JPH09323173A - 溶接電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接電流および溶接電圧をフィードバックし
てこれらの少なくとも一方を制御して溶接する場合に、
溶接物の表面状態の不均一性などによる溶接条件の変化
が溶接品質に及ぼす影響を小さくして、溶接の信頼性を
高める。 【解決手段】 溶接途中で所定の切換え条件を満たすこ
とを検出して溶接方式を切換える。ここに溶接方式は、
定電力、定電流、定電圧の３つの方式から選択すること
ができる。パラレルギャップ溶接やスポット溶接などの
抵抗溶接では、定電力方式で溶接開始し、所定の切換え
条件となった時点から定電圧方式に切換えるのがよい。
方式を切換える切換え条件は、溶接開始からの経過時
間、電流、電圧、電力の大きさ、電流、電圧、電力の時
間変化率（微分値）、電力と時間との積分値により設定
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗溶接やパルス
ヒート方式の溶接などに用いる溶接電源装置と、その制
御方法とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パワーＭＯＳ−ＦＥＴにより直流電流を
制御する電源であって、溶接物の抵抗値変化を検出して
フィードバックし、予め設定した溶接電流、電圧、電力
に保つようにした溶接電源装置が公知である。

【０００３】この装置は、溶接物の種類や溶接方式に対
応して最適な溶接方式を選択できるようにしたものであ
る。例えば金属リボンを用いてプリント基板の補修を行
う場合には、基板のパターン幅の変化に対して設定値を
変えることなく対応できる点で定電圧方式が適すると考
えられている。

【０００４】表面酸化皮膜処理などを施した溶接物など
の皮膜抵抗のばらつきが大きなものでは、抵抗値変化の
影響を受けない定電流方式が適すると考えられる。また
ヒータチップにパルス電流を繰り返し流して発熱させ、
その熱でリフローソルダリング、熱圧着、樹脂の熱かし
め等を行うパルスヒート方式では、ヒータチップ温度を
一定に安定させるために定電力制御方式が適すると考え
られている。

【０００５】そこで従来は溶接物に対応して溶接方式を
選択し、かつ電流・電圧・電力や時間などの溶接条件を
設定できるようにしていた。

【０００６】

【従来技術の問題点】しかし溶接物によってはこの従来
装置では溶接の信頼性が十分に高めることができなかっ
たり、時間が長くなって溶接部の周囲の温度が上昇する
などの不都合が生じることが解った。図５はパラレルギ
ャップ方式によって端子１０にはんだを滲み込ませた
（ハンダディップ）銅撚り線１２を溶接する様子を示
す。

【０００７】この図５で１４、１６はパラレルギャップ
溶接用の溶接ヘッドである。溶接ヘッド１４、１６は銅
撚り線１２を上から押圧し、この状態で両溶接ヘッド１
４、１６間には直流電圧（溶接電圧）を印加する。この
時にはプラス側の溶接ヘッド１４から銅撚り線１２およ
び端子１０を通ってマイナス側の溶接ヘッド１６に電流
（溶接電流）が流れる。

【０００８】この電流により銅撚り線１２および端子１
０が発熱し、銅撚り線１２と端子１０との圧接部分が溶
融してナゲットが形成され、接合されるものである。

【０００９】しかしこの場合、銅撚り線１２と溶接ヘッ
ド１４、１６との接触面積が溶接箇所ごとに大きく変化
するため、両者の接触抵抗の変化が非常に大きくなる。
また溶接電流が流れ始めた直後にもこの接触抵抗が大き
く変動する。

【００１０】接触部の電気抵抗をＲとし、溶接電流を
Ｉ、時間をｔ、溶接電圧をＶとすれば、この時の発熱量
Ｑは、Ｑ＝Ｖ・Ｉ・ｔ＝Ｒ・Ｉ²・ｔ＝Ｖ²・Ｔ／Ｒ、と
なる。従って定電圧方式を用いる場合には、溶接開始時
に抵抗Ｒが大きいと発熱量Ｑは減少し、溶接温度の上昇
が遅くなるため、溶接温度が下がって溶接強度が落ち、
信頼性が低下することになる。

