JPS6247104B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、安定してアークを発生させるとと
もに、溶接負荷を構成する母材の極性のマイナス
時における母材表面のクリーニング作用によるク
リーニング幅およびプラス時における母材への溶
加材の溶け込み量の調整を、精密に行なうことが
できるようにしたアーク溶接機に関する。

一般に、交流電源からの電流による交流アーク
溶接機によりアーク溶接を行なう場合、溶接負荷
を流れる溶接電流が交番して半周期ごとに極性を
反転することにより、溶接電流が１周期に２度零
になり、アークが瞬間的に遮断されるため、アー
クを再点弧させてアークを持続するようにしなけ
ればならない。

しかし、酸化しやすい金属、たとえば、アルミ
ニウム材を非消耗性電極である母材として使用す
る場合、アルミニウムの電極の極性がマイナスに
なる一方の半周期では、母材表面の酸化皮膜が除
去される、いわゆるクリーニング作用はあるが、
電子放出が良好でないため、アークの再点弧が容
易でないという欠点がある。

そこで、溶接電流を矩形波状にし、アークの再
点弧を容易にすることが行なわれており、これら
の手段によるアーク溶接機は、たとえば第１図に
示すように構成されており、ta，tbは交流電源
（図示せず）に接続される入力端子、１は両端が
それぞれ入力端子ta，tbに接続された１次巻線１
ａと２次巻線１ｂとからなる溶接変圧器、２は同
一の鉄心に巻回され磁気的に結合された第１、第
２巻線２ａ，２ｂからなるリアクトルであり、第
１巻線２ａの巻終り側の端部と第２巻線２ｂの巻
始め側の端部とが変圧器１の２次巻線１ｂの一端
に接続され、交流電源からの電流により変圧器１
の２次巻線１ｂに誘起される正弦波の電圧を矩形
波状にする。３は一端がリアクトル２の第１巻線
２ａの巻始め側の端部に接続されたサイリスタ等
の第１制御整流素子、４は一端および他端がそれ
ぞれ第１制御整流素子３の他端およびリアクトル
２の第２巻線２ｂの巻終り側の端部に接続された
サイリスタ等の第２制御整流素子、５は一端が第
１、第２制御整流素子３，４の接続点であるＡ点
に接続されたカツプリングコイルであり、アーク
スタート時に溶接負荷間に高周波電源（図示せ
ず）からの高周波高電圧を印加し、アークスター
ト特性を改善するとともに再点弧を容易にする。
６，７はそれぞれカツプリングコイル５の他端お
よび変圧器１の２次巻線１ｂの他端に接続された
電極および母材であり、当該電極６および母材７
から溶接負荷８が構成される。なお、第１図中
の・印は、コイルの巻始めを示す。

そして、第１制御整流素子３が、変圧器１の２
次巻線１ｂの両端間に生ずる正弦波状の無負荷電
圧の正の半波の立上りより、制御角αだけ遅れて
オンされると、第２図ａに示すように、Ａ点と母
材７との間には正弦波の正の半波の立上りが一部
欠落した波形の電圧が印加され、当該電圧により
溶接負荷８には、電極６をプラスとする溶接電流
が流れる。さらに、前記電流により、リアクトル
２にLdi／dtで表わされる起電力が生じ、エネル
ギが蓄積されるとともに、当該起電力が変圧器１
の２次巻線１ｂの両端間電圧より高くなると、リ
アクトル２に蓄積されたエネルギによる溶接電流
が流れ始め、同図ａに示すように、交流電源によ
る変圧器１の２次電圧が極性を反転する際にＡ点
と母材７との間の電圧が零になり、制御角αだけ
遅れて第２制御整流素子４がオンするまでの時間
Ｔ１においても、前記の蓄積エネルギによる溶接
電流が流れ続ける。

したがつて、第１制御整流素子３がオンしてい
る期間、溶接負荷８には、第２図ｂに示すよう
に、電極６をプラスとするほぼ矩形波状の溶接電
流が流れる。

一方、第２制御整流素子４がオンすることによ
り、リアクトル２に前記とは逆極性の起電力が生
じるため、第１制御整流素子３がオフし、前記と
同様の動作により、第２図ａに示すように、Ａ点
と母材７との間に正弦波の負の半波の立上りが一
部欠落した波形の電圧が印加され、当該電圧およ
びリアクトル２に蓄積されたエネルギにより、同
図ｂに示すように、溶接負荷８には母材７をプラ
スとするほぼ矩形波状の溶接電流が流れる。

