WO2020008679A1 - アーク溶接機 - Google Patents

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power
unit
temperature
arc welding
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英俊 大山
信介 島林
将 古和
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/10—Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls

Definitions

  • the present invention relates to an arc welding machine.
  • output power is adjusted by controlling a switching operation of a switching element included in an inverter circuit (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which a temperature sensor is disposed around an inverter circuit to protect a switching element from overheating, and the switching operation is stopped based on detection of an overheating state of the switching element by the temperature sensor. Is disclosed.
  • the internal temperature of the power supply device may exceed the allowable value.
  • the welding power supply is defined as a rated load, for example, with a load current of 350 A, a load voltage of 36 V, and a usage rate of 60%.
  • a high load with a load current of about 520 A and a load voltage of about 40 V in 2 ms may occur. .
  • the present invention has been made in view of the above point, and an object of the present invention is to enable overheating protection of a device when a high load exceeding the rating of the device occurs.
  • the aspect of the present disclosure is directed to an arc welding machine that performs arc welding by supplying load power to a processing load including an electrode for arc welding and a base material, and has taken the following solution.
  • a first aspect is a load current detection unit that detects a load current supplied to the machining load, A load voltage detection unit that detects a load voltage supplied to the processing load, Based on the load current and the load voltage, a power calculation unit that calculates power consumption within a predetermined unit time, When the power consumption is larger than a predetermined power threshold, an abnormality determination unit that determines that the output of the load power is abnormal is provided.
  • the power consumption within a predetermined unit time is calculated based on the load current and the load voltage. If the power consumption is greater than a predetermined power threshold, the output of the load power is determined to be abnormal.
  • the power source of the arc welding machine has a rated load of, for example, a load current of 350 A and a load voltage of 36 V (or a load current of 350 A and a load voltage of 31.5 V according to the standard) and a usage rate of 60%. It has been established.
  • the usage rate indicates the ratio of the time during which an arc is actually generated to the time during which the arc welding machine is used. For example, when the welding machine is used for 10 minutes, the arc generation time is 6 minutes and the downtime is 4 minutes.
  • a high load with a load current of 520 A and a load voltage of about 40 V may occur in 2 ms.
  • the cumulative value of the load power per unit time (for example, 10 minutes), that is, the power consumption within the unit time is higher than a predetermined power threshold.
  • a predetermined power threshold When it becomes larger, it is determined that the output of the load power is abnormal, and for example, an emergency stop of the arc welding machine or a warning may be given to an operator by an alarm or an error message.
  • the unit time may be, for example, 1 minute or 5 minutes, and may be set arbitrarily.
  • a second aspect is the first aspect, wherein An output control unit that controls an operation of supplying the load power to the processing load, The output control unit stops the operation of supplying the load power when the abnormality determination unit determines an abnormality.
  • the operation of supplying the load power is stopped, so that the temperature inside the device is prevented from further rising, and The components can be protected from exceeding the temperature tolerance.
  • the abnormality determination unit calculates a difference value between a detected temperature detected by the temperature detection unit and a predetermined temperature threshold, and changes the power threshold based on the difference value. is there.
  • the power threshold value for abnormality determination is changed based on the difference between the detected temperature around the device and a predetermined temperature threshold value.
  • the device can be protected according to the temperature around the device.
  • the temperature around the device is low, for example, when using the device in a cold region, even if a high load exceeding the rating of the device occurs and the switching section inside the device generates heat, Since the parts are cooled and the temperature is lowered, there is a margin before the temperature exceeds the allowable temperature of the device.
  • the power threshold for abnormality determination is changed so as to be larger. The determination can be suppressed. This makes it possible to protect the device while stabilizing the output of the load power.
  • the device when a high load exceeding the rating of the device occurs, the device can be protected from overheating.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of the arc welding machine according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of the arc welding machine according to the second embodiment.
  • an arc welding machine 10 performs arc welding by supplying load power to a processing load 13 including an electrode 11 for arc welding and a base material 12.
  • An AC power supply 15 is connected to an input terminal 16 of the arc welding machine 10.
  • the arc welding machine 10 includes a power conversion unit 20 that converts AC power of the AC power supply 15 into load power.
  • the power converter 20 includes an input rectifier 21 that rectifies AC power of the AC power supply 15 into DC power, a switching unit 22 that converts output power of the input rectifier 21 into AC power of a predetermined frequency, A transformer unit 23 that steps down the output voltage, an output rectifier unit 24 that rectifies the output power of the transformer unit 23 into DC load power for supplying to the electrode 11, and suppresses a harmonic of the output power of the output rectifier unit 24. And a DC reactor 25.
