特許 7539003 溶接装置

(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】

(24)【登録日】2024-08-15

(45)【発行日】2024-08-23

(54)【発明の名称】溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/073 20060101AFI20240816BHJP

【ＦＩ】

B23K9/073 530

B23K9/073 560

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022530522

(86)(22)【出願日】2021-06-03

(86)【国際出願番号】 JP2021021210

(87)【国際公開番号】W WO2021251267

(87)【国際公開日】2021-12-16

【審査請求日】2024-05-17

(31)【優先権主張番号】P 2020102626

(32)【優先日】2020-06-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】玉川 健太

(72)【発明者】

【氏名】堀江 宏太

【審査官】齋藤 健児

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－４６６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－８４５７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極と被加工物との間に交流電圧を印加することでアークを発生させる溶接装置であって、
前記交流電圧の極性を、前記被加工物を前記電極よりも高電位とする正極性と、前記被加工物を前記電極よりも低電位とする逆極性とに切り替えるインバータ回路と、
コンデンサと、
前記コンデンサを充電する充電回路と、
前記電極から前記被加工物にアーク放電により流れる電流を、前記コンデンサの放電により増加させる放電動作を行う放電回路と、
前記交流電圧の極性を、前記正極性から前記逆極性に切り替えるときに、前記放電回路に前記放電動作を前記交流電圧の周期の５％以下の放電期間だけ連続して行わせる制御部とを備えていることを特徴とする溶接装置。

【請求項2】

請求項１に記載の溶接装置において、
前記放電期間は、前記交流電圧の周期の３％以下であることを特徴とする溶接装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の溶接装置において、
前記交流電圧の周波数は、６００Ｈｚ以上であることを特徴とする溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電極と被加工物との間に交流電圧を印加することでアークを発生させる溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示された溶接装置は、交流電圧の極性を、被加工物を電極よりも高電位とする正極性と、前記被加工物を前記電極よりも低電位とする逆極性とに切り替えるインバータ回路と、コンデンサと、前記コンデンサを充電する充電回路と、前記電極から前記被加工物にアーク放電により流れる電流を、前記コンデンサの放電により増加させる放電動作を行う放電回路と、前記交流電圧の極性を、前記正極性から前記逆極性に切り替えるときに、前記放電回路に前記放電動作を行わせる制御部とを備える。この溶接装置では、前記交流電圧の極性を、前記正極性から前記逆極性に切り替えるときに、電極から被加工物にアーク放電により流れる電流を、コンデンサの放電により増加させるので、アーク切れが発生しにくい。なお、交流電圧の周波数は５００Ｈｚに設定され、制御部が放電回路に前記放電動作を行わせる放電期間は、前記交流電圧の極性を、正極性から逆極性に切り替えてから３００μ秒に設定されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－８９０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、特許文献１では、放電回路に前記放電動作を行わせる期間が、交流電圧の周期の１５％を占めるので、放電動作による溶接電流の変化量が、溶接電流の実効値に大きく影響し、溶接時の不具合を招く虞がある。かかる問題は、比較的小さい電流で溶接を行う場合に特に顕著になる。具体的には、低い電流域で溶接電流の実効値が上昇し、被加工物が薄板等である場合に、被加工物が溶け落ちる現象等が発生する可能性が生じる。

【0005】

本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様では、電極と被加工物との間に交流電圧を印加することでアークを発生させる溶接装置であって、前記交流電圧の極性を、前記被加工物を前記電極よりも高電位とする正極性と、前記被加工物を前記電極よりも低電位とする逆極性とに切り替えるインバータ回路と、コンデンサと、前記コンデンサを充電する充電回路と、前記電極から前記被加工物にアーク放電により流れる電流を、前記コンデンサの放電により増加させる放電動作を行う放電回路と、前記交流電圧の極性を、前記正極性から前記逆極性に切り替えるときに、前記放電回路に前記放電動作を前記交流電圧の周期の５％以下の放電期間だけ連続して行わせる制御部とを備えていることを特徴とする。

【0007】

この態様によると、放電期間を、交流電圧の周期の５％より長くする場合に比べ、放電動作による溶接電流の変化量が溶接電流の実効値に与える影響を小さくできるので、放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制できる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示の実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。

