WO2015015760A1 - 高周波発生装置および放電加工電源装置 - Google Patents

Abstract

　本開示の高周波発生装置は、起動スイッチと、整流部と、変圧器と、抵抗と、出力端とを有する。起動スイッチは、起動信号によってオンされ、交流電圧を入力する。整流部は、起動スイッチに接続され、入力された交流電圧を整流する。変圧器は、整流部に接続され、整流部から出力された直流電圧を変圧する。抵抗は、整流部と変圧器との間に直列に接続されている。出力端は変圧器に接続され、高周波高電圧を出力する。抵抗は可変抵抗または切替抵抗であり、抵抗の抵抗値は第１の抵抗値および第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値とに変更できる。

Description

高周波発生装置および放電加工電源装置

　本開示は、非接触の金属間にアークを発生させる高周波発生装置、および、高周波発生装置を内蔵した放電加工電源装置に関し、特に、高周波高電圧を発生させる高周波発生装置および高周波高電圧を出力する放電加工電源装置に関する。

　従来の非接触スタート方式の放電加工電源装置におけるアークのスタートや再点弧では、電極と母材との間に高周波高電圧が印加される。電極と母材との間への高周波高電圧の印加により、電極と母材との間に絶縁破壊を生じさせる。電極と母材との間の絶縁が破壊されると、微小アークが発生し、主アークが誘発される。

　現在主流である高周波高電圧を印加する方法では、高周波発生装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

　図５は、従来の高周波発生装置１１２と溶接電源装置１１１とを用いた溶接システムを示す図である。図６は、従来の高周波発生装置が出力する電圧を示すシーケンス図である。

　溶接電源装置１１１は、一次側整流部１０１と、インバータ部１０２と、メイントランス１０３と、二次側整流部１０４と、カップリングコイル１１０とを有している。一次側整流部１０１は、溶接電源装置１１１に入力された交流電圧を整流する。インバータ部１０２は、一次側整流部１０１で整流された電圧を交流電圧に変換する。メイントランス１０３は、インバータ部１０２からの交流電圧を変圧する。二次側整流部１０４は、メイントランス１０３からの交流電圧を整流する。カップリングコイル１１０は、高周波発生装置１１２で発生した高周波高電圧を溶接電源装置１１１側へ印加するためのものである。

　高周波発生装置１１２は、起動スイッチ１１３と、整流部１１４と、スイッチング回路１１５と、昇圧トランス１１７と、整流ダイオード１２２と、コンデンサ１１８と、火花ギャップ１１９とを有する。起動スイッチ１１３は、起動信号線１０７から受信した起動信号に基づいて高周波発生装置１１２の起動と停止を行う。整流部１１４は、入力された交流電圧を整流する。スイッチング回路１１５は、昇圧トランス１１７の二次側に電圧を誘起するためにスイッチングを行う。昇圧トランス１１７は、スイッチング回路１１５を経由して整流部１１４から入力された電圧を昇圧する。整流ダイオード１２２は、昇圧トランス１１７の電圧を整流する。コンデンサ１１８は、整流ダイオード１２２からの出力を充電する。火花ギャップ１１９は、放電を起こして高電圧を発生する。

　なお、加工用トーチ１０５は、放電加工用の電極１２３と、トーチスイッチ１２４とを有している。また、溶接電源装置１１１から出力される高周波高電圧は、加工用トーチ１０５に設けられた電極１２３と加工対象物１０９との間に印加され、電極１２３と加工対象物１０９との間でアークが発生する。

