4 溶接機・電源の発展経過
前述したように（3.1 節参照）
、わが国でのアーク溶接機が製作し、これが国産溶接機の初めとされてい接の始まりは、1904（明治 37）年の三菱・長崎造船る。そして 1925（大正 14）年には、専業メーカとし所での炭素アークによる鋳鋼品の補修である。その時て大阪電気などが登場して、本格的な溶接機の国産化

は自家発電した直流を、水抵抗を使って溶接用に調整時代が始まった。この当時、欧米ではアークの安定性

し、特別な溶接機は使用していなかったようであるに優れ、電撃の危険性も少ない直流溶接機が多用され（図 4.1 参照）。その後、1915（大正 4）年に長崎造船ていた。しかしわが国では、作業者の器用さと価格面

所がスウェーデンのチェルベルヒ社から、1 台で数人の有利さで交流溶接機が主流であった。

の溶接工が使用できる多人数形の電動発電機式直流溶

その後 1935（昭和 10）年頃には可動コイル形の交接機（出力 40kW）を初めて輸入した（図 4.2 参照）。

流溶接機も開発されているが、溶接電流の粗調整はこれより 4 年遅れて大阪製鎖も、英国のコーシー社か

タップ切替で、微調整はハンドル回転の可動コイルでら無負荷電圧 60V の直流溶接機と 100-110V の交流溶行う複合タイプの交流溶接機であったようである。そ接機を輸入している。この二社に限らず、1917（大して 1953（昭和 28）年頃から、変圧器の絶縁塗料に

正 6）年には川崎造船所が米・リンカーン社製溶接機

シリコン・ワニスが使われるようになり、溶接変圧器を 6 台購入している。また 1919（大正 8）年には伊藤の耐熱性が向上した。その結果、それまでは常識で忠商事が米国のエレクトリックアーク・カッティン

あった溶接電源背面の冷却扇は姿を消し、溶接電源のグ・ ア ン ド・ ウ ェ ル デ ィ ン グ 社（Electric Arc

容量も大容量タイプ（定格出力電流 500A）が一般化

Cutting & Welding Co.）から可動コア形交流溶接機した。その間、遠隔操作で電流調整が可能な操作子を輸入し、それを京都大学でテストした。さらに旧国（1952 年頃）や、感電事故を防止する電撃防止装置

鉄小倉工場では米・ゼネラル・エレクトリック社の直（1956 年頃）なども溶接機の機能を高める付属装置と流溶接機（出力 33kW）を使い、機関車部品の肉盛補して開発されている。マグ溶接の普及に従って、1970

修を行っている。

（昭和 45）年頃より交流溶接機は溶接機の生産量トップの座から後退したが、汎用溶接機としての一定の地
位は保っている。
一 方、 初 期 の 直 流 溶 接 に は、 電 動 発 電 機（MG：Motor Generator）式の溶接電源が多く用いられた。
しかし 1955（昭和 30）年頃に、小型で安価なセレン
整流形溶接電源が市販されるようになると、電動発電
機形溶接電源は姿を消すこととなった。次いで 1959
（昭和 34）年頃より、過負荷に弱いセレン整流形溶接

図 4.1

水抵抗器を用いた溶接施工

電源に替わって、シリコン整流形溶接電源が登場した。その後、1969（昭和 44）年にサイリスタ制御の溶接電源が開発され、マグ溶接の普及に伴ってサイリスタ制御電源の適用は拡大したが、1985（昭和 60）
年頃からはインバータ制御溶接電源に主役の座が移っている。以下に、わが国の主なアーク溶接機の発展経過について述べる。

4.1 萌芽期（1900 年代前期）の溶接機
図 4.2

多人数形溶接機

1917（大正 6）年頃のわが国の交流アーク溶接は、
商用交流電源の出力を抵抗またはリアクタンスを介しこのような輸入機時代の 1922（大正 11）年に、米て調整し、それを溶接電流として供給することによっ

国製をモデルした単式交流アーク溶接機を日本電気熔

て行われていた。また、一般電力用変圧器と同様に、アーク溶接技術発展の系統化調査

479

出力電圧を 80V 程度とした変圧器を用い、これに溶続タップや電圧計・電流計が取り付けられていた。溶接作業者の人数分の直列可変リアクトルを並列に接続

接電流の粗調整はタップ切換でコイルの巻数を変化さ

して溶接電流を得る方法も採用されていた。しかし後せることによって行い、微調整は可動コアによる漏洩者の多人数形方式は共通導線中の電圧降下が大きく、磁束の変化を利用して行う。その後、可動コアのハン

1 つのアークが起動するとすでに起動している他の

ドルの位置が電源の上部蓋から前面下部へ、移動用ハ

アークに影響を与えるため、良好な溶接作業は行えな

ンドルが車輪に、大きさ・重量の軽減、冷却扇の省略、

かったようである。

および無負荷電圧の低減と効率の上昇など多少の変更

第 1 次世界大戦が終了した 1919（大正 8）年頃、ホが行われた。しかし基本的な構成は、1940 年代後半

ルスラグ（C. J. Holslag）が可動コア形交流アーク溶（昭和 20 年代前半）頃までは各社とも全く同じであっ接機を開発した。この溶接機は、伊藤忠によってエレた。

クトリックアーク・カッティング・アンド・ウェル
ディング社からわが国へ輸入され、当時溶接機の研究を進めていた京都大学・岡本赳教授がその溶接機の試
験・調査を行った。また浜野兵次はこの溶接機を参考にして新たに設計し、1922（大正 11）年にわが国初の国産交流アーク溶接電源である“浜野式溶接機”を開発した。浜野に電気溶接の重要性・将来性について教示したのは、久保山少言である。久保山は早くから電気溶接に興味を持ち、容易に入手できなかった文献

図 4.3

初期の国産交流アーク溶接電源 1）を収集し、抵抗溶接機などの設計を試みていた。浜野

当初の直流アーク溶接は、上述した三菱・長崎造船

は久保山からから電気溶接機の興味と将来性を説かれ所を初めとして、直流定電圧電源を用いた多人数形溶るとともに、その設計を譲り受けた。これによって浜接電源を用いて行われていた。その後、輸入機である野の溶接機製作が始められ、わが国のアーク溶接電源

溶接専用の電動発電機駆動の直流定電圧電源へと移っ

国産化の第 1 歩となった。なお浜野は、3～4 名の設ていった。そして 1926（大正 15）年に、日立製作所

計事務所的な形ではあったが、1922（大正 11）年にが国産初の直流アーク溶接電源として、図 4.4 に示す

日本電気熔接機を設立している。しかし日本電気熔接

ような、電動発電機（MG）式の溶接電源を開発した。

機は比較的短期間で消滅し、その後の浜野および久保こ れ は 定 格 出 力 電 流 300A の 垂 下 特 性 電 源 で、 幅山の消息は伝えられていない。

600mm × 奥 行 1,200mm × 高 さ 1,200mm で 質 量 が本格的な溶接機メーカの誕生は、1925（大正 14）

900㎏と極めて大型で重い溶接電源であった。また

年に創立された大阪電気が最初である。続いて、1926

1929（昭和 4）年には、三相誘導電動機、溶接用発電（大正 15）年に日立製作所および東洋電気熔接機が電機、励磁機、調整装置およびリアクタで構成された動発電機（MG）式の直流アーク溶接電源を製作し、ポータブルでコンパクトな多励磁発電機式溶接電源

1927（昭和 2）年には佐藤電気工業所（後の東京電熔（定格出力 200、300、400A）が開発された。この電機）が交流アーク溶接機の生産を開始するなど、アー源では、励磁機回路の可変抵抗を調整して、励磁機か

ク溶接機の国産化が次々に進められた。交流アーク溶らの電流で励磁された溶接用発電機の無負荷電圧を調接機はこれらの専門メーカによって製作・市販され、整する。大阪電気は 1930（昭和 5）年に、この種の直被覆アーク溶接棒の国産化と相まって、わが国の溶接界発展の大きな契機となった。しかし、当時は溶接そのものの啓発がまだ不十分な時代であり、かつアーク
溶接は直流の方が優れているということが通説となっていたため、交流アーク溶接機の普及・拡大には相当苦労したようである。
当時の交流アーク溶接電源の一例を示すと図 4.3 のようである。出力の調整はタップ切替式で、木製の電源ケース（木箱）内には、溶接変圧器、出力調整用タッ
プ、冷却扇が内蔵されていた。また電源正面には、接480

