JP4641137B2 - 溶接機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接機に関し、特に溶接負荷に供給する電流が小さいときに、パルス電流を溶接負荷に供給するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型の電子部品を溶接する場合、レーザーを使用することが多かった。しかしレーザー発生装置には、特殊な装置が必要で、かつ、それに使用する電源装置も高価であった。そこで、小電流によってＴＩＧ溶接することが近年望まれている。
【０００３】
図４にＴＩＧ溶接機の一例を示す。入力端子２ａ乃至２ｃに供給された三相商用交流電源からの交流電圧は、整流器４に供給され、ここで整流される。整流出力は、平滑用コンデンサ６によって平滑され、直流電圧に変換される。この直流電圧は、インバータ８に供給され、高周波電圧に変換される。この高周波電圧は、変圧器１０に供給され、所定の電圧の高周波電圧に変換される。これは、整流ダイオード１２、１２によって整流され、平滑リアクトル１４によって平滑されて、出力端子１６ａ、１６ｂから母材１８ａとトーチ１８ｂとに供給される。母材１８ａ、トーチ１８ｂに供給される電流が電流検出器２０によって検出される。電流検出器２０からの電流検出信号は、制御回路２２に供給される。制御回路２２には基準電源２４からの基準電流信号も供給されている。制御回路２２は、電流検出信号と基準電流信号との差が零になるように、制御信号を駆動回路２６に供給する。駆動回路２６は、この制御信号に基づいてインバータ８の半導体スイッチング素子の導通期間を制御して、基準電流に対応する負荷電流を母材１８ａ、トーチ１８ｂに供給する。出力端子１６ｂと平滑リアクトル１４との間には、高周波発生器２８がカップリングコイル３０を介して接続されている。高周波発生器２８は、母材１８ａとトーチ１８ｂとの間のギャップを破壊し、アークをスタートさせるためのもので、この電源装置の起動時に、１乃至３ＭＨｚで５乃至２０ｋＶの高周波電圧を短時間だけ母材１８ａとトーチ１８ｂとの間に印加する。符号３１で示すコンデンサは、高周波発生器２８からの高周波をバイパスするためのものである。
【０００４】
上述したように小型の電子部品を小電流、例えば１Ａ程度でＴＩＧ溶接することがユーザーによって望まれることがある。ところが、図５に示すように、アークの特性上、アークを維持するためには、負荷電流として０．５Ａ以上の電流を流す必要があり、それよりも小さい電流ではアーク切れが生じる。また、電流検出器２０として、例えば直流変流器を使用した場合、例えば３００Ａのような大電流から１Ａのような小電流まで、１台の変流器によって検出させると、小電流では、電流検出信号の直線性が得られず、精度が悪くなる。そこで、直線性を確保するために、ホール変流器を用いることがあるが、小電流では電流検出信号にドリフトが生じやすく、その調整が必要になる。この調整を不要にするために、直流電源３２と減流抵抗器３４と開閉器３６との直列回路を、出力端子１６ａ、１６ｂ間に設け、開閉器３６を閉じて、母材１８ａとトーチ１８ｂとに小電流例えば１Ａ程度の電流を流している。直流電源３２は、商用交流電源を整流したり、変圧器１０に別の二次巻線を巻回し、この二次巻線に誘起した電圧を整流したりして形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、直流電源３２を設けるためには、少なくとも整流器が必要である。変圧器１０に別の二次巻線を巻回した場合には、別の二次巻線をダイオード１２が接続されている二次巻線と絶縁する必要があり、変圧器１０を絶縁変圧器とする必要がある。また、大電流を母材１８ａとトーチ１８ｂとに供給している場合、直流電源３２から電流を供給する必要が無く、そのために開閉器３６が設けられている。このように小電流を流している場合、回路構成が複雑になる。
【０００６】
また、ＴＩＧ溶接機では、不活性ガスの供給等を開始するためのシーケンス回路が設けられており、このシーケンス回路を制御するために、母材１８ａやトーチ１８ｂに電流が流れたことを検出し、シーケンス回路を作動させるシーケンサ制御装置３８が設けられている。しかし、負荷電流が、小電流、例えば１Ａ程度になると、検出信号が充分に得られず、確実にシーケンス回路を動作させることができなかった。
