WO2011114679A1 - アーク溶接装置 - Google Patents

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WO2011114679A1
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current
welding current
arc
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政富美 鳴戸
直樹 小林
徹也 森川
芳行 田畑
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • welding work is performed with a large current in the range of 300 A or more and 500 A or less in order to increase work efficiency.
  • a conventional AC arc welding apparatus for example, a TIG welding apparatus
  • heat loss of a semiconductor that mainly operates inside the apparatus becomes large. Therefore, it is necessary to employ a semiconductor with a slow switching speed in order to reduce the on loss (product of the on-resistance of the main transistor and the energization current). As a result, the switching loss increases, so that the inverter frequency cannot be increased. Therefore, the circuit configuration operates at an inverter frequency of a relatively low frequency (for example, up to about 10 kHz). Accordingly, it is necessary to mount a reactor having a large inductance value in order to prevent arc breakage in a low current region (for example, up to about 10 A).
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional arc welding apparatus
  • FIG. 5 is a diagram showing a time change of a welding current waveform in the conventional arc welding apparatus.
  • the operation of a conventionally used arc welding apparatus will be described with reference to FIGS.
  • a non-consumable electrode type AC arc welding apparatus that performs welding by alternately repeating a reverse polarity period and a positive polarity period will be described.
  • the arc welding apparatus 22 includes a current detection unit 4 that detects a welding current, a high voltage generation unit 8, an output unit 19 that performs welding output, and a control unit 20 that controls the output unit 19. And a reactor 21 provided between the output unit 19 and the welding torch 10.
  • the high voltage generator 8 applies a high voltage between the electrode 9 provided in the welding torch 10 and the base material 12 as a welding object.
  • a welding torch 10 provided with an electrode 9 and a base material 12 as a welding object are connected to the arc welding device 22, and an arc 11 is generated between the electrode 9 and the base material 12 to perform welding. I do.
  • IP indicates a peak current value
  • IS indicates a start current value
  • E1 indicates a welding start time that is a time when welding is started
  • E2 indicates a current detection time that is a time when current is detected by the current detection unit 4.
  • TUP3 indicates the rise time at the time of the conventional arc start
  • TUP4 indicates the rise time at the time of the conventional steady welding.
  • I3 has shown the electric current value before the polarity of a welding current commutates from positive polarity to reverse polarity.
  • FIG. 4 commercial power input (for example, using 200 V or the like) fed from an external device such as a switchboard is fed to the output unit 19 of the arc welding apparatus 22.
  • the output unit 19 outputs a welding current and a welding voltage suitable for welding by inverter control driven at an inverter frequency of about 10 kHz based on the welding control signal output by the control unit 20.
  • the welding current and welding voltage output from the output unit 19 are smoothed through the reactor 21 and supplied to the welding torch 10 and the base material 12, and an arc 11 is generated between the tip of the electrode 9 and the base material 12. AC arc welding is performed.
  • the inductance value of the reactor 21 needs to be 200 ⁇ H or more so that the arc does not break at a low current (for example, about 10 A). This inductance value is determined based on, for example, experiments and calculations.
  • control unit 20 outputs a high voltage generation signal to the high voltage generation unit 8 to turn on the high voltage generation signal at the start of the arc start. Thereafter, the control unit 20 receives the current detection signal output from the current detection unit 4 and generates a high voltage when the current detection unit 4 detects the current and receives a signal indicating that the current detection unit 4 has detected the current. Turn off the signal.
  • the high voltage generator 8 generates a voltage (for example, 15 kV) higher than the voltage at the time of steady welding, and between the electrode 9 and the base material 12 while the high voltage generation signal is on at the time of arc start. A high voltage is applied, and the application of the high voltage is stopped while the high voltage generation signal is off.
  • a voltage for example, 15 kV
  • the control unit 20 turns on the drive of the output unit 19 and applies a no-load voltage between the electrode 9 and the base material 12 by the output unit 19. Further, the control unit 20 turns on the high voltage generation signal and applies a high voltage for arc start by the high voltage generation unit 8. Thereafter, at the current detection time point E2 when the arc is generated and the current detection 4 detects the current, the control unit 20 turns off the high voltage generation signal and stops the application of the high voltage.
  • the welding current rises at 500 A / msec and reaches a start current value IS (for example, 350 A).
  • the welding current rises at 500 A / msec and reaches the absolute value IP (eg, 350 A) of the peak current during the rise time TUP4 from the zero crossing point when the polarity of the welding current commutates. .
  • IP absolute value
  • the rise of the welding current at the start of the arc and the rise of the welding current during the steady welding period are determined by the inductance value of the reactor 21.
  • the rise means an increase amount of the welding current per unit time until the peak current is reached.
  • the current command for AC welding is generally in the form of a pulse, and it is generally considered that the rise is better so that the actual current waveform is in the form of a pulse.
  • the rise of current increases (for example, 1500 A / msec or more), and the arc start performance is dramatically improved.
  • the present invention provides an arc welding apparatus having good arc start performance and good workability of the filler wire during high current welding.
  • An arc welding apparatus is a non-consumable electrode type arc welding apparatus that performs welding by outputting an AC pulse having an absolute value of a peak current of 300 A or more and 1500 A or less, and outputs an welding current.
  • a control unit that outputs a welding current control signal for each cycle of the welding current controlled with respect to the output unit, and a reactor whose inductance value is 10 ⁇ H or more and 100 ⁇ H or less, and the control unit includes: At the time of arc start, the first rise time until the welding current reaches the absolute value of the peak current after the start of the arc start, and the polarity of the welding current at the time of steady welding after the arc start And the second rise time until the absolute value of the peak current is reached from the zero crossing time point, the second rise time is the first rise time.
  • the welding current is controlled so as to be longer than the welding time.
  • an arc welding apparatus that improves arc start performance during large current construction, does not deteriorate workability in the work of inserting the filler wire, and enables good workability to smoothly melt the filler wire is provided. be able to.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an arc welding apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a time change of the welding current waveform in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a correlation between the welding current value and the increase amount of the welding current value per unit time of the welding current in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional arc welding apparatus.