  • a cable 26 connected to the base material 12 is connected to the output side of the output rectification unit 24.
  • a cable 26 connected to the electrode 11 is connected to the output side of the DC reactor 25.
  • the arc welding machine 10 is provided with a load current detector 31 for detecting a load current supplied to the processing load 13 and a load voltage detector 32 for detecting a load voltage supplied to the processing load 13.
  • the load current detector 31 is connected to the output side of the output rectifier 24.
  • the load voltage detection unit 32 is connected to load voltage detection lines 33 that are respectively routed from the vicinity of the electrode 11 and the vicinity of the base material 12.
  • the load current detected by the load current detection unit 31 and the load voltage detected by the load voltage detection unit 32 are input to the output control unit 34.
  • the output control unit 34 outputs a control signal to the switching unit 22 based on the load current and the load voltage so as to obtain load power for appropriately performing the arc welding, and feeds back the operation of the switching unit 22. Control.
  • a temperature sensor 35 is arranged around the switching unit 22.
  • the temperature detected by the temperature sensor 35 is input to the output control unit 34.
  • the output control unit 34 stops the operation of the switching unit 22 when the detected temperature exceeds the allowable temperature value of each component.
  • the internal temperature of the device may exceed the allowable value.
  • a high load exceeding the rated load causes a rapid heat concentration and increases the internal temperature of the device.
  • the abnormality of the output of the load power can be determined based on the accumulated value of the load power consumed by the machining load 13.
  • the arc welding machine 10 includes the abnormality determination unit 40.
  • the abnormality determination unit 40 includes a power calculation unit 41 and a comparison unit 42.
  • a signal indicating the load current detected by the load current detection unit 31 and a signal indicating the load voltage detected by the load voltage detection unit 32 are input to the abnormality determination unit 40.
  • the power calculator 41 calculates the load power consumed by the machining load 13 by integrating the load current and the load voltage.
  • the power calculation unit 41 calculates the cumulative value of the load power per a predetermined unit time (for example, 10 minutes), that is, the power consumption consumed within the unit time.
  • Comparator 42 compares the power consumption calculated by power calculator 41 with a predetermined power threshold.
  • the abnormality determination unit 40 determines an abnormality in the output of the load power based on the comparison result of the comparison unit 42. Specifically, when the power consumption within a predetermined unit time is greater than a predetermined power threshold, the abnormality determination unit 40 determines that the output of the load power is abnormal due to, for example, an overload due to exceeding the instantaneous rating. Is determined.
  • the abnormality determination section 40 determines that the output of the load power is abnormal, it outputs an abnormality signal to the output control section 34.
  • the output control unit 34 based on the determination result of the abnormality determination unit 40, for example, stops the operation of supplying the load power to stop the arc welding machine 10 urgently, or warns the operator by an alarm or an error message.
  • overheating protection of the arc welding machine 10 can be performed even when an instantaneous high load exceeding the rated standard load characteristic occurs.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of the arc welding machine according to the second embodiment.
  • the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only the differences will be described.
  • the arc welding machine 10 includes a temperature detecting unit 43 for detecting a temperature around the device.
  • a signal indicating the detected temperature detected by the temperature detection unit 43 is input to the abnormality determination unit 40.
  • the abnormality determination unit 40 calculates a difference value between the detected temperature detected by the temperature detection unit 43 and a predetermined temperature threshold.
  • the temperature threshold may be set to a rated temperature around the device (for example, 40 ° C.).
  • the abnormality determination unit 40 changes the power threshold for abnormality determination based on the difference between the detected temperature and the temperature threshold.
  • the switching unit 22 inside the device generates heat, the switching is not performed. Since the temperature of the unit 22 is reduced by cooling, there is a margin before the temperature exceeds the allowable temperature value of the device.
  • the abnormality determination unit 40 changes the power threshold value for abnormality determination so that the larger the difference value between the detected temperature around the device and the temperature threshold value, the larger the power threshold value.
  • the difference value is 10 ° C.
  • the difference value is 40 ° C. Therefore, when the difference value is 40 ° C., the power threshold value is changed so as to be larger than when the difference value is 10 ° C., so that it is determined that the device is abnormal even though the temperature tolerance of the device has a margin. Can be suppressed. This makes it possible to protect the device while stabilizing the output of the load power.
  • the present invention provides a highly practical effect that overheating protection of a device can be performed when a high load exceeding the rating of the device occurs, and is thus extremely useful and industrial. Availability is high.