【０００７】
本発明は、小電流時にも、シーケンス回路を正常に動作させることができる上に、簡単な回路構成で小電流でのＴＩＧ溶接が可能なＴＩＧ溶接機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による溶接機は、直流電源を有している。この直流電源は、例えば交流電源、具体的には商用交流電源を整流、平滑して直流信号を生成するものとできる。この直流電源からの直流信号を高周波変換手段が高周波信号に変換する。高周波変換手段としては、例えばインバータ等の高周波スイッチング手段を使用することができる。高周波変換手段からの高周波信号を変声期が編成する。この変成器からの変成高周波信号を変換した負荷電流を、直流化手段が溶接負荷に供給する。前記負荷電流が基準信号に対応したものとなるように制御手段が制御信号を生成する。この制御信号に基づいて駆動手段が前記高周波変換手段を制御する。前記基準信号が予め定めた値以下に設定されたとき、パルス電流供給手段が前記制御信号に周期的に発生するパルス信号を重畳して、前記駆動手段に供給する。これによって、前記予め定めた値以下に設定された前記基準信号に対応する電流よりも大きいピーク値を有するパルス電流が、前記パルス信号に対応して、前記負荷電流に周期的に重畳させられる。前記パルス信号の発生に対応して前記直流化手段を流れるパルス電流によって充電され、前記パルス信号の非発生時に放電する充放電手段を、前記直流化手段の出力側に設けてある。
【０００９】
このように構成された溶接機では、基準信号が予め定めた値以下のとき、基準信号よりもピーク値が大きいパルス電流が流れる。またパルス信号の非発生時には、充放電手段に充電された電荷が放電されるので、パルス電流の非発生時の負荷電流の値を大きくすることができ、アーク切れが生じることを防止できる。
【００１４】
前記パルス信号の発生に対応して前記直流化手段にパルス電流が流れたとき、これに応動して動作するシーケンス制御装置を設けることもできる。
【００１５】
このように構成すると、シーケンス制御装置が、パルス電流の発生によって動作するので、このシーケンス制御装置が制御する、不活性ガスの供給等を行うシーケンス回路を確実に動作させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施形態の溶接機は、ＴＩＧ溶接機であって、図１に示すように、入力端子１０２ａ乃至１０２ｃを有している。これら入力端子１０２ａ乃至１０２ｃには、交流電源、例えば三相商用交流電源が接続されている。三相商用交流電源に代えて、単相商用交流電源を使用することもできる。三相商用交流電源からの交流電圧は、整流手段、例えば整流器１０４に供給され、ここで整流される。整流器１０４は、例えばブリッジ接続された複数、例えば４つの整流ダイオードから構成されている。整流器１０４からの整流出力は、平滑用コンデンサ１０６によって平滑され、直流電圧に変換される。整流器１０４と平滑用コンデンサ１０６とによって直流電源が構成されている。
【００１７】
この直流電源からの直流電圧は、高周波変換手段、例えばインバータ１０８に供給され、高周波電圧に変換される。インバータ１０８としては、フルブリッジ型またはハーフブリッジ型を使用することができる。また、インバータ１０８以外にも、ＩＧＢＴや電力ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を用いた高周波スイッチング回路を使用することができる。
【００１８】
インバータ１０８からの高周波電圧は、変成器、例えば変圧器１１０の一次巻線１１０Ｐに供給される。変圧器１１０の二次巻線１１０Ｓに、所定の電圧に変圧された高周波電圧が誘起される。
【００１９】
変圧器１１０の二次巻線１１０Ｓの両端に整流ダイオード１１２、１１２のアノードが接続され、カソードが出力端子１１６ａに接続されている。また二次巻線１１０Ｓの中間タップは、平滑手段、例えば平滑リアクトル１１４を介して出力端子１１６ｂに接続されている。出力端子１１６ａは、溶接負荷の一部をなす母材１１８ａに接続され、出力端子１１６ｂは、溶接負荷の残りの部分をなすトーチ１１８ｂに接続されている。従って、母材１１８ａとトーチ１１８ｂ間のギャップの絶縁が破壊されている状態では、変圧器１１０の二次巻線１１０Ｓに誘起された高周波電圧がダイオード１１２、１１２によって整流され、且つ平滑用リアクトル１１４によって平滑されて、母材１１８ａとトーチ１１８ｂとに印加され、母材１１８ａからトーチ１１８ｂに向けて直流負荷電流が流れる。即ち、整流ダイオード１１２、１１２及び平滑用リアクトル１１４が、直流化手段として機能する。
