JPS6410315B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電源交流を整流，平滑して低電力
のベース電流または電圧と大電力のパルス電流ま
たは電圧とを形成するとともに、ベース電流にパ
ルス電流を周期的に重畳して負荷に供給するパル
スアーク溶接機に関する。

〔従来の技術〕

一般に、パルスアーク溶接は、たとえば消耗式
ワイヤからなる電極と母材とが形成する負荷に、
低電力の直流のベース電流または電圧を供給する
とともに、大電力の直流のパルス電流または電圧
を周期的に供給し、パルス電流または電圧の大電
力のピンチ力により、送給されたワイヤの溶融金
属をスプレー状の小粒子にしてワイヤ先端から高
速度で離脱し、母材を溶接するため、スパツタの
発生が少なくなる利点を有する。

そして、３相の電源交流を整流，平滑してベー
ス電流，パルス電流を形成する従来のこの種パル
スアーク溶接機は第１図に示すように構成され、
３相商用交流電源１の３木目の電源交流が３相変
圧器からなるベース電流供給用変圧器２に供給さ
れるとともに、３相の電源交流の２相成分が単相
変圧器からなるパルス電流供給用変圧器９に供給
される。

そして、変圧器２の出力交流が、ダイオード整
流器からなるベース電流供給用整流器３によつて
整流されるとともに、整流器３の整流出力が、限
流用抵抗４および２個の平滑用のリアクトル５，
６を介してワイヤ送給装置７の消耗式電極ワイヤ
８に供給され、このとき整流器３の整流およびリ
アクトル５，６の平滑により、低電力のベース電
流が形成される。

また、変圧器９の出力交流が、サイリスタなど
の制御整流素子を用いて形成された制御整流器，
すなわちパルス電流供給用制御整流器１０によつ
て整流されるとともに、整流器１０の整流出力が
リアクトル６を介して電極ワイヤ８に供給され、
このとき整流器１０の整流およびリアクトル６の
平滑により、大電力のパルス電流が形成される。

なお、図中の１１は電極ワイヤ８とともに負荷
を形成する母材である。

また、パルス電流を周期的に供給するため、整
流器１０の制御整流素子は、導通角が、図外の位
相制御装置によつて制御され、このときパルス電
流の立上りを急峻にするとともにピーク値を大き
くするため、通常、導通角は90゜以下の範囲で可
変される。

そして、第２図に示すようにパルス電流とパル
ス電流との間の期間はベース電流が供給され、こ
のベース電流によりアークが持続されるととも
に、パルス電流にもとづくピンチ効果により、電
極ワイヤ８の先端から、溶滴が離脱し、母材１１
が溶接される。

なお、第１図の場合は、電源１の３相の電源交
流のうちの２相成分のみを制御整流してパルス電
流を形成しているため、３相の全成分を制御整流
してパルス電流を形成する場合より、パルス電流
の供給期間の可変範囲が広くなり、パルス電流の
供給可変範囲が広くなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、電極ワイヤ８のワイヤ径，材質およ
び母材１１の材質，厚みや、溶接の開先形状など
にもとづき、パルス電流のスプレー効果，ピンチ
効果などが変化する。

そして、ワイヤ８の溶滴が細粒化して安定かつ
良好な溶接が行なえるパルス電流の限界値は、臨
界電流値と呼ばれている。

そして、パルス電流が臨界電流値以下になると
きは、パルス幅が狭くなつて供給期間が短くな
り、溶滴が細粒化されなくなつてワイヤ８のワイ
ヤ径以上の大塊となり、パルス電流の１回の供給
によつて溶接することが困難になり、不規則にパ
ルス電流を供給することになつて溶接不良が生じ
る。

逆に、パルス電流が臨界電流値より著しく大き
くなるときは、パルス幅が広くなり過ぎて供給期
間が不必要に長くなり、母材１１への入熱が過多
になり、たとえば母材１１が薄板であれば、溶け
落ちが生じる。

また、狭い開先の溶接を行なう場合、パルス電
流が大きくなり過ると、アークが広がりすぎ、母
材１１の溶融金属への移行が円滑に行なわれなく
なるとともに、シールドガスによるシールドの状
態が悪化し、溶接欠陥が生じやすくなる。

