(57)【要約】      （修正有）【課題】多アーク溶接の各電極と直列の誘導性リアクタンスを用いることにより、１つのアークの短絡によって残りのアークを直ちに消すことのないシステムと方法を提供する。【解決手段】各電極が単一の電源によって駆動される、それぞれ第１及び第２電極と共通の工作物との間の第１及び第２アークを用いる溶接システムであって、第１電極と直列に接続された第１インダクタ、第２電極と直列に接続された第２インダクタをもち、前記各インダクタが、１つの電極に実質的に電流を流さずにある所定時間、当該電極に係るアークを維持するために必要なエネルギーを貯えるのに十分な誘導性リアクタンスを有する溶接システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各電極が単一の電源によって駆動される、それぞれ第１及び第２電極と共通の工作物との間の第１及び第２アークを用いる溶接システムであって、第１電極と直列に接続された第１インダクタ、第２電極と直列に接続された第２インダクタをもち、前記各インダクタが、１つの電極に実質的に電流を流さずにある所定時間、当該電極に係るアークを維持するために必要なエネルギーを貯えるのに十分な誘導性リアクタンスを有することを特徴とする溶接システム。
【請求項２】
前記所定時間が１．０ｍｓ〜１０．０ｍｓの範囲にある請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記所定時間が４．０ｍｓ〜６．０ｍｓの範囲にある請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記各インダクタが前記所定時間を制御するためのパラメータをもつコアを有する請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記インダクタが、共通コア内に逆向きの磁束を生じさせる巻き極性を有して、共通コア上に巻かれている請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記各インダクタが実質的に同一巻数を有して巻かれている請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記インダクタが電源から離れて位置し、電源からインダクタへの共通の電力リードを有する請求項２記載のシステム。
【請求項８】
前記共通の電力リード内を流れる電流を検知するための電流素子を有する請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記検知された電流の値を表す信号を電源に送るための電流フィードバック・ループを有する請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記共通の電力リードと電源の基準点との間の電圧を検知するための電圧素子を有する請求項７記載のシステム。
【請求項１１】
前記検知された電圧の値を表す信号を電源に送るための電圧フィードバック・ループを有する請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記共通の電力リードと電源の基準点との間の電圧を検知するための電圧素子を有する請求項２９記載のシステム。
【請求項１３】
前記検知された電圧の値を表す信号を電源に送るための電圧フィードバック・ループを有する請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記共通の電力リードと電源の基準点との間の電圧を検知するための電圧素子を有する請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
前記検知された電圧の値を表す信号を電源に送るための電圧フィードバック・ループを有する請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記インダクタが電源から離れて位置し、電源からインダクタへの共通の電力リードを有する請求項１記載のシステム。
【請求項１７】
前記共通の電力リード内を流れる電流を検知するための電流素子を有する請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記検知された電流の値を表す信号を電源に送るための電流フィードバック・ループを有する請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記共通の電力リードと電源の基準点との間の電圧を検知するための電圧素子を有する請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記検知された電圧の値を表す信号を電源に送るための電圧フィードバック・ループを有する請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記共通の電力リードと電源の基準点との間の電圧を検知するための電圧素子を有する請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記検知された電圧の値を表す信号を電源に送るための電圧フィードバック・ループを有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記インダクタが電源に隣接して装着されている請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項２４】
