WO2015011882A1 - 溶接装置 - Google Patents

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WO2015011882A1
WO2015011882A1 PCT/JP2014/003580 JP2014003580W WO2015011882A1 WO 2015011882 A1 WO2015011882 A1 WO 2015011882A1 JP 2014003580 W JP2014003580 W JP 2014003580W WO 2015011882 A1 WO2015011882 A1 WO 2015011882A1
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welding
unit
current
voltage
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田中　義朗
芳行 田畑
信介 島林
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a welding apparatus that performs arc welding using inverter control.
  • a welding apparatus that performs arc welding using inverter control has an inverter circuit of a full bridge configuration or a half bridge configuration.
  • a power semiconductor such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as a switching element constituting the bridge.
  • the power semiconductor is usually driven at an inverter frequency of about several kHz to 400 kHz, and a welding output can be obtained by controlling a primary current conduction width of a transformer connected to the inverter circuit.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a welding apparatus 101 includes a primary rectifier 118, a smoothing capacitor 119, a switching unit 102, a transformer 120, a secondary rectifier 121, a current detector 103, a setting unit 108, and a control.
  • the switching unit 102 includes a first switching element TR1, a second switching element TR2, a third switching element TR3, and a fourth switching element TR4.
  • the control unit 105 includes an output comparison unit 109 and a calculation unit 110.
  • the welding apparatus 101 is connected to an external device 126 such as a switchboard and supplied with electric power. Moreover, the base material 122 and the torch 123 are connected to the welding apparatus 101, and the welding output is output.
  • the torch 123 has an electrode 124.
  • the welding output of the welding apparatus 101 is supplied to the electrode 124 and the base material 122, an arc 125 is generated between the electrode 124 and the base material 122, and the base material 122 is welded.
  • the welding output is a general term for the welding current and welding voltage output from the welding apparatus.
  • the AC voltage fed from the external device 126 to the welding apparatus 101 is rectified by the primary rectification unit 118 and converted to a DC voltage by the smoothing capacitor 119.
  • the DC voltage output from the smoothing capacitor 119 is converted into a high-frequency AC voltage suitable for welding by driving the inverter of the switching unit 102.
  • the high-frequency AC voltage converted by the switching unit 102 is supplied to the transformer 120 and transformed.
  • the switching unit 102 includes first to fourth switching elements TR1 to TR4 that are IGBTs. In the first switching element TR1 to the fourth switching element TR4, on / off of a switch is controlled by a PWM method based on a command from the driving unit 107, and the switching unit 102 performs an inverter operation.
  • the high-frequency AC voltage output from the transformer 120 is rectified by the secondary rectification unit 121 configured by a diode or the like.
  • One of the outputs of the welding apparatus 101 is supplied to an electrode 124 that is a consumable electrode wire via a power feed tip (not shown) provided inside the torch 123.
  • the consumable electrode wire is fed to the torch 123 by a feed motor (not shown).
  • the other output of the welding apparatus 101 is supplied to the base material 122. Then, a voltage is applied between the tip of the electrode 124 and the base material 122 to generate an arc 125, and the base material 122 is welded.
  • a current detection unit 103 composed of CT (Current Transformer) or the like detects and outputs a welding current.
  • the setting unit 108 outputs an appropriate setting current or the like according to the setting output.
  • the control unit 105 receives the set current output from the setting unit 108 and the welding current output from the current detection unit 103.
  • the output comparison unit 109 of the control unit 105 calculates and outputs the current difference between the set current and the welding current, and the calculation unit 110 of the control unit 105 calculates the output ON section of the switching unit 102 based on the current difference. ,Output. In this manner, the control unit 105 outputs an appropriate output ON section to the drive unit 107 by performing feedback control of the welding current.
  • the driving unit 107 performs pulse control of the switching unit 102 based on the cycle determined by the reference triangular wave generated by the triangular wave generating unit 127 and the output ON section output from the calculating unit 110 of the control unit 105.
  • the pulses that the drive unit 107 controls the switching unit 102 are separated into two systems every other pulse. Specifically, the drive unit 107 outputs two systems of pulses, a first drive signal and a second drive signal, to the switching unit 102.
  • the triangular wave generator 127 generates a reference triangular wave, and the reference triangular wave is a waveform that determines the inverter frequency.
  • the drive unit 107 alternately outputs two systems of drive signals whose pulse widths are controlled at a cycle that is the reciprocal of the inverter frequency.
  • the first drive signal controls ON / OFF by synchronizing the first switching element TR1 and the fourth switching element TR4.
  • the second drive signal controls on / off by synchronizing the second switching element TR2 and the third switching element TR3.
  • the inverter frequency is fixed by the reference triangular wave output from the triangular wave generator 127. Further, when the output ON section is increased, the Joule heat generated in the switching unit 102 is increased. It is necessary to suppress heat generation due to switching loss in consideration of the maximum value of Joule heat, and the inverter frequency to be fixed is limited to a certain height.
  • This disclosure provides a high-performance welding apparatus that can change the inverter frequency in accordance with the output ON section.
  • the welding apparatus of the present disclosure includes a switching unit, a setting unit, an output detection unit, a control unit, a frequency control unit, and a drive unit.
  • the switching unit includes a switching element.
  • the setting unit sets a setting output.
  • the output detection unit detects a welding output.
  • the control unit calculates the output on section of the switching unit based on the set output and the welding output.
  • the frequency control unit determines the inverter frequency based on the output ON section.
  • the drive unit controls the on / off operation of the switching elements constituting the switching unit based on the inverter frequency and the output on period. When the output on period is the first ratio, the inverter frequency is the first frequency, and when the output on period is the second ratio smaller than the first ratio, the inverter frequency is the second frequency higher than the first frequency. is there.
  • the welding apparatus can change the inverter frequency in conjunction with the output ON section, high-quality welding can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a welding apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing that the inverter frequency changes stepwise with respect to the output on period in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a temporal change in the output ON period and the drive timing of the switching element in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing that the inverter frequency continuously changes with respect to the output on period in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the welding apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a waveform of a welding output and signal timing of short-circuit arc welding in the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional welding apparatus.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a welding apparatus 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing that the inverter frequency changes stepwise with respect to the output ON period in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a time change between the output ON period and the driving timing of the switching element in the present embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing that the inverter frequency continuously changes with respect to the output ON section in the present embodiment.
  • the welding apparatus 1 includes a primary rectification unit 18, a smoothing capacitor 19, a switching unit 2, a transformer 20, a secondary rectification unit 21, a current detection unit 3, and a setting unit 8. And a control unit 5, a frequency control unit 6, and a drive unit 7.
  • the switching unit 2 includes a first switching element TR1, a second switching element TR2, a third switching element TR3, and a fourth switching element TR4.
  • the control unit 5 includes an output comparison unit 9 and a calculation unit 10.
  • the welding apparatus 1 is connected with an external device 26 such as a switchboard for supplying commercial power (AC 200 V) as an input. Moreover, the base material 22 and the torch 23 are connected to the welding apparatus 1 as an output.
  • the torch 23 has an electrode 24.
  • the welding output of the welding apparatus 1 is supplied between the electrode 24 and the base material 22, an arc 25 is generated between the electrode 24 and the base material 22, and the base material 22 is welded.
  • the welding output is a general term for the welding current and welding voltage output from the welding apparatus.
  • the operation of the welding apparatus 1 configured as described above will be described using a consumable electrode type arc welding apparatus that repeats a short circuit and an arc as an example.
  • the AC voltage fed from the external device 26 to the welding apparatus 1 is rectified by the primary rectification unit 18 and converted to a DC voltage by the smoothing capacitor 19.
  • the primary rectifier 18 is composed of a diode or the like
  • the smoothing capacitor 19 is composed of an electrolytic capacitor or the like.
