JPS6247105B2 - - 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、母材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、ある側御角だけ遅れ
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で表わされる起動力が生じ、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、前記制御角
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、前記制御角が大きくなること
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。さらに、通常、
母材７がプラス時の溶接電流が、マイナス時より
も大きくなり、変圧器１に偏磁が生じるため、変
圧器１を大容量のものにしなければならない。

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流、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
Ｑ１〜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、制御装置により、第１、第２トランジス
タＱ１，Ｑ２のスイツチングと第３、第４トラン
ジスタＱ３，Ｑ４のスイツチングとを、商用周波
数ないし1KHzの低周波で交互に行ない、第１、
第２溶接回路Ｗ１，Ｗ２の通電を前記低周波で切
換えるとともに、オン期間がオフ期間よりも長
く、かつ、各溶接回路Ｗ１，Ｗ２の一方のトラン
ジスタのオン期間の中間時に他方のトランジスタ
がオフするように、前記制御装置により第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を、前記低周波よりも高い
500Hzないし20KHzの高周波でスイツチングさせ
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
高周波の制御信号を出力すると、第１、第２トラ
ンジスタＱ１，Ｑ２が高周波でオン、オフを繰り
返すとともに、第１、第２トランジスタＱ１，Ｑ
２がともにオンしている期間に第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１４ａおよ
び配線インダクタンスにLdi／dtのエネルギが、
第３図に示す極性と逆極性に蓄積され、第２トラ
ンジスタＱ２がオンし、第１トランジスタＱ１の
オフしている期間に前記蓄積エネルギが、第３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およびフライホイルダイオード
である第４ダイオードＤ４を介して溶接負荷１２
に回生され、第４図ｅに示すように、溶接負荷１
２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。

一方、第１トランジスタＱ１がオンし、第２ト
ランジスタＱ２がオフしている期間には、前記し
たように、両トランジスタＱ１，Ｑ２がともにオ
ンしている期間にリアクトル１４の第１巻線１４
ａに生じた起電力が、第３図に示す極性と同一極
性に反転するとともに、当該起電力により、リア
クトル１４の第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、この第２巻線１４ｂ
の起電力による電流がフライホイルダイオードで
ある第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に回生され、第４図ｅ
に示すように、溶接負荷１２にリアクトル１４の
第２巻線１４ｂ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１、第２トランジスタＱ
１，Ｑ２がスイツチングする間、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。このと
き、フライホイールダイオードとして動作するダ
イオード以外は、逆流防止用ダイオードとして動
作する。

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の制御信号を出力する
と、第３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４が高周波
でオン、オフを繰り返すとともに、第３、第４ト
ランジスタＱ３，Ｑ４がともにオンしている期間
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１４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３トランジスタＱ３
がオンし、第４トランジスタＱ４がオフしている
期間に前記蓄積エネルギが、第３図に示す極性と
逆極性に反転するとともに、フライホイルダイオ
ードである第１ダイオードＤ１および第３トラン
ジスタＱ３を介して溶接負荷１２に回生され、第
４図ｅに示すように、溶接負荷１２にリアクトル
１４の第２巻線１４ｂ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る。

一方、第４トランジスタＱ４がオンし、第３ト
ランジスタＱ３がオフしている期間には、前記し
たように、両トランジスタＱ３，Ｑ４がオンして
いる期間にリアクトル１４の第２巻線１４ｂに生
じた起電力が、第３図に示す極性と逆極性に反転
するとともに、当該起電力により、リアクトル１
４の第１巻線１４ａに同図に示す極性と逆極性の
起電力が誘起し、この第１巻線１４ａの起電力に
よる電流が、第４トランジスタＱ４およびフライ
ホイルダイオードである第２ダイオードＤ２を介
して溶接負荷１２に回生され、第４図ｅに示すよ
うに、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母材１１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３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４が
スイツチングする間、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。このとき、フライホ
イルダイオールとして動作するダイオード以外
は、逆流防止用ダイオードとして動作する。

そして、これらの動作により、溶接負荷１２に
は、第４図ｆ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ｆの溶接電流
の正、負の各パルス間に、各トランジスタＱ１〜
Ｑ４のスイツチングの半周期に相当する電流値が
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１トランジスタＱ１のオフと
第４トランジスタＱ４のオン、および第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Ｑ１，Ｑ４
および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、制御装置から第１ないし第４トランジス
タＱ１〜Ｑ４のベースに、それぞれ第４図ｂ，
ａ，ｃ，ｄに示す制御信号を出力し、溶接回路Ｗ
１およびＷ２の各トランジスタＱ１，Ｑ２および
Ｑ３，Ｑ４を前記と逆の順序でスイツチングさせ
てもよい。

したがつて、前記実施例によると、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Ｑ
３，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ととも
に、リツプルの少ない溶接電流を得ることがで
き、良好な溶接を行なうことができる。

さらに、第１、第２トランジスタＱ１，Ｑ２ま
たは第３、第４トランジスタＱ３，Ｑ４のいずれ
かのみを高周波でスイツチングさせることによ
り、交直切換器を設けることなく、直流アーク溶
接機として使用することができる。

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電圧電源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の通電の切換え
を行なう低周波で、かつ、各トランジスタＱ１〜
Ｑ４のうち遅れてスイツチングを開始するトラン
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設けられそ
れぞ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低
周波で交互に切り換える制御装置とを備えたアー
ク溶接機において、前記制御装置に、前記各スイ
ツチング素子のオン期間をオフ期間よりも長く、
かつ、前記各溶接回路における一方の前記スイツ
チング素子のオン期間の中間時に他方の前記スイ
ツチング素子をオフする制御の機能を付加したこ
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、安心してアー
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はリアクトル等に蓄積
されたエネルギの回生時に溶接負荷に流れる電
流、ｆ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設
   けられそれぞ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
   の通電を低周波で交互に切り換える制御装置とを
   備えたアーク溶接機において、前記制御装置に、
   前記各スイツチング素子のオン期間をオフ期間よ
   りも長く、かつ前記各溶接回路における一方の前
   記スイツチング素子のオン期間の中間時に他方の
   前記スイツチング素子をオフする制御の機能を付
   加したことを特徴とするアーク溶接機。