【００２０】
この負荷電流を定電流化するために、母材１１８ａに供給される電流が電流検出器１２０によって検出される。電流検出器１２０は、母材１１８ａに供給される電流を表す電流検出信号を生成する。電流検出器１２０としては、例えばホール変流器や直流変流器を使用することができる。電流検出器１２０からの電流検出信号は、パルス電流検出手段、例えばパルス電流検出器１２１を介して制御手段、例えば制御回路１２２に供給される。パルス電流検出器１２１については、後述する。
【００２１】
制御回路１２２には基準電源１２４からの基準電流信号も供給されている。この基準電源１２４は、基準電流信号を可変することができるものである。制御回路１２２は、電流検出信号と基準電流信号との差が零になるように、制御信号を駆動回路１２６に供給する。駆動回路１２６は、この制御信号に基づいてインバータ１０８の半導体スイッチング素子の導通期間を制御して、例えばＰＷＭ制御して、基準電流に対応する負荷電流が母材１１８ａ、トーチ１１８ｂに流れるようにする。従って、基準電流信号の値を変化させることによって、母材１１８ａ、トーチ１１８ｂに流れる負荷電流の値を変更することができ、例えば３００Ａの大電流から１Ａの小電流まで負荷電流の値を変更することができる。
【００２２】
出力端子１１６ｂと平滑リアクトル１１４との間には、高周波発生器１２８がカップリングコイル１３０を介して接続されている。高周波発生器１２８は、母材１１８ａとトーチ１１８ｂとの間のギャップの絶縁を破壊し、アークをスタートさせるためのもので、このＴＩＧ溶接機の起動時に、例えば１乃至３ＭＨｚで５乃至２０ｋＶの高周波電圧を短時間だけ母材１１８ａとトーチ１１８ｂとの間に印加する。符号１３１で示すコンデンサは、高周波発生器１２８からの高周波をバイパスするためのものである。
【００２３】
パルス電流検出器１２１は、図２に示すように、電流検出器１２０からの電流検出信号を増幅する増幅器１３２、１３４を有している。増幅器１３４の出力信号は、制御回路１２２に供給されている。また増幅器１３４の出力信号は、サンプルホールド回路１３６に供給される。増幅された電流検出信号が制御回路１２２やサンプルホールド回路１３６に供給されるので、例えば１Ａのような小電流を検出した電流検出信号であっても、大きな値として制御回路１２２やサンプルホールド回路１３６に供給される。このサンプルホールド回路１３６の出力信号は、シーケンス制御手段、例えばシーケンサ制御装置１３８に供給されている。シーケンサ制御装置１３８は、サンプルホールド回路１３６の出力信号に応じて、このＴＩＧ溶接機において使用されている不活性ガスの制御等を行っているシーケンス回路（図示せず）を制御するものである。
【００２４】
このＴＩＧ溶接機では、パルス電流供給手段が設けられている。即ち、パルス電流設定用電源１３９と開閉手段、例えば開閉器１４０との直列回路が、ダイオード１４２、１４４からなるオア回路を介して制御回路１２２の出力側に接続されている。開閉器１４０は、パルス電流切替器１４６からの指令信号に応じて所定周波数、例えば１００乃至２５０Ｈｚ、所定デュティ比、例えば１０乃至８０パーセントで開閉を繰り返す。パルス電流切替器１４６には、基準電源１２４からの基準信号が供給され、この基準信号が予め定めた設定電流値、例えば５Ａ以下の負荷電流に対応するものとなったとき、指令信号を開閉器１４０に供給する。従って、指令信号の発生時には、駆動回路１２６への制御信号には、周波数が１００乃至２５０Ｈｚ、デュティ比が１０乃至８０パーセントのパルス信号が重畳される。このパルス重畳制御信号に基づいてインバータ１０８が制御されるので、負荷電流は、図３に示すようにベース電流ＩＢ１またはＩＢ２にパルス電流ＩＰが周期的に重畳したものとなる。
【００２５】