  • the DC voltage output from the smoothing capacitor 19 is converted into a high-frequency AC voltage suitable for welding by driving the inverter of the switching unit 2.
  • the high-frequency AC voltage converted by the switching unit 2 is supplied to the transformer 20 and transformed.
  • the switching unit 2 includes a first switching element TR1 to a fourth switching element TR4 that are configured of IGBTs. From the first switching element TR1 to the fourth switching element TR4, on / off of the switch is controlled by the PWM method based on a command from the drive unit 7, and an inverter operation is performed.
  • a power semiconductor such as a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) can be used for the switching element.
  • the high-frequency AC voltage output from the transformer 20 is rectified by the secondary rectification unit 21 and output to the base material 22 and the torch 23.
  • One of the outputs of the welding apparatus 1 is positively output to an electrode 24 that is a consumable electrode wire fed by a feed motor (not shown) via a power feed tip (not shown) provided inside the torch 23. Supplied as The other output of the welding apparatus 1 is fed to the base material 22 as a negative output. Then, a DC voltage is applied between the tip of the electrode 24 and the base material 22 to generate an arc 25, and the base material 22 is welded.
  • current feedback control in which the current detection unit 3 is connected in series on the output side connected to the torch 23 to detect the welding current will be described. Note that the current detection unit may be connected in series to the output side connected to the base material 22.
  • voltage feedback control can be performed in which a voltage detector is connected in parallel between the output connected to the base material 22 and the output connected to the torch 23 to detect the welding voltage.
  • the current detection unit and the voltage detection unit are collectively referred to as a detection unit.
  • a current detection unit 3 that is an output detection unit configured by CT (Current Transformer) or the like detects a welding current.
  • the setting unit 8 is input with welding settings by the user, and outputs a set current according to the welding settings.
  • the setting unit 8 also outputs a set voltage, a feed rate of the consumable electrode wire, and the like according to the welding setting.
  • the control unit 5 receives the set current from the setting unit 8 and the welding current from the current detection unit 3.
  • the output comparison unit 9 of the control unit 5 calculates the current difference between the set current and the welding current and outputs it to the calculation unit 10.
  • the calculation unit 10 of the control unit 5 calculates the output ON section of the switching unit 2 based on the current difference output from the output comparison unit 9. Thereby, current feedback control can be performed.
  • the calculation unit 10 has a table, a mathematical expression, or the like in which the current difference between the set current and the welding current is associated with the output on section, and obtains the output on section.
  • the output on period may be determined only by the current difference, but may also be determined in consideration of the rate of change of the current difference. That is, one-to-one correspondence in which one output on section corresponds to one current difference may be made to correspond to one output difference in consideration of a current change rate.
  • the output on period is the ratio of time during which the output is on in one cycle.
  • the output on period is a duty ratio of inverter control.
  • the output on interval is 40% is a state in which the output is on for 40% of one cycle (the output is off for 60% of the time), and the output current is 40% of the maximum current.
  • the output comparison unit 9 calculates a difference as a deviation between the welding current and the set current.
  • the calculation unit 10 calculates the output ON section by proportional control for multiplying the deviation by a proportional gain for deviation amplification.
  • calculation unit 10 may calculate the output ON section using PID control in which proportional control is combined with integral control using integral of deviation and differential control using differential of deviation.
  • the frequency control unit 6 composed of a CPU or the like determines the inverter frequency based on the output on period calculated by the control unit 5 so that the inverter frequency changes according to the output on period. In other words, assuming that the inverter frequency is the first frequency when the output on period is the first ratio, the inverter frequency is higher than the first frequency at the second ratio where the output on period is smaller than the first ratio. 2 frequency.
  • the frequency control unit 6 has a table, a mathematical expression, or the like that associates the output on section and the inverter frequency, and determines the inverter frequency based on the input output on section. One-to-one correspondence is determined in which one inverter frequency is determined for one output ON section.
  • the drive unit 7 Based on the inverter frequency determined by the frequency control unit 6 and the output ON section determined by the control unit 5, the drive unit 7 turns on the first switching element TR1 to the fourth switching element TR4 that constitute the switching unit 2.
  • Control off / off operation Specifically, the on / off operation is controlled based on the cycle obtained from the inverter frequency and the on output time within the cycle obtained from the output on interval.
  • the first predetermined value D1 for example, 60%
  • the second predetermined value D2 for example, 40%
  • the maximum output on period DMAX 100%
  • the inverter frequency is set to the first inverter frequency F1 (for example, 20 kHz).
  • the inverter frequency is set to the second inverter frequency F2 (for example, 40 kHz).
  • the inverter frequency is set to the maximum inverter frequency FMAX (for example, 100 kHz).
  • the first inverter frequency F1 has a first period T1 (for example, 50 ⁇ s)
  • the second inverter frequency F2 has a second period T2 (for example, 25 ⁇ s)
  • the maximum inverter frequency FMAX has a minimum period TMIN (for example, 10 ⁇ s).
  • FIG. 2 shows that the inverter frequency is controlled to change stepwise depending on the output ON period.
  • the time point ED1 is a time point when the output ON interval reaches the first predetermined value D1
  • the time point ED2 indicates a time point when the output ON interval reaches the second predetermined value D2.
  • FIG. 2 is used to explain the control in which the inverter frequency increases stepwise as the output ON interval decreases.
  • the inverter frequency determined by the frequency control unit 6 is the first inverter frequency. F1.
  • the inverter frequency determined by the frequency control unit 6 is the second inverter frequency F2. It becomes.
  • the output ON section calculated by the control unit 5 is 0% or more and less than the second predetermined value D2 (for example, 0% or more and less than 40%)
  • the inverter frequency determined by the frequency control unit 6 is Maximum inverter frequency FMAX.
  • the relationship between the first inverter frequency F1, the second inverter frequency F2, and the maximum inverter frequency FMAX is such that the first inverter frequency F1 is 10 kHz, the second inverter frequency F2 is 20 kHz, and the maximum inverter frequency FMAX is The relationship may be increased by a factor of two, such as 40 kHz. Alternatively, an integer multiple relationship may be used. By changing the inverter frequency by an integral multiple, the control frequency such as feedback can be fixed (for example, fixed at 10 kHz), which is useful.
  • the frequency control unit 6 does not change the inverter frequency while keeping the first inverter frequency F ⁇ b> 1 until the output on period is decreased to the first predetermined value D ⁇ b> 1.
  • the second inverter frequency F2 higher than the first inverter frequency F1 is changed.
  • the maximum inverter frequency FMAX higher than the second inverter frequency F2 is changed.
  • FIG. 3 shows driving waveforms of the switching element in which the signal for turning on the switching element is at a high level and the signal for turning off the switching element is at a low level.
  • the first switching element TR1 and the fourth switching element TR4 operate in synchronization
  • the second switching element TR2 and the third switching element TR3 operate in synchronization.
  • no current flows, and the set of the first switching element TR1 and the fourth switching element TR4 or the set of the second switching element TR2 and the third switching element TR3 Current flows when turned on.
  • the ratio of the time during which one of the switching element groups is turned on in one cycle is the output on period.
  • the first inverter frequency F1 (first period T1) is reached.
  • the first switching element TR1 to the fourth switching element TR4 are driven.
  • the inverter frequency (cycle) is determined by the value of the output ON section at the start of the inverter control cycle, and the switching element operates in the determined cycle.
  • the frequency control unit 6 may control the inverter frequency so as to continuously change depending on the output ON section, as shown in FIG.
  • the inverter frequency is the first inverter frequency F1 (for example, 20 kHz)
  • the inverter frequency is the maximum inverter frequency. It shows that it is FMAX.
  • the inverter frequency control by the output ON section may be combined with a step change and a continuous change.
