JPS62252677A - 交流矩形波プラズマア−ク溶接方法 - 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、交流矩形波プラズマアーク溶接方法に関し、
特に半導体素子により極性を切換えるインバータ回路の
極性切換時の相間短絡防止時間を設けた交流矩形波プラ
ズマアーク溶接方法において、無負荷適正電圧制御を行
い半導体素子の破損を防止した交流矩形波プラズマアー
ク溶接方法に関する。

〔従来の技術〕

プラズマアーク溶接またはＴＩＧ溶接において出力電位
の極性の接続方法により、母材側を陽極、　。

電極側を陰極とした正極性接続では、深い溶は込みが得
られ、また、母材側を陰極、電極側を陽極とした負極性
接続では、溶は込みは浅いが、母材表面の酸化膜を除去
する清浄効果が有ることが知られている。特に、溶接物
がアルミニウム、あるいはアルミニウム合金等のように
母材表面が溶融温度の高い酸化膜で覆われている材料を
溶融する場合、清浄効果が必要なことから、交流を用い
て溶接が行なわれている。しかしながら通常の商用周波
数を用いた交流アーク溶接では、この交流が第４図に示
すような５０又は６０（Ｈｚ）の割合で正極、負極が交
番する正弦波交流１８である。したがって、同図に示す
如くこの交流１８の無負荷電圧は必ず零電圧を通過し、
除々に上昇し、最大値に至りまた除々に下降し、再び零
電圧に近づき零電圧に至る。零電圧を通過した該電圧は
負極でも同様に上昇、下降を繰り返す、この様に、正弦
波交流では、極性変換が緩慢である。したがって無負荷
電圧がアーク放電開始電圧に到る第４図中ｔ４の間、ア
ーク放電はしない、また無負荷電位が反転し、アークが
再点弧するまでの同図中ｔ。

の間はアークの自己保持性あるいは回路のりアクドルの
みにより保持されているだけの不安定な状態の期間であ
る。したがって交流アークでは電流の半波毎にその流れ
る方向が反転し、その度毎にアークは一度消弧し、改め
て逆方向に再点弧しなければならず、もし再点弧に失敗
したとするとアークは消失する。

溶接中に一度アークが消失すると、融合不良あるいはス
ラブ巻き込み等の溶接欠陥を誘発し、溶接作業性も悪化
し、完全な溶接継手を作成することは著しく困難となる
。交流アークが直流アークに比べて維持しにくいのは、
この対点弧の困難さにある。したがって、従来技術では
、特開昭５５−１２６３８４号公報に示される如く再点
弧を助成させるために交流電圧が零電圧となった直後ス
パイク状の高電圧を印加したり、あるいは、高圧高周波
電圧を重畳することによりアークを安定維持させること
が知られている。しかしながら前述方法では、正極性分
と負極性成分の時間割合と周波数調整ができていないた
め、溶は込み深さの不良と電極の過消耗があり、また、
高圧高周波を用いろことにより、空中に電磁波を放射し
、この電磁波によって、他の装置１例えば、テレビ、ラ
ジオあるいは。

コンピュータ等に障害を与えるという問題がある。

これらの問題点を改良すべくプラズマアーク溶接におイ
テ、　ＷＥＬＤＩＮＧ　ＪＯＵＲＮＡＬ誌、ＦＩＥＢＲ
ＵＡＲＹ　１９８４．（２５〜３５頁）に掲載されてい
るが如く、正極性、負極性用の２台の直流電源を用い、
これを交互に切り換え、電圧を瞬時に切り換ることで前
述の再点弧性の問題を解決した交流矩形波プラズマアー
ク溶接を実施することが報告されている。しかしながら
、前述の該２台の直流電源を用いることは溶接装置の大
型化あるいは溶接条件の設定等装置の操作が煩雑となり
、溶接作業性が悪く現場的な溶接装置とはいえない、そ
こで発明者等はすでに特願昭６０−２６７９０３号明細
書でもって１台の無負荷電圧の高い溶接電源として周波
数および正極性成分。

負極性成分の時間割合を任意に調整可能な交流矩形波電
圧を用いて溶接する相間短絡防止回路付インバータ式交
流矩形波プラズマアーク溶接方法および装置を提案した
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、相間短絡防止回路と調整可能な矩形波周
波数によって、誘発する高電圧パルスにより、制御回路
内の半導体素子が破損する問題があり、耐電圧の高い半
導体素子を用いなければならなかった。

本発明は、これらの点に鑑み、１台の無負荷電圧の高い
直流溶接電源を用い、相間短絡防止時間を設けた交流矩
形波によりインバータ回路での極性変換時のアーク再点
弧を確実かつ円滑に行い。

