JPS6253269B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は溶接ベース電流にパルス電流を重畳す
るパルス溶接機に関するものである。 溶接施工技術の発達に伴ない、施工対象に応じ
て、溶接ベース電流にパルス状の大電流を周期的
に重畳するいわゆるパルスアーク溶接法を適用す
ることが多くなつている。特に、消耗性電極ワイ
ヤを被溶接物に向けて送給しつつ溶接を行なう
MIGアーク溶接においては、パルス状の大電流
（以下パルス電流という）によるピンチ力によ
り、ワイヤ電極先端の溶融金属がスプレー状の小
粒子となつてワイヤ電極先端から高速で離脱し被
溶接物に向つて移行する。このワイヤ電極先端の
溶融金属の移行形態は、第１図に示す如く溶接電
流の大きさにより独特の形態を有する。溶接電流
の小さい領域においては、アーク発生時のワイヤ
電極は、溶融した状態で、被溶接物に接触短絡す
るまで送給される。ワイヤ電極と被溶接物が接触
すると、大きな短絡電流が流れるので、ワイヤ電
極先端の溶融金属はピンチ力により激しくちぎれ
て被溶接物側に移行する。いわゆる、短絡移行型
溶接またはシヨートアーク溶接と称される溶融金
属の移行形態であるが、この場合、移行する金属
が飛散する、いわゆるスパツタが多いことが欠点
である。第１図は、溶接電流を横軸にとり、短絡
回数を縦軸にとつたものである。同図においてａ
は低電流域におけるシヨートアーク溶接が行なわ
れる領域を示す。ｂは、アークによつて溶けたワ
イヤ電極が、このワイヤ電極の径よりも大きな溶
融金属塊に成長し、ピンチ力に加えて重力の援け
により溶粒が被溶接物に向つて落下する移行形態
で、いわゆるグロビユラ型移行によるアーク溶接
領域である。ｃは、大電流域におけるアークによ
つて溶けたワイヤ電極が、ピンチ力によりワイヤ
電極と同径またはそれ以下の小さい溶粒となつて
ワイヤ電極から離脱し、被溶接物に移行する形態
で、いわゆるスプレー型移行によるアーク溶接領
域である。Ｐは臨界電流値で、溶接電流がＰ点よ
り大きい場合は、ピンチ力が溶融金属の表面張力
に打勝つて粒子化が起りスプレー型移行となり、
また溶接電流がＰ点よりも小さい場合は、ピンチ
力よりも表面張力の方が強いので、溶融金属は粒
子化せずにワイヤ電極の先端に溜つて大きな塊に
成長し、自重により落下する。さらに溶接電流に
パルス状の大電流を重畳すると、小電流域におけ
る短絡移行形態は減少し、パルス電流時に発生す
るピンチ力によりスプレー型移行となるので、ス
パツタの少ない小電流による溶接が可能である。
如上の大電流溶接時にパルス電流を重畳した大電
流パルスMIG溶接、小電流溶接時にパルス電流を
重畳した小電流パルスMIG溶接、及び小電流域に
おける定電圧電源（パルス電流を重畳しない）を
用いたシヨートアーク溶接は、溶融金属の移行形
態及び供給エネルギーの違いから、自ずとその適
用対象が下表の如く異なる。

【表】 (1) 大電流パルスMIG溶接は、注入エネルギーが
大きいので、高能率で、しかもパルス電流が重
畳されているので溶け込み不足等は発生しな
い。反面上向または横向き溶接を行うと溶融金
属が垂れ落ちや偏在するようになるので好まし
くない。また薄板の溶接に適用すると穴あき等
の入熱過剰になり易く、厚板材の溶接に適して
いる。 (2) 小電流パルスMIG溶接は、小電流でありなが
らスプレー型移行による溶接であり、スパツタ
が少ない。入熱量が小さいので薄板溶接に適し
ている。また溶接姿勢を固定して行なう場合の
全姿勢溶接に適用することができる。特に、上
向（上進）溶接では、第２図ａに示す如く、２
つの被溶接物１３，１４を突合せ溶接した場合
のビード１５のビード幅Ｗが広い程ビード１５
の凸部Ｈを小さくできる傾向があるので、パル
ス電流時にパルスが拡がる小電流パルスMIG溶