また、ダイオード１１２、１１２のカソードの相互接続点と、平滑リアクトル１１４とカップリングコイル１３０との相互接続点との間には、充放電手段、例えば充放電回路が設けられている。即ち、ダイオード１１２、１１２のカソードの相互接続点には充電用ダイオード１４８のアノードが接続され、それのカソードは充電用コンデンサ１５０の一端に接続されている。このコンデンサ１５０の他端は、平滑リアクトル１１４とカップリングコイル１３０との相互接続点に接続されている。また、充電用ダイオード１４８に並列に放電用抵抗器１５２が接続されている。この充電用コンデンサ１５０は、図３に示したようなパルス電流ＩＰが流れているとき、充電用ダイオード１４８によって充電される。またパルス電流ＩＰが流れていないとき、充電された電荷を充電用コンデンサ１５０は、放電用抵抗器１５２を介して放電する。この放電時定数は、パルス電流の周波数との関係から決定され、例えば１０乃至３０ｍｓに選択されている。
【００２６】
このように構成されたＴＩＧ溶接機では、例えば負荷電流が５Ａよりも大きな値になるように基準電源１２４が設定されている状態では、パルス電流切替器１４６は、開閉器１４０を開放している。出力端子１１６ａ、１１６ｂに直流電圧が供給されている状態で、高周波発生器１２８が作動すると、母材１１８ａとトーチ１１８ｂとの間のギャップの絶縁が破壊され、アーク電圧が発生し、直流の負荷電流が母材１１８ａ、トーチ１１８ｂに流れる。
【００２７】
この負荷電流を表した電流検出信号が電流検出器１２０からパルス電流検出器１２１の増幅器１３２、１３４に供給されて、増幅され、制御回路１２２に供給される。これによって制御回路１２２は、増幅された電流検出信号が基準信号と等しくなるように制御信号を駆動回路１２６に供給する。これによって負荷電流は、基準信号に対応した一定電流に制御される。このとき、負荷電流は５Ａよりも大きな値であり、かつ一定値であるので、パルス電流検出器１２１のサンプルホールド回路１３６の動作は無く、シーケンサ制御装置１３８は正規に動作し、負荷電流が流れたことに応じて、シーケンス回路を動作させ、不活性ガスの供給等の制御を開始する。
【００２８】
同時に、負荷電流によって充電用コンデンサ１５０が充電用ダイオード１４８を介して充電され、出力端子１１６ａ、１１６ｂ間の電圧よりも充電用コンデンサ１５０の両端間電圧が高くなったとき、放電用抵抗器１５２を介して放電が行われるが、負荷電流が５Ａよりも大きな値であり、放電電流の値は負荷電流に比較して小さな値であるので、負荷電流には殆ど影響を与えない。
【００２９】
負荷電流の平均値が５Ａ以下、例えば１Ａ（図３に一点鎖線で示す。）になるように、基準電源１２４からの基準信号を設定した状態では、パルス電流切替器１４６の指令信号によって開閉器１４０が開閉を繰り返す。開閉器１４０が閉成されている期間中、駆動回路１２６には、制御回路１２２からの制御信号にパルス電流設定用電源１３９からの信号が重畳されている。その結果、開閉器１４０が閉成されている期間中、変圧器１１０の二次巻線１１０Ｓに誘起される高周波電圧は上昇し、これがダイオード１１２、１１２、平滑リアクトル１１４によって平滑されるが、全体を平滑できないため、そのピーク電圧によって充電用コンデンサ１５０が充電される。このとき、負荷にはパルス電流ＩＰが流れる。
【００３０】
一方、負荷電流が５Ａ以下の値、例えば１Ａになるように基準電源１２４が設定されているので、電流検出器１２０を流れる負荷電流が平均して１Ａとなるように制御回路１２２は制御信号を発生している。そのため、パルス電流ＩＰが例えば５Ａであると、パルス電流ＩＰの間のベース電流は、図３にＩＢ１として示すように１Ａよりも小さな値になる。そのため、アーク切れが生じやすくなる。しかし、パルス電流ＩＰが流れていない間、充電用コンデンサ１５０の両端間電圧は、出力端子１１６ａ、１１６ｂ間の電圧よりも大きな値であるので、充電用コンデンサ１５０は放電用抵抗器１５２を介して放電し、出力端子１１６ａから出力端子１１６ｂに向かって流れる。この結果、負荷電流は、符合ＩＢ２で示すように、放電電流によって嵩上げされ、ベース電流の均一化が行われ、アーク切れを防止することができる。
【００３１】
従って、アーク切れを生じることなく、小型の電子部品等を小電流で溶接することができる。しかも、この小電流を流す際のパルス電流の発生は、インバータ１０８の駆動回路１２６側にパルス電流設定用電源１３９や開閉器１４０、パルス電流切替器１４６を設けるだけで行える。