【図2】図２は、溶接電源の回路図である。

【図3】図３は、第２のインバータ回路の回路図である。

【図4】図４は、充電回路の回路図である。

【図5】図５は、放電回路の回路図である。

【図6】図６は、極性切替信号、溶接電流、コンデンサの電圧、充電信号、及び放電信号を示すタイミングチャートである。

【図7】図７は、逆極性の期間中ずっと放電動作を行わせた場合の図６相当図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について図面に基づいて説明する。

【0011】

図１は、本開示の実施形態に係る溶接装置１を示す。この溶接装置１は、溶接トーチ１０と、溶接電源２０とを備えている。この溶接装置１は、溶接トーチ１０が非消耗電極式のトーチである交流ＴＩＧ溶接装置である。

【0012】

溶接トーチ１０は、図示しないガス供給装置から供給されるシールドガスＳＧを噴出するノズル１１を有している。ノズル１１の内側には、略筒状のコレット１２が、ノズル１１の噴出方向に沿うように配設されている。このコレット１２の内側には、棒状のタングステン電極ＴＥが固定されている。

【0013】

溶接電源２０は、溶接トーチ１０のタングステン電極ＴＥと被加工物（ワーク）Ｗとの間に交流電圧を印加することでアークＡを発生させる。

【0014】

作業者は、この溶接装置１によって、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間にアークＡを発生させることにより、被加工物Ｗに溶融池Ｐを形成し、この溶融池Ｐに溶加棒Ｒを挿入することにより、溶接ビードを形成できる。

【0015】

詳しくは、溶接電源２０は、図２に示すように、第１の整流平滑回路２１と、第１のインバータ回路２２と、第１のトランス２３と、第２の整流平滑回路２４と、第１及び第２のリアクトル２５，２６と、第２のインバータ回路２７と、再点弧回路３０と、制御装置４０とを備えている。

【0016】

第１の整流平滑回路２１は、商用電源２から入力される入力交流電力を直流電力に変換して出力する。

【0017】

第１のインバータ回路２２は、例えば、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、４つのスイッチング素子（図示せず）を備えている。第１のインバータ回路２２は、これら４つのスイッチング素子を、制御装置４０によって出力されるスイッチング信号Ｓ１に応じてスイッチングさせることで、第１の整流平滑回路２１によって出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。ここで、第１のインバータ回路２２の出力電圧を第１の交流電圧とする。なお、第１のインバータ回路２２として、ハーフブリッジ型のインバータ等、他の構成のインバータ回路を用いてもよい。

【0018】

第１のトランス２３は、第１のインバータ回路２２によって出力された第１の交流電圧を第２の交流電圧に変化させて出力する。第１のトランス２３は、第１の一次コイル２３ａと第１の二次コイル２３ｂとを有している。第１の一次コイル２３ａには、第１のインバータ回路２２によって出力された第１の交流電圧が印可される。第１の二次コイル２３ｂの電圧は、第２の交流電圧となる。

【0019】

第２の整流平滑回路２４は、第１のトランス２３によって出力された第２の交流電圧を第１の直流電圧に変換して正出力端子２４ａ及び負出力端子２４ｂから出力する。第２の整流平滑回路２４は、４つのダイオード２４ｃからなるダイオードブリッジ回路である。

【0020】

第２のインバータ回路２７は、図３に示すように、単相ハーフブリッジ型のインバータ回路である。第２のインバータ回路２７は、第１及び第２の入力端子２７１，２７２と、第１及び第２の入力端子２７１，２７２間に互いに直列に接続された上アームスイッチング素子２７３及び下アームスイッチング素子２７４とを備えている。上アームスイッチング素子２７３には、制御装置４０によって出力される極性切替信号Ｓ２が入力される一方、下アームスイッチング素子２７４には、極性切替信号Ｓ２を反転させた信号が入力される。第２のインバータ回路２７の第１の入力端子２７１は、第１のリアクトル２５を介して第２の整流平滑回路２４の正出力端子２４ａに接続されている。第２のインバータ回路２７の第２の入力端子２７２は、第２のリアクトル２６を介して第２の整流平滑回路２４の負出力端子２４ｂに接続されている。第２のインバータ回路２７の出力端子２７５は、被加工物Ｗに接続されている。