  • FIG. 5 is a diagram showing a time change of a welding current waveform in a conventional arc welding apparatus.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an arc welding apparatus in the present embodiment
  • FIG. 2 is a diagram showing a time change of a welding current waveform in the present embodiment
  • FIG. 3 is a diagram showing a correlation between the welding current value and the increase amount of the welding current value per unit time of the welding current in the present embodiment.
  • non-consumable electrode type AC arc welding apparatus that performs welding by alternately repeating a reverse polarity period and a positive polarity period will be described as an example.
  • an arc welding apparatus 1 includes an output unit 2 that performs welding output, a control unit 3, a current detection unit 4 that detects a welding current, a reactor 5 that smoothes the output of the output unit 2, and a storage unit 6. And a selection unit 7 for selecting the storage contents of the storage unit 6 and a high voltage generation unit 8 for outputting a high voltage.
  • the control unit 3 controls the output unit 2 by outputting a control signal to the output unit 2 every control cycle.
  • the storage unit 6 stores an increase amount of the welding current value per unit time of the welding current with respect to the welding current value.
  • the output unit 2 includes a rectification unit 14, a smoothing unit 15, an inverter control unit 13, a transformer 16, a secondary rectification unit 17, and a secondary inverter control unit 18.
  • the smoothing unit 15 smoothes the output of the rectifying unit 14.
  • the inverter control unit 13 performs inverter control on the output of the smoothing unit 15.
  • the transformer 16 transforms the output of the inverter control unit 13.
  • the secondary rectifier 17 smoothes the output of the transformer 16.
  • the secondary inverter control unit 18 performs inverter control on the output of the secondary rectification unit 17.
  • the arc welding apparatus 1 is connected to a welding torch 10 provided with an electrode 9 and a base material 12 as a welding object via cables 10a and 12a. Then, the arc welding apparatus 1 performs welding by generating an arc 11 between the electrode 9 and the base material 12 by supplying electric power between the electrode 9 and the base material 12.
  • IP indicates the peak current value of the welding current
  • IS indicates the start current value of the welding current
  • I1 is a current value during the rise, indicating a first current value smaller than the peak current IP
  • I2 is a current value during the fall, indicating a second current value smaller than the peak current IP.
  • TUP1 indicates a first rise time that is a time from when the welding current reaches zero to the start current IS, and TUP2 reaches the peak current IP from when the welding current commutates to zero.
  • the 2nd rise time which is time until is shown.
  • TDN1 indicates a first fall time that is a time until the peak current IP decreases to the second current value I2, and TH indicates a predetermined time that is a period during which the second current value I2 is maintained.
  • TDN2 indicates a second fall time that is a time obtained by adding the first fall time TDN1 and the predetermined time TH.
  • DI1 indicates an increase amount of the welding current value per unit time of the first welding current
  • DI2 indicates an increase of the welding current value per unit time of the second welding current different from the first welding current. Indicates the amount.
  • E1 indicates a welding start time that is a time when welding is started
  • E2 indicates a current detection time that is a time when current is detected
  • E3 indicates an arc start completion time that is a time when the arc start period is completed. Is shown.
  • a commercial power input for example, 200 V
  • an external device such as a switchboard
  • the output unit 2 of the arc welding apparatus 1 is fed to the output unit 2 of the arc welding apparatus 1.
  • the rectifying unit 14 constituted by a diode or the like
  • the smoothing unit 15 constituted by an electrolytic capacitor or the like.
  • the current detection part 4 comprised by CT (Current Transformer) etc. detects a welding current.
  • the output of the current detection unit 4 is input to the control unit 3 including a CPU, a DSP (Digital Signal Processor), an ADC (Analog to Digital Converter), and the like.
  • CT Current Transformer
  • control unit 3 creates an output command suitable for welding in synchronization with the control timing of the inverter (for example, the switching operation timing of the inverter), performs current feedback calculation based on the output target, and performs switching of the inverter control unit 13.
  • the conduction width of the element is calculated and a welding current control signal is output.
  • an IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Transistor, etc.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the transformer 16 operates at 40 kHz as an inverter frequency.
  • the inverter includes an IGBT and a transformer, and operates at a transformer current frequency of 40 kHz.
  • the high-frequency AC voltage output from the transformer 16 is rectified by the secondary rectification unit 17 configured by a diode or the like and input to the secondary inverter control unit 18.
  • the secondary inverter control unit 18 is configured by a circuit such as a full bridge or a half bridge using an IGBT or the like, and switches output polarity between positive polarity and reverse polarity.
  • the positive polarity means a case where the moving direction of electrons in the arc plasma is a direction from the electrode 9 toward the base material 12, the electrode 9 is negative, and the base material is positive.
  • Reverse polarity refers to the case where the moving direction of electrons in the arc plasma is the direction from the base material 12 toward the electrode 9, the electrode 9 is positive, and the base material 12 is negative.
  • the welding current and welding voltage output from the secondary inverter control unit 18 are smoothed through the reactor 5 and supplied to the welding torch 10. Then, an arc 11 is generated between the tip of the electrode 9 made of tungsten, which is a non-consumable electrode, and the base material 12, which is a welding object such as an aluminum material, and AC arc welding is performed.
  • the inductance value of the reactor 5 is 100 ⁇ H or less, for example, 50 ⁇ H, and the inductance value is smaller than that of the reactor 21 provided in the conventional arc welding apparatus 22 described with reference to FIG. Thereby, the increase amount of the welding current value per unit time of the welding current can be set to 1500 A / msec.
  • storage part 6 comprised with CPU etc. is the per unit time of the 1st welding current shown in FIG. 3 as an increase amount of the welding current value per unit time of a different welding current with respect to the same welding current value.
  • the increase amount of the welding current and the increase amount of the welding current per unit time of the second welding current are stored. It should be noted that the increase amount of the welding current per unit time of the welding current may be stored not three but three or more.
  • the selection part 7 comprised by CPU etc. is the increase amount of the welding current value per unit time of one welding current from the increase amount of the welding current value per unit time of the some welding current memorize
  • the selection unit 7 may be switched automatically according to welding current setting, frequency setting, and welding method setting. Or you may make it switch manually according to the liking of the operator who operates the arc welding apparatus 1. FIG.
