JPS637872B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は短絡移行アーク溶接を実施するため
の直流アーク溶接装置に関する。

一般に短絡移行アーク溶接に用いられる直流ア
ーク溶接装置は、定電圧又はこれに近い出力特性
を有する直流電圧を出力する直流溶接電源から、
第８図に示すような積層鉄心Ａに巻線Ｂを巻回し
た直流インダクタンスを直列に介して、母材とそ
の母材に連続的に送給される溶接ワイヤとの間に
上記直流電圧を印加するようにしたものが使用さ
れている。

ところが、このようなものでは溶接ワイヤが母
材に短絡したときに流れる溶接電流の立上り速度
が十分でなく、したがつて、その通電電流による
電磁ピンチ力によつて溶接ワイヤが母材から離間
するまでの時間、つまり溶融金属の移行時間が長
く単位時間当りの移行回数が少なく溶接効率が悪
いこと、また溶接ワイヤが母材から離間しアーク
が再発した場合における電流の降下率が低くスパ
ツタが発生するなど溶接欠陥が生じ易い問題があ
る。また、移行回数を増やそうとして直流インダ
クタの巻線Ｂの巻数を減らすと、アーク再発時の
電流が大きくなりすぎてスパツタの発生が著しく
なるとともに、短絡移行時の電流が低下しすぎア
ーク切れを起こす可能性がある等の不具合が生じ
る。したがつて、直流インダクタの巻線Ｂは、ア
ーク再発時の電流を所定内に抑え且つ短絡移行時
の電流を一定以上に保つために、ある程度以上の
巻線を確保しなければならず、巻数を減らすこと
によつて移行回数を増やすことはできない。

この他、従来においては、積層鉄心に巻線を巻
回し、その巻線に抵抗器を並列接続した直流イン
ダクタを使用するものが、特公昭40−27723号公
報や特公昭43−12262号公報等に開示されている。
しかしながら、これらに開示されるものでは、単
に電流波形の立ち上がり部を整形するに止まり、
単位時間当りの短絡移行回数を増大させることは
できなかつた。このため、溶接効率の向上を図る
ことができないという問題があつた。また、この
特公昭40−27723号公報等に開示されるものは、
直流インダクタと並列に接続される抵抗器として
きわめて電気容量の大きなものを必要とするた
め、実用に適しないという問題もあつた。

この発明はこのような問題に鑑みてなされもの
で、スパツタやアーク切れなどが生じない安定し
た短絡移行アーク溶接が実施できる直流アーク溶
接装置を提供するものであり、その要旨とすると
ころは、直流インダクタとして鋼管からなる鉄心
に巻線に施したものを用いることによつて、電磁
誘導作用により鉄心に発生するうず電流を利用
し、この直流インダクタを溶接電流の変動に対し
抵抗分とインダクタ分とを含んだインピーダンス
負荷として作用させることにある。

以下、この発明の実施態様を図面を参照して説
明する。

第１図に示すように、定電圧またはそれに近い
出力特性を有する直流溶接電源１１の正極端子に
溶接ワイヤ１２を給電チツプ１３を介して接続す
るとともに直流溶接電源１１の負極端子に直流イ
ンダクタ１４を直列に介して母材１５を接続し、
溶接ワイヤ１２を母材１５に連続的に送給するよ
うにしている。

直流溶接電源１１はたとえば三相交流電源端子
U.V.Wに三相摺動変圧器１６を接続し、その変
圧器１６の各摺動ブラシ１７からの出力を三相整
流回路１８によつて整流し、出力するようにした
ものである。

直流インダクタ１４は、鉄心として磁性体であ
る円筒形の鋼管２０を使用し、この鋼管２０に巻
線２１を絶縁して巻装したものである。

このような構成であれば、溶接ワイヤ１２を母
材１５に連続的に送給して短絡移行アーク溶接を
行えば、直流インダクタ１４の巻線２１を介して
溶接電流が通電する。今、溶接電流が巻線２１に
第２図に示す方向に流れているとすると、その電
流によつて磁束２２が矢印方向に生じ、その磁束
２２が開磁路を形成する鋼管２０の肉厚部分を集
中的に通過する。

ところで、短絡移行アーク溶接では、母材１５
と溶接ワイヤ１２とが短絡する短絡期間とその短
絡が解消し母材１５と溶接ワイヤ１２との間にア
ークが発生するアーク期間とが交互に繰返される
ため、溶接電流はほぼ周期的に増減し、これに応
じて磁束２２も増減する。今、第３図に示すよう
に巻線２１に溶接電流が矢印２３方向に流れ、そ
の電流が増加している瞬間を考えると、その電流
によつて鋼管２０に通つている磁束も変化し、こ
の磁束の時間的変化に対応して鋼管２０の円周方
向に電圧が誘起し、その誘起電圧によつて鋼管２
０の外表面付近にその周方向に沿つて矢印２４で
示すように溶接電流とは逆方向にうず電流が流れ
る。またそのうず電流による磁束と溶接電流によ
る磁束との差の磁束の時間的変化に対応する少し
小さいうず電流が矢印２５で示すようにうず電流
２４の内側に流れ、同様にして、うず電流２５の
内側にもさらに小さなうず電流が矢印２６で示す
ように流れる。したがつて、この直流インダクタ
１４は巻線２１に対して鋼管２０が溶接電流が変
動するときに抵抗分とインダクタンス分とを含ん
だインピーダンス負荷として存在することにな
る。

