JPH06226Y2 - 交流プラズマアーク溶接機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、非消耗式電極を用いた交流のプラズマアーク
で母材を溶接する交流プラズマアーク溶接機に関する。

〔従来の技術〕

従来、非消耗式電極を用いたイナートガスアーク溶接機
として、交流及び直流TIG溶接機、直流プラズマアーク
溶接機がある。

そして、交流TIG溶接機は、前記直流の両溶接機と異な
り、電極，母材の溶接極性が交番変化するため、イナー
トガスがアルゴンガス等の場合、クリーニング作用で母
材表面の酸化物を除去することができる。

そのため、とくにアルミニウム等の軽金属の溶接には、
交流TIG溶接機が多用される。

〔考案が解決しようとする課題〕

前記交流TIG溶接機の場合、溶接開始の起動毎に高周波
発生回路を駆動し、絶縁破壊用の高周波高電圧を電極，
母材に印加してアークを発生する必要があり、とくに溶
接中断後の再起動が簡単に行えない問題点がある。

また、交流供給に基く溶接中のアーク切れを防止するた
め、溶接電流を数アンペア程度の比較的大きな値までし
か絞ることができず、薄板等の小電流溶接が行えない問
題点がある。

さらに、電流，母材間の距離変動等によって負荷インピ
ーダンスが容易に変動し、アークの安定性が悪い問題点
もある。

本考案は、前記クリーニング作用を有する交流のプラズ
マアークで母材を溶接するようにし、再起動が容易で小
電流溶接も行え、しかも、アークの安定性が高い交流プ
ラズマアーク溶接機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〕

前記目的を達成するため、本考案の溶接機は、非消耗式
電極を内装したプラズマトーチと、 前記電極，前記トーチに前記トーチ側を陽極とする小電
流の直流を常時印加し，主アークトリガ用のパイロット
アークを発生，持続するパイロットアーク用直流電源
と、 複数の半導体スイッチのブリッジ接続回路からなり，溶
接時に大電流の主直流電源をプラズマ溶接用の交流に変
換して前記電極，母材に供給し前記パイロットアークの
トリガに基く交流のプラズマアークを発生させるスイッ
チング回路と、 前記各半導体スイッチをスイッチング駆動する駆動回路
とを備える。

〔作用〕

以上のように構成された本考案の溶接機の場合、パイロ
ットアーク用直流電源の小電流直流の印加により、初期
起動時の高周波高電圧等のトリガでトーチ，電極間にパ
イロットアークが発生して持続する。

このパイロットアークは、トーチのノズルから噴出され
るイナートガス流により、電極から母材に向かうように
偏向される。

そのため、スイッチング回路から電極，母材にプラズマ
溶接用の交流が供給され始める溶接開始時、電極，母材
間の負荷インピーダンスがパイロットアークで低下し、
高周波高電圧を印加することなく電極，母材間に交流の
プラズマアークが発生する。

そして、交流のプラズマアークにより、溶接中は、交流
TIG溶接機の場合と同様のクリーニング作用が生じる。

しかも、スイッチング回路の出力をオフして溶接を中断
してもパイロットアークが持続するため、中断後の再起
動時、高周波高電圧等を印加することなく、スイッチン
グ回路の交流出力を再開するのみで直ちに交流のプラズ
マアークが発生する。

またパイロットアークによって溶接中の電極，母材間の
負荷インピーダンスが下げられるため、プラズマアーク
の極性反転，負荷変動に基くパイロットアークの変動が
防止される。

さらに、高エネルギ密度のプラズマアーク溶接が行える
ため、スイッチング回路の交流の溶接電流をTIG溶接機
の最小値より極めて小さな数ミリアンペアまで絞って
も、アーク切れなく溶接が行える。

〔実施例〕

実施例について、第１図ないし第３図を用いて以下に説
明する。

（１実施例） まず、１実施例について、第１図及び第２図を用いて説
明する。

第１図において、(1)はタングクテン電極等の非消耗式
電極(2)を内装したプラズマトーチ、(3)は母材である。

(4)はパイロットアーク用直流電源であり、陽極が限流
抵抗(5)を介してトーチ(1)に接続され、陰極が高周波出
力回路のカップリング用のトランス(6)の２次側を介し
て電極(2)に接続されている。

(7)は商用交流電源、(8)は電源側整流器、(9)は平滑コ
ンデンサ、(10)はインバータ回路、(11)はインバータ出
力用のトランス、(12)は出力側整流器であり、大電流の
主直流電源を発生する。

(13)は主直流電源を溶接用の交流に変換して出力するス
イッチング回路であり、半導体スイッチとしての４個の
NPN型のトランジスタ(14)，(15)，(16)，(17)のフルブ
リッジ接続回路からなり、トランジスタ(14)，(15)の接
続点が直流電源(4)の陰極に接続され、トランジスタ(1
6)，(17)の接続点が母材(3)に接続されている。