【００３２】
また、パルス電流ＩＰが始めて流れたとき、電流検出器１２０からの電流検出信号にもパルス電流ＩＰに対応してパルス状になっているが、これが増幅器１３４で充分に増幅された後、サンプルホールド回路１３６に供給されるので、サンプルホールド回路１３６でのサンプルホールドが容易になり、シーケンス制御回路を動作させるのに充分に大きい信号をシーケンス制御装置１３８に供給することができる。
【００３３】
上記の実施の形態では、本発明をＴＩＧ溶接機に実施したが、他の溶接機に実施することもできる。また、上記の実施の形態では、パルス電流ＩＰの値を５Ａとしたが、これに限ったものではなく、他の値にすることもできるし、或いは例えば基準電源１２４の基準信号に応じて可変させることもできる。上記の実施の形態では、制御回路１２２からの制御信号にパルス電流設定用電源１３９からのパルス電流設定用の基準信号を重畳したが、制御回路１２２に供給されるパルス電流検出器１２１からの信号または基準電源１２４からの基準信号にパルス電流設定用の基準信号を重畳してもよい。上記の実施の形態では、出力端子１１６ａ側に母材１１８ａを接続し、出力端子１１６ｂにトーチ１１８ｂを接続したが、逆に出力端子１１６ａにトーチ１１８ｂを接続し、出力端子１１６ｂに母材１１８ａを接続してもよい。また、開閉器１４０は、機械的な開閉器だけでなく、電子式の開閉器も使用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷電流が小電流のとき、ピーク値が上記小電流よりも大きいパルス電流を供給するように構成しているので、シーケンス回路を確実に作動させることができるし、ピーク値が設定されている小電流よりも大きいパルス電流が流れているとき、確実にアークも維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態のＴＩＧ溶接機のブロック図である。
【図２】図１のＴＩＧ溶接機において使用するパルス電流検出器の詳細なブロック図である。
【図３】図１のＴＩＧ溶接機において負荷電流が小電流であるときの負荷電流を示す図である。
【図４】従来のＴＩＧ溶接機のブロック図である。
【図５】図４のＴＩＧ溶接機における負荷電圧と負荷電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０４ 整流器（直流電源）
１０６ 平滑用コンデンサ（直流電源）
１０８ インバータ（高周波変換手段）
１１０ 変圧器（変成器）
１１２ 整流ダイオード（直流化手段）
１１４ 平滑用リアクトル（直流化手段）
１２０ 電流検出器（電流検出手段）
１２２ 制御回路（制御手段）
１３９ パルス電流設定用電源（パルス電流供給手段）
１４０ 開閉器（パルス電流供給手段）
１４６ パルス電流切替器（パルス電流供給手段）
１４８ 充電用ダイオード(充放電手段）
１５０ 充電用コンデンサ(充放電手段）
１５２ 放電用抵抗器(充放電手段）

Claims (2)

1. 直流電源と、
   この直流電源からの直流信号を高周波信号に変換する高周波変換手段と、
   前記高周波信号を変成する変成器と、
   この変成器からの変成高周波信号を変換した負荷電流を、溶接負荷に供給する直流化手段と、
   前記負荷電流が基準信号に対応したものとなるように制御信号を生成する制御手段と、
   この制御信号に基づいて前記高周波変換手段を制御する駆動手段と、
   前記基準信号が予め定めた値以下に設定されたとき、前記制御信号に周期的に発生するパルス信号を重畳して前記駆動手段に供給し、前記予め定めた値以下に設定された前記基準信号に対応する電流よりも大きいピーク値を有するパルス電流を、前記パルス信号に対応して、前記負荷電流に周期的に発生させるパルス電流供給手段と、
   具備し、
   前記パルス信号の発生に対応して前記直流化手段を流れるパルス電流によって充電され、前記パルス信号の非発生時に放電する充放電手段を、前記直流化手段の出力側に設けた溶接機。
2. 請求項１記載の溶接機において、前記パルス信号の発生に対応して前記直流化手段にパルス電流が流れたとき、これに応動して動作するシーケンス制御装置が設けられているＴＩＧ溶接機。

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