JPH11123551A - 直流アーク溶接電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アーク期間Ｔａと短絡期間Ｔｓとを一定にす
ることにより入熱制御を確実に行い、溶接品質を向上さ
せることができる直流アーク溶接電源を提供すること。 【解決手段】 リアクタＰを構成する第１の線ｐとリア
クタＢを構成する第２の線ｂを同一の鉄芯ｆに巻き、短
絡期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共
に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、また
アーク期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続する
と共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構
成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の
方向が同一になるようにして前記出力回路に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流アーク溶接電
源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の消耗電極式の直流アーク溶
接電源の外部接続図である。２は溶接電源１の電源部
で、変圧器３により三相交流電源４の電圧を溶接に適し
た電圧に降圧し、ダイオード５およびコンデンサ６によ
り整流・平滑して、端子Ａ，Ｂ間に直流出力を供給す
る。７、８はスイッチング素子、９、１０はダイオー
ド、１１、１２はリアクタ、１３、１４は外部出力端子
である。なお、リアクタ１２のインダクタンス値はリア
クタ１１のインダクタンス値よりも大きい。１５はプラ
ス側の出力ケーブルで、外部出力端子１３とワイヤ１６
を接続している。１７はトーチ、１８は溶接負荷、１９
は母材である。２０はマイナス側の出力ケーブルで、外
部出力端子１４と母材１９を接続している。なお、溶接
電源１の外部出力特性は定電圧特性である。

【０００３】以下、動作を説明する。アーク期間Ｔａに
はスイッチング素子７がＰＷＭ制御によりオン・オフさ
れる。そして、オンの時には、電源部２から供給される
直流出力により、アーク電流Ｉａが端子Ａ→スイッチン
グ素子７→リアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子
１３→出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→
母材１９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→端子
Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアクタ
１１、１２に蓄えられたエネルギにより、アーク電流Ｉ
ａがリアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子１３→
出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→母材１
９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→ダイオード
９の順で還流する。なお、以下、上記の回路における外
部出力端子１３から外部出力端子１４までを負荷Ｋとい
う。

【０００４】また、短絡期間Ｔｓにはスイッチング素子
８がＰＷＭ制御によりオン・オフされる。そして、オン
の時には、電源部２から供給される直流出力により、短
絡電流Ｉｓが端子Ａ→スイッチング素子８→リアクタ１
２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子１４→端
子Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアク
タ１２に蓄えられたエネルギにより、短絡電流Ｉｓがリ
アクタ１２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子
１４→ダイオード１０の順で還流する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図６は、上記従来の直
流アーク溶接電源により溶接をしたときの出力電流波形
を示す図である。図から明らかなように、アーク期間Ｔ
ａから短絡期間Ｔｓに移行後の期間Ｔｕにおける電流の
立上りおよび短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行後
の期間Ｔｄにおける電流の立下りは緩い傾斜になってい
る。

【０００６】短絡期間Ｔｓが長くなると、ワイヤ１６が
爆発的に溶断して大粒のスパッタが発生するだけでな
く、アークが不安定になって溶接品質が低下する。ま
た、短絡電流の大きさを大きくするためには、半導体素
子の容量も大きくする必要があった。

【０００７】本発明の目的は、上記した課題を解決し、
アーク期間Ｔａと短絡期間Ｔｓとを一定にすることによ
り入熱制御を確実に行い、溶接品質を向上させることが
できる直流アーク溶接電源を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、外部出
力特性が定電圧特性の直流アーク溶接電源において、リ
アクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第
２の線を同一の鉄芯に巻き、アーク電流期間は前記リア
クタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢ
を出力回路から切断するように、また短絡期間は前記リ
アクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタ
Ｐを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタ
ＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるよ
うにして前記出力回路に接続することにより解決され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を説明する。図１は本発明に係る消耗電極式の直流アー
ク溶接電源の接続図である。なお、図５と同じものまた
は同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略す
る。３０はスイッチで、接点ｍ、ｎを閉じると接点ｒ、
ｓが開き、接点ｒ、ｓを閉じると接点ｍ、ｎが開く。そ
して、接点ｍはスイッチング素子７の出力側に、接点ｒ
はスイッチング素子８の出力側にそれぞれ接続されてい
る。３１はリアクタで、巻線ｐ、巻線ｂおよび１個の鉄
芯ｆとからなり、巻線ｐと巻線ｂを鉄芯ｆに巻くことに
より磁気的に結合させてある。そして、巻線ｂと鉄芯ｆ
とでリアクタＢを、また巻線ｐと鉄芯ｆとでリアクタＰ
を構成する。また、巻線ｂと巻線ｐの一方の端部は、そ
れぞれに流れる電流により形成される磁束の向きが同一
になるようにして出力回路に接続されている。なお、リ
アクタＢの自己インダクタンスの値はＬｂ、リアクタＰ
の自己インダクタンスの値はＬｐである。１００は電圧
検出装置である。

