JP2018176169A - 被覆アーク溶接システム、および、被覆アーク溶接用の溶接電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流の極性が変わるときのアーク切れを抑制し、かつ、溶接電源装置を小型軽量化できる被覆アーク溶接システムを提供する。【解決手段】被覆アーク溶接棒Ｂと、被覆アーク溶接棒Ｂに電力を供給する溶接電源装置Ａ１とを備えている被覆アーク溶接システムにおいて、溶接電源装置Ａ１が、交流電力を整流する整流回路４と、整流回路４の出力を平滑化する直流リアクトル５と、直流リアクトル５が出力する直流電力を交流電力に変換して、被覆アーク溶接棒Ｂに出力するインバータ回路７と、被覆アーク溶接棒Ｂへの出力に再点弧電圧を重畳する電圧重畳回路６とを備えるようにした。そして、インバータ回路７の出力電流の極性が切り替わるときに、電圧重畳回路６が再点弧電圧を重畳するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、被覆アーク溶接システム、および、被覆アーク溶接用の溶接電源装置に関する。

屋外での作業に適した溶接として、被覆アーク溶接が知られている。被覆アーク溶接では、被覆アーク溶接棒と被加工物との間にアークを発生させて、当該アークの熱によって溶接が行われる。被覆アーク溶接の場合、炭酸ガスアーク溶接などとは異なり、ガスを吹き付ける必要がない。したがって、簡易な装置で溶接作業を行うことができる。また、風によってガスが散らされる屋外でも、溶接作業を行うことができる。交流出力の被覆アーク溶接システムの一例が、例えば特許文献１に開示されている。

図７は、従来の被覆アーク溶接システムの一例を示す図である。図７に示す被覆アーク溶接システムは、被覆アーク溶接棒Ｂと、被覆アーク溶接棒Ｂを保持して溶接電流を通電するための溶接棒ホルダＣと、溶接棒ホルダＣを介して被覆アーク溶接棒Ｂに電力を供給する溶接電源装置Ａ１００とを備えている。溶接電源装置Ａ１００は、交流電力を変圧するトランス３００を備えており、商用電源Ｄからの交流電力をトランス３００の一次側に入力し、トランス３００の二次側から変圧後の交流電力を出力する。溶接電源装置Ａ１００の一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続されており、他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接棒ホルダＣに接続されている。溶接電源装置Ａ１００は、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させ、電力を供給する。

特開平０６−１２６４５９号

図７に示す被覆アーク溶接システムにおいては、出力電流の極性が変わるときのアーク切れを防ぐために、トランス３００の二次側のリアクタンスを大きくする必要があった。したがって、トランス３００が大型化し、溶接電源装置Ａ１００を小型軽量化するための妨げになっていた。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、出力電流の極性が変わるときのアーク切れを抑制し、かつ、溶接電源装置を小型軽量化できる被覆アーク溶接システムを提供することを目的としている。