少なくとも１つの付加アークを１つの付加電極と前記共通の工作物との間に有し、前記付加電極も、前記単一の電源及び当該付加電極と直列の電流制限（維持）インダクタによって駆動される請求項５記載のシステム。
【請求項２５】
前記電流制限（維持）インダクタが、少なくとも一部に、前記第１・第２インダクタの一方を含む請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
少なくとも１つの付加アークを１つの付加電極と前記共通の工作物との間に有し、前記付加電極も、前記単一の電源及び当該付加電極と直列の電流制限（維持）インダクタによって駆動される請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項２７】
前記電流制限（維持）インダクタが、少なくとも一部に、前記第１・第２インダクタの一方を含む請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
１つの付加アークを１つの付加電極と前記共通の工作物との間に有し、前記付加電極も、前記単一の電源及び当該付加電極と直列の少なくとも１つのインダクタによって駆動される請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１及び第２インダクタの少なくとも一方が、２以上のコイルを有する請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１・第２インダクタの双方が、２以上のコイルを有する請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
各電極が単一の電源からの前記電力リードによって駆動される、それぞれ第１及び第２電極と共通の工作物との間の第１及び第２アークを有する溶接システムであって、コア、中央タップ、第１端、第２端、前記中央タップと第１端との間にある第１コイル部、及び前記中央タップと第２端との間にある第２コイル部を有するインダクタ、前記中央タップにつながれた電力リード、第１アークを第１コイルと直列につなぐ第１回路、及び第２アークを第２コイル部と直列につなぐ第２回路を有することを特徴とする溶接システム。
【請求項３２】
各コイルが、１つの電極に実質的に電流を流さずにある所定時間、当該電極に係るアークを維持するために必要なエネルギーを貯えるためのインダクタンスを有する請求項３１記載のシステム。
【請求項３３】
前記所定時間が１．０ｍｓ〜１０．０ｍｓの範囲にある請求項３２記載のシステム。
【請求項３４】
前記コイルが実質的に同一の巻数を有する請求項３１〜３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１端につながれた中央タップ、第１及び第２アークの一方と直列の第１コイル、及び第３電極と工作物の間に第３アークを作るための第３電極につながれた第２端を有する第２中央タップ・インダクタを含む請求項３１〜３４のいずれかに記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１端につながれた中央タップ、第１及び第２アークの一方と直列の第１コイル、及び第４電極と工作物の間に第４アークを作るための第４電極につながれた第２端を有する第３中央タップ・インダクタを含む請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
前記コイルが実質的に同一巻数を有する請求項３６記載のシステム。
【請求項３８】
第１及び第２アークが単一の電源からの電流によって生じる、それぞれ第１及び第２電極と共通の工作物の間の第１及び第２アークを用いた溶接システムであって、前記第１電極と直列につながれた第１電流維持インダタ、及び第２電極と直列につながれた第２電流維持インダクタを有することにより、第１アークの短絡によって少なくとも１．０ｍｓを超える時間第２アークを消すことのないことを特徴とする溶接システム。
【請求項３９】
前記時間が１．０ｍｓ〜１０．０ｍｓの範囲にある請求項３８記載のシステム。
【請求項４０】
前記時間が４．０ｍｓ〜６．０ｍｓの範囲にある請求項３８記載のシステム。
【請求項４１】