【0021】

したがって、上アームスイッチング素子２７３をオンし、かつ下アームスイッチング素子２７４をオフした状態で、第２のインバータ回路２７は、被加工物Ｗをタングステン電極ＴＥよりも高電位とする一方、上アームスイッチング素子２７３をオフし、かつ下アームスイッチング素子２７４をオンした状態で、第２のインバータ回路２７は、被加工物Ｗをタングステン電極ＴＥよりも低電位とする。所定の周期でハイレベルとローレベルとに切り替わるパルス信号を極性切替信号Ｓ２として第２のインバータ回路２７に入力すると、第２のインバータ回路２７は、被加工物Ｗとタングステン電極ＴＥとの間に印可する交流電圧の極性を、被加工物Ｗをタングステン電極ＴＥよりも高電位とする正極性と、被加工物Ｗをタングステン電極ＴＥよりも低電位とする逆極性とに周期的に切り替える。

【0022】

再点弧回路３０は、コンデンサ３１と、第１のダイオード３２と、電圧センサ３３と、充電回路３４と、放電回路３５とを備えている。

【0023】

コンデンサ３１の一方の電極は、第１のダイオード３２を介して第１のトランス２３の第１の二次コイル２３ｂの中途部に接続されている。

【0024】

第１のダイオード３２のカソードは、コンデンサ３１の一方の電極に接続され、第１のダイオード３２のアノードは、第１のトランス２３の第１の二次コイル２３ｂの中途部に接続されている。

【0025】

電圧センサ３３は、コンデンサ３１の電圧を測定し、測定値ＭＶを出力する。

【0026】

充電回路３４は、図４に示すように、第３の整流平滑回路３４１と、第２のトランス３４２と、充電用スイッチング素子３４３と、駆動回路３４４と、第２及び第３のダイオード３４５，３４６と、第３のリアクトル３４７とを有している。

【0027】

第３の整流平滑回路３４１は、商用電源２から入力される入力交流電圧を直流電圧に変換して出力する。

【0028】

第２のトランス３４２は、第３の整流平滑回路３４１によって出力された直流電圧から充電用スイッチング素子３４３のソースドレイン間電圧を引いた電圧を、充電用直流電圧に変圧して出力する。第２のトランス３４２は、第２の一次コイル３４２ａと第２の二次コイル３４２ｂとを有している。第２の一次コイル３４２ａには、第３の整流平滑回路３４１によって出力された直流電圧から充電用スイッチング素子３４３のソースドレイン間電圧を引いた電圧が印可される。第２の二次コイル３４２ｂの電圧は、充電用直流電圧となる。

【0029】

充電用スイッチング素子３４３は、第３の整流平滑回路３４１と第２のトランス３４２の第２の一次コイル３４２ａとの接続をオンオフする。充電用スイッチング素子３４３は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成されている。

【0030】

駆動回路３４４は、電圧センサ３３の測定値ＭＶが所定の充電電圧ＣＶ未満であり、かつ制御装置４０によって出力される充電信号Ｓ３がハイレベルであるという条件が満たされたときに充電用スイッチング素子３４３をオンする一方、当該条件が満たされない場合には充電用スイッチング素子３４３をオフする。

【0031】

第２のダイオード３４５のカソードと第３のダイオード３４６のカソードとは、互いに接続されている。

【0032】

第２の二次コイル３４２ｂの一端には、第２のダイオード３４５のアノードが接続され、第２の二次コイル３４２ｂの他端には、第３のダイオード３４６のアノードが接続されている。第２の二次コイル３４２ｂと第３のダイオード３４６との接続点は、コンデンサ３１の第２のインバータ回路２７側（被加工物Ｗ側）に接続されている。

【0033】

第３のリアクトル３４７の一端は、第２のダイオード３４５及び第３のダイオード３４６の接続点に接続されている。第３のリアクトル３４７の他端は、コンデンサ３１、及び第１のダイオード３２のカソードに接続されている。