したがつて、リアクトル２および両制御整流素
子３，４を設けたことにより溶接電流が第２図ｂ
に示すように、商用周波数で交番する矩形波状の
電流となるが、溶接電流を所定値にするために両
制御整流素子３，４の位相制御角αがある程度の
大きさになるように両制御整流素子３，４を位相
制御する必要があり、制御角αが大きくなること
により、溶接負荷８に印加される電圧が零となる
休止区間が長くなり、この休止区間中の溶接電流
を補償するため、大容量のリアクトル２が必要と
なる。

また、溶接負荷８を流れる溶接電流が商用周波
数で交番するため、母材７がマイナス時のクリー
ニング作用によるクリーニング幅および母材７が
プラス時の溶加材の母材７への溶け込み量の調整
を精密に行なうことができない。

この発明は、前記の点に留意してなされたもの
であり、つぎにこの発明をその実施例を示した図
面とともに詳細に説明する。

まず、１実施例を示した第３図および第４図に
ついて説明する。

それらの図面において、９は交流電源（図示せ
ず）からの交流を整流し平滑した直流を後述の溶
接負荷に供給する直流電源、Ｑ１はコレクタが電
源９の正端子に接続された第１スイツチング素子
であるNPN型の第１トランジスタ、１０は第１
トランジスタＱ１のエミツタに接続された電極、
１１は電極１０とともに溶接負荷１２を構成する
母材、１３は一端が母材１１に接続され高周波電
源（図示せず）からの高周波高電圧を溶接負荷１
２に印加してアークスタート特性を改善するカツ
プリングコイル、１４は同一の鉄心に巻回され磁
気的に結合された第１、第２巻線１４ａ，１４ｂ
からなるリアクトルであり、第１巻線１４ａの一
端および第２巻線１４ｂの一端がカツプリングコ
イル１３の他端にそれぞれ接続されている。Ｑ２
はコレクタおよびエミツタがそれぞれリアクトル
１４の第１巻線１４ａの他端および電源９の負端
子に接続された第２スイツチング素子である
NPN型の第２トランジスタであり、第１トラン
ジスタＱ１、溶接負荷１２、コイル１３、リアク
トル１４および第２トランジスタＱ２からなる直
列回路が電源９の正、負端子間に接続されて第１
溶接回路Ｗ１が構成されている。

Ｑ３はコレクタおよびエミツタがそれぞれ電源
９の正端子およびリアクトル１４の第２巻線１４
ｂの他端に接続された第３スイツチング素子であ
るNPN型の第３トランジスタ、Ｑ４はコレクタ
およびエミツタがそれぞれ電極１０および電源９
の負端子に接続された第４スイツチング素子であ
るNPN型の第４トランジスタであり、第３トラ
ンジスタＱ３、リアクトル１４、コイル１３、溶
接負荷１２および第４トランジスタＱ４からなる
直列回路が電源９の正、負端子間に接続されて第
２溶接回路Ｗ２が構成されている。Ｄ１〜Ｄ４は
それぞれ各トランジスタＱ１〜Ｑ４に逆並列接続
されたダイオードである。なお各トランジスタＱ
１〜Ｑ４のベースは制御装置（図示せず）に接続
され、制御装置からの制御信号である電流信号に
より、各トランジスタＱ１〜Ｑ４のスイツチング
動作が制御されている。

つぎに、前記実施例の動作について説明する。

まず、制御装置から第１、第４トランジスタＱ
１，Ｑ４に500Hzないし20KHzの高周波の制御信
号を出力し、第２、第３トランジスタＱ２，Ｑ３
に商用周波数ないし1KHzの低周波で、かつ前記
高周波よりも低い周波数の制御信号を出力すると
ともに、第１、第２トランジスタＱ１，Ｑ２およ
び第３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４に出力され
る制御信号の立上りをそれぞれ同期させ、制御装
置からの第２トランジスタＱ２への出力と第３ト
ランジスタＱ３への出力を交互に行なう場合につ
いて説明する。