前記インダクタが共通コア内に逆向きの磁束を生じさせるために巻き極性を有して共通コア上に巻かれている請求項３８記載のシステム。
【請求項４２】
前記各インダクタが実質的に同一の巻数を有して巻かれている請求項３８記載のシステム。
【請求項４３】
（ａ）与えられた工作物に対して溶接パス内に一致して電極を動かし、
（ｂ）単一の電源から前記電極に電流を流し、そして
（ｃ）前記電極の各々と直列に誘導性リアクタンスを挿入して、前記電源から電極のいずれか１つに減少電流が流れるとき、ある所定時間、アークを維持するステップからなることを特徴とする少なくとも２つの個別のアーク形成電極と工作物を用いるアーク溶接方法。
【請求項４４】
前記工作物が２つの金属片の間の開ルートである請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記電源がインバータで、前記電流が約１８ｋＨｚよりも高い周波数で発生する一連の電流パルスによって作られる請求項４３又は４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記アーク溶接が自動プロセスによって行われる請求項４３〜４５のいずれかに記載の方法。
【請求項４７】
前記アーク溶接電流が交流電流である請求項４３〜４６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明電気アーク溶接の分野に関し、さらに詳しくは、多アークを用いた直流又は交流溶接のためのシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パイプ部の電気アーク溶接は一般に、自動溶接操作を伴い、２つのパイプ部（以下、工作物という）の間のパスに沿って２つ以上の電極が一致して動く。第１電極は溶けてビーズとなり、パイプ部の間の根隙（ｒｏｏｔ  ｇａｐ）を埋める。次の電極は溶けてパイプ部の隙を埋めるため連続層内に溶融金属を堆積することにより、溶接パイプ接合を完成させる。自動溶接操作において多アークを生じさせるために多電極を使うことは、縦列配列されて一致して動く各電極に対してそれぞれ個別の電源の使用を伴う。このよく知られた技術は、本発明の背景情報としての参考文献である特許文献１等のいつくかの特許に含まれる。各電極と工作物の間にアークを駆動させるためにそれぞれ個別の電源を使うことにより、各アークはその割り当てられた電源によって独立に制御される。本発明は中央タップ・チョークを用いるシステムに関するものであり、これは米国オハイオ州グリーブランドのリンカーン電気社がよく用いる素子であり、特許文献２等の特許に開示されている。特許文献１及び特許文献２は、本発明がそれに導かれる現存する技術を示し、本発明の好ましい実施態様において用いられる素子を示している。従って、従来技術の縦列操作電極の詳細や中央タップ・チョークの詳細を述べる必要がない。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，２０７，９２４号
【特許文献２】米国特許第６，０５１，８１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
縦列配置電極を有する自動溶接のような多アークを用いるとき、アークを作るために用いる各電極に対してそれぞれ個別に電源を使うことが一般に実用になった。このようなシステム及び方法は高価であり、特に溶接操作の間パイプの周りをそれらの電源を動かさなければならないときには、相当な空間と重量を要する。２以上のアークを用いた自動溶接に対してコストと重量を減らすため、単電源が提案された。それは、電源内部に装着されたチョーク（コイル）が、特にアークの１つが不注意で短絡したときに、流れる電流の量を制限するものである。これにより過電流問題は解決するが、もっと基本的な問題がある。アークの１つに短絡が生じると、電源からチョークへの全電流が、その短絡した電極に導かれる。従って、他の電極に関係するアークが消えるので、短絡解除後は、アークを再開しなければならない。この問題を緩和するため、縦列電極配置をしばしばスプレー・モードで操作して不注意による短絡を最小化し、それによって１つのアークの短絡が他のすべてのアークを消すという問題をなくすようにされた。この解決法は、縦列電極すなわち自動溶接プロセスを用いる溶接操作の多用途性（ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ）を大いに減じてしまう。
【０００５】
本発明の第１の目的は、多アーク溶接の各電極と直列の誘導性リアクタンスを用いることにより、１つのアークの短絡によって他の（残りの）アークを直ちに消すことのないシステムと方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、自動溶接プロセスにおいて一致して動く一連の電極を駆動するための標準電源上で容易に使い得る上記システムと方法を提供することにある。
