JPS6320629B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、アークスタート時に主回路に先立
つて小電流容量の副回路を起動し、溶接電圧より
高いアーク発生用の無負荷電圧を溶接負荷に印加
してアークを発生させるとともに、アーク発生後
に制御整流型の大電流容量の主回路を起動し、溶
接負荷に応じた定電流特性の溶接電流を溶接負荷
に供給する直流TIG溶接機に関する。

〔従来の技術〕

従来、非消耗式電極を用いて比較的広い電流範
囲、たとえば溶接電流５〜350A程度の溶接範囲
のTIG溶接を行なう際には、アークの発生を容易
にするため、第１図に示すように、制御整流型の
大電流容量の主回路１に無負荷電圧の高い小電流
容量の副回路２を付加した直流出力回路構成の直
流TIG溶接機が用いられている。

そして、第１図の溶接機は３相交流を入力交流
とし、主、副回路１，２の入力交流を共通の変圧
器を用いて形成するため、主回路１に３相入力型
の変圧器Ｔ１が設けられ、３相交流入力端子Ｕ，
Ｖ，Ｗの３相電源交流が変圧器Ｔ１の三角結線さ
れた１次巻線Taに供給される。

ところで、変圧器Ｔ１には大電流容量の交流を
発生する６巻線構成の２次巻線Tb、および高圧、
小電流容量の交流を発生する３巻線構成の３次巻
線Tcが設けられている。

そして、２次巻線Tbは星形結線されるととも
に、その両星形結線の中点が溶接機の正出力端子
Ｏ１を介して溶接負荷の非消耗電極に接続され、
かつ、両星形結線の各相の端部が全波整流用の制
御整流器を形成する第１ないし第６サイリスタ
TH１〜TH６それぞれのカソードに接続されて
いる。

さらに、２次巻線Tbの一方の星形結線側のサ
イリスタTH１〜TH３のアノードの接続点と、
同巻線Tbの他方の星形結線側のサイリスタTH
４〜TH６のアノードの接続点との間に、２次巻
線Tbの相電流バランス調整用の相間リアクトル
LPLが設けられるとともに、リアクトルLPLの
中間タツプが溶接機の負出力端子Ｏ２を介して電
極に対応する溶接負荷の母材などに接続されてい
る。

一方、３次巻線Tcは各相の一端が後述の起動
リレーのａ接点Ｓ１〜Ｓ３それぞれを介して結線
されるとともに、各相の他端が第１ないし第６整
流ダイオードＤ１〜Ｄ６の全波整流用のブリツジ
整流器に接続されている。

また、ダイオードＤ１〜Ｄ６のブリツジ整流器
は、正出力端子が限流用の抵抗Ｒ１を介して出力
端子Ｏ１に接続され、負出力端子が出力端子Ｏ２
に接続されている。

そして、アークスタート時のトーチスイツチの
操作などにもとづき、溶接開始が指令されると、
図示省略された溶接機の起動リレーが動作してａ
接点Ｓ１〜Ｓ３がオンし、３次巻線Tcに出力交
流が生じるとともに、該出力交流がダイオードＤ
１〜Ｄ６のブリツジ整流器で全波整流され、アー
ク発生後の溶接電圧より高い無負荷電圧、たとえ
ば90〜110Vの副整流出力が、副回路２から溶接
負荷に供給される。

このとき、副整流出力は、溶接範囲の定格の小
電流が5A（平均値）であれば、抵抗Ｒ１によつて
電流容量が5A以下のたとえば3Aに設定され、そ
の電流、電圧特性が第２図の実線Ａ，A′の垂下
特性になる。

そして、アークスタート時はサイリスタTH１
〜TH６がオフしているため、主回路１の主整流
出力に先立ち、副回路２の副整流出力が溶接負荷
に供給され、溶接負荷に副整流出力の高い無負荷
電圧が印加される。

また、溶接機の高周波発生回路（図示せず）か
ら溶接負荷に、前記副整流出力に重畳した高周波
電圧が供給される。

そして、副整流出力に重畳した高周波電圧にも
とづく火花放電により、溶接負荷の電極と母材間
の絶縁破壊が生じ、溶接負荷に小電流アークが発
生し、出力端子Ｏ１から溶接負荷を介して出力端
子Ｏ２に、副整流出力の電流が流れ始める。