いま、制御装置から第１、第２トランジスタＱ
１，Ｑ２のベースに、第４図ａ，ｂに示すような
高周波および低周波の制御信号を出力すると、第
１トランジスタＱ１が高周波でオン、オフを繰り
返すとともに、第２トランジスタＱ２がオンし、
第１トランジスタＱ１のオン期間に第１溶接回路
Ｗ１に電源９からの電流が流れ、溶接負荷１２に
第１トランジスタＱ１のオンによる電極１０をプ
ラスとするパルス状の溶接電流が流れるととも
に、該電流によりリアクトル１４等に起電力が生
じ、コイル１３、リアクトル１４の第１巻線１４
ａおよび配線インダクタンスにLdi／dtのエネル
ギ第３図に示す極性と逆極性にが蓄積され、第１
トランジスタＱ１のオフ期間に前記蓄積エネルギ
が同図に示す極性と同一極性に反転するととも
に、第２トランジスタＱ２、第４ダイオードＤ４
を介して溶接負荷１２に回生され、溶接負荷１２
にリアクトル１４の第１巻線１４ａ等の蓄積エネ
ルギによる電極１０をプラスとする溶接電流が流
れる。したがつて、溶接負荷１２には、第２トラ
ンジスタＱ２がオンしている期間、電源９からの
電流とリアクトル１４等の蓄積エネルギによる電
流との合成による溶接電流が供給される。

つぎに、第１、第２トランジスタＱ１，Ｑ２が
オフしたのちに、制御装置から第４、第３トラン
ジスタＱ４，Ｑ３のベースに、それぞれ第４図
ｃ，ｄに示すような高周波および低周波の制御信
号を出力すると、第４トランジスタＱ４が高周波
でオン、オフを繰り返すとともに、第３トランジ
スタＱ３がオンし、第４トランジスタＱ４のオン
期間に第２溶接回路Ｗ２に電源９からの電流が流
れ、溶接負荷１２に第４トランジスタＱ４のオン
による母材１１をプラスとするパルス状の溶接電
流が流れるとともに、該電流によりリアクトル１
４等に起電力が生じ、リアクトル１４の第２巻線
１４ｂ、コイル１３および配線インダクタンスに
Ldi／dtのエネルギが第３図に示す極性と同一極
性に蓄積され、第４トランジスタＱ４のオフ期間
に前記蓄積エネルギが同図に示す極性と逆極性に
反転するとともに、第１ダイオードＤ１、第３ト
ランジスタＱ３を介して溶接負荷１２に回生さ
れ、溶接負荷１２にリアクトル１４の第２巻線１
４ｂ等の蓄積エネルギによる母材１１をプラスと
する溶接電流が流れ、溶接負荷１２には、第３ト
ランジスタＱ３がオンしている期間、電源９から
の電流とリアクトル１４等の蓄積エネルギによる
電流との合成による溶接電流が供給される。

したがつて、溶接負荷１２には、第４図ｅに示
すように、電極１０をプラスとしたほぼ矩形波状
の交番溶接電流が流れ、アーク溶接が行なわれ
る。このとき、同図ｅの溶接電流の正、負の各パ
ルス間に、電流値が零となる期間があるが、この
零期間は、制御装置により設定された第２トラン
ジスタＱ２のオフと第３トランジスタＱ３のオン
との約100マイクロ秒程度のタイミングのずれに
よるものであり、当該両トランジスタＱ２，Ｑ３
のオフおよびオンが同時に行なわれることにより
瞬間的に電源９の両端が短絡され、トランジスタ
等が破壊されることを防止するために設定されて
おり、この零期間によりアークが瞬間的に切れる
が、零期間後の溶接電流の立上りが急峻であるた
め、アークの再点弧が容易に行なわれる。

すなわち、たとえば前記したように、第１トラ
ンジスタＱ１のオフにより、リアクトル１４の第
１巻線１４ａに電源９からの電流による第３図に
示すような極性の起電力が生じるとともに、第１
巻線１４ａに磁気的に結合された第２巻線１４ｂ
にも同一極性の起電力が生じ、第１、第２トラン
ジスタＱ１，Ｑ２のスイツチングによる電流が零
となつたとき、第２巻線１４ｂに同図に示す極性
と逆極性の起電力が誘起した状態となる。そし
て、約100マイクロ秒後に第３、第４トランジス
タＱ３，Ｑ４のオンにより第２溶接回路Ｗ２に流
れる電源９からの電流に、前記第２巻線１４ｂの
起電力による電流が加算されることになり、第
３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４のスイツチング
により溶接負荷１２に流れる電流の立上りが急峻
となり、アークの再点弧が容易に行なわれる。ま
た、第３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４のスイツ
チングによる電流から第１、第２トランジスタＱ
１，Ｑ２のスイツチングによる電流へ溶接電流が
反転する際も、同様の動作によりアークの再点弧
が容易に行なわれる。

