特許 6444804 プラズマ溶接電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6444804

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】プラズマ溶接電源装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 10/00 20060101AFI20181217BHJP

   B23K 10/02 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   B23K10/00 502C

   B23K10/02 A

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-94734(P2015-94734)

(22)【出願日】2015年5月7日

(65)【公開番号】特開2016-209899(P2016-209899A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2017年11月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(72)【発明者】

【氏名】蒲生 勇

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２７５２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０１９８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５５３０２２０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １０／００

Ｂ２３Ｋ １０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

メイン電流を生成する主電源生成部と、前記メイン電流を検出して出力する出力電流検出回路と、パイロットアーク電流を生成するパイロット生成部と、前記パイロットアーク電流を検出して出力するパイロット電流検出回路と、第１の出力電流の値に基づいて前記主電源生成部を出力制御する主制御回路と、トーチと被加工物との間にアークを発生させるために高周波高電圧を発生する高周波発生回路と、を備え、
前記メイン電流を前記トーチに供給する前に前記パイロットアーク電流を前記トーチに供給するプラズマ溶接電源装置であって、
前記パイロット生成部には、２次スイッチング素子、リアクトル及び開閉器を有し、
前記主制御回路は、起動信号の入力に応じて前記パイロット生成部の前記２次スイッチング素子を導通すると共に前記開閉器の接点を閉にし、前記リアクトルに前記パイロットアーク電流を供給して電力を充電し、前記リアクトルの充電が所定値になると前記開閉器の接点を閉から開にし、前記リアクトルに充電された電力を前記トーチに放出すると共に前記パイロットアーク電流を前記トーチに供給する、ことを特徴とするプラズマ溶接電源装置。

【請求項2】

前記主制御回路は、前記パイロット電流検出回路で検出されるパイロット電流の値が予め定めた電流基準値になると前記開閉器の接点を閉から開にする、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶接電源装置。

【請求項3】

前記主制御回路は、前記パイロット電流の値が前記電流基準値になってから予め定めた時間後に前記開閉器を閉から開にする、ことを特徴とする請求項２の記載のプラズマ溶接電源装置。

【請求項4】

前記主制御回路は、前記パイロット電流の値が前記電流基準値より大きくなると前記高周波高電圧を発生させる、ことを特徴とする請求項２〜３のいずれか１項に記載のプラズマ溶接電源装置。

【請求項5】

前記主制御回路は、前記開閉器が閉から開になってから予め定めた時間後に前記メイン電流を前記トーチに供給する、ことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ溶接電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ溶接電源装置のスタートを向上させる技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

プラズマ溶接において、プラズマ溶接電源装置にて生成した出力電力をトーチに供給すると共に前記トーチにプラズマガスも供給し、これらが協働してトーチ・母材間にプラズマアークを生じさせ溶接を行うものである。このようなプラズマ溶接に用いるトーチとしては、中心に電極を有し、電極周りにプラズマガス噴射用で二重構造をなすノズル、更にその周りにシールドガス噴射用のノズルを有する構成のものが知られている。

【0003】

図３は、従来のプラズマ溶接電源装置の接続図である。
同図において、メイン電流を生成する主電源生成部は、一次側整流回路ＤＲ１、インバータ回路ＩＮＶ、主変圧器Ｔ１、二次側整流回路ＤＲ２、直流リアクトルＤＣＬ及び出力電流検出回路ＩＤ１で形成されている。

【0004】

図３に示す一次側整流回路ＤＲ１は、商用交流電圧を直流電圧に整流してインバータ回路ＩＮＶに入力する。インバータ回路ＩＮＶは、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いたフルブリッジ回路を形成し、スイッチング動作により直流電圧を高周波交流電圧に変換する。インバータ回路ＩＮＶは、主制御回路ＳＣによるスイッチング制御（ＰＷＭ制御）が行われる。主変圧器Ｔ１は、高周波交流電圧をプラズマアーク溶接に適した電圧に変換して出力する。そして、二次側整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬにより直流電圧に変換する。

【0005】

図３において、パイロットアーク電流を生成するパイロット生成部は、補助変圧器Ｔ２、二次側整流回路ＤＲ３、平滑コンデンサＣ１、２次スイッチング素子ＴＲ１、ダイオードＤ１、リアクトルＬ及びパイロット電流検出回路ＩＤ２で形成されている。

