(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に変換する入力側交直変換器と、
この交直変換器からの直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、
このインバータを制御するインバータ制御部と、
前記インバータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、
この変圧器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変換し、母材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、
具備し、前記電極と母材とを短絡させた状態において、前記電極を前記母材から引き離すことによって、前記電極と母材との間にパイロットアークを発生し、このパイロットアークをメインアークに移行させる接触点弧式溶接用の電源装置において、
前記インバータ制御部は、
前記インバータからの高周波電圧の周波数を、第１の周波数と、第１の周波数よりも高い第２の周波数とに可変可能に構成され、前記出力側交直変換器の出力電圧を検出する電圧検出器を有し、前記電極と前記母材との短絡状態及び前記パイロットアーク発生状態において前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第２の周波数に制御し、前記パイロットアークの発生状態において前記電極と前記母材との引き離しが進行し、前記電圧検出器によって前記出力側交直変換器の出力電圧が前記メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇したことが検出されたとき、前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第１の周波数に制御する
溶接用電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の溶接用電源装置において、前記第２の周波数が、３０ＫＨｚ以上であることを特徴とする溶接用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接用電源装置に関し、特に母材と電極とを接触させた状態から、電極と母材とを離して、両者の間にアークを発生させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接用電源装置には、小型軽量化のため、インバータを使用するものがある。例えば、交流電圧を入力側交直変換器によって直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータによって高周波電圧に変換し、この高周波電圧を変圧器によって変圧し、変圧された高周波電圧を出力側交直変換器によって直流電圧に再変換し、この再変換された直流電圧を、母材と電極との間に印加する。インバータの使用によって、変圧器や、出力側交直変換器に使用されている平滑用のリアクトルに小型のものを使用でき、溶接用電源装置も小型化することができる。
【０００３】
例えば、図３に示すように、電源入力端子１ａ乃至１ｃに供給された商用交流電圧が入力側整流器２によって整流され、この整流電圧が平滑用コンデンサ３によって平滑され、直流電圧に変換される。入力側整流器２及び平滑用コンデンサ３は、入力側交直変換器として機能する。この直流電圧は、ＩＧＢＴ、電力用ＦＥＴまたは電力用バイポーラトランジスタ４ａ、４ｂ等の半導体スイッチング素子を含むインバータ４によって高周波電圧に変換される。この高周波電圧は、変圧器５に供給されて、変圧される。この変圧された高周波電圧は、出力側整流器６ａ、６ｂによって整流され、平滑用リアクトル７によって平滑され、直流電圧に変換される。出力側整流器６ａ、６ｂと平滑用リアクトル７は、出力側交直変換器として機能する。この直流電圧は、出力端子８ａ、８ｂを介して電極９と母材１０とからなる溶接負荷１１に供給される。
【０００４】
母材１０とトーチ９に流れる出力電流は、電流検出器２１によって検出され、その電流検出信号が誤差増幅器２２に供給されている。また、誤差増幅器２２には、切替器２４を介して基準信号源２３ａまたは２３ｂから基準信号が供給され、基準信号と電流検出信号との誤差を表わす誤差信号がインバータドライブ２６に供給されている。ドライブ２６には、鋸歯状波発生器２５から数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚの周波数の鋸歯状波も供給されており、ドライブ２６は、誤差信号と鋸歯状波とを比較し、数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚの周波数のＰＷＭ信号をインバータ４に供給し、インバータ４を制御する。出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が電圧検出器２７によって検出され、予め定めた値、例えばメインアーク発生に充分な電圧以上の電圧が発生すると、電圧検出器２７が切替指令信号を切替器２４に供給し、切替器２４が、基準信号源２３ａから基準信号源２３ｂからのものに基準信号を切替えている。電流検出器２１、誤差増幅器２２、基準信号源２３ａ、２３ｂ、切替器２４、鋸歯状波発生器２５、ドライブ２６が定電流制御するインバータ制御部として機能する。
【０００５】
この溶接電源を例えばスタッド溶接に用いる場合、図４（ａ）に示すように電極としてスタッドが用いられる。溶接開始時には、スタッド９と母材１０とが接触しており、切替器２４によって基準信号源２３ａが選択されており、この基準信号源２３ａからの基準信号に基づいて、スタッド９と母材１０との間には、図４（ｂ）に示すように、矢印方向に定電流制御された十数Ａの直流の小電流が供給されている。
【０００６】