  • the control unit 3 performs output control by outputting a control signal to the output unit based on the increase amount of the welding current value per unit time of the welding current selected and output by the selection unit 7. Further, the control unit 3 can also output a high voltage generation signal to the high voltage generation unit 8, and when the arc start is started by pressing a torch switch (not shown) provided in the welding torch 10, the high voltage generation signal is output. Turn on and output to high voltage generator 8. Then, an arc is generated between the electrode 9 and the base material 12 due to the high voltage output from the high voltage generator 8, and a current flows. When a current detection signal is received from the current detector 4 that detects this current, The voltage generation signal is turned off, and the output of the high voltage generator 8 is stopped.
  • the high voltage generation unit 8 composed of a flyback transformer or the like applies a voltage (for example, 15 kV) higher than the voltage during steady welding to the electrode 9 and the mother. Applied between the material 12.
  • the high voltage generation signal output from the control unit 3 is off, the application of the high voltage is stopped.
  • the control unit 3 turns on the drive of the inverter control unit 13 and applies a no-load voltage (for example, 80 V) between the electrode 9 and the base material 12. Further, the control unit 3 applies a high voltage (for example, 15 kV) for arc start between the electrode 9 and the base material 12 by turning on the high voltage generation signal and outputting it to the high voltage generation unit 8. To do. Then, at the current detection time point E2 when the arc is generated by this high voltage and a welding current flows and the current detection unit 4 detects the current, the control unit 3 turns off the high voltage generation signal and generates a high voltage. By outputting to the unit 8, the application of the high voltage is stopped.
  • a no-load voltage for example, 80 V
  • a high voltage for example, 15 kV
  • the welding current rises at an increase in the welding current per unit time of 1500 A / msec, and the start current value IS (for example, 350A).
  • the completion of the arc start period may be the time when a preset time (for example, 100 msec) has elapsed since the arc start.
  • the completion of the arc start period may be the time when, for example, five pulses of AC output are performed when the number of times of output of AC pulses is measured and the pulses are output a predetermined number of times.
  • the welding current is a second rise time TUP2 (for example, 0.85 msec from the zero crossing point when the polarity of the welding current is commutated).
  • the peak current IP for example, 350 A
  • the welding current rises with an increase amount of the welding current per unit time being 500 A / ms until it reaches the first current value I1 (for example, 50 A). And after exceeding 1st electric current value I1 (for example, 50A), it is smaller than 500 A / msec, and the increase amount of the welding current value per unit time becomes so small that the absolute value of welding current becomes high. stand up.
  • the absolute value of the welding current is based on the increase amount of the welding current per unit time of the first welding current indicated by a solid line in FIG.
  • the welding current is sharply raised by the rise of the welding current depending on the inductance value of the reactor 5 to ensure the arc start performance.
  • the filler wire workability is improved by giving a welding current command and controlling so that the rise of the welding current becomes gentler than that at the time of arc start during steady welding without depending on the inductance value of the reactor 5. Can be.
  • the amount of increase in the welding current per unit time rises at 1500 A / msec instead of 500 A / msec until the first current value I1 (for example, 50 A) is reached.
  • the control may be performed such that the increase in the welding current value per unit time decreases as the absolute value of the welding current increases.
  • 1500 A / msec is assumed to be the maximum amount of change per unit time that can be output by the arc welding apparatus 1 determined by the inductance value of the reactor 5.
  • the welding current may be increased by the maximum amount of change per unit time in the initial period of increase in current.
  • the arc welding apparatus 1 of the present invention is a non-consumable electrode type arc welding apparatus that performs welding by outputting an AC pulse having an absolute value of a peak current of 300 A or more and 1500 A or less.
  • the arc welding apparatus 1 includes an output unit 2 that outputs a welding current, a control unit 3 that outputs a welding current control signal for each cycle of the welding current to be controlled, and an inductance value of 10 ⁇ H.
  • the reactor 5 is 100 ⁇ H or less.
  • the control unit 3 of the arc welding apparatus 1 uses the first rise time TUP1 and the second rise time TUP2 to perform welding so that the second rise time TUP2 is longer than the first rise time TUP1. The current is controlled.
  • the first rise time TUP1 is the time from when the welding current starts the arc start until the absolute value of the peak current is reached at the time of the arc start.
  • the second rise time TUP2 is the time from the zero cross point when the polarity of the welding current commutates during steady welding after the arc start until the absolute value of the peak current is reached.
  • an arc welding apparatus 1 that improves arc start performance during large-current construction, does not deteriorate workability in the work of inserting a filler wire, and enables good workability to melt the filler wire smoothly. can do.
  • control unit 3 may be configured to control the welding current that increases during the second rise time TUP2 such that the increase in the welding current value per unit time decreases as the absolute value of the welding current increases.
  • controller 3 increases the welding current that increases during the second rise time TUP2 without changing the increase in the welding current value per unit time until the first current value I1 is reached.
  • the control may be performed such that the increase in the welding current value per unit time decreases as the absolute value of the welding current increases.
  • the welding current is sharply raised by the rise of the welding current depending on the inductance value of the reactor 5 to ensure the arc start performance, and at the time of steady welding, the workability of the filler wire is improved. Can be good.
  • the output section can output a welding current of 1000 A / msec or more and 10,000 A / msec or less as an increase amount of the welding current per unit time.
  • the increase amount of the welding current per unit time at the first rise time TUP1 is 1000 A / ms or more and 10000 A / msec or less
  • the increase amount of the welding current per unit time at the second rise time TUP2 is 10 A. / Msec or more and 500 A / msec or less.
  • the welding current is sharply raised by the rise of the welding current depending on the inductance value of the reactor 5 to ensure the arc start performance, and at the time of steady welding, the workability of the filler wire is improved. Can be good.
  • the output section can output a welding current of 1000 A / msec or more and 10,000 A / msec or less as an increase amount of the welding current per unit time.
  • the increase amount of the welding current per unit time in 1st rise time TUP1 is 1000 A / msec or more and 10000 A / msec or less.