接が適している。 (3) シヨートアーク溶接は、小電流の短絡移行に
よる溶接であり、入熱量が小さいので薄板溶接
に適している。また、パイプ円周溶接の如く溶
接進行中に、溶接姿勢の変わる溶接に適用する
ことができる。特に、横向き溶接では第２図ｂ
に示す如く、ビード副Ｗが狭い程溶融金属の垂
れ落ち（偏り）を小さくすることができる傾向
があるので、ビード幅Ｗの狭いシヨートアーク
溶接が適している。 従来の小電流パルスMIG溶接機は、第３図に示
す様に、△結線された３相のスライドトランス
と、６個のダイオードから成る全波整流回路２
と、この全波整流回路２の正極側とワイヤ電極５
との間に直流接続された抵抗回路３とダイオード
Ｄと直流リアクトル４と、から成る主アーク溶接
電源回路Ａ（以下ベース電源Ａという）を構成
し、このベース電源Ａの負極側を被溶接物６に接
続し、更に、単相の高圧変圧器７と、２個のサイ
リスタ（正極側）８および２個のダイオード（負
極側）９を有するブリツジ整流回路１０とから成
るパルス電源Ｂの正極側を、直流リアクトル４に
形成した中間端子１１に接続したものである。抵
抗回路３は、限流抵抗R₁、R₂、R₃の並列回路に
それぞれ抵抗R₁、R₂、R₃と直列にスイツチS₁、
S₂、S₃を設けたものである。上記形成において、
ベース電源Ａの外部特性はR₁、R₂、R₃により垂
下特性となる。ベース電源Ａの出力電圧はスライ
ドトランス１により調節され、全波整流回路２で
リツプルの少ない直流電圧に変換された後、抵抗
回路３と直流リアクトル４を介してワイヤ電極５
に供給される。ベース電源Ａの出力は、スライド
トランス１で調節されていること及び直流リアク
トル４が大きいインダクタンスであることから、
リツプルが小さい。抵抗回路３の抵抗R₁、R₂、
R₃は、それぞれ異なつた抵抗値を有し、スイツ
チS₁、S₂、S₃を切換えることにより出力電圧、電
流（外部特性）は第４図に示す如く変化させるこ
とができる。溶接作業に際して、作業者は、あら
かじめ所定の溶接電圧、電流に設定するために、
スライドトランス１及びスイツチS₁、S₂、S₃を操
作しておくが、作業中のアークの状態を観察した
結果から、、出力をわずかに増減させる必要性が
ある。そのために、スライドトランス１を操作し
たのでは、接点の損焼が多くスライドトランス１
が故障しやすく、またスイツチS₁、S₂、S₃を切り
換るには、アークをその都度停止しなければなら
ないこと及び特性がV₁、V₂、V₃と段階的に変わ
るので徴調整が難かしいということがあつた。ま
た、パルス電源Ｂからは直流リアクトル４の中間
端子１１を介してワイヤ電極５にパルス電圧Ｖ_p
が周期的に供給される。この時、ダイオードＤは
パルス電流がベース電源Ａに流入することを防止
する。このパルス電流のピンチ力を利用して溶融
金属がスプレー型の移行をすることはすでに述べ
た通りである。 次に、従来の大電流パルスMIG溶接機は、第５
図に示す如くである。同図において、第３図と同
一部分を示す。第５図のベース電源Ａは、第３図
のベース電源Ａの抵抗回路３に対応する部分を有
しない点が、第３図に示す小電流パルスMIG溶接
機と異なつている。この相違点、すなわち、抵抗
R₁、R₂、R₃が無い事により、大電流をベース電
源A′から負荷に供給することができる上に、ベ
ース電源A′の外部特性は定電圧電源となる。ま
た、図示しないシヨートアーク溶接機は、パルス
電源Ｂを有しない小電流MIG溶接機である。 上記従来の溶接において、大電流パルスMIG溶
接機、小電流パルスMIG溶接機、およびシヨート
アーク溶接機は、その溶接アーク現象（溶融金属
の移行形態など）の違い、及び適用せる溶接対象
（被溶接物の板厚、材質、溶接姿勢など）の違い
を有することから、それぞれ独特の工夫を凝らし
たものが使用されていた。また、ベース電源Ａ及