したがつて、第１図に示す直流アーク溶接装置
の近似的な等価回路を考えると第４図に示すよう
なものが得られる。第４図ａにおいてＲは溶接電
流回路全体の等価抵抗、L_gは直流インダクタ１
４の鋼管２０以外の空間部分に分布する磁束に対
するインダクタンス、L₁，L₂はそれぞれ直流イ
ンダクタ１４の鋼管２０を通る磁束に対応する一
次側および二次側のインダクタンス、R_p′，L_p′
はそれぞれ鋼管２０に流れるうず電流回路の等価
的な抵抗分とインダクタンス分を表わしている。
また、Ｍは一次側と二次側の間の相互インダクタ
ンスを表わしている。第４図ｂは第４図ａにおい
て一次側および二次側のインダクタンスL₁，L₂
が密結合されているとし、かつ鋼管２０のうず電
流回路を一次側、すなわち溶接電流回路側に換算
して簡略化したものである。なお、第４図ａ，ｂ
において、Ｓは短絡期間とアーク期間とを交互に
繰返す現象を開閉スイツチとして簡略化して表示
したものである。

この第４図ｂに示す等価回路において、今時刻
t₁において開閉スイツチＳを閉路したとすると、
空間磁束を発生する電流i_gと鋼管２０内のうず電
流に対応する電流i_pとが流れ始める。すなわち、
電流i_gはうず電流が全く発生しないと仮定したと
きの溶接電流であり、前述した第８図に示すよう
な直流インダクタを使用した従来の直流アーク溶
接装置の溶接電流に相当する。したがつて、この
電流i_gは、第５図に示すように、時定数の大きい
緩やかに増加する電流となる。一方、電流i_pは、
前記電流i_gが増減するのに伴つて鋼管２０内に発
生するうず電流に対応し溶接電流回路側に流れる
電流であるから、抵抗分が大きく時定数の小さい
急激に増加する電流となる。このような電流i_g及
びi_pを合成（ベクトル和）した、第１図に示す直
流アーク溶接装置の短絡時の溶接電流に対応する
電流i_g＋i_pは、第５図に示すように、電流i_gより
も短絡開始時点を含めて電流増加速度の大きい波
形となる。

また、時刻t₂において開閉スイツチＳを開路し
たとすると電流i_gは緩やかに減少する。一方、う
ず電流は電流i_gが増加から減少に転じるのに伴つ
て流れる方向を転換するから、このうず電流に対
応する電流i_pは、第５図に示すように急激に減少
する。したがつて、短絡開放時以降の溶接電流に
対応する電流i_g＋i_pは、第５図に示すように、電
流i_gよりも急激に減少する波形となる。

第５図に示す波形は第４図において説明した等
価回路におけるモデル化した波形であつたが、実
際に短絡移行アークを実施した場合における溶接
電流の波形は第６図ａに示すようなものになる。
この第６図ａは、平均溶接電流100Aの直流アー
ク溶接装置において、直流インダクタの鉄心とし
て、長さ294mm、外径65mm、肉厚12mmの鋼管を用
い、巻線の巻数を30ターンとした場合の溶接電流
の波形を示している。第６図ｂは第６図ａの場合
と同一条件装置において、直流インダクタのみを
第８図に示すような積層鉄心に巻線を巻回したも
のに置き換えた従来の直流アーク溶接装置による
溶接電流の波形を示しており、巻線の巻数は第６
図ａの場合と同様30ターンとしている。第６図ｃ
は第６図ｂの場合と同一の装置において、直流イ
ンダクタの積層鉄心に巻回した巻線の巻数を10タ
ーンとした直流アーク溶接装置による溶接電流の
波形を示している。第６図ａに示される実施例装
置の溶接電流波形は、第６図ｂに示される従来装
置による溶接電流波形と比べ、短絡時に急激に増
加し短絡開放時に急激に減少する溶接電流波形と
なつており、溶融金属の短絡時間が短かく単位時
間当りの短絡回数が著しく増大している。したが
つて、アークが安定し、溶接作業がやりやすくな
り、またスパツタの発生を抑制し溶接欠陥が発生
しない安定した短絡移行アーク溶接が行える。

また、第６図ａに示される溶接電流波形は、第
６図ｃに示される溶接電流波形と比べ、短絡開放
時の電流が抑制されるとともに短絡開始時のの電
流は逆に十分に確保されている。すなわち、定格
溶接電流が100Aの各装置において、第６図ｃで
は短絡開放時の電流が210〜270Aに達し、短絡開
始時の電流は10〜30A程度であるのに対し、第６
図ａでは短絡開放時の電流が150〜180A、短絡開
始時の電流は約60A程度となつている。したがつ
て、第６図ａの溶接電流波形を示す実施例装置
は、スパツタの発生が抑制されアーク切れが生じ
ない安定した作業を行えるのに対し、直流インダ
クタに積層鉄心を用い巻線の巻数を減じることに
よつて短絡移行回数を増やした第６図ｃの溶接電
流波形を示す装置では、溶滴の大きな溶接となつ
たりアーク切れが生じるなどの問題が生じること
になる。

