(57)【要約】【課題】連続的に発生するフラッシュをよりきめ細かく制御してフラッシュの発生回数を大幅に増加させて安定した溶接継手を得る。【解決手段】インバータ回路７をパルス幅変調制御するインバータ駆動回路１３は、溶接トランス８の１次電流が電流基準値ＲｅｆＩを下回っているとき、固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂの電極に印加される２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を値Ｎ１に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を下回ればＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ０に復帰させる。１次電流が電流基準値ＲｅｆＩを上回っているとき、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ２を上回ればＰＷＭ制御の変調率を値Ｎ２に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ２を下回ればＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ３に復帰させる。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリッジ構成をしたＩＧＢＴを有するインバータ回路と、溶接トランスの１次電流と被溶接部材を保持する固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極に供給された２次電圧から前記インバータ回路をパルス幅変調制御するインバータ駆動回路とを有し、前記インバータ回路から供給された１次電圧を前記溶接トランスで降圧して前記固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極間に２次電圧を印加して前記固定クランプ手段と移動クランプ手段で保持された被溶接部材の接合面間に連続的に火花を飛散させて接合するフラッシュ溶接装置であって、
前記インバータ駆動回路は、溶接トランスの１次電流があらかじめ設定されている電流基準値ＲｅｆＩを下回っているとき、前記固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極間に印加する２次電圧とあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ１と比較し、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ１に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ０に復帰させ、１次電流が電流基準値ＲｅｆＩを上回っているとき、２次電圧とあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ２と比較し、２次電圧Ｖが電圧基準値ＲｅｆＶ２を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ２に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ２を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ３に復帰させることを特徴とするフラッシュ溶接装置。
【請求項２】
移動クランプ手段を前後退する油圧シリンダを駆動する電気油圧サーボ弁を有し、該電気油圧サーボ弁を溶接トランスの１次電流があらかじめ設定された１次電流指令値Ｉｒｅｆに近づくように比例積分フィードバック制御する請求項１のフラッシュ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばＨ形鋼や鋼管等を接合するフラッシュ溶接装置、特に溶接能率の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−１６００６３号公報
例えばＨ形鋼ぐいや鋼管くい等の鋼ぐいあるいは脚柱のような大型の構造物又はレールなどの溶接には、加熱範囲が狭く、熱影響が小さいとともに信頼性が高く、接合強度の高い溶接部を高能率で作製するフラッシュ溶接が使用されている。このフラッシュ溶接に使用する溶接装置は、固定クランプ手段で一方の被溶接部材を保持し、移動クランプ手段で他方の被溶接部材を保持し、固定クランプ手段と移動クランプ手段で保持した被溶接部材の先端を軽く接触させ、固定クランプ手段と可動クランプ手段にそれぞれ設けた電極を介して被溶接部材に大電流を流して接触点を集中的に加熱し、接触点を加熱溶融させる。この加熱溶融により接触点の部材が火花となって飛び散り、その接触が断たれると、さらに移動クランプ手段で保持した被溶接部材を前進させ、接触と火花飛散を繰り返すことにより溶接面を一様に加熱し、適温に達したときに移動クランプ手段で保持した被溶接部材を固定クランプ手段で保持した被溶接部材に強い圧力を加えて圧接する。この圧接の際に溶融金属は境界面から押し出されて健全な高温金属が溶接される。
【０００３】