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図 4.4

国産初の直流アーク溶接電源 1）

流アーク溶接電源としては当時の世界最大容量といわ

うな、電流計付き可動コア形強制空冷交流アーク溶接れた定格出力 600A の電源を製作した。また同年、芝電源の生産を開始した。また 1934（昭和 9）年には、

浦製作所も 7.5kW-300A の電源および 60kW-1000A の電流計なしの汎用電源の市販を開始した。さらに大阪

電動発電機式定電圧溶接電源を自家用として製作して変圧器と三葉製作所も交流アーク溶接電源の生産を開いる。その他、ドイツ・ジーメンス社と提携した富士始した。いずれの溶接電源も漏洩変圧器形のもので、電機製造および米・ウェスティングハウス社と提携し溶接電流の調整は 2～5 段のタップ切換で粗調整を行た三菱電機などが直流アーク溶接機の生産準備を始め

い、可動コアによって微調整を行うものであった。溶るなど、1930（昭和 5）年前後には総合電機メーカの接電源の構造・機能は、全般的に、実用的な汎用機へ

1）アーク溶接機製作への進出が目立った 。

の傾向を示し、計器その他の付属品をなくして、軽量・小型・頑丈でかつ廉価なものとなっていった。な

4.2

お帝国酸素は、タップ切換の組合せのみで溶接電流を開拓期（1900 年代中期）の溶接機調整する方式の電源を販売している。

1931（昭和 6）年の満州事変勃発を契機として、わが国の機械工業は長く続いた恐慌から脱出し、再び急速な発展を開始した。上海事変（1932（昭和 7）年）、
日華事変（1937（昭和 12）年）から第 2 次世界大戦へと進む準備段階的な時代であったが、機械工業のあらゆる分野に需要層を持つアーク溶接機メーカにとっては、発展と普及のための好条件がそろっていた。
アーク溶接の需要増加に伴い、国産アーク溶接機メー
カが次々と誕生した。1933（昭和 8）年の主なアーク溶接機メーカは、日本電気熔接機、大阪電気、東洋電
気熔接機、日立製作所、東京電熔機、芝浦製作所、三

図 4.6

可 動 コ ア 形 強 制 空 冷 交 流 ア ー ク 溶 接 電 源（1931 年）1）

菱電機、富士電機製造、帝国酸素株式会社などの 9 社に達し、翌年には大阪変圧器と三葉製作所も加わっ

この頃の交流アーク溶接電源の無負荷電圧は一般にた。この年大阪電気は、わが国の溶接機生産量の約130～180V で、薄板用の電源では 230V にも及ぶもの

80％を占め、当時の溶接機専門工場としては世界的ながあった。1932（昭和 7）年頃、呉海軍工廠から人命

規 模 と い わ れ た 新 工 場 を 建 設 し た。 ま た 1935（ 昭尊重のために無負荷電圧を下げる電撃防止器開発の指和 10）年には電元社が、1937（昭和 12）年には日本示が出された。それに応えて大阪電気は、図 4.7 に示熔接機材が新たに参入している。1935（昭和 10）年

すような、電撃防止器内蔵の交流アーク溶接電源を開に大阪変圧器が開発した交流アーク溶接電源は図 4.5

発し、今日の電撃防止装置の始まりとなった。なおのようであり、研究用として京都大学・岡本赳教授の1935（昭和 10）年の旧海軍規格では、感電死原因調

実験室に納入された。

査結果に基づいて、交流アーク溶接電源の無負荷電圧を 80V 以下にするという決定がなされている。

図 4.5 研
 究用に納入された交流アーク溶接電源（1935 年）2）

1931（昭和 6）年に日立製作所は、図 4.6 に示すよ

図 4.7

電撃防止装置付き交流アーク溶接電源 1）アーク溶接技術発展の系統化調査

481

1933（昭和 8）年頃から、大阪電気に続いて電元社、1937（昭和 12）年に勃発した日華事変から 1941（昭三葉製作所、日立製作所などの各社が高周波付交流

和 16）～1945（昭和 20）年の第 2 次世界大戦へと続

アーク溶接電源の製作を開始した。この電源は、直流

くこの間のアーク溶接機メーカは、他の産業と同様に比べてアークの安定性に欠ける交流の欠点を補うもに、軍需をいかに消化するかのみの対応に追われていのとして開発され、板厚 1mm 以下の軟鋼の小電流交た。兵器の大量生産が至上命令として各産業に下さ流アーク溶接を可能にした。すなわち高周波電圧を重れ、全ての能力をこれに集中したにも拘らず、未消化畳することによって、交流アークの極性反転時の再点

受注高は生産能力の 4～5 倍にも達した。このアンバ

弧性を向上させ、小電流溶接においてもアークの安定

ランスを埋めるために、大量生産方式と近代的な合理性が向上した。いずれの溶接電源においても、高周波化が要求された。そのため電気溶接機器の需要は飛躍

発生装置は全て溶接電源に内蔵されていた。また三菱

的に伸び、各メーカとも増産と拡充が相次いだ。既存

電機は、ウェスティングハウス社の電源を参考にしたメーカは工場・人員の急激な拡充を図り、アーク溶接

高周波付交流アーク溶接電源を製作した。この電源は機メーカであった日立製作所、大阪変圧器、電元社、

抵抗によって垂下特性を与える方式であったが、高周

三葉製作所および芝浦製作所などは抵抗溶接機の分野

波発生装置の性能が良好で、交流アークの安定性が極にも積極的な進出を見せた。また 1937（昭和 12）年

めて優れていたようである。

には、日本熔接機材が設立された。

黄銅のスタッド溶接は 1933（昭和 8）頃に造船分野

軍需生産期 9 年間の電気溶接機器の需要は、陸軍兵で採用され始めたが、溶接電源には直流電源が採用さ器本部からの工具製造用の溶接機、弾頭用フラッシュれていた。当初は、直流定電圧電源に直流抵抗を付加

溶接機、自動車エンジン・バルブ用アプセット溶接機

した輸入装置がそのまま用いられ、断続的な瞬間負荷など、ほとんどが兵器部品の生産に用いる溶接機器でに耐えられるように、溶接電源には極めて大きい誘導あった。また海軍の艦政本部からは、造船用のアーク電動機駆動電源が用いられていた。この誘導電動機

溶接機器が求められた。しかしその後期になると、陸は、起動してから全速に達するまでに 5 分以上の時間

海軍ともに航空本部が主力となり、航空機製造用の溶を必要としたようである。後日この溶接電源は、京都

接機器に重点が置かれた。ところがこの頃になると、大学・岡本赳教授の研究で、通常の垂下特性アーク溶資材の入手難や人員・設備不足などが徐々に表面化

接電源に置き換えられた。そして 1935（昭和 10）年し、十分な成果が得られなくなっていた。

には、大阪電気によって交流アークスタッド溶接機が製作されている。1937（昭和 12）年になると、大阪変圧器が図 4.8 に示すような全交流アークスタッド溶

4.3 発展期（1900 年代後期）の溶接機

接機（サイクアーク）を開発した。高周波発生装置を1945（昭和 20）年の終戦によって戦時経済は崩壊

含む制御装置は、溶接電源と別箱となっている。さらし、溶接機器工業も再出発しなければならなくなっに 1939（昭和 14）年には、三葉製作所も交流アーク

た。全産業が戦争遂行のための軍需機械の生産に集中

スタッド溶接機の製作を開始し、交流アークスタッドしていたため、各産業分野とも遊休溶接機が多く、戦溶接機は海軍工廠や造船工場向けに多数製作された。

災によって工場設備が破壊された溶接機メーカも少な

その他、芝浦製作所は 1935（昭和 10）年に、わがくなかった。このような情勢下で、やむを得ず農機具

国初の可動コイル形交流アーク溶接電源を開発し、高や電熱器具などを製作して時期を待つという溶接機

能率アーク溶接電源の口火を切っているが、その当時メーカも出現している。戦前は世界最大の生産規模をは普及しなかった。

持っていた大阪電気は、1943（昭和 18）年“会社乗っ取り”の策動に遭遇した。その解決手段として出された軍当局の命令によって、大阪電気は一時預託の形で日本冶金に合併され、日本冶金・住吉工場となったが、1949（昭和 24）には不況のため閉鎖・解散に至った。その一部は、1944（昭和 19）年に設立されていた新しい大阪電気に受け継がれ、溶接機の生産が再開された。また下請工場によって命脈が保たれていた他の部門は、東亜精機として後 1952（昭和 27）年に再