　以上のように構成された、溶接電源装置１１１と高周波発生装置１１２とを用いた溶接システムについて、その動作を説明する。

　高周波発生装置１１２には、溶接電源装置１１１のメイントランス１０３の二次側から交流電圧が入力され、入力された交流電圧を整流部１１４で整流し、スイッチング回路１１５をスイッチングさせる。これにより、昇圧トランス１１７の二次側に高電圧が誘起される。そして、昇圧トランス１１７の二次側からの電圧を整流し、コンデンサ１１８を充電する。このコンデンサ１１８の充電電圧が火花ギャップ１１９の放電閾値に達すると、火花ギャップ１１９で放電が発生する。これにより、カップリングコイル１１０の一次側に高周波高電圧が印加され、カップリングコイル１１０の二次側に高周波高電圧が誘起される。電極１２３と加工対象物１０９との間に高周波高電圧が印加されると、絶縁破壊が生じ、微小アークが発生する。

　高周波発生装置１１２の起動と停止は、溶接電源装置１１１に接続されている加工用トーチ１０５のトーチスイッチ１２４のオン／オフと連動している。なお、オンとは、溶接電源装置１１１から高周波高電圧が出力される状態であり、オフとは、溶接電源装置１１１からの高周波高電圧の出力が停止される状態である。

　トーチスイッチ１２４をオンすると、間欠的に複数回の高周波高電圧が発生し、微小アークも高周波高電圧と同じ回数だけ発生する。

　複数回のうち１回目の高周波高電圧で微小アークから主アークへの移行が成功したとしても、主アークを検出してから高周波発生装置１１２を停止させるため、停止までには時差がある。そして、この時差の間に、高周波高電圧は複数回出力される。ここで、図６に示すように、間欠的に出力される高周波高電圧の間隔（以下、発生周期とする）は、２０ｍｓｅｃ以下である。また、高周波高電圧の周波数が１ＭＨｚであれば、高周波高電圧の周期は１μｓｅｃであり、１回の高周波高電圧が消滅する時間は５μｓｅｃである（例えば、特許文献２や特許文献３参照）。

　なお、トーチスイッチ１２４をオンし続けた場合は、溶接電源装置１１１は、高周波高電圧の発生周期毎に、高周波高電圧を出力し続ける。一方、トーチスイッチ１２４をオフすると、溶接電源装置１１１は、高周波高電圧の出力を停止する。

特開平１０－１６６１４５号公報 特開平７－０５１８５３号公報 特開平７－００９１３７号公報

　高周波高電圧の発生周期の長短は、それぞれメリットがある。しかし、その両立は難しく、トレードオフの関係である。

　高周波高電圧の発生周期が長い場合は、火花ギャップ１１９で生じるノイズ、および電極１２３と加工対象物１０９との間で発生する放電によるノイズを低減できる。一方、高周波高電圧の発生周期が短い場合は、電極１２３と加工対象物１０９との間で発生する微小アークによる塗装膜や酸化膜を破壊する時間が短縮できる。また、トーチスイッチ１２４をオンしてから高周波高電圧が出力されるまでの時間が短い（応答速度が速い）というメリットがある。

　従来の高周波発生装置１１２では、予め定められた一定の発生周期でしか高周波高電圧を出力できなかった。

　本開示は、高周波発生装置の電流制限抵抗を可変にすることによって、高周波高電圧の発生周期を自在かつ容易に変更できる高周波発生装置を提供する。

　上記課題を解決するために、本開示の高周波発生装置は、起動スイッチと、整流部と、変圧器と、抵抗と、出力端とを有する。起動スイッチは、起動信号によってオンされ、交流電圧を入力する。整流部は、起動スイッチに接続され、入力された交流電圧を整流する。変圧器は、整流部に接続され、整流部から出力された直流電圧を変圧する。抵抗は、整流部と変圧器との間に直列に接続されている。出力端は変圧器に接続され、高周波高電圧を出力する。抵抗は可変抵抗または切替抵抗であり、抵抗の抵抗値は第１の抵抗値および第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値とに変更できる。