このフラッシュ溶接において、良質な溶接継手を得るためには、被溶接部材の溶接面全体にわたり連続的に火花飛散（以下、フラッシュという）を発生させることが必要である。このため電気油圧サーボ弁を機械的に制御して移動クランプ手段を移動する油圧シリンダの作動させて移動クランプ手段をこまかく前進後退させるとともに、例えば特許文献１に示すように、３相交流電源から供給される３相交流電圧を絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｍｏｄｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（以下、ＩＧＢＴという）を有するインバータにより周波数変調して矩形波交流電圧に変換し、変換した矩形波交流電圧を溶接トランスで降圧して固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極に印加して被溶接部材の溶接面全体にわたり連続的にフラッシュを発生させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように移動クランプ手段を移動する油圧シリンダの作動をさせる電気油圧サーボ弁を機械的に制御していると、その応答性は数サイクルの電流オン・オフが限界であり、例えば半サイクルのオン・オフに応答させることは不可能であり、応答速度に限界があった。
【０００５】
また、固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極に印加する電圧をＩＧＢＴを有するインバータにより周波数変調しても溶接電圧のオン・オフを半サイクル単位で制御することは困難であり、フラッシュをきめ細かく制御することはできなかった。
【０００６】
この発明はかかる短所を改善し、連続的に発生するフラッシュをよりきめ細かく制御してフラッシュの発生回数を大幅に増加させて、安定した溶接継手を得ることができるフラッシュ溶接装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明のフラッシュ溶接装置は、ブリッジ構成をしたＩＧＢＴを有するインバータ回路と、溶接トランスの１次電流と被溶接部材を保持する固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極に供給された２次電圧から前記インバータ回路をパルス幅変調制御するインバータ駆動回路とを有し、インバータ回路から供給された１次電圧を前記溶接トランスで降圧して前記固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極間に２次電圧を印加して前記固定クランプ手段と移動クランプ手段で保持された被溶接部材の接合面間に連続的に火花を飛散させて接合するフラッシュ溶接装置であって、前記インバータ駆動回路は、溶接トランスの１次電流があらかじめ設定されている電流基準値ＲｅｆＩを下回っているとき、前記固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極間に印加する２次電圧とあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ１と比較し、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ１に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ１を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ０に復帰させ、１次電流が電流基準値ＲｅｆＩを上回っているとき、２次電圧とあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ２と比較し、２次電圧Ｖが電圧基準値ＲｅｆＶ２を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ２に増加させ、２次電圧が電圧基準値ＲｅｆＶ２を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ３に復帰させることを特徴とする。
【０００８】
また、移動クランプ手段を前後退する油圧シリンダを駆動する電気油圧サーボ弁を有し、該電気油圧サーボ弁を溶接トランスの１次電流があらかじめ設定された１次電流指令値Ｉｒｅｆに近づくように比例積分フィードバック制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のフラッシュ溶接装置の構成図である。フラッシュ溶接装置１は電源部２と制御部３及び駆動部４を有する。電源部２は、整流器５とコンデンサ６とインバータ回路７と溶接トランス８及び１次電流検出手段９を有し、３相交流電源１０から出力される３相交流電圧を整流器５で６相全波整流して直流に変換し、コンデンサ６により平滑する。この直流電圧をインバータ回路７で単相方形波交流電圧に変換する。このインバータ回路７は、図２の回路図に示すように、ＩＧＢＴ１１ａ〜ＩＧＢＴ１１ｄをブリッジに接続して構成している。このＩＧＢＴ１１ａ〜ＩＧＢＴ１１ｄはＭＯＳゲートで駆動するので駆動電力が小さく高速スイッチングで、高耐圧化と大電流化が可能である。そして図３の波形図に示すように、ＩＧＢＴ１１ａのＭＯＳゲートＳ１とＩＧＢＴ１１ｄのＭＯＳゲートＳ４を同時にオンにし、ＩＧＢＴ１１ｂのＭＯＳゲートＳ２とＩＧＢＴ１１ｃのＭＯＳゲートＳ３を同時にオフにすると、入力端子Ａ，Ｂに入力した直流電圧により出力端子Ｘ，Ｙにプラスの電圧を出力し、ＩＧＢＴ１１ｂのＭＯＳゲートＳ２とＩＧＢＴ１１ｃのＭＯＳゲートＳ３を同時にオンにし、ＩＧＢＴ１１ａのＭＯＳゲートＳ１とＩＧＢＴ１１ｄのＭＯＳゲートＳ３を同時にオフにすると、入力端子Ａ，Ｂに入力した直流電圧により出力端子Ｘ，Ｙにマイナスの電圧を出力する。この動作を繰り返すことにより出力端子ＸＹに方形波交流電圧を得ることができる。この方形波交流電圧を溶接トランス８で降圧して溶接電圧として出力する。１次電流検出手段９はインバータ回路７から出力する溶接トランス８の１次電流を検出する。