【0006】

図３に示す主制御回路ＳＣは、パイロット電流検出回路ＩＤ２にて検出されたパイロット電流検出信号Ｉｄ２の値に基づいてパイロット生成部の２次スイッチング素子ＴＲ１を制御し、予め設定した値のパイロットアーク電流を出力させる。

【0007】

図３に示す、プラズマガス噴射用の二重ノズル構造をなすトーチＴＨにおいて、電極ａ側から順に第１ノズルｂ、第２ノズルｃとし、アークスタートを行う際に先ず、高周波回路ＨＦにて生成した高周波高電圧が電極ａと第１ノズルｂとの間に印加させて高周波高電圧を発生させる。この状態でパイロット生成部を起動してパイロットアーク電流を出力すると高周波高電圧により点弧しパイロットアークが電極ａと第２ノズルｂとの間に発生する。そして、主電源生成部が起動してメイン電流を出力すると電極ａと被加工物Ｍとの間にパイロットアークからメインアークへと移行する。、

【0008】

このように、溶接を行う際に待機状態としてパイロットアークを点弧させておき、実溶接に移行する際には主電源生成部にて生成したメイン電流が電極ａと母材Ｍとの間に供給されてメインアークへと移行する。
しかし、従来ではパイロット生成部の無負荷電圧が低いために、パイロットアークが点弧しないときがある。この対策として、特許文献１のように、高周波高電圧に代わって直流高電圧を印加してアークスタート性を向上させる方法もあるが、高耐圧の部品を必要とするためコストアップに繋がってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平１１−２５４１４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従来のプラズマ溶接装置では、起動信号Ｔｓのオンに応じて高周波を発生させてパイロットアークを点弧させていた。しかし、パイロット生成部の無負荷電圧が低いために、パイロットアークが点弧する寸前に消弧してしまうことが度々あった。
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、その目的は、パイロットアークのスタート性を向上させることができるプラズマ溶接電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明は、メイン電流を生成する主電源生成部と、前記メイン電流を検出して出力する出力電流検出回路と、パイロットアーク電流を生成するパイロット生成部と、前記パイロットアーク電流を検出して出力するパイロット電流検出回路と、第１の出力電流の値に基づいて前記主電源生成部を出力制御する主制御回路と、トーチと被加工物との間にアークを発生させるために高周波高電圧を発生する高周波発生回路と、を備え、
前記メイン電流を前記トーチに供給する前に前記パイロットアーク電流を前記トーチに供給するプラズマ溶接電源装置であって、
前記パイロット生成部には、２次スイッチング素子、リアクトル及び開閉器を有し、
前記主制御回路は、起動信号の入力に応じて前記パイロット生成部の前記２次スイッチング素子を導通すると共に前記開閉器の接点を閉にし、前記リアクトルに前記パイロットアーク電流を供給して電力を充電し、前記リアクトルの充電が所定値になると前記開閉器の接点を閉から開にし、前記リアクトルに充電された電力を前記トーチに放出すると共に前記パイロットアーク電流を前記トーチに供給する、ことを特徴とするプラズマ溶接電源装置である。

【0012】

請求項２記載の発明は、前記主制御回路は、前記パイロット電流検出回路で検出されるパイロット電流の値が予め定めた電流基準値になると前記開閉器の接点を閉から開にする、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶接電源装置である。

【0013】

請求項３記載の発明は、前記主制御回路は、前記パイロット電流の値が前記電流基準値になってから予め定めた時間後に前記開閉器を閉から開にする、ことを特徴とする請求項２の記載のプラズマ溶接電源装置である。

【0014】

請求項４記載の発明は、前記主制御回路は、前記パイロット電流の値が前記電流基準値より大きくなると前記高周波高電圧を発生させる、ことを特徴とする請求項２〜３のいずれか１項に記載のプラズマ溶接電源装置である。

【0015】

請求項５記載の発明は、前記主制御回路は、前記開閉器が閉から開になってから予め定めた時間後に前記メイン電流を前記トーチに供給する、ことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ溶接電源装置である。

【発明の効果】

【0016】

本発明では、パイロットアークを発生させるとき、リアクトルに充電した電力を放出するときに、放出エネルギーによりアーク発生時に一瞬無負荷電圧が高くなることで、アークのスタート性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態のプラズマ溶接電源装置のブロック図である。

