JPS62227577A - 溶接電源の出力制御方法 - 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、スイッチング方式溶接電源の出力制御方法に
関する。

〔従来の技術〕

近年、溶接電源として、スイッチング素子を用い、この
スイッチング素子を高い周波数でオン・オフ動作させる
ことにより出力を制御するスイッチング方式の電源やイ
ンバータ方式の電源が、応答速度の速いことから、溶接
性の改善を目的として開発されている。

この種の溶接電源を使用するアーク溶接の一つに、いわ
ゆる短絡移行溶接があるが、この溶接においては、短絡
中の溶接電圧の変化からアーク再生時期を予知して該ア
ーク再生時に溶接電流がレベル低下するように電源出力
を制御することにより、スパッタを著しく減少させるよ
うにしている。

このような溶接においては、短絡中の溶接電圧の変化を
正確に把握するすることが重要であるので、通常、第４
図に示すように、溶接電圧としてトーチ部と溶接母材間
の電圧を検出し、給電ケープルやアースケーブルのイン
ダクタンスの影響を除去するようにしている。

これを第４図に示す溶接回路について説明する。同図に
おいて、１はスイッチング方式の溶接電源であって、直
流Ｅｏをオン・オフするスイ・ンチング回路１０１、該
スイッチング回路をオン・オフ駆動する駆動回路１０２
、該駆動回路１０２にオン・オフ指令信号を与える制御
部１０３、を有し、電圧検出器１０４により検出された
溶接電圧が上記制御部１０３にフィードバックされる。

該スイッチング回路１０１の出力は平滑リアクトルＬｏ
を介して給電される。２は給電用正極側ケーブル、３は
トーチ、４は溶接ワイヤ、５は溶接母材、６は給電用ア
ース側ケーブル、７はワイヤフィーダである。８は電圧
検出用トーチ側ケーブルであって、一端はトー□チ３の
給電部９に接続され他端は溶接電源１内の電圧検出器１
０４の正極端子に接続されている。１０は電圧検出用ア
ース側ケーブルであって、一端はアースマグネット１１
に接続され他端は上記電圧検出器１０４の負極端子に接
続されている。

第５図は、上記溶接電源の主回路１０１と該主回路から
給電される回路からなる溶接回路の等価回路図であり、
Ｑはトランジスタ等のスイッチング素子、Ｌｏは電源内
部に設けられた平滑用リアクタのインダクタンス、ＬＬ
　、Ｒ１は給電用正極側ケーブル２のそれぞれインダク
タンス、抵抗、Ｒ２、Ｒ２は給電用アース側ケーブル６
のそれぞれインダクタンス、抵抗、Ｒ３、Ｒ３は溶接母
材５のそれぞれインダクタンス、抵抗、Ｒａはワイヤ突
出部の抵抗、Ｅ’　ａはアーク電圧である。

この等価回路の回路方程式は、回路に流れる電流をｉと
すると、 Ｅｏ＝　（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒａ　）ｉで表され、短
絡時を考えると、 Ｅａ＝Ｏ１Ｒａ＞Ｒ１’＋Ｒ２＋Ｒ３ であるため、Ｒ１＝Ｒ２＝　Ｒ３＝Ｏとおくと、ＣＩ）
今、スイッチＳＷを接点Ａ側に投入して電圧検出器１０
４を溶接母材５に接続した場合、該電圧検出器１０４が
検出する電圧ＶＡはＬｏ＋Ｌ１　＋Ｌ２　＋Ｌ３　＝Ｌ
４　とおくと、ここで、Ｅｏ＝７０．Ｌｏ＝７０．！ｆ
Ｈ。

ＬＬ　＝Ｌ２　＝６μＨ，Ｌ３＝３μＨ１ｉ＝４０ＯＡ
、　　Ｒａ＝１０ｍ である場合、 回路時定数τ＝８．５ｍ５ｅｃであり、周期５０μｓの
パルス巾制御をしている場合には、上記時定数τ＝　８
．５　ｍ　ｓ　ｅ　ｃにくらべて、周期５０μｓが短い
ので、スイッチング回路１０１のオン期間中、オフ期間
中の電圧変化は非常に小さく、検出された溶接電圧の波
形は、第６図（ａ）に示すようになる。

第６図（ｎ）はＩ・−チ３と溶接母材５間の短絡中の電
圧波形を示す波形図であって、実線で示す電圧波形Ａ−
Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅは上記電圧検出器１０４により測定され
た溶接電圧ＶＡの電圧波形であり、ＶＡｏｆｆはスイッ
チング回路１０１のオフ時の電圧（以下、オフ時溶接電
圧という）　、ＶＡｏｎはスイッチング回路１０１のオ
ン時の電圧（以下、オン時溶接電圧という）である。な
お、Ｖｇは真の溶接電圧である。

（ｎ）次に、スイッチＳＷを接点Ｂ側に切替えて電圧検
出器１０４を溶接電源１の出力ターミナルに接続した場
合、電圧検出器１０４が検出する溶接電圧ＶＵは、 ・・・・（４） で表され、その電圧波形は、条件が前記（１）の場合と
同であるとすると、第６図（ｂｌに示すようになる。