さらに、小電流アークの発生によつて流れ始め
た溶接負荷の電流が、溶接機に設けられた主アー
ク移行用の電流検出器（図示せず）によつて検出
され、該検出にもとづき、溶接負荷のアーク発生
直後に、主回路１に設けられたサイリスタTH１
〜TH６の点弧制御回路（図示せず）が起動さ
れ、主回路１が起動される。

そして、主回路１のサイリスタTH１〜TH６
は、アーク発生後の溶接負荷の溶接電流、すなわ
ち出力端子Ｏ１から溶接負荷を介して出力端子Ｏ
２に流れる主回路１の主整流出力と副回路２の副
整流出力との合成電流が、溶接負荷に応じて予め
設定された溶接範囲の所定電流値、すなわち定格
値（平均値）５〜350Aの範囲内の設定電流値の
定電流になるように、前記主アーク移行用の電流
検出器を用いたフイードバツクループ制御で点弧
制御され、入力交流を全波整流する。

そのため、主回路１が起動されて主アークに移
行すると、第２図の実線B₁，B₂に示すような溶
接負荷に応じた定電流特性の溶接電流が溶接負荷
に供給され、溶接負荷のTIG溶接が行なわれる。

なお、第２図の実線B₁，B₂は定格5A、350Aそ
れぞれのときの特性を示し、同図の斜線の範囲が
溶接範囲を示す。

すなわち、従来の直流TIG溶接機は、主回路１
の電流リツプルの改善、入力KVAの低減、重量
の軽減などを図り、アークスタート時に溶接電圧
より高い電圧を溶接負荷に印加してアークの発生
を容易に行なわせるため、主回路１に先立つて起
動される小容量の副回路２を設けて形成され、ア
ークスタート時には副回路２の高い無負荷電圧を
溶接負荷に供給し、アーク発生後には主、副回路
１，２の整流出力の合成電流を定電流特性の溶接
電流として溶接負荷に供給している。

そして、副回路２の副整流出力は、溶接範囲の
定格の小電流にもとづき、電流値が前記定格の小
電流以下に設定されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、TIG溶接の非消耗式電極には、溶融
温度が高く、熱陰極型の代表的な電極として知ら
れているタングステン電極が用いられる。

そして、溶接電流により、タングステン電極が
熱陰極となつて熱電子を放出する溶接中の定常状
態のときには、第３図ａに示すように、アークｋ
がタングステン電極TDの先端下面から安定に発
生する。

一方、アークスタート時などにタングステン電
極TDの温度が低く、タングステン電極TDが冷
陰極状態であれば、このとき、タングステン電極
TDの表面の酸化物付着個所からアークが発生し
ようとする。

そして、前記従来の溶接機の場合、アークスタ
ート時に小電流値の副整流出力がタングステン電
極TDに供給され、火花放電によつてアークが発
生し始めようとしたときに、小電流しか供給され
ないため、タングステン電極TDの温度上昇が比
較的遅く、冷陰極状態から熱陰極状態に尽速に移
行しない。

そのため、とくに溶接をくり返して行なうとき
には、つぎに説明するようにアークが安定せず、
アークスタートの失敗が生じ易くなる。

すなわち、１回だけアークスタートして溶接す
る場合は、タングステン電極TDの表面に一様に
酸化物が付着しているため、副整流出力の電流が
3Aと小さくても、第３図ａのように電極TDの先
端下面と母材Ｅとの間でアークが発生し、このと
きアーク長ｌが短く、低電圧でも容易に安定した
アークが得られるため、アーク発生直後には主回
路１の起動にもとづき、安定した主アークに移行
して確実にアークスタートし、溶接が行なえる。

なお、図中のＮ，Ｇはノズル、溶接雰囲気のア
ルゴンガスそれぞれを示す。

しかし、アークスタート時のタングステン電極
TDの温度が冷陰極状態の低温に戻る溶接サイク
ルで溶接をくり返す場合、たとえば1secの溶接と
2secの休止とをくり返す場合は、アークスタート
の回数を重ねることによつてタングステン電極
TDの表面が先端から順にクリーニングされ、し
かも、アークスタート時の電極TDの温度が2sec
の休止によつて冷陰極状態の低温に戻るため、溶
接毎に、アークスタート時の火花放電にもとづく
アーク発生点が、第３図ｂに示すように酸化物を
求めて上方にはい上り、このときアークk′のアー
ク長l′が次第に長くなつてアーク電圧が高くな
る。