この状態でスタッド９を引き上げて、スタッド９と母材１０との引き離しを開始すると、図４（ｃ）に示すように、スタッド９と母材１０との間にパイロットアークＡｐが発生する。このパイロットアークＡｐの発生により、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が上昇する。このとき、スタッド９と母材１０との間には短絡時と同じ定電流制御された小電流のパイロット電流が流れている。更に、スタッド９を母材１０から引き離していくと、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が上昇し、ついにはメインアーク発生に充分な電圧となり、出力電圧検出器２７が切替指令信号を発生し、切替器２４が基準信号源２３ｂからの基準信号を誤差増幅器２２ａに供給する。これによって、基準信号源２３ｂの基準信号に応じた、例えば定電流制御された数百乃至数千Ａの大電流が、母材１０とスタッド９との間に流れ、図４（ｄ）に示すようにメインアークＡｍが発生する。
【０００７】
このメインアークＡｍの熱によって母材１０とスタッド９とが溶融する。そして、スタッド９が母材１０側に押し下げられ、図４（ｅ）に示すようにスタッド９が母材１０に溶着される。このとき、スタッド９と母材１０との間の電流が適当な大きさになるように設定されたタイミングで、インバータ４の駆動を停止し、出力端子８ａ、８ｂからの直流の供給を停止する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように接触点弧式のものでは、図４（ｂ）に示すように、スタッド９と母材１０とが短絡している場合及びパイロットアークが発生している場合、スタッド９と母材１０とに流れる電流は、図５に示すように山点と谷点との差が大きいリップルを有している。これは、鋸歯状波発生器２５の発振周波数が数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚと比較的低い周波数とされているからである。このような低い周波数が選択されているのは、メインアークＡｍが発生しているときに、高い周波数とするとインバータ４のＩＧＢＴ４ａ、４ｂでのスイッチング損失が増加し、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂを損傷する恐れがあるからである。
【０００９】
このように山点と谷点との差が大きいリップルを有する電流が、スタッド９と母材１０とに流れているので、谷点のときに、図５（ｃ）に示すようにスタッド９の引き上げが開始されると、パイロットアークが発生せず、アーク切れを生じることがあった。また、パイロットアークの発生時、パイロットアーク電流は小電流のため、電流リップルの谷が０Ａまたはその近くまで低下することがあるので、パイロットアークの発生時にアーク切れが生じることがあった。例えば、スタッド９と母材１０とに１０Ａの電流を流しているとき、複数回にわたってアークスタートの実験を行った場合の７０パーセントは、アーク切れが生じていた。
【００１０】
本発明は、接触点弧式によってアークを発生させる場合に、アーク切れが生じにくい溶接用電源装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明による溶接用電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する入力側交直変換器と、この交直変換器からの直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御部と、前記インバータからの高周波電圧を変圧する変圧器と、この変圧器からの変圧された高周波電圧を直流電圧に変換し、母材と電極とに供給する出力側交直変換器とを、具備し、前記電極と母材とを短絡させた状態において、前記電極を前記母材から引き離して前記電極と母材との間にパイロットアークを発生し、このパイロットアークをメインアークに移行させる接触点弧式溶接用のものである。前記インバータ制御部は、前記インバータからの高周波電圧の周波数を、第１の周波数と、第１の周波数よりも高い第２の周波数とに可変可能に構成され、前記出力側交直変換器の出力電圧を検出する電圧検出器を有し、前記電極と前記母材との短絡状態及び前記パイロットアーク発生状態において前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第２の周波数に制御し、前記パイロットアークの発生状態において前記電極と前記母材との引き離しが進行し、前記電圧検出器によって前記出力側交直変換器の出力電圧が前記メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇したことが検出されたとき、前記インバータの高周波電圧の周波数を前記第１の周波数に制御する。
【００１２】
インバータ制御部は、例えば前記インバータの高周波電圧の周波数を規定する周波数基準信号、例えば鋸歯状波信号を発生する基準信号発生器を備えることができる。この基準信号発生器は、その周波数基準信号の周波数を第１の周波数と第２の周波数との間で可変できる。
【００１３】
この溶接用電源装置では、母材と電極との少なくとも短絡状態において、高い周波数の高周波電圧をインバータが発生しており、電極と母材とに供給される電流の山点と谷点との差は小さい。従って、この状態から電極と母材と引き離すと、たとえ谷点で電極と母材との引き離しが開始されたとしても、両者の間に良好にパイロットアークが発生し、アーク切れは発生しない。
【００１４】
前記電極と母材との少なくとも短絡状態における前記インバータの高周波電圧周波数は、３０kHz 以上に選択することができる。この場合、メインアーク発生時のインバータの高周波電圧の周波数は、上述したように数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚである。即ち、少なくとも短絡時の周波数は、アーク発生時の周波数の約２倍以上の周波数である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施の形態の溶接用電源装置は、図１に示すように構成されている。図３に示した従来の溶接用電源装置と同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１６】