  • the amount of increase in the welding current per unit time until reaching the first current value I1 during the second rise time TUP2 is 1000 A / msec or more and 10000 A / msec or less.
  • the increase amount of the welding current per unit time when the first current value I1 during the second rise time TUP2 is exceeded may be 10 A / msec or more and 500 A / msec or less.
  • the welding current is sharply raised by the rise of the welding current depending on the inductance value of the reactor 5 to ensure the arc start performance, and at the time of steady welding, the workability of the filler wire is improved. Can be good.
  • the output unit 2 may include an inverter control unit 13, and the inverter frequency of the inverter control unit 13 may be 40 kHz or more and 1 MHz or less.
  • a high voltage generator 8 is provided between the non-consumable electrode and the welding object between the non-consumable electrode and the welding object.
  • a configuration may be adopted in which an arc start is performed by applying a high voltage.
  • This configuration makes it possible to achieve a better arc start and does not damage the base material and the electrode during the arc start.
  • the control unit 3 reduces the welding current during steady welding from the peak current value IP (for example, 350 A) to the second current value I2 (for example, 100 A) at a welding current reduction amount of 800 A / msec per unit time.
  • the second current value I2 is controlled to be commutated after being maintained for a predetermined time (for example, 0.1 msec). Note that the first fall time TDN1 (for example, 0.32 msec) until the peak current value IP is reduced to the second current value I2 is shorter than the second rise time TUP2 (for example, 0.85 msec). Control to be.
  • a second falling time TDN2 (for example, 0.42 msec) from when the welding current starts to decrease from the peak welding current IP to when the zero crossing point when the polarity of the welding current commutates is reached.
  • Control may be performed so as to be shorter than the second rise time TUP2.
  • the second current value I2 which is the current value before commutation, is increased by increasing the amount of decrease in the current fall, and the commutation in the conventional arc welding apparatus 22 described with reference to FIG. It can be set lower than the previous current value I3 (for example, 200 A). Thereby, it is possible to prevent the semiconductor element from being damaged by a high surge voltage generated due to switching of the semiconductor constituting the secondary inverter at the time of commutation.
  • the current value I3 before commutation of the conventional arc welding apparatus 22 described with reference to FIG. 5 is determined by the inductance value of the reactor 21 shown in FIG. 4, and is determined by the amount of decrease in the current fall. Therefore, the current could not be dropped sharply before commutation.
  • the storage unit 6 of the arc welding apparatus 1 stores the welding current per unit time of the first welding current shown in FIG. 3 as an increase amount of the welding current value per unit time of different welding currents for the same welding current value. And an increase amount of the welding current per unit time of the second welding current are stored. And the selection part 7 switches and selects the memory content of the memory
  • the selection unit 7 selects the increase amount of the welding current per unit time of the first welding current. At this time, the rise of the welding current during the second rise time TUP2 rises with a slope indicated by the increase amount DI1 of the welding current per unit time of the first welding current shown in FIG. On the other hand, consider a case where the selection unit 7 selects the amount of increase in the welding current per unit time of the second welding current. At this time, the rise of the welding current during the second rise time TUP2 rises with a slope of the increase amount DI2 of the welding current per unit time of the second welding current shown in FIG.
  • the degree of decrease in the increase amount of the welding current per unit time of the second welding current is larger than the increase amount of the welding current per unit time of the first welding current. From this, it can be seen that the welding current of the increasing amount DI2 of the welding current per unit time of the second welding current in FIG. 2 rises more gently. When the rising waveform of the welding current becomes gentle, the arc spreads and the workability of the filler wire is improved. On the other hand, it tends to be difficult for fillet welding due to concentration. Therefore, it is desirable to memorize each suitable rise based on the welding object, welding conditions, etc., and to perform welding by selecting the suitable rise.
  • the control unit 3 reduces the welding current at the time of steady welding from the peak current value IP to the second current value I2 smaller than the peak current value IP, and this second current value I2. Is controlled to commutate after maintaining TH for a predetermined time.
  • the control unit 3 is configured to control the first fall time TDN1 until the peak current value IP is reduced to the second current value I2 to be shorter than the second rise time TUP2.
  • the second current value I2 which is the current value before commutation, can be set lower than the current value I3 before commutation in the conventional arc welding apparatus 22. .
  • the semiconductor element from being damaged by a high surge voltage generated due to switching of the semiconductor constituting the secondary inverter at the time of commutation.
  • the second current value I2 which is the current value before commutation, can be set lower than the current value I3 before commutation in the conventional arc welding apparatus 22. .
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  • the semiconductor element from being damaged by a high surge voltage generated due to switching of the semiconductor constituting the secondary inverter at the time of commutation.
  • the peak current value IP has been described as the same value on the positive polarity side and the reverse polarity side, but may be different values.
  • the decrease curve of the current increase amount as shown in FIG. 3 may be decreased linearly (primary expression) or nonlinearly according to a polynomial (for example, quadratic expression).
  • the lower limit may be set (set a minimum value) with an arbitrary value (for example, 50 A / msec), and if necessary, an intermediate point may be provided to bend the degradation characteristic nonlinearly.
  • the start current value IS and the peak current value IP have been described as being the same value, but may be different values.
  • AC arc welding has been described in the present embodiment, it may be applied to a pulse rising waveform in DC non-consumable electrode type arc welding.
  • the increase amount of the welding current per unit time of the welding current at the time of the rise of the welding current is different in this embodiment, although the same decrease curve is used on the positive polarity side and the reverse polarity side. You may make it use a characteristic.
  • the increase amount of the welding current per unit time of the welding current at the time of rising of the welding current has been described with reference to FIG. 2 as an example of switching during welding, but is set before the arc start and fixed during welding. May be.
  • the peak current value of the positive polarity and the reverse polarity has been described as an arbitrary fixed value in FIG. 2, but may be a welding current waveform that fluctuates during the peak period.
  • the second rise time is the first rise time.
  • the welding current is controlled to be longer than the time. This control can provide an arc welding apparatus that has good workability without deteriorating workability in the work of inserting the filler wire even during large current construction.
  • the present invention can provide an arc welding apparatus having good workability without deteriorating workability in the work of inserting a filler wire even during large current construction.