【０００６】
さらに本発明の他の目的は、２以上の並列アークを伴う溶接プロセスに対して単一の電源を使い得る上記システムと方法を提供することにある。
さらに他の本発明の目的は、直流及び交流双方の電流を有するさまざまな溶接プロセスにおいて使い得る上記システムと方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、多アークを用いたアーク溶接システム及び方法からなり、プロセスはスプレー溶接に限定されないが、１つのアークの短絡によって一連の縦列配置電極における他のアークが消されない。本発明によれば、それぞれ第１、第２電極と全電極に共通の工作物との間に架けられる第１、第２アークを用いて溶接するためのシステムが提供される。共通の工作物は、第１、第２電極が一致して動くとき続いて溶けることによって接合されるパイプ部に置かれる。このシステムにおいて、電極は単電源によって駆動され、第１インダクタが第１電極と直列に接続され、第２インダクタが第２電極と直列に接続される。これらのインダクタは、単一部分あるいはいくつかのインダクタを含むことができ、十分な誘導性リアクタンスを有して、この１つの電極に実質的に電流を流すことなく所定時間、その電極に関わるアークを維持するのに十分なエネルギーを貯えることができる。このようにして、１つの電極が工作物に対して短絡すると、他のアークは、そのインダクタ又は各電極と直列のインダクタの誘導性リアクタンスによって決まる時間だけ維持される。好ましいアーク維持時間は、一般に１．０ｍｓから１０．０ｍｓの範囲であり、より好ましくは４．０ｍｓから６．０ｍｓの範囲にある。本発明の他の面によれば、分離アークに対するインダクタは、米国特許第６，０５１，８１０号に一般に示されているタイプの中央タップ・チョークの形に単一コア又は普通コア上に巻かれている。
【０００８】
本発明の他の面によれば、各電極は１又は２以上のインダクタと直列であり、その２以上のインダクタは中央タップ・チョークの各部分である。２以上の中央タップ・チョークを使うことにより、樹形に配置された１又は２以上の中央タップ・チョークに、いくつかのインダクタが単電源によって直列インダクタと共に駆動され得る。
【０００９】
本発明のさらに別の面によれば、付加的な電極と工作物の間に付加的なアークが作られる。この付加電極は、同一の単電源によって駆動され、付加電極と直列にアーク維持インダクタを有している。すなわち、いくつかの電極は縦列に装着され、各電極と直列の誘導性リアクタンスを有する単電源によって作動されて、他の電極の１つが短絡したときにアークを維持する。
【００１０】
本発明の他の面によれば、パイプ部の両端であり得る工作物と共にアークを形成する少なくとも２つの別個の電極を用いたアーク溶接方法を提供する。この方法は、電極を工作物に対して溶接パス内に一致して動かし、単電源から電極に電流を流し、電極の１つと工作物の間に短絡が生じたときのような減少電流が電源から電極の１つに流されるとき、ある所定時間アークを維持するために各電極と直列に誘導性リアクタンスを挿入するステップからなっている。この方法の他の面は、溶接電流がインバータから供給され、その電流が約１８ｋＨｚよりも高い周波数で生じる一連の電流パルスによって生じることである。この方法は、好ましくは自動溶接方法であって、そのため電極は一致して動き、溶接電流は直流電流又は交流電流のいずれかである。
【００１１】
１つのアークが短絡し、それにより他のアークを消すことによって生じた不首尾の溶接を最小限に押えるため、本発明は、各アークと直列に１又は２以上の部分の形でインダクタを提供する。これらのインダクタ部分は、各アークと直列の誘導性リアクタンスが十分なエネルギーを貯えてインダクタ部分が接続される電極の端にアークを維持するように、適切なコア材料、空隙、断面積及び導体巻数をもってコア上に巻かれる。これらのインダクタは、アークを約１．０〜１０．０ｍｓ、好ましくは４．０〜６．０ｍｓの間維持するのに十分なエネルギーを供給する大きさである。この時間は、短絡は一般に５．０ｍｓ未満しか続かないという溶接プロセスにおける経験的な通常の短絡時間に基づいている。電極と並列の個々のインダクタは、種々の短絡時間を調整する大きさである。「インダクタ」という術語は、直列の１又は２以上のコイルを意味する。
【００１２】
各アークと直列の個々のインダクタという概念は、本発明の好ましい実施態様によれば、中央タップ・インダクタ（時々「チョーク」と呼ばれる）を用いることによって、もっと簡単にできる。電源は中央タップに接続され、インダクタの各巻はアーク又は次の中央タップ・インダクタ（チョーク）に接続されて、１又は２以上のインダクタを各アークと直列に挿入する。中央タップ・チョークが各コイル部と共に使われると、その中央タップ及び１つの巻を通ってアークに流れる電流は、コア内のフラックスを最小化するようになりやすい。電流が中央タップ及び反対側の巻（コイル）を通って流れると、コア内のそのフラックスは帳消しにされる。このフラックス帳消し効果がある故に、個別のチョーク（インダクタ）の代りに、中央タップ・チョークを好ましく用いるのである。中央タップ・チョーク及び平衡のとれた数のアークを用いることにより、同様の電流が各コイル部を流れる通常の溶接作動中、コアはほとんど平衡を保っている。従って、個別のコアをもつ個々のインダクタを用いるだけの発明と比較すると、より小さなコアが中央タップ・チョークには要求される。