図３の溶接用電源装置と、図１の溶接用電源装置とにおける相違点は、鋸歯状波発生器２５ａが、その発振周波数を可変できる点にある。この発振周波数は、メインアーク発生時用として上述したように数ｋＨｚ乃至十数ｋＨｚであり、短絡時用及びパイロットアーク発生時用として３０ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚである。この発振周波数の切替は、パイロットアークが発生した後、さらにスタッド９が引き離されて、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が上昇し、メインアークの発生に充分な値以上の電圧が出力端子８ａ、８ｂ間に発生したときに、電圧検出器２７が発生する切替指令信号によって行われる。即ち、基準信号源２３ａ、２３ｂの切替と同期して、鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数の切替が行われる。
【００１７】
このように構成された溶接用電源装置において、スタッド溶接を行う場合、スタッド９と母材１０とを短絡させた状態において、基準信号源２３ａが使用され、鋸歯状波発生器２５ａは、上述した３０ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚの周波数の鋸歯状波を発生している。このとき、スタッド９と母材１０との間には約１０Ａの定電流が流れるが、この電流に含まれているリップルの山点と谷点との差は、図２に示すように、図５に示す低い周波数の場合よりも小さい。これは、インバータ４の発振周波数が高いので、インバータ４のＩＧＢＴ４ａ、４ｂが導通している期間が、インバータ４の発振周波数が低いときよりも短く、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂの最大電流（ＩＧＢＴ４ａ、４ｂが導通状態から非導通状態に切り替わる時点の電流）と最小電流（ＩＧＢＴ４ａ、４ｂが非導通状態から導通状態に切り替わる時点の電流）との差が小さくなるからである。従って、たとえ出力電流の谷点においてスタッド９が引き上げられても、良好にパイロットアークＡｐが発生し、アーク切れは生じない。パイロットアークＡｐが発生し、スタッド９と母材１０との距離が短いと、短絡時と同じ約１０Ａの定電流がスタッド９と母材１０との間に流れている。従って、パイロットアークの発生後、スタッド９が更に引き上げられていっても、アーク切れは生じない。
【００１８】
パイロットアークＡｐが発生し、スタッド９が更に引き上げられて、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧が、メインアーク発生に充分な電圧にまで上昇すると、これを電圧検出器２７が検出し、切替指令信号を切替器２４と鋸歯状波発生器２５ａに供給するので、基準信号源２３ｂからの基準信号が誤差増幅器２２に供給され、かつ鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数が低い周波数に切替えられる。これによって、スタッド９と母材１０とを流れる電流が大きくなり、メインアークＡｍが発生する。また、メインアークＡｍの発生後には、鋸歯状波の周波数が低くされているので、インバータ４のＩＧＢＴ４ａ、４ｂでのスイッチング損失が大きくなることがなく、ＩＧＢＴ４ａ、４ｂの損傷を防止できる。
【００１９】
例えば、鋸歯状波発生器２５ａの短絡時の周波数を５０ｋＨｚとし、スタッド９と母材１０とに１０Ａの電流を流したとき、全アークスタートが正常に動作し、パイロットアークが発生し、パイロットアークからメインアークへの移行が完全に行われた。また基準信号発生器２５ａの短絡時の周波数を３０ｋＨｚとし、スタッド９と母材１０とに１０Ａの電流を流したとき、全アークスタートの９５パーセントがアークスタートした。また、基準信号発生器２５ａの短絡時の周波数を２０ｋＨｚとし、スタッド９と母材１０との間に１０Ａの電流を流したとき、全アークスタートの８５パーセント乃至９０パーセントがアークスタートした。これらの例から明らかなように、短絡時の周波数を３０ｋＨｚ以上とすると、殆どアーク切れが生じることがない。
【００２０】
なお、上記の実施の形態では、パイロットアークが発生した後、出力端子８ａ、８ｂ間の電圧がメインアークの発生に適した電圧にまで上昇したとき、インバータ４の周波数を低い周波数に切替えたが、短絡状態からパイロットアークの発生状態に移行した後、メインアークの発生に適した電圧にまだ上昇していない状態で、鋸歯状波発生器２５ａの発振周波数の切換を行うこともできる。この場合、電圧検出器２７とは別個に、電圧検出器２７が検出信号を発生する電圧よりも低いが、短絡状態よりも高く予め定めた電圧が出力端子８ａ、８ｂ間に発生したときに、切替信号を鋸歯状波発生器２５ａに供給する電圧検出器を設ければよい。
【００２１】
また、上記の実施の形態では、この溶接用電源装置をスタッド溶接に実施したが、起動時に電極と母材とを短絡させ、その後に電極を引き上げる接触点弧式のものであれば、例えばＴＩＧ溶接にも実施することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明による溶接用電源装置では、電極と母材との少なくとも短絡状態において、インバータの周波数を高くしているので、アーク切れが生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態の溶接用電源装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接用電源装置において電極と母材との接触状態でこれらの間に流れる電流の波形図である。
【図３】従来の溶接用電源装置のブロック図である。
【図４】図３の溶接用電源装置を使用したスタッド溶接の説明図である。
【図５】図３の溶接用電源装置において電極と母材との接触でこれらの間に流れる電流の波形図である。
【符号の説明】
２  入力側整流器（入力側交直変換器）
３  平滑コンデンサ（入力側交直変換器）
４  インバータ
５  変圧器
６ａ、６ｂ  出力側整流器（出力側交直変換器）
７  平滑リアクトル（出力側交直変換器）
９  電極
１０  母材
２１  電流検出器（インバータ制御部）
２２  誤差増幅器（インバータ制御部）
２３ａ、２３ｂ  基準信号源（インバータ制御部）
２４  切替器（インバータ制御部）
２５ａ  鋸歯状波発生器（インバータ制御部）
２６  ドライブ回路（インバータ制御部）
【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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