【００１１】またこの場合に定電流方式を用いると、抵
抗Ｒが大きいと発熱量Ｑも大きくなり、溶接物が溶けす
ぎたりスプラッシュ（飛散）したりすることになる。さ
らに定電力方式を用いる場合には、溶接時間ｔが長くな
り、溶接物に逃げる熱量が増えて溶接物の温度が上がっ
たり、溶接強度が低下する。

【００１２】以上はパラレルギャップ溶接を用いた場合
を説明したが、スポット溶接などの抵抗溶接や、ヒータ
チップを用いるパルスヒート方式などにおいても同様な
問題がある。

【００１３】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、溶接物の表面状態の不均一性などによる溶
接条件の変化が溶接品質に及ぼす影響を小さくして、溶
接の信頼性を高めることができる溶接電源装置の制御方
法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の
実施に直接使用する溶接電源装置を提供することを第２
の目的とする。

【００１４】

【発明の構成】本発明によれば第１の目的は、溶接電流
および溶接電圧をフィードバックして溶接電流および溶
接電圧の少なくとも一方を制御する溶接電源装置の制御
方法において、溶接途中で所定の切換え条件を満たすこ
とを検出して溶接方式を切換えることを特徴とする溶接
電源装置の制御方法、により達成される。

【００１５】ここに溶接方式は、定電力、定電流、定電
圧の３つの方式から選択することができる。パラレルギ
ャップ溶接やスポット溶接などの抵抗溶接では、定電力
方式で溶接開始し、所定の切換え条件となった時点から
定電圧方式に切換えるのがよい。

【００１６】方式を切換える切換え条件は、溶接開始か
らの経過時間により設定することができる。経過時間に
代えて、電流、電圧、電力が所定値になったことを条件
としたり、電流、電圧、電力の時間変化率（微分値）が
所定値以下あるいは以上になったことを条件としてもよ
い。電力と時間との積分値が加熱エネルギーに対応する
ことから、この積分値により前記の所定条件を設定して
もよい。

【００１７】また本発明の第２の目的は、溶接電流およ
び溶接電圧をフィードバックして溶接電流および溶接電
圧の少なくとも一方を制御する溶接電源装置において、
交流の入力を整流し所定直流電圧を出力する電源部と、
この電源部と溶接ヘッドとの間に介在する主制御素子
と、溶接ヘッドに流れる電流を検出する電流検出手段
と、溶接ヘッドの印加電圧を検出する電圧検出手段と、
前記溶接電流と電圧とを乗算して溶接電力を求める乗算
手段と、複数の溶接方式の順番と設定値および方式切換
えを行うための所定の切換え条件を含むデータを入力す
る入力手段と、この入力手段で入力したデータを記憶す
るメモリと、前記メモリに記憶した順番に従って溶接方
式に対応して前記溶接電流または電圧または電力を監視
しつつ溶接方式に対応する指示値を出力する制御手段
と、この制御手段が出力する指示値と前記溶接電流また
は電圧または電力とを比較して前記主制御素子を制御す
る比較手段と、を備えることを特徴とする溶接電源装置
により達成される。

【００１８】

【実施態様】図１は本発明に係る装置の一実施態様を示
す図、図２はその制御の一例を示す動作流れ図、図３は
この場合の加熱温度（Ｔ）の変化を示す図、図４は加熱
方式による加熱温度（Ｔ）の変化を定性的に示す図であ
る。

【００１９】図１において符号１８は電源部であり、ト
ランス２０と、全波整流ブリッジ回路２２と、コンデン
サ２４と、充電制御回路２６とを持つ。電源トランス２
０は例えば交流１００Ｖの入力電圧を交流２４Ｖまで降
圧する。全波整流ブリッジ回路２２は、ダイオードとサ
イリスタを持ち、トランス２０の交流出力を例えば直流
２４Ｖにして、コンデンサ２４を充電する。

【００２０】充電制御回路２６は、ブリッジ回路２２の
サイリスタに電源（ＡＣ１００Ｖ）に同期したゲート信
号を送り、コンデンサ２４の充電電圧を２４Ｖに保つよ
う位相制御する。