【００１３】
本発明は、ＭＩＧ、ＴＩＧ、パルス溶接、交流溶接及び液浸（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ）アーク溶接に対して用いられる。個々の短絡の発生がいくぶん稀なので、スプレー溶接に対してメリットが少ない。本発明の一面によれば、フィードバック電流又はフィードバック電圧が、電源の制御のために用いられる。電流フィードバック動作において、分流器が中央タップに取り付けられた導体と直列に置かれ、信号が電源制御回路にフィードバックされて、中央タップ・インダクタを通る所定の電流を維持する。定電圧（フィードバック）制御を使うと、中央タップ・インダクタと工作物との間の電圧が電源制御回路にフィードバックされて、定電圧を維持する。これらのフィードバック回路において、アーク維持インダクタが本発明で使われる前に電圧と電流が検知される。従って、インダクタは電源から離れたネットワークとして装置できる。すなわち、インダクタを電極に隣接できるので、個々の電極に導かれる電力によって、より小さな誘導性リアクタンスが生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
特許文献１においては、２つの縦列電極が一致して動き、個別の電源によって駆動されている。このようなシステムを従来技術として図１に示す。図１において、縦列電極１０、１２が工作物１４とともに並列のアークを作り、それぞれ第１電源２０及び第２電源２２に接続されている。リード線２４、２６によってこれらの電源が、パイプ部の２つの離れた端部であり得る工作物に接続されている。本発明は、単電極によって駆動される電極１０、１２のような少なくとも２つの電極を使う溶接プロセスを含む。過去、多アーク用単電源を用いるシステムは、図２に示すチョーク３０をしばしば含んでいた。このチョークは、電極１０、１２の並列アークに接続されて、電極１０、１２の１つが短絡したとき、電流を制限していた。しかし、この共通チョークは、アークの１つが短絡したときアークを消すことができなかった。従って、短絡によって溶接プロセスに混乱が生じ、複雑な復帰技術を要した。この問題を解決するため、本発明は図２に示すように、出力端子３２、３４で表す単電源を回路４０によって電極１０、１２に接続している。個々の（直列の）インダクタ４２、４４は、コア材料、空隙、断面積及び導体巻数によって制御される誘導性リアクタンスを有する。これらの誘導性リアクタンスは、それぞれアークＡ１、Ａ２と直列になっている。こうして、十分なエネルギーがインダクタ内に貯えられて、実質的に電流が電極に流れなくても、ある所定時間、電極の１つに関するアークの１つを維持する。アークの１つが工作物１４に短絡したとき、この電流迂回が生じる。回路４０は、本発明の最も広い面を構成する。すなわち、あるアークが短絡すると、インダクタ４２、４４が残りのアークを維持するための誘導性リアクタンスを有する。標準的技術によれば、インダクタ（すなわち、誘導性リアクタンス）４２、４４はそれぞれコイル５０、６０及び中心コア（鉄心）５２、６２を備えている。これらのインダクタは、しばしば「チョーク」と呼ばれて、溶接の間、電流を制限するために用いられる。本発明において、チョーク（インダクタ、リアクタ）は、電流がほとんどなくなったとき、アーク（すなわち、プラズマ）にその貯えた電流を供給するために用いられる。図２Ａに示すように、コア５２の断面積は、幅ａ×高さｂである。この断面積ａｂは、巻数及びコア材料と共に、十分な誘導性リアクタンスを与えて、少なくとも１．０ｍｓ間、好ましくは４．０〜６．０ｍｓ間、アークを保つ。本発明の実施において、誘導性リアクタンスは、アークＡ１又はＡ２の一方が短絡したとき、他方のアークを約５．０ｍｓから保つ大きさである。回路４０は、アークＡ１、Ａ２の一方が短絡したとき、他方を保つ。図２のわずかな変形例を図３に示す。図３において、回路４０’はコイル７０ａ、７２ａ及びコア７０ｂ、７２ｂをそれぞれ有するインダクタ７０、７２を含んでいる。この実施例では、コアは８０で示すように相互結合されたトランス（変圧器）である。こうして、リード線３２はそれぞれインダクタ７０、７２に接続されるリード線３２ａ、３２ｂに枝分れしている。コイル７０ａ、７２ａを通る電流によって生じるコア・フラックス（磁束）は、回路４０’の通常の動作の間、逆向き���ので相殺される。図３の実施例よりも、図４の本発明の好ましい実施例によって得られる効果の方が、一層よい効果を与える。
