JPS63155B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は純直流成分と高周波パルス成分とから
なる直流電流に基づいて溶接作用をなすアーク溶
接機の電流制御指令発生装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、鉄、アルミニウム材等の導電材のアーク
溶接において美しいビートが迅速に形成されるこ
と、溶接部の結晶粒も微細化されて強度を増すこ
と等に関連して高周波パルスアーク溶接が広く採
用されるようになつた。ところが、この高周波パ
ルスアーク溶接は高周波断続電流をもたらすため
のスイツチング素子が容量増大に伴つてコストが
増大し、かつ素子自身での電力損失が大となる傾
向を有する。これを１具体例について説明する
と、溶接機の実効配線インダクタンスＬは少なく
とも９〜10μHはあり、高周波スイツチオン時ア
ークを含めた配線にかかる電圧を100Vとした場
合、 di／dt＝100−Ea／Ｌexp（−Rt／Ｌ） で与えられる。ここに、Ｒは配線等価抵抗、ｉは
電流、Eaはヨーク電圧を表わす。今、計算を容
易にするためＲ＝０、アーク電圧10V、インダク
タンスＬ＝9μHとすると、di／dt＝90／９＝
10A／μsとなる。従つて、パルス電流が直線的に
変化するものと仮定すると、そのピーク値Ipは
20kHzにてIp＝25μs×10A／μs＝250Aとなる。こ
のとき平均電流は100A程度となるが、これを高
周波パルス電流のみで200Aに増すことを考える
と、電源電圧が200V程度必要となり、ひいては
損失がほぼ電圧ないし高周波パルス電流の２乗に
比例し、著しく高周波パルス溶接機の効率を低下
させ、高周波パルス電流を生ぜしめるトランジス
タ等のスイツチング素子の電流容量上昇に伴うコ
ストアツプを生じ、電流発生源のコストアツプを
来す。従つて、100Aの高周波パルス電流に対し、
ほぼ２倍程度の純直流成分を重畳追加して上記高
周波パルス電流による溶接効果を損わない範囲に
て溶接電流出力定格を向上させる手段が採られて
いる。即ち、第１図イに示すような高周波パルス
電流に対して第１図ロに示すような純直流電流を
重畳して第１図ハに示すような電流をアーク溶接
機より流すようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、高周波パルス電流と純直流電流
との重畳手段は例えば高周波パルス電流が量的に
所要平均電流に比して不足していることを何らか
の手段により検出して適当量の純直流成分を加え
るといつたことがなされており、総合電流ないし
高周波電流成分を独立して調整する方法ないし装
置は未だ開発されていない。従つて、溶接の仕上
り状態を最適に制御できない欠点があつた。この
ために、たとえばパイプ形成に際しての長手方向
への溶接において最適の状態において溶接を行つ
ていくことができにくかつた。

即ち、従来周知の溶接電流が純直流電流のみの
DC.TIG溶接では、溶接箇所の状態を示す第２図
イのように被溶接材１ａ，１ｂに対して斜線を施
したような溶解部が生じ、これが後に固化して完
全な被溶接材１ａ，１ｂの接合を達成する。この
DC.TIG溶接においてはアークの広がりと関連し
て集中加熱がしにくく、溶解表面積が大きいとと
もに直接アークに接しない溶接箇所裏面の形状
（以下、裏波と略称する）の高さl₁がごく僅かで
殆んど生じない。従つて、裏面のねじ切、嵌合等
においては好都合なるも強度的に問題がある。

一方、溶接電流が高周波パルス電流だけの高周
波パルス溶接では高周波パルス電流により電流の
断続が生じ、これによつて電磁的ピンチ効果が有
効に働き、アーク柱の収縮作用が生じ、同一平均
電流の場合において、入熱が集中するため、溶け
込み比率（溶接深さ／表面ビート）が増大する。
よつて、第２図ロニ示すように斜線で示す溶解部
が生じ、これが固化して接合するものであるが、
裏波の高さl₂がかなりの値に達し、当該裏波が嵌
合ないしねじ切等において支障を来すおそれがあ
つた。

以上、第２図イ，ロに基づく溶接結果の説明か
ら明らかのように溶接強度が強く、かつ裏波の高
さを最適にする溶接状態は第２図イ，ロの中間の
形態において存在することが明らかである。

このような考案を基に被溶接部の溶接形態を観
察しつつ、高周波パルス電流と純直流電流との配
合比を制御できれば最適の溶接状態を常に得られ
ることがわかる。

ところが、この高周波パルス電流と純直流電流
の配合比を制御することは電源容量の規制と関連
してかなり面倒で、具体的には被溶接部の溶接形
態を観察しつつ高周波パルス電流成分と純直流電
流成分の合計２個のつまみをそれぞれの電源容量
を考慮しつつ総合電流をほぼ一定に保ちながら同
時に調整しなければならず、実質的に不可能であ
つた。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明の目的は高周波パルス電流及び純直流電
流の各電源の容量の範囲内にて各電流源の総合電
流の制御はもとより総合電流を一定に保つた状態
にて高周波パルス電流成分を制御することにより
高周波パルス電流と純直流電流の配合比を唯一個
のつまみの調整に基づいて自在に得ることにあ
る。