図 4.8 全交流アークスタッド溶接装置（サイクアーク）

1）

482

国立科学博物館技術の系統化調査報告

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出発することとなる。

1949（昭和 24）年には、日本電気熔接機、東京電熔機および三葉製作所などが、アーク溶接機の本格的な生産を始めた。また電元社も回転形アーク溶接機を製作するなど、各メーカとも再建への活動が進められた。しかし、戦時中の経済的な混乱と停滞の中で、溶接機器の発展は停滞していた。そのため、欧米各国の戦中・戦後を通した急速な発展に比べ、相対的に、わが国の溶接機器の技術水準は大きく遅れることとなった。アメリカ溶接協会・副会長のピアース（H. W.
Pierce）が、キャンベル（R. S. Campbell）賠償調査団の一員として 1947（昭和 22）年に来日し、欧米における最新の溶接状況や新知識（船体のぜい性破壊・

図 4.10可動鉄心形交流アーク溶接電源 1）3）

イナートガスアーク溶接の活用・粉末ガス切断法な圧を低くして入力を低減させ、電源の設置（床）面積ど）について報告した。その時、わが国の溶接技術はも縮小させた。可動コイル形交流アーク溶接電源で欧米に比べて 30 年は遅れているとのコメントがなさは、図 4.11 に示すように、変圧器の二次巻線を固定れた。

して一次巻線を移動させ、一次巻線と二次巻線との間

上述のような混乱した時代であったが、日立製作所の距離を変化させることによって溶接電流を調整す

は 1947（昭和 22）年に、終戦間近に試作していた、る。両者が離れていればリアクタンスが大きくなって

二分割コイル方式の交流アーク溶接電源を製品化し

出力電流は小さくなり、近ければリアクタンスが小さた。1 次（入力側）および 2 次（出力側）コイルをそくなって出力電流は大きくなる。この交流アーク溶接

れぞれ二分割して主鉄心（コア）へ対称にはめ込み、電源は、当時はその理由は不明であったが、優れた

その中央部に回転軸に沿って移動する可動鉄心（コアークの安定性を示した。そこで、大阪大学の安藤弘ア）を設けた。電流調整は、図 4.9 に示すように、可平教授がこの電源についての研究を始め、アークの安動鉄心の移動のみで行うことができる。従来電源に比定と溶接機の標游負荷損との関連を明らかにした。そべ、溶接電流設定時の二重性（粗調整と微調整）を排の研究成果は、その後の溶接機の改善・改良に大きな除し、電力損失を少なくして効率を高め、外形寸法も影響を与えることとなった。なおこのタイプの溶接電小形化した。いわば、現在の可動鉄心形交流アーク溶

源は、他のメーカ数社でも製品化されている。

接電源の原型となった電源である。その外観と内部構造を図 4.10 に示す。
可 動 コ イ ル 形 交 流 ア ー ク 溶 接 電 源 は、1935（ 昭和 10）年に芝浦製作所によってすでに試作されていたが、1950（昭和 25）年に電元社がこれを改良した電源を開発した。電源の構造を外鉄形とし、漂游負荷損を低減させて効率の向上を図るとともに、無負荷電図 4.11可動コイル形交流アーク溶接電源 1）3）

1953（昭和 28）年に東芝は、同社で国産化したシリコン・ワニスを可動コイル形交流アーク溶接電源の絶縁に使用し、わが国初の H 種絶縁溶接電源を完成した。翌 1954（昭和 29）年から 1955（昭和 30）年にかけて、日立製作所および大阪電気も二分割コイル方式で H 種絶縁を採用し、空冷（自冷）方式とすることによって冷却扇の使用を廃止した。その一例を図
図 4.9

可動鉄心形アーク溶接電源の原理

4.12 に示す。これによって電源の大幅な小形化とコス

アーク溶接技術発展の系統化調査483

トダウンが実現し、その後この方式と構造は全メーカることが可能となる。造船などの大型構造物では、溶に及び、今日の交流アーク溶接電源の基礎となった。

接を行う場所と溶接電源の設置場所とは相当離れている。そのため電源の前面パネルに設けられた電流調整
ハンドルを操作して溶接電流の微調整を行うには、2人作業とするなど、極めて手間のかかる作業となっていた。遠隔操作装置はこのような問題を解決するために開発されたものである。溶接棒と母材との間に遠隔操作子を挿入すると、溶接電源に取り付けられたモータが可動鉄心の移動軸を駆動して、溶接電流を増減する。

図 4.12空冷式可動鉄心形交流アーク溶接電源 1）1949（昭和 24）年には、日本経済安定策としての
ドッジ - ラインが示され、戦後恐慌といわれた一時的な不景気をもたらした。しかし、1950（昭和 25）年に勃発した朝鮮動乱とそれに伴う特需の増大によって、溶接機器工業の本格的な進展が始まった。さらに
同年には外資導入法が公布施行され、外国技術の導入も開始できるようになった。また、科学技術者の自主

図 4.13可動鉄心形溶接電源の遠隔操作的な海外渡航も復活した。1952（昭和 27）年には企業合理化促進法が成立施行され、研究開発の援助・重戦後になって始められたセレン整流器の国産化が達

要産業近代化・機械設備などの特別償却・産業関連施成されると、そのアーク溶接電源への適用研究が始設の整備なども行われた。これらのてこ入れ策と海外まった。そして 1951（昭和 26）年には電元社が、図からの新技術導入によって、各産業分野の生産設備更4.14 に示すような、国産初の可動鉄心形整流器式直流

新と新増設が始まり、溶接機の市場も拡大して、復活

アーク溶接電源を完成させ、直流アーク溶接電源の先と発展のための好条件が整った。そして、交流アーク

駆的な役割を果たした。

溶接機の生産は、1950（昭和 25）年の年間 894 台に対し、1954（昭和 29）には約 5 倍の 4,625 台に急上昇した。この生産規模は、1954（昭和 29）のデフレになっても減少することはなかった。
1952（昭和 27）年には日本冶金の溶接機部門として東亜精機が設立され、国産化第 1 号のアルゴン・アーク溶接機（3.4.1 項図 3.51 参照）を発表した。電元社および大阪変圧器も、同年にアルゴン・アーク溶接機を完成させ、その後多数のメーカが加わってティ
グ溶接機は急速に普及した。
1954（昭和 29）には三芝電気商会が設立され、図4.13 に示すような、可動鉄心形交流アーク溶接電源用の遠隔操作装置が製作された。そして 1954（昭和 29）
年には、無線式遠隔操作装置（電子管式）を開発した。
これらの装置を用いると、溶接棒と母材との間に遠隔操作子を挿入することによって、溶接電流を増減させ484

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図 4.14セレン整流式直流アーク溶接電源 4）

1955（昭和 30）年に始まった世界的な海運ブーム
は、わが国機械工業の発展を推進した。輸出船舶を中心にして、船舶、鉄鋼、耐久消費財（家庭電気器具・自動車）など、いずれの産業分野においても大規模な近代化投資が行われ、市場は画期的に拡大した。溶接機メーカの全ても創業以来の活況を呈し、生産・販売
実績は未曽有の高記録を樹立した。溶接機の需要はメーカの生産能力をはるかに超えていたため、各メー
カともに生産体制の充実と増強が図られ、軟弱であった企業体質は大幅に改善され、近代化と量産に即応し図 4.16

交流アークの電圧・電流波形

たユーザの急速な技術革新にも対応できるようになった。各溶接機メーカの生産・販売方針に特徴が表れた

定し、これが中小企業の大きな負担となっていた。進のもこの時期であり、大阪電気は標準アーク溶接機と相コンデンサを取り付けると力率を改善できるが、コ

抵抗溶接機の両者に、電元社および東京電熔機は抵抗

ンデンサの技術水準・コンデンサ付加による電源価格

溶接機に重点を置いた。そして日本電気熔接機は回転の上昇・電力会社との話合いなど、実施を妨げる要因

式アーク溶接機に、日立製作所は交流アーク溶接機のは多かった。松下電器産業は、ユーザの省電力に貢献

量産に、大阪変圧器はアーク溶接機と自動アーク溶接

するために、溶接機メーカに自社の進相用コンデンサ機に重点を置いた生産体制を敷いていた。

の売込みを図ったが、コストアップなどの理由で断ら

このような状況の 1957（昭和 32）年に松下電器産

れ、自社で溶接電源を製作することを決意したようで業が、図 4.15 に示すような、わが国初のコンデンサある。その後、1960（昭和 35）年には日立製作所お内蔵形交流アーク溶接電源を開発し、溶接機メーカとよび大阪変圧器もコンデンサ内蔵形交流アーク溶接電