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Abstract

電力計算部４１は、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流と、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧とに基づいて、所定の単位時間内で消費された消費電力を計算する。比較部４２は、消費電力と所定の電力閾値とを比較する。異常判定部４０は、消費電力が電力閾値よりも大きい場合に、負荷電力の出力が異常であると判定する。

Description

アーク溶接機
　本発明は、アーク溶接機に関するものである。
　従来より、アーク溶接機等に用いられる電源装置では、インバータ回路を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、出力電力を調整するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、スイッチング素子の過熱保護を行うために、インバータ回路の周辺に温度センサを配置し、温度センサによるスイッチング素子の過熱状態の検出に基づいて、スイッチング動作を停止するようにした構成が開示されている。
特許第５８９７３８１号公報
　ところで、従来の溶接用電源装置では、溶接方法や溶接条件によって、機器の定格以上の高負荷が発生した場合には、電源装置の内部温度が許容値を超えてしまうおそれがある。
　具体的に、溶接電源は、定格負荷として、例えば、負荷電流が３５０Ａ、負荷電圧が３６Ｖ、使用率が６０％と定められている。しかしながら、溶接方法や溶接条件によっては、低使用率（又は、瞬時）の条件下において、例えば、パルス溶接時に、２ｍｓで負荷電流が５２０Ａ、負荷電圧が４０Ｖ程度の高負荷が発生することがある。
　このとき、定格負荷を越える高負荷によって急激な熱集中が生じてしまい、電源装置の内部温度が高くなるが、この急激な温度変化を温度センサで敏感に検出することは困難である。そのため、スイッチング素子のスイッチング動作が停止することなく、機器内部の各部品の温度許容値を超えてしまい、溶接電源が破損するおそれがある。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機器の定格以上の高負荷が発生した場合に、機器の過熱保護を行うことができるようにすることにある。
　本開示の態様は、アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に負荷電力を供給してアーク溶接を行うアーク溶接機を対象とし、次のような解決手段を講じた。
　すなわち、第１の態様は、前記加工負荷に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
　前記加工負荷に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部と、
　前記負荷電流及び前記負荷電圧に基づいて、所定の単位時間内で消費された消費電力を計算する電力計算部と、
　前記消費電力が所定の電力閾値よりも大きい場合に、前記負荷電力の出力が異常であると判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするものである。
　第１の態様では、所定の単位時間内で消費された消費電力を、負荷電流と負荷電圧とに基づいて計算する。そして、消費電力が所定の電力閾値よりも大きい場合には、負荷電力の出力が異常であると判定するようにしている。
　具体的に、アーク溶接機の電源は、定格負荷として、例えば、負荷電流が３５０Ａ、負荷電圧が３６Ｖ（あるいは、規格上、負荷電流が３５０Ａ、負荷電圧が３１．５Ｖ）、使用率が６０％と定められている。ここで、使用率とは、アーク溶接機を使用している時間に対して、実際にアークを発生させている時間の比率を示している。例えば、溶接機を１０分間使用する場合には、アーク発生時間が６分間、休止時間が４分間となる。
　しかしながら、低使用率（又は、瞬時）の条件下において、例えば、パルス溶接時に、２ｍｓで負荷電流が５２０Ａ、負荷電圧が４０Ｖ程度の高負荷が発生することがある。
　そこで、アーク溶接機の負荷電力の状態を常に監視しながら、単位時間（例えば、１０分間）当たりの負荷電力の累積値、つまり、単位時間内で消費された消費電力が所定の電力閾値よりも大きくなった場合には、負荷電力の出力が異常であると判定して、例えば、アーク溶接機を緊急停止したり、警報やエラーメッセージによって作業者に警告するようにすればよい。なお、単位時間は、例えば、１分間や５分間でもよく、任意に設定できるようにすればよい。
　ここで、異常判定のための電力閾値は、例えば、機器内部の主半導体の許容温度に基づいて設定すればよい。また、定格負荷に基づいて、（３５０×３６）／１０００＝１２．６ｋＷに設定してもよい。
　これにより、アーク溶接機の定格標準負荷特性を上回る瞬時高負荷が発生した場合でも、アーク溶接機の過熱保護を行うことができる。
　第２の態様は、第１の態様において、
　前記加工負荷に対する前記負荷電力の供給動作を制御する出力制御部を備え、
　前記出力制御部は、前記異常判定部で異常判定された場合に、前記負荷電力の供給動作を停止することを特徴とするものである。
　第２の態様では、負荷電力の出力が異常であると判定された場合に、負荷電力の供給動作を停止することで、それ以上、機器内の温度が上昇するのを抑え、機器内の各部品が温度許容値を超えないように保護することができる。
