JPS6245025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、消耗性電極ワイヤに周期的にパル
ス電流を供給するパルスアーク溶接機に関する。

〔従来の技術〕

一般に、パルスアーク溶接は、電極と母材間に
低出力のベース電流を通電し、ベース電流に任意
の周期でパルス電流を重畳して溶接するものであ
り、パルス電流が重畳された大電流のピンチ力に
より、送給されたワイヤの溶融金属がスプレー状
の小粒子となり、先端から高速度で離脱するの
で、スパツタの発生が少ない利点がある。

そして、従来のパルスアーク溶接機は、第１図
に示すように構成され、３相交流電源１をベース
電流供給用変圧器２により降圧し、この変圧器２
の出力をベース電流供給用整流器３により整流す
るとともに限流用抵抗４により限流し、定レベル
のベース電流を平滑用の２個の直流リアクトル
５，６を介してワイヤ送給装置７の電極ワイヤ８
に常時供給し、一方、交流電源１をパルス電流供
給用変圧器９により変換したのち、パルス電流供
給用制御整流器１０により整流し、周期的にパル
ス電流を形成するとともに、該パルス電流を両リ
アクトル５，６の接続点と母材１１とに供給して
いる。

なお、制御整流器１０の制御は、第２図に示す
ように、電流の立上りが高くピーク値の高いパル
ス電流を供給するため、通常、導通角を90度以下
に制限して使用される。

そして、パルス電流が重畳されない期間は、ベ
ース電流によつてアークを持続し、重畳期間に
は、パルス電流にもとづくピンチ効果により消耗
性電極のワイヤ８の先端から溶滴を離脱させ、母
材１１を溶接している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、第１図に示した従来のパルスアーク
溶接機の場合は、商用周波数の交流電源１を位相
制御するのみでパルス電流を形成しているため、
制御整流器１０の導通角によつて形成れるパルス
のピーク値が、電源変動、導通角の設定などによ
つて大きく変わり、パルス電流の重畳期間の電流
特性が定電流特性にならず、スプレー効果が変化
し、しかも、パルス電流の重畳周期がアーク長に
よらず固定されているため、均一な溶接結果が得
られない。

すなわち、パルス電流が臨界電流値以下では、
導通角が非常に小さくなり、溶滴がワイヤ８の径
以上の大塊となつて不規則にアークに移行し、か
つ、パルス電流が臨界電流値以上では、溶滴が細
粒化して比較的安定なスプレー移行ができるが、
それ以上にパルス電流を大きくするため、導通角
を、たとえば90゜以上にすると、母材１１への入
熱が過多となり、とくに、母材１１が薄板の場
合、溶け落ちが生じる。

また、狭い開先の溶接を行なう場合に、高いア
ーク溶接を行なうと、アークが広がりすぎて母材
１１に溶融金属の移行が円滑に行なわれず、か
つ、シールドガスによるシールドの状態が悪くな
り、溶接欠陥が生じやすくなる。

さらに、半自動溶接を行なう場合などには、母
材の段差によつてアーク電圧が変動し、アーク長
が長くなると、段差の部分が溶接されない個所が
生じて溶接欠損が生じたり、逆に、アーク長が短
かくなると、段差の部分でアークの入熱が大きす
ぎ、溶接欠陥が生じる。

そして、位相制御器１０の使用可能な導通角は
60〜90度程度に制限され、このため、広範囲の出
力調整が困難になり、溶接可能な負荷が限られ
る。

さらに、パルス電流を供給するのに単相を用
い、ベース電流を供給するのに３相を用いている
ため、入力電流に不平衡が生じ、入力電源に接続
されたた他の機器が誤動作するなどの悪影響があ
り、しかもベース電流用の回路とパルス電流用の
回路とが必要になつて複雑で高価になるととも
に、電源の小型軽量化が困難になる。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、前記の点に留意してなされたもの
であり、交流電流を整流する整流器と、該整流器
の出力をスイツチングして間欠出力するスイツチ
ング回路と、該スイツチング回路よりの出力を平
滑して負荷に供給する直流リアクトルと、該直流
リアクトルの蓄積エネルギを負荷に回生するフラ
イホイルダイオードと、前記スイツチング回路の
駆動を制御して前記負荷にベース電流とパルス電
流が重畳された大電流とを交互に供給させる駆動
装置とを備えたパルスアーク溶接機において、 負荷電流を検出する電流検出器と、 前記負荷のアーク電圧または前記スイツチング
回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、 ベース電流設定用の定レベルの基準信号を出力
するベース電流用基準電源と、 前記電圧検出器の検出信号のレベルに逆比例し
て周波数が変化するパルス電流の重畳周期設定用
の周波数信号を形成する電圧―周波数変換手段
と、 前記周波数信号の周波数によつて設定された各
１周期の設定されたパルス電流の重畳期間に台形
波または三角波のパルス電流設用の基準信号を形
成する波形成形手段と、 前記両電流設定用の基準信号の加算信号と前記
電流検出器の検出信号とのレベル差の信号を出力
する比較増幅器とを備えるとともに、 前記駆動装置に、ピークレベルが前記増幅器の
出力レベルより大きく設定された高周波のし張発
振信号を発生する発振手段と、前記増幅器の出力
信号によつて前記発振信号をパルス幅変調し、前
記発振信号が前記増幅器の出力信号より低レベル
になる期間のパルス幅に設定された変調パルスを
前記スイツチング回路の駆動制御信号として出力
する変調手段とを設けた ことを特徴とするパルスアーク溶接機である。