第６図（ｂ）はトーチ３−溶接電源１の出力ターミナル
間の溶接電圧ＶＢの電圧波形を示す波形図であって、実
線で示す電圧波形Δ’−Ｂ’−Ｃ’−Ｄ′−Ｅ“は電圧
検出器１０４により測定された溶接電圧ＶＢの波形であ
り、ＶＢｏｆｆはスイッチング回路１０１のオフ時の溶
接電圧、Ｖ　Ｂｏｎはスイッチング回路１０１のオン時
の溶接電圧である。

第６図（ａ）及び（ｂｌから理解されるように、両電圧
波形ＶＡとＶＢともリップル分Ｖｐｐを含んでおり、両
電圧波形ＶＡとＶＢの比較から明らかなように、このリ
ップル分■ＰＰは溶接回路の配線インダクタンスを含む
回路インピーダンスに大きく左右され、電圧検出点（こ
の例では、アース側）が溶接部（短絡点）から遠くなる
に従い、即ち、回路インダクタンスが増大すると、該リ
ップル分■ＰＰが増大する。

第７図は、短絡期間の開始から終了近くまでの溶接電圧
波形を示したもので、Ｖｇは真の溶接電圧の波形、■は
前記電圧検出器１０４の出力をフィルタを通しである程
度平滑した電圧の波形である。これらの波形が示すよう
に、短絡期間の溶接電圧は、符号Ｆで示すほぼ終期に上
昇変化するので、前記した短絡移行溶接では、この上昇
変化に着目して変化分が所定値（予知レベル）を越えた
ことにより短絡の終了を予知する制御を行うが、このよ
うな制御を行う場合には、上記したリップル分が雑音と
なって予知精度を低下させる原因となる。即ち、溶接電
圧■に対しては、図に示すΔ■の変化があったことをも
って短絡の終了を予知するが、前記（１）、（ＩＩ）に
おける説明から明らかなように、リップル分■ＰＰは、
電圧検出点の位置により変動するから、予知レベルΔＶ
を固定値として上記予知を行う場合には、電圧検出点を
可能な限り、溶接部位に近づけて両者間の距離をほぼ一
定に維持する必要がある。

このため、従来は、溶接部位の変更に伴いアースマグネ
ット１１の位置を変更するようにしているが、溶接部位
が広い範囲に亘たる場合にはアースマグネット１１の位
置変更を頻繁に行わざるを得なくなるので、作業能率が
著しく低下する他、アースマグネットの移動を省略した
り、忘れたりした場合には、スパッタの増加、アーク安
定性の低下を招き、溶接品質が低下すると云う問題があ
つた。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題を解消するためになされたもので、従
来に比、作業能率を著しく高めることができる上、溶接
品質を向上することが可能な溶接電源の出力制御方法を
得ることを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、電圧検出器出力のう
ち、スイッチング回路オフ時の電圧検出値だけを取込ん
で、該電圧値を、制御のための溶接電圧として用いる構
成としたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。図
において、１０５はパルス中設定回路であって、第２図
（ａｌに示す如き、例えば、電流設定回路１１０のｔ旨
示する電流を保つようにオン・オフ指令信号を送出する
。このオン・オフ指令信号はオン遅れ回路１０６を通し
てスイッチング回路１０１の駆動回路１０２に供給され
る。オン遅れ回路１０６は、第２図（ｂ）に示すように
、入力された信号の立上りタイミングを所定の遅延時間
Ｔｌだけ遅延させて出力する。

１０７はンサプル・ホールド指令回路であって、タイマ
部を内蔵しており、パルス中設定器回路１０５が出力す
るオン・オフ指令信号を取込んで、オン指令信号を受け
た時には該オン指令信号の立上りに同期してホールド信
号ＨＯＬ　Ｄを出力するが、オフ指令信号を受けた時に
は上記タイマ部に設定された遅延時間Ｔ２だけ遅れてサ
ンプル信号ＳＡＭＰＬを出力する。このサンプルホール
ド指令回路１０７の出力を第２図（Ｃ）に示す。１０Ｂ
はサンプルホルダであって、電圧検出器１０４が検出し
た溶接電圧■（第２図＋ｄ）に実線Ｍ−Ｎ−０−Ｐ−Ｑ
−Ｒで示す出力電圧）が導かれ、上記サンプル信号ＳＡ
ＭＰＬを受けている間は入力された上記電圧検出器１０
４の出力■を制御回路１０９に出力し、ホールド信号Ｉ
　ＯＬ　Ｄを受たときには電圧検出器１０４の出力■を
ホールドして制御回路１０９に出力する。制御回路１０
９はサンプルホルダ１０８の出力Ｖｓを監視してパルス
巾設足回路１０５を制御する。

なお・上記遅延時間ＴＩとＴ２は電圧検出器１０４等に
含まれる動作安定のための遅れ要素を考慮したもので、
該遅延時間の間は溶接電圧Ｖのサンプリングを停止して
ホールドする構成として上記遅れ要素を補償している。