【００２１】２８は主制御素子であるパワーＭＯＳ・Ｆ
ＥＴである。コンデンサ２４の電荷はこのＦＥＴ２８を
介して溶接ヘッド３０に導かれ、放電される。ここにＦ
ＥＴ２８は例えば１０個並列接続されていて、１８００
アンペアまで出力可能にされている。溶接ヘッド３０に
は前記したパラレルギャップ溶接用のヘッド１４、１６
（図５）が固定されている。

【００２２】溶接ヘッド３０に流れる電流（溶接電流）
Ｉは、電流検出手段としてのホール電流検出器３２で検
出される。この検出器３２は、電流Ｉに比例して発生す
る磁束を、磁気鉄心と磁気センサ（ホール素子）との組
合せによって非接触で測定する。

【００２３】溶接ヘッド３０に加わる電圧Ｖは、溶接ヘ
ッド３０の両電極にピックアップ用ワイヤを接続し、こ
の２本のワイヤ間の電圧差を求める電圧検出手段３４で
検出される。溶接電力Ｗは、溶接電流Ｉと電圧Ｖとを乗
算器３６で積算することにより求める。

【００２４】溶接電流Ｉと電圧Ｖと電力Ｗとは、それぞ
れ２組の増幅器群３８、４０で別々に増幅され、切換ス
イッチ４２、４４に導かれる。これら切換スイッチ４
２、４４は、後記制御手段５４の指示に従って、電流Ｉ
と電圧Ｖと電力Ｗのいずれか１つを選択する。

【００２５】選択された電流Ｉまたは電圧Ｖまたは電力
Ｗは、切換スイッチ４２から差動増幅器４６に導かれ
る。また切換スイッチ４４から、Ａ／Ｄ変換器４８でデ
ジタル信号に変換されてＣＰＵ５０に導かれる。ＣＰＵ
５０はメモリ５２と、制御手段５４と、モニタ手段５６
とを備える。

【００２６】５８は、入力手段としてのキーボードであ
り、溶接方式の順番や種々の設定値を含む溶接条件、方
式切換えを行うための切換え条件などを入力する。この
入力されたデータはメモリ５２に記憶される。制御手段
５４はＡ／Ｄ変換器４８から入力される電流Ｉまたは電
圧または電力Ｗを監視して、メモリ５２に記憶した順番
の方式に従った指示値を出力する。また切換え条件を満
たすと溶接方式を切換えるよう指示する。

【００２７】この切換え指示に基づいて、切換スイッチ
４２、４４はそれぞれ差動増幅器４６およびＡ／Ｄ変換
器４８に入力する電流Ｉ、電圧Ｖ、電力Ｗの切換えを行
う。すなわち定電流方式なら電流Ｉを、定電圧方式なら
電圧Ｖを、定電力方式なら電力Ｗを選択する。

【００２８】制御手段５４が出力する指示値はＤ／Ａ変
換器６０でアナログ信号に変換されて、差動増幅器４６
に入力される。差動増幅器４６ではこの指示値を、切換
スイッチ４２を介してフィードバックされた電流Ｉまた
は電圧Ｖまたは電力Ｗとを比較し、両者の差に対応する
制御電圧を出力する。この制御電圧は前記のＭＯＳ−Ｆ
ＥＴ２８のゲートに入力される。この結果溶接方式に対
応して、溶接電流Ｉまたは電圧Ｖまたは電力Ｗを指示値
に一致させる。

【００２９】モニタ手段５６は溶接中の実際の出力値
（実際値）を管理する。すなわち溶接中の出力電圧Ｖ、
電流Ｉ、電力Ｗを定期的にサンプリングし、溶接終了後
にこれらの平均値を液晶表示装置（ＬＣＤ）６２に表示
させる。またあらかじめ上・下限値を設定しておくこと
により、実際値との比較判定を行い、設定範囲をはずれ
た場合にＬＥＤやブザーなどの警告手段６４で警告し、
ＬＣＤ６２にその旨のメッセージを表示する。