しての名乗りを上げた。被覆アーク溶接棒を用いる交源を販売するようになった。

流アーク溶接では、図 4.16 に示すように、極性が半

また同年には日本熔接機材が、小型軽量を主目的

サイクルごとに変化し、電流は極性変化時に一瞬必ずに、使用率を低くするとともに冷却扇を使用して、現零となる。電流が零になるとアークはいったん消滅

場作業などに適する交流アーク溶接電源を製作した。

し、次の半サイクルで反対極性のアークを再点弧しな

このタイプの電源は現在でも市販されており、その一ければならない。そのため交流アーク溶接電源では、

例を図 4.17 に示す。その他、1953（昭和 28）年にユリアクタンスを利用して、アークの再点弧時に供給さニオンメルト溶接機を国産化した大阪変圧器は、1959

れる電圧が高くなるようにしている。すなわち、溶接（昭和 34）年に改良を加えた普及標準形のユニオンメ

電流の位相が無負荷電圧の位相より遅れた関係（低力率）となるように設計されており、低力率がアークを安定に維持するための必須条件である。電力会社は電源設備の減価償却的な意味を持つ基本料金を割高に設

図 4.15 コンデンサ内蔵可動鉄心形交流アーク溶接電源 6）

図 4.17小型交流アーク溶接電源

アーク溶接技術発展の系統化調査

485

ルト溶接機を開発した 1）。その溶接電源として、図端子とがそれぞれ個別に設けられていた。しかし近年

4.18 に示すような、大容量（定格出力～2,000A）の可の電源では、（b）に示すように、出力端子は 1 つと

動鉄心形交流アーク溶接電源の販売も開始した。電源なり、前面パネルに設けた切替レバーの操作で、電源内部に可動鉄心移動用のモータを内蔵し、前面パネル

内部に設けられた電磁接触器が作動して交流出力と直の電流増減スイッチを操作して溶接電流の調整を行

流出力とを切り替えられるようになっている。交流 /う。1963（昭和 38）年には、図 4.19 に示すような、直流両用電源の原理は図 4.21 のようであり、図中の電流調整ハンドルを電源の上蓋に設けた交流アーク溶

A-A’ 間では同一方向の電流が流れ、B-B’ 間では電源

接電源を日立製作所が発売した。しかしこの電源は極周波数に応じて電流の通電方向が変化する。したがっめて不評で、最大の交流アーク溶接機メーカであったて、A-A’ 間で出力を取り出せば直流が得られ、B-B’

同社のシェアを大きく低下させたようである。振動に間で出力を取り出せば交流が得られる。

よる可動鉄心位置の変化に起因した溶接電流の変動が生じること、当時の造船業界では一般化しつつあった
溶接電源の多段積への対応ができないことなどが不評の理由であった。

図 4.20

図 4.18可動鉄心形交流 / 直流両用アーク溶接電源

大容量可動鉄心形交流アーク溶接電源

図 4.21交流／直流両用電源の原理

なお、この後の可動鉄心形交流アーク溶接電源についての大きい進展は得られていない。現在、その使用台数は大きく減少しているが、可搬性・作業性に富む
安価な溶接電源として一定の割合（溶接電源全体の数％程度）は保っている。
上述 4.2 節で、1932（昭和 7）年頃に大阪電気が開発した電源内蔵の交流アーク溶接電源の電撃防止器に
図 4.19上ハンドル式可動鉄心形

ついて述べたが、この電撃防止機能を別箱にした装置
が 1955（昭和 30）年頃に開発された。吉村電機や宮486

1966（昭和 41）年に日立製作所は、図 4.20（a）に本電機などが最初に開発し、その後 1957（昭和 32）

示すような、可動鉄心形の交流 / 直流両用電源を世界

年には三芝熔接機器、松下電器産業および大阪電気がに先駆けて開発した。ティグ溶接への適用を念頭にし製作を開始した。さらに 1959（昭和 34）年には、大た開発で、特に交流ティグ溶接の性能に優れていたよ阪変圧器と日立製作所も製作を始めた 1）。交流アーク

うである。当時の溶接電源には、交流用端子と直流用溶接電源には起動スイッチがないため、アーク休止中

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も 80V 程度の無負荷電圧が常時出力されており、そアクトルによる電流調整方式を採用した直流アーク溶の電撃は死亡に至る危険性を持っている。電撃防止装

接電源を開発した。可飽和リアクトルは三脚形鉄心を置はその危険性を排除する装置で、アークが発生して持つリアクトルで、図 4.25 に示すように、その鉄心いない（無負荷電圧が出力されている）時、溶接棒ホには出力電流が流れるリアクトルと可変抵抗に接続さルダと母材との間の電圧を安全電圧（現在では 25V）

れた制御巻線が巻かれている。この制御巻線に制御電以下に低減する装置である。その構成と動作は図 4.22

流と呼ばれる直流電流を通電すると、交流リアクトルのようであり、アークが休止している場合の溶接電源としての実効リアクタンスが変化して出力電流を調整

からの出力電圧を、補助変圧器から出力される低い安することができる。1958（昭和 33）年には松下電器

全電圧へ切り替える。溶接棒を母材へ接触（短絡）さ産業、1960（昭和 35）年には日立製作所も同様の直せると、電磁接触器が作動して電撃防止装置への接続

流アーク溶接機の生産を開始している。しかし直流を遮断し、瞬時（0.06 秒以内）に溶接電源の無負荷電アーク溶接機の使用目的は、特殊合金の被覆アーク溶圧へ切り替わる。溶接が終了してアークが消滅すると接、ティグ溶接、ミグ溶接あるいはサブマージアーク

再び無負荷電圧が出力されることになるが、ただちに溶接など多岐にわたる。また作業性に関しても、遠隔安全電圧への切り替えは行わず、約 1 秒（1 ± 0.3 秒）

操作装置（リモコン）、クレータ処理、スタート制御、の遅動時間が経過した後に安全電圧へ切り替える。こ電撃防止装置、各種保護装置、電流・電圧計など種々のような遅動時間を溶接終了時に設けているのは、な機能・アクセサリーがある。そのため、直流アーク

タック溶接（仮付溶接）などの短い間隔での連続溶接

溶接機の仕様や機能は、各メーカがそれぞれ独自の仕における作業性を考慮してのことである。別箱式の電様を採用した溶接機を販売することとなった。

撃防止装置とその溶接電源への取り付け状況を図 4.23に示す。なお電撃防止装置は、導電体に囲まれた狭隘な場所あるいは 2m 以上の高所での使用を、昭和 47
年に施行された労働安全衛生規則で義務付けられている。

図 4.24図 4.22整流器式直流アーク溶接電源の回路構成例 2）

電撃防止装置

図 4.25可飽和リアクトルによる電流調整 2）

1959（昭和 34）年に大阪変圧器は、電源の外部特性の調整が可能な自己飽和リアクトルを用いた直流
図 4.23

別箱式電撃防止装置

1）

アーク溶接電源を開発した。自己飽和リアクトルは可飽和リアクトルの一種で、図 4.26 に示すように、三この時期（1900 年代後期）の直流アーク溶接電源

脚形鉄心の中央に可飽和リアクトルと同様の制御巻線の主流は、図 4.24 に示すようなセレン整流器式となが巻かれている。電流が通電されると、鉄心の磁束はり、回転式の電源は日本電気熔接機材などにおいて製飽和する方向に変化し、この磁束変化を利用して電源作される程度となった。大阪変圧器は 1955（昭和 30）の外部特性を定電圧特性としたり、定電流特性とした年に、大阪電気は翌 1956（昭和 31）年に、可飽和リりすることができる。その溶接電源の外観を図 4.27

アーク溶接技術発展の系統化調査487

に示す。松下電器産業は、同年以降に、ガウジング兼接機がある。この溶接機では、ガソリンまたはディー

用アーク溶接機・電撃防止装置・遠隔操作機能付交流ゼルエンジンに直結した直流発電機を駆動して溶接電

アーク溶接機など、種々な機能を備えたアーク溶接機

源に用い、日立製作所、電元社、東亜精機および日本を矢継ぎ早に市販している。

電気熔接機材などが製作していた。しかし 1955（昭和 30）年以降は、日本電気熔接機材以外のほとんどのメーカは生産を中止している。
アークスタッド溶接機は、交流式を大阪変圧器が、直流式を電元社が戦後に開発していた。しかしその後、前述の 3.8.4 項で述べたように、大阪変圧器が英国のクロムプトン・パーキンソン社と提携し、1956（昭和 31）年に、図 4.28 に示すようなネルソン・ス