したがつて、パルス電流の供給は、負荷の状態
および、溶接条件などにもとづいて可変する必要
があり、このとき可変範囲を広くする程、種々の
条件の溶接が安定かつ良好に行なえることにな
る。

一方、第１図のパルスアーク溶接機の場合、前
述したように整流器１０の制御整流によつてパル
ス電流が形成されるため、供給の周期が電源周波
数によつて規定されるとともに、各１周期の供給
期間が整流器１０の制御整流素子の導通角の可変
範囲で定まり、パルス電流の供給可変範囲は比較
的狭い範囲に限られ、種々の条件の溶接を安定か
つ良好に行なうことが困難になる。

また、電源交流が正弦波状に変化するため、供
給中のパルス電流の波形も電源交流の変化に応じ
て変動し、均一なパルス電流を供給することが困
難になり、スプレー効果が悪化して均一な溶接結
果が得られなくなる。

さらに、第１図のように、３相の全成分を用い
てベース電流を形成し、３相のうちの２相成分を
用いてパルス電流を形成すると、電源交流の入力
不平衡が生じやすく、電源１に接続された他の機
器に悪影響を与える恐れがある。

なお、パルス電流も３相の全成分を用いて形成
すれば、前述の入力不平衡は生じなくなるが、こ
の場合、前述したようにパルス電流の供給可変範
囲が狭くなる。

すなわち、従来のパルスアーク溶接機は、電源
交流の制御整流，平滑によつてパルス電流または
電圧を形成しているため、その供給可変範囲が、
電源周波数，制御整流素子の導通角などによつて
限られた比較的狭い範囲になり、種々の条件の溶
接に適用できない問題点がある。

また、供給中のパルス電流または電圧が電源交
流の変化に応じて変動し、均一なパルス電流また
は電圧を供給することができない問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、前記の諸点に留意してなされたも
のであり、電源交流を整流，平滑して低電力のベ
ース電流または電圧と大電力のパルス電流または
電圧とを形成し、前記ベース電流または電圧に前
記パルス電流または電圧を周期的に重畳して負荷
に供給するパルスアーク溶接機において、電源交
流を整流するパルス電流供給用整流器と、該整流
器の出力をスイツチングして電源交流より高周波
数のパルスに変換するスイツチング回路と、該ス
イツチング回路の出力を平滑して負荷に供給する
直流リアクトルと、前記パルス電流または電圧の
検出信号を出力する検出器と、前記パルス電流ま
たは電圧の供給期間に応じて周波数が可変設定さ
れる低周波パルス信号を基準信号として出力する
低周波パルス発生器と、前記基準信号と前記検出
信号とを誤差増幅する演算増幅器と、該増幅器の
出力信号をピーク値が前記増幅器の出力信号の最
大値より大きい値に設定された参照波信号によつ
てパルス幅変調し，前記スイツチング回路に駆動
制御信号を出力する駆動装置とを備えたことを特
徴とするパルスアーク溶接機である。

〔作用〕

そして、パルス電流または電圧の供給期間が、
交流電源の周波数と無関係の低周波パルス発生器
の基準信号の周波数によつて可変設定され、この
場合、供給期間を広範囲に可変することができ
る。

また、供給期間中に、電源交流の整流出力を電
源交流より高周波数のパルスに変換した後、平滑
してパルス電流または電圧が形成されるととも
に、検出器，演算増幅器，駆動装置，スイツチン
グ回路のループによつてパルス電流または電圧が
一定に帰還制御されるため、電源交流の変化など
によつてパルス電流または電圧が変動せず、均一
なパルス電流を供給することができる。

〔実施例〕

つぎに、この発明を、その１実施例を示した第
３図ないし第５図とともに詳細に説明する。

第３図は３相の電源交流を整流，平滑してベー
ス電流，パルス電流を形成する場合を示し、３相
商用交流電源１の３相の電源交流が溶接変圧器１
２に供給され、電源交流を降圧した変圧器１２の
３相の出力交流が、３相のダイオード整流器から
なるパルス電流供給用整流器１７に入力されると
ともに、変圧器１２の中間タツプから取出された
３相の出力交流が、３相のサイリスタ整流器から
なるベース電流供給用整流器１３に入力される。