  • the arc welding apparatus of the present invention is industrially useful as an arc welding apparatus in an industry that performs arc welding construction, for example, a large-sized aluminum member such as the plant construction industry, which is welded at a large current and produced. It is.

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Abstract

　本発明のアーク溶接装置は、インダクタンス値が小さい１００μＨ以下のリアクトルを搭載し、アークスタート時の電流立ち上がりを大きくし、アークスタート性を向上した場合でも、制御部は、第１の立ち上がり時間と、第２の立ち上がり時間と、を用いて、第２の立ち上がり時間が第１の立ち上がり時間よりも長くなるように溶接電流を制御する。ここで、第1の立ち上がり時間は、アークスタート時に溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの時間で、第２の立ち上がり時間は、アークスタート後の定常溶接時に溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。

Description

アーク溶接装置
　本発明は、非消耗電極を用いて溶接を行うアーク溶接装置に関する。
　近年、環境への配慮から、軽量かつリサイクル性に優れたアルミニウム材やマグネシウム材が建造物や車両等で多く利用されている。そして、その接合に、交流アーク溶接装置が多く利用されている。なお、交流アーク溶接装置は、逆極性と正極性とを交互に繰り返してアーク溶接を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
　特に、大型建造物を生産する作業現場では、作業効率を上げるため、３００Ａ以上、５００Ａ以下の範囲の大電流による溶接作業が行われている。
　従来のこのような大電流を出力する交流アーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置）では、装置内部で主として動作する半導体の熱損失が大きくなる。そのため、オンロス（主トランジスタのオン抵抗と通電電流の積）を下げるためにはスイッチング速度が遅い半導体を採用する必要がある。その結果、スイッチング損失が大きくなるため、インバータ周波数を高くすることができなかった。故に、比較的低周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度まで）のインバータ周波数で動作する回路構成とされている。これにより、低電流域（例えば、１０Ａ程度まで）でのアーク切れの防止のため、インダクタンス値が大きいリアクトルを搭載する必要があった。
　図４は従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図５は従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図４と図５を用いて、従来から慣用されているアーク溶接装置の動作について説明する。以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例にして説明する。
　図４において、アーク溶接装置２２は、溶接電流を検出する電流検出部４と、高電圧発生部８と、溶接出力を行う出力部１９と、出力部１９を制御するための制御部２０と、出力部１９と溶接トーチ１０との間に設けられたリアクトル２１と、を備えている。ここで、高電圧発生部８は、溶接トーチ１０に備えられた電極９と溶接対象物としての母材１２との間に高電圧を印加する。また、アーク溶接装置２２には、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２が接続されており、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
　溶接電流と高電圧発生信号の時間変化を示す図５において、ＩＰはピーク電流値を示しており、ＩＳはスタート電流値を示している。また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出部４で電流を検出した時点である電流検出時点を示している。また、ＴＵＰ３は、従来のアークスタート時の立ち上がり時間を示しており、ＴＵＰ４は従来の定常溶接時の立ち上がり時間を示している。なお、Ｉ３は、正極性から逆極性に溶接電流の極性が転流する前の電流値を示している。
　図４において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ等を使用）は、アーク溶接装置２２の出力部１９に給電される。出力部１９は、制御部２０が出力する溶接制御信号に基づき、インバータ周波数１０ｋＨｚ程度で駆動されるインバータ制御により、溶接に適した溶接電流や溶接電圧を出力する。出力部１９が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル２１を介して平滑化され、溶接トーチ１０と母材１２に給電され、電極９の先端と母材１２との間でアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。
　なお、インバータ周波数が１０ｋＨｚ程度の場合に、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れしないためには、リアクトル２１のインダクタンス値は、２００μＨ以上が必要である。なお、このインダクタンス値は、例えば、実験や計算等に基づいて決定される。
　ここで、制御部２０は、アークスタート開始時に、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力して高電圧発生信号をオンする。その後、制御部２０は、電流検出部４が出力する電流検出信号を入力とし、電流検出部４が電流を検出して電流検出部４から電流を検出した旨の信号を受信すると、高電圧発生信号をオフする。
　高電圧発生部８は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば、１５ｋＶ）を発生するものであり、アークスタート時に高電圧発生信号がオンの間は電極９と母材１２との間に高電圧を印加し、高電圧発生信号がオフの間は高電圧の印加を停止する。
　次に、図５を用いて、従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化について説明する。
　溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部２０は、出力部１９の駆動をオンし、出力部１９により無負荷電圧を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部２０は、高電圧発生信号をオンにし、高電圧発生部８によりアークスタートのための高電圧を印加する。その後、アークが発生し、電流検出４が電流を検出した電流検出時点Ｅ２において、制御部２０は高電圧発生信号をオフにして高電圧の印加を停止する。
　アークスタートにおいて、アークスタート時の立ち上がり時間ＴＵＰ３の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）まで到達する。
　また、定常溶接期間において、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からの立ち上がり時間ＴＵＰ４の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、ピーク電流の絶対値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。
　以上のように、アークスタート時の溶接電流の立ち上がり、及び、定常溶接期間中の溶接電流の立ち上がりは、リアクトル２１のインダクタンス値によって決定される。ここで、立ち上がりとは、ピーク電流に達するまでの単位時間当たりの溶接電流の増加量を意味している。
　そして、交流溶接の電流指令はパルス状であることが一般的であり、実際の電流波形がパルス状となるように、立ち上がりは大きい方が良いと考えることが一般的である。
　従来のアーク溶接装置２２に、インダクタンス値が大きいリアクトル（例えば、２００μＨ以上）を搭載した場合、溶接電流のリップルが抑えられ、低電流（例えば、１０Ａ程度）でのアーク切れ防止に効果がある。しかしその半面、溶接電流の立ち上がりが遅くなる、すなわち、傾きが小さく緩やかになり、アークスタート性が悪くなるといった問題がある。なお、電流指令として矩形状の指令を与えたとしても、リアクトルのインダクタンスにより、実施の溶接電流は指令した電流波形よりも立ち上がりが遅くなる。そして、インダクタンス値が大きいほど、その傾向は強くなる。
　近年、新インバータ方式の登場により、５００Ａクラスの大電流用の非消耗電極式のアーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置等）において、インバータ周波数を高くする（例えば、４０ｋＨｚ程度まで）ことが可能である。
　４０ｋＨｚのインバータ周波数により駆動されるＴＩＧ溶接装置では、電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。そのため、インダクタンス値が小さいリアクトル（例えば、１００μＨ以下）の搭載が可能である。
　例えば、５０μＨのインダクタンス値をもつリアクトルを搭載した場合、電流の立ち上がりが大きくなり（例えば、１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）、アークスタート性が飛躍的に向上する。
　しかしながら、電流の立ち上がりが大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）ＴＩＧ溶接装置では、定常溶接時の電流の立ち上がりも大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）。これにより、大電流（例えば、３００Ａ以上）による施工時に、フィラーワイヤを挿入する作業において、フィラーワイヤをスムーズに溶融することができず、作業性が悪くなるといった問題があることがわかった。
　すなわち、インダクタンス値が小さいリアクトルを用いると、アークスタート性は向上するが、定常溶接中の作業性が悪くなってしまう。
特開平２－２３５５７４号公報
　本発明は、アークスタート性能が良好で、かつ、大電流溶接時のフィラーワイヤの作業性が良好であるアーク溶接装置を提供する。