【００３０】またこのモニタ手段５６では、装置の非常
事態の発生も監視する。例えばトランス２０の過熱、Ｆ
ＥＴ２８の短絡破壊、溶接動作の異常発生、等を検出す
る。この結果はＬＥＤやブザーなどの警告手段６４によ
り警告されると共に、ＬＥＤ６２に表示される。

【００３１】次にこの装置を使って溶接する方法を説明
する。ここでは図５に示したパラレルギャップ溶接を行
う。この場合には、溶接部の温度Ｔ（℃）は溶接経過時
間ｔ（ｓｅｃ）に対して図４のように変化する。すなわ
ち前記したように定電圧方式（Ｖ）では溶接開始時に抵
抗が大きいために温度上昇が遅い。定電流方式（Ｉ）で
は発熱量の増加速度が大となるため溶接物が溶けすぎた
り、スプラッシュが発生する。定電力方式（Ｗ）では両
方式（Ｉ、Ｖ）の中間的な特性になる。

【００３２】そこでこの実施態様では、図３に示すよう
に定電力方式（Ｗ）で溶接開始し、所定条件を満たすと
定電圧方式（Ｖ）に切換えるように設定した（図２のス
テップ１００）。また種々の設定値も入力する（ステッ
プ１０２）。これらの入力はキーボード５８で行われ、
入力したデータはメモリ５２に記憶される。図３では方
式切換えを行う条件（切換え条件）として経過時間ｔを
用いている。すなわち経過時間ｔが０〜５ｍｓｅｃの間
を定電力方式とし、５〜１０ｍｓｅｃの間を定電圧方式
とする。また１０〜１５ｍｓｅｃの間で電流を漸減す
る。

【００３３】この切換え条件は、経過時間ｔに代えて他
の物理量で設定してもよい。例えば電流、電圧または電
力を用いてもよい。また電流、電圧または電力の時間微
分値（変化速度）や、これらの時間積分値を用いてもよ
い。特に電力の積分値は加熱エネルギーすなわち発熱量
Ｑに対応するから、溶接部の温度管理に好適である。

【００３４】このようにして溶接方式の順番と、各溶接
方式における設定値と、溶接方式を切換えるための切換
え条件が入力されると、溶接開始を指示するためにスタ
ートスイッチを押す（ステップ１０４）。このスイッチ
はキーボード５８の中の１つであってもよいが、別途設
けたものであってもよい。

【００３５】このスタートスイッチのオンにより、方式
制御手段５４はメモリ５２から最初の溶接方式が定電力
方式であることを読出し、切換スイッチ４２、４４を電
力（Ｗ）を検出する位置に接続する。そして定電力方式
に従って、経過時間ｔと共に変化する指示値をＤ／Ａ変
換器６０に出力する。差動増幅器４６はこの指示値と溶
接中の電力の実際値とを比較して実際値をこの指示値に
一致させるようにＦＥＴ２８を制御する（ステップ１０
６）。

【００３６】経過時間ｔが切換え条件として設定した時
間（ｔ＝５ｍｓｅｃ）になると、制御手段５４は溶接方
式を定電圧方式に切換える（ステップ１０８）。すなわ
ち切換スイッチ４２、４４を電圧（Ｖ）を検出する位置
に切換えると共に、定電圧方式に従った指示値をＤ／Ａ
変換器６０に出力する。このため定電圧方式による溶接
が行われる。

【００３７】経過時間ｔが次の切換え条件として設定し
た時間（ｔ＝１０ｍｓｅｃ）になると、制御手段５４は
定電圧方式による溶接を終了して次の電流漸減過程に入
る（ステップ１１０）。ここでは、例えば溶接終了時間
（ｔ＝１５ｍｓｅｃ）までの時間内に電流を滑らかに連
続的に減らすように電流を制御する。すなわち切換スイ
ッチ４２、４４を電流検出位置に切換えて、電流Ｉの実
際値を監視しつつ差動増幅器４６に送る指示値を漸減さ
せる。

