JPH044977A - スタッド溶接用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク溶接法のスタッド溶接に用いられる直
流のスタッド溶接用電源装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、アーク溶接法のスタッド溶接に用いられる直流の
スタッド溶接用電源装置は、電源トランス、サイリスク
を用いて第９図に示すように構成され、交流電源として
の商用交流電源（１）が電源装置（２）の交流入力端子
（３ａ）、（３ｂ）及び遮断器（４ａ）。

（４ｂ）を介して電源トランス（５）の１次巻線（５ａ
）に供給される。

そして、電源トランス（５）はメインアーク発生用の２
次巻ｍ　（５ｂ）及びパイロットアーク発生用の３次巻
ｍ　（５Ｃ）を有し、２次巻線（５ｂ）の圧力はタイオ
ード（６ａ）、（６ｂ）とサイリＸ　タ（７ａ）、（７
ｂ）とのｇ合ブリッジ回路構成のメインアーク用整流回
路（８）で全波整流された後、還流用のダイオード（９
）、平滑用のりアク）／Ｌ／Ｑｃｉを介して電源装置（
２）の出力端子（ｌｌａ）、（Ｉｌｂ）に、出力端子（
ｌｌｂ）を正とするメインアーク用の直流として供給さ
れる。

また、３次巻線（５Ｃ）の出力はダイオード（１２ａ）
。

（１２ｂ）とサイｖ　スタ（Ｌｌｌａ）、（Ｊ３ｂ）と
ノ混合７１゜ジ回路構成のパイロットアーク用整流回路
α畳で全波整流された後、還流用のダイオード（至）、
平滑用のリアクト／Ｉ／ＱＱを介して出力端子（ｌｌａ
）、（ｌｌｂ）に。

出力端子（Ｉｌｂ）を正とするパイロットアーク用の直
流として供給される。

そしテ、　＋　イＩＪ　スタ（７ａ）、（７ｂ）及び（
＋３ａ）、（＋３ｂ）は、電源装置（２）に設けられた
制御回路αηにより。

タイマ制御で駆動される。

すなわち、溶植銃のスタッド（ト）を母材α優にアーク
溶接で植設する場合、第１０図（ａ）に示すように予め
スタッド側を母材ＱＩＶＬ−立設して４植Ｆのトリガス
イッチがオンされ、ｆｇ接が開始される。

そ（７て、　ｉ＋Ｊ記トリガスインチのオンに基づき。

制御回路口は最初にサイリスタ（１３ａ）、（＋３ｂ）
を駆動し、スタッド（２）、母材ａｑｈに第１０図（ｂ
）の矢印線に示す数十へ程度の小容量のパイロット用の
直流を供給する。

この状態でスタッドに）が引上げられて母材α９から引
離され、第１０図（Ｃ）に示すパイロットアーク（Ａｐ
）が発生する。

さらに、パイロ、）アーク（Ａｐ）の発生後に制御回路
（３７）はサイリスク（７ａ）　、　（７ｂ）の駆動に
切換わり。

スタッド側、母材０優間に第１０図（ｄ）の矢印線に示
す数１００〜数）０００　Ａの大容量のメインアーク用
の直流を供給する。

このメインアーク用の直流によりスタッド側。

母材α１間にメインアーク（Ａｍ）が発生し、このアク
（Ａｍ）の熱により母材Ｇ１及びスタッド叫が６融する
。

そして、メインアーク（Ａｍ）が一定時間継続すると、
溶植銃のガンコイルの圧力により、スタンド（至）が母
材（１１の方向に押下げられ、第１θ図（ｅ）に不すよ
うにスタッド［相］が母材ａ９にｇ着される。

このとき、制御回路に７）はスタッド（ト）、母材α９
間の負荷電流が溶着の適当な大きさになるように設定さ
れたタイミングでサイリスタ（７ａ）、（７ｂ）の駆動
を停止し、出力端子（１１ａ）、　（Ｉ　ｌｂ）からの
直流供給を次第に停止する。

そして、スタッド（へ）が母材−に溶着した後、スタッ
ド（至）が溶植銃から外され、第１０図（ｆ）に示すよ
うに母材０３にスタッド（ト）が植設されてｆｇ接が終
了する。