本発明の第１の側面によって提供される被覆アーク溶接システムは、被覆アーク溶接棒と、前記被覆アーク溶接棒に電力を供給する溶接電源装置とを備えている被覆アーク溶接システムであって、前記溶接電源装置は、交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルと、前記直流リアクトルが出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、前記被覆アーク溶接棒への出力に再点弧電圧を重畳する電圧重畳回路とを備えており、前記電圧重畳回路は、前記インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに、前記再点弧電圧を重畳することを特徴とする。この構成によると、インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに再点弧電圧が重畳されるので、極性が変わるときのアーク切れを抑制することができる。また、再点弧電圧の重畳によりアーク切れを抑制するので、アーク切れを抑制するためにリアクタンスを大きくする必要がない。したがって、直流リアクトルを小型化することができる。これにより、溶接電源装置を小型軽量化することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電圧重畳回路は、前記再点弧電圧を充電される再点弧コンデンサと、前記再点弧コンデンサに前記再点弧電圧を充電する充電回路と、前記再点弧コンデンサに充電された前記再点弧電圧を放電する放電回路とを備えており、前記充電回路は、充電の開始または終了のタイミングが制御されている。この構成によると、再点弧コンデンサに再点弧電圧を充電し、再点弧コンデンサに充電された再点弧電圧を放電することができる。また、再点弧コンデンサへの再点弧電圧の充電をコントロールすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力電流の瞬時値を検出する電流センサをさらに備えており、前記充電回路は、前記電流センサが検出した電流瞬時値に基づいて、充電を開始する。この構成によると、次の放電までの充電時間を長くすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記再点弧コンデンサの端子間電圧を検出する電圧センサをさらに備えており、前記充電回路は、前記電圧センサが検出した前記端子間電圧に基づいて、充電を終了する。この構成によると、再点弧コンデンサを必要以上に充電することを抑制することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路に駆動信号を出力する制御回路をさらに備えており、前記放電回路は、前記駆動信号に基づいて、放電を制御する。この構成によると、駆動信号に応じて放電をコントロールすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力電流の瞬時値を検出する電流センサをさらに備えており、前記放電回路は、前記電流センサが検出した電流瞬時値に基づいて、放電を制御する。この構成によると、インバータ回路の出力電流に応じて、放電をコントロールすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力電流波形の制御目標を設定する波形目標設定部をさらに備えており、前記放電回路は、前記制御目標に基づいて、放電を制御する。この構成によると、出力電流の制御目標に応じて、放電をコントロールすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電圧重畳回路は、前記被覆アーク溶接棒に出力する電流が負から正に切り替わるときにのみ、前記再点弧電圧を重畳する。この構成によると、よりアーク切れが発生しやすいときにのみ再点弧電圧を重畳できるので、アーク切れの発生を抑制することができる。さらに、比較的にアーク切れが発生しにくいときには再点弧電圧を重畳させないので、電力の損失を低減することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路は、正弦波交流電流を出力する。この構成によると、発生するアークが幅広になるので、溶接痕を幅広のものとすることができる。また、溶接電源装置からの発生音を抑制することができる。

本発明の第２の側面によって提供される溶接電源装置は、被覆アーク溶接棒に電力を供給する、被覆アーク溶接用の溶接電源装置であって、交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルと、前記直流リアクトルが出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、前記被覆アーク溶接棒への出力に再点弧電圧を重畳する電圧重畳回路とを備えており、前記電圧重畳回路は、前記インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに、前記再点弧電圧を重畳することを特徴とする。この構成によると、インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに再点弧電圧が重畳されるので、極性が変わるときのアーク切れを抑制することができる。また、再点弧電圧の重畳によりアーク切れを抑制するので、アーク切れを抑制するためにリアクタンスを大きくする必要がない。したがって、直流リアクトルを小型化することができる。これにより、溶接電源装置を小型軽量化することができる。

本発明によると、インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに再点弧電圧が重畳されるので、極性が変わるときのアーク切れを抑制することができる。また、再点弧電圧の重畳によりアーク切れを抑制するので、アーク切れを抑制するためにリアクタンスを大きくする必要がない。したがって、直流リアクトルを小型化することができる。これにより、溶接電源装置を小型軽量化することができる。

第１実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態に係る充電回路および放電回路の一例を示す図である。 第１実施形態に係る溶接電源装置の各信号の波形を示すタイムチャートである。 第１実施形態に係る制御回路の変形例の内部構成を示す機能ブロック図である。 第１実施形態に係る放電制御部の変形例における、各信号の波形を示すタイムチャートである。 第２実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示す図である。 従来の被覆アーク溶接システムの全体構成を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示す図である。図１に示すように、被覆アーク溶接システムは、溶接電源装置Ａ１、被覆アーク溶接棒Ｂおよび溶接棒ホルダＣを備えている。溶接棒ホルダＣは、作業者が把持して溶接を行うためのものであり、被覆アーク溶接棒Ｂを保持し、溶接電源装置Ａ１から入力される交流電流を被覆アーク溶接棒Ｂに通電する。溶接電源装置Ａ１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を変換して、出力端子ａ，ｂから出力する。一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続されている。他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接棒ホルダＣに接続されている。溶接電源装置Ａ１は、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて、電力を供給する。当該アークの熱によって、溶接が行われる。