なお、第１、第４トランジスタＱ１，Ｑ４およ
び第２、第３トランジスタＱ２，Ｑ３をそれぞれ
高周波および低周波でスイツチングさせる場合、
第１、第４ダイオードＤ１，Ｄ４が蓄積エネルギ
を溶接負荷１２に回生するフライホイルダイオー
ドとして動作するとともに、第２、第３ダイオー
ドＤ２，Ｄ３は過電圧防止用ダイオードとして動
作する。

つぎに、前記の第１、第４トランジスタＱ１，
Ｑ４および第２、第３トランジスタＱ２，Ｑ３を
それぞれ高周波および低周波でスイツチングさせ
る制御装置の制御状態から、第１トランジスタＱ
１および第２トランジスタＱ２をそれぞれ低周波
および高周波でスイツチングさせるようにする
と、第２トランジスタＱ２のオン期間に、第３図
に示す極性と逆極性にリアクトル１４の第１巻線
１４ａに起電力が誘起し、第２トランジスタＱ２
のオフ時に、第１巻線１４ａに誘起した起電力が
同図に示す極性と同一極性に反転し、この起電力
により第２巻線１４ｂに同図に示す極性と同一極
性の起電力が誘起し、当該第２巻線１４ｂの起電
力およびコイル１３、配線インダクタンスに生じ
た起電力による電流が、第３ダイオードＤ３およ
び第１トランジスタＱ１を介して溶接負荷１２に
流れる。そして、この場合、第１、第３ダイオー
ドＤ１，Ｄ３が交互に過電圧防止用ダイオードま
たはフライホイルダイオードとして動作するとと
もに、第２、第４ダイオードＤ２，Ｄ４が常に過
電圧防止用ダイオードとして動作し、第４図ｅに
示すような溶接電流が溶接負荷１２に供給され
る。

さらに、前記の第１、第４トランジスタＱ１，
Ｑ４および第２、第３トランジスタＱ２，Ｑ３を
それぞれ高周波および低周波でスイツチングさせ
る制御装置の制御状態から、第３トランジスタＱ
３および第４トランジスタＱ４をそれぞれ高周波
および低周波でスイツチングさせるようにする
と、第３トランジスタＱ３のオン期間に、第３図
に示す極性と同一極性にリアクトル１４の第２巻
線１４ｂに起電力が誘起し、第３トランジスタＱ
３のオフ時に、第２巻線１４ｂに誘起した起電力
が同図に示す極性と逆極性に反転し、この起電力
により第１巻線１４ａに同図に示す極性と逆極性
の起電力が誘起し、当該第１巻線１４ａの起電力
およびコイル１３、配線インダクタンスに生じた
起電力による電流が、第４トランジスタＱ４およ
び第２ダイオードＤ２を介して溶接負荷１２に流
れる。そして、この場合、第２、第４ダイオード
Ｄ２，Ｄ４が交互に過電圧防止用ダイオードまた
はフライホイルダイオードとして動作するととも
に、第１、第３ダイオードＤ１，Ｄ３が常に過電
圧防止用ダイオードとして動作し、第４図ｅに示
すような溶接電流が溶接負荷１２に供給される。

したがつて、前記実施例によると、安定したア
ークを発生させることができるとともに、制御装
置により、第１、第２トランジスタＱ１，Ｑ２の
スイツチングによる電流と第３、第４トランジス
タＱ３，Ｑ４のスイツチングによる電流との通電
時間の比を適宜変化させることができ、溶接負荷
１２の母材１１がマイナス時のクリーニング作用
によるクリーニング幅および母材１１がプラス時
の溶加材の母材１１への溶け込み量の調整を精密
に行なうことができる。

さらに、両溶接回路Ｗ１，Ｗ２の各トランジス
タＱ１〜Ｑ４のうち、高周波でスイツチング動作
を繰り返すトランジスタのスイツチング周波数を
変化させることにより、溶接電流を小電流から大
電流まで任意に調整することができる。

また、各トランジスタＱ１〜Ｑ４が高周波およ
び低周波でスイツチングされているため、高周波
でスイツチングするトランジスタのオフ期間が短
く、溶接負荷１２に溶接電流を補償するリアクト
ル１４を従来のように大容量のものを使用する必
要がなく、リアクトル１４を小型化することがで
きる。

