るホットワイヤスイ
ッチングＴＩＧ溶接装置の系統図である。上述のよう
に、上記各実施例の構成により、磁気吹きの影響は大き
く減少せしめられる。しかしながら、非導通期間を半周
期において位相各π／４以上に制御しても、ワイヤ溶融
量を増加させるためワイヤ通電電流を大きくすると、磁
気吹きの影響を大きくなり、安定した溶接を行なうのが
困難になってくる。本実施例では、さきに述べたホット
ワイヤスイッチングＴＩＧ溶接法を採用することによ
り、上記の問題を解決しようとするものである。図で、
第２図に示す部分と同一部分には同一符号を付して説明
を省略する。25は上記第１の実施例に示したワイヤ電源
であるが、第２、第３の実施例に示したワイヤ電源31、
35のいずれの電源をも使用可能である。以下、ワイヤ電
源を第１の実施例に示すワイヤ電源25で代表される。37
は電流信号制御回路であり、第２図に示す電流信号制御
回路６を改造した構成となっている。電流信号制御回路
37はアーク電源２およびワイヤ電源25に接続され、アー
ク電流およびワイヤ電流を制御する。

次に、本実施例の動作を第10図（ａ）、（ｂ）に示すア
ーク電流およびワイヤ電流の波形図、第11図に示すフロ
ーチャート、ならびに第12図に示す溶接電流特性図を参
照しながら説明する。第２図に示す電流信号制御回路６
は、さきに述べたように、ある目標とする溶接電流を設
定することができる構成となっており、又、この設定し
た溶接電流と、検出した溶接電流とを比較し、その偏差
信号に基づいてアーク電源２のサイリスタの位相角を制
御する信号を出力する構成となっている。そして、アー
ク電源２は、これにより実際の溶接電流を設定した電流
に維持するようになっている。これに対して、本実施例
における電流信号制御回37は、第２図に示す電流信号制
御回路６における溶接電流設定手段を、任意の信号を入
力することができるように改造した信号入力手段を備え
ている。即ち、この信号入力手段は、換言すれば、外部
からの入力信号により、溶接電流の設定値を当該入力信
号に応じた値に変更することができる機能を有する。

今、電流信号制御回路37の上記信号入力手段にパルス状
の信号電圧を入力する（第11図に示す第１の手順
Ｓ_１）。このパルス状信号電圧は所定の周期および所定
のピーク値、ベース値を有する。この信号電圧が入力さ
れることにより、電流信号制御回路37には目標とする溶
接電流が設定されたことになる。第12図に、入力された
信号電圧に対する溶接電流の特性図が示されている。例
えば、パルス状信号電圧が、ピーク値３Ｖ、ベース値１
Ｖであると、これに応じて、ピーク電流250Ａ、ベース
電流70Ａのパルス状の溶接電流が設定されたことにな
る。以後の動作は第２図に示す装置と同じである。即
ち、実際の溶接電流を検出し（手順Ｓ_２）、この電流を
手順Ｓ_１において得られた電流と比較し（手順Ｓ_３）、
両電流の偏差に応じた信号をアーク電源２に出力してサ
イリスタのゲート角を上記偏差が０になるように制御し
（手順Ｓ_４）、この結果、アーク電源２からは信号電圧
に応じたパルス状電流が出力される（手順Ｓ_５）。第10
図（ａ）にアーク電源２の出力電流（アーク電流）の波
形が示されている。