  • the inverter frequency is set higher when the output ON interval becomes smaller. That is, when the Joule heat generation is small because the output ON section is small, the inverter frequency can be increased because there is a margin in the heat generation due to the switching loss. Thereby, the ripple rate of a welding voltage can also be made low and a high performance welding apparatus is realizable. Furthermore, since the amount of heat generated in the entire switching unit can be stabilized by the inverter frequency, the necessary minimum heat countermeasure can be taken.
  • the optimum inverter frequency can always be realized by continuously changing the inverter frequency.
  • the inverter control method has been described using the PWM method.
  • other systems that perform output control based on the inverter frequency such as a phase shift system, may be used.
  • a consumable electrode type arc welding apparatus has been described as the welding apparatus 1.
  • the welding apparatus 1 uses inverter control, other welding apparatuses such as a TIG (Tungsten Inert Gas) welding apparatus may be used.
  • TIG Tungsten Inert Gas
  • the current feedback control using only the current detection unit as the output detection unit has been described.
  • a voltage detection unit may be used as the output detection unit, and voltage feedback control may be performed using the setting voltage from the setting unit 8 and the welding voltage detected by the voltage detection unit.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the welding apparatus 1 of the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the waveform of the welding output and the signal timing of the short-circuit arc welding according to the present embodiment.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the main differences from the first embodiment are the point where the voltage detection unit 4 is provided and the configuration and operation of the control unit 5.
  • the welding apparatus 1 includes a voltage detection unit 4 that detects the welding voltage of the welding apparatus 1.
  • the current detector 3 and the voltage detector 4 are collectively referred to as an output detector.
  • the control unit 5 of the welding apparatus 1 includes an output comparison unit 9 and a calculation unit 10.
  • the output comparison unit 9 includes a first comparison unit 11 (current comparison unit) and a second comparison unit 12 (voltage comparison unit) configured by a CPU or the like.
  • the calculation unit 10 includes a first calculation unit 13, a second calculation unit 14, a third calculation unit 15, a welding state determination unit 16, and a switching unit 17 configured by a CPU or the like.
  • the operation of a consumable electrode type arc welding apparatus that performs welding by repeatedly performing a short circuit and an arc will be described.
  • the current detector 3 composed of CT or the like detects and outputs a welding current.
  • the voltage detector 4 connected in parallel between the electrode 24 and the base material 22 detects and outputs a welding voltage.
  • the control unit 5 receives a welding current from the current detection unit 3, a welding voltage from the voltage detection unit 4, and a set voltage and a set current from the setting unit 8. And the control part 5 outputs an appropriate output ON area by the process mentioned later.
  • the set current from the setting unit 8 and the welding current from the current detection unit 3 are input to the first comparison unit 11 of the control unit 5.
  • the first comparison unit 11 calculates the current difference between the set current and the welding current and outputs the difference to the first calculation unit 13. Thereby, current feedback control can be performed.
  • the first calculation unit 13 of the calculation unit 10 calculates the first output ON section based on the current difference from the first comparison unit 11 and outputs the first output ON section to the switching unit 17.
  • the set voltage from the setting unit 8 and the welding voltage from the voltage detection unit 4 are input to the second comparison unit 12 of the control unit 5.
  • the second comparison unit 12 calculates a voltage difference between the set voltage and the welding voltage and outputs the voltage difference to the second calculation unit 14. Thereby, voltage feedback control can be performed.
  • the second calculation unit 14 of the calculation unit 10 calculates the second ON section based on the voltage difference from the second comparison unit 12 and outputs it to the switching unit 17.
  • the third calculation unit 15 of the calculation unit 10 receives a setting output from the setting unit 8 (for example, a setting current, a setting voltage, and a threshold value for determining a welding state).
  • the setting output is a fixed value, and the third calculation unit 15 calculates a third output ON section based on the setting output and outputs the third output ON section to the switching unit 17.
  • the welding state determination unit 16 of the calculation unit 10 includes a welding current from the current detection unit 3, a welding voltage from the voltage detection unit 4, and a setting output from the setting unit 8 (for example, a setting current, a setting voltage, and a welding state). Threshold value for determination) is input.
  • the welding state determination unit 16 determines whether the welding of the base material 22 by the electrode 24 is in a short circuit state, an arc state, a constriction that is a symptom of short circuit opening, or an overcurrent state. And output to the switching unit 17.
  • the switching unit 17 switches to any one of the first output on section, the second output on section, and the third output on section based on the determination of the welding state determination section 16, and controls the control section 5 as an output on section. To the outside.
  • the switching unit 17 when the determination by the welding state determination unit 16 is a short circuit state, the switching unit 17 outputs the first output on section as the output on section. That is, current feedback control is performed. When the determination by the welding state determination unit 16 is the arc state, the switching unit 17 outputs the second output on section as the output on section. That is, voltage feedback control is performed. When the determination by the welding state determination unit 16 is a state in which constriction has occurred and in an overcurrent state, the switching unit 17 outputs the third output on section as an output on section. That is, feedback control is not performed.
  • the welding state is a short circuit state.
  • a reference value for example, 5.0 V
  • the welding state is an arc state.
  • the welding voltage is in a short-circuit state and the differential value of the welding voltage is higher than a reference value (for example, 1.0 V / msec) set by the setting unit 8, it is determined that the welding state is a constricted state. Is done.
  • the welding current exceeds a reference value (for example, 600 A) set by the setting unit 8, it is determined that the welding state is an overcurrent state.
  • the top of FIG. 6 shows the waveform of the welding current by the current detector 3
  • the second from the top shows the waveform of the welding voltage by the voltage detector 4.
  • the third to fifth from the top in FIG. 6 are a short-circuit / arc determination signal, a constriction determination signal, and an overcurrent determination signal by the welding state determination unit 16 in order.
  • 6 to 8 from the top in FIG. 6 are signals that are switched by the switching unit 17 in order, and are switching signals among the first signal S1, the second signal S2, and the third signal S3.
  • the first signal S1 is a signal indicating that the switching unit 17 switches to the first output on section
  • the second signal S2 is a signal indicating that the switching section 17 switches to the second output on section
  • the third signal S3 is a signal indicating that the switching unit 17 switches to the third output ON section.
  • time points E1, E3, and E6 are times when a short circuit occurs.
  • Times E2 and E5 are times when arcs are generated.
  • Time point E4 is a time point when the constriction occurs.
  • Time point E7 is a time point when it is determined that the current is in an overcurrent state.
  • FIG. 6 shows an overcurrent determination value IOC (for example, 600 A) and a short circuit / arc determination value VAS (for example, 5.0 V).
  • IOC overcurrent determination value
  • VAS short circuit / arc determination value
  • the short / arc determination signal when the signal is at a high level (upper side), it indicates an arc state, and when the signal is at a low level (lower side), it indicates a short circuit state.
  • a squeezing determination signal the signal is in a constricted state when the signal is at a high level, and is not in the constricted state when the signal is at a low level.
  • the overcurrent determination signal when the signal is at a high level, the overcurrent state is indicated, and when the signal is at a low level, the overcurrent state is indicated.
  • the first signal S1, the second signal S2, and the third signal S3 are switched (selected) when the signal is at a high level, and when the signal is at a low level.
  • the first signal S1 to the third signal S3 are sent from the welding state determination unit 16 to the switching unit 17, and the switching unit 17 performs the first output on section to the third output on based on these signals. Switch (select) one of the sections and output.
  • the welding voltage falls below the short circuit / arc determination value VAS, and the short circuit / arc determination becomes a short circuit state (indicated by a low level).
  • the first signal S1 becomes high level, and current feedback control is performed.
  • the setting unit 8 outputs a set current having a predetermined inclination (for example, 200 A / msec) and performs appropriate short-circuit welding control.
  • the welding voltage exceeds the short circuit / arc determination value VAS, and the short circuit / arc determination is in an arc state (indicated by a high level).
  • the second signal S2 becomes high level, and voltage feedback control is performed.