(18)はトランジスタ(14)〜(17)のベースに駆動信号を供
給する駆動回路であり、駆動の基準信号を出力する発振
信号(19)と、基準信号に基いて駆動信号を出力する出力
回路(20)とを有する。(21)は発振回路(19)の制御信号の
入力端子である。

なお、パイロットアーク用直流電源(4)は、実際には整
流回路等からなり、出力側整流器(12)及び直流電源(4)
は、それぞれ等価的に直流電源とダイオードの並列回路
になる。

そして、溶接前はスイッチング回路(13)，パイロットア
ーク用直流電源(4)が出力オフに保持され、トランス(6)
の１次側の高周波出力回路（図示せず）も出力オフに保
持されている。

つぎに、溶接開始の初期起動になると、スイッチ操作等
に基き、パイロットアーク用直流電源(4)，高周波発生
回路が出力オンになる。

また、アルゴンガス等のシールドガスの供給が開始さ
れ、このガスがトランス(1)内を通ってノズル(1)′から
母材(3)に噴出する。

そして、パイロットアーク用直流電源(4)の直流電圧が
トーチ(1)，電極(2)間に印加されるとともに、高周波出
力回路の高周波高電圧がトランス(6)を介して電極(2)に
印加される。

このとき、高周波高電圧の絶縁破壊トリガに基き、パイ
ロットアーク用直流電源(4)の陽極，限流抵抗(5)，トー
チ(1)，電極(2)，トランス(6)の２次側，直流電源(4)の
陰極のループに小電流のパイロット電流が流れ、空間ギ
ャップの狭い電極(2)の先端，ノズル(1)′間にパイロッ
トアークが発生する。

そして、高周波発生回路はタイマ制御又は操作によって
パイロットアークの発生直後にオフされるが、パイロッ
トアーク用直流電源(4)は出力オンに保持され続け、パ
イロット電流に基いてパイロットアークが持続される。

このパイロットアークはシールドガス流の圧力等に基
き、発生方向が母材(3)の方向に偏向されて電極(2)，母
材(3)間で発生したようになり、電極(2)，母材(3)間の
負荷インピーダンスが低下する。

さらに、パイロットアークの発生後、スイッチ操作等に
基きスイッチング回路(13)がオンする。

このとき、商用交流電源(7)の電源交流が入力側整流器
(8)，平滑コンデンサ(9)で整流平滑されてインバータ回
路(10)に供給され、このインバータ回路(10)により例え
ば８〜１０KHzの高周波交流が形成される。

また、インバータ回路(10)の出力交流がトランス(11)を
介して出力側整流器(12)に供給され、この整流器(12)か
らスイッチング回路(13)に、商用交流電源(7)から絶縁
された主直流が供給される。

一方、溶接電流の設定操作によってレベル変化する直流
の制御信号が入力端子(21)から発振回路(19)に供給さ
れ、この発振回路(19)は、例えば内部形成した数10〜数
100Hzの一定周波数の鋸波信号と制御信号とに基くPWMパ
ルス発生処理により、制御信号のレベルに応じデューテ
ィ比の変化する基準信号を出力回路(20)に出力する。

また、出力回路(20)はトランジスタ(14)〜(17)毎のバッ
ファアンプ等を有し、基準信号に基く第２図(a)の方形
波の駆動信号をトランジスタ(15)，(16)のベースに供給
し、基準信号の反転信号に基く同図(b)の方形波の駆動
信号をトランジスタ(14)，(17)のベースに供給する。

なお、第２図(a)，(b)は基準信号のデューティ比が１：
１の場合を示す。

そして、トランジスタ(15)，(16)と(14)，(17)とが逆相
でスイッチングし、主直流電源が第２図(c)に示す数10
〜数100Hzの溶接用の交流に変換され、この交流が電極
(2)，母材(3)に供給される。

このとき、パイロットアークによって電極(2)，母材(3)
間の負荷インピーダンスが低下しているため、前記溶接
用の交流に基き、電極(2)の先端，母材(3)間に交流のプ
ラズマアークが発生し、電極(2)，母材(3)を交流，大電
流の溶接電流が流れて母材(3)の溶接に移行する。

そして、トランジスタ(15)，(16)がオンする正極性のと
きは、電極(2)が負，母材(3)が正になり、プラズマ生成
に基く高密度の電子が加速されて母材(3)に衝突し、母
材(3)が加熱されて溶接が行われる。

また、トランジスタ(14)，(17)がオンする逆極性のとき
は、電極(2)，母材(3)の極性が反転し、正のシールドガ
スイオンのクリーニング作用により、母材(3)の表面の
酸化物が除去される。

さらに、溶接中にパイロットアークが接続し、電極
(2)，母材(3)間の負荷インピーダンスの変動が抑制さ
れ、プラズマアークが安定化する。

また、アーク切れの発生し易い正極性から逆極性への切
換え時、パイロットアークによって負荷インピーダンス
が下げられ、しかもスイッチング回路(13)の交流のエッ
ジが急峻であるため、高電圧等を印加することなくプラ
ズマアークが安定に持続する。