そして、整流器１３の整流出力がベース電流平
滑用リアクトル１４によつて平滑され、低電力の
アーク持続用のベース電流が形成されるととも
に、該ベース電流が、ワイヤ供給装置７の電極ワ
イヤ８と母材１１が形成する負荷に常時供給され
る。

なお、整流器１３の各サイリスタは、ベース電
流の値を設定する設定器１５の電圧にもとづくベ
ース電流制御装置１６の制御信号により導通角が
制御され、設定器１５の出力電圧を可変すること
によりベース電流値が調整される。

また、整流器１７の整流出力は、平滑用コンデ
ンサ１８によつて平滑された後、トランジスタ，
サイリスタなどの半導体制御素子を用いたスイツ
チング回路１９に入力される。

そして、スイツチング回路１９は、駆動装置２
１の制御により、パルス電流の供給期間に、電源
交流より高周波数，すなわち200Hz〜2kHzの範囲
の周波数でスイツチングし、入力された直流を
200Hz〜2kHzのパルスに変換する。

さらに、スイツチング回路１９の出力が電流検
出器２３を介して直流リアクトル２０に入力さ
れ、該リアクトル２０の平滑により、大電力のパ
ルス電流が形成されるとともに、該パルス電流が
電極ワイヤ８を介して母材１１に流れ、ベース電
流にパルス電流が周期的に重畳されて負荷に供給
される。

ところで、駆動装置２１は、後述の演算増幅器
の出力信号を、内部形成した後述の対称三角波形
の参照波信号によつてパルス幅変調し、パルス電
流の供給期間に、駆動制御信号，すなわち第４図
ｂに示す波形のスイツチング回路１９のオン制御
信号を出力する。

さらに、第４図ｂのオン制御信号にもとづくス
イツチング回路１９のスイツチングにより、スイ
ツチング回路１９の出力電流I₁は同図ｃに示すよ
うにパルス状の電流I₁になり、この電流I₁がリア
クトル２０によつて平滑されるため、リアクトル
２０および配線インダクタンスの全インダクタン
スをＬとした場合、電流I₁の通流中はＬ・di／dt （ｉは通流電流，ｔは時間）のエネルギがリアク
トル２０などに蓄積される。

そして、供給期間中のオン制御信号の休止によ
つてスイツチング回路１９がオフし、電流I₁がオ
フしたときは、リアクトル２０などに蓄積された
エネルギは、後述の負荷電流回生用のフライホイ
ルダイオードがなければ、無駄に消費される。

しかし、この実施例では、リアクトル２０の小
型化などを図るとともに、負荷に供給するパルス
電流の均一化を図るため、負荷電流回生用のフラ
イホイルダイオード２２のアノード，カソードを
母材１１，スイツチング回路１９の出力端子それ
ぞれに接続し、電流I₁がオフしたときに、リアク
トル２０などに蓄積されたエネルギを、電極ワイ
ヤ８，母材１１，ダイオード２２を介して放出
し、負荷に回生している。

そして、第４図ｃの電流I₁がスイツチング回路
１９から出力されたときに、同図ｄに示す電流I₂
がダイオード２２を流れたとすると、リアクトル
２０を介して負荷に供給されるパルス電流I₀は、
同図ａに示すように、両電流I₁，I₂の合成電流に
なる。

一方、検出器２３は分流器，直流変流器などに
よつて形成され、スイツチング回路１９の出力電
流I₁およびダイオード２２から回生される電流
I₂，すなわちパルス電流I₀を検出するとともに、
検出した電流に比例した正電圧範囲の電圧の検出
信号Edを演算増幅器２４の反転入力端子（−）
に出力する。

また、増幅器２４の非反転入力端子（＋）には
低周波パルス発生器２５から出力された基準信号
Es，すなわち第４図ｅに示すように、ほぼパル
ス電流I₀の供給期間にのみパルス電流I₀の設定値
に対応する検出信号Edの電圧になる10Hz〜1kHz
程度の低周波パルス信号からなる基準信号Esが
入力される。なお、基準信号Esはパルス電流I₀を
供給しない期間には０ボルトになる。