溶接電源装置Ａ１は、整流平滑回路１、インバータ回路２、トランス３、整流回路４、直流リアクトル５、電圧重畳回路６、インバータ回路７、制御回路８、電流センサ９１および電圧センサ９２を備えている。

整流平滑回路１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路１は、交流電流を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備えている。

インバータ回路２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を備えている。インバータ回路２は、制御回路８から入力される駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流平滑回路１から入力される直流電力を高周波電力に変換して出力する。なお、インバータ回路２は直流電力を交流電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。

トランス３は、インバータ回路２が出力する高周波電圧を変圧して、整流回路４に出力する。トランス３は、高周波用のトランスなので、商用周波数用のトランスと比べて、小型で軽量である。

整流回路４は、例えば全波整流回路であり、トランス３より入力される高周波電力を整流して、インバータ回路７に出力する。なお、整流回路４は、高周波電力を整流するものであればよく、例えば半波整流回路であってもよい。直流リアクトル５は、整流回路４がインバータ回路７に出力する直流電流を平滑化する。

インバータ回路７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を備えている。インバータ回路７は、制御回路８から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流回路４から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。なお、インバータ回路７は直流電力を交流電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。インバータ回路７が本発明の「インバータ回路」に相当し、スイッチング駆動信号が本発明の「駆動信号」に相当する。

電圧重畳回路６は、整流回路４とインバータ回路７との間に配置されており、インバータ回路７の出力電流の極性が切り替わるときに、溶接電源装置Ａ１の出力端子ａ，ｂ間に高電圧を重畳する。当該高電圧は、極性切り替え時の再点弧性を向上させるためのものであり、以下では「再点弧電圧」と記載する場合がある。電圧重畳回路６は、ダイオード６１、再点弧コンデンサ６２、充電回路６３および放電回路６４を備えている。

再点弧コンデンサ６２は、所定の静電容量以上のコンデンサであり、溶接電源装置Ａ１の出力に重畳するための高電圧（再点弧電圧）を充電される。再点弧コンデンサ６２は、整流回路４に対して並列に接続されている。再点弧コンデンサ６２は、充電回路６３によって充電され、放電回路６４によって放電される。

充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電するための回路であり、再点弧コンデンサ６２に並列に接続されている。図２（ａ）は、充電回路６３の一例を示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態では、充電回路６３は、絶縁型フォワードコンバータを備えている。また、充電回路６３は、絶縁型フォワードコンバータを駆動するための駆動回路６３ａを備えている。駆動回路６３ａは、後述する充電制御部８６から入力される充電回路駆動信号に基づいて、スイッチング素子６３ｂを駆動させるためのパルス信号を出力する。駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間、所定のパルス信号をスイッチング素子６３ｂに出力する。これにより、再点弧コンデンサ６２が充電される。一方、駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間、パルス信号の出力を行わない。よって、再点弧コンデンサ６２の充電は停止される。すなわち、充電回路６３は、充電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を充電する状態と充電しない状態とで切り替える。なお、駆動回路６３ａを設けずに、充電制御部８６が充電回路駆動信号としてパルス信号をスイッチング素子６３ｂに直接入力するようにしてもよい。また、充電回路６３の構成は限定されない。