なお、サイリスタ（７ａ）、（７ｂ）及び（＋３ａ）　
、　（＋３ｂ）の非導通期間には、ダイオード（９）及
びαＧにより負荷電流の連続性が保たれる。

また、負荷電流は溶融が行われ易いように、母材Ｑｌを
正とする極性に設定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記第９図の従来のスタッド溶接用電源装置（２）の場
合、ｉｌＥ源トブトランス）の商用電源周波数６０８Ｚ
又は５０Ｈｚの交流をサイリスク整流してアーク溶接用
の直流としてのメインアーク用及びパイロットアーク用
の直流を形成するため、第１１図に示すように負荷電流
は商用電源周波数で脈劾夏化する。

この場合、とくにメインアーク（Ａｍ）に基づくアーク
溶融中に負荷電流がパルス変化しないため。

アークの集中性が悪い。

しかも、常にほぼ一定の熱量で母材α９が加熱され続け
るため、とくに、母材０Ｏが薄板等のときには母材０１
の穴あき等が発生する。

したがって、スタッド（至）、母材−の材質及びスタッ
ド（へ）の径等によっては、良好なｆｇ接が行えない問
題点がある。

また、電源トランス（５）、リアクト／Ｌ／ＱＱ、ＱＱ
等に低周波用の大型、大重量のものが用いられ、しかも
１両アーク用の直流の容量が大きく異なるため。

メインアーク用、パイロットアーク用それぞれの専用の
巻線（５ｂ）、（５ｃ）及び整流回路（８）、α勺、リ
アクトルα０　、　ａｅ等を要し、装置が大型、大重量
になる問題点がある。

さらに１両アーク用の直流がいずれも商用交流を源をそ
のまま整流して形成されるため、商用交流電源の変動の
１会を受は易く、いわゆる電源変動によるざ接欠陥が生
じ易く、安定性（再現性）が悪い問題点もめる。

本発明は、小型、軽量な構成により、アーク溶融時のア
ークの集中性が向上するとと吃に、スタンド、母材の材
質等に応じた適切な入熱制御が行え、しかも、電源側及
び負荷側の変動に対して極めて安定して溶接が行えるよ
うにし念スタッド溶接用直流電源装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

入力側整流部と。

複数のスイッチング半導体の高周波スイッチングにより
前記入力側整流部の出力を高周波交流に父換して高周波
トランスの１次側に供給するインバータ部と、 前記高周波トランスの２次側の出力を整流してアーク溶
接用の直流を形成する出力側整流部と前記アーク溶接用
の直流に基づき前記スタッド。

前記母材を流れる負荷電流を検出する電流検出器と 出力制御用の基準信号として前記スタッド、　ｆＪ記母
材のアークｆｇｗｉ区間に設定され次周期で小電流のベ
ース期間と大電流のパルス期間のレベルに交互に変化す
る信号を発生する基準信号発生部と。

前記電流検出器の検出信号と前記基準信号とを比較し、
前記検出信号が前記基準信号に一致するように前記高周
波スイッチングをフィ、−ドパツク制御する駆動制御部
とを備える。

〔作　用〕

前記のように構成された本発明の電源装置の場合、商用
交流電源等の交流電源は入力側整流部で整流された後、
インバータ部で高周波交流Ｋｆ換される。

そして、インバータ部の高周波交流は高周波トランスを
介して出力（１１１１整流部で整流され、アーク溶接用
の直流に笈換されてスタッドと母材との間に供給される
。

ソノため、小型、軽量なスイッチングレギュレータ構成
の回路により、従来のようにパイロットアーク用、メイ
ンアーク用の区別なくアーク溶接用の直流が形成される
。

そして、電流検出器の検出信号と基準信号発生部の基準
信号とに基づくＶ動制御部のフィードバック制御により
、検出信号が基準信号に一致するようにインバータ部の
高周波スイッチングが制御される。