【0034】

したがって、上述のように構成された充電回路３４は、電圧センサ３３の測定値ＭＶが所定の充電電圧ＣＶ未満であり、かつ充電信号Ｓ３がハイレベルであるという条件が満たされたときに、商用電源２の交流電力を用いてコンデンサ３１を充電する。

【0035】

放電回路３５は、図５に示すように、抵抗３５１と、放電用スイッチング素子３５２とを有している。

【0036】

抵抗３５１の一端は、タングステン電極ＴＥに接続されている。抵抗３５１の他端は、放電用スイッチング素子３５２の一端に接続されている。放電用スイッチング素子３５２の他端は、コンデンサ３１の第１のダイオード３２側の電極に接続されている。

【0037】

放電用スイッチング素子３５２は、制御装置４０によって出力される放電信号Ｓ４がハイレベルのときにオンし、放電信号Ｓ４がローレベルのときにオフする。

【0038】

したがって、上述のように構成された放電回路３５は、放電信号Ｓ４がハイレベルのときに、タングステン電極ＴＥとコンデンサ３１とを電気的に接続することで、タングステン電極ＴＥから被加工物Ｗにアーク放電により流れる電流を、コンデンサ３１の放電により増加させる放電動作を行う。

【0039】

制御装置４０は、電流制御部４１と、極性切替制御部４２と、充電制御部４３と、放電制御部４４とを備えている。

【0040】

電流制御部４１は、図示しない電流センサから入力される溶接電流Ｉの測定値に基づいて、ＰＷＭ制御により、溶接電流Ｉの実効値が設定値ＳＶとなるように第１のインバータ回路２２にスイッチング信号Ｓ１を出力する。本実施形態では、溶接電流Ｉの設定値ＳＶは１０Ａとされている。溶接電流Ｉの設定値ＳＶは、図示しない入力手段へのユーザの入力により変更可能である。

【0041】

極性切替制御部４２は、電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の極性を切り替える極性切替信号Ｓ２を出力する。極性切替信号Ｓ２は、１ｋＨｚのパルス信号である。したがって、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周波数は、１ｋＨｚとなる。

【0042】

充電制御部４３は、充電信号Ｓ３を出力する。充電信号Ｓ３は、極性切替信号Ｓ２がハイレベルのときにハイレベルとなり、極性切替信号Ｓ２がローレベルのときにローレベルとなる。

【0043】

放電制御部４４は、放電信号Ｓ４を出力する。放電信号Ｓ４は、極性切替信号Ｓ２がハイレベルからローレベルに切り替わった時から、２５μｓ経過するまでの放電期間Ｌに継続してハイレベルとなり、その他の期間には継続してローレベルとなる信号である。２５μｓは、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周期の２．５％の期間となる。つまり、放電制御部４４は、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の極性が正極性から逆極性に切り替わるときに、放電回路３５に前記放電動作を当該交流電圧の周期の２．５％の放電期間Ｌだけ連続して行わせる。

【0044】

上述のように構成された溶接装置１では、図６に示すように、タイミングｔ１において、コンデンサ３１の電圧は、充電電圧ＣＶとなっている。タイミングｔ１において、極性切替信号Ｓ２がハイレベルからローレベルに切り替わると、充電信号Ｓ３がハイレベルからローレベルになる。また、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の極性が、正極性から逆極性に切り替わり、放電信号Ｓ４がローレベルからハイレベルになる。放電信号Ｓ４は、タイミングｔ１から２５μｓの放電期間Ｌ中、ハイレベルを維持する。したがって、放電期間Ｌ中、放電用スイッチング素子３５２がオンし、タングステン電極ＴＥとコンデンサ３１とが電気的に接続され、コンデンサ３１からタングステン電極ＴＥに電流が流れる。これにより、電流極性の切替時にタングステン電極ＴＥから被加工物Ｗに流れる電流が増加し、その分、溶接電流Ｉの立ち下がり速度（減少速度）が上昇するので、溶接電流Ｉの立ち下がり速度を上昇させない場合に比べ、アーク切れが発生しにくい。また、コンデンサ３１の放電により、溶接電流Ｉは、コンデンサ３１の放電量分、設定値ＳＶの－１倍の－１０Ａよりも小さい値まで立ち下がる。このとき、コンデンサ３１の放電により、コンデンサ３１の電圧が低下する。このように、放電期間Ｌ中、放電回路３５は、タングステン電極ＴＥから被加工物Ｗにアーク放電により流れる電流を、コンデンサ３１の放電により増加させる放電動作を行う。