放電回路６４は、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧を放電するものであり、再点弧コンデンサ６２に直列に接続されている。図２（ｂ）は、放電回路６４の一例を示す図である。放電回路６４は、スイッチング素子６４ａおよび限流抵抗６４ｂを備えている。本実施形態では、スイッチング素子６４ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子６４ａは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などであってもよい。スイッチング素子６４ａと限流抵抗６４ｂとは直列接続されて、再点弧コンデンサ６２に直列接続されている。スイッチング素子６４ａのエミッタ端子は整流回路４の正極側の端子に接続され、スイッチング素子６４ａのコレクタ端子は限流抵抗６４ｂの一方の端子に接続されている。なお、限流抵抗６４ｂをスイッチング素子６４ａのエミッタ端子側に接続するようにしてもよい。また、スイッチング素子６４ａのゲート端子には、後述する放電制御部８５から、放電回路駆動信号が入力される。スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間オン状態になる。これにより、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧は放電され、限流抵抗６４ｂを介して、整流回路４の出力電圧に重畳される。一方、スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間オフ状態になる。これにより、再点弧電圧の放電は停止される。すなわち、放電回路６４は、放電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を放電する状態と放電しない状態とで切り替える。なお、放電回路６４の構成は限定されない。

ダイオード６１は、放電回路６４に並列接続されており、アノード端子がインバータ回路７の入力の正極側の端子に接続され、カソード端子が再点弧コンデンサ６２に接続されている。ダイオード６１は、インバータ回路７の入力電圧の過渡電圧を、再点弧コンデンサ６２に吸収させる。

電流センサ９１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流を検出するものであり、本実施形態では、インバータ回路７の一方の出力端子と出力端子ａとを接続する接続線に配置されている。電流センサ９１は、出力電流の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。本実施形態では、電流がインバータ回路７から出力端子ａに向かって流れる場合を正としており、電流が出力端子ａからインバータ回路７に向かって流れる場合を負としている。

電圧センサ９２は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を検出するものである。電圧センサ９２は、端子間電圧を検出して制御回路８に入力する。

制御回路８は、溶接電源装置Ａ１を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路８は、電流センサ９１から出力電流の瞬時値を入力され、電圧センサ９２から再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を入力される。そして、インバータ回路７、充電回路６３および放電回路６４に、それぞれ駆動信号を出力する。制御回路８は、電流制御部８１、電流目標設定部８２、極性切替制御部８３、波形目標設定部８４、放電制御部８５および充電制御部８６を備えている。

電流制御部８１は、インバータ回路２を制御する。電流制御部８１は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値から実効値を算出し、当該実効値と電流目標設定部８２から入力される実効値目標値とに基づいて、インバータ回路２のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成して、インバータ回路２に出力する。

極性切替制御部８３は、インバータ回路７を制御する。極性切替制御部８３は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値と波形目標設定部８４から入力される電流波形目標値とに基づいて、インバータ回路７のスイッチング素子を制御するためのスイッチング駆動信号を生成して、インバータ回路７に出力する。電流波形目標値が本発明の「制御目標」に相当する。

放電制御部８５は、放電回路６４を制御する。放電制御部８５は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値と、極性切替制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号とに基づいて、放電回路６４を制御するための放電回路駆動信号を生成して、放電回路６４に出力する。

図３に示すように、溶接電源装置Ａ１の出力電流（図３（ｂ）参照）は、スイッチング駆動信号（図３（ａ）参照）に応じて変化する。図３（ａ）に示すスイッチング駆動信号は、オンのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を正、出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）を負とし、オフのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を負、出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）を正とする。溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り替わった時（図３における時刻ｔ１）から減少し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ２）極性が変わった後に最小電流値になる（図３における時刻ｔ３）。また、溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り替わった時（図３における時刻ｔ５）から増加し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ６）極性が変わった後に最大電流値になる（図３における時刻ｔ７）。放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときにオンとなるように、放電回路駆動信号を生成する。具体的には、放電制御部８５は、スイッチング駆動信号が切り換わった時（図３における時刻ｔ１、ｔ５）にオンに切り替わり、出力電流の瞬時値が最大電流値または最小電流値になったとき（図３における時刻ｔ３、ｔ７）にオフに切り替わるパルス信号を生成し、放電回路駆動信号として出力する（図３（ｃ）参照）。実際には、電流センサ９１から入力される電流瞬時値は微小変動するので、放電制御部８５は、電流瞬時値が所定の第１閾値以上になった場合に最大電流値になったと判断し、電流瞬時値が所定の第２閾値以下になった場合に最小電流値になったと判断する。