【００１５】
図４において、回路Ａは、リード線３２につながった（中央の）タップ１０２、端１０４、端１０６、及び単一コア（鉄心）１２０上に巻かれたコイル（すなわち、インダクタ部）１１０、１１２を有する中央タップ・チョーク（インダクタ）１００を含んでいる。このチョークは、それぞれ電極１０、１２と直列につながれた出力リード１３０、１３２を有している。もちろん、電極は、通常リールから供給される中空又は中実の溶接ワイヤであり、リード１３０、１３２から溶接電流を送られる。この実施例において、コイル１１０、１１２は同一巻数なので、コア１２０内のフラックス（磁束）は一般に相殺される。コア１２０の断面積は、幅ｘ×高さｙである。図２の個々のインダクタの代りに、図４の中央タップ・チョーク（インダクタ）を使うことにより、コア１２０の大きさ、すなわち断面積ｘｙは、コア５２の断面積ａｂよりもはるかに小さくなり得る（ｘｙ＜＜ａｂ）。実際には、少なくとも５０％、コアの断面積を小さくできる。同一のアーク維持エネルギーを得るのに必要な、このコア断面積の縮小は、単に個々のインダクタを使うことに対する中央タップ・チョークを使うことの効果である。この中央タップ・チョークを使うということができるという点が、図２に広範に示し図４に正確に示した本発明の効果である。アークＡ１又はＡ２における短絡によって、他のアークは消されない。電極１０、１２と直列のチョーク１００の誘導性リアクタンスが、短絡していない方のアークを維持する。本発明を２つの並列のアークを用いて説明しているが、さらに多くのアークの使用にも本発明を適用できる。こうして、本発明は、単電源によって駆動されるどんな数の多アークも取り入れられる第１・第２アークとして幅広く定義される。
【００１６】
図５に、本発明の実用的な実施例を示す。図５において、単電源２００によって駆動される電極１０、１２により溶かされ満たされる分離溝２０６を有するパイプ部分２０２及び２０４が、電源２００を用いて共に溶接される。電極１０、１２は一致して、自動的に溝２０６の周りを動くので、その溶接金属が溝２０６内に導かれる。すなわち、２つの電極１０、１２からの溶接金属によって、２つのパイプ部分２０２及び２０４が共に（溝２０６において）溶接される。アーク維持インダクタ、すなわち誘導性リアクタンス素子は、インダクタ・ネットワーク２１０内にある。このネットワークは、図３の回路４０’として示したものであるが、図２の回路４０又は図４の回路Ａでもあり得る。電源２００から離れたインダクタ・ネットワーク２１０は、電源２００の端子２１２ａからの入力リード２１２を有する。端子２１４ａは出力リード２１４を介して、２つの離れたパイプ部分２０２、２０４からなる工作物に電気的につながれている。ネットワーク２１０は本発明に従って構成され、２つの出力リード２２０、２２２交流又は直流電流のいずれかを並列の電極１０、１２に流して、これらの電極が一致して動くとき自動溶接を行わせる。ワイヤ・フィーダ２３０、２３２が、それぞれ供給リール（スプール）２３４、２３６から電極ワイヤ１０ａ、１２ａを引っ張り出す。標準の制御技術によれば、回路４０’の接合部（中央タップ）８２につながれた電圧検知リード２４０が、ネットワーク２１０の電圧を電源２００の端子２４０ａに戻して、適正な溶接電圧を維持する。この実施は、回路４０、４０’又はＡを用いてなされる。各電極は単電源と直列の誘導性リアクタンスを有し、一方のアークが瞬間的に短絡した場合でも、他方のアークを正常に保つ。もちろん、２以上の縦列電極が、パイプ溶接にしばしば用いられる。本発明は、さらに別の実施例に示すそのようなシステムにも適用できる。すべての実施例が、図５に示したパイプ溶接プロセスに適用できる。
【００１７】
図６のグラフ３００、３１０及び３１２は、図２（図４）に示した本発明に用いられる電極の電流及び電圧を表している。グラフ３１０は、短絡したアークにかかる電圧である。その短絡したアークをＡ２で表す。電圧３１０ｄは短絡点３１０ａにおいてほとんど０になるまで急減し、時間３１０ｂ、通常５．０ｍｓ間、その０に近い値に保たれる。点３１０ｃにおいて、その短絡したアークに関する電極に流れるアーク電流を上げることにより短絡が除かれる。この通常の短絡除去回路は本発明の一部ではなく、多くの溶接機のよく知られた特性である。要するに、点３１０ａにおいて短絡が発生し、点３１０ｃにおいて短絡が除かれる。電圧３１０ｄの値は、溶接操作の間、一定に制御される。スパイク電圧３１０ｅは、アークＡ２を再開するために急激に短絡が除かれるときに生じる回復スパイクである。グラフ３００は、図４の回路Ａを用いる非短絡アークＡ１の電流を表している。点３１０ａで、電流がアークＡ２に引かれる。その結果、アークＡ１に流れる電流が減り、３００ａから３００ｂに移って直線的に減少し、低い値３００ｃにおいて短絡が除かれる。そのとき、アークＡ１を流れる電流は、３００ａのように回復する。