つぎに、他の実施例を示した第５図について説
明する。

同図において、第３図と同一記号は同一のもの
を示し、第３図と異なる点は、交流を整流し平滑
した直流高電圧を供給する直流高圧電源１５の負
端子を電源９の負端子に接続し、高圧電源１５の
正端子に限流用抵抗１６を介してスイツチング用
のNPN型の第５、第６トランジスタＱ５，Ｑ６
のコレクタを接続するとともに、両トランジスタ
Ｑ５，Ｑ６のエミツタをそれぞれ電極１０および
カツプリングコイル１３の他端に接続し、両トラ
ンジスタＱ５，Ｑ６のベースを制御装置に接続
し、制御装置により、アークスタート時にそれぞ
れ第１、第２溶接回路Ｗ１，Ｗ２の各トランジス
タＱ１〜Ｑ４のうち低周波でスイツチングするト
ランジスタへの制御信号に同期した制御信号を、
第５、第６トランジスタＱ５，Ｑ６のベースに出
力して両トランジスタＱ５，Ｑ６をスイツチング
させ、溶接負荷１２に高圧電源１５からの直流高
電圧を印加し、アークスタート特性をさらに改善
するようにした点である。

したがつて、前記実施例によると、アークスタ
ート時のアークの発生はもちろん、溶接負荷１２
に供給される溶接電流の極性反転による正、負の
各電流の立上り時のアークの再点弧を、さらに容
易に行なうことができ、たとえばTIG溶接におけ
るアークスタート特性を向上することができる。

なお、第６図に示すように、互いに磁気的に結
合されたリアクトル１７の第１、第２巻線１７
ａ，１７ｂをそれぞれ第１、第２溶接回路Ｗ１，
Ｗ２内に分割して設けてもよい。また、リアクト
ルが２個以上の互いに磁気的に結合された複数個
の巻線からなるものであつてもよい。

以上のように、この発明のアーク溶接機は、直
流電源の両端間に第１スイツチング素子、溶接負
荷および第２スイツチング素子からなる直列回路
が接続されて形成された一方の溶接回路と、前記
直流電源の両端間に第３スイツチング素子、前記
溶接負荷および第４スイツチング素子からなる直
列回路が接続されて形成され前記溶接負荷に前記
一方の溶接回路と逆方向の溶接電流を供給する他
方の溶接回路と、前記両溶接回路内にそれぞれ設
けられ磁気的に結合されたリアクトルと、前記各
スイツチング素子にそれぞれ逆並列に接続された
ダイオードと、前記各スイツチング素子のスイツ
チング制御を行なつて前記両溶接回路の通電を交
互に切り換える制御装置とを備えたことを特徴と
するものである。

したがつて、この発明によると、安定してアー
クを発生させることができるとともに、溶接負荷
を構成する母材の極性のマイナス時における母材
表面のクリーニング作用によるクリーニング幅お
よびプラス時における母材への溶加材の溶け込み
量の調整を精密に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアーク溶接機の結線図、第２図
は第１図の動作説明用タイミングチヤートであ
り、ａはＡ点と母材との間の電圧、ｂは溶接電流
の各波形図、第３図以下の図面はこの発明のアー
ク溶接機の実施例を示し、第３図は１実施例の結
線図、第４図は第３図の動作説明用タイミングチ
ヤートであり、ａ〜ｄは各トランジスタのベース
に出力される制御信号、ｅは溶接電流をそれぞれ
示し、第５図および第６図はそれぞれ他の実施例
の結線図である。 ９……直流電源、Ｑ１〜Ｑ４……第１〜第４ト
ランジスタ、１２……溶接負荷、Ｗ１，Ｗ２……
第１、第２溶接回路、１４，１７……リアクト
ル、Ｄ１〜Ｄ４……ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源の両端間に第１スイツチング素子、
   溶接負荷および第２スイツチング素子からなる直
   列回路が接続されて形成された一方の溶接回路
   と、前記直流電源の両端間に第３スイツチング素
   子、前記溶接負荷および第４スイツチング素子か
   らなる直列回路が接続されて形成され前記溶接負
   荷に前記一方の溶接回路と逆方向の溶接電流を供
   給する他方の溶接回路と、前記両溶接回路内にそ
   れぞれ設けられ磁気的に結合されたリアクトル
   と、前記各スイツチング素子にそれぞれ逆並列に
   接続されたダイオードと、前記各スイツチング素
   子のスイツチング制御を行なつて前記両溶接回路
   の通電を交互に切り換える制御装置とを備えたこ
   とを特徴とするアーク溶接機。