したがつて、増幅器２４の出力信号Ｖの電圧
は、パルス電流I₀を供給しない期間に０ボルト以
下になり、基準信号Esによつて設定されるパル
ス電流I₀の供給期間に、基準信号Esと検出信号
Edとの差に比例して，すなわち供給中のパルス
電流I₀の増減に反比例して正電圧範囲で変化す
る。

さらに、増幅器２４の出力信号Ｖが入力される
駆動装置２１は、200Hz〜2kHzの範囲で可変設定
される対称三角波形の参照波信号の発生器を内蔵
し、このとき参照波信号の電圧は第５図ａの実線
に示すようり、正電圧範囲で変化するとともに、
ピーク値vpが、１点鎖線に示す増幅器２４の出
力信号Ｖの最大値vm，すなわち検出信号Edが０
ボルトになる供給開始時などの最大値vmより大
きい値に設定されている。

そして、増幅器２４の出力信号Ｖが参照波信号
によつてパルス幅変調され、第５図ｂに示すよう
に、出力信号Ｖの電圧が参照波信号の電圧より高
くなる期間τにのみハイレベルになる信号，すな
わち出力信号Ｖの電圧に反比例してハイレベルの
期間τが変化する前述のオン制御信号が、駆動装
置２１からスイツチング回路１９に出力され、オ
ン制御信号のハイレベル，ローレベルによつてス
イツチング回路１９がオン，オフする。なお、出
力信号Ｖが０ボルトになる間はオン制御信号がロ
ーレベルに保持される。

したがつて、オン制御信号のハイレベルのパル
ス幅が、供給中のパルス電流I₀の増減に反比例し
て変化し、該変化に比例してスイツチング回路１
９のオン期間が変化することになり、供給中のパ
ルス電流I₀が、当該電流I₀の増減に反比例して制
御される。

すなわち、検出器２３，増幅器２４，駆動装置
２１，スイツチング回路１９のループにより、パ
ルス電流I₀の負帰還制御路が形成され、該制御路
の制御にもとづき、スイツチング回路１９の出力
電流I₁が制御されてパルス電流I₀が設定値の電流
に定電流制御される。

ところで、パルス発生器２５は、たとえば矩形
波パルス発生器によつて形成されるとともに、時
定数設定用の可変低抗からなる低周波パルス設定
器２６の調整により、出力する低周波パルス信
号，すなわち第４図ｅの基準信号Esの周波数が、
10Hz〜1kHz程度の範囲で任意に可変設定される。

そして、基準信号Esのパルス幅によつてパル
ス電流I₀の１回の供給期間が定まるため、基準信
号Esの周波数を可変することにより、パルス電
流I₀の供給期間が可変され、このとき基準信号Es
の周波数が、電源交流の周波数に無関係に、10Hz
〜1kHz程度の広範囲，すなわち種々の条件の溶
接に対して最適な供給期間の可変範囲以上の周波
数範囲で可変されるため、パルス電流I₀の供給期
間は、溶接に応じた最適な供給期間に設定するこ
とができる。

したがつて、前記実施例の場合は、パルス発生
器２５の基準信号Esの周波数の可変設定にもと
づき、パルス電流I₀の供給期間を、電源交流の周
波数に無関係に、広範囲に可変設定することがで
きるため、パルス電流I₀の供給可変範囲を従来よ
り著しく広範囲にすることができるとともに、基
準信号Esによつて設定された供給期間に、整流
器１７の整流出力を、スイツチング回路１９によ
つて電源交流の周波数以上の周波数のパルスに変
換した後、リアクトル２０によつて平滑してパル
ス電流I₀を形成し、かつ検出器２３，増幅器２
４，駆動装置２１，スイツチング回路１９の帰還
制御によつてスイツチング回路１９のスイツチン
グを制御し、パルス電流I₀を定電流制御したこと
により、供給中のパルス電流IOに対する電源交
流の影響が著しく軽減され、パルス電流I₀を、供
給期間の長，短などによらず常に均一化して滑ら
かにすることができ、電極ワイヤ８のワイヤ径，
材質および母材１１の材質，厚みや、溶接開先の
状態などに応じた最適電流値の変動の少ないパル
ス電流I₀を負荷に供給し、安定かつ良好な溶接を
行なうことができる。