びA′の出力電圧のリツプルを小さくし、以つて
溶接アーク１２を安定化する目的で、変圧器１は
スライドトランスを使用するとともに、直流リア
クトル４は大きなインダクタンスのものが使用さ
れていた。したがつて、溶接対象によつて少くと
も３種類のMIG溶接機を使いわける必要があり、
すなわち、多岐にわたる溶接施工条件を満足し、
良好な溶接製品を供給するために、溶接施工者は
より多い台数の溶接機を設備しなければならない
ということがあつた。さらに、スライドトランス
１を使用していることから、溶接作業中または準
備中にアークの状態等の因子を判断し、出力を僅
かだけ調整する必要性があつても、スライドトラ
ンス１の接点の損失を無くさずには、実際上調整
することができないということがあつた。また、
直流リアクトル４のインダクタンスが大きいこと
から、パルス電源Ｂに接続された中間端子１１か
らワイヤ電極５に至る間のインダクタンスが大き
くなる。したがつて、溶接機の配置によつて、溶
接機から遠く離れた場所を溶接施工する場合に、
15〜20ｍ位の長いケーブル（以下延長ケーブルと
いう）を仲介させると線路インダクタンスが大き
いので、パルス電源Ｂからの出力パルスが鈍つて
しまい、ついには溶融金属をスプレー移行させる
ことが不可能になるということがあつた。 本発明は上記従来の欠点を除去し、汎用性を備
え、長寿命で操作性に優れたもので、変圧器とサ
イリスタ（出力制御素子）より成る低圧整流電源
と溶接負荷との間に直列に接続された抵抗および
中間タツプを有するリアクトルと、上記低圧整流
電源に並列に接続されたコンデンサと、上記抵抗
を必要に応じて短絡しうるスイツチ素子と、上記
リアクトルの中間タツプに接続され必要に応じて
パルス出力を供給するパルス電源を設けた直流ア
ーク溶接機である。 以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に
説明する。第６図は本発明に係る直流アーク溶接
機の一実施例を示す回路図である。同図におい
て、第３図及び第５図と同一符号は同一部分を示
す。１６はＹ結線された３相変圧器で、その出力
には６個のサイリスタから成る全波整流回路１７
が接続されている。全波整流回路１７のサイリス
タのゲートは、それぞれ後述のゲート制御回路１
８に接続されている。第６図では１個のサイリス
タについてのみゲート制御回路１８を示し他は省
略した。ゲート制御回路１８は、手動で操作可能
な電圧設定装置１９と、この電圧設定装置１９に
より設定された電圧に応じて出力信号の位相を調
節する位相回路２０とにより形成されていて、位
相回路２０の出力端はサイリスタのゲートに接続
されている。２１は全波整流回路１７の出力端に
並列に接続された大容量のコンデンサである。２
２は全波整流回路１７の出力端に直列に接続され
た抵抗２２には、スイツチ素子２３が並列に接続
されていて、第１のスイツチ素子２３が閉じるこ
とによつて抵抗２２は短絡されるようになつてい
る。第１のスイツチ素子２３は手動スイツチで
も、図示しない他のシーケンス制御回路により駆
動されるリレーまたは開閉器の接点でも良い。２
４はインダクタンスの小さな直流リアクトルで、
中間端子１１を有し、その一方端２４ａは抵抗２
２及びスイツチ素子２３の一方端に接続されると
ともに、他方端２４ｂは電極ワイヤ５に、図示し
ない給電チツプを介して接触している。中間端子
１１は直流リアクトル２４の負荷に近い方に設け
られていて、直流リアクトル２４の一方端２４ａ
と中間端子１１の間のインダクタンス100〜400μ
Ｈ程度、に対し、他方端２４ｂと中間端子１１の
間のインダクタンス100μＨ程度である。ベース
電源Ｃは変圧器１６、全波整流回路１７、ゲート
制御回路１８、コンデンサ２１、抵抗２２、スイ
ツチ素子２３、直流リアクトル２４により形成さ