図 4.26

タッド溶接機を国産化した。また 1959（昭和 34）年

自己飽和リアクトル 3）には、松下電器産業もフィリップス社と提携して、
アークスタッド溶接機の製作を開始している 1）。

図 4.27

自己飽和形直流アーク溶接電源 1）

また 1959（昭和 34）年には、過負荷に弱いセレン整流器に替わるシリコン整流器が国産化されたのを受けて、大阪電気はシリコン整流器式直流アーク溶接電源を開発した。そして日立製作所や三芝熔接機器なども同様の溶接電源の製作を始めた。

ネルソン・スタッド溶接機 1）

4.4 近年（1969 年以降）の溶接電源
近年のアーク溶接電源の発展経過を整理すると図戦後いち早く生産された溶接機の 1 つに、土木建築

4.29 のようである。サイリスタ制御電源は 1969（昭現場での作業用として使用される回転式直流アーク溶

和 44）年に出現し、一元制御、クレータ制御あるい

図 4.29488

図 4.28

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アーク溶接電源の開発経過

はパルス制御などが可能となったが、その制御は比較

線が多用されている。星形結線された 2 つの三相変圧的単純なものに限られていた。現在のパルスマグ・ミ

器の出力側コイルを相間トランスで結び、6 個のサイ

グ溶接の原形となるシナージックパルス（1 パルス 1

リスタを用いて三相全波整流する。出力の大 / 小はサ

溶滴移行）プロセスを搭載したトランジスタ制御電源

イリスタ点弧時間の長 / 短で決まり、サイリスタ回路

は 1980（昭和 55）年に開発され、世界初の汎用・低で制御された出力はリアクタで平滑して溶接に用い価格トランジスタ制御溶接電源として市販された。しる。なお二重星形結線の電源では、図 4.32（a）に示

かし 1982（昭和 57）年には、出力の高速制御性を活すように、リアクタに制御巻線（二次巻線）を付加し用したインバータ制御溶接電源の開発・実用化が本格て、その動特性を改善することによってアークの起動化し、トランジスタ制御溶接電源は短期間で姿を消す

性やスパッタ発生量の低減を図った電源も開発されてこととなった。

いる。（b）は他の回路構成を示す一例で、三相変圧

その後のアーク溶接電源の進歩は、全てインバータ

器の出力側コイルを単体の星形結線として相間トラン制御に基づくものであり、1990（平成 2）年にはマイスを省略した三相全波整流の電源である。この場合、コン制御と組み合わせた高機能・高性能溶接電源が、サイリスタ回路の出力リップル（脈動）はかなり大き1995（平成 7）年にはファジィ制御を搭載した知能化

くなるため、大容量（10,000μF 程度）の平滑コンデ

溶接電源も出現した。そして 20 世紀末には、デジタンサを付加してリップルの低減を図っている。

ル制御技術の進歩を背景に、溶接電源のデジタル制御化が本格化した。制御回路の大部分をアナログ制御からデジタル制御へと変更することによって、溶接条件の再現性向上を目指した開発が進められた。近年では、高速演算素子を用いた出力制御の高速化が積極的に推進され、溶滴移行現象やアーク現象を高速で制御することができる高性能な溶接電源が市販されるようになっている。
4.4.1

サイリスタ制御電源（1）マグ溶接電源

図 4.31

二重星形結線サイリスタ制御アーク溶接電源

サイリスタ（制御機能付きシリコン整流器）の点弧位相を制御して出力を変化させるサイリスタ制御のアーク溶接電源は、世界に先駆けて、1969（昭和 44）
年に日立製作所がマグ溶接電源として開発した。図4.30（a）はその外観を示したものであるが、（b）に示す近年のマグ溶接機に比べても、大きい差異はほとんど認められない。
図 4.32

高機能サイリスタ制御電源

また、図 4.33 に示すように、サイリスタ - ダイオード混合方式の電源も開発されている。（a）はサイリス
タ・スタックを用い、相間トランスを省略して回路を簡素化するとともに、電源の小型化・軽量化を図った電源である。
（b）も相間トランスを省略した電源であるが、ダイオードの整流回路で得られる所定の出力にサイリスタ回路で得られる調整可能な出力を重畳し図 4.30サイリスタ制御マグ溶接機 6）て電源の出力を制御する。この方式では電圧リップルが大きくなるため、ダイオード回路とサイリスタ回路

サイリスタ制御マグ溶接電源の回路構成としては、をそれぞれに設けリアクタの結合を利用してリップル

図 4.31 に示すような、相間トランス付の二重星形結を抑制している。上述した主な電源の溶接電流およびアーク溶接技術発展の系統化調査

489

アーク電圧の波形は図 4.34 のようである。
（a）は相間トランス付の二重星形結線電源（図 4.31 参照）の場合であり、これを基準にすると、（b）の平滑回路
付星形結線電源（図 4.32（b）参照）での電流・電圧
リップルは極めて少なく、（c）のサイリスタ - ダイ
オード混合方式電源でのリップルはやや大きくなっている。
図 4.35

単相サイリスタ制御溶接電源 8）制御ブロック構成は図 4.36 のようであり、当時のマイクロコンピュータの性能としては限界に近いサイリ
スタの点弧位相制御を実現した。その他、適正溶接条
図 4.33

サイリスタ - ダイオード混合方式 7）

件の記憶・再生機能、アーク休止中に使用可能な溶接条件の設定・確認機能、溶接電流に応じて適正電圧を自動設定する一元制御機能の精度向上、溶接条件や機器の異常モニタ表示機能など、従来電源になかった新
しい機能も追加された。

図 4.34

サイリスタ制御電源の溶接電流・電圧波形

炭酸ガス（CO2）をシールドガスに用いるマグ溶接
法は、1958（昭和 33）年に日本へ導入され、その優れた溶接性と高い経済性ならびに溶接機の性能向上などによって 1965（昭和 40）年以後急速に普及した。
しかし溶接機の設置台数で見ると、1978（昭和 53）
年時点での普及率は十数％程度にしか達しておらず、

図 4.36

マイコン搭載サイリスタ制御電源 9）被覆アーク溶接用の交流アーク溶接機が大部分を占めていた。交流アーク溶接機は単相入力で使用するよう（2）ティグ溶接電源になっており、工場全体としては三相で受電をしていティグ溶接に用いられるサイリスタ制御電源には、ても、交流アーク溶接機の設置場所には単相で配線さ直流溶接電源と交流 / 直流両用溶接電源とがある。直れていた。このような分野でのマグ溶接の適用拡大を

流溶接電源の構成は図 4.37 のようであり、その構成目的として、単相入力のサイリスタ制御電源が開発さは前述した整流式直流溶接電源（前掲図 4.27 参照）

れている。単相入力の整流波形は、図 4.35（a）に示とほぼ同様である。ただし、整流器をサイリスタと置すように、三相入力の整流波形（b）に比べ、電圧リッ

き換えることによって、交流回路のリアクタは省かれプルが大きく瞬間的には電圧が零となる期間も生じている。

る。そのため、単相入力のサイリスタ制御電源では、（c）に示すように、整流回路と並列に、コンデンサと飽和性リアクトルとで構成した平滑回路を付加して、出力（電圧）の安定化が図られている。
1981（昭和 56）年には、世界に先駆け、サイリス
タ制御マグ溶接機の全ての制御をマイクロコンピュータによって集中制御する溶接電源が開発された。 熟練オペレータ不足、溶接品質の管理あるいは自動溶接化への対応などがその主な目的であった。その外観と490

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図 4.37

サイリスタ制御直流ティグ溶接電源

交流 / 直流両用溶接電源の構成は図 4.38 のようで

なわち、図 4.40（a）に示すように、パルス電流波形あり、直流溶接電源の場合と同様に、可動鉄心形交流

はパルス変圧器の出力特性によって支配される。大電/ 直流両用溶接電源（前掲図 4.21 参照）の整流器をサ

流を通電するためには通電時間（パルス期間）を長く

イリスタと置き換えた構成となっている。

しなければならず、溶滴離脱に必要なパルス電流を得ようとするとパルス期間が長くなり、パルスエネル
ギーが過剰となって安定した溶滴移行が得られない。
高いピーク値や急峻な電流増加が要求される場合には、高出力のパルス変圧器を用い、正弦波の急峻な傾斜部のみを用いてパルス電流を制御するなどの工夫が必要となる。一方、溶接電流が臨界電流以上になると、パルス電流を加えなくても溶滴のスプレー移行を実現できる。しかし、パルス電流を付加することに