　　本発明のアーク溶接装置は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、溶接電流を出力する出力部と、上記出力部に対して制御する上記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、上記制御部は、アークスタート時において、上記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に上記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、上記第２の立ち上がり時間が上記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように上記溶接電流を制御する構成からなる。
　　この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における溶接電流波形の時間変化を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図である。 図４は、従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図である。 図５は、従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
　（実施の形態１）
　図１は本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図２は本実施の形態における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図３は本実施の形態における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図である。図１のように構成されたアーク溶接装置について、図２と図３を用いてその動作を説明する。
　以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例として説明する。
　図１において、アーク溶接装置１は、溶接出力を行う出力部２と、制御部３と、溶接電流を検出する電流検出部４と、出力部２の出力を平滑するリアクトル５と、記憶部６と、記憶部６の記憶内容を選択する選択部７と、高電圧を出力する高電圧発生部８を備えている。ここで、制御部３は、制御周期毎に出力部２に制御信号を出力して出力部２を制御する。記憶部６は、溶接電流値に対する溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量等を記憶する。
　なお、出力部２は、整流部１４と、平滑部１５と、インバータ制御部１３と、変圧器１６と、２次整流部１７と、２次インバータ制御部１８を備えている。ここで、平滑部１５は、整流部１４の出力を平滑する。インバータ制御部１３は、平滑部１５の出力をインバータ制御する。変圧器１６は、インバータ制御部１３の出力を変圧する。２次整流部１７は、変圧器１６の出力を平滑する。２次インバータ制御部１８は、２次整流部１７の出力をインバータ制御する。
　また、アーク溶接装置１は、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２にケーブル１０ａ、１２ａ等を介して接続されている。そして、アーク溶接装置１は、電極９と母材１２との間に電力を供給することにより、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
　溶接電流等の時間変化を示す図２において、ＩＰは溶接電流のピーク電流値を示しており、ＩＳは溶接電流のスタート電流値を示している。Ｉ１は立ち上がり中の電流値であり、ピーク電流ＩＰよりも小さい第１の電流値を示しており、Ｉ２は立ち下がり中の電流値でありピーク電流ＩＰよりも小さい第２の電流値を示している。
　また、ＴＵＰ１は溶接電流がゼロの状態からスタート電流ＩＳに達するまでの時間である第１の立ち上り時間を示しており、ＴＵＰ２は溶接電流が転流してゼロとなった時点からピーク電流ＩＰに達するまでの時間である第２の立ち上り時間を示している。ＴＤＮ１はピーク電流ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低下するまでの時間である第１の立ち下がり時間を示しており、ＴＨは第２の電流値Ｉ２を維持する期間である所定時間を示している。ＴＤＮ２は第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１と所定時間ＴＨを合わせた時間である第２の立ち下がり時間を示している。
　また、ＤＩ１は第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示しており、ＤＩ２は第１の溶接電流とは異なる第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示している。
　また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出した時点である電流検出時点を示しており、Ｅ３はアークスタート期間が完了した時点であるアークスタート完了時点を示している。
　図１において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ）は、アーク溶接装置１の出力部２に給電される。そして、ダイオード等で構成される整流部１４と電解コンデンサ等で構成される平滑部１５とにより直流電圧に変換される。そして、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。また、ＣＰＵやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）およびＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等で構成される制御部３は、電流検出部４の出力が入力される。そして、制御部３は、インバータの制御タイミング（例えば、インバータのスイッチング動作タイミング）に同期して溶接に適した出力指令を作成し、出力目標に基づき電流フィードバック演算を行い、インバータ制御部１３のスイッチング素子の導通幅を算出して溶接電流制御信号を出力する。
　そして、制御部３が出力する溶接電流制御信号に基づき、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作にて駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されるインバータ制御部１３は、インバータ駆動し、整流部１４と平滑部１５が変換した直流電圧を、変圧器１６を介して溶接に適した高周波の交流電圧に変換する。
　なお、変圧器１６が出力する無負荷電圧は８０Ｖである。また、変圧器１６は、インバータ周波数として４０ｋＨｚで動作する。なお、インバータはＩＧＢＴとトランスを含んで構成され、トランス電流の周波数である４０ｋＨｚで動作する。
　そして、変圧器１６が出力する高周波の交流電圧は、ダイオード等で構成される２次整流部１７により整流され、２次インバータ制御部１８に入力される。２次インバータ制御部１８は、ＩＧＢＴ等を用いてフルブリッジやハーフブリッジ等の回路で構成され、正極性と逆極性との出力極性を切り替える。
　ここで、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ向かう方向であり、電極９がマイナスであって母材がプラスの場合をいう。また、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ向かう方向であり、電極９がプラスであって母材１２がマイナスの場合をいう。
　２次インバータ制御部１８が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル５を介して平滑化され、溶接トーチ１０に給電される。そうすると、非消耗電極であるタングステン等で構成される電極９の先端とアルミニウム材等である溶接対象物である母材１２との間にアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。
　なお、リアクトル５のインダクタンス値は、１００μＨ以下、例えば５０μＨであり、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２に設けられたリアクトル２１よりもインダクタンス値が小さいものを用いている。これにより、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を１５００Ａ／ｍｓｅｃとすることができる。
　また、ＣＰＵ等で構成される記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。なお、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、２つではなく、３つ以上記憶するようにしても良い。
　また、ＣＰＵ等で構成される選択部７は、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択し、制御部３へ入力する。なお、この選択部７の切り替えは、溶接電流設定や周波数設定や溶接法設定に応じて、自動で切り替えを行うようにしても良い。または、アーク溶接装置１を操作する作業者の好みにより手動で切り替えるようにしてもよい。
　制御部３は、選択部７が選択して出力する、溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量に基づいて出力部に制御信号を出力することにより出力制御を行う。また、制御部３は、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力することもでき、溶接トーチ１０に設けられた図示しないトーチスイッチを押すこと等によるアークスタート開始時に、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力する。そして、高電圧発生部８が出力する高電圧により電極９と母材１２との間にアークが発生して電流が流れ、この電流を検出した電流検出部４から電流検出信号を受けると、高電圧発生信号をオフとし、高電圧発生部８の出力を停止させる。
　フライバックトランス等で構成される高電圧発生部８は、制御部３から出力される高電圧発生信号がオンの間は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば１５ｋＶ）を電極９と母材１２と間に印加する。一方、制御部３から出力される高電圧発生信号がオフの間は、高電圧の印加を停止する。
　次に、図２を用いて、アークスタート期間の溶接開始から、アークスタート期間の後の定常溶接期間における定常溶接時の交流溶接電流パルスの立ち上がりまでの溶接電流波形の時間変化について説明する。
　溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部３はインバータ制御部１３の駆動をオンし、無負荷電圧（例えば、８０Ｖ）を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部３は、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力することにより、アークスタートのための高電圧（例えば、１５ｋＶ）を電極９と母材１２との間に印加する。そして、この高電圧によりアークが発生して溶接電流が流れ、電流検出部４が電流を検出した時点である電流検出時点Ｅ２において、制御部３は、高電圧発生信号をオフにして高電圧発生部８へ出力することにより、高電圧の印加を停止する。
　なお、アークスタート時、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１（例えば、０．２３ｍｓｅｃ）の間は、溶接電流は、単位時間あたりの溶接電流の増加量が１５００Ａ／ｍｓｅｃにて立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）に到達する。
　その後、アークスタート期間が完了した時点であるアークスタート期間完了時点Ｅ３において、アークスタート期間から定常溶接期間に移行する。なお、アークスタート期間の完了は、アークスタートから予め設定される時間（例えば、１００ｍｓｅｃ）が経過した時点としてもよい。また、アークスタート期間の完了は、交流パルスの出力回数を計測し、所定回数パルス出力した場合、例えば５パルスの交流出力を行った時点としてもよい。
　また、定常溶接期間中は、正極性と逆極性とが変わる転流が行われ、溶接電流は、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点から第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば０．８５ｍｓｅｃ）が経過してピーク電流ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。
　なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２の期間中、溶接電流は、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量を５００Ａ／ｍｓとして立ち上がる。そして、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、５００Ａ／ｍｓｅｃより小さく、かつ、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加量が少なくなるように立ち上がる。例えば、溶接電流の絶対値は、図３に実線で示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量に基づく。
　以上のように、インダクタンス値が小さいリアクトル５を接続した状態で、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保する。それと共に、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することで、フィラーワイヤの作業性を良好にすることができる。
　なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量が、５００Ａ／ｍｓｅｃではなく１５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がる。第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御してもよい。
　ここで、１５００Ａ／ｍｓｅｃは、リアクトル５のインダクタンス値により決定されるアーク溶接装置１が出力可能な最大の単位時間当たりの変化量であるとする。このように、電流の増加の初期期間では、最大の単位時間当たりの変化量で溶接電流を増加するようにしても良い。
　すなわち、本発明のアーク溶接装置１は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置である。そして、アーク溶接装置１は、溶接電流を出力する出力部２と、出力部２に対して、制御する溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部３と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトル５と、を備えている。アーク溶接装置１の制御部３は、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１と、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２と、を用いて、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２が第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１よりも長くなるように溶接電流を制御する構成としている。ここで、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、アークスタート時において、溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２は、アークスタート後の定常溶接時に溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。
　この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置１を提供することができる。
　また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
　この構成により、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することになるので、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
　また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、第１の電流値Ｉ１になるまでは単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、第１の電流値Ｉ１を超えた場合には、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
　この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
　また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
　この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
　また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。そして、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
　この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
　また、出力部２はインバータ制御部１３を備え、インバータ制御部１３のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である構成としてもよい。
　この構成により、さらに電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。
　また、アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部８を備え、非消耗電極と溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う構成としてもよい。
　この構成により、さらに良好なアークスタートが実現でき、アークスタート時に母材と電極を痛めることがない。
　以上のように、転流の際のゼロクロス時点近傍での溶接電流の立ち上がりを大きくすることで、転流時にアーク切れが生じてしまうことを防止することができる。なお、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２では、リアクトル２１のインダクタンス値によってゼロクロス近傍の電流の立ち上がりが決定するため、ゼロクロス近傍の立ち上がりを大きくすることができなかった。
　次に、図２を用いて、転流前に溶接電流が立ち下る時点の溶接電流波形の時間変化について説明する。
　制御部３は、定常溶接時の溶接電流を、ピーク電流値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）から単位時間あたりの溶接電流の減少量８００Ａ／ｍｓｅｃにて第２の電流値Ｉ２（例えば、１００Ａ）まで減少させ、この第２の電流値Ｉ２を所定時間（例えば、０．１ｍｓｅｃ）維持した後に転流するように制御する。なお、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１（例えば、０．３２ｍｓｅｃ）は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば、０．８５ｍｓｅｃ）よりも短くなるように制御する。また、定常溶接時に、溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから減少を始める時点から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２（例えば、０．４２ｍｓｅｃ）を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御してもよい。
　以上のように、電流の立ち下りの減少量を大きくすることで、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３（例えば、２００Ａ）よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
　また、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２の転流前の電流値Ｉ３は、図４に示すリアクトル２１のインダクタンス値によって決まるものであり、電流の立ち下りの減少量で決定するため、転流前に電流を急峻に落とし込むことができなかった。
　次に、図２を用いて、溶接電流の、単位時間あたりの溶接電流の増加量を複数有してそれらを切り替えた時の溶接電流波形について説明する。
　アーク溶接装置１の記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。そして、記憶部６の記憶内容を選択部７が切り替えて選択する。