れている。２５は第２のスイツチ素子で、ブリツ
ジ整流回路１０の直流側出力端子、すなわちサイ
リスタ８のカソードと直流リアクトル２４の中間
端子１１との間に挿入されていて、例えば、手動
または図示しない他のシーケンス制御回路により
操作される開閉器の接点等でありパルス電源Ｂか
らの出力を供給または停止することができる。２
６はサイリスタ８のゲートを位相制御するゲート
制御回路で、前述のゲート制御回路１８と同様に
図示しない電圧設定装置と、この電圧設定装置か
ら出力される電圧値に応じて出力信号の位相調節
をする位相回路から形成されている。ゲート制御
回路２６の出力端は第３のスイツチ素子２７を介
してサイリスタ８のゲートに印加されていて、第
３のスイツチ素子２７が開閉することによつて、
サイリスタ８のゲートにゲート信号が供給または
停止されるようになつている。 なお、第３のスイツチ素子２７の開閉は第２の
スイツチ素子２５の開閉に替えることができ、要
するにパルス電源Ｂのパルス出力を溶接負荷に印
加する場合にはどちらのスイツチ素子を動作して
も同じである。 次に本発明の動作について、第７図乃至第１０
図を用いて説明する。第７図は出力電圧と出力電
流との関係を示す外部特性図である。同図におい
て縦軸は出力電圧Ｖ、横軸は出力電流Ｉを示す。
V₁、V₂、V₃は、第６図の第１のスイツチ２３を
開いた場合のベース電源Ｃの外部特性を示し、抵
抗２２が挿入されているので、その外部特性は垂
下特性である。この外部特性は、全波整流回路１
７のサイリスタゲートの点弧位相を進ませること
によりV₁、からV₂を経てV₃へ変化し、特性曲線
V₁、V₂、V₃は平行移動する。V′₁〜V′₅は、第６
図の第１のスイツチ２３を閉じた場合のベース電
源Ｃの外部特性を示し、この場合、抵抗２２が第
１のスイツチ２３により短絡されているので、そ
の外部特性は定電圧特性である。この外部特性
は、全波整流回路１７のサイリスタゲートの点弧
位相を進ませることによりV′₁からV′₂を経てV′₅
へ変化し、特性曲線V′₁〜V′₅は平行移動する。Ｖ
_pはパルス電源Ｂの外部特性を示す。この外部特
性は高い電圧の定電圧特性である。第８図乃至第
１０図は夫々、小電流パルスMIG溶接、大電流パ
ルスMIG溶接、シヨートアーク溶接の時の出力電
圧波形を示し、縦軸は出力電圧Ｖ、横軸は時間軸
ｔである。 (1) 小電流パルスMIG溶接の場合は、第１のスイ
ツチ素子２３を開き、第２のスイツチ素子２５
および第３のスイツチ素子２７を閉じる。溶接
開始前に、一方のゲート制御回路１８の電圧設
定装置１９を操作し、位相回路２０を介してサ
イリスタゲートの点弧位相を所定のベース電圧
VBに対応する点弧位相に調節する。また、他
方のゲート制御回路２６も同様にして、サイリ
スタ８のゲート点弧位相を所定のパルス電圧
VPに対応する点弧位相に調節する。図示しな
い溶接トーチの溶接開始スイツチを操作するか
またはシーケンス制御装置からの溶接開始信号
により、ゲート制御回路１８と２６がゲート信
号を全波整流回路１７の６個のサイリスタゲー
トと、ブリツジ整流回路１０のサイリスタ８に
印加する。変圧器１６の交流出力は、全波整流
回路１７で直流に変換された後、コンデンサ２
１で平滑され、抵抗２２、ダイオードＤ及び直
流サイリスタ２４を通つてワイヤ電極５に供給
されるとともに、高圧変圧器７の交流出力は、
ブリツジ整流回路１０でパルス出力に変換され
た後、第２のスイツチ素子２５、中間端子１１
及び直流リアクトル２４の１端２４ｂ、を介し
てワイヤ電極５に供給される。同時に、ワイヤ
電極５は、図示しないワイヤ送給装置により被
溶接物６に向つて送給され、ワイヤ電極５の先
端が被溶接物６に接触すると、アーク１２がス
タートされて溶接が開始される。小電流パルス
MIG溶接の場合の出力電圧波形を第８図に示