【００１０】以下、動作を説明する。アーク期間Ｔａに
は、すなわち電圧検出装置１００への入力が０Ｖあるい
は予め定める電圧（例えば５Ｖ）以上であるときには、
接点ｍ、ｎを閉じる。すると、スイッチング素子７がチ
ョッパ制御され、アーク電流ＩａがリアクタＢを介して
外部負荷に供給される（以下、接点ｍ、ｎが閉じた時に
形成される回路をアーク電流回路という。）。また、短
絡期間Ｔｓには、すなわち電圧検出装置１００への入力
が０Ｖあるいは予め定める電圧（例えば５Ｖ）以下にな
ると、接点ｒ、ｓが閉じる。すると、スイッチング素子
８がチョッパ制御され、短絡電流ＩｓがリアクタＰを介
して外部負荷に供給される（以下、接点ｒ、ｓが閉じた
時に形成される回路を短絡電流回路という。）。

【００１１】次に、本発明における電流波形を示す図２
を参照しながら、過渡時の動作を説明する。短絡電流Ｉ
ｓが流れるときにリアクタＰに蓄えられるエネルギーＥ
ｓは１／２×Ｌｐ×Ｉｓ²であり、アーク電流Ｉａが流
れるときにリアクタＢに蓄えられるエネルギーＥａは１
／２×Ｌｂ×Ｉａ²である。

【００１２】短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行す
ると、短絡電流回路はダイオード１０よりもリアクタＰ
側で遮断されるから還流回路は形成されず、リアクタＰ
に蓄えられていたエネルギーＥｓは総てリアクタＢに移
行する。また、アーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行
するときも同様に、リアクタＢにに蓄えられていたエネ
ルギーＥａは総てリアクタＰに移行する。したがって、
リアクタＢとリアクタＰの結合係数をα（ただし、α≦
１）とすると、下記の式１、２が成立する。なお、式１
は短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する場合であ
り、式２はアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行する
場合である。また、自己インダクタンスは略巻数の２乗
に比例するから、下記の式３が成立する。そして、式１
と式３とから下記の式４が、また、式２と式３とから下
記の式５が得られる。

【００１３】 α×１／２×Ｌｐ×（Ｉｓ）²＝１／２×Ｌｂ×（Ｉａ）²……式１ α×１／２×Ｌｂ×（Ｉａ）²＝１／２×Ｌｐ×（Ｉｓ）²……式２ Ｌｐ＝Ｌｂ×（Ｎｐ／Ｎｂ）²……式３ Ｉａ＝Ｎｐ／Ｎｂ×Ｉｓ×√α ……式４ Ｉｓ＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉａ×√α ……式５ 上記の式５から明らかなように、アーク期間Ｔａから短
絡期間Ｔｓに移行した時、アーク期間Ｔａの最終的な電
流がＩａ₀であった場合、短絡期間Ｔｓの短絡電流は直
ちにＩｓ₀（＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉａ₀×√α）に上昇する。
また、上記の式４から、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔ
ａに移行する際、短絡期間Ｔｓの電流がＩｓ₁になって
いた場合、アーク電流は直ちに略短絡前の電流Ｉａ₀に
等しい電流Ｉａ₁に下がる。