充電制御部８６は、充電回路６３を制御する。充電制御部８６は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値と、電圧センサ９２から入力される再点弧コンデンサ６２の端子間電圧とに基づいて、充電回路６３を制御するための充電回路駆動信号を生成して、充電回路６３に出力する。

図３に示すように、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）は、放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）がオンになって（図３における時刻ｔ１）、出力電流（図３（ｂ）参照）の極性が変わったとき（図３における時刻ｔ２）に、再点弧コンデンサ６２の放電により低下する。次の放電のタイミング（図３における時刻ｔ６）までに、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電する必要がある。また、再点弧コンデンサ６２が所定の電圧まで充電された場合は、それ以上の充電を行う必要がない。充電制御部８６は、再点弧コンデンサ６２の放電後から、再点弧コンデンサ６２が所定の電圧になるまでオンとなるように、充電回路駆動信号を生成する。具体的には、充電制御部８６は、放電回路駆動信号がオフに切り換わったとき（図３における時刻ｔ３、ｔ７）、すなわち、出力電流の瞬時値が最大電流値または最小電流値になったときにオンに切り換わり、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が所定の電圧になったとき（図３における時刻ｔ４、ｔ８）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、充電回路駆動信号として出力する（図３（ｄ）参照）。

次に、本実施形態に係る被覆アーク溶接システムの作用および効果について説明する。

本実施形態によると、溶接電源装置Ａ１が出力する交流電力によって、被覆アーク溶接棒Ｂが、その先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて、アーク溶接を行うことができる。溶接電源装置Ａ１の放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときにオンとなるような放電回路駆動信号を生成する。放電回路６４は、放電制御部８５より入力される放電回路駆動信号を入力される。これにより、放電回路６４は、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときに、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧を整流回路４の出力電圧に重畳することができる。したがって、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときのアーク切れを抑制することができる。また、再点弧電圧の重畳によりアーク切れを抑制するので、アーク切れを抑制するためにリアクタンスを大きくする必要がない。したがって、直流リアクトル５を小型化することができる。また、トランス３は、高周波用のトランスなので、商用周波数用のトランスと比べて、小型で軽量である。これらにより、従来の被覆アーク溶接システムの場合と比べて、溶接電源装置Ａ１を小型軽量化することができる。

本実施形態によると、放電回路６４は、放電制御部８５より入力される放電回路駆動信号に基づいて、放電を制御する。放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）は、スイッチング駆動信号（図３（ａ）参照）が切り換わったときにオンに切り替わり、出力電流（図３（ｂ）参照）が最大電流値または最小電流値になったときにオフに切り替わる。したがって、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときには、放電回路駆動信号は必ずオンとなっているので、放電回路６４は再点弧電圧を適切に重畳することができる。

本実施形態によると、充電回路６３は、充電制御部８６より入力される充電回路駆動信号に基づいて、充電を制御する。充電回路駆動信号（図３（ｄ）参照）は、放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）がオフに切り換わったときにオンに切り換わる。したがって、充電回路６３は、放電後すぐに充電を開始することができる。これにより、次の放電までの充電時間を長くすることができる。また、充電回路駆動信号は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）が所定の電圧になったときにオフに切り換わる。これにより、充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２を必要以上に充電することを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、充電制御部８６が、出力電流の瞬時値と再点弧コンデンサ６２の端子間電圧とに基づいて充電回路駆動信号を生成する場合について説明したが、これに限られない。次の放電のタイミングまでに再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電することができれば、充電の開始および終了のタイミングは限定されない。また、充電回路６３が常に充電し続けるようにしてもよい。この場合は、充電制御部８６は不要であり、駆動回路６３ａがスイッチング素子６３ｂを駆動させるためのパルス信号を出力し続けるようにすればよい。