〔実施例〕

以下、図面を参照のもとに本発明に係る装置に
ついて具体的に説明する。第３図は本発明の実施
例を示す装置の原理図で、同図において、２は高
周波パルス電流発生装置で、制御指令Ihoに比例
した高周波パルス電流Ih（平均電流値を示す）を
出力する構成をなし、この高周波パルス電流Ihは
トランジスタの断続制御等の周知手段により得ら
れるものとする。３は純直流電流発生装置で、制
御指令Idoに比例した純直流電流Idを出力する構
成をなしている。４は電流制御回路で、上記高周
波パルス電流発生装置２及び純直流電流発生装置
３それぞれへの制御入力指令Iho，Idoを供給する
作用をなし、その構成の詳細については後述す
る。５は磁極で、アースケーブル６を介して高周
波パルス電流発生装置２及び純直流電流発生装置
３それぞれのアース端子２ｂ，２ｃに接続され
る。７は被溶接剤で、その溶接箇所７ａが電極５
に対向すべく配置される。８はトーチケーブル
で、被溶接剤７から高周波パルス電流発生装置
２、純直流電流発生装置３の各電流供給端子２
ａ，２ｂに接続される。

さて、本発明に係る方法を実施するための主た
る構成要素としての働きをなす電流制御回路４に
ついて説明すると、４a₁，４a₂は設定器で、それ
ぞれ独自のアナログ量を可変出力するように構成
されている。今、設定器４a₁の出力を高周波パル
ス電流指令Iho′とし、設定器４a₂の出力を高周波
パルス電流と純直流電流との総合電流指令Itoと
する。４ｂは加算器で、上記各設定器４a₁，４a₂
からの各指令Iho′，Itoを図示の極性にて入力の
うえ演算し出力指令Ido′＝（Ito−Iho′）を得る。
そして、この出力指令Ido′は演算増幅器OP₁（こ
こでは増幅度１とする）及びリミツタ回路４Ｃを
順次介して純直流指令Idoを得る。この際のリミ
ツタ回路４Ｃは演算増幅器OP₁の出力指令Ido′が
負符号のときは０に、出力指令Ido′が純直流電源
の最大出力を規制する指令値Idpを越えるときに
はこの指令値Idpに制御し、これらの場合を除き、
Ido′＝Idoとなるように動作するものとする。４
ｄは符号反転回路で、演算増幅器OP₂、同一抵抗
値を有する抵抗器R₁，R₂，R₃、ダイオードD₁，
D₂を図示の接続によつて構成される。そして、
この符号反転回路４ｄの入力側には上記演算増幅
器OP₁の出力指令Ido′が入力される。４ｅは加算
器で、設定器４a₁及び符号反転回路４ｄからの出
力を図示の極性にて入力し、出力指令として高周
波パルス電流指令Ihoを得る。

上記構成において、設定器４a₁の出力指令
Iho′と設定器４a₂の出力指令Itoとの関係におい
て、Iho′＜Itoの関係があれば、演算増幅器OP₁の
出力Ido′は正極性をなし、これがリミツタ回路４
Ｃを介して純直流発生装置３への指令Idoを生み
出す。この際、Ido′＜IdpであればIdo′＝Ido、
Ido′＞IdpであればIdo＝Idpとなり純直流電流発
生装置３の電源容量を越える余地はない。

一方、符号反転回路４ｄの出力側の点Ａは負極
性になろうとするもののダイオードD₁，D₂の作
用により抵抗器R₁〜R₃には電流の流れる余地は
なく、従つて、常時０電位に保たれる演算増幅器
OP₂の入力側の電位に規制され、Ａ点の電位は０
を維持する。よつて、加算器４ｅの出力は設定器
４a₁の出力指令Iho′がそのまま出力され、高周波
パルス電流発生装置２の制御指令Ihoとなる。こ
の際、リミツタ回路４ｃが実質的に作用を及ぼす
ことなく入力、出力量が一致している限り、総合
電流を規制する設定器４a₂の指令値Itoを一定に
保つた状態で高周波パルス電流を規制する設定器
４a₁を変化させることにより総合電流を一定に維
持しつつ高周波パルス電流と純直流電流との配合
比を任意に選定できることが理解できる。