【００１４】図３は本発明の第２の実施の形態を示す図
であり、図１と同じものあるいは同一機能のものは同一
の符号を付してある。３２はダイオードである。この実
施例は、スイッチング素子７、８とダイオード９、１
０、３２を組み合わせることにより、上記第１の実施の
形態におけるスイッチ３０に代えたものである。すなわ
ち、アーク期間Ｔａはスイッチング素子８を開いた状態
でスイッチング素子を７チョッパ制御する。また、短絡
期間Ｔｓはスイッチング素子８を閉じた状態でスイッチ
ング素子７をチョッパ制御する。なお、短絡期間Ｔｓに
おいては、巻線ｐを流れる電流により巻線ｂには逆バイ
アスが加わる結果、ダイオード３２のカソード側の電圧
がアノード側の電圧よりも高くなるため、ダイオード３
２は非導通になり、上記第１の実施の形態における短絡
電流回路と同一になる。

【００１５】なお、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに
移行する際の電流の立ち下がりおよびアーク期間Ｔａか
ら短絡期間Ｔｓに移行する際の電流の立ち上がりは上記
第１の実施の形態と全く同じであるから、説明を省略す
る。

【００１６】図４は本発明の上記第２の実施の形態の変
形例を示す図であり、図１、３と同じものあるいは同一
機能のものは同一の符号を付してある。図で、５１はイ
ンバータ、５２は変圧器、５３はダイオードである。こ
こで、同図で点線で囲んだ部分の動作を説明すると、イ
ンバータ５１により入力される直流電圧を交流電圧に変
換し、変圧器５２でこの交流電圧を溶接に適した電圧に
変換してダイオード９、１０、３１、５３からなる整流
回路で整流する。この結果、出力端Ｊ，Ｂに出力される
出力は上記第２の実施の形態におけるスイッチング素子
７と実質的に同一になる。短絡期間Ｔｓからアーク期間
Ｔａに移行する際の電流の立ち下がりおよびベース期間
Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行する際の電流の立ち上が
りは上記第１の実施の形態と全く同じであるから、説明
を省略する。

【００１７】なお、この変形例の場合、短絡期間Ｔｓと
アーク期間Ｔａにおける変圧器５２の巻き数を変えるよ
うにしてあるから、短絡電流Ｉｓおよびアーク電流Ｉａ
の電流波形をいずれもリップルが小さい平坦な波形にす
ることができる。また、変圧器５２の端子のうち端子
ａ、端子ｅを設けず、端子ｂ、端子Ｂ、端子ｄだけと
し、図中の接続点Ｊを接続点Ｋに接続してもよい、な
お、このようにすると、上記第２の実施の形態とほぼ同
一になる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外部出力特性が定電圧特性の直流アーク溶接電源におい
て、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成
する第２の線を同一の鉄芯に巻き、アーク電流期間は前
記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リア
クタＢを出力回路から切断するように、また短絡期間は
前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リ
アクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リ
アクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一に
なるようにして前記出力回路に接続したから、短絡期間
Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する際およびアーク期間
Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行する際、溶接電流は直ちに
アーク電流Ｉａあるいは短絡電流Ｉｓにすることができ
る。したがって、入熱制御を確実に行うことができ、適
正な溶滴移行により溶接品質を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る消耗電極式の直流アーク溶接電源
の接続図である。

【図２】本発明における出力電流波形を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。

【図４】本発明の上記第２の実施の形態の変形例を示す
図である。

【図５】従来の消耗電極式の直流アーク溶接電源の接続
図である。

【図６】従来の出力電流波形を示す図である。

【符号の説明】

３１ リアクタ Ｂ リアクタ Ｐ リアクタ ｂ 第２の線 ｐ 第１の線 ｆ 鉄芯

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部出力特性が定電圧特性の直流アーク
   溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリ
   アクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、アー
   ク電流期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続する
   と共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、
   また短絡期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続す
   ると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように
   構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束
   の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続した
   ことを特徴とする直流アーク溶接電源。
2. 【請求項２】 同一の鉄芯に巻きつけた第１の線と第２
   の線からなるリアクタＰおよびリアクタＢを、前記第１
   の線と前記第２の線の巻き数比を変えて複数組設け、溶
   接条件に応じて前記複数組のリアクタＰとリアクタＢの
   １つを接続するように構成したことを特徴とする請求項
   １に記載の直流アーク溶接電源。