JP3704233B2

JP3704233B2 - 直流アーク溶接電源

Info

Publication number: JP3704233B2
Application number: JP28991897A
Authority: JP
Inventors: 常夫品田
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2017-10-22
Also published as: JPH11123551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流アーク溶接電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の消耗電極式の直流アーク溶接電源の外部接続図である。２は溶接電源１の電源部で、変圧器３により三相交流電源４の電圧を溶接に適した電圧に降圧し、ダイオード５およびコンデンサ６により整流・平滑して、端子Ａ，Ｂ間に直流出力を供給する。７、８はスイッチング素子、９、１０はダイオード、１１、１２はリアクタ、１３、１４は外部出力端子である。なお、リアクタ１２のインダクタンス値はリアクタ１１のインダクタンス値よりも大きい。１５はプラス側の出力ケーブルで、外部出力端子１３とワイヤ１６を接続している。１７はトーチ、１８は溶接負荷、１９は母材である。２０はマイナス側の出力ケーブルで、外部出力端子１４と母材１９を接続している。なお、溶接電源１の外部出力特性は定電圧特性である。
【０００３】
以下、動作を説明する。アーク期間Ｔａにはスイッチング素子７がＰＷＭ制御によりオン・オフされる。そして、オンの時には、電源部２から供給される直流出力により、アーク電流Ｉａが端子Ａ→スイッチング素子７→リアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子１３→出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→母材１９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→端子Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアクタ１１、１２に蓄えられたエネルギにより、アーク電流Ｉａがリアクタ１１→リアクタ１２→外部出力端子１３→出力ケーブル１５→ワイヤ１６→溶接負荷１８→母材１９→出力ケーブル２０→外部出力端子１４→ダイオード９の順で還流する。なお、以下、上記の回路における外部出力端子１３から外部出力端子１４までを負荷Ｋという。
【０００４】
また、短絡期間Ｔｓにはスイッチング素子８がＰＷＭ制御によりオン・オフされる。そして、オンの時には、電源部２から供給される直流出力により、短絡電流Ｉｓが端子Ａ→スイッチング素子８→リアクタ１２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子１４→端子Ｂの順で回路に流れる。また、オフの時には、リアクタ１２に蓄えられたエネルギにより、短絡電流Ｉｓがリアクタ１２→外部出力端子１３→負荷Ｋ→外部出力端子１４→ダイオード１０の順で還流する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、上記従来の直流アーク溶接電源により溶接をしたときの出力電流波形を示す図である。図から明らかなように、アーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行後の期間Ｔｕにおける電流の立上りおよび短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行後の期間Ｔｄにおける電流の立下りは緩い傾斜になっている。
【０００６】
短絡期間Ｔｓが長くなると、ワイヤ１６が爆発的に溶断して大粒のスパッタが発生するだけでなく、アークが不安定になって溶接品質が低下する。また、短絡電流の大きさを大きくするためには、半導体素子の容量も大きくする必要があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、アーク期間Ｔａと短絡期間Ｔｓとを一定にすることにより入熱制御を確実に行い、溶接品質を向上させることができる直流アーク溶接電源を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、外部出力特性が定電圧特性の直流アーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、アーク電流期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、また短絡期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続することにより解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る消耗電極式の直流アーク溶接電源の接続図である。なお、図５と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
３０はスイッチで、接点ｍ、ｎを閉じると接点ｒ、ｓが開き、接点ｒ、ｓを閉じると接点ｍ、ｎが開く。そして、接点ｍはスイッチング素子７の出力側に、接点ｒはスイッチング素子８の出力側にそれぞれ接続されている。３１はリアクタで、巻数Ｎｐの巻線ｐ、巻数Ｎｂの巻線ｂおよび１個の鉄芯ｆとからなり、巻線ｐと巻線ｂを鉄芯ｆに巻くことにより磁気的に結合させてある。そして、巻線ｂと鉄芯ｆとでリアクタＢを、また巻線ｐと鉄芯ｆとでリアクタＰを構成する。また、巻線ｂと巻線ｐの一方の端部は、それぞれに流れる電流により形成される磁束の向きが同一になるようにして出力回路に接続されている。なお、リアクタＢの自己インダクタンスの値はＬｂ、リアクタＰの自己インダクタンスの値はＬｐである。１００は電圧検出装置である。
【００１０】
以下、動作を説明する。アーク期間Ｔａには、すなわち電圧検出装置１００への入力が０Ｖあるいは予め定める電圧（例えば５Ｖ）以上であるときには、接点ｍ、ｎを閉じる。すると、スイッチング素子７がチョッパ制御され、アーク電流ＩａがリアクタＢを介して外部負荷に供給される（以下、接点ｍ、ｎが閉じた時に形成される回路をアーク電流回路という。）。また、短絡期間Ｔｓには、すなわち電圧検出装置１００への入力が０Ｖあるいは予め定める電圧（例えば５Ｖ）以下になると、接点ｒ、ｓが閉じる。すると、スイッチング素子８がチョッパ制御され、短絡電流ＩｓがリアクタＰを介して外部負荷に供給される（以下、接点ｒ、ｓが閉じた時に形成される回路を短絡電流回路という。）。
【００１１】
次に、本発明における電流波形を示す図２を参照しながら、過渡時の動作を説明する。短絡電流Ｉｓが流れるときにリアクタＰに蓄えられるエネルギーＥｓは１／２×Ｌｐ×Ｉｓ²であり、アーク電流Ｉａが流れるときにリアクタＢに蓄えられるエネルギーＥａは１／２×Ｌｂ×Ｉａ²である。
【００１２】