勿論、理想状態では、Ｔ１＝Ｔ２＝０とすることができ
る。

本実施例では、スイッチング回路１０１のオフ時には電
圧検出器１０４が検出した溶接電圧（オフ時溶接電圧、
これをＶｏｆｆとする）が巾制御回路１０９に導かれ、
スイッチング回路１０１０オン時には、その直前にホー
ルドされたオフ時溶接電圧Ｖｏｆｆが制御回路１０９に
導かれる。

即ち、本実施例では、溶接電圧として、第２図（ｄ）に
、波形Ｍ−Ｎ−Ｑ−Ｒで示される電圧（サンプルホルダ
１０８の出力）Ｖｓ′を検出することになる。この電圧
Ｖｓは、当然のことながら、第６図（ａｌに波形Ａ−Ｄ
−Ｅで、第６図（ｂ）に波形Ａ’−Ｄ”−Ｅ′で、また
、第７図にＶｓで、それぞれ示すように、真の溶接電圧
Ｖｇより若干低レベルのものとなるが、溶接電圧を前記
した短絡終了の予知手段として使用する場合には、ある
時点からの変化分が重要であるため、絶対値の誤差は除
去され問題とならない。第７図におけるΔＶｓは溶接電
圧Ｖｓに対する予知レベルを示している。このΔ■Ｓが
ある一定値以上になった時、制御回路１０９は電流設定
機１１０に電流を低下させるように指示する。

この泥め、本実施例による溶接電圧Ｖｓを上記短絡終了
の予知のために使用する場合には、該溶接電圧Ｖｓから
は前記したリップル分■ＰＰがほぼ完全に除去されるの
で、予知精度を高めることができる。

第３図（ａ）と（ｂ）は、従来の溶接電圧検出方法によ
る場合゛と、本発明の溶接電圧検出方法による場合の溶
接電圧の測定波形を対比して示したものである。

第３図（ａ）はトーチ３と溶接母材５間の電圧測定波形
であって、従来方法による場合の測定波形ＸＡと上記実
施例による場合の測定波形ＹＡとを対比して示しである
。

また、第３図ｆｂ）はトーチ３−溶接電源装置１の負極
出力端子間の電圧測定波形であって、従来方法による場
合の測定波形をＸＢで、上記実施例による場合の測定波
形をＹＢで示しである。

この両図から、上記実施例による場合の電圧測定波形に
はリップル分が殆どなく、しかも、電圧検出点が溶接母
材側にある場合と溶接電源側にある場合とで変化はない
ことが理解される。

このことから明らかなように、本実施例では、上記電圧
検出点を溶接部位の移動に伴いその近傍に移動させる必
要はなく、任意の位置に設けることができるので、例え
ば、溶接電源装置１の負極側出力端子を利用するように
すれば、電圧検出用アース側ケーブル６を引っ張らなく
ても済み、作業性が向上する。

なお、制御回路１０９に導く出力電圧としては、上記の
他、 （１）スイッチング回路オフ期間における出力電圧の平
均電圧、 （２）上記オフ期間中の特定時点における出力電圧或い
は特定区間における出力電圧、 （３）上記オフ期間中の出力電圧と該オフ期間中の特定
時点における出力電圧を記憶保持した電圧を用いるよう
にしてもよい。

なお、本発明は、以上に述べた回路構成等に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載の内容の範囲にお
いて様々な回路構成と手段を用いることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明した通り、スイッチング回路のオフ期
間中に検出した電圧値を用いて溶接電源の出力電圧を制
御しており、ケーブル等に含まれるインダクタンスによ
るリップル成分の影コを受けない正確な出力制御を行う
ことができる。更に、電圧検出点を任意の個所に固定し
ておくことができるので、作業能率を著しく向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溶接電源の出力制御方法の実施例
を示すブロック図、第２図は上記実施例における各部波
形図、第３図（ａ）及び（ｂ）は上記実施例における溶
接電圧と従来法による場合の溶接電圧の測定波形を示す
図、第４図は従来の溶接装置の構成図、第５図は第４図
における溶接回路の等価回路図、第６図（ａ）及び（ｂ
）は上記従来例における溶接電圧の波形図、第７図は短
絡時の溶接電圧の波形図である。 １−溶接電源、３・−トーチ、４−・溶接ワイヤ、５−
溶接母材、１０１−・・スイッチング回路、１０２・−
駆動回路、１０３−制御部、１０４−・−電圧検出器、
１０５−パルス巾設定回路、１０６−サンプルホールド
指令回路、１０７−・−サンプルホルダ、１０９−制御
回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）スイッチング回路を有する溶接電源の出力制御方
   法において、スイッチング回路のオフ期間中の出力電圧
   を検出し、該検出値により出力を制御することを特徴と
   する溶接電源の出力制御方法。
2. （２）スイッチング回路オフ期間中の検出値は出力電圧
   の平均値であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の溶接電源の出力制御方法。
3. （３）検出値は、スイッチング回路オフ期間中の特定時
   点もしくは特定時点間の出力電圧であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の溶接電源の出力制御方法
   。
4. （４）検出値は、スイッチング回路オフ期間中の溶接電
   圧と該オフ期間中の特定時点における出力電圧を記憶保
   持した電圧であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の溶接電源の出力制御方法。