図 4.38 サイリスタ制御交流／直流両用ティグ溶接電源（3）パルスマグ・ミグ溶接電源

よって、アーク長を短くしても短絡を生じないアーク
状態が得られる（前述 3.7.5 項（1）参照）。開先幅の狭い狭開先溶接では、アーク長が長くなると開先底部

サイリスタ制御パルス電源は図 4.39（a）に示すよ

より開先壁にアークが発生しやすくなるため、アーク

うに、単相のパルス電源と三相のベース電源を組み合

長を極力短くすることが重要である。ベース電流を臨せた構成となっており、パルス電流とベース電流はそ

界電流近傍に設定した大電流パルス溶接では、アーク

れぞれ独立した電源回路から出力される電圧によって長を短くするために必要なパルス電流はベース電流の制御される。（b）はその溶接電流波形を模式的に示1/5 程度であり、小電流パルス溶接のように落差の大したものであり、三相全波整流によって発生する電流

きいパルス電流を必要としない。すなわちアーク状態の脈動がそのままベース期間の電流リップルとなる。

はベース電流によって支配されるため、ベース電源のパルス電流は単相パルス変圧器出力の点弧位相制御で特性によってアークの安定性や溶接結果が大きく左右

決まり、そのピーク値は正弦波上を移動する。そのたされる。そのため、電源のインピーダンスや電流リッ

め、パルス電流のピーク値が低い場合は幅が狭く、プルが大きいと、アーク長を短く保つことができず、ピーク値が高くなるとその幅も広くなる。すなわちパ融合不良などの溶接欠陥を生じやすいといった問題がルス電流のピーク値とパルス幅は連動して変化し、そ生じる。

れぞれを独立に設定することはできない。なおパルス電源回路に半波整流回路を用いると商用周波数と同一のパルス周波数（50/60Hz）が、全波整流回路を用いると商用周波数の 2 倍のパルス周波数（100/120Hz）が得られる。

図 4.40
図 4.39サイリスタ制御パルスマグ・ミグ溶接電源

パルス電流の特性

これらの問題点を解決した高機能なサイリスタ制御
パルスマグ溶接電源が 1979（昭和 54）年に開発されパルスマグ溶接では、パルス電流で溶滴の形成およている。この電源では、パルス電源の変圧器に最大出びワイヤ端からの離脱を行うため、臨界電流以上のパ

力 2,000A 程度のパルス変圧器を採用し、幅が狭く高ルス電流を通電することが必要である。しかし、サイ

さが高いパルス波形が得られるようにしている。しかリスタ制御電源のパルス電流の幅と高さは連動して変し、このようなパルス変圧器で数百Ａのパルス電流を化し、それぞれを独立に設定することはできない。す正確に出力するには、図 4.40（b）に示すように、サアーク溶接技術発展の系統化調査

491

イリスタの点弧位相を正弦波の急峻な傾斜部で微妙にまた 1970 年代後半には、図 4.42 に示すような、パ設定しなければならない。そのため、パルス電圧の設

ルスミグ・ブレーズ溶接機も開発されている。この溶定ダイヤルには 100 等分できるバーニア機構が用いら接機は、シリコン・ブロンズワイヤ（数％の Si を含れている。電源の構成は図 4.41 のようであり、ベー

む銅ワイヤ）を用いて、自動車ボデーなどの薄鋼板をス電源の変圧器をデルタ結線として相間トランスをなアークろう付けする溶接機である。それまでは自動車

くし、電源のインピーダンス低減を図っている。またボデーに多用されているせぎり継手の溝をはんだで充ベース電源の出力端に大容量（約 1 万 μF）のコンデ填していたが、鉛害が問題となってはんだを使用する

ンサを付加して、電流リップルの大幅低減を実現してことができなくなった。そのため、はんだに替わるせいる。なお小電流の安定化を目的として、ベース電流

ぎり継手の溝充填方法として、シリコン・ブロンズワ

は抵抗を介して通電するようにしているが、十分なイヤを用いたパルスミグ・ブレーズ溶接が採用されベース電流を確保する必要がある大電流パルス溶接時た。溶接電源は単相入力で、抵抗への通電によって安には、ベース電源回路の抵抗を短絡（Sw2 を OFF）

定化された小電流をベース電流とし、それにパルス電できるようにしている。

流を重畳する。ミグ・ブレーズ溶接の電流波形と溶接結果の一例を図 4.43 に示す。

図 4.42
図 4.41

パルスミグ・ブレーズ溶接機

高機能パルスマグ溶接電源

パルス電源回路のスイッチ（Sw1）と抵抗の短絡ス
イッチ（Sw2）の両者を OFF すると、低インピーダ
ンス・低電流リップルの定電圧特性電源として使用できる。したがって、このパルス電源では、
「パルスな
し溶接」
、
「小電流パルスマグ溶接」および「大電流パルスマグ溶接」の 3 溶接モードの選択が可能となる。
それぞれの電流・電圧波形およびアーク現象の代表例
を表 4.1 に示す。
図 4.43
表 4.1

溶接電流・アーク電圧波形とそのアーク現象

4.4.2

ミグ・ブレーズ溶接

トランジスタ制御電源

トランジスタ制御電源では、直流電源部と負荷との間にパワートランジスタを接続し、このトランジスタ
で溶接電流やアーク電圧を制御する。制御方式には、
図 4.44 に示すように、スイッチング制御とアナログ制御とがある。スイッチング制御では、トランジスタ
をスイッチとして用い、その開閉時間の比率を変化させることによって出力を制御する。そのためスイッチ
ング制御では、出力の複雑な波形制御はできない。一方、アナログ制御では、制御信号に比例する領域でト

492

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchランジスタの出力を制御することによって、トランジ
スタに可変抵抗と同様の役割を持たせる。すなわちアナログ制御でのトランジスタの出力は、いずれの瞬間においても制御信号に比例した出力となり、矩形波、台形波あるいは三角波などの形状も任意に実現することができる。

図 4.46

アナログ・トランジスタ制御電源 10）1980（昭和 55）年に三菱電機が、汎用溶接電源としては世界初となる、図 4.47 に示すようなトランジ
図 4.44ス タ 制 御 溶 接 電 源 を 開 発 し た。 こ の 電 源 は 出 力の制御方式の比較 10）

チョッパ（スイッチング）制御によってパルス電流を制御するもので、ワイヤの送給速度に同期してパルス

アナログ・トランジスタ制御電源の回路構成は図

周波数を変化させるシナージックパルス溶接プロセス

4.45 のようであり、電流および電圧に対応する 2 つの（前述 3.7.2 項参照）を実現するパルスマグ溶接電源とフィードバック制御系を持つ。そのため出力電流と出しても世界に先駆けたものであった。また少し遅れ

力電圧を任意に設定でき、出力波形、リアクトルの特て、大阪変圧器や松下産機も同様のパルスマグ溶接電性あるいは外部特性などを自由に作り出すことができ源を開発している。

る。また電流波形は、全くリップルのないものが得られる。この電源は英国の TWI で試作され、1976（昭和 51）に技術導入契約を締結した大阪変圧器が、その翌年に図 4.46 のような電源を開発して国内での販売を開始した。出力の制御装置はユニット化されており、各ユニット間の信号の受・送信は前面パネルのプ
ラグイン式コンセント間の接続によって行う。出力の外部特性を定電流から定電圧まで任意に設定できる万能直流電源で、1～800A までの任意な急峻パルスを
1/1,000 秒（1ms）で出力することが可能であった。
そのため、アーク現象の解明、溶接品質の改善あるいは溶接プロセスの研究・開発などに取り組んでいた大学、研究所、大手企業がこぞってこの電源を購入した。

図 4.47

トランジスタ・チョッパ制御電源 11）

その後この溶接電源を用いた研究・開発が積極的に推進され、今日のアーク溶接プロセスの進展に極めて大きく貢献した。

電源の構成は図 4.48 のようであり、サイリスタ制
御のパルス電源に比べると構成は簡素化され、パルス
出力、ベース出力ともに同一の溶接変圧器を使用する。しかし、出力制御回路はパルス出力、ベース出力
それぞれに対応したものが必要である。パルス出力を制御するトランジスタ（Tr2）で制御されたパルス出力は直流リアクタ DCL2 を介して、ベース出力を制御するトランジスタ（Tr1）で制御されたベース出力は直流リアクタ DCL1 および DCL2 を介して溶接アークへ供給される。なおダイオード D1 ならびに D2 は、それぞれ直流リアクタ DCL1、および DCL2 に対応す