〔作 用〕

したがつて、スイツチング回路の高周波スイツ
チングにもとづき、１つの回路でベース電流とパ
ルス電流が形成され、このとき、ベース電流、パ
ルス電流設定用の基準信号の加算信号と電流検出
器の検出信号とのレベル差の信号により、ベース
電流の期間、パルス電流の重畳期間に負荷に供給
される電流が定電流制御され、かつ、電圧検出器
の検出信号にもとづき、パルス電流設定用の基準
信号によつて設定されるパルス電流の重畳周期が
アーク長に逆比例して可変され、たとえばアーク
長が短くなつてアーク電圧が低くなると、単位時
間当りのパルス電流の重畳回数が多くなるため、
アーク長が一定に制御され、負荷によらず安定し
た溶接が行なえ、しかも、両基準信号のレベルの
調整により、ベース電流およびパルス電流を任意
の大きさに設定できるため、広範囲の出力調整が
行なえる。

しかも、パルス電流設定用の基準信号がパルス
電流の重畳期間に台形波あるいは三角波になり、
ベース電流からパルス電流の重畳された大電流へ
の移行時、および大電流からベース電流への移行
時に、パルス電流設定用の基準信号の傾斜にもと
づき、負荷に供給される電流または電圧の変化が
比較的ゆるやかになり、アークの立上り、立下り
がゆるやかになつてアーク音が低減される。

〔実施例〕 つぎに、この発明を、その１実施例を示した第
３図以下の図面とともに、詳細に説明する。

第３図に示すように、３相交流電源１を溶接用
変換器１２で降圧し、その降圧された電圧を整流
器１３により整流するとともに、平滑用コンデン
サ１４により平滑し、トランジスタ等のスイツチ
ング素子を用いたスイツチング回路１５の高周波
スイツチングにより、コンデンサ１４の出力直流
を200Hz〜2KHzのパルス状の高周波出力に変換
し、直流リアクトル１６を介してワイヤ送給装置
７の電極ワイヤ８に供給し、アーク負荷に低電流
のベース電流とパルス電流が重畳された大電流と
を周期的に交互に供給する。

ところで、入力信号に応じたパルス幅の200Hz
〜2KHzの変調パルスを出力する駆動装置１７よ
り、第４図ｂに示すオンの制御信号がスイツチン
グ回路１５に印加されると、スイツチング回路１
５からは第４図ｃに示すオンパルス電流I₁が流
れ、このとき、直流リアクトル１６および配線イ
ンダクタンスにLdi／dtのエネルギが蓄積され
る。

そして、駆動装置１７により制御信号がオフに
なると、スイツチング回路１５がオフし、リアク
トル１６等の蓄積エネルギが、ワイヤ８、母材１
１、フライホイルダイオード１８を介して放出さ
れ、第４図ｄに示すオフパルス電流I₂がフライホ
イルダイオード１８に流れる。

したがつて、駆動装置１７のオン、オフによ
り、負荷には、第４図ａに示す平滑電流I₀が流れ
る。

一方、分流器または直流変流器等の直流出力電
流を検出する電流検出器１９により、平滑電流I₀
を検出し、平滑電流I₀に比例した検出信号Edを
第１の比較増幅器２０に出力する。

そして、比較増幅器２０は、ベース電流用基準
電源２３の定レベルのベース電流用基準信号Eb
とパルス電流供給制御装置２４のパルス電流用基
準信号Epとの加算信号と、検出信号Edとを比較
増幅し、Eb＋Ep−Edのレベルの出力信号Ｖを駆
動装置１７に出力する。