  • the setting unit 8 outputs a predetermined set voltage (for example, 30.0 V) and performs appropriate arc welding control.
  • the setting unit 8 outputs a predetermined fixed value (for example, 5% of the maximum output), and performs appropriate necking control for reducing the welding current during the short circuit. Necking control is control that lowers the welding current in order to suppress the occurrence of spatter that occurs when a short circuit is opened.
  • the overcurrent determination becomes an overcurrent state (high level).
  • the overcurrent determination if the welding current exceeds an overcurrent determination value IOC (for example, 600 A), the overcurrent determination becomes an overcurrent state.
  • the third signal S3 becomes high level, and fixed output control is performed.
  • the setting unit 8 outputs a predetermined fixed value (for example, 5% of the maximum output), and performs appropriate overcurrent control for protecting the welding apparatus 1.
  • Overcurrent control is control for reducing the welding current because the welding current is too high.
  • the output on section is switched according to the welding state, and an optimal control method among current feedback control, voltage feedback control, and fixed output control is performed. And even if a control method switches discontinuously, since the inverter frequency is determined based on the output ON section, there is no problem in switching the inverter frequency.
  • the present disclosure can change the inverter frequency in accordance with the output-on period, so that high-quality welding can be realized and is industrially useful as a welding apparatus using inverter control.

Abstract

　本開示の溶接装置は、スイッチング部と、設定部と、出力検出部と、制御部と、周波数制御部と、駆動部とを有する。スイッチング部は、スイッチング素子から構成される。設定部は、設定出力を設定する。出力検出部は、溶接出力を検出する。制御部は、設定出力および溶接出力に基づいて、スイッチング部の出力オン区間を算出する。周波数制御部は、出力オン区間に基づいてインバータ周波数を決定する。駆動部は、インバータ周波数と出力オン区間に基づいてスイッチング部を構成するスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。出力オン区間が第１の割合では、インバータ周波数が第１の周波数であり、出力オン区間が第１の割合より小さい第２の割合では、インバータ周波数が第１の周波数より高い第２の周波数である。

Description

溶接装置
　本開示は、インバータ制御を用いてアーク溶接を行う溶接装置に関する。
　近年、インバータ制御を用いる溶接装置では、デジタル制御の適用やインバータ周波数の高速化に伴い、多様な波形をもった溶接出力が実現されている。
　インバータ制御を用いてアーク溶接を行う溶接装置は、フルブリッジ構成やハーフブリッジ構成のインバータ回路を有する。そして、ブリッジを構成するスイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体が用いられる。パワー半導体は、通常、数ｋＨｚから４００ｋＨｚ程度のインバータ周波数により駆動され、インバータ回路に接続された変圧器の一次電流導通幅を制御することにより溶接出力が得られる。
　インバータ制御の方式としては、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　従来のインバータ制御による溶接装置について、図７を用いて説明する。図７において、溶接装置１０１は、１次整流部１１８と、平滑コンデンサ１１９と、スイッチング部１０２と、変圧器１２０と、２次整流部１２１と、電流検出部１０３と、設定部１０８と、制御部１０５と、駆動部１０７と、三角波発生部１２７とを有する。スイッチング部１０２は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と、第２のスイッチング素子ＴＲ２と、第３のスイッチング素子ＴＲ３と、第４のスイッチング素子ＴＲ４とを有する。制御部１０５は、出力比較部１０９と、算出部１１０とを有する。
　溶接装置１０１は、配電盤等の外部機器１２６に接続され、電力が供給される。また、溶接装置１０１には、母材１２２とトーチ１２３が接続され、溶接出力を出力している。トーチ１２３は、電極１２４を有する。電極１２４と母材１２２とに溶接装置１０１の溶接出力を供給し、電極１２４と母材１２２との間にアーク１２５を発生させ、母材１２２の溶接が行われる。なお、溶接出力とは、溶接装置から出力される溶接電流および溶接電圧の総称である。
　以上のように構成された溶接装置１０１の動作を、消耗電極式のアーク溶接装置を例にして説明する。
　図７において、外部機器１２６から溶接装置１０１に給電される交流電圧は、１次整流部１１８で整流され、平滑コンデンサ１１９により直流電圧に変換される。平滑コンデンサ１１９から出力される直流電圧は、スイッチング部１０２のインバータ駆動により、溶接に適した高周波交流電圧に変換される。スイッチング部１０２で変換された高周波交流電圧は、変圧器１２０に供給されて変圧される。なお、スイッチング部１０２は、ＩＧＢＴである第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４で構成される。第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４は、駆動部１０７からの指令に基づいてＰＷＭ方式でスイッチのオン／オフが制御され、スイッチング部１０２がインバータ動作を行う。変圧器１２０が出力する高周波交流電圧は、ダイオード等で構成される２次整流部１２１にて整流される。
　溶接装置１０１の出力の一方は、トーチ１２３の内部に設けられた給電チップ（図示せず）を介して、消耗電極ワイヤである電極１２４に供給される。消耗電極ワイヤは、送給モータ（図示せず）によってトーチ１２３に送給される。溶接装置１０１の出力の他方は、母材１２２に供給される。そして、電極１２４の先端と母材１２２との間に電圧を印加してアーク１２５を発生させ、母材１２２の溶接を行う。
　ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部１０３は、溶接電流を検出して出力する。設定部１０８は、設定出力に応じた適切な設定電流等を出力する。制御部１０５には、設定部１０８から出力された設定電流、および、電流検出部１０３から出力された溶接電流が入力される。制御部１０５の出力比較部１０９は、設定電流と溶接電流との電流差を算出して出力し、制御部１０５の算出部１１０は、電流差に基づいてスイッチング部１０２の出力オン区間を算出し、出力する。このように、制御部１０５は、溶接電流をフィードバック制御することで、適切な出力オン区間を駆動部１０７に出力する。
　駆動部１０７には、三角波発生部１２７が発生する基準三角波で決まる周期と、制御部１０５の算出部１１０が出力する出力オン区間とに基づいて、スイッチング部１０２をパルス制御する。駆動部１０７がスイッチング部１０２を制御するパルスは、１パルスおきに２系統に分離される。具体的には、駆動部１０７からは、第１の駆動信号および第２の駆動信号の２系統のパルスがスイッチング部１０２に出力される。三角波発生部１２７は基準三角波を生成し、基準三角波はインバータ周波数を決定する波形である。駆動部１０７は、インバータ周波数の逆数である周期で、パルス幅が制御された２系統の駆動信号を交互に出力する。第１の駆動信号は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４とを同期させてオン／オフを制御する。第２の駆動信号は、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３とを同期させてオン／オフを制御する。
　上記した従来のインバータ制御では、インバータ周波数が低いと、溶接電圧のリップル率が増大し、アーク切れが発生する等、溶接性能が低下する。なお、溶接電圧のリップル率を下げるためには、溶接装置１０１の出力側に配置するＤＣＬ（直流リアクトル、図示せず）のインダクタンス（Ｌ値）を大きくする方法がある。しかし、ＤＣＬのＬ値を大きくすると、急峻な変動を伴う多様な溶接出力波形を実現することができない。
　よって、インバータ周波数は高くし、溶接電圧のリップル率を低く、ＤＣＬのＬ値を小さくすることが望ましい。しかし、インバータ周波数を高くすると、スイッチング素子のスイッチングロスが増大してスイッチング部１０２が高温となるため、熱対策が必要であった。
特開昭６１－２９５８７７号公報
　上記のような従来の溶接装置１０１では、インバータ周波数は三角波発生部１２７から出力される基準三角波によって固定されている。また、出力オン区間が大きくなると、スイッチング部１０２で発生するジュール熱が大きくなる。ジュール熱の最大値を考慮してスイッチングロスによる発熱を抑える必要があり、固定するインバータ周波数は、一定の高さに制限されていた。
　本開示は、出力オン区間に併せて、インバータ周波数を変更できる、高性能な溶接装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本開示の溶接装置は、スイッチング部と、設定部と、出力検出部と、制御部と、周波数制御部と、駆動部とを有する。スイッチング部は、スイッチング素子から構成される。設定部は、設定出力を設定する。出力検出部は、溶接出力を検出する。制御部は、設定出力および溶接出力に基づいて、スイッチング部の出力オン区間を算出する。周波数制御部は、出力オン区間に基づいてインバータ周波数を決定する。駆動部は、インバータ周波数と出力オン区間に基づいてスイッチング部を構成するスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。出力オン区間が第１の割合では、インバータ周波数が第１の周波数であり、出力オン区間が第１の割合より小さい第２の割合では、インバータ周波数が第１の周波数より高い第２の周波数である。
　以上のように、本開示の溶接装置は、出力オン区間に併せて、インバータ周波数を変更できるため、高品質な溶接が実現できる。
図１は、実施の形態１における溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、実施の形態１における、インバータ周波数が出力オン区間に対して段階的に変化することを示すグラフである。 図３は、実施の形態１における、出力オン区間とスイッチング素子の駆動タイミングとの時間変化を示す図である。 図４は、実施の形態１における、インバータ周波数が出力オン区間に対して連続的に変化することを示すグラフである。 図５は、実施の形態２における溶接装置の概略構成を示す図である。 図６は、実施の形態２における、短絡アーク溶接の溶接出力の波形と信号のタイミングを示す図である。 図７は、従来の溶接装置の概略構成を示す図である。
　（実施の形態１）
　本実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
　図１は、本実施の形態の溶接装置１の概略構成を示す図である。図２は、本実施の形態において、インバータ周波数が出力オン区間に対して段階的に変化することを示すグラフである。図３は、本実施の形態における出力オン区間とスイッチング素子の駆動タイミングとの時間変化を示す図である。図４は、本実施の形態において、インバータ周波数が出力オン区間に対して連続的に変化することを示すグラフである。
　図１に示すように、溶接装置１は、１次整流部１８と、平滑コンデンサ１９と、スイッチング部２と、変圧器２０と、２次整流部２１と、電流検出部３と、設定部８と、制御部５と、周波数制御部６と、駆動部７とを有する。スイッチング部２は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と、第２のスイッチング素子ＴＲ２と、第３のスイッチング素子ＴＲ３と、第４のスイッチング素子ＴＲ４とを有する。制御部５は、出力比較部９と、算出部１０とを有する。
　溶接装置１には、入力として、商用電力（交流２００Ｖ）を供給する配電盤等の外部機器２６が接続されている。また、溶接装置１には、出力として、母材２２およびトーチ２３が接続されている。トーチ２３は、電極２４を有する。電極２４と母材２２との間に溶接装置１の溶接出力を供給し、電極２４と母材２２との間にアーク２５を発生させ、母材２２の溶接を行う。なお、溶接出力とは、溶接装置から出力される溶接電流および溶接電圧の総称である。
　以上のように構成された溶接装置１の動作を、短絡とアークとを繰り返す消耗電極式のアーク溶接装置を例にして説明する。
　図１において、外部機器２６から溶接装置１に給電される交流電圧は、１次整流部１８で整流され、平滑コンデンサ１９により直流電圧に変換される。１次整流部１８はダイオード等で構成され、平滑コンデンサ１９は電解コンデンサなどで構成される。
　平滑コンデンサ１９から出力される直流電圧は、スイッチング部２のインバータ駆動により溶接に適した高周波交流電圧に変換される。スイッチング部２で変換された高周波交流電圧は、変圧器２０に供給されて変圧される。なお、スイッチング部２は、ＩＧＢＴで構成される第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４で構成される。第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４は、駆動部７からの指令に基づいてＰＷＭ方式でスイッチのオン／オフが制御され、インバータ動作を行う。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ以外にも、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体を用いることができる。変圧器２０が出力する高周波交流電圧は、２次整流部２１で整流され、母材２２およびトーチ２３に出力される。
　溶接装置１の出力の一方は、トーチ２３の内部に設けられた給電チップ（図示せず）を介して送給モータ（図示せず）により送給される消耗電極ワイヤである電極２４にプラス出力として供給される。溶接装置１の出力の他方は、母材２２にマイナス出力として給電される。そして、電極２４の先端と母材２２との間に直流電圧を印加してアーク２５を発生させ、母材２２を溶接する。本実施の形態では、トーチ２３に接続された出力側に、電流検出部３を直列に接続して溶接電流を検出する、電流フィードバック制御について説明する。なお、母材２２に接続された出力側に電流検出部を直列に接続しても良い。また、母材２２に接続された出力とトーチ２３に接続された出力との間に電圧検出部を並列に接続して溶接電圧を検出する、電圧フィードバック制御を行うこともできる。電流検出部や電圧検出部をまとめて検出部とする。
　ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される、出力検出部である電流検出部３は、溶接電流を検出する。設定部８は、ユーザーによって、溶接設定が入力され、溶接設定に応じて設定電流を出力する。設定部８は、溶接設定に応じて、設定電圧や消耗電極ワイヤの送給速度なども併せて出力する。制御部５には、設定部８からの設定電流および電流検出部３からの溶接電流が入力される。制御部５の出力比較部９は、設定電流と溶接電流との電流差を算出し、算出部１０に出力する。制御部５の算出部１０は、出力比較部９から出力された電流差に基づいて、スイッチング部２の出力オン区間を算出する。これにより、電流フィードバック制御を行うことができる。なお、算出部１０は、設定電流と溶接電流との電流差と、出力オン区間とを対応付けた表や数式等を有しており、出力オン区間を求める。出力オン区間は、電流差のみによって決めても良いが、さらに電流差の変化率などを考慮して決めることも可能である。すなわち、１つの電流差に１つの出力オン区間が対応する１対１対応でも良いし、１つの電流差にさらに電流変化率も考慮した出力オン区間を対応させても構わない。
　また、出力オン区間とは、１周期において出力がオンとなっている時間の割合である。出力オン区間とは、インバータ制御のデューティ比である。出力オン区間が１００％とは、１周期の間はずっと出力がオンとなっている状態で、最大の電流を出力することができる。出力オン区間が４０％とは、１周期のうちの４０％の時間だけ出力がオンとなっている状態（６０％の時間は出力がオフとなっている状態）であり、出力される電流は最大の電流の４０％となる。
　電流フィードバック制御の動作としては、出力比較部９が、溶接電流と設定電流との偏差としての差分を算出する。次に、算出部１０は偏差増幅のために比例ゲインを偏差に乗算する比例制御により、出力オン区間を算出する。
　なお、算出部１０は、比例制御に、偏差の積分を用いる積分制御と偏差の微分を用いる微分制御とを組み合わせたＰＩＤ制御を用いて出力オン区間を算出してもよい。
　ＣＰＵ等で構成される周波数制御部６は、制御部５が算出した出力オン区間に基づいて、出力オン区間に応じてインバータ周波数が変化するようにインバータ周波数を決定する。言い換えると、出力オン区間が第１の割合では、インバータ周波数が第１の周波数であるとして、出力オン区間が第１の割合より小さい第２の割合では、インバータ周波数が第１の周波数より高い第２の周波数となる。なお、周波数制御部６は、出力オン区間とインバータ周波数とを対応付けた表や数式等を有し、入力された出力オン区間に基づいてインバータ周波数を決定する。１つの出力オン区間に対して１つのインバータ周波数が決まる１対１対応となっている。
　駆動部７は、周波数制御部６が決定したインバータ周波数と、制御部５が決定した出力オン区間に基づいて、スイッチング部２を構成する第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４のオン／オフ動作を制御する。具体的には、インバータ周波数から求められる周期と、出力オン区間から求められる周期内のオン出力の時間に基づいてオン／オフ動作を制御する。
　次に、図２から図４を用いて、溶接装置１の動作について説明する。
　図２では、出力オン区間として、第１の所定値Ｄ１（例えば、６０％）と、第２の所定値Ｄ２（例えば、４０％）と、最大出力オン区間ＤＭＡＸ（１００％）とを用いて説明する。また、出力オン区間が第１の所定値Ｄ１以上で最大出力オン区間ＤＭＡＸ以下（例えば、６０％以上１００％以下）の時に、インバータ周波数は第１のインバータ周波数Ｆ１（例えば、２０ｋＨｚ）とする。出力オン区間が第２の所定値Ｄ２以上で第１の所定値Ｄ１未満（例えば、４０％以上６０％未満）の時に、インバータ周波数は第２のインバータ周波数Ｆ２（例えば、４０ｋＨｚ）とする。出力オン区間が０％以上で第２の所定値未満（例えば、０％以上４０％未満）の時に、インバータ周波数は最大インバータ周波数ＦＭＡＸ（例えば、１００ｋＨｚ）とする。なお、第１のインバータ周波数Ｆ１では第１の周期Ｔ１（例えば、５０μ秒）、第２のインバータ周波数Ｆ２では第２の周期Ｔ２（例えば、２５μ秒）、最大インバータ周波数ＦＭＡＸでは最小周期ＴＭＩＮ（例えば、１０μ秒）となっている。図２では、出力オン区間によって、インバータ周波数が段階的に変化するように制御することを示している。
　また、図３において、時点ＥＤ１は、出力オン区間が第１の所定値Ｄ１に達した時点であり、時点ＥＤ２は、出力オン区間が第２の所定値Ｄ２に達した時点を示す。
　図２を用いて、出力オン区間が小さくなると、インバータ周波数が段階的に大きくなる制御について説明する。
　図２において、制御部５が算出する出力オン区間が、第１の所定値Ｄ１以上で最大出力オン区間ＤＭＡＸ以下である場合は、周波数制御部６が決定するインバータ周波数は、第１のインバータ周波数Ｆ１となる。また、制御部５が算出する出力オン区間が、第２の所定値Ｄ２以上で第１の所定値Ｄ１未満である場合は、周波数制御部６が決定するインバータ周波数は、第２のインバータ周波数Ｆ２となる。また、制御部５が算出する出力オン区間が、０％以上で第２の所定値Ｄ２未満（例えば、０％以上４０％未満）である場合は、周波数制御部６が決定するインバータ周波数は、最大インバータ周波数ＦＭＡＸとなる。
　なお、第１のインバータ周波数Ｆ１と、第２のインバータ周波数Ｆ２と、最大インバータ周波数ＦＭＡＸとの関係は、第１のインバータ周波数Ｆ１が１０ｋＨｚ、第２のインバータ周波数Ｆ２が２０ｋＨｚ、最大インバータ周波数ＦＭＡＸが４０ｋＨｚのように、２倍ずつ増える関係でもよい。あるいは、整数倍の関係でもよい。インバータ周波数を整数倍で変更することで、フィードバック等の制御周波数を固定（例えば、１０ｋＨｚに固定）でき、有用である。
　図２に示すように、周波数制御部６は、出力オン区間が第１の所定値Ｄ１に低下するまでは、第１のインバータ周波数Ｆ１のままとしてインバータ周波数を変更しない。出力オン区間が第１の所定値Ｄ１より小さくなると、第１のインバータ周波数Ｆ１より高い第２のインバータ周波数Ｆ２に変更する。出力オン区間が第２の所定値Ｄ２より小さくなると、第２のインバータ周波数Ｆ２より高い最大インバータ周波数ＦＭＡＸに変更する。
　次に、図１と図３を用いて、出力オン区間が小さくなると、インバータ周波数が段階的に大きくなる場合の、出力オン区間と第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４の駆動タイミングについて説明する。
　図３を用いて、ＰＷＭ方式を用いたインバータ制御について説明する。図３は、スイッチング素子がオンする信号をハイレベル、スイッチング素子がオフする信号をローレベルとするスイッチング素子の駆動波形である。第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４とは同期して動作し、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３とが同期して動作する。全てのスイッチング素子がオフされている時間は電流を流さず、第１のスイッチング素子ＴＲ１と第４のスイッチング素子ＴＲ４の組、または、第２のスイッチング素子ＴＲ２と第３のスイッチング素子ＴＲ３の組がオンされている時に電流が流れる。１周期のうち、スイッチング素子の組のどちらかがオンされている時間の割合が出力オン区間である。
　図３に示すように、制御部５が算出する出力オン区間が低下して第１の所定値Ｄ１に達する時点ＥＤ１になるまでは、第１のインバータ周波数Ｆ１（第１の周期Ｔ１）で第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４が駆動される。
　出力オン区間が第１の所定値Ｄ１に達する時点ＥＤ１になると、第２のインバータ周波数Ｆ２（第２の周期Ｔ２）で第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４が駆動される。
　出力オン区間が第２の所定値Ｄ２に達する時点ＥＤ２になると、最大インバータ周波数ＦＭＡＸ（最小周期ＴＭＩＮ）で第１のスイッチング素子ＴＲ１から第４のスイッチング素子ＴＲ４が駆動される。
　このように、インバータ制御の周期の開始時点における出力オン区間の値によってインバータ周波数（周期）が決定され、決定された周期でスイッチング素子が動作する。
　なお、周波数制御部６は、図４に示すように、出力オン区間によって、インバータ周波数が連続的に変化するように制御してもよい。図４では、出力オン区間が最大出力オン区間ＤＭＡＸ（１００％）の時に、インバータ周波数は第１のインバータ周波数Ｆ１（例えば２０ｋＨｚ）であり、出力オン区間が０％の時にインバータ周波数は最大インバータ周波数ＦＭＡＸであることを示している。