該極性変換の周期を任意に調整でき、さらに正極性時と
負極性時の時間の割合比を任意に調整することができる
と共に、相間短絡防止回路と矩形波周波数によって誘発
する高電圧を適正値にて制御させることによって半導体
の破損を防止し、溶接継手を完全かつ簡便に溶接する方
法の提供を目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の要旨は、交流矩形波プラズマアーク溶接方法に
おいて、出力電圧矩形波形として正極成分と負極成分の
間に相間短終防止の零電圧時間を設け、該矩形波の正極
成分と負極成分の比率と周波数を調整し、かつ無負荷適
正電圧を調整して溶接することを特徴とする交流矩形波
プラズマアーク溶接方法にある。

以下図面により本発明の詳細な説明する。

〔作用〕 第１図は本発明を一態様で実施する交流矩形波プラズマ
アーク溶接装置の構成を示すブロック図である。この溶
接装置は該図中に示すように、無負荷電圧の高い直流溶
接電源１、無負荷適正電圧制御２ａと調整器２ｂ、イン
バータ回路３、インバータ前置増幅回路４、正極、負極
性比率調整回路５、矩形波発振回路６．および相間短絡
防止回路７より成る。矩形波発振回路６より得られた矩
形波信号は正極、負極性比率調整回路５により、正極、
負極性比率が溶接条件に希望する任意の比率に設定され
る。次に相間短絡防止回路７によりインバータ回路３内
の半導体素子（、トランジスター：Ｔｒｌ　、Ｔｒ２　
、Ｔｒ３　ｔ　Ｔｒａ）の相間短絡を防止するため、矩
形波が正極から負極、あるいは負極から正極に移行する
瞬時にごく僅かな時間だけ零レベルの時間を設ける。ま
た、相間短絡防止回路７が動作するごく僅かな時間の無
負荷電圧の期間には、直流溶接電源ｌとプラズマアーク
１１のリアクタンス成分によって瞬時的に高電圧を誘発
し、各回路内の半導体素子の耐電圧を越えて破損させる
ため、無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂによっ
て適正な無負荷電圧値に設定することによって半導体素
子の破損を防止する。

この高電圧はアークの再点弧性を良好にするものである
。ここで、無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂは
、抵抗器とコンデンサー、半導体素子（図示せず）によ
る高電圧を吸収する電圧調整式のスナバ制御回路である
。すなわち、この回路は、調整器２ｂにより設定した適
正電圧値以上の高電圧パルスが発生した場合、このサー
ジ電圧の高電圧パルスを吸収し、無負荷時にインバータ
回路にかかる適正電圧値以上の電圧を抑制するものであ
る。

第２図は、本発明における正極性時間ｔ２割合が負極性
時間１３割合に比べ僅かに大きい場合を表わすインバー
タ回路３に入力した電圧波形図である。該図中、ｔｌは
前述の相間短絡防止時間、ｔ２は正極性時間、ｔ３は負
極性時間を示す。該電圧波形の周期は、矩形波発振回路
６によって発振周波数を可変（図示せず）することで変
化でき。

発振周波数は、１０Ｈｚ〜５０ｋｌｌｚの範囲で任意に
調整できる。また、正極性時間ｉ２ｙ負極性時間ｔ３の
割合は、前記にて設定された発振周波数の矩形波の一周
期内における正極、負極性の比率であって正極、負極性
比率調整回路５によって各極性比率を（０：　１００）
〜（５０：　５０）〜（ｔｏｏ　：　Ｏ）　［％］の範
囲が任意に可変できる。

第３図は、第２図の電圧波形入力をインバータ回路３に
入力した時に母材１２と電極１３間に発生したプラズマ
アーク１１での電圧波形図であって、ａは適正プラズマ
アーク電圧値であり、Ｃは無負荷適正電圧制御回路２ａ
と調整器２ｂによって設定される再点弧電圧値である。

正極性の時間ｔ２では、適正プラズマアーク電圧値ａに
てプラズマアーク１１が保持されてプラズマ溶接を行い
、続いて負極性時間ｔ３に変換されるが、この時ごく僅
かな時間ｔ１（相間短絡防止時間）が設けられ、無負荷
状態となる。この時、直流溶接電源ｌの無負荷電圧は７
０〜１ｓｏｖに設定されていても、直流溶接電源１、ま
たはプラズマアーク１１のもっているりアクタンス成分
により、蓄電された電圧がプラスされることによって、
高電圧Ｐが誘発される。該高電圧Ｐはプラズマアーク１
１の再点弧性について極めて有利となり、プラズマアー
ク１１の再点弧が確実に、かつ円滑に行われる。負極性
時間ｔ３によって母材１２の表面に生成された酸化膜を
清浄したあと、再び相間短絡防止時間ｔ１を通過して正
極性時間ｔ２に入るわけであるが、前述と同様に相間短
絡防止時間ｔ１においては。