図 4.45 アナログ・トランジスタ制御電源の回路構成

10）

るフライホイール・ダイオードである。トランジスタ

アーク溶接技術発展の系統化調査

493

は、電流値が目標値（パルス電流またはベース電流）

増減によって行う。なお、サイリスタ制御やトランジ

より所定量が小さく（‒α）なると導通を開始し、目スタ・チョッパ制御などでは変圧器の出力側で電源の標値より所定量が大きく（+α）なると導通を停止す

出力を制御するが、インバータ制御では変圧器の入力る。αは制御回路のヒステリシス（応答遅れ）である。

側で電源の出力を制御する。

図 4.484.4.3

 ランジスタ・チョッパ制御パルスマグ溶接
ト
電源インバータ制御電源

図 4.49インバータ制御溶接電源の構成

インバータ回路に用いられるパワースイッチング素

電力変換回路へのインバータ制御の適用は 1950 年

子には表 4.2 に示すようなものがあり、出力制御周波

代に考案され、当初は、1950 年代後半に出現したサ

数など、インバータ回路の制御特性はこれらの素子にイリスタを制御素子としたサイリスタ・インバータがよって大きく左右される。わが国では、当初バイポー

主流であった。その後、制御素子はパワートランジス

ラトランジスタが多く用いられた。しかしその後は、

タ や GTO（Gate Turn-off Thyristor） に 移 行 し、

比較的高耐圧で駆動特性に優れる IGBT（絶縁ゲート

1970 年代後半から 1980 年代前半にかけてインバータ型バイポーラトランジスタ）が主流となり、近年では制御技術は急速に進展した。この時期の欧州では、す高速制御性が良好な MOSFET（金属酸化物半導体構

でにインバータ制御アーク溶接電源が開発されている

造・電界効果トランジスタ）が多用されている。インが、制御素子はサイリスタで制御周波数もそれほど高バータ制御による出力の制御方法には、表 4.3 に示す

いものではなかった。わが国で最初にインバータ制御

ように、周波数（FM）制御とパルス幅（PWM）制アーク溶接電源が開発されたのは 1982（昭和 57）年
で、松下産機（元松下電器産業 / 現パナソニック溶接

表 4.2

パワー・スイッチング素子の特徴比較

システム）が直流ティグ溶接電源として発表した。また 1983（昭和 58）年には日立精工（日立製作所から分離）が、制御周波数 16kHz のインバータ制御電源を開発し、溶接電源の大幅な小型・軽量化を実現した。同年には、松下産機がインバータ制御のマグ溶接電源の販売を始めている。
インバータ制御電源の構成は図 4.49 のようである。
商用交流を整流して得た直流を、変圧器の入力側（1次側）に設けたインバータ回路に入力し、パワートランジスタで構成したインバータ回路でその直流を高周波交流に変換する。そして、得られた高周波交流を変圧器で所定の電圧に降圧した後、整流回器で再び直流に変換して溶接電源の出力とする。この時得られる直流は断続的なくし歯状のものであるため、リアクタで変動の少ない連続した直流に平滑して溶接に用いる。
出力の制御はインバータ回路を構成するトランジスタの導通時間の増減、またはインバータの制御周波数の494

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表 4.3

インバータの出力制御方法

御との 2 つがある。開発当初の電源では周波数制御が源への入力電流はサイリスタ制御電源の場合より小さ用いられていたが、電流値によってアーク音が変化すい。インバータ制御電源の特長をまとめると表 4.4 のるなどの問題があり、近年の電源には全てパルス幅制ようである。

御が採用されている。
インバータ制御電源は、サイリスタ制御電源に比べ、かなり複雑な回路構成となるが、出力を高速で制御できるという長所を持つ。例えばインバータ回路で40kHz の高周波交流を造ると、その出力制御回数は 4
万回 / 秒となり、サイリスタ制御の約百倍以上の速度で出力を制御できる。図 4.50 の溶接電流波形は、ティ
グアーク起動時の電流挙動を比較したものである。所
定の電流値（100A）へ到達するまでに、単相サイリ

図 4.51

溶接変圧器の比較

ス タ 制 御 で 90ms 以 上、 三 相 サ イ リ ス タ 制 御 で 約
35ms の時間が必要である。一方、インバータ制御ではほぼ瞬時に（数 μs で）設定値へ到達しており、出力の制御性は制御周波数に大きく依存することがよく分かる。すなわち、インバータ制御ではサイリスタ制
御の百～数百倍の速度で出力を制御できるため、ほぼ瞬時に設定された出力が得られ、このような出力の高速制御性はアーク起動性能の向上・電流波形制御によるスパッタの低減・抑制などに極めて有効となる。

図 4.52

図 4.50溶接電源の定格出力と質量の関係

アーク起動時の溶接電流挙動

溶接変圧器の出力には、下式で示すような関係がある。
変圧器出力 = 磁束密度 × 変圧器体積（：鉄心断面積×コイルの巻数）× 出力制御周波数
すなわち、溶接電源の出力制御周波数と変圧器の体積との間には、ほぼ反比例する関係がある。そのため、出力制御周波数が高いインバータ制御電源の変圧器は、図 4.51 に示すように、サイリスタ制御電源の変圧器に比べ大幅に小形・軽量化される。その結果溶接電源の質量は、図 4.52 に示すように、サイリスタ
制御電源の 1/4～1/2 程度まで軽減される。さらに、
インバータ制御では直流をパルス幅制御して出力を制

図 4.53溶接電流と入力電流の関係御するため、点弧位相制御で出力を制御するサイリス
タ制御より力率は向上する。またインバータ回路は変1986（昭和 61）年には、パルスマグ・ミグ溶接電圧器の入力側に設けられるため、休止中の変圧器への源にもインバータ制御が導入された。表 4.5 に示すよ

負荷は加わらず無負荷損失をカットできる。溶接電流

うに、サイリスタ制御電源ではパルス電流とパルス幅と溶接電源への入力電流との関係は図 4.53 のようでが連動し、それぞれを独立に制御することはできなあり、いずれの溶接法においても、インバータ制御電かった。またパルス周波数も、商用周波数またはそのアーク溶接技術発展の系統化調査495

表 4.4インバータ制御溶接電源の特長な再点弧を目的として、溶接中は高周波高電圧を常時重畳している。しかしインバータ制御電源では極めて短時間で極性を反転させることが可能となり、極性反転時にも高周波高電圧の重畳なしでアークを再点弧することができる。高周波高電圧は、前述 3.4.3 項（4）で述べたように、強い電磁ノイズに起因した電波障害を引き起こす恐れがある。インバータ制御交流溶接電源では、高周波高電圧をアーク起動時にのみ用い、溶接時には使用しないため、高周波高電圧の電磁ノイズによって生じる電波障害は大きく低減される。

表 4.5

パルスマグ・ミグ溶接電源の推移

図 4.54インバータ制御交流溶接電源の構成倍数に限定されていた。トランジスタ・チョッパ制御
電源の開発によって、パルス電流とパルス幅の独立設
定およびパルス周波数の任意設定が可能となり、パルス電流に同期した 1 パルス 1 溶滴移行がいずれの電流

図 4.55域においても実現できるようになった。そしてインバータ制御電源では、それまで別回路として設けられ

496

4.4.4

極性反転時の電流の挙動

デジタル制御電源ていたパルス出力部は姿を消し、制御信号のみでパル

デジタル制御技術の進歩を背景に、溶接電源のデジ

ス電流とベース電流とをそれぞれ制御できるように

タル制御化は 20 世紀末から本格化し、制御回路の大なった。また電流リップルは大幅に抑制され、パルス部分がアナログ制御からデジタル制御へと変更され波形の急峻化も実現した。

た。溶接電源デジタル化の当初の目的は、電源が持つ1986（昭和 61）年には、インバータ制御の交流溶

個体差の排除、個人差による設定誤差の抑制あるいは接電源が開発された。この電源は、図 4.54 に示すよ

操作性・再現性の向上などを目指した初期段階的なデ

うに、変圧器の入力側と出力側とにそれぞれインバージタル化にすぎなかったが、近年では高速演算素子にタ回路を持つ。十数～数十 kHz の高周波数で駆動さよる出力制御の高速化が積極的に推進され、溶接現象

れる入力側のインバータは出力を、数百 Hz 以下の比やアーク現象を高速で制御して溶接特性や作業性を大較的低い周波数で駆動される出力側のインバータは極幅に改善した高性能な溶接電源が市販されるように性を、それぞれ独立に制御する。極性による出力レベなった。