このとき、アークｇ−区間の基準信号のレベル変化によ
り、アーク溶融区間の負荷電流は設定された周期に基づ
く周波数で大きく変化するパルス状の電流になる。

そして、パルス状の負荷電流により、アークの集中性が
向上するとともにスタッド、母材の入熱量が周期的に増
減変化して制御される。

そのため、基準信号のレベル変化の周期をスタンド、母
材の材質等に応じて設定することにょシ。

アークの集中性を向上して材質等に応じた最適な溶接が
行える。

しかも前記高周波スイッチングの刀イードパック制御に
より、電源側、負伺側の反動の影響が迅速な応答制御で
防止され、溶接の安定性が向上する。

〔寅施例〕

東施例について、第１図ないし第８図を参照して＠明す
る。

（１冥加例） まず、１冥加例について、第１図ないし第６図を参照し
て説明する。

第１図に示すように、交ｆｆｉ電源としての商用交流電
源（１）はスタッド溶接用電源装置翰の交流入力端子（
２１ａ）、（２１ｂ）及び遮断器（２２ａ）、（２２ｂ
）を介して入力側整流部＠の整流回路（ハ）に供給され
る。

この整流回路（ハ）は整流用のダイオード（２５ａ）　
。

（２５ｂ）、（２５ｃ）、（２５ｄ）のブリッジ整流回
路で形成され、商用交流電源（１）を整流する。

そして、整流回路（ハ）の出力は整流用の直流リアクト
／Ｌ／翰、平滑用のコンデンサ翰を介してフルフのトラ
ンジスタ（２９ａ）、　（２９ｂ）　、　（２９ｃ）、
　（２９ｄ）を有し。

駆動制飢部（７）の出力回路口から供給されるベースド
ライブ用の駆動信号により、例えば数ｌの高周波数でト
ランジスタ（２９ａ）、（’２９ｄ）　トランジスタ（
２９ｂ）、　（２９ｃ）とが相互に逆にスイッチングす
る。

ソシて、トランジスタ（２９ａ）〜（２９ｄ　）の高周
波スイッチングにより、高周波トランス（１２の１次巻
Ｎ　（３２ａ）に高周波交流が供給される。

さらに、高周波トランスＩ３ｚのセンタータッ７゛付の
２次巻線（３２ｂ）の高周波交流が、出力４ＡＩ整流部
（１３＋　）整流用ノタイオード（３４ａ）、　（３４
ｂ）で全波整流された後リアクトル□□□で平滑され、
アーク溶接用の直流が形成される。

この直流が出力端子（３６ａ）　、　（３６ｂ）を介し
てスタッド（ト）と母材α）との間に供給されるととも
に、この供給に基づきスタッド（ト）、母材Ｇ１を流れ
る負荷電流がダイオード（３４ａ）　、　（３４ｂ）の
カソードと出力端子（３６ｂ）との間に設けられた電流
検出器３γで検出される。

そして、負荷電流に応じた検出器’３１の検出信号Ｖｄ
が駆動制御信号の誤差増幅回路＆′に供給され。

この増幅回路’１８！により検出信号Ｖｄと基準信号発
生部ｉ３９゛の出力制御用の基準信号Ｖｒｅｆとが比較
される。

この比較に基づき誤差増幅回路Ｃ（８１は、検出信号Ｖ
ｄの基準信号Ｖｒｅｆからのずれ量に相当する信号を形
成してＰＷＭｉ調回路ｔ４０１に供給する。

そして、父調回路１４（ｌｌは前記ずれ量に応じてパル
ス幅が変化する高周波の駆動制御信号を形成し。

この駆動制御信号に基づき、出力回路供が前記ずれ量に
応じてトランジスタ（２９ａ）〜（２９ｄ）のオン期間
を可変制御する。

この可変制御により検出信号Ｖｄが基準信号Ｖｒｅｆに
等しくなるように、負荷電流がフィードバック制御され
る。

そして、基準信号発生部贈・は第２図に示すように構成
され、ｆｇ植銃のトリガスイッチの操作に連動してスイ
ッチ制御回路１４１１がトリガでれて起動される。

この制＠１回路４】゛はタイマ動作に基づき、各１溶接
勘間Ｔをｆｇ接開始から第１Ｏ図（Ｃ）のパイロットア
ーク（Ａｐ）が発生するまでのパイロット区間０゜同図
（（ｉ）のメインアーク（Ａｍ）でスタッド［相］、母
材αＯが溶融するアークｇＷ！１区間（１１）、同図（
ｅ）　、　（ｆ）のスタッド叫が母材α９に接合して植
設される接合区間（＋１＋　＞に時分割する。