　また、本開示の放電加工装置は、起動スイッチと、整流部と、変圧器と、抵抗と、出力端とを有する。起動スイッチは、起動信号によってオンされ、交流電圧を入力する。整流部は、起動スイッチに接続され、入力された交流電圧を整流する。変圧器は、整流部に接続され、整流部から出力された直流電圧を変圧する。抵抗は、整流部と変圧器との間に直列に接続されている。出力端は変圧器に接続され、高周波高電圧を出力する。抵抗は可変抵抗または切替抵抗であり、抵抗の抵抗値は第１の抵抗値および第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値とに変更できる。起動スイッチと整流部と変圧器と出力端とは１つの回路基板上に設けられ、放電加工装置は回路基板を内部に設けている。

　以上のように、本開示は、高周波発生装置の可変抵抗の抵抗値を変更して高周波高電圧の発生周期を調整可能とする。これにより、高周波高電圧の発生周期を、溶接電源装置の使用環境や使用条件や使用目的等に合わせて、自在かつ容易に変更できる。

図１は、実施の形態１の放電加工システムの概略構成を示す図である。 図２は、実施の形態１の高周波発生装置が出力する電圧を説明するシーケンス図である。 図３は、実施の形態２の放電加工システムの概略構成を示す図である。 図４は、実施の形態３の放電加工システムの概略構成を示す図である。 図５は、従来の高周波発生装置と溶接電源装置とを用いた溶接システムを示す図である。 図６は、従来の高周波発生装置が出力する電圧のシーケンス図である。

　（実施の形態１）
　本開示の実施の形態１について、図１と図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態の放電加工システムの概略構成を示す図である。図２は、本実施の形態の高周波発生装置が出力する電圧を説明するシーケンス図である。

　図１に示すように、本実施の形態の放電加工システムは、溶接電源装置１１と高周波発生装置１２と加工用トーチと５を有している。

　溶接電源装置１１は、一次側整流部１と、インバータ部２と、メイントランス３と、二次側整流部４と、カップリングコイル１０とを有している。一次側整流部１は、溶接電源装置１１に入力された交流電圧を、ダイオードやトランジスタを用いて直流電圧に整流する。インバータ部２は、一次側整流部１で整流された直流電圧をスイッチング素子の切り替えによって交流電圧に変換する。メイントランス３は、インバータ部２からの交流電圧を変圧する。二次側整流部４は、メイントランス３からの交流電圧を、ダイオードやコンデンサを用いて直流電圧に整流する。カップリングコイル１０は、高周波発生装置１２で発生した高周波高電圧を溶接電源装置１１側へ印加するためのものである。なお、高周波高電圧とは、例えば、周波数が１ＭＨｚ以上であり、電圧が１ｋＶ以上のものを示す。

　高周波発生装置１２は、起動スイッチ１３と、整流部１４と、スイッチング回路１５と、可変抵抗２０と、昇圧トランス１７（変圧器）と、整流ダイオード２２と、コンデンサ１８と、火花ギャップ１９とを有する。なお、高周波発生装置１２の各構成要素は、同一の基板上に配置されていても良い。起動スイッチ１３は、起動信号線７により受信した起動信号に基づいて、高周波発生装置１２の起動と停止を行う。整流部１４は、入力された交流電圧を、ダイオードやコンデンサを用いて直流電圧に整流する。整流部１４は、溶接電源装置１１のメイントランス３の二次側と、起動スイッチ１３を直列に介して接続されている。スイッチング回路１５は、昇圧トランス１７の二次側に電圧を誘起するためにスイッチングを行う。スイッチング回路１５は、オン／オフを切り替えることで、入力された直流電圧をパルス状にする。可変抵抗２０は、昇圧トランス１７の一次側に流れる電流を制限する。これにより、コンデンサ１８の充電速度を遅らせる。昇圧トランス１７は、スイッチング回路１５を経由したパルス状の直流電圧を昇圧する。昇圧トランス１７は、パルストランスであり、昇圧されたパルス状の直流電圧を二次側に発生させ、整流ダイオード２２に出力する。コンデンサ１８は、昇圧トランス１７に並列に接続され、整流された昇圧トランス１７からの直流電圧を充電する。火花ギャップ１９は、昇圧トランス１７と高周波発生装置１２の出力端の一方との間に直接に接続され、放電を起こして高電圧を発生する。昇圧トランス１７の二次側コイルの両端はそれぞれ、高周波発生装置１２の１つの出力端２１および火花ギャップ１９と接続され、２つの出力端２１は、カップリングコイル１０の一次側のコイルの両端に接続されている。