ル差や極性維持時間の大幅なアンバランスが存在してアーク溶接電源へのデジタル制御の適用は表 4.6 にも、サイリスタ制御電源などのように溶接変圧器を焼示すように推移してきた。シーケンス制御のデジタル損することはなく、極性時間比率を大きく変化させて化は比較的早くから取り組まれ、1970 年代後半にはビード形状を制御することも可能である。またサイリ

IC ロジック回路の適用が始まり、1980 年代に入ると

スタ制御電源では、図 4.55 に示すように、極性の反一部でマイクロコンピュータを用いたデジタル制御が転時に短時間（約 0.3ms）の電流休止時間が発生して採用され始めた。そして 1990 年代になると、溶接電アークの消弧が生じる。そのため、アークのスムーズ源の全てのシーケンス制御はデジタル化された。溶接

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

プロセスに関わる電流波形制御は長い間アナログ制御

ングペンダント）とは CAN バスで結ばれている。まであったが、1990 年代後半になると一部にデジタル

た、A/D 変換器を用いることによって従来のアナロ制御が採用され、アナログとデジタルの混合制御とグリモコンも使用可能となり、デジタル式のリモコンなった。電流波形制御が全てデジタル制御化されたのあるいは溶接ロボットのティーチングペンダントを接は、高速演算処理が可能なマイクロプロセッサーが開続すると溶接モードや設定データを遠隔で変更するこ

発・市販されるようになった 2002 年以降である。なともできる。電源に搭載されたマイクロコンピュータ

お出力制御信号のデジタル化は 2000 年頃から行われは、 イ ン バ ー タ 回 路 を 駆 動 す る た め の 制 御 信 号るようになり、溶接電源もデジタル制御電源と呼ばれ（PWM 制御）、前面パネルの表示およびワイヤ送給装るようになった。またサイリスタ制御電源において置などを制御する。

も、表示・操作部を除き、デジタル化が進展している。
表 4.6

溶接電源デジタル化の推移

2000（平成 12）年に市販されたデジタル制御ティ

図 4.57

デジタル制御電源の構成

グ溶接電源では、図 4.56 に示すように、前面パネル

デジタル制御電源の制御部の概要は図 4.58 のようからボリューム類は全て排除され、“ジョグ・ダイヤであり、出力、ワイヤ送給、シールドガスおよび各種

ル”と呼ばれるロータリーエンコーダが設けられた。

シーケンスの制御の他、電源パネルの表示あるいは各

ロータリーエンコーダは、ダイヤルの回転によって設

種センサ信号に基づく動作などが全てデジタル信号で定される値を、その回転に応じて発生するパルス数の処理される。データベースの一部は、ユーザが自由にカウントによって読み込むデジタル入力器で、溶接条書込み・呼出しができるように、EEPROM を搭載す件や各種パラメータの設定は全てこのジョグ・ダイヤ

るなどの工夫もなされている。また通信機能を利用しルによって行われる。

て、外部の制御装置や IT 機器と接続することも可能
であり、ロボットのティーチングペンダントなどから

図 4.56

ジョグ・ダイヤル操作のティグ溶接電源

デジタル制御マグ溶接電源の構成の一例を示すと図4.57 のようであり、出力を制御する主回路の構成は従来のインバータ制御電源と全く同一である。デジタル
制御は電源の出力や種々な動作を制御するために用いられ、電源の前面パネルやワイヤ送給装置とは同期シ
リアル通信で、デジタルリモコン（あるいはティーチ

図 4.58

アーク溶接電源のデジタル制御

アーク溶接技術発展の系統化調査

497

の信号によって、溶接モードや設定データを変更するるシステムへの対応機能なども装備されている。

こともできる。
溶接電源と溶接ロボットとの間の信号の授受は、一般にインターフェイス（IF）を介して行われる。しかし IF を介することによって、信号のタイミングにわずかであるが遅れが発生し、場合によっては溶接結
果に悪影響を及ぼすこともある。このような問題を解決するために、溶接電源とロボット制御装置を一体化したものが開発されている。図 4.59 はその一例を示したもので、ロボット制御装置の下部に電源ユニットが内蔵されている。ハードウェア構成の概要は図 4.60のようであり、ロボット側から見ると、電源ユニット
やワイヤ送給ユニットは、ロボットの関節軸や外部軸と同様に取り扱われる。

図 4.61

デジタル制御溶接電源の品質管理機能

溶接電源のデジタル制御化はインバータ回路の制御
周波数増加にもつながり、表 4.7 に示すように、近年
では出力制御周波数 100kHz の溶接電源も出現し、電源の小形・軽量化がより一層進行している。また、デジタル制御を採用したサイリスタ制御溶接電源も開発されているが、そのデジタル化はインバータ制御溶接
電源のデジタル化と様相が少し異なり、出力制御の高速化より機能性・操作性の向上に主眼を置いたものとなっている。
表 4.7

図 4.59溶接電源の種類と特徴

溶接電源とロボット制御装置の一体化 14）

デジタル制御電源に用いられる演算素子は、マイク
ロコンピュータの高速処理化・メモリの大容量化にともなって表 4.8 に示すように推移してきた。当初は 16
表 4.8
図 4.60溶接電源一体化ロボット制御装置の構成 15）

なおデジタル制御溶接電源には、品質管理に対応するために、図 4.61 に示すような、溶接電流やアーク
電圧の出力結果、溶接時間、ワイヤ消費量などの各種データを記録・管理する機能（ウェルディングモニタ）、イーサネット（Ethernet）やインターネット（Internet）を利用して多数の溶接電源を一括管理す

498

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

デジタル制御溶接電源の変遷

ビット・マイクロコンピュータや 32 ビット・マイク

2）（株）ダイヘン：ダイヘン八十年史，2001 年

ロコンピュータが採用されていた。しかし近年では、

3） 安藤 他：新版電気溶接機機（上），1957 年，産報

汎 用 的 な ゲ ー ト ア レ イ で あ る FPGA（Field4） 鈴木：最新溶接ハンドブック（増補版），山海堂

Programmable Gate Array）や、溶接電源の制御に特化した専用の LSI（Large Scale Integration）である ASIC（Application Specific Integrated Circuit）
を採用した電源も開発され、演算速度や情報の処理量は格段に向上している。
主なアーク溶接現象の動作時間は図 4.62 のようで

（1962）
5） 中 村 春 雄 記 念 ラ イ ブ ラ リ ー： 溶 接 文 献 資 料，
SANPO WEB，産報出版
6） 社史「産機のあゆみ」編集委員会：産機のあゆみ（ 産 業 機 器 事 業 50 年 & 松 下 産 業 機 器 20 年 ），1997 年ある。高い出力制御周波数を持つ近年のデジタル制御

7） 野田 他：炭酸ガス・アーク溶接機（NAS-AUTO

溶接電源は、大部分の溶接現象に十分対応できる制御シリーズ）、溶接技術 1975 年 10 月号，PP. 40～速度を持つようになり、最も高速な現象とされている

47，産報出版

陰極点の挙動も制御できるレベルに達しているといえる。しかし、それらの挙動をどのように制御するかはまだ十分に解明されているとはいえず、今後のさらなる研究・開発の課題となっている。

8） 奥 他：半自動アーク溶接機の進歩，溶接技術
1978 年 5 月号，PP. 25～31，産報出版
9） 麻生 他：マイクロコンピュータ制御・CO2 自動溶接機（日立マイコンオートについて）、溶接技
術 1981 年 5 月号，PP. 29～31，産報出版
10）山手：アナログ・トランジスタ式溶接電源について、溶接技術 1977 年 8 月号，PP. 71～76，産報
出版11）鵜飼 他：トランジスタパルスマグ半自動溶接機の 特 性、 溶 接 技 術 1981 年 7 月 号，PP. 31～40，
産報出版12）坂部 他：インバータ制御アーク溶接機、溶接学
会誌，Vol.55（1986），No.7，PP. 31～40

図 4.62 主な因子の動作時間と溶接電源の出力制御速度13）大崎 他：小型フルデジタル制御溶接機の開発，溶接技術 2000 年 8 月号，PP. 56～62，産報出版14）林：フルデジタル溶接電源一体型ロボットの開発，溶接技術 2003 年 1 月号，PP. 72～75，産報出版

参考文献
1） 溶接五十年史編集委員会：溶接五十年史，1962 年，
産報15）川本：溶接電源融合型ロボット「TAWERS」のアーク溶接制御、溶接技術 2005 年 12 月号，PP.
86～89，産報出版

アーク溶接技術発展の系統化調査

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本書は、
「国立科学博物館

技術の系統化調査報告《第 23 集》」に掲載されているものです。

本書の著作権は、独立行政法人 国立科学博物館が有します。