【図2】実施形態の動作を説明する波形図である。

【図3】従来技術のプラズマ溶接電源装置のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１及び図２を参照して本発明の実施形態の動作について説明する。
図１は、本発明の実施形態のプラズマ溶接装置のブロック図である。同図において、図３に示す従来技術のプラズマ溶接装置のブロック図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

【0019】

図１に示す主電源生成部は、溶接に用いるメインアークの電力を生成する回路である。このような主電源生成部のマイナス側はマイナス側出力端子Ｔ１、プラス側の出力端子はプラス側出力端子Ｔ２に接続されている。つまり、主電源生成部にて生成されるメインアーク電力は、出力端子Ｔ１，Ｔ２から出力される。

【0020】

パイロット生成部は、溶接を行う際に待機状態としてパイロットアークを点弧させておくパイロットアーク電流を生成する回路である。パイロット生成部は、補助変圧器Ｔ２、二次側整流回路ＤＲ３、平滑コンデンサＣ１、２次スイッチング素子ＴＲ１、ダイオードＤ１、リアクトルＬ、パイロット電流検出回路ＩＤ２及び開閉器ＣＨで形成されている。そして、パイロット生成部は、パイロットアークの点弧に適した予め定めた電流を出力するために定電流制御が行われる。また、パイロット生成部のマイナス側出力端子は、主電源生成部と共通のマイナス側出力端子Ｔ１に接続されている。一方、パイロット生成部のプラス側出力端子は、電源装置の出力端子Ｔ３に接続される。

【0021】

図１に示す主制御回路ＳＣは、起動信号Ｔｓの入力に応じて２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１を出力し、インバータ稼動信号Ｐ−Ｗｃｒの入力に応じて第１の主制御信号Ｓｃ１及び第２の主制御信号Ｓｃ２を出力する。そして、パイロット電流検出回路ＩＤ２にて検出されてパイロット電流検出信号Ｉｄ２の値が予め定めた電流基準値になると高周波駆動信号Ｈｆを出力する。

【0022】

パイロット制御部は、図１に示す遅延回路ＳＬ、開閉器駆動回路ＣＲ及びインバータ起動回路Ｐ−ＷＣＲで形成されている。そして、遅延回路ＳＬは、遅延開始信号Ｓｏ及びスイッチング素子駆動信号Ｔｒ１の入力に応じて予め定めた時間Ｔａの遅延信号Ｓｌを出力する。開閉器駆動回路ＣＲは、開閉器駆動信号Ｃｒを出力し、遅延信号Ｓｌの入力に応じて開閉器駆動信号Ｃｒの出力を停止する。開閉器ＣＨは、開閉器駆動信号Ｃｒが入力中は開閉接点Ｃｈ１を閉にする。

【0023】

図１に示すトーチＴＨは、中心に電極ａが設けられ、その外側に第１ノズルｂが、更にその外側に第２ノズルｃが、最も外側にシールドキャップｄが設けられてなる。電極ａと第１ノズルｂとの間、及び第１ノズルｂと第２ノズルｃとの間からはそれぞれプラズマガスが噴射され、第２ノズルｃとシールドキャップｄとの間からはシールドガスが噴射される。ガスの供給路及び供給源については図示を省略している。このようなトーチＴＨは、電極ａがプラズマ溶接電源装置の出力端子Ｔ１と、第１ノズルｂが出力端子Ｔ４と、第２ノズルｃが出力端子Ｔ３とそれぞれ接続される。溶接対象の被加工物Ｍは、電源装置の出力端子Ｔ２と接続される。

【0024】

図１に示す主制御回路ＳＣは、インバータ回路ＩＮＶ、２次スイッチング素子ＴＲ１、高周波発生回路ＨＦの動作を制御する。また、プラズマガス及びシールドガスの噴射時期や噴射量等についても制御し、プラズマアーク溶接に係る動作の統括的な制御を行っている。