そして、前記タイマ動作に基づいて発生した複数のカウ
ンタパルスのゲート処理等により、スイッチ制御回路′
４１）はパイロット区間（＋）にスイッチ（４２ａ）の
オン制御信号を発生し、アーク溶融区間（ｉｉ）にデイ
ン１スイツチ（４＆で設定された周期のスイッチ（４２
ｂ）　、　（４２ｃ）のオン制御信号を交互に発生し、
接合区間（ＩＩｉ）Ｋスイッチ（４２ｃ）のオン制御信
号を発生する。

したがって、パイロット区間ｍには第３図（ａ）に示す
ようにスイッチ（４２ａ）がオンし、パイロットアーク
用基準電源（４４ａ）の出力がスイッチ（４２ａ）。

抵抗（４５１）を介してバッファ増幅用の演算増幅回路
咽に供給される。

また、アークｆｇ＃ｌＩ区間（１１）には第３図（Ｃ）
　、　ｆｄ）に示すようにスイッチ（４２ｂ）　、　（
４２ｃ）が交互にオンし。

スイッチ（４２ｂ）がオンするパルス期１ｉ５　（ｔａ
）はパルス電流用基準電源（４４ｂ）の出力がスイッチ
（４２ｂ）　。

抵抗（４５ｂ）を介して演算増幅回路１４６）に供給さ
れ。

スイッチ（４２ｃ）がオンするベース期間（ｔｂ）はベ
ース電流周基ｆｓ電源（４４Ｃ）の出力がスイッチ（４
２Ｃ）。

抵抗（４５ｃ　）を介して演算増幅回路（４６）に供給
される。

さらに、接合区間（ｉｉｉ　’）には第３図（Ｃ）に示
すようにスイッチ（４２Ｃ）がオンし、基準電源（４４
Ｃ）の出力が演算増幅回路！４６１に供給される。

なお、第２図の（４５ｄ）は分圧用の抵抗、　１４７′
Ｉ、囮は演算増幅回路砺の利得決定用、バイアス用の抵
抗でるる。

そして、各基準電源（４４ａ）　、　（４４ｂ）、　（
４４ｃ）のＬ／／（ル設定に基き、演算増幅回路１４６
１から第１図の誤差増幅回路（北に供給される基準信号
Ｖｒｅｆは第３図（ｄ）に示すように、パイロット区間
（１）にレベＡ／ＶＯになるとともにアーク溶融区間（
１１）にレベルＶａ。

Ｖｂ　（Ｖｏ　＜　Ｖｂ　＜Ｖａ　）　Ｋ交互ニ変化し
、接合区間（ｉｉｉ）にレベルｖｂになる。

この基準信号Ｖｒｅｆのレベル変化に基づき、負荷電流
は第４図（ａ）に示すように寂化し、パイロット区間（
ｉ）にパイロットアーク（Ａｐ）が発生する数十へ程度
の小容量の定電流ＩＯに制御され、アーク発生が安定に
行われる。

さらに、アークだ一区間（１１）にメインアーク（Ａｍ
）が発生してスタッド（ト）、母材ａ９に十分な入熱を
行う数千ないし数百Ａの大容量のパルス電流Ｉａと、メ
インアーク（Ａｍ）を維持する数百Ａ程度のベース電流
Ｉｂとに交互にパルス変化する。

この負荷電流のパルス変化により、メインアーク（Ａｍ
）の硬直性が向上して偏向が防止され、スタッド（へ）
の底面部にメインアーク（Ａｍ）が集中し、スタッド（
至）、母材Ｑ’Ｊの接合部の溶融が確寮、安定に行われ
る。

しかも、スタッド晒、母材ａ１の入熱状態がパルス電流
Ｉａに基づく加熱とベース電流Ｉｂに基づく冷却とに交
互に変化して制御され、従来のメインアーク用の直流供
給に相当するパルス電流Ｉａの連続供給で生じる過加熱
が防止される。

その念め、パルス期間ｔａｌベース期間ｔｂをスタッド
（ト）、母材四の材質等に応じた適当な入熱量の周期に
設定することにより１例えば母材０９が薄板であっても
穴あき等が発生ぜず、良好な溶接が行われる。