また、ダイオード２２を設けてリアクトル２０
などに蓄積されたエネルギを回生したことによ
り、パルス電流I₀を一層均一化することができる
とともに、リアクトル２０などの小型化が図れ
る。

さらに、従来のように制御整流によつてパルス
電流IOを形成しないため、整流器１７によつて
３相の電源交流を整流することができ、この場合
変圧器１２をベース電流の変圧器とパルス電流の
変圧器とに共用することができ構成が簡素化する
とともに装置の軽量化が図れ、かつ不平衡電流が
生じないため、他の機器に悪影響を与えることも
ない。

なお、前記実施例ではダイオード２２を設けて
蓄積されたエネルギを回生するようにしたが、ダ
イオード２２を省いて形成してもよいのは勿論で
ある。

また、参照波信号は正弦波形，鋸波形の信号で
あつてもよく、さらに、ワイヤ８と母材１１間の
電圧、あるいは直流電流を検出し、この検出値と
基準値とを比較増幅し、その出力をベース電流制
御装置１６に入力し、ベース電流を定電圧あるい
は定電流にするようにしてもよい。

そして、前記実施例では、定電流特性のパルス
電流を供給する場合について説明したが、スイツ
チング回路１９の出力電圧を検出し、ベース電圧
および定電圧特性のパルス電圧を供給する場合に
適用することもできる。

また、前記実施例では、３相交流電源を用いて
ベース電流，パルス電流を形成したが、単相交流
電源を用いてベース電流または電圧とパルス電流
または電圧を形成する場合に適用することもで
き、この場合にも実施例とほぼ同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明のパルスアーク溶接機
によると、電源交流を整流するパルス電流供給用
整流器の整流出力を、スイツチング回路によつて
電源交流より高周波数のパルスに変換した後、ス
イツチング回路の出力を直流リアクトルによつて
平滑してパルス電流または電圧を形成し、このと
き低周波パルス発生器の基準信号により、電源交
流の周波数などに無関係に、パルス電流または電
圧の供給期間を可変設定するとともに、検出器，
演算増幅器，駆動装置およびスイツチング回路の
ループによつて供給中のパルス電流または電圧を
帰還制御したことにより、パルス電流または電圧
の供給可変範囲を従来より著しく広範囲にするこ
とができるとともに、供給中のパルス電流を大、
小によらず均一化することができ、種々の条件の
溶接を安定かつ正確に行なうことができるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパルスアーク溶接機の結線図、
第２図は第１図の電流波形図、第３図はこの発明
のパルスアーク溶接機の１実施例の結線図、第４
図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは第３図の各部の動作説明
用のタイミングチヤート、第５図ａ，ｂは第３図
の駆動装置の動作説明用のタイミングチヤートで
ある。 １…交流電源、１７…パルス電流供給用整流
器、１９…スイツチング回路、２０…直流リアク
トル、２１…駆動装置、２３…電流検出器、２４
…演算増幅器、２５…低周波パルス発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電源交流を整流、平滑して低電力のベース電
   流または電圧と大電力のパルス電流または電圧と
   を形成し、前記ベース電流または電圧に前記パル
   ス電流または電圧を周期的に重畳して負荷に供給
   するパルスアーク溶接機において、電源交流を整
   流するパルス電流供給用整流器と、該整流器の出
   力をスイツチングして電源交流より高周波数のパ
   ルスに変換するスイツチング回路と、該スイツチ
   ング回路の出力を平滑して負荷に供給する直流リ
   アクトルと、前記パルス電流または電圧の検出信
   号を出力する検出器と、前記パルス電流または電
   圧の供給期間に応じて周波数が可変設定される低
   周波パルス信号を基準信号として出力する低周波
   パルス発生器と、前記基準信号と前記検出信号と
   を誤差増幅する演算増幅器と、該増幅器の出力信
   号をピーク値が前記増幅器の出力信号の最大値よ
   り大きい値に設定された参照波信号によつてパル
   ス幅変調し、前記スイツチング回路に駆動制御信
   号を出力する駆動装置とを備えたことを特徴とす
   るパルスアーク溶接機。