す。VBはベース電圧、Ｖ_pはパルス電圧であ
る。時点t₀では、ベース電圧VBによりアーク
が接続しているが溶接電流が小さく、ピンチ力
が小さいのでワイヤ電極５の先端は溶けて丸く
なる。次に時点t₁では、パルス電源Ｂからパル
ス出力が印加されるので、アーク１２が強力に
なつて拡がるとともにワイヤ電極５の先端は更
に溶融する。時点t₂では溶融金属（ワイヤ電極
５）が増えて、パルス電流によるピンチ力が発
揮され、溶融金属が離脱をはじめる。時点t₃で
は溶融金属にほぼ離脱が完了し、溶融金属（溶
滴）は被溶接物６へ移行する。時点t₄では、す
でに溶融金属の移行が完了し、ベース電圧VB
でアークが持続されている時点t₀の状態に戻
る。この時の溶接条件は、下表(イ)に示すとおり
である。下表の電流、電圧はすべて平均値を示
す。

【表】 小電流域におけるベース電流の平均値は30〜
50A、ベース電圧は20〜30V程度の小さい値で
ある。これに反して、パルス電流は平均値で
80Aであるが、その最大値は500A程度の大電
流となるので、ダイオードＤは逆バイアスされ
てベース電流はダイオードにより阻止される。
したがつて、全波整流回路１７のサイリスタ
は、図示しない負荷（付属した回路負荷）に供
給する徴小電流を流すだけとなる。しかし、抵
抗２２を挿入し、ベース電源３の外部特性を垂
下特性とすることにより、電源の無負荷電圧を
大きいものとすることができるので、ダイオー
ドＤがしや断されている時のベース電流を補償
し、パルス電流による溶接からベース電流によ
る溶接への移行をすみやかにする。如上のアー
クを安定化するために、ベース電源Ｃは垂下特
性になるようにした。 (2) 大電流パルスMIG溶接の場合は、第１のスイ
ツチ素子２３を閉じ、第２のスイツチ素子２５
および第３のスイツチ素子２７を閉じる。抵抗
２２は第１のスイツチ素子２３で短絡されてい
るのでベース電源Ｃの外部特性は定電圧特性で
ある。大電流パルスMIG溶接の場合の出力電圧
波形を第９図に示す。同図において時点t₀〜t₄
は第８図の時点t₀〜t₄に対応する。第８図との
相違点はベース電圧V′Bのみによつても溶融金
属は十分なピンチ力により、ワイヤ電極５から
離脱するが、パルス電圧Ｖ_pが重畳されている
ことによつて溶滴はパルス周期に同期して移行
し、溶滴の径が小さくなり良好な溶接結果を得
ることができる。この時の溶接条件は前掲の表
中(ロ)に示すとおりである。 (3) シヨートアーク溶接の場合は、第１のスイツ
チ素子２３を閉じ、第２のスイツチ素子２５と
第３のスイツチ素子２７のいずれかを開く。す
なわち、パルス電極５に供給しない条件とす
る。抵抗２２は第１のスイツチ２３で短絡され
ているのでベース電源３の出力は定電圧特性で
ある。シヨートアーク溶接の場合に出力電圧波
形は第１０図に示す如く、短絡t₁とアークt₂〜
t₆を繰返すいわゆる短絡移行型のアーク現象を
呈する。時点t₀はアーク１２を発生しつつワイ
ヤ電極５が被溶接物６に向つて送給され、ワイ
ヤ電極５の先端は溶融しワイヤ間隙が短かくな
つている。ついには、時点t₁で短絡するから出
力電圧は零Ｖとなる。この時、大きい短絡電流
がワイヤ電極５から溶融金属を通つて被溶接物
６に流れるので、ピンチ力により溶融金属はち
ぎれる様にして被溶接物６に移行する。時点t₂
では溶融金属がちぎれて、再び時点t₃でアーク
が点弧する。スパツタの多くはアーク１２の再
点弧の時の衝撃により飛散するものである。時
点t₅ではアーク１２が接続しているが、ワイヤ
電極５は送給され続けるので、ワイヤ電極５の
先端は溶融しながら被溶接物６とのアーク間隙
が短かくなる。時点t₆は、さらにアーク間隙が
短かくなり、ワイヤ電極５と被溶接物６とは短
絡寸前であるとともに溶融金属の量も増加して
いる。この時点t₆ははじめの時点t₀と同様の状