【００１０】
制御部３は、装置全体の動作を制御するパソコン１２とインバータ駆動回路１３と比例積分制御部１４を有する。駆動部４は、溶接トランス８の一方の出力端子と接続する電極が設けられ、一方の被溶接部材１５ａを保持する固定クランプ手段１６ａと、溶接トランス８の他方の出力端子と接続する電極が設けられ、他方の被溶接部材１５ｂを保持する移動クランプ手段１６ｂと、固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂの電極間に印加される２次電圧を検出する２次電圧検出手段１７と、移動クランプ手段１６ｂを固定クランプ手段１６ａ側に前後退させる油圧シリンダ１８及び比例積分制御部１４からの制御信号により油圧シリンダ１８を駆動する電気油圧サーボ弁１９を有する。
【００１１】
制御部３のインバータ駆動回路１３はインバータ回路７をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御するものであり、パソコン１２にあらかじめ設定された基準値を入力するとともに１次電流検出手段９で検出した溶接トランス８の１次電流及び２次電圧検出手段１７で検出した固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂの電極に印加される２次電圧を入力して、図４の波形図に示すように、ＰＷＭ制御のキャリアパルスＣＰの変調率を可変する。比例積分制御部１４はパソコン１２から電流指令値を入力するとともに１次電流検出手段９から溶接トランス８の１次電流を入力して比例積分処理する。
【００１２】
このフラッシュ溶接装置１で固定クランプ手段１６ａで被溶接部材１５ａを保持し、移動クランプ手段１６ａで他方の被溶接部材１５ｂを保持し、固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂで保持した被溶接部材１５ａ，１５ｂの先端を軽く接触させ、固定クランプ手段１６ａと可動クランプ手段１６ｂにそれぞれ設けた電極に溶接トランス８から溶接電圧を印加して被溶接部材１５ａ，１５ｂに大電流を流して接触点を集中的に加熱し、接触点を加熱溶融させる。この加熱溶融により接触点の部材が火花となって飛び散り、その接触が断たれると、さらに油圧シリンダ１８により移動クランプ手段１６ｂを固定クランプ手段１６ａ側に移動して被溶接部材１５ｂを前進させ、接触とフラッシュを繰り返すことにより溶接面を一様に加熱し、適温に達したときに移動クランプ手段１６ｂで保持した被溶接部材１５ｂを固定クランプ手段１６ａで保持した被溶接部材１５ｂに強い圧力を加えて圧接して被溶接部材１５ａ，１５ｂを接合する。
【００１３】
この被溶接部材１５ａ，１５ｂを接合するときに溶接トランス８に方形波交流電圧を出力するインバータ回路７を駆動するインバータ駆動回路１３の動作を図５のフローチャートを参照して説明する。
【００１４】
インバータ駆動回路１３には、図６に示すように、溶接トランス８の１次電流Ｉ１に対する電流基準値ＲｅｆＩと、固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂの電極に印加される２次電圧Ｖ２に対する電圧基準値ＲｅｆＶ１，ＲｅｆＶ２を基準にしてＰＷＭ制御の変調率Ｎ０，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が定められている。すなわち溶接トランス８の１次電流Ｉ１が電流基準値ＲｅｆＩより小さいとき、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ１より小さい場合、ＰＷＭ制御の変調率を例えば５０％の値Ｎ０とし、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ１より大きい場合、ＰＷＭ制御の変調率を例えば１００％の値Ｎ１とし、溶接トランス８の１次電流Ｉ１が電流基準値ＲｅｆＩより大きいとき、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ２より小さい場合、ＰＷＭ制御の変調率を例えば７０％の値Ｎ３とし、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ２より大きい場合、ＰＷＭ制御の変調率を例えば０％の値Ｎ２としている。
【００１５】
このインバータ駆動回路１３は、パソコン１２から駆動指令が入力すると（ステップＳ１）、１次電流検出手段９で検出している溶接トランス８の１次電流Ｉ１と２次電圧検出手段１７で検出している２次電圧Ｖ２を入力し（ステップＳ２）、まず、１次電流Ｉ１とパソコン１２にあらかじめ設定されている電流基準値ＲｅｆＩと比較し（ステップＳ３）、１次電流Ｉ１が基準値ＲｅｆＩを下回っているときは、２次電圧Ｖ２とパソコン１２にあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ１と比較し（ステップＳ４）、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ１を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ１に増加させる（ステップＳ５）。また、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ１を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ０に復帰させる（ステップＳ６）。