このようにして電流制御回路４から出される制
御指令Iho，Idoはそれぞれ高周波パルス電流発生
装置２及び純直流電流発生装置３より負荷電流
Ih，Idが並列的にトーチケーブル８、被溶接剤
７、アークＸ、電極５、アースケーブル６を通じ
て供給されることになる。

次に、設定器４a₁の出力指令値Iho′と設定器４
a₂の出力指令値Itoとの間にIho′＞Itoの関係が生
じたとすれば、今度は演算増幅器OP₁の出力側は
負極性となり、リミツタ回路４ｃからの指令Ido
は０となる。一方、符号反転回路４ｄ出力側Ａ点
は正極性をなし、ダイオードD₁，D₂の導通を伴
つて、上記Ａ点にはIho′−Itoの指令が得られ、
これを加算器４ｅの演算により高周波パルス電流
指令値Ihoとして上記指令値Itoがそのまま高周波
パルス電流発生装置２に供給される。このときに
は、総合電流は高周波パルス電流のみにて行われ
る。

なお、上記説明においては本発明の実施例を示
す装置をもとに説明したものであるが、この装置
はいくつかの変形が考えられるもので、例えば、
設定器４a₁，４a₂（アナログ）をデイジタル設定
器とDA変換器との組合わせとすることが可能で
あり、第４図に示される構成に限定されるもので
はない。また各設定器の出力信号の極性は同一に
定めるものの必ずしも＋極性であることを要しな
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る装置は高周波パ
ルス電流と純直流電流との合成電流により高周波
アーク溶接を行うに際して、各電源の容量を越え
ることのないリミツト作用のもとに高周波パルス
電流成分又は総合電流の設定を、いずれか一方は
一定に保ちつつ他方を自在に調整することができ
るようにし、高周波パルス電流と純直流電流との
配合を任意に設定できるようにしたものである。
これによつて従来不可能とされた作業が可能とな
つた。即ち、例えば、ある連続ラインで高周波ア
ーク溶接にて製品を製作中、作業者は溶接ビート
をみながら電流を変える。このとき、高周波パル
ス電流成分と、純直流電流成分を独立してセツト
する従来の操作では両者を同時に総合電流をほぼ
一定に保ちつつ増加減少をバランスさせて制御
し、欠陥を生じないようにしなければならない。
これは事実上不可能に近い。これに対し、この発
明では総合電流を固定したまま高周波パルス電流
成分と純直流電流成分比を唯一個のつまみによつ
て各電流の電源容量の範囲内にて自在に調整でき
る。ひいては、溶接状況を確認しつつ電流成分比
を最良に設定でき、被溶接製品の欠陥領域への移
行の余地はない。また、高周波パルス電流成分を
固定して総合電流を制御するとき、高周波パルス
電流成分を電源容量で定まる最大限に得るものと
すれば、高周波パルス電流成分を最大に設定して
おき、総合電流を調整するのみで高周波パルス電
流の設定の範囲内では高周波パルス電流のみを、
高周波パルス電流の設定値以上では自動的に純直
流成分が加算されるように自動制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高周波パルス電流と純直流電流との重
畳を示す原理図、第２図は溶接状態を示す説明
図、第３図は本発明に係る回路図、第４図は第３
図の要部回路図である。 ２…高周波パルス電流発生装置、３…純直流電
流発生装置、４…電流制御回路、５…電極、７…
被溶接材、４a₁，４a₂…設定器、４ｂ，４ｅ…加
算器、４ｄ…符号反転回路、４ｃ…リミツタ回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高周波パルス電流発生電源及び純直流電流発
   生用電源よりの各出力電流を負荷に並列供給する
   溶接装置において、これらの総合電流を設定する
   第１の設定器と、高周波電流を設定し、上記第１
   の設定器と同一極性の出力を供給する第２の設定
   器を有し、上記第１の設定器の出力から第２の設
   定器の出力を差引いた出力を得る第１の加算器、
   上記第１の設定器出力の絶対値が第２の設定器出
   力の絶対値に比して大のときは出力を０とし、第
   １の設定器出力の絶対値が、第２の設定器出力の
   絶対値に対して小のときは当該第１の加算器出力
   の極性を反転する符号反転回路、上記第２の設定
   器出力から上記符号反転回路の出力を差引いた出
   力を得、高周波パルス電流の設定信号を供給する
   第２の加算器、上記第１、第２の設定器の出力極
   性とは反対極性の入力をしや断し、上記第１の加
   算器からの入力が純直流電源の容量で定まり、上
   記第１、第２の設定器の出力極性をなす一定レベ
   ルまで、この入力をそのまま出力とし、上記一定
   レベル以上の入力に対しては出力を一定レベルに
   制限し、純直流成分の設定信号を供給するリミツ
   タ回路を備えたことを特徴とする高周波パルスア
   ーク溶接機の電流指令発生装置。