態である。この短絡移行による短絡回数は毎秒
80〜120回程度である。 なお、上記実施例の説明において、シヨート
アーク溶接の場合、第２のスイツチ素子２５ま
たは第３のスイツチ素子２７のどちらかを開い
たが、要するにシヨートアーク溶接の時はパル
ス電源Ｂのパルス出力が溶接負荷に供給されな
いようにすればよく、第２のスイツチ素子２５
または第３のスイツチ素子２７に限られるもの
ではない。また、コンデンサ２１は抵抗２２の
直流リアクトル２４側に接続されても良く、要
するにベース電源Ｃの出力を平滑化する位置で
あつて、パルス電源Ｂからのパルス出力を鈍ら
せることの無い位置に接続されていれば良い。 以上述べた如く、本発明は変圧器と出力制御素
子より成る低圧整流電源と溶接負荷との間に直列
に接続された抵抗および中間タツプを有するリア
クトルを、上記低圧整流電源に並列に接続された
コンデンサと、上記抵抗を必要に応じて短絡し得
るスイツチ素子と、上記リアクトルの中間タツプ
に接続され、必要に応じて出力を供給するパルス
電源を設けた直流アーク溶接機であるから、１台
の溶接機で大電流パルスMIG溶接と、小電流パル
スMIG溶接と、シヨートアーク溶接との溶滴移行
形態及び適用対象の異なつた３種類の溶接を行な
うことができる。したがつて、操作が簡単で用途
が広い。また、抵抗回路３を切換えた従来技術と
比較して、小電流パルス溶接時の外部特性は、第
７図に示す如く平行移動する特性曲線によつてあ
らわされるので、小電流、大電流域における徴調
整が容易である。さらに、出力の調節はサイリス
タ等の無接点出力制御素子を用いているので故
障、摩耗が無く、長寿命である。また、直流リア
クトル２４のインダクタンスを小さくしたので、
延長ケーブルを接続してもパルス電源Ｂの出力パ
ルスが鈍ることなく、溶接機本体から遠い場所で
も良好なパルスMIG溶接を行なうことができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はMIG溶接における短絡回数と溶接電流
との関係を示す特性図、第２図ａは上向（上進）
溶接継手の断面図、第２図ｂは横向溶接継手の断
面図である。第３図は従来の小電流パルスMIG溶
接機の回路図、第４図は第３図の外部特性図を示
す。第５図は従来の大電流パルスMIG溶接機の回
路図である。第６図は本発明の一実施例を示す回
路図である。第７図は第６図に示した直流アーク
溶接機の外部特性図である。第８図、第９図及び
第１０図は出力電流波形図である。 ５……ワイヤ電極、６……被溶接物、７……高
圧変圧器、１１……中間タツプ、１６……変圧
器、１７……全波整流回路、１８……ゲート制御
装置、２１……コンデンサ、２２……抵抗、２３
……第１のスイツチ素子、２４……直流リアクト
ル、２５……第２のスイツチ素子、２６……第３
のスイツチ素子、２７……ゲート制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の変圧器と、第１の出力制御素子と、こ
   の出力制御素子の動作を制御するゲート制御回路
   と、より成る整流電源と、この整流電源と溶接負
   荷との間に直列に接続された抵抗、ダイオードお
   よび中間タツプを有するリアクトルと、上記整流
   電源に並列に接続されたコンデンサと、上記抵抗
   に並列接続され小電流溶接時に上記抵抗を短絡す
   る第１のスイツチ素子と、上記リアクトルの中間
   タツプを介して上記溶接負荷に接続されるパルス
   電源と、このパルス電源の出力をパルス溶接時に
   上記溶接負荷に供給する第２のスイツチ素子と、
   上記パルス電源を構成する第２の変圧器と、第２
   の出力制御素子およびこの出力制御素子の動作を
   制御する第２のゲート制御回路を有することを特
   徴とする直流アーク溶接機。