すなわち、実施例装置は、鉄心として鋼管を使
用したというきわめて簡単な構成の直流インダク
タを使用するだけで、前述した第８図に示すよう
な直流インダクタを使用する従来の直流アーク溶
接装置に比べ、短絡移行回数が多く且つスパツタ
の発生やアーク切れ等の溶接欠陥も抑制されてい
る。

また、電流の立ち上がり部の波形を比較的急峻
にすることができても短絡移行回数の増大を図る
ことができない、積層鉄心を有する直流インダク
タに抵抗器を並列接続した従来の直流アーク溶接
装置と比べても、上記実施例装置は遥かに優れた
性能を示していることはいうまでもない。しか
も、実施例装置は電気容量の大きな抵抗器も必要
なくきわめて実用的である。

尚、電磁誘導作用によるうず電流は表皮効果に
より鋼管２０の表面に密集するので、このうず電
流の滲透深さを上記基本周波数の交流電流による
鋼管２０のうず電流分布で求めてみると、固有抵
抗ρ、透磁率をμ、交流電流の周波数、つまり短
絡回数をｆとすると、 で表わされる浸透深さδの位置で、うず電流の大
きさは鋼管表面の約37％に減少し、πδの位置で
は約４％に減少することが知られている。

鋼管の場合 ρ＝15μΩcm μ＝15 であるから ｆ＝100回／秒 とすると上記(1)式から、うず電流の大きさが表面
の約37％に減少するのは約５mmの浸透深さである
ことが計算される。

このように、うず電流は表皮効果の現象からそ
のほとんどが表面部に流れるので、前述した鋼管
２０の肉厚を必要以上に厚くすることはあまり意
味がない。しかし、鋼管の肉厚があまり薄くても
うず電流が十分に流れなくなるので、そのうず電
流が十分に流れ得る断面積となる肉厚、たとえば
前述した５mm程度以上の肉厚にすることが好まし
い。

ところで、前述の実施態様では直流インダクタ
の鉄心として円筒形の鋼管を使用しているが角形
の鋼管でもよい。要するにこの発明は直流インダ
クタにおける鉄心が鋼管で、磁束に対して空隙が
存在する開磁路を形成し、この鋼管の断面積が望
ましくは電磁誘導作用によるうず電流の浸透深さ
を少なくとも５mm保持するものにすればよい。

第７図は本発明の変形例を示し、鋼管２０に巻
線として平角巻線２７を巻回して直流インダクタ
を構成している。この図面において、２９は絶縁
筒、３０は巻枠、３１は取付金具をそれぞれ示
す。

以上詳述したようにこの発明によれば、直流イ
ンダクタの鉄心を、該鉄心の巻線に流れる溶接電
流によつて生じる磁束に対して開磁路を形成する
鋼管としたから、上記巻線に溶接電流が流れると
鉄心に電磁誘導作用にてうず電流が流れ、溶接電
流の変動に対し鉄心が抵抗分とインダクタンス分
とを含んだインピーダンス負荷として存在する。

そして、このうちの抵抗分によつて、短絡時に
急激に増加し、かつ短絡開放時に急激に減少する
溶接電流波形が得られ、その結果短絡回数が多く
なり、アークが安定し、かつ溶接作業性が向上す
る。また、スパツタの発生量も減少する。従つて
従来のように積層鉄心に単一にコイルを巻回した
直流インダクタを有する直流アーク溶接装置や、
この直流インダクタに抵抗器を並列接続した直流
アーク溶接装置に比べ、構造が簡単かつ安価で、
そして溶接作業性が一段と向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施態様を示す回路図、
第２図は同実施態様の直流インダクタにおける磁
気回路を示す図、第３図は同実施態様の直流イン
ダクタにおけるうず電流の通電状態を示す図、第
４図ａ，ｂは同実施例の等価回路、第５図は同実
施態様における溶接電流をモデル化して示す波形
図、第６図ａは同実施態様の溶接電流波形図、第
６図ｂ，ｃは従来装置の溶接電流波形図、第７図
は直流インダクタの変形例を示すそれぞれ外観斜
視図、第８図は従来から使用されている直流イン
ダクタの概略図である。 １１……直流溶接電源、１２……溶接ワイヤ、
１４……直流インダクタ、１５……母材、２０…
…鋼管、２１，２７……巻線、２２……磁束、２
３……溶接電流、２４，２５，２６……うず電
流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 定電圧またはそれに近い出力特性を有する直
   流溶接電源から巻線に流れる溶接電流によつて生
   じる磁束に対して開磁路を形成する鋼管を鉄心と
   する直流インダクタを介して、母材と溶接ワイヤ
   の間に直流電圧を印加し、上記溶接ワイヤを上記
   母材に連続的に送給することによつて短絡移行ア
   ーク溶接を行うようにしたことを特徴とする直流
   アーク溶接装置。