【0025】

図２は、実施形態の動作を説明する波形図であり、同図（Ａ）の波形は開閉器駆動信号Ｃｒを示し、同図（Ｂ）の波形は起動信号Ｔｓを示し、同図（Ｃ）の波形は第１の主制御信号Ｓｃ１を示し、同図（Ｄ）の波形は第２の主制御信号Ｓｃ２を示し、同図（Ｅ）の波形は２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１を示し、同図（Ｆ）の波形はパイロット電流検出信号を示し、同図（Ｇ）の波形は高周波駆動信号Ｈｆを示し、同図（Ｈ）の波形は遅延信号Ｓｌを示し、同図（Ｉ）の波形はパイロット電圧波形Ｖｃｉを示し、同図（Ｊ）の波形はインバータ開始信号Ｐ−Ｗｃｒを示し、同図（Ｉ）の波形はメイン電流検出信号Ｉｄ１を示す。

【0026】

次に、プラズマ溶接電源装置の動作、特にパイロットアークのスタート時の動作を中心に図１及び図２を用いて説明する。尚、ガスの噴射態様についてはその時々で適切に行われるものとし、以下の説明では省略する。

【0027】

図２（Ｂ）に示す起動信号Ｔｓが時刻ｔ＝ｔ１において、主制御回路ＳＣに入力されると、主制御回路ＳＣは、図２（Ｅ）に示す２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１を出力すると共に開閉器駆動回路ＣＲを駆動させて図２（Ａ）に示す開閉器駆動信号Ｃｒを出力する。図１に示す２次スイッチング素子ＴＲ１に２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１が入力すると導通し、開閉器ＣＨに開閉器駆動信号Ｃｒが入力すると開閉接点Ｃｈ１は閉になる。

【0028】

時刻ｔ＝ｔ１において、開閉接点Ｃｈ１が閉になり２次スイッチング素子ＴＲ１が導通すると、パイロット電流が開閉接点Ｃｈ１を介してリアクトルＬに供給され電力が充電される。

【0029】

図１に示すパイロット電流検出回路ＩＤ２にて電流が検出されて図２（Ｆ）示すパイロット電流検出信号Ｉｄ２として出力する。主制御回路ＳＣは、パイロット電流検出信号Ｉｄ２の値と予め定めた電流基準値Ｉｒｆとを比較し、電流基準値Ｉｒｆになるｔ＝ｔ２のときに、リアクトルＬの電力が充電されたと判別する。そして、図２（Ｇ）に示す高周波駆動信号Ｈｆを出力し、トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電を開始する。

【0030】

時刻ｔ＝ｔ２において、主制御回路ＳＣは、パイロット電流検出信号Ｉｄ２の値が電流基準値Ｉｒｆになると図示省略の遅延開始信号Ｓｏを出力して遅延回路ＳＬを動作させる。そして、図２（Ｈ）に示す予め定めた遅延時間（Ｔａ）の遅延信号Ｓｌを出力する。
さらに、パイロット電流検出信号Ｉｄ２の値が増加し、時刻ｔ＝ｔ３において、予め設定されたパイロット電流設定値（例えば、１０Ａ）に達すると、この電流値を維持するために２次スイッチング素子ＴＲ１をＰＷＭ制御で定電流制御を行う。
また、遅延時間（Ｔａ）は、時刻ｔ＝ｔ２から、図２（Ｅ）に示す２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１が最初にＨｉｇｈレベルになる１周期遅れのｔ＝ｔ３とする。また、２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１がＨｉｇｈレベル期間中、例えばｔ＝ｔ４としてもよい。

【0031】

パイロット電流が開閉接点Ｃｈ１を介してリアクトルＬに電力の充電が完了し、且つ、２次スイッチング駆動信号Ｔｒ１がＨｉｇｈレベルの時刻ｔ＝ｔ４において、図２（Ｈ）示す遅延信号ＳｌをＬｏｗレベルにする。このとき開閉器駆動回路ＣＲは、遅延信号ＳｌをＬｏｗレベルに応じて図２（Ａ）に示す開閉器駆動信号ＣｒをＬｏｗレベルにし、開閉器ＣＨの開閉接点Ｃｈ１を閉から開にする。

【0032】

トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電を維持している時刻ｔ＝ｔ４において、開閉接点Ｃｈ１を閉から開にするとリアクトルＬに充電されている電力は、出力端子Ｔ３からトーチＴＨの第２ノズルｃに供給される。この時、電極ａと第１ノズルｂとの間に高周波放電が生じている状態でリアクトルＬに充電された電力が放電されると、電極ａと第２ノズルｃとの間に、図２（Ｉ）示す高電圧のパイロット電圧Ｖｃｉが印加されパイロットアークが容易に点弧する。