図４のコア１２０の誘導性リアクタンスにより、３００ｂの直線の傾き、値３００ｃのレベル及び３００ｄの形状が制御される。図２のように２つのアーク維持インダクタが別々のコアに巻かれていると、非短絡アークＡ１の電流ＩＡｌは、グラフ３１２のようになる。操作レベルの電流３１２ａは、アークＡ２に短絡が生じると、時定数曲線３１２ｂに沿って減少する。短絡が除かれると、電流は急回復し、時定数曲線３１２ｃに沿って上昇する。双方の例において、アークＡ２が短絡したとき、非短絡アークＡ１を維持するだけの量の残留エネルギーが存在している。図２の実施例においては、電流はレベル３１２ｂまで低下し、これは３００ｃのレベルよりも低い。このより低いレベル３１２ｂは、個々のインダクタのコア間に相互結合がないためである。図６のグラフは、本発明の幅広い面、及び２つのアークＡ１、Ａ２で制御するため中央タップ・チョーク１００を用いた図４の本発明の好ましい実施例の操作特性を示している。
【００１８】
本発明は、単電源によって駆動される並列のアークと直列の誘導性リアクタンスの使用を伴っている。図４の実施例は好ましく、２つのアークＡ１、Ａ２を制御するための回路Ａを有している。図７に回路Ａに付加した例を示す。図７において、回路４００はそれぞれ電極の端４０１、４０２及び４０４と工作物４０６の間にかかる３つの並列のアークＡ３、Ａ４及びＡ５を制御し、出力リード１３０、１３２をもつ中央タップ・チョーク１００を有している。さらなる並列アークを制御するため、回路４００は、中央タップ４１２及び端４１４、４１６をもつ第２中央タップ・チョーク４１０を有している。コイル４２０、４２２は、それぞれ電極（の端）４０１、４０２につながれたリード４４０、４４２上に出力を生じさせるため、単コア４３０上に極性を示す黒点によって示す向きに巻かれている。３つの電極４０１、４０２及び４０４の動作は、図４の電極１０、１２の動作と同じである。しかし、電極４０４と直列の誘導性リアクタンスは、コイル１１０の誘導性リアクタンスを含んでいる。電極４０１と直列の誘導性リアクタンスは、コイル１１２及びコイル４２０を含んでいる。同様に、電極４０２と直列の誘導性リアクタンスはコイル１１２及びコイル４２２の誘導性リアクタンスである。従って、中央タップ・チョーク１００、４１０のコイルは等しく、アークＡ５と直列の誘導性リアクタンスよりも、アークＡ３、Ａ４と直列の誘導性リアクタンスの方が高い。しかし、どのアークの短絡も、非短絡アークにおいてプラズマを維持するため、コイル内の利用可能なエネルギーを活性化しない。２以上のコイル部の使用は、アークと直列のインダクタとしてなお呼ばれる。後述するように、直列の誘導性リアクタンスを有するどんな数の並列アークも、本発明を実施するために用い得る。
【００１９】
すでに説明したように、誘導性リアクタンス素子は、図５のネットワーク２１０のように、電源から離して設けられる。そのようにすると、フィードバック制御がしやすくなる。この効果を図８に示す。図８において、図４の回路Ａが、出力端子４５２、４５４及びフィードバック制御端子４５６を有する単一の電源４５０に接続されている。チョーク１００が電源４５０から離れて装置され、出力リード４６０、４６２によって電源につながれている。出力リード４６０、４６２はフィードバック制御素子を形成し、その１つが、アーク電流を表す信号をもつ出力ライン４７２を有する分流器４７０である。このラインは、誤差アンプ４９０の１つの入力を形成する出力４８６に選択的につながれる電流ピン４８２及び電圧ピン４８４を有する選択スイッチ４８０につながれている。他の入力４９２は、フィードバック電流又はフィードバック電圧に対する参照値であるため、誤差アンプ４９０の出力４９４は制御端子４５６に導かれるレベル（値）を有する。電圧ループは、それぞれリード４６０、４６２にかかる入力５０２、５０４を有するセンサ５００を用いる。このセンサは、選択スイッチ４８２の電圧ピン４８４につながれた出力リード５０６上の溶接電圧を表す信号を生成するため、溶接電圧を測定する。図８に示す位置にあるスイッチを用いて、電流フィードバック・ループが電源４５０を制御するために作られる。スイッチ４８０をピン４８４に移動させることにより、溶接電圧が電源４５０の出力電圧を制御するために使われる。もちろん、スイッチ４８０は通常デジタルであるが、図８にはアナログのように図示している。双方の制御ループは、電源を制御するために、一致して用いられ得る。電源は標準の装置であるが、好ましくは、米国リンカーン電気社が開発した波形技術によって制御される。このタイプの電源において、高速切換インバータが１８ｋＨｚを超える周波数で作動するパルス幅変調器への信号によって制御される波形を有する。このパルス幅変調器の出力によって、端子４５２、４５４間の波形又はパラメータを制御する。こうして、インバータは、端子４５６につながれた制御入力をもつ波形発生器によって作動する。これは溶接産業における標準技術である。