　なお、加工用トーチ５は、放電加工用の電極２３と、トーチスイッチ２４とを有している。溶接電源装置１１は、電極２３と加工対象物９との間に電力を供給することで、主アークを発生させ加工対象物９を加工する。また、溶接電源装置１１から出力される高周波高電圧は、加工用トーチ５に設けられた電極２３と加工対象物９との間に印加され、電極２３と加工対象物９との間で微小アークが発生する。

　以上のように構成された高周波発生装置１２について、その動作を説明する。

　高周波発生装置１２には、溶接電源装置１１のメイントランス３の二次側から交流電圧が入力され、入力された交流電圧を整流部１４で直流電圧に整流し、スイッチング回路１５をスイッチングさせる。これにより、昇圧トランス１７の一次側にパルス状の直流電圧が印加され、昇圧トランス１７の二次側に高電圧が誘起される。そして、昇圧トランス１７の二次側からの高電圧の直流電圧が整流ダイオード２２によって整流され、コンデンサ１８を充電する。このコンデンサ１８の充電電圧が火花ギャップ１９の放電閾値に達すると、火花ギャップ１９で放電が発生する。このとき、カップリングコイル１０の一次側のコイルとコンデンサ１８とによって発振されながら高電圧が発生する。これにより、カップリングコイル１０の一次側に高周波高電圧が印加され、カップリングコイル１０の二次側に高周波高電圧が誘起される。電極２３と加工対象物９との間に高周波高電圧が印加されると、電極２３と加工対象物９との間で絶縁破壊が生じ、微小アークが発生する。高周波発生装置１２では、火花ギャップ１９で一度放電が発生すると、コンデンサ１８に充電されていた充電電圧も一旦低下し、再度の充電が開始される。すなわち、コンデンサ１８の放電が発生する周期（火花ギャップ１９が放電の起こす周期）が高周波高電圧の発生周期（第１の発生周期）となる。なお、昇圧トランス１７の一次側の電流は、可変抵抗２０により制限される。これにより、可変抵抗２０の抵抗値が大きいほど、コンデンサ１８の充電速度は遅くなり、高周波高電圧の発生周期も長くなる。

　可変抵抗２０の抵抗値とコンデンサ１８の容量値とによって、間欠的に出力される高周波高電圧の発生周期を制御することができる。すなわち、可変抵抗２０の抵抗値が大きければ大きいほど電流速度は遅くなるので、コンデンサ１８の充電に時間がかかるため、高周波高電圧の発生周期が長くなる。また、コンデンサ１８の容量値が大きければ大きいほど、コンデンサ１８の充電に時間がかかるため、高周波高電圧の発生周期が長くなる。特に本実施の形態では、可変抵抗２０の抵抗値を変えることによって、溶接電源装置の使用環境や使用条件や使用目的等に合わせた高周波高電圧の発生周期に設定する。

　起動信号線７による高周波発生装置１２の起動と停止は、溶接電源装置１１に接続されている加工用トーチ５のトーチスイッチ２４のオン／オフと連動している。なお、オンとは、溶接電源装置１１から高周波高電圧が出力される状態であり、オフとは、溶接電源装置１１からの高周波電圧の出力が停止される状態である。

　トーチスイッチ２４をオンすると、間欠的に複数回の高周波高電圧が発生し、微小アークも高周波高電圧と同じ回数だけ発生する。

　ここで、可変抵抗２０の抵抗値と高周波高電圧の発生周期との関係について、図２を用いて説明する。可変抵抗２０の抵抗値を大きくする程、昇圧トランス１７の一次側の電流が制限され、コンデンサ１８を充電する時間が長くなるため、高周波高電圧の発生周期は長くなる。一方、可変抵抗２０の抵抗値を小さくする程、昇圧トランス１７の一次側の電流制限の影響が小さくなり、コンデンサ１８を充電する時間が短くなるため、高周波高電圧の発生周期は短くなる。