一方、電流信号制御回路37はワイヤ電源25に対して制御
信号を出力する。この制御信号は、アーク電流がピーク
電流にある期間はワイヤ電源25の出力を阻止し、アーク
電流がベース電流にある期間はワイヤ電源25から所定の
電流が出力されるように制御する信号である。このよう
な制御は、当該制御信号を第１図に示すワイヤ電源25の
ゲート制御回路29に入力することにより容易になし得る
し、又、ワイヤ電源25の回路の適宜個所にスイッチング
素子を設け、当該制御信号でこれを切換えるようにして
も実施することができる。このワイヤ電源25から出力さ
れるワイヤ電流を第10図(ｂ)に示す。図から明らかなよ
うに、ワイヤ電流は、アーク電流がベース値にある期間
のみ、半周期毎にπ／４以上の電流遮断期間をもつパル
ス状の交流電流として出力される。この場合、アーク電
流のピークとベースの切換えは商用電源周波数に同期さ
せて行なう、即ち、ピーク電流時間、ベース電流時間を
商用周波数の整数倍とすることができる。なお、ワイヤ
電流の周期をアーク電流の周期とは無関係に勝手に決定
すると、交流であるワイヤ電流が直流成分を有すること
になり、電源トランスの直流磁化を招く可能性がある。
したがって、この現象を防止するためには、ワイヤ電流
の周期をアーク電流の周期の整数倍とすることが必要で
ある。例えば、第10図（ａ）、（ｂ）に示す場合、ワイ
ヤ電流の周期は正確にアーク電流の周期の３倍とされ、
これにより直流成分が残らないようになっている。

このように、本実施例では、電流信号制御回路にパルス
状の信号電圧を入力し、これによりアーク電源からピー
ク値とベース値を有するパルス状のアーク電流を出力す
るようにし、一方、ワイヤ電源から、前記ベース値が出
力される期間だけさきの第１乃至第３の実施例と同じ
く、非導通期間を位相角π／４以上とするサイリスタの
位相制御によるパルス状電流を出力するようにしたの
で、さきの各実施例と同じ効果を奏するばかりでなく、
パルス状のアーク電流を得るのに汎用のホットワイヤＴ
ＩＧ溶接装置の電流設定手段を単に外部からの信号を入
力できるように改造するだけであるので、第３図に示す
従来装置のように大型かつ高価な装置を必要とせず、き
わめて小型かつ安価に構成でき、又、既設の装置を使用
することができて経済的である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、交流電源の半周期毎に
所定の非通電期間が存在するようにサイリスタを位相制
御し、これにより得られる電流をワイヤ加熱電流として
使用するようにしたので、ワイヤ電流を任意に調整する
ことができるとともに、磁気吹きの影響を少なくするこ
とができ、かつ、ワイヤ電源を安価に構成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るホットワイヤＴＩ
Ｇ溶接装置の一部の回路図、第２図は従来のホットワイ
ヤＴＩＧ溶接装置の系統図、第３図は従来のホットワイ
ヤスイッチングＴＩＧ溶接装置の系統図、第４図
（ａ）、（ｂ）はアーク電流およびワイヤ電流の波形
図、第５図はワイヤ電流の波形図、第６図および第７図
はそれぞれ本発明の第２の実施例および第３の実施例に
係るホットワイヤＴＩＧ溶接装置の一部の回路図、第８
図は第７図に示す装置のワイヤ電流の波形図、第９図は
本発明の第４の実施例に係るホットワイヤスイッチング
ＴＩＧ溶接装置の系統図、第10図(ａ)、（ｂ）は第９図
に示す装置のアーク電流およびワイヤ電流の波形図、第
11図は第９図に示す装置の動作を説明するフローチャー
ト、第12図は第９図に示す装置の信号電圧に対する溶接
電流の特性図である。１……母材、２……アーク電源、４……タングステン電
極、５……アーク、７……ワイヤ、25、31、35……ワイ
ヤ電源、26……交流電源、27……トランス、28……双方
向性３端子サイリスタ、29、33……ゲート制御回路、32
Ａ、32Ｂ……シリコン制御整流素子、37……電流信号制
御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田桑俊明広島県呉市宝町６番９号バブコツク日立株式会社呉工場内 (72)発明者草野和喜広島県呉市宝町６番９号バブコツク日立株式会社呉工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アーク電源と、このアーク電源に接続され
たアーク電極と、アーク発生部に導かれるホットワイヤ
とを有する溶接装置において、前記ホットワイヤを加熱
する交流電源と、この交流電源に接続されたサイリスタ
と、前記交流電源の半周期毎に所定の非通電期間を発生
させるように前記サイリスタを制御する制御回路とを備
えたことを特徴とする溶接装置
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記所定
の非導通期間は、前記交流電源の半周期における位相角
π／４以上に相当する期間であることを特徴とする溶接
装置