　さらに、出力オン区間によるインバータ周波数の制御は、段階的な変化と連続的な変化を組み合わせてもよい。
　以上のように、本実施の形態においては、出力オン区間が小さくなると、インバータ周波数を高く設定する。すなわち、出力オン区間が小さいためにジュール熱の発生が小さい時は、スイッチングロスによる熱の発生に余裕があるため、インバータ周波数を高くすることができる。これにより、溶接電圧のリップル率も低くでき、高性能な溶接装置が実現できる。さらに、インバータ周波数によってスイッチング部全体の発熱量を安定化させることができるため、必要最小限の熱対策が可能となる。
　また、図２に示すように、出力オン区間が所定値に低下するまではインバータ周波数の変更を行わないことで、若干の検出誤差などではインバータ周波数を変更せず、安定した制御ができる。さらに、インバータ周波数を段階的に高くすることで、所定のインバータ周波数に対応した制御系を実現できる。
　また、図４に示すように、インバータ周波数を連続的に変化させることで、最適なインバータ周波数を常に実現できる。
　なお、本実施の形態では、インバータの制御方式はＰＷＭ方式を用いて説明した。しかし、フェーズシフト方式等、インバータ周波数を基準に出力制御を行う他の方式でも構わない。
　なお、本実施の形態の説明では、溶接装置１として消耗電極式のアーク溶接装置について説明した。しかし、インバータ制御を用いた溶接装置１であればＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）溶接装置等、他の溶接装置でも構わない。
　なお、本実施の形態では、出力検出部として電流検出部だけを用いた電流フィードバック制御について説明した。しかし、出力検出部として電圧検出部を用い、設定部８からの設定電圧と電圧検出部で検出した溶接電圧とによる電圧フィードバック制御を行っても構わない。
　（実施の形態２）
　本実施の形態について、図５と図６を用いて説明する。
　図５は、本実施の形態の溶接装置１の概略構成を示す図である。図６は、本実施の形態の短絡アーク溶接の溶接出力の波形と信号のタイミングを示す図である。
　本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、電圧検出部４を設けている点と、制御部５の構成および動作である。
　図５において、溶接装置１は、溶接装置１の溶接電圧を検出する電圧検出部４を有する。本実施の形態では、電流検出部３と電圧検出部４をまとめて出力検出部とする。溶接装置１の制御部５は、出力比較部９と算出部１０とを有する。出力比較部９は、ＣＰＵ等で構成される、第１の比較部１１（電流比較部）と第２の比較部１２（電圧比較部）とを有する。算出部１０は、ＣＰＵ等で構成される、第１の算出部１３と第２の算出部１４と第３の算出部１５と溶接状態判定部１６と切替部１７とを有する。
　以上のように構成された溶接装置１の例として、短絡とアークとを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接装置の動作を説明する。
　ＣＴ等で構成される電流検出部３は、溶接電流を検出して出力する。電極２４と母材２２の間に並列に接続された電圧検出部４は、溶接電圧を検出して出力する。制御部５には、電流検出部３からの溶接電流と、電圧検出部４からの溶接電圧と、設定部８からの設定電圧および設定電流が入力される。そして、制御部５は、後述する処理により適切な出力オン区間を出力する。
　制御部５の第１の比較部１１には、設定部８からの設定電流および電流検出部３からの溶接電流が入力される。第１の比較部１１は、設定電流と溶接電流との電流差を算出し、第１の算出部１３に出力する。これにより、電流フィードバック制御を行うことができる。算出部１０の第１の算出部１３は、第１の比較部１１からの電流差に基づいて、第１の出力オン区間を算出し、切替部１７に出力する。
　制御部５の第２の比較部１２には、設定部８からの設定電圧および電圧検出部４からの溶接電圧が入力される。第２の比較部１２は、設定電圧と溶接電圧との電圧差を算出し、第２の算出部１４に出力する。これにより、電圧フィードバック制御を行うことができる。算出部１０の第２の算出部１４は、第２の比較部１２からの電圧差に基づいて、第２のオン区間を算出し、切替部１７に出力する。
　算出部１０の第３の算出部１５には、設定部８からの設定出力（例えば、設定電流および設定電圧、溶接状態を判定するための閾値）が入力される。設定出力は固定値であり、第３の算出部１５は、設定出力に基づいて、第３の出力オン区間を算出し、切替部１７に出力する。
　算出部１０の溶接状態判定部１６には、電流検出部３からの溶接電流と、電圧検出部４からの溶接電圧と、設定部８から設定出力（例えば、設定電流および設定電圧、溶接状態を判定するための閾値）が入力される。溶接状態判定部１６は、電極２４による母材２２の溶接が、短絡状態、アーク状態、短絡開放の予兆現象であるくびれが発生した状態、過電流状態のうちのいずれの状態であるのかを判定し、切替部１７に出力する。
　切替部１７は、溶接状態判定部１６の判定に基づいて、第１の出力オン区間、第２の出力オン区間、第３の出力オン区間のいずれかに切り替えて、出力オン区間として制御部５の外部へ出力する。
　さらに具体的には、溶接状態判定部１６による判定が、短絡状態である場合には、切替部１７は、第１の出力オン区間を出力オン区間として出力する。すなわち、電流フィードバック制御が行われる。溶接状態判定部１６による判定が、アーク状態である場合には、切替部１７は、第２の出力オン区間を出力オン区間として出力する。すなわち、電圧フィードバック制御が行われる。溶接状態判定部１６による判定が、くびれが発生した状態である場合、および、過電流状態である場合は、切替部１７は、第３の出力オン区間を出力オン区間として出力する。すなわち、フィードバック制御は行われない。
　なお、溶接電圧が、設定部８が設定する基準値（例えば５．０Ｖ）よりも下回っている場合は、溶接状態が短絡状態であると判定される。溶接電圧が、設定部８が設定する基準値（例えば５．０Ｖ）よりも上回っている場合は、溶接状態がアーク状態であると判定される。短絡状態であり、かつ、溶接電圧の微分値が、設定部８が設定する基準値（例えば１．０Ｖ／ｍｓｅｃ）よりも上回っている場合は、溶接状態がくびれが発生した状態であると判定される。溶接電流が、設定部８が設定する基準値（例えば６００Ａ）よりも上回っている場合は、溶接状態が過電流状態であると判定される。
　第１の出力オン区間～第３の出力オン区間のいずれかが出力オン区間として制御部５から周波数制御部６および駆動部７に出力されると、実施の形態１と同様のインバータ制御が行われる。
　次に、図６を用いて、溶接出力の波形と切替部１７の切り替えタイミングについて説明する。具体的には、図６の一番上は、電流検出部３による溶接電流の波形であり、上から２番目は電圧検出部４による溶接電圧の波形である。図６の上から３～５番目は順に、溶接状態判定部１６による、短絡／アーク判定の信号とくびれ判定の信号と過電流判定の信号である。図６の上から６～８番目は順に、切替部１７によって切り替えられる信号であり、第１の信号Ｓ１と第２の信号Ｓ２と第３の信号Ｓ３とのそれぞれの切替信号である。第１の信号Ｓ１は、切替部１７が第１の出力オン区間に切り替えることを示す信号であり、第２の信号Ｓ２は、切替部１７が第２の出力オン区間に切り替えることを示す信号であり、第３の信号Ｓ３は、切替部１７が第３の出力オン区間に切り替えることを示す信号である。
　図６において、時点Ｅ１、Ｅ３、Ｅ６は、短絡が発生した時点である。時点Ｅ２、Ｅ５は、アークが発生した時点である。時点Ｅ４は、くびれが発生した時点である。時点Ｅ７は、過電流状態であると判定した時点である。
　図６には、過電流判定値ＩＯＣ（例えば６００Ａ）と、短絡／アーク判定値ＶＡＳ（例えば５．０Ｖ）とが示されている。
　なお、短絡／アーク判定の信号について、信号がハイレベル（上側）の場合にはアーク状態であることを示し、信号がローレベル（下側）の場合には短絡状態であることを示す。くびれ判定の信号について、信号がハイレベルの場合にはくびれ状態であり、信号がローレベルの場合にはくびれ状態ではないことを示す。過電流判定の信号について、信号がハイレベルの場合には過電流状態であり、信号がローレベルの場合には過電流状態ではないことを示す。第１の信号Ｓ１と第２の信号Ｓ２と第３の信号Ｓ３とについて、信号がハイレベルの場合には切り替えられている（選択されている）ことを示し、信号がローレベルの場合には切り替えられていない（選択されていない）ことを示す。第１の信号Ｓ１～第３の信号Ｓ３は、溶接状態判定部１６から切替部１７に送られ、切替部１７は、これらの信号に基づいて、第１の出力オン区間～第３の出力オン区間のいずれかを切り替え（選択し）、出力する。