ところで、基準電源２３は可変直流電源からな
り、ベース電流値として操作設定されたレベルの
基準信号Ebを、ベース電流設定用の定レベルの
基準信号として出力する。

また、制御装置２４は、アーク負荷のアーク電
圧を検出する電圧検出器２５の検出信号と溶接出
力設定用可変直流電源２６の基準信号Evとを比
較増幅する第２の比較増幅器２７、電圧―周波数
変換器２８、単安定マルチバイブレータ２９、お
よび波形成形器３０からなり、検出器２５の検出
信号と基準信号Evとのレベル差に比例した比較
増幅器２７の出力信号、すなわち、検出器２５の
検出信号のレベルに逆比例して変化する信号を、
電圧―周波数変換器２８によつて電圧に応じた周
波数信号に変換するとともに、単安定マルチバイ
ブレータ２９によつて周波数信号を一定パルス幅
の矩形波に変換し、さらに、波形成形器３０によ
り、矩形波信号を積分して台形波あるいは三角波
に波形成形し、周波数信号の周波数によつて設定
される各１周期のマルチバイブレータ２９の時定
数によつて設定されたパルス電流の重畳期間に、
台形波または三角波の基準信号Epを、パルス電
流設定用の基準信号として出力する。

なお、パルス電流の重畳周期は、たとえば1/10
sec〜1/10³secの期間に設定される。

そこで、変換器２６の変換レンジの設定にもと
づき、前述の周波数信号、矩形波信号の周波数
は、検出器２５の検出信号の変化にしたがつて10
Hz〜1KHzの範囲で可変されるように設定されて
いる。

また、マルチバイブレータ２９、波形成形器３
０は、第７図に示すように構成され、同図におい
て、２９′は単安定マルチバイブレータ集積回路
であり、トリガ端子ｉに周波数信号が入力される
とともに、外付けの時定数用の抵抗Ｒ１、コンデ
ンサＣ１によつて時定数が設定され、周波数信号
の立上りまたは立下り毎にトリガされ、抵抗Ｒ
１、コンデンサＣ１の時定数で設定された重畳期
間のパルス幅の矩形波信号を出力端子ｑから出力
する。３０′は積分用の抵抗Ｒ２、コンデンサＣ
２とともに積分回路を形成する演算増幅器であ
り、矩形波信号を積分し、矩形波信号のパルス幅
の期間に、パルス電流値として設定されたレベル
の基準信号Epを出力する。

そして、検出器２５の検出信号がアーク電圧に
比例して変化し、周波数信号の周波数が検出器２
５の検出信号に逆比例して変化するため、アーク
電圧が低くなつてアーク長が短くなるときは、周
波数信号の周波数が高くなり、パルス電流の重畳
周期が短くなり、基準信号Epが短い周期でくり
返し出力され、逆に、アーク電圧が高くなつてア
ーク長が長くなるときには、周波数信号の周波数
が低くなつて、基準信号Epの出力周期が長くな
る。

なお、マルチバイブレータ２９の時定数にもと
づき、基準信号Epの台形波または三角波の期
間、すなわち、各１周期のパルス電流の重畳期間
は、周波数信号の周波数によらず、一定になる。

さらに、比較増幅器２０によつて基準信号Eb
と基準信号Epとが加算され、このとき、ベース
電流の期間に基準信号Epが０になるため、加算
によつて形成される加算信号は、ベース電流の期
間に基準信号Ebのベース電流設定レベルになる
とともに、パルス電流の重畳期間に基準信号Ep
のレベルに基準信号Ebのレベルを加算したた重
畳電流設定レベルになり、たとえば第４図ｅの太
い実線に示すように変化する。

さらに、基準信号Eb，Epの加算信号から検出
信号がEdが減算されることにより、比較増幅器
２０の出力信号Ｖは、加算信号によつて設定され
るベース電流値、重畳電流値それぞれと供給中の
電流値との差に比例して変化する。

さらに、出力信号Ｖが入力される駆動回路１７
は、第５図に示すように発振比較器２１、増幅器
２２からなる。

ところで、発振比較器２１は第８図に示すよう
に、UJTQ１、トランジスタＱ２および発振用の
抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ
９，コンデンサＣ３からなるし張発振器２１′
と、発振器２１′の鋸波形のし張発振信号と出力
信号Ｖとを比較する比較器２１″とを用いて形成
されている。

そして、スイツチング回路１５を高周波スイツ
チングするため、発振器２１′の発振周波数が200
Hz〜2KHzの高周波に設定され、発振器２１′から
比較器２１″に、ピークレベルが出力信号Ｖより
大きく設定された第６図ａの実線のし張発振信号
が出力される。