また、本実施形態においては、放電制御部８５が、出力電流の瞬時値とスイッチング駆動信号とに基づいて放電回路駆動信号を生成する場合について説明したが、これに限られない。溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときに再点弧電圧を重畳できればよいので、放電回路駆動信号は、極性が変わる前にオンになり、極性が変わった後にオフになればよい。例えば、出力電流の瞬時値がゼロになって所定時間が経過したときに、放電回路駆動信号をオフに切り換えるようにしてもよい。

また、図４（ａ）に示すように、放電制御部８５が、極性切替制御部８３からスイッチング駆動信号を入力される代わりに、波形目標設定部８４から電流波形目標値を入力され、電流波形目標値が切り換わったときに、放電回路駆動信号をオンに切り換えるようにしてもよい。この場合も、放電回路駆動信号の波形は、スイッチング駆動信号に基づいて切り替える場合と同様となる。

さらに、図４（ｂ）に示すように、放電制御部８５が、電流センサ９１から出力電流の瞬時値だけを入力され、出力電流の瞬時値が最大電流値から低下したとき、または、最小電流値から上昇したときに、放電回路駆動信号をオンに切り換えるようにしてもよい。この場合も、放電回路駆動信号の波形は、スイッチング駆動信号に基づいて切り替える場合と同様となる。また、最大電流値より小さくゼロより大きい第１閾値と、最小電流値より大きくゼロより小さい第２閾値とを設定し、放電回路駆動信号を、出力電流の瞬時値が第１閾値と第２閾値との間の範囲に入ったときにオンに切り替え、当該範囲から外れたときにオフに切り替えるようにしてもよい。この場合でも、放電回路駆動信号は、極性が変わる前にオンになり、極性が変わった後にオフになる。

また、本実施形態においては、出力電流の波形が略矩形波である場合（図３（ｂ）参照）について説明したが、これに限られない。出力電流の波形が正弦波であってもよい。波形目標設定部８４が電流波形目標値として正弦波信号を出力し、極性切替制御部８３が電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値と波形目標設定部８４から入力される電流波形目標値とに基づいてスイッチング駆動信号を生成するようにすれば、出力電流の波形を正弦波とすることができる。出力電流の波形が正弦波の場合、電流センサ９１が検出する出力電流の瞬時値に基づいて、放電回路駆動信号を生成すればよい。例えば、最大電流値より小さくゼロより大きい第１閾値と、最小電流値より大きくゼロより小さい第２閾値とを設定し、放電回路駆動信号を、出力電流の瞬時値が第１閾値と第２閾値との間の範囲に入ったときにオンに切り替え、当該範囲から外れたときにオフに切り替えるようにすればよい。出力電流の波形を正弦波とすると、発生するアークが幅広になるので、溶接痕を幅広のものとすることができる。また、溶接電源装置Ａ１からの発生音を抑制することができる。

本実施形態においては、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が変わるときに再点弧電圧を重畳する場合について説明したが、これに限られない。一般的に、出力端子ａ（被加工物Ｗ）が正で出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）が負である正極性から、出力端子ａ（被加工物Ｗ）が負で出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）が正である逆極性に切り換わるときに、アーク切れが発生しやすいことが知られている。したがって、正極性から逆極性に切り換わるときにのみ再点弧電圧を重畳させ、負極性から正極性に切り換わるときには再点弧電圧を重畳させないようにしてもよい。この場合の変形例について、図５を参照して説明する。なお、当該変形例においては、放電制御部８５による放電回路駆動信号の生成方法が変わるだけである。