そのため、主回路１の起動によつて主アークに
移行したときには、電極TDと母材Ｅとの間の電
圧が十分なアーク電圧とならず、アークが不安定
になつて確実なアークスタートが行なえなくな
り、たとえば、タングステン電極TDにトリウム
含有量２％、16mmφの電極を使用し、アルゴンガ
ス４／min、アーク長３mmの条件で実験を行な
つた結果、約50回程度しかアークスタートが行な
えなかつた。

すなわち、従来のこの種直流TIG溶接機は、と
くに、溶接をくり返して行なう際に、溶接回数が
増す毎にアークスタートが不安定になり、確実な
アークスタートが行なえない問題点がある。

なお、副整流出力の電流値を大きくし、アーク
が発生し始めたときに溶接負荷の電極温度を迅速
に上昇して電極を熱陰極状態にし、アークスター
トを安定化することが考えられるが、副整流出力
の電流値を大きくすると、溶接中に供給される溶
接電流の最小値が大きくなり、薄板などの小電流
の溶接が行なえなくなり、溶接範囲が狭くなる。

そして、この発明は、前記の問題点に留意して
なされたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点を解決するための手段を、実施例に
対応する第４図を用いて以下に説明する。

この発明は、アークスタート時に起動されて入
力交流を全波整流し、無負荷電圧がアーク発生後
の溶接電圧より高く溶接範囲の小電流以下の電流
値の副整流出力を溶接負荷に供給する副回路２
と、 前記無負荷電圧にもとづくアーク発生直後に前
記溶接負荷の電流検出によつて起動され、入力交
流を制御整流器で全波整流して主整流出力を形成
し、前記主、副整流出力の合成電流からなる定電
流特性の溶接電流を前記負荷に供給する主回路１
と を備えた直流TIG溶接機において、 アークスタート時に起動されて入力交流を単相
半波整流し、ピーク電流値が前記副整流出力より
大きなパルス状のアーク発生用補助整流出力を前
記溶接負荷に供給する補助回路３と、 前記溶接負荷の電流の通流を検出し、アーク発
生直後に前記補助回路３の出力を遮断する電流リ
レーRLと を備えるという技術手段を講じている。

〔作用〕

したがつて、この発明によると、アークスター
ト時には、副整流出力と補助整流出力とが溶接負
荷に供給され、このとき、火花放電によつてアー
クが発生し始めると、ピーク電流値の大きな補助
整流出力が副整流出力にパルス状に重畳されて大
電流が流れようとするため、溶接負荷のタングス
テン電極の温度が迅速に上昇し、タングステン電
極が直ちに熱陰極状態に移行し、電極の先端がク
リーニングされていても、熱電子放出によつて電
極の先端下面からアークが発生し、確実にアーク
スタートが行なえる。

さらに、アーク発生直後にはリレーRLによつ
て補助回路３の出力が遮断され、従来と同様、
主、副整流出力にもとづく定電流特性の溶接電流
が溶接負荷に供給される。

そして、補助整流出力が副整流出力にパルス状
に重畳するため、アーク発生時に溶接負荷に供給
される電流の平均値はそれ程増加せず、しかも、
アーク発生直後には主、副整流出力にもとづく定
電流特性の溶接電流が溶接負荷に供給されるた
め、溶接範囲を狭くすることなく、溶接をくり返
すときのアークスタート特性が改善され、技術的
課題が解決される。

〔実施例〕

つぎに、この発明を、その実施例を示した第４
図ないし第６図とともに詳細に説明する。

（１実施例） まず、１実施例を示した第４図について説明す
る。

第４図において、第１図と同一記号は同一のも
のを示し、異なる点は補助回路３と電流リレー
RLとを付加した点である。

そして、補助回路３はａ接点Ｓ３と３次巻線
Tcとの接続点に、リレーRLのｂ接点Ｓ４、整流
用のダイオードＤ７、限流用の抵抗Ｒ２を直列接
続するとともに、抵抗Ｒ２の端部を２次巻線Tb
の中性点に接続して形成され、３次巻線Tcの３
相交流の１相を単相半波整流し、入力交流の各１
周期の1/3の期間にのみピーク値が10A程度にな
るパルス状のアーク発生用補助整流出力を形成し
て出力する。