高電圧Ｐによって安定したプラズマアーク１１の再点弧
性が得られ、以降同様に繰り返し行われる。

しかしながら、高電圧Ｐは、再点弧性には極めて有利と
なるが、直流溶接電源１およびインバータ回路３に用い
られている半導体素子の耐電圧以上となって破損する方
向となるため、再点弧性と半導体素子の耐電圧を考慮し
て、無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂを働かせ
ることにより、半導体素子を破損させることなく、安定
したプラズマアーク溶接性を得ることができる。

なお、希望する溶接条件により矩形波発振回路の周波数
、矩形波の正極負極性比率を調整するが、これにより、
直流溶接電源１およびプラズマアーク１１のリアクタン
ス成分（ＸＬ＝２πｆ−Ｌ）が変化する。これにより誘
発する高電圧パルスの波高値が変化するが１本発明にお
いては無負荷適正電圧制御回路２ａと調整器２ｂを働か
せることにより、高電圧パルスＰ波高値を再点弧電圧値
Ｃに抑制する。

本発明の方法はアルミニラ１１、アルミニウ１１合金の
他にもチタン、クチン合金、ステンレス鋼。

あるいは表面が酸化膜で覆われている材料にも適用が可
能である。

次に、本発明に基づいて交流矩形波を用いた移行式のプ
ラズマアーク溶接法の実施例について説明する。

〔実施例〕

供試材料は、幅１００ｍｍ、長さ５００ａａ、板厚５Ｉ
ＩＩＩＯのＪＩＳＡ１０５０アルミ板を用い、溶接電源
は無負荷電圧が１３５Ｖ、　ｆｆｉ流溶量が３００Ａの
プラズマアーク溶接用の溶接装置を用いて実施した。そ
の時の溶接電流は１５０Ａであり、プラズマアーク電圧
は３０Ｖのキーホール溶接であった。矩形波交流の周波
数は］、ｋ　Ｈｚを用い、相間短絡防止時間ｔ１は０．
１ｍ秒とし、正極、逆極性の割合を（２，５：　１．０
）とし、溶接速度を１５ｃｍ／秒、再点弧電圧を２００
ｖに設定、パイロットガスおよびシールドガスは、１０
０％のアルゴンを用いた。以上の結果、ビード外観はビ
ード幅平均８−清浄効果の表われた幅平均１．５１で均
一な表面欠陥の無いビード外観が得られた。この時の溶
は込み深さは２．４ｍｍを得た。アークの再点弧性につ
いて波形測定した結果、１００％の再点弧であり、その
後のＸ線透過試験を実施したが、内部欠陥も無く、完全
な溶接ビードと半導体素子にも何ら影響もなかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の商用周数を用い交流プラズマ溶
接法と比べ、アークの再点弧性が良く。

溶接作業性に優れ、また、正極成分、負極成分の割合お
よび１周波数を可変することで母材の溶は込み深さある
いは清浄効果域の幅を任意に調整でき、溶接電流の大小
にかがわらず、常に安定した交流矩形波プラズマアーク
を維持することができる。また、正極成分、負極成分の
割合において正極成分を多くする極電極径を細くするこ
とができ。

したがって、溶接トーチを小型、軽量にすることができ
るので、溶接者の負担を軽減できる。装置的には、イン
バータ回路に用いる半導体素子の耐電圧値を必要以上に
大きくすることがなくなり。

同時に、応答速度が向上し、溶接継手の品質向上と均一
化を計ることができる。

この様に、本発明はきわめて工業的価値の高い溶接方法
を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を御飯様で実施する交流矩形波プラズマ
アーク溶接装置の構成を示すブロック図。 第２図は第１図のインバータ回路に入力する電圧波形図
、第３図は第２図の電圧波形を第１図のインバータ回路
に入力した時に、母材と電極の間にアークとして発生し
たアーク電圧波形図、第４図は従来の一般的な交流アー
ク溶接における溶接電極印加電圧波形の概略を表わす電
圧波形図である。 １：直流溶接電源 ２ａ：無負荷適正電圧制御回路 ２ｂ：調整器　　　　　　３：インバータ回路４：イン
バータ前置増幅回路 ５：正極負極性比率調整回路 ６：矩形波発振回路　　７：相間短絡防止回路１１：ア
ーク １２：母材　　　　　　　１３：電極 １４：ノズル １７：負極アーク波形　　１８：正弦波交流波形１９：
正極時のアーク再点弧位置 ２０：負極時のアーク再点弧位置 Ｔｒｌ　〜Ｔｒ４　：半導体素子 Ｄ１〜Ｄ４：整流器 ａ：プラズマアーク電圧 Ｃ：再点弧電圧 特許出願人　新日本製鐵株式會社 声２図 声３図 貴４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流矩形波プラズマアーク溶接方法において、出力電圧
   矩形波形の正極成分と負極成分の間に相間短絡防止の零
   電圧時間を設け、該矩形波の正極成分と負極成分の比率
   と周波数を調整し、かつ無負荷適正電圧を調整して溶接
   することを特徴とする交流矩形波プラズマアーク溶接方
   法。