図５は、変形例における、各信号の波形を示すタイムチャートである。図５（ａ）は、極性切替制御部８３が生成するスイッチング駆動信号を示しており、図３（ａ）に示すものと同じである。図５（ｂ）は、溶接電源装置Ａ１の出力電流を示しており、図３（ｂ）に示すものと同じである。図５（ｃ）は、放電制御部８５が生成する放電回路駆動信号を示している。図５（ｄ）は、充電制御部８６が生成する充電回路駆動信号を示している。図５（ｅ）は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を示している。

放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流の極性が、正極性から逆極性に変わるときにオンとなるように、放電回路駆動信号を生成する。具体的には、放電制御部８５は、スイッチング駆動信号（図５（ａ）参照）がオンからオフに切り換わったとき（図５における時刻ｔ１）にオンに切り替わり、溶接電源装置Ａ１の出力電流（図５（ｂ）参照）が最小電流値になったとき（図５における時刻ｔ３）にオフに切り替わるパルス信号を生成し、放電回路駆動信号として出力する（図５（ｃ）参照）。放電制御部８５は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わったとき（図５における時刻ｔ５）、および、溶接電源装置Ａ１の出力電流が最大電流値になったとき（図５における時刻ｔ７）には、放電回路駆動信号の切り替えを行わない。

放電制御部８５が生成する放電回路駆動信号（図５（ｃ）参照）が図３（ｃ）に示す放電駆動信号と異なるので、充電制御部８６が生成する充電回路駆動信号（図５（ｄ）参照）、および、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図５（ｅ）参照）は、それぞれ、図３（ｄ）および図３（ｅ）に示すものと異なる波形になっている。

当該変形例においては、よりアーク切れが発生しやすい、正極性から逆極性に切り換わるときに再点弧電圧を重畳するので、アーク切れの発生を抑制することができる。また、比較的にアーク切れが発生しにくい、逆極性から正極性に切り換わるときには再点弧電圧を重畳させないので、逆極性から正極性に切り換わるときにも再点弧電圧を重畳する場合と比べて、限流抵抗６４ｂでの損失を低減することができる。また、再点弧電圧を放電してから次に放電するまでの時間が長くなるので、再点弧電圧を充電するために時間がかかる場合に、特に有効である。

上記変形例のように正極性から逆極性に切り換わるときにのみ再点弧電圧を重畳する場合は、電圧重畳回路６をインバータ回路７の出力側に配置するようにしてもよい。この場合を、第２実施形態として、以下に説明する。

図６は、第２実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示す図である。図６において、第１実施形態に係る被覆アーク溶接システム（図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。なお、図６においては、制御回路８を簡略化して記載している。図６に示すように、溶接電源装置Ａ２は、電圧重畳回路６をインバータ回路７の出力側に配置している点で、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１と異なる。

電圧重畳回路６は、インバータ回路７の出力側に配置されており、出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）の電位を高くするように、出力端子ａ，ｂ間に再点弧電圧を重畳する構成になっている。放電回路６４は、スイッチング駆動信号（図５（ａ）参照）がオンからオフに切り換わったとき（図５における時刻ｔ１）に導通しており、出力電流（図５（ｂ）参照）の極性が変わったとき（図５における時刻ｔ２）に、再点弧コンデンサ６２が放電し、再点弧電圧が出力端子ａ，ｂ間に重畳される。

第２実施形態においては、よりアーク切れが発生しやすい、正極性から逆極性に切り換わるときに再点弧電圧を重畳できるので、アーク切れの発生を抑制することができる。また、第１実施形態と同様に、溶接電源装置Ａ２を小型軽量化することができる。さらに、本実施形態においては、比較的にアーク切れが発生しにくい、逆極性から正極性に切り換わるときには再点弧電圧を重畳させないので、第１実施形態と比べて、限流抵抗６４ｂでの損失を低減することができる。また、再点弧電圧を放電してから次に放電するまでの時間が長くなるので、再点弧電圧を充電するために時間がかかる場合に、特に有効である。