また、リレーRLは２次巻線Tbの中性点と出力
端子Ｏ１との間に設けられ、火花放電にもとづ
き、溶接負荷に予め設定したアーク発生の検出基
準値、たとえばピーク値13Aの電流が通流し、電
極の先端下面からアークが発生し始めた時点で動
作し、ｂ接点Ｓ４をオフして補助回路３の出力を
遮断する。

そのため、アークスタート時にはａ接点Ｓ１〜
Ｓ３およびｂ接点Ｓ４が共にオンし、副整流回路
２とともに補助整流回路３が起動され、このと
き、副整流出力に補助整流出力を重畳した合成整
流出力が溶接負荷に供給される。

そして、溶接負荷のタングステン電極と母材な
どとの間に火花放電が生じてアークの発生が促さ
れると、前記合成出力の電流、すなわち間欠的に
大電流となる電流が流れようとし、このとき、溶
接負荷のインピーダンスが大きく、タングステン
電極の熱消費が大きいため、タングステン電極の
温度が迅速に上昇し、タングステン電極が直ちに
熱陰極状態に移行する。

そして、タングステン電極が直ちに熱陰極状態
になるため、タングステン電極の先端がクリーニ
ングされていても、熱電子放出にもとづき、タン
グステン電極の先端下面からアークが発生し、こ
のとき、たとえば第３図ｂのようにアーク発生点
が電極表面をはい上る場合に比してアーク電圧が
低く、容易かつ安定にアークが発生する。

さらに、アークが発生して副整流出力および補
助整流出力の合成電流が流れ始めると、瞬時的な
ピーク値13Aの電流の通流を検出してリレーRL
が直ちに動作し、ｂ接点Ｓ４がオフして補助整流
出力の供給が停止し、このとき、リレーRLの動
作に前、後して主整流回路１が起動される。

そのため、アーク発生直後からは、従来と同
様、主、副整流出力が溶接負荷に供給され、両整
流出力にもとづく定電流特性の溶接電流によつて
TIG溶接が行なわれる。

したがつて、前記実施例の場合は、溶接のくり
返しによつてタングステン電極の先端がクリーニ
ングされても、アークスタート時に副整流出力の
電流に間欠的に重畳合成される補助整流出力の電
流によつてタングステン電極が直ちに熱陰極状態
になり、タングステン電極の先端からアークが発
生して確実にアークスタートが行なえる。

しかも、アーク発生直後には直ちに補助回路３
の出力が遮断され、アーク発生直後からの溶接中
には、従来と同様、主、副整流出力を合成した定
電流特性の溶接電流で溶接が行なわれ、溶接中に
補助整流出力の不要な電流が供給されないため、
溶接範囲がたとえば５〜350Aの従来と同様の広
い範囲になる。

なお、ピーク値13Aの電流の通流を検出してリ
レーRLが動作するが、このとき、補助整流出力
が入力交流の各１周期の1/3の期間にのみ供給さ
れ、しかも、その波形がいわゆる半波整流波形状
になるため、アーク発生時に溶接負荷を流れる平
均電流は、ほぼ溶接範囲の小電流程度の電流にな
り、薄板などの小電流の溶接に対して何ら不都合
の生じることがない。

そして、1secの溶接と2secの休止とをくり返す
溶接サイクルで、第１図の従来の溶接機の場合と
同様、タングステン電極にトリウム含有量２％、
16mmφの電極を使用し、アルゴンガス４／
min、アーク長３mmの条件で実験を行なつた結
果、従来約50回程度しかアークスタートが行なえ
なかつたのに対し、300回のアークスタートが行
なえるようになり、アークスタート特性が著しく
改善された。

なお、前記実施例では、変圧器Ｔ１を主、副回
路１，２の入力交流および補助回路３の入力交流
の形成に共用しているため、溶接機の小型化など
が図れるのは勿論である。

（他の実施例） つぎに、他の実施例それぞれを示した第５図、
第６図について説明する。

第５図は第４図の補助回路３の代わりに同図の
主、副回路１，２と別電源で動作する補助回路
３′を設ける場合を示し、この場合は、第４図の
変圧器Ｔ１と別個の単相の変圧器Ｔ２を設けると
ともに、該変圧器Ｔ２の２次巻線Tdの一端とリ
レーRLとの間に、第４図のａ接点Ｓ１〜Ｓ３と
同様に起動リレーによつてオンするａ接点Ｓ５
と、ｂ接点Ｓ４、ダイオードＤ７、抵抗Ｒ２とを
直列接続して補助回路３′が形成される。