短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行すると、短絡電流回路はダイオード１０よりもリアクタＰ側で遮断されるから還流回路は形成されず、リアクタＰに蓄えられていたエネルギーＥｓは総てリアクタＢに移行する。また、アーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行するときも同様に、リアクタＢにに蓄えられていたエネルギーＥａは総てリアクタＰに移行する。したがって、リアクタＢとリアクタＰの結合係数をα（ただし、α≦１）とすると、下記の式１、２が成立する。なお、式１は短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する場合であり、式２はアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行する場合である。また、自己インダクタンスは略巻数の２乗に比例するから、下記の式３が成立する。そして、式１と式３とから下記の式４が、また、式２と式３とから下記の式５が得られる。
【００１３】
α×１／２×Ｌｐ×（Ｉｓ）²＝１／２×Ｌｂ×（Ｉａ）²……式１
α×１／２×Ｌｂ×（Ｉａ）²＝１／２×Ｌｐ×（Ｉｓ）²……式２
Ｌｐ＝Ｌｂ×（Ｎｐ／Ｎｂ）²……式３
Ｉａ＝Ｎｐ／Ｎｂ×Ｉｓ×√α ……式４
Ｉｓ＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉａ×√α ……式５
上記の式５から明らかなように、
アーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行した時、アーク期間Ｔａの最終的な電流がＩａ₀であった場合、短絡期間Ｔｓの短絡電流は直ちにＩｓ₀（＝Ｎｂ／Ｎｐ×Ｉａ₀×√α）に上昇する。また、上記の式４から、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する際、短絡期間Ｔｓの電流がＩｓ₁になっていた場合、アーク電流は直ちに略短絡前の電流Ｉａ₀に等しい電流Ｉａ₁に下がる。
【００１４】
図３は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、図１と同じものあるいは同一機能のものは同一の符号を付してある。３２はダイオードである。この実施例は、スイッチング素子７、８とダイオード９、１０、３２を組み合わせることにより、上記第１の実施の形態におけるスイッチ３０に代えたものである。すなわち、アーク期間Ｔａはスイッチング素子８を開いた状態でスイッチング素子を７チョッパ制御する。また、短絡期間Ｔｓはスイッチング素子８を閉じた状態でスイッチング素子７をチョッパ制御する。なお、短絡期間Ｔｓにおいては、巻線ｐを流れる電流により巻線ｂには逆バイアスが加わる結果、ダイオード３２のカソード側の電圧がアノード側の電圧よりも高くなるため、ダイオード３２は非導通になり、上記第１の実施の形態における短絡電流回路と同一になる。
【００１５】
なお、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する際の電流の立ち下がりおよびアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行する際の電流の立ち上がりは上記第１の実施の形態と全く同じであるから、説明を省略する。
【００１６】
図４は本発明の上記第２の実施の形態の変形例を示す図であり、図１、３と同じものあるいは同一機能のものは同一の符号を付してある。図で、５１はインバータ、５２は変圧器、５３はダイオードである。ここで、同図で点線で囲んだ部分の動作を説明すると、インバータ５１により入力される直流電圧を交流電圧に変換し、変圧器５２でこの交流電圧を溶接に適した電圧に変換してダイオード９、１０、３１、５３からなる整流回路で整流する。この結果、出力端Ｊ，Ｂに出力される出力は上記第２の実施の形態におけるスイッチング素子７と実質的に同一になる。短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する際の電流の立ち下がりおよびベース期間Ｔｂからパルス期間Ｔｐに移行する際の電流の立ち上がりは上記第１の実施の形態と全く同じであるから、説明を省略する。
【００１７】
なお、この変形例の場合、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａにおける変圧器５２の巻き数を変えるようにしてあるから、短絡電流Ｉｓおよびアーク電流Ｉａの電流波形をいずれもリップルが小さい平坦な波形にすることができる。また、変圧器５２の端子のうち端子ａ、端子ｅを設けず、端子ｂ、端子Ｂ、端子ｄだけとし、図中の接続点Ｊを接続点Ｋに接続してもよい、なお、このようにすると、上記第２の実施の形態とほぼ同一になる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外部出力特性が定電圧特性の直流アーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、アーク電流期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、また短絡期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続したから、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに移行する際およびアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに移行する際、溶接電流は直ちにアーク電流Ｉａあるいは短絡電流Ｉｓにすることができる。したがって、入熱制御を確実に行うことができ、適正な溶滴移行により溶接品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る消耗電極式の直流アーク溶接電源の接続図である。
【図２】本発明における出力電流波形を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の上記第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図５】従来の消耗電極式の直流アーク溶接電源の接続図である。
【図６】従来の出力電流波形を示す図である。
【符号の説明】
３１リアクタ
Ｂリアクタ
Ｐリアクタ
ｂ第２の線
ｐ第１の線
ｆ鉄芯

Claims

外部出力特性が定電圧特性の直流アーク溶接電源において、リアクタＰを構成する第１の線とリアクタＢを構成する第２の線を同一の鉄芯に巻き、アーク電流期間は前記リアクタＰを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＢを出力回路から切断するように、また短絡期間は前記リアクタＢを前記出力回路に接続すると共に前記リアクタＰを出力回路から切断するように構成し、前記リアクタＰとリアクタＢに形成される磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続したことを特徴とする直流アーク溶接電源。
同一の鉄芯に巻きつけた第１の線と第２の線からなるリアクタＰおよびリアクタＢを、前記第１の線と前記第２の線の巻き数比を変えて複数組設け、溶接条件に応じて前記複数組のリアクタＰとリアクタＢの１つを接続するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の直流アーク溶接電源。