さらに、比較器２１″は、し張発振信号と出力
信号Ｖとを比較してし張発振信号をパルス幅変調
し、し張発振信号が出力信号Ｖより低レベルにな
る期間のパルス幅に設定された変調パルスを、増
幅器２２を介してスイツチング回路１５に、駆動
制御信号として出力する。

たとえば、出力信号Ｖのレベルが第６図ａの破
線のレベルの場合、比較器２１″は同図ｂに示す
パルス幅の変調パルスを出力する。

なお、比較増幅器２０の出力レベルの設定にも
とづき、基準信号Eb，Epの加算信号と検出信号
のEdのレベル差が０のときに、出力信号Ｖのレ
ベルは、ほぼ、し張発振信号の1/2のレベルにな
る。

したがつて、駆動装置１７の出力信号は、基準
信号Eb，Epの加算信号と検出信号Edのレベル差
に比例してパルス幅が変化する第４図ｂの高周波
の駆動制御信号になる。

そして、基準信号Eb，Epの加算信号のレベル
が、ベース電流期間とベース電流、パルス電流の
重畳期間とで変化し、検出信号Edのレベルが加
算信号のレベルになるように、駆動装置１７７の
出力信号にもとづいてスイツチング回路１５のス
イツチングが制御されるため、アーク負荷に供給
される電流は、基準信号Ebによつて設定された
レベルのベース電流と、基準信号Eb，Epによつ
て設定されたレベルの重畳電流、すなわちベース
電流とパルス電流との重畳電流とに交互に変化す
るように、負帰還制御され、このとき、負帰還制
御により、アーク負荷に供給される電流は、ベー
ス電流、重畳電流それぞれに定電流制御される。

しかも、溶接中に、アーク長が短かくなり、ワ
イヤ８が母材１１に突込みすぎてアーク電圧が低
下すると、検出器２５の検出信号が低下し、変換
器２８の周波数信号の周波数が高くなつて、基準
信号Epの出力周期が短かくなり、このとき、た
とえば１秒などの単位時間当りのパルス電流の重
畳回数が多くなつてワイヤ８の溶け込み量が多く
なり、アーク長が一定に制御され、逆に、アーク
長が長くなり、アーク電圧が高くなると、周波数
信号の周波数が低くなつて単位時間当りのパルス
電流の重畳回数が少なくなり、ワイヤ８の溶け込
み量が少なくなつてアーク長が一定になり、アー
ク長が一定になるように制御される。

さらに、基準信号Epの台形波または三角波の
前、後縁の傾斜にもとづき、低電流のベース電流
から大電流の重畳電流への移行時、および重畳電
流からベース電流への移行時には、出力信号Ｖが
比較的ゆるやかに上昇、下降変化し、このため、
アーク負荷に供給される電流が比較的ゆるやかに
変化し、アーク音が低減される。

したがつて、前記実施例の場合は、定レベルの
基準信号Ebに、パルス電流の重畳期間にのみ台
形波または三角波になる基準信号Epを加算し、
基準信号Eb，Epの加算信号と検出信号Edとのレ
ベル差の比較にもとづき、スイツチング回路１５
のスイツチング動作を制御し、低電流のベース電
流とパルス電流が重畳された大電流とを交互にア
ーク負荷に供給したことにより、１つの回路を用
いてベース電流とパルス電流の重畳電流とを供給
することができ、溶接機の簡素化、低価格化およ
び軽量化が図れ、しかも、３相入力のみを用いる
ため、入力不平衡などの問題が生じることもな
い。

そして、従来の制御整流器の位相制御の代わり
に、スイツチング回路１５の高周波スイツチング
により、アーク負荷に供給する電流を制御し、か
つ、検出器１９の検出信号にもとづく負帰還制御
によつて定電流制御したことにより、ベース電流
の期間およびパルス電流の重畳期間の電流が定電
流特性に制御され、しかも、検出器２５の検出信
号にもとづき、アーク長が一定になるようにパル
ス電流の重畳周期が可変されるため、安定した均
一な溶接が行なえるとともに、電源効率などが向
上する。

そして、基準信号Ebのレベル設定、基準信号
Epの台形波または三角波の期間およびレベル設
定にもとづき、ベース電流およびパルス電流を広
い範囲に渡つて任意に可変設定することができ、
広範囲の出力調整が行なえ、種々の負荷の溶接が
行なえる。

さらに、基準信号Epの台形波または三角波の
変化により、ベース電流からパルス電流が重畳さ
れた大電流への移行時、および大電流からベース
電流への移行時に、アーク音を低減することもで
きる。