【0033】

インバータ起動回路Ｐ−ＷＣＲは、時刻ｔ＝ｔ４において開閉器駆動信号ＣｒがＬｏｗレベルになってから、主制御回路ＳＣは、パイロット電流検出信号Ｉｄ２の値とパイロット電流設定値（例えば、１０Ａ）とを比較し、パイロット電流値がパイロット電流設定値と等しくなり安定して制御される図２（Ｊ）に示す時刻ｔ＝ｔ５において、インバータ開始信号Ｐ−Ｗｃｒを出力にする。主制御回路ＳＣは、インバータ稼動信号Ｐ−ＷｃｒがＨｉｇｈレベルになると第１の主制御信号Ｓｃ１及び第２の主制御信号Ｓｃ２を出力し、電源装置の出力端子Ｔ２と母材Ｍに電力が供給され、先のパイロットアークを拠り所として電極ａと母材Ｍとの間にメインアークが点弧するようになっている。

【0034】

高周波放電を図２（Ｊ）に示すインバータ稼動信号Ｐ−ＷｃｒがＨｉｇｈレベルになる、時刻ｔ＝ｔ５のときに図２（Ｇ）に示す高周波駆動信号ＨｆをＬｏｗレベルにして、トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間の高周波放電を停止させる。また、図２（Ｋ）に示す第１の電流検出信号Ｉｄ１の値が予め定めた溶接電流基準値Ｗｃｒより大きくなる時刻ｔ＝ｔ６において、図２（Ｇ）に示す高周波駆動信号ＨｆをＬｏｗレベルにして、トーチＴＨの電極ａと第１ノズルｂとの間の高周波放電を停止させてもよい。

【0035】

本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）パイロットアーク電流が第２ノズルｃに供給されると同時にリアクトルＬに充電された電力が出力端子Ｔ３からトーチＴＨの第２ノズルｃに供給される。この電力が供給されるときに発生する高電圧がパイロットアーク電圧に重畳され、図２（Ｉ）示す高電圧化されたパイロット電圧Ｖｃｉが電極ａと第２ノズルｃとの間に印加されパイロットアークが容易に点弧でき、スタート向上に繋がる。
よって、再スタートを繰り返すことが抑制でき、品質向上及び作業の効率化に繋がる。
（２）メインアーク電力を生成する主電源生成部と、パイロットアーク電力を生成するパイロット生成部とを別々の電力生成部として構成したことで、それぞれ特化した回路構成及び制御と行うことができる。

【0036】

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
オン・オフ動作として、切替可能なスイッチ手段として開閉器を用いているがスイッチ手段の構成はこれに限らない。例えば、半導体スイッチ素子でもよい。

【符号の説明】

【0037】

Ｃ１ 平滑コンデンサ
ＣＲ 開閉器駆動回路
Ｃｒ 開閉器駆動信号
ＣＨ 開閉器
Ｃｈ１ 開閉接点
ＤＲ１ 一次整流回路
ＤＲ２ 二次整流回路
ＤＲ３ 二次整流回路
Ｄ１ ダイオード
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＨＦ 高周波発生回路
Ｈｆ 高周波駆動信号
ＩＤ１ 出力電流検出回路
Ｉｄ１ 出力電流検出信号
ＩＤ２ パイロット電流検出回路
Ｉｄ２ パイロット電流検出信号
ＩＮＶ インバータ回路
Ｌ リアクトル
Ｍ 被加工物
ＳＣ 主制御回路
Ｓｃ１ 第１の主制御信号
Ｓｃ２ 第２の主制御信号
ＳＬ 遅延回路
Ｓｌ 遅延信号
Ｔ１ 主変圧器
Ｔ２ 補助変圧器
ＴＲ１ ２次スイッチング素子
Ｔｒ１ ２次スイッチング駆動信号
Ｔｓ 起動信号
ＴＨ トーチ
Ｐ−ＷＣＲ インバータ起動回路
Ｐ−Ｗｃｒ インバータ稼動信号

【図1】

【図2】

【図3】