【００１６】
また、１次電流Ｉ１と電流基準値ＲｅｆＩと比較した結果（ステップＳ３）、１次電流Ｉ１が基準値ＲｅｆＩを上回っているときは、２次電圧Ｖ２とパソコン１２にあらかじめ設定されている電圧基準値ＲｅｆＶ２と比較し（ステップＳ７）、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ２を上回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率をあらかじめ設定された値Ｎ２に増加させる（ステップＳ８）。また、２次電圧Ｖ２が電圧基準値ＲｅｆＶ２を下回れば直ちにＰＷＭ制御の変調率を元の値Ｎ３に復帰させる（ステップＳ９）。この処理を溶接が終了するまで繰り返す（ステップＳ１０）。
【００１７】
また、移動クランプ手段１６ｂを移動する油圧シリンダ１８の送り制御を行うとき、制御部３の比例積分制御部１４は、１次電流検出手段９で検出している溶接トランス８の１次電流Ｉ１を入力し、入力した１次電流Ｉ１がパソコン１２から送られる１次電流指令値Ｉｒｅｆに近づくように電気油圧サーボ弁１９の動作を比例積分フィードバック制御し、１次電流Ｉ１が無負荷状態であれを油圧シリンダ１８を前進させ、１次電流Ｉ１が電流指令値Ｉｒｅｆより大きくなったときは油圧シリンダ１８を急速に後退させる。
【００１８】
このようにインバータ駆動回路１３で１次電流検出手段９で検出している溶接トランス８の１次電流Ｉ１と２次電圧検出手段１７で検出している２次電圧Ｖ２を入力し、溶接トランス８の１次電流Ｉ１と２次電圧Ｖ２の状態によりＰＷＭ制御の変調率を変えるから、半サイクルで数１０回から数１００回の電源オン・オフを行うことができ、高応答の連続フラッシュを発生することができ、被溶接部材１５ａ，１５ｂの接合部の溶接継手の品質を向上することができる。
【００１９】
次に、単相交流の２０ＫＶＡ（使用率５０％）の溶接トランス８と６００Ｖで最大２００Ａのインバータ回路７を使用して直径２０ｍｍの軟鋼丸棒からなる被溶接部材１５ａ，１５ｂを接合した場合の具体例について説明する。
このときの溶接条件として下記条件を採用した。
電圧波形；方形波
周波数；１００Ｈｚ
溶接トランス８の１次電圧；２８０Ｖ
電極に印加する２次電圧；６．１Ｖ
また、制御条件としては下記条件を採用した。
１次電流指令値Ｉｒｅｆ；５５Ａ
電流基準値ＲｅｆＩ；６０Ａ
電圧基準値ＲｅｆＶ１；２Ｖ
電圧基準値ＲｅｆＶ２；３Ｖ
変調率Ｎ０；５０％
変調率Ｎ１；１００％
変調率Ｎ２；０％
変調率Ｎ３；７０％
上記条件でフラッシュ溶接を実施した結果、フラッシュの発生回数は従来のフラッシュ溶接と比べて５０％以上増加し、より安定した連続フラッシュを確保することができた。また、接合した溶接継手は全て１８０度の曲げ試験に耐え、良質な溶接継手を得ることができた。
【００２０】
前記説明では溶接トランス８の１次電流Ｉ１と固定クランプ手段１６ａと移動クランプ手段１６ｂの電極に印加する２次電圧Ｖ２を検出して電気油圧サーボ弁１９やインバータ回路７を制御する場合について説明したが、溶接トランス８の１次電力又は２次電力を検出して電気油圧サーボ弁１９やインバータ回路７を制御しても良い。
【００２１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、溶接トランスの１次電流と、被溶接部材を保持した固定クランプ手段と移動クランプ手段の電極間に印加する２次電圧の状態によりインバータ回路のＰＷＭ制御の変調率を変ようにしたから、半サイクルで数１０回から数１００回の電源オン・オフを行うことができ、高応答の連続フラッシュを発生して、被溶接部材の接合部の溶接継手の品質を向上することができるとともに溶接効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフラッシュ溶接装置の構成図である。
【図２】インバータ回路の構成を示す回路図である。
【図３】インバータ回路の動作を示す波形図である。
【図４】インバータ回路の出力を示す波形図である。
【図５】インバータ駆動回路の制御を示すフローチャートである。
【図６】溶接トランスの１次電流と２次電流に対するＰＷＭ制御の変調率の変化特性図である。
【符号の説明】
１；フラッシュ溶接装置、２；電源部、３；制御部、４；駆動部、
５；整流器、６；コンデンサ、７；インバータ回路、８；溶接トランス、
９；１次電流検出手段、１０；３相交流電源、１１；ＩＧＢＴ、
１２；パソコン、１３；インバータ駆動回路、１４；比例積分制御部、
１５ａ，１５ｂ；被溶接部材、１６ａ；固定クランプ手段、
１６ｂ；移動クランプ手段、１７；２次電圧検出手段、
１８；油圧シリンダ、１９；電気油圧サーボ弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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