【００２０】
４つの並列アークが、図９に示す回路５５０によって制御される。回路５５０は、図７の回路４００に素子を付加したものである。これらの付加物は、出力１３２につながれている。中央タップ・チョーク５６０が中央タップ５６２及び端５６４、５６６を有するので、コイル５７０、５７２は出力リード５９０、５９２を有する。これらのリードは、それぞれアークＡ６、Ａ７を作るため電極６００、６０２と直列になっている。こうして、回路５５０は３つの中央タップ・チョークを有する。好ましくは、これらすべてのチョークのコイルは同一で、電極４０１、４０２、６００及び６０２と直列の誘導性リアクタンスは実質的に同一である。図９の実施例の動作は、前に説明した。どのアークＡ３、Ａ４、Ａ６及びＡ７における短絡も、他のどのアークも消さない。
【００２１】
図１０〜１２に本発明のいくつかの面を示す。図１０において、ネットワーク２１０に用いられる実際のインダクタ回路の詳細は省いてある。図１０は単に、図８のフィードバック制御構造が、回路４０’が示されている図５のような本発明の好ましい実施態様に取り入れられ得ることを示しているにすぎない。フィードバック制御は、ネットワーク２１０の離れた位置によって与えられるが、必要なら、電源４５０の後に置いてもよい。図１１において、回路７００は電極の７０２、７０４及び７０６を有して、それぞれ工作物７０８との間にアークＡ１０、Ａ１１及びＡ１２を生じる。これらのアークは、電源７２０の出力リード７１０、７１２と直列になっている。各インダクタは、どんな数でも使い得るが、それぞれ個々のインダクタ７３０、７３２及び７３４として与えられている。これらのインダクタは各電極と直列に誘導性リアクタンスを与えるので、各直列回路の誘導性リアクタンスは、その電極に実質的に何も電流を送らずにある所定時間、当該電極に係るアークを維持するのに必要なエネルギーを貯えるのに十分である。その所定時間は一般に１．０〜１０．０ｍｓで、好ましくは４．０〜６．０ｍｓの範囲である。どんな数のアークも回路７００によって制御できる。図１２では電源８００が内部誘導性制御素子を有する。これらの制御素子は、複数の出力端子８０２、８０４、８０６及び８０８を制御するため、電源の内部にある。どんな数の出力端子も、これらの端子と直列の十分な誘導性リアクタンスをもつ内部ネットワークを備えることができ、リード８２０、８２２、８２４及び８２６に接続され得る。これらのリードは、電流を供給して端子８１０につながれた工作物８２８と各電極との間に、並列のアークＡ２０、Ａ２２、Ａ２４及びＡ２６を生じる。どんな数の並列アークも、さまざまな電極における電流を制御するため、直列の誘導性リアクタンスを与える内部回路を有する電源８００の出力において、個々の端子によって与えられ得る。この直列の誘導性リアクタンスによって電流を維持するのであって、電流を制限するものではない。電流の制限は、図２に示したチョーク３０のようなチョークの通常の機能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明が導かれる従来技術の説明図
【図２】本発明の広範囲な面を概略的に説明するための回路図、Ａは図２の２Ａ−２Ａ斜視断面図
【図３】図２に示した本発明の１実施態様で、互いにトランス結合した個々のコアを有する回路図
【図４】中央タップ・チュークを用いた本発明の好ましい実施態様を示す回路図、Ａは図４の４Ａ−４Ａ斜視断面図
【図５】パイプ溶接への応用例を示す本発明の好ましい実施形態の回路図
【図６】図２及び図４に示した本発明の実施態様に関する電流及び電圧のグラフ
【図７】３つの並列アークに対して用いられる本発明の回路図
【図８】電圧・電流制御を有する本発明の好ましい実施態様の回路図
【図９】３つの中央タップ・チョークを用いた４つの並列アークに対する本発明の回路図
【図１０】本発明によるフィードバック制御ループの配列を示す図８と同様の回路図
【図１１】３つの並列アークをもつ本発明の実施態様の回路図
【図１２】４つの並列アークに対する単電源を用いた本発明の実施態様の回路図
【符号の説明】
【００２３】
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２０、
Ａ２１、Ａ２２、Ａ２４、Ａ２６：アーク
１０、１２、４０１、４０２、４０４、６００、６０２、７０２、７０４、
７０６：電極
１４、４０６、７０８、８２８：工作物
４０、４０’、Ａ、４００、５５０、７００：回路
１００、４１０、５６０：中央タップ・チョーク
２００、４５０、７２０、８００：電源
２０２、２０４：パイプ部分
２０６：分離溝
３００、３１０、３１２：グラフ（電流・電圧波形）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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