【0045】

タイミングｔ１から２５μｓ経過後のタイミングｔ２では、放電信号Ｓ４がハイレベルからローレベルに切り替わる。これにより、放電回路３５が放電動作を終了し、溶接電流Ｉが設定値ＳＶの－１倍の－１０Ａとなる。

【0046】

その後、タイミングｔ３で極性切替信号Ｓ２がローレベルからハイレベルに切り替わると、充電信号Ｓ３がローレベルからハイレベルになり、充電回路３４の充電用スイッチング素子３４３がオンし、商用電源２の交流電力を用いてコンデンサ３１が充電電圧ＣＶまで充電される。コンデンサ３１の電圧、すなわち電圧センサ３３の測定値ＭＶが充電電圧ＣＶに達すると、充電用スイッチング素子３４３がオフし、充電が終了する。その後、極性切替信号Ｓ２がハイレベルからローレベルに切り替わると、上述したタイミングｔ１からの動作と同じ動作が再び繰り返される。

【0047】

図７に示すように、極性切替信号Ｓ２をローレベルとする期間中、すなわちタングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の極性を逆極性とする期間中、放電信号Ｓ４をずっとハイレベルにした場合には、タイミングｔ２の後にも放電動作が継続する。したがって、放電動作によって溶接電流Ｉが－１０Ａよりも小さくなる期間が、２５μｓを超え、放電動作による溶接電流Ｉの減少量が、溶接電流Ｉの実効値に大きく影響し、被加工物Ｗの溶け落ち等の溶接時の不具合を招く虞がある。

【0048】

これに対し、本実施形態では、放電動作を、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の極性を、正極性から逆極性に切り替えてから２５μｓの放電期間Ｌだけ行わせるので、放電期間Ｌを２５μｓよりも長くした場合に比べ、放電動作によって溶接電流Ｉが－１０Ａよりも小さくなる期間が短くなる。したがって、放電動作による溶接電流Ｉの変化量が溶接電流Ｉの実効値に与える影響を小さくし、アーク切れを防止するための放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制できる。

【0049】

このように、本実施形態では、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周期を６００Ｈｚ以上としたので、６００Ｈｚ未満とした場合に比べ、アークＡの集中性を高めることができる。したがって、アークＡがふらつきやすい小電流溶接を容易にできる。

【0050】

なお、本実施形態では、極性切替信号Ｓ２の周期、すなわちタングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周期を１ｋＨｚとしたが、６００Ｈｚ以上の他の周期としてもよい。

【0051】

また、本実施形態では、放電期間Ｌを、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周期の２．５％としたが、５％以下の他の周期としてもよい。放電期間Ｌを、当該交流電圧の周期の５％以下とすることにより、５％よりも長くする場合に比べ、放電動作による溶接電流Ｉの変化量が溶接電流Ｉの実効値に与える影響を小さくし、放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制できる。また、放電期間Ｌを、タングステン電極ＴＥと被加工物Ｗとの間に印可される交流電圧の周期の３％以下とすることにより、３％よりも長くする場合に比べ、放電動作に起因する溶接時の不具合をさらに効果的に抑制できる。

【0052】

また、本実施形態では、溶接電流Ｉの設定値ＳＶを１０Ａとしたが、２０Ａ、３０Ａ等他の値としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本開示の溶接装置は、放電動作に起因する溶接時の不具合を抑制でき、電極と被加工物との間に交流電圧を印加することで電極と被加工物との間にアークを発生させてアーク溶接を行う溶接装置として有用である。

【符号の説明】

【0054】

１ 溶接装置
２７ 第２のインバータ回路
３１ コンデンサ
３４ 充電回路
３５ 放電回路
４０ 制御装置（制御部）
Ａ アーク
Ｌ 放電期間
ＴＥ タングステン電極
Ｗ 被加工物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】