本発明に係る被覆アーク溶接システムおよび被覆アーク溶接用の溶接電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る被覆アーク溶接システムおよび被覆アーク溶接用の溶接電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２：溶接電源装置
１ ：整流平滑回路
２ ：インバータ回路
３ ：トランス
４ ：整流回路
５ ：直流リアクトル
６ ：電圧重畳回路
６１ ：ダイオード
６２ ：再点弧コンデンサ
６３ ：充電回路
６３ａ ：駆動回路
６３ｂ ：スイッチング素子
６４ ：放電回路
６４ａ ：スイッチング素子
６４ｂ ：限流抵抗
７ ：インバータ回路
８ ：制御回路
８１ ：電流制御部
８２ ：電流目標設定部
８３ ：極性切替制御部
８４ ：波形目標設定部
８５ ：放電制御部
８６ ：充電制御部
９１ ：電流センサ
９２ ：電圧センサ
ａ ：出力端子
ｂ ：出力端子
Ｂ ：被覆アーク溶接棒
Ｃ ：溶接棒ホルダ
Ｄ ：商用電源
Ｗ ：被加工物

Claims (10)

1. 被覆アーク溶接棒と、前記被覆アーク溶接棒に電力を供給する溶接電源装置と、を備えている被覆アーク溶接システムであって、
   前記溶接電源装置は、
   交流電力を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルと、
   前記直流リアクトルが出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、
   前記被覆アーク溶接棒への出力に再点弧電圧を重畳する電圧重畳回路と、
   を備えており、
   前記電圧重畳回路は、前記インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに、前記再点弧電圧を重畳する、
   ことを特徴とする被覆アーク溶接システム。
2. 前記電圧重畳回路は、
   前記再点弧電圧を充電される再点弧コンデンサと、
   前記再点弧コンデンサに前記再点弧電圧を充電する充電回路と、
   前記再点弧コンデンサに充電された前記再点弧電圧を放電する放電回路と、
   を備えており、
   前記充電回路は、充電の開始または終了のタイミングが制御されている、
   請求項１に記載の被覆アーク溶接システム。
3. 前記インバータ回路の出力電流の瞬時値を検出する電流センサをさらに備えており、
   前記充電回路は、前記電流センサが検出した電流瞬時値に基づいて、充電を開始する、
   請求項２に記載の被覆アーク溶接システム。
4. 前記再点弧コンデンサの端子間電圧を検出する電圧センサをさらに備えており、
   前記充電回路は、前記電圧センサが検出した前記端子間電圧に基づいて、充電を終了する、
   請求項２または３に記載の被覆アーク溶接システム。
5. 前記インバータ回路に駆動信号を出力する制御回路をさらに備えており、
   前記放電回路は、前記駆動信号に基づいて、放電を制御する、
   請求項２ないし４のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
6. 前記インバータ回路の出力電流の瞬時値を検出する電流センサをさらに備えており、
   前記放電回路は、前記電流センサが検出した電流瞬時値に基づいて、放電を制御する、
   請求項２ないし４のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
7. 前記インバータ回路の出力電流波形の制御目標を設定する波形目標設定部をさらに備えており、
   前記放電回路は、前記制御目標に基づいて、放電を制御する、
   請求項２ないし４のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
8. 前記電圧重畳回路は、前記被覆アーク溶接棒に出力する電流が負から正に切り替わるときにのみ、前記再点弧電圧を重畳する、
   請求項１ないし７のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
9. 前記インバータ回路は、正弦波交流電流を出力する、
   請求項１ないし８のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
10. 被覆アーク溶接棒に電力を供給する、被覆アーク溶接用の溶接電源装置であって、
    交流電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルと、
    前記直流リアクトルが出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、
    前記被覆アーク溶接棒への出力に再点弧電圧を重畳する電圧重畳回路と、
    を備えており、
    前記電圧重畳回路は、前記インバータ回路の出力電流の極性が切り替わるときに、前記再点弧電圧を重畳する、
    ことを特徴とする被覆アーク溶接用の溶接電源装置。

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