　図６において、短絡が発生した時点Ｅ１では、溶接電圧が短絡／アーク判定値ＶＡＳを下回り、短絡／アーク判定は短絡状態（ローレベルで示す）となる。このとき、第１の信号Ｓ１がハイレベルとなり、電流フィードバック制御が行われる。設定部８は、所定の傾き（例えば、２００Ａ／ｍｓｅｃ）の設定電流を出力し、適切な短絡溶接制御を行う。
　図６において、アークが発生した時点Ｅ２では、溶接電圧が短絡／アーク判定値ＶＡＳを上回り、短絡／アーク判定はアーク状態（ハイレベルで示す）となる。このとき、第２の信号Ｓ２がハイレベルとなり、電圧フィードバック制御が行われる。設定部８は、所定の設定電圧（例えば、３０．０Ｖ）を出力し、適切なアーク溶接制御を行う。
　図６において、短絡が発生した時点Ｅ３では、時点Ｅ１と同様の電流フィードバック制御が行われる。
　図６において、くびれが発生した時点Ｅ４では、くびれ判定がくびれ状態（がハイレベル）となる。溶接電圧の微分値が、基準値（例えば１．０Ｖ／ｍｓｅｃ）を上回っていれば、くびれ判定はくびれ状態であると判定する。このとき、第３の信号Ｓ３がハイレベルとなり、固定出力制御が行われる。設定部８は、所定の固定値（例えば、最大出力の５％）を出力し、短絡中に、溶接電流を低減する適切なくびれ制御を行う。くびれ制御とは、短絡が開放される時に発生するスパッタの発生を抑えるために溶接電流を低下させる制御である。
　図６において、アークが発生した時点Ｅ５では、時点Ｅ２と同様の電圧フィードバック制御が行われる。
　図６において、短絡が発生した時点Ｅ６では、時点Ｅ１と同様の電流フィードバック制御が行われる。
　図６において、過電流状態が発生した時点Ｅ７では、過電流判定が過電流状態（ハイレベル）となる。過電流判定は、溶接電流が過電流判定値ＩＯＣ（例えば、６００Ａ）を上回っていれば、過電流判定は、過電流状態となる。このとき、第３の信号Ｓ３がハイレベルとなり、固定出力制御が行われる。設定部８は、所定の固定値（例えば、最大出力の５％）を出力し、溶接装置１を保護するための、適切な過電流制御を行う。過電流制御とは、溶接電流が高すぎるため、溶接電流を低下させる制御である。
　以上のように、本実施の形態においては、溶接状態に応じて出力オン区間を切り替え、電流フィードバック制御、電圧フィードバック制御、固定出力制御のうちの最適な制御方法が行われる。そして、制御方法が不連続に切り替わっても、出力オン区間に基づいてインバータ周波数を決定するため、インバータ周波数の切替上の問題は発生しない。
　以上のように、本開示は、出力オン区間に併せてインバータ周波数を変更できるため、高品質な溶接が実現でき、インバータ制御を用いる溶接装置として産業上有用である。
　１，１０１　溶接装置
　２，１０２　スイッチング部
　３，１０３　電流検出部
　４　電圧検出部
　５，１０５　制御部
　６　周波数制御部
　７，１０７　駆動部
　８，１０８　設定部
　９，１０９　出力比較部
　１０，１１０　算出部
　１１　第１の比較部
　１２　第２の比較部
　１３　第１の算出部
　１４　第２の算出部
　１５　第３の算出部
　１６　溶接状態判定部
　１７　切替部
　１８，１１８　１次整流部
　１９，１１９　平滑コンデンサ
　２０，１２０　変圧器
　２１，１２１　２次整流部
　２２，１２２　母材
　２３，１２３　トーチ
　２４，１２４　電極
　２５，１２５　アーク
　２６，１２６　外部機器
　１２７　三角波発生部
　ＴＲ１　第１のスイッチング素子
　ＴＲ２　第２のスイッチング素子
　ＴＲ３　第３のスイッチング素子
　ＴＲ４　第４のスイッチング素子
　Ｄ１　第１の所定値
　Ｄ２　第２の所定値
　ＤＭＡＸ　最大出力オン区間
　Ｆ１　第１のインバータ周波数
　Ｆ２　第２のインバータ周波数
　ＦＭＡＸ　最大インバータ周波数
　Ｔ１　第１の周期
　Ｔ２　第２の周期
　ＴＭＩＮ　最小周期
　ＥＤ１　時点（出力オン区間が第１の所定値Ｄ１に到達）
　ＥＤ２　時点（出力オン区間が第２の所定値Ｄ２に到達）
　Ｅ１　時点（短絡が発生）
　Ｅ２　時点（アークが発生）
　Ｅ３　時点（短絡が発生）
　Ｅ４　時点（くびれが発生した状態であると判定）
　Ｅ５　時点（アークが発生）
　Ｅ６　時点（短絡が発生）
　Ｅ７　時点（過電流状態であると判定）
　ＩＯＣ　過電流判定値
　ＶＡＳ　短絡／アーク判定値
　Ｓ１　第１の信号
　Ｓ２　第２の信号
　Ｓ３　第３の信号

Claims (9)

  1. 　スイッチング素子から構成されるスイッチング部と、
    　設定出力を設定する設定部と、
    　溶接出力を検出する出力検出部と、
    　前記設定出力および前記溶接出力に基づいて、前記スイッチング部の出力オン区間を算出する制御部と、
    　前記出力オン区間に基づいてインバータ周波数を決定する周波数制御部と、
    　前記インバータ周波数と前記出力オン区間に基づいて前記スイッチング部を構成するスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する駆動部と、を備え、
    　前記出力オン区間が第１の割合では、前記インバータ周波数が第１の周波数であり、
    　前記出力オン区間が前記第１の割合より小さい第２の割合では、前記インバータ周波数が前記第１の周波数より高い第２の周波数である溶接装置。
  2. 　前記制御部は、
    　前記設定出力と前記溶接出力との出力差を求める出力比較部と、
    　前記出力差に基づいて前記出力オン区間を算出する算出部と、を備えた、請求項１記載の溶接装置。
  3. 　前記設定出力は設定電流を含み、
    　前記溶接出力は溶接電流を含み、
    　前記出力検出部は、電流検出部を有し、
    　前記出力比較部は、前記設定電流と前記溶接電流との電流差を求め、
    　前記算出部は、前記電流差に基づいて前記出力オン区間を算出する、請求項２に記載の溶接装置。
  4. 　前記設定出力は設定電圧を含み、
    　前記溶接出力は溶接電圧を含み、
    　前記出力検出部は、電圧検出部を有し、
    　前記出力比較部は、前記設定電圧と前記溶接電圧との電圧差を求め、
    　前記算出部は、前記電圧差に基づいて前記出力オン区間を算出する、請求項２に記載の溶接装置。
  5. 　前記設定出力は設定電流および設定電圧を含み、
    　前記溶接出力は溶接電流および溶接電圧を含み、
    　前記出力検出部は、電流検出部および電圧検出部を有し、
    　前記出力比較部は、
    　　前記設定電流と前記溶接電流との電流差を求める電流比較部と、
    　　前記設定電圧と前記溶接電圧との電圧差を求める電圧比較部とを有し、
    　前記算出部は、
    　　前記電流差に基づいて第１の出力オン区間を算出する第１の算出部と、
    　　前記電圧差に基づいて第２の出力オン区間を算出する第２の算出部と、
    　　前記設定出力に基づいて第３の出力オン区間を算出する第３の算出部と、
    　　前記設定電流と前記設定電圧と前記溶接電流と前記溶接電圧とに基づいて溶接状態を判定する状態判定部と、
    　　前記溶接状態に基づいて、前記第１の出力オン区間と前記第２の出力オン区間と前記第３の出力オン区間とを切り替えて前記出力オン区間として出力する切替部と、を有する、請求項２に記載の溶接装置。
  6. 　前記切替部は、
    　　前記溶接状態が短絡状態である場合には、前記第１の出力オン期間を前記出力オン期間とし、
    　　前記溶接状態がアーク状態である場合には、前記第２の出力オン期間を前記出力オン期間とし、
    　　前記溶接状態がくびれ発生状態である場合または過電流状態である場合には、前記第３の出力オン期間を前記出力オン期間とする、請求項５に記載の溶接装置。
  7. 　前記インバータ周波数は、前記出力オン区間に対して、段階的に変化する請求項１から６のいずれかに記載の溶接装置。
  8. 　前記インバータ周波数は、前記出力オン区間に対して、連続的に変化する請求項１から６のいずれかに記載の溶接装置。
  9. 　前記出力オン区間は、前記スイッチング部がオンされている時間の割合である請求項１から７のいずれかに記載の溶接装置。
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