そして、アークスタート時には、トーチスイツ
チなどの操作によつてａ接点Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ５が
オンし、副回路２とともに補助回路３′が起動さ
れ、アーク発生直後にはリレーRLが動作してｂ
接点Ｓ４がオフし、補助回路３′のアーク発生用
補助整流出力が遮断される。

そのため、主、副回路１，２と別電源で駆動さ
れる補助回路３′を設けても、補助回路３を設け
た場合と同様の効果が得られ、この場合は、補助
回路３′が主、副回路１，２と独立しているため、
たとえば従来の第１図の溶接機に補助回路３′を
付加するのみで第４図と同様の溶接機が形成され
る利点を有する。

一方、第６図は第５図の補助回路３′の代わり
に、サイリスタを用いた補助回路３″を設ける場
合を示し、第５図のダイオードＤ７に相当するサ
イリスタSCのアノード、カソードが２次巻線Td
の一端、第５図のリレーRLそれぞれに接続され
るとともに、２次巻線Tdの一端とサイリスタSC
のゲートとの間にａ接点Ｓ５、ｂ接点Ｓ４、およ
び限流用の抵抗Ｒ３、整流用のダイオードＤ８が
直列接続され、かつ、サイリスタSCのゲートと
カソードとの間にトリガ用のコンデンサＣが設け
られている。

そして、アークスタート時にはａ接点Ｓ５のオ
ンによつてサイリスタSCがトリガ起動され、サ
イリスタSCがオンして補助回路３″が起動され、
アーク発生直後にはｂ接点Ｓ４がオフしてサイリ
スタSCがオフし、補助回路３″のアーク発生用補
助整流出力が遮断される。

そのため、第６図の場合も第５図と同様の効果
が得られる。

なお、第４図の補助回路３を、第６図の補助回
路３″と同様にサイリスタを用いて形成すること
ができるのは勿論である。

また、第４図の主、副回路１，２の入力交流が
単相交流などの場合にも適用できるのは勿論であ
る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の直流TIG溶接機によ
ると、アークスタート時に副回路とともにアーク
発生用補助回路を起動し、溶接負荷に供給する整
流出力の電流を間欠的に大きくし、溶接負荷のタ
ングステン電極を迅速に熱陰極状態にして電極の
先端からアークを発生させるとともに、アーク発
生直後に補助回路の出力を遮断し、溶接中には
主、副整流出力にもとづく定電流特性の溶接電流
を溶接負荷に供給したことにより、溶接をくり返
し行なうときに、溶接範囲を狭くすることなく、
アークスタートを確実かつ安定に行なわせ、アー
クスタート特性を著しく改善することができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の直流TIG溶接機の結線図、第２
図は第１図の出力特性図、第３図ａ，ｂはそれぞ
れアークがタングステン電極の先端および上部か
ら発生している状態の断面図、第４図はこの発明
の直流TIG溶接機の１実施例の結線図、第５図お
よび第６図はそれぞれ他の実施例の一部の結線図
である。 １……主回路、２……副回路、３，３′，３″…
…アーク発生用補助回路、RL……電流リレー、
TH１〜TH６……制御整流器を形成するサイリ
スタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アークスタート時に起動されて入力交流を全
   波整流し、無負荷電圧がアーク発生後の溶接電圧
   より高く溶接範囲の小電流以下の電流値の副整流
   出力を溶接負荷に供給する副回路と、 前記無負荷電圧にもとづくアーク発生直後に前
   記溶接負荷の電流検出によつて起動され、入力交
   流を制御整流器で全波整流して主整流出力を形成
   し、前記主、副整流出力の合成電流からなる定電
   流特性の溶接電流を前記負荷に供給する主回路と を備えた直流TIG溶接機において、 アークスタート時に起動されて入力交流を単相
   半波整流し、ピーク電流値が前記副整流出力より
   大きなパルス状のアーク発生用補助整流出力を前
   記溶接負荷に供給する補助回路と、 前記溶接負荷の電流の通流を検出し、アーク発
   生直後に前記補助回路の出力を遮断する電流リレ
   ーと を備えたことを特徴とする直流TIG溶接機。