そして、エネルギー密度の高いプラズマアークが安定に
持続して溶接が行われるため、溶接電流を数ミリアンペ
アまで絞っても安定した溶接が行え、従来は不可能な薄
板の溶接が仕上り良く行える。

なお、溶接電流の調整は、入力端子(1)の制御信号の可
変に基くトランジスタ(14)〜(17)のオン期間の調整及び
インバータ回路(10)の出力制御に基く波高値の調整で行
われる。

つぎに、溶接個所の変更等を行うため、スイッチング回
路(13)を再び出力オフにして溶接を中断すると、プラズ
マアークは消滅する。

このとき、シールドガスの供給を停止してトーチ(2)又
は母材(3)を移動しても、パイロットアークが電極(2)，
母材(3)で持続する。

そして、溶接再開の再起動時、シールドガスの供給を開
始すると、パイロットアークによって電極(2)，母材(3)
間の負荷インピーダンスが低下する。

したがって、高周波高電圧を印加することなくスイッチ
ング回路(13)を出力オンにすることにより、直ちに交流
のプラズマアークが発生して溶接に移行し、簡単に再起
動が行える。

そして、溶接作業が完全に終了するまでパイロットアー
クが持続して、スイッチング回路(13)の出力オン，オフ
で溶接の中断，再起動がくり返えされる。

そして、再起動時に高周波高電圧を印加しないため、と
くに自動溶接に適用した場合、高周波ノイズに基くシー
ケンス制御用のマイクロコンピュータ等の誤動作が防止
され、正確な制御で溶接が行える。

（他の実施例） つぎに、他の実施例について、第３図を用いて説明す
る。

第３図において、第１図と同一記号は同一のものを示
し、(22)，(23)は主直流電源を形成する直列接続の２個
の直流電源、(24)は第１図のスイッチング回路(13)に相
当するスイッチング回路であり、半導体スイッチとして
の２個のNPN型のトランジスタ(25)，(26)のハーフブリ
ッジ接続回路からなる。

(28)は第１図の出力回路(20)に相当する出力回路であ
り、発振回路(19)の基準信号に基き、トランジスタ(2
5)，(26)のベースに第３図(a)，(b)に駆動信号を供給す
る。

なお、直流電源(22)，(23)は、例えば第１図のトランス
(11)の２次側に中間タップを設け、この２次側の一側，
中間タップの出力及び中間タップ，他端の出力を２個の
出力側整流器で整流して形成されている。

そして、第３図の場合スイッチング回路(24)の構成が簡
素化し、簡単かつ安価な構成で第１図と同様の効果が得
られる。

また、前記両実施例ではスイッチング回路(13)，(24)の
半導体スイッチにトランジスタを用いたが、サイリスタ
等を用いてもよい。

さらに、駆動回路等の構成は実施例に限定されるもので
はない。

〔考案の効果〕

本考案は、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。

パイロットアーク用直流電源を備え、この直流電源の小
電流直流により、プラズマアークトリガ用のパイロット
アークを常時発生し、かつ溶接時にスイッチング回路の
溶接用の交流をプラズマトーチの電極，母材に供給した
ことにより、パイロットアークのトリガによって電極，
母材間に交流のプラズマアークが発生し、クリニング作
用を有する交流のプラズマアークで溶接が行える。

そして、溶接中断後の再起動時、パイロットアークで電
極，母材間に負荷インピーダンスが下げられているた
め、高周波高電圧を印加することなく、スイッチング回
路の出力供給を再開するのみでプラズマアークが発生
し、再起動が簡単に行える。

また、溶接中の負荷インピーダンスがパイロットアーク
で下げられるため、プラズマアークの極性反転及び負荷
変動に基くプラズマアークのアーク切れが防止され、ア
ークの安定化を図ることができる。

さらに、高エネルギ密度のプラズマアーク溶接が行える
ため、溶接電流を従来の交流TIG溶接の場合より極めて
小さな数ミリアンペアまで絞ることができ、薄板等の小
電流溶接を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本考案の交流プラズマアーク溶接
機の実施例を示し、第１図は１実施例のブロック図、第
２図(a)〜(c)は第１図の動作説明用の波形図、第３図は
他の実施例のブロック図である。 (1)…プラズマトーチ、(2)…非消耗式電極、(3)…母
材、(4)…パイロットアーク用直流電源、(13)，(24)…
スイッチング回路、(14)〜(17)，(25)，(26)…トランジ
スタ、(18)…駆動回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】非消耗式電極を内装したプラズマトーチ
   と、前記電極，前記トーチに前記トーチ側を陽極とする
   小電流の直流を常時印加し，主アークトリガ用のパイロ
   ットアークを発生，持続するパイロットアーク用直流電
   源と、 複数の半導体スイッチのブリッジ接続回路からなり、溶
   接時に大電流の主直流電源を溶接用の交流に変換して前
   記電極，母材に供給し前記パイロットアークのトリガに
   基く交流のプラズマアークを発生させるスイッチング回
   路と、 前記各半導体スイッチをスイッチング駆動する駆動回路
   と を備えた交流プラズマアーク溶接機。