　図３に示す例では、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい場合を示している。
　選択部７が第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ１で示す傾きで立ち上がる。一方、選択部７が第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の傾きで立ち上がる。
　なお、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい。このことから、図２の第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の溶接電流の方が緩やかに立ち上がることがわかる。そして、溶接電流の立ち上がりの波形が緩やかになると、アークが広がりをもち、フィラーワイヤの作業性は良くなる。反面、集中性にかける為、スミ肉溶接にはむかない傾向がある。故に、溶接対象や溶接条件等に基づいて、各々適した立ち上がりを記憶させておき、適した立ち上がりを選択して溶接を行うことが望ましい。
　以上のように、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
　本発明のアーク溶接装置において、制御部３は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値ＩＰからピーク電流値ＩＰよりも小さい第２の電流値Ｉ２まで減少して、この第２の電流値Ｉ２を所定時間ＴＨ維持した後に転流するように制御する。そして、制御部３は、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
　この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
　また、制御部３は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
　この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
　また、出力部２は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としている。
　この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
　また、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部６と、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部７と、を備えた構成としている。
　この構成により、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
　なお、図２において、ピーク電流値ＩＰは正極性側と逆極性側とで同じ値として説明したが、異なる値としても良い。
　また、図３に示すような電流増加量の低下曲線は、線形（１次式）に低下してもよいし、非線形に多項式（例えば、２次式）に従って低下してもよい。
　また、任意の値（例えば、５０Ａ／ｍｓｅｃ）で下限制限（最低値を設定）してもよく、必要に応じて、中間点を設けて、低下特性を非線形に屈曲させてもよい。
　なお、図２において、アークスタートは逆極性側からスタートする例を示して説明したが、正極性側よりアークスタートしてもよい。
　また、図２において、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰは同じ値として説明したが、異なる値としてもよい。この場合、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰとの比率に基づき、換算したＴＵＰ１＝（換算前のＴＵＰ１）×ＩＳ／ＩＰとしても良い。
　なお、本実施の形態では、アークスタート時に高電圧発生部８を用いて高周波スタートを行う例を説明したが、タッチスタートを用いてもよい。
　また、本実施の形態では、交流アーク溶接について説明したが、直流の非消耗電極式のアーク溶接におけるパルスの立ち上りの波形に応用してもよい。
　また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、本実施の形態では、正極性側と逆極性側とで同じ増加量の低下曲線を用いたが、異なる特性を用いるようにしてもよい。
　また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、図２において、溶接中に切り替わる例を説明したが、アークスタート前に設定し、溶接中は固定していてもよい。
　また、正極性および逆極性のピーク電流値は、図２において任意の固定値として説明したが、ピーク期間中に変動する溶接電流波形であってもよい。
　また、最後に、溶接電流のピーク電流値と溶接の作業性との関係を以下の表１に示す。表中で○印は、作業性が良好であることを示し、×印は作業性が悪いことを示す。△印は、作業性がやや悪いことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上のように、本実施の形態によれば、アークスタート性を良好にするとともに、定常溶接時の溶接の作業性も良好にすることができる。
　以上のように、本発明は、インダクタンス値が小さい１００μＨ以下のリアクトルを搭載し、アークスタート時の電流立ち上がりを大きくしてアークスタート性を向上した場合でも、第２の立ち上がり時間が第１の立ち上がり時間よりも長くなるように溶接電流を制御する。この制御により、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供することができる。
　以上のように、本発明は、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で、作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供できる。これにより、本発明のアーク溶接装置は、アーク溶接施工を行う、例えばプラント建設業界といった特に大型のアルミニウム部材を、大電流にて溶接を行い、生産を行う業界におけるアーク溶接装置として、産業上有用である。
　１　　アーク溶接装置
　２　　出力部
　３　　制御部
　４　　電流検出部
　５　　リアクトル
　６　　記憶部
　７　　選択部
　８　　高電圧発生部
　９　　電極
　１０　　溶接トーチ
　１０ａ，１２ａ　　ケーブル
　１１　　アーク
　１２　　母材
　１３　　インバータ制御部
　１４　　整流部
　１５　　平滑部
　１６　　変圧器
　１７　　２次整流部
　１８　　２次インバータ制御部

Claims (11)

  1. ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、
    溶接電流を出力する出力部と、
    前記出力部に対して、制御する前記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、
    インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、
    前記制御部は、アークスタート時において、前記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に前記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、前記第２の立ち上がり時間が前記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように前記溶接電流を制御するアーク溶接装置。
  2. 前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
  3. 前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、第１の電流値になるまでは前記単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、前記第１の電流値を超えた場合には、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど前記単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項２記載のアーク溶接装置。
  4. 前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、前記第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、前記第２の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
  5. 前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項３記載のアーク溶接装置。
  6. 前記制御部は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値から前記ピーク電流値よりも小さい第２の電流値まで減少して、この第２の電流値を所定時間維持した後に転流するように制御し、前記ピーク電流値から前記第２の電流値に低減するまでの第１の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
  7. 前記制御部は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
  8. 前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、前記第１の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、前記第２の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項６または７のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
  9. 同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部と、を備えた請求項１に記載のアーク溶接装置。
  10. 前記出力部はインバータ制御部を備え、前記インバータ制御部のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
  11. アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部を備え、前記非消耗電極と前記溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う請求項１記載のアーク溶接装置。
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