　このように、可変抵抗２０の抵抗値を調整することで、高周波高電圧の発生周期を、容易かつ任意に設定できる。

　そして、可変抵抗２０を取り替えることなく抵抗値の変化を行うことができるので、高周波高電圧の発生周期の微調整が可能であり、また、高周波発生装置１２のメンテナンス性や生産性を向上できる。

　なお、可変抵抗２０の抵抗値を変えるためのツマミやボリューム等は、溶接電源装置１１に設けるようにしても良いし、高周波発生装置１２に設けるようにしても良い。

　また、上記において、高周波発生装置１２の各構成要素を同一の基板上に配置する例を示した。しかし、熱的影響の面から、可変抵抗２０を、この基板上ではない別の位置に設けるようにしても良い。

　また、高周波発生装置１２自体を回路基板で構成して溶接電源装置１１内に設けることで、高周波発生装置１２を溶接電源装置１１と一体としても良い。また、可変抵抗２０以外の高周波発生装置１２の構成要素を溶接電源装置１１と一体としても良い。

　（実施の形態２）
　本開示の実施の形態２について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態の放電加工システムの概略構成を示す図である。

　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と異なるのは、高周波発生装置１２において、可変抵抗２０を、抵抗値が切り替え可能である切替抵抗２５とした点と、切替抵抗２５の抵抗を切り替える抵抗切替指示部２６をさらに設けた点である。

　切替抵抗２５は、例えば２つ以上の抵抗を並列に接続したものであり、抵抗切替指示部２６からの指示に基づいて抵抗を切り替えることで抵抗値を選択する。なお、図３では、切替抵抗２５内に２つの抵抗（第１の抵抗値の抵抗と第２の抵抗値の抵抗）を並列接続した例を示している。

　また、抵抗切替指示部２６は、高周波発生装置１２に設けられた切り替えスイッチである。なお、抵抗切替指示部２６は、溶接電源装置１１に設けるようにしても良い。抵抗切替指示部２６を溶接電源装置１１に設ける場合は、溶接電源装置１１の操作パネル（図示せず）上の押しボタン、あるいはボリュームとして設けるようにしても良い。

　本実施の形態において、切替抵抗２５の抵抗値を切り替えることで、高周波高電圧の出力の応答速度である、トーチスイッチ２４をオン状態としてから高周波高電圧が出力されるまでの時間、および高周波高電圧の発生周期を、変化させることが可能となる。

　そして、切替抵抗２５を取り替えることなく抵抗値の変更を行うことができるので、高周波発生装置１２のメンテナンス性や生産性を向上できる。

　また、切替抵抗２５を、２つの抵抗を並列接続した構成とし、一方の抵抗を第１の抵抗値とし、他方の抵抗を第１の抵抗よりも小さい第２の抵抗とする。溶接電源装置１１がＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）溶接電源装置である場合には、抵抗切替指示部２６を操作して切替抵抗２５の抵抗を第１の抵抗値とし、溶接電源装置１１がプラズマ切断電源装置である場合には、抵抗切替指示部２６を操作して切替抵抗２５の抵抗を第２の抵抗値とする。

　これにより、ＴＩＧ溶接における高周波高電圧の応答速度がプラズマ切断における高周波高電圧の応答速度よりも遅くなる。そして、ＴＩＧ溶接における高周波高電圧の発生周期が、プラズマ切断における高周波高電圧の発生周期より長くなる。これにより、ＴＩＧ溶接スタート時のノイズを抑制できる。また、高周波高電圧によるアークはパイロットアークとして、プラズマ切断における切断軌跡のガイドにもなり、作業者の利便性が向上する。

　（実施の形態３）
　本実施の形態について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態の放電加工システムの概略構成を示す図である。