でらに、アーク溶融区間（ＩＩ）の直後の接合区間（ｉ
ｉｉ　）に、負荷電流がベース電流Ｉｂの定電流に保持
され、この定電流に基づき、ｔｇ植銃のガンコイルの押
下げ機構等の機械的特性のばらつきで接合タイミングが
接合区間（ｉｉｉ）内で変動しても、負荷電流が安定に
接合の行える電流に保持され、スタッド（至）と母材α
９との接合が安定に行われる。

ところで、アーク溶融区間（１１）の負荷電流のパルス
変化は、デイノア°スイッチ（０を用いた基準信号Ｖｒ
ｅｆのレベル変化周期の可変設定により１例えば第４図
（ｂ）のようにさらに高周波に設定することもできる。

そして、基準信号のレベル変化周期の設定に基づき、ア
ーク溶融区間（１１）の負荷電流のバ変化ス父化周波数
は、スタンドに）、母材Ｑ１の材質等に応じてほぼ数十
田〜数ｉの範囲で任意に可変設定される。

このとき、パルス変化周波数が高くなる程、アークが集
中する。

”！　タ、　基準信号Ｖｒｅｆノ各ｖへｙＬ／Ｖａ、Ｖ
ａ、Ｖｂハ、　１［源（４４ａ）〜（４４ｃ）のｔ圧可
父によって任意に可変設定され、とくに電源（４４ｂ）
、　（４４ｃ）を電圧可変し。

基準信号Ｖｒｅｆのパルス期間ｊａのレベルｖａトベー
ス期１１５ｔｂのレベ／Ｉ／Ｖｂとの比を可変してパル
ス電流Ｉａとベース電流Ｉｂとの比率を調整することに
よシ、アークｆｇＭ区ｆ！］（ｉｉ）の入熱制御が−ｆ
ｉＦ精度良く行える。

そして、１［源装置（１）がいわゆるスイッチング電源
で形成され、インバータ部（ハ）のトランジスタ（２９
ａ）〜（２９ｄ）の高周波スイッチングのフィードバッ
ク制御によシ、負荷電流が基準信号Ｖｒｅｆに応じて広
範囲に連続的に安定かつ正確に変化するため、アーク溶
接用の直流が、第９図の従来の電源トランス（５）によ
シ小型、軽量な高周波トランス１３２′等を用い念小型
、軽量な共通のＩｆ向の回路で形成される。

しかも、トランジスタ（２９ａ　）〜（２９（１）の高
周波スイッチングにより、商用交流電源（１）、アーク
長の変動に対して応答性よく負荷電流が補正制御され、
電源変動に基づ＜ｆｇ接欠陥及びアーク侵父勧（負荷父
勤）に基づ＜ｆｇ接高品質低下が防止される。

ところで、インバータ部内等は第５図又は第６図に示す
ように構成してもよい。

そして、第５図の場合は、インバータ部（ハ）がスイッ
チング半導体としＣの２個のトランジスタ（４９ａ）、
　（４９ｂ）及Ｕ　２　ｆｍ　ＬＤ　：！　ンテン＋　
（５０ａ）、（５０ｂ）　（Ｄハーフブリッジ構成で形
成されている。

また、第６図の場合は、インバータ部Ｇがスイソ’！−
７グ半ｍ体としての２個のトランジスタ（５１ａ）。

（５１ｂ）及び１１ｉ１１７）タイ、ｔ−ド（５２ａ）
、（５２ｂ）　ノ２６フオワード構成で形成きれるとと
もに、高周波トランス（３ｚがセンタタップのない１次
巻線（３２ａ）’。

２次巻線（３２ｂ）’で形成されている。

（他の少施例） つぎに他の実施例について、第７図及び第８図を参照し
て説明する。

す。

この発生部伽′は前記第１図の演算増幅回路咽の利得設
定用の抵抗（４７・に並列に、積分平滑用のコンデンサ
脅を設けて形成される。

そして、コンデンサ峙の積分作用によシ、第８図（ａ）
　、　（ｂ）　、　（ｃ）に示すスイッチ（４２ａ）、
　（４２ｂ）、　（４２ｃ）のスイッチングに基づく基
準信号Ｖｒｅｆは、同図（ｄ）に示すように立上シ、立
下りのエツジが負荷電流のパルス変化を損ねない程度に
滑らかになる。