なお、前記実施例では、３相交流電源の場合で
説明したが、単相交流電源の場合でも同様の効果
が得られる。さらに前記実施例では、電圧検出器
２５がアーク電圧を検出しているが、スイツチン
グ回路１５の出力電圧を検出してもよい。

〔発明の効果〕 以上のように、この発明のパルスアーク溶接機
によると、ベース電流、パルス電流設定用の基準
信号の加算信号と電流検出器の検出信号とのレベ
ル差にもとづき、駆動装置からスイツチング回路
に出力される駆動制御信号のパルス幅を可変して
スイツチング回路の動作を制御し、低電流のベー
ス電流およびパルス電流が重畳された大電流を交
互に負荷に供給し、かつ、電圧検出器の検出信号
にもとづき、アーク長の変動に応じてパルス電流
の重畳周期を可変したことにより、１つの回路を
用いて形成することができ、溶接機の簡素化、低
価格化および軽量化が図れるとともに、電源入力
の不平衡などの問題が生じることもなく、位相制
御によつて負荷に供給する電流を制御する場合な
どに比して電源効率などが向上する。

そして、電源検出器の検出信号を用いた負帰還
制御によつて負荷に供給される電流が定電流制御
され、しかも、電圧検出器の検出信号にもとづく
パルス電流の重畳周期の制御によつてアーク長が
一定に制御されるため、負荷および溶接状況によ
らず、安した均一な溶接が行なえ、溶接性能が向
上する。

また、両基準信号の調整にもとづき、ベース電
流およびパルス電流のレベルを広範囲に可変設定
することができ、広範囲の出力調整を行なつて
種々の負荷の溶接を行なうことができる。

さらに、第２の基準信号の台形波または三角波
の傾斜にもとづき、ベース電流からパルス電流の
重畳された大電流への移行時、および大電流から
ベース電流への移行時の出力電流または出力電圧
の変化を比較的ゆるやかにし、アーク音を低減す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパルスアーク溶接機の結線図、
第２図は第１図の電流波形図、第３図はこの発明
のパルスアーク溶接機の１実施例の結線図、第４
図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは第３図の各部の波形図、
第５図は第３図の駆動装置のブロツク結線図、第
６図ａ，ｂは第５図の動作説明用の波形図であ
る、、第７図、第８図は第３図、第５図それぞれ
の一部の詳細な結線図である。 １…交流電源、１３…整流器、１５…スイツチ
ング回路、１６…リアクトル、１７…駆動装置、
１８…フライホイルダイオード、１９…電流検出
器、２０…第１の比較増幅器、２３…ベース電流
用基準電源、２４…パルス電流供給制御装置、２
６…溶接出力設定用基準電源、２７…第２の比較
増幅器、２８…電圧―周波数変換器、２９…単安
定マルチバイブレータ、３０…波形成形器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流電流を整流する整流器と、該整流器の出
   力をスイツチングして間欠出力するスイツチング
   回路と、該スイツチング回路よりの出力を平滑し
   て負荷に供給する直流リアクトルと、該直流リア
   クトルの蓄積エネルギを負荷に回生するフライホ
   イルダイオードと、前記スイツチング回路の駆動
   を制御して前記負荷にベース電流とパルス電流が
   重畳された大電流とを交互に供給させる駆動装置
   とを備えたパルスアーク溶接機において、 負荷電流を検出する電流検出器と、 前記負荷のアーク電圧または前記スイツチング
   回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、 ベース電流設定用の定レベルの基準信号を出力
   するベース電流用基準電源と、 前記電圧検出器の検出信号のレベルに逆比例し
   て周波数が変化するパルス電流の重畳周期設定用
   の周波数信号を形成する電圧―周波数変換手段
   と、 前記周波数信号の周波数によつて設定された各
   １周期の設定されたパルス電流の重畳期間に台形
   波または三角波のパルス電流設定用の基準信号を
   形成する波形成形手段と、 前記両電流設定用の基準信号の加算信号と前記
   電流検出器の検出信号とのレベル差の信号を出力
   する比較増幅器とを備えるとともに、 前記駆動装置に、ピークレベルが前記増幅器の
   出力レベルより大きく設定された高周波のし張発
   振信号を発生する発振手段と、前記増幅器の出力
   信号によつて前記発振信号をパルス幅変調し、前
   記発振信号が前記増幅器の出力信号より低レベル
   になる期間のパルス幅に設定された変調パルスを
   前記スイツチング回路の駆動制御信号として出力
   する変調手段とを設けた ことを特徴とするパルスアーク溶接機。