　本実施の形態において、実施の形態１や２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。図４において、破線２７で囲まれた部分は回路基板で構成される。

　実施の形態１や２と異なるのは、破線２７で囲まれた部分を同一の回路基板上に配置する点である。なお、図４において、可変抵抗２０は破線２７に含まれておらず、同一の回路基板上とは異なる場所に設けられているが、破線２７内に含んで、可変抵抗２０を同一の回路基板上に設けていても良い。

　上記のように高周波発生装置１２の破線２７で囲まれた部分を同一基板上に配置することで、コストを下げることができ、さらに、サイズも小さくできる。

　本開示によれば、高周波高電圧の発生周期を、自在かつ容易に変更することができるので、電極と母材との間に非接触でアークを発生させるアーク溶接電源装置やプラズマ切断電源装置等の放電加工電源装置に用いられる高周波発生装置として産業上有用である。

　１，１０１　一次側整流部
　２，１０２　インバータ部
　３，１０３　メイントランス
　４，１０４　二次側整流部
　５，１０５　加工用トーチ
　７，１０７　起動信号線
　９，１０９　加工対象物
　１０，１１０　カップリングコイル
　１１，１１１　溶接電源装置
　１２，１１２　高周波発生装置
　１３，１１３　起動スイッチ
　１４，１１４　整流部
　１５，１１５　スイッチング回路
　１７，１１７　昇圧トランス
　１８，１１８　コンデンサ
　１９，１１９　火花ギャップ
　２０　可変抵抗
　２１　出力端
　２２，１２２　整流ダイオード
　２５　切替抵抗
　２６　抵抗切替指示部
　２７　破線

Claims (7)

1. 　起動信号によってオンされ、交流電圧を入力する起動スイッチと、
   　前記起動スイッチに接続され、入力された交流電圧を整流する整流部と、
   　前記整流部に接続され、前記整流部から出力された直流電圧を変圧する変圧器と、
   　前記整流部と前記変圧器との間に直列に接続された抵抗と、
   　前記変圧器に接続され、高周波高電圧を出力する出力端と、を備え、
   　前記抵抗は可変抵抗または切替抵抗であり、前記抵抗の抵抗値は第１の抵抗値および前記第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値とに変更できる高周波発生装置。
2. 　前記出力端に並列に接続されたコンデンサと、
   　前記コンデンサと前記出力端の間に直列に接続された火花ギャップとをさらに備えた請求項１に記載の高周波発生装置。
3. 　前記抵抗は前記第１の抵抗値である第１の抵抗と前記第２の抵抗値である第２の抵抗とを有する切替抵抗であり、
   　前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とを切り替える抵抗切替指示部をさらに備えた請求項１または２に記載の高周波発生装置。
4. 　前記出力端がＴＩＧ溶接電源装置に接続される場合には、前記抵抗を前記第１の抵抗値にし、
   　前記出力端が切断電源装置に接続される場合には、前記抵抗を第２の抵抗値にする請求項１～３のいずれかに記載の高周波発生装置。
5. 　起動信号によってオンされ、交流電圧を入力する起動スイッチと、
   　前記起動スイッチに接続され、入力された交流電圧を整流する整流部と、
   　前記整流部に接続され、前記整流部から出力された直流電圧を変圧する変圧器と、
   　前記整流部と前記変圧器との間に直列に接続された抵抗と、
   　前記変圧器に接続され、高周波高電圧を出力する出力端と、を備え、
   　前記抵抗は可変抵抗または切替抵抗であり、前記抵抗の抵抗値は第１の抵抗値および前記第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値とに変更でき、
   　前記起動スイッチと前記整流部と前記変圧器と前記出力端とは１つの回路基板上に設けられ、
   　前記回路基板を内部に設けた放電加工電源装置。
6. 　前記抵抗は前記回路基板上に設けられた請求項５に記載の放電加工電源装置。
7. 　前記抵抗は前記回路基板上とは異なる場所に設けられている請求項５に記載の放電加工電源装置。

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