この基準信号Ｖｒｅｆの立上り、立下りのエツジの平滑
に基づき、負荷電流も第８図（ｄ）と同様に変化して立
上り、立下シのエツジが滑らかになる。

そのため、とくに負荷電流がパルス変化するアーク溶融
区間（１１）のアーク音等の騒音が第１図の場合よシ減
少し、＠音の軽減を図ることもできる。

そして、駆艶制飢部（１）、基準信号発生部３９等の構
成及び基準信号Ｖｒｅｆの各区間ｍ、（ｉｒ）、（ｏ：
）のレベル等は１両害施例に限定されるものではない。

〔発明の効果〕

本発明は１以上説明したように構成されているため、以
下に記載する効果を奏する。

交流電源を入力側整流部で直流に父換し、この直流をイ
ンバータ部で高周波交流に父換し、高周波トランスを介
した高周波交流を出力側整流部で直流に戻してアーク溶
接用の直流を形成し、この直流をスタッドと母材との間
に供給するとともに。

電流検出器の負荷電流の検出信号が基準信号発生部の基
準信号に一致するように、駆動制御部を介してインバー
タ部の高周波スイッチングをフィードバック制御し、か
つ、アーク溶融区間に基準信号のレベル変化に基づき、
負荷電流を設定された周期でパルス状に変化したため、
小型、軽量なスイッチング電源構成の１つの回路により
、負荷電流を広範囲に安定に可変してアーク溶接用の直
流を形成することができる。

し刀・も、アーク４虎区間の負荷電流のパルス変化に基
つき、溶融時のアークの集中性を向上するとともに入熱
を制御してスフノド、母材の材質等に応じた適切なｆｇ
接を行わせることができる。

その上、高周波スイッチングのフィードパンク制御に基
づき、電源側及び負荷側のｆ動の１壷を防止して溶接の
安定性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図ないし第８図は本発明のスタッド溶接用電源装置
の実施例を示し、第１図は１９！施例の結線図、第２図
は第１図の一部の詳細な結線図、第３図（ａ）〜（ｄ）
は第２図の（作説明用のタイミングチャート、第４図（
ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ第１図の負荷電流の波形図
、第５図、第６図はそれぞれインバータ部の他の例の結
線図、第７図は他の実施例の一部の詳細な結線図、第８
図（ａ）〜（ｄ）は第７図の動作説明用のタイミングチ
ャート、第９図は従来例の結線図、第１０図（ａ）〜（
ｆ）はスタッド溶接の工程説明図、第１１図は第９図の
負荷電流の波形図である。 （１）・・・商用交流電源、（至）・・スタッド、ｑ９
・母材。 の・・・入力側整流部、＠・・インバータ部、■・・・
駆動制例部、　（ＩＺ・・・高周波トランス、ｃ１１３
１・・出力側整流部。 Ｌｌ１７１・・電流検出器、（支）ｓ　、　ｏ９′・・
・基準信号発生部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スタッドと母材との間にアーク溶接用の直流を供
   給するスタッド溶接用電源装置において、交流電源を整
   流する入力側整流部と、 複数のスイッチング半導体の高周波スイッチングにより
   前記入力側整流部の出力を高周波交流に変換して高周波
   トランスの１次側に供給するインバータ部と、 前記高周波トランスの２次側の出力を整流して前記アー
   ク溶接用の直流を形成する出力側整流部と、 前記アーク溶接用の直流に基づき前記スタッド、前記母
   材を流れる負荷電流を検出する電流検出器と、 出力制御用の基準信号として前記スタッド、前記母材の
   アーク溶融区間に設定された周期で小電流のベース期間
   と大電流のパルス期間のレベルに交互に変化する信号を
   発生する基準信号発生部と、前記電流検出器の検出信号
   と前記基準信号とを比較し、前記検出信号が前記基準信
   号に一致するように前記高周波スイッチングをフィード
   バック制御する駆動制御部と を備えたことを特徴とするスタッド溶接用電源装置。