【００３８】以上の実施態様では、定電力方式から定電
圧方式に切換えるが、本発明はこれに限られず任意の方
式から他の方式に切換えるものを包含する。例えばヒー
タチップを用いたパルスヒート方式では、ヒータチップ
の電気抵抗は冷えている時に小さくなるから、定電圧方
式で溶接開始することにより発熱量Ｑを大きくし温度上
昇を速くすることができる。そこで定電圧方式で加熱を
開始し、温度が安定したら温度の安定性に優れる定電力
方式に切換えるのがよい。

【００３９】以上の説明では２種の溶接方式を組合せて
いるが、３種以上の方式を組合せることも理論上は可能
である。例えば前記図３の溶接パターンにおいて、定電
圧方式の後に極めて短時間だけ定電流方式を付加するこ
とも可能である。この定電流方式により一瞬加熱を促進
させ、溶接強度を一層増大させ溶接信頼性を一層高める
ことが可能である。

【００４０】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように溶接途中
で溶接方式を切換えるものであるから、溶接物の溶接条
件に対応して最適な溶接を行うことができ、溶接信頼性
を高めることができる。

【００４１】ここに用いる溶接方式は、定電力、定電
流、定電圧の３つの方式から選択でき（請求項２）、抵
抗溶接では定電力方式で開始し、所定の切換え条件を満
たしたら定電圧方式に切換えるのがよい（請求項３）。
切換え条件は溶接開始からの経過時間で設定できる（請
求項４）。また請求項５の発明によれば、この方法の実
施に直接使用する装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の一実施例を示す図

【図２】その制御の一例を示す動作流れ図

【図３】経過時間（ｔ）に対する加熱温度（Ｔ）の変化
を示す図

【図４】加熱方式による加熱温度変化を示す図

【図５】パラレルギャップ溶接を説明する図

【符号の説明】

１０ 端子 １２ ハンダディップ銅撚り線 １４、１６ パラレルギャップ溶接ヘッド １８ 電源部 ２０ トランス ２２ 全波整流ブリッジ回路 ２８ 主制御素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴ ３０ 溶接ヘッド ３２ 電流検出手段（ホール電流検出器） ３４ 電圧検出手段 ３６ 乗算手段（乗算器） ４２、４４ 切換えスイッチ ４６ 比較手段（差動増幅器） ５０ ＣＰＵ ５２ メモリ ５４ 方式制御手段 ５６ モニタ手段 ５８ キーボード ６２ ＬＣＤ ６４ 警告手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接電流および溶接電圧をフィードバッ
   クして溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方を制御
   する溶接電源装置の制御方法において、溶接途中で所定
   の切換え条件を満たすことを検出して溶接方式を切換え
   ることを特徴とする溶接電源装置の制御方法。
2. 【請求項２】 溶接方式は定電力、定電流、定電圧の３
   つの方式から選択された方式である請求項１の溶接電源
   装置の制御方法。
3. 【請求項３】 定電力方式で溶接開始し、切換え条件と
   なった時に定電圧方式に切換える請求項２の溶接電源装
   置の制御方法。
4. 【請求項４】 切換え条件は溶接開始からの経過時間に
   より設定する請求項１、２、３のいずれかの溶接電源装
   置の制御方法。
5. 【請求項５】 溶接電流および溶接電圧をフィードバッ
   クして溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方を制御
   する溶接電源装置において、交流入力を整流し所定直流
   電圧を出力する電源部と、この電源部と溶接ヘッドとの
   間に介在する主制御素子と、溶接ヘッドに流れる電流を
   検出する電流検出手段と、溶接ヘッドの印加電圧を検出
   する電圧検出手段と、前記溶接電流と電圧とを乗算して
   溶接電力を求める乗算手段と、複数の溶接方式の順番と
   設定値および方式切換えを行うための所定の切換え条件
   を含むデータを入力する入力手段と、この入力手段で入
   力したデータを記憶するメモリと、前記メモリに記憶し
   た順番に従って溶接方式に対応して前記溶接電流または
   電圧または電力を監視しつつ溶接方式に対応する指示値
   を出力する制御手段と、この制御手段が出力する指示値
   と前記溶接電流または電圧または電力とを比較して前記
   主制御素子を制御する比較手段と、を備えることを特徴
   とする溶接電源装置。