　第３の態様は、第１又は第２の態様において、
　機器周辺の温度を検出する温度検出部を備え、
　前記異常判定部は、前記温度検出部で検出された検出温度と、所定の温度閾値との差分値を計算して、該差分値に基づいて前記電力閾値を変化させることを特徴とするものである。
　第３の態様では、機器周辺の検出温度と所定の温度閾値との差分値に基づいて、異常判定のための電力閾値を変化させるようにしている。これにより、機器周辺の温度に合わせて機器を保護することができる。
　具体的に、機器周辺の温度が低い場合、例えば、寒冷地などで機器を使用する場合には、機器の定格以上の高負荷が発生して機器内部のスイッチング部などが発熱しても、発熱部品が冷却されて温度が下がるため、機器の温度許容値を越えるまでに余裕がある状態となる。
　そのため、機器周辺の検出温度と温度閾値との差分値が大きいほど、異常判定のための電力閾値が大きくなるように変化させることで、機器の温度許容値に余裕があるにもかかわらず異常と判定されるのを抑えることができる。これにより、負荷電力の出力を安定化させながら、機器を保護することができる。
　本開示の態様によれば、機器の定格以上の高負荷が発生した場合に、機器の過熱保護を行うことができる。
図１は、本実施形態１に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。 図２は、本実施形態２に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
　《実施形態１》
　図１に示すように、アーク溶接機１０は、アーク溶接用の電極１１と母材１２とを含む加工負荷１３に負荷電力を供給してアーク溶接を行うものである。アーク溶接機１０の入力端子１６には、交流電源１５が接続されている。アーク溶接機１０は、交流電源１５の交流電力を負荷電力に変換する電力変換部２０を備えている。
　電力変換部２０は、交流電源１５の交流電力を直流電力に整流する入力整流部２１と、入力整流部２１の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するスイッチング部２２と、スイッチング部２２の出力電圧を降圧するトランス部２３と、トランス部２３の出力電力を電極１１に供給するための直流の負荷電力に整流する出力整流部２４と、出力整流部２４の出力電力の高調波を抑制する直流リアクタ２５とを備えている。
　出力整流部２４の出力側には、母材１２に繋がるケーブル２６が接続されている。直流リアクタ２５の出力側には、電極１１に繋がるケーブル２６が接続されている。
　アーク溶接機１０には、加工負荷１３に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部３１と、加工負荷１３に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部３２が設けられている。
　負荷電流検出部３１は、出力整流部２４の出力側に接続されている。負荷電圧検出部３２は、電極１１の近傍と、母材１２の近傍とからそれぞれ配索された負荷電圧検出ライン３３に接続されている。
　負荷電流検出部３１で検出された負荷電流と、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧とは、出力制御部３４に入力される。出力制御部３４は、負荷電流及び負荷電圧に基づいて、アーク溶接を適切に行うための負荷電力が得られるように、スイッチング部２２に対して制御信号を出力し、スイッチング部２２の動作をフィードバック制御する。
　スイッチング部２２の周辺には、温度センサ３５が配置されている。温度センサ３５で検出された検出温度は、出力制御部３４に入力される。出力制御部３４は、検出温度が各部品の温度許容値を越えた場合に、スイッチング部２２の動作を停止させる。
　ところで、従来のアーク溶接機では、溶接方法や溶接条件によって、機器の定格以上の高負荷が発生した場合には、機器の内部温度が許容値を超えてしまうおそれがある。
　具体的に、定格負荷を越える高負荷によって急激な熱集中が生じてしまい、機器の内部温度が高くなるが、この急激な温度変化を温度センサ３５で敏感に検出することは困難である。そのため、スイッチング部２２のスイッチング動作が停止することなく、機器内部の各部品の温度許容値を超えてしまい、アーク溶接機１０が破損するおそれがある。
　そこで、本実施形態では、加工負荷１３で消費される負荷電力の累積値に基づいて、負荷電力の出力の異常を判定できるようにしている。
　具体的に、アーク溶接機１０は、異常判定部４０を備えている。異常判定部４０は、電力計算部４１と、比較部４２とを有する。異常判定部４０には、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流を示す信号と、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧を示す信号とが入力される。
　電力計算部４１は、負荷電流と負荷電圧とを積算することで、加工負荷１３で消費される負荷電力を計算する。ここで、電力計算部４１では、所定の単位時間（例えば、１０分間）当たりの負荷電力の累積値、つまり、単位時間内で消費された消費電力を計算する。
　比較部４２は、電力計算部４１で計算された消費電力を、所定の電力閾値と比較する。所定の電力閾値は、例えば、機器内部の主半導体の許容温度に基づいて設定すればよい。また、アーク溶接機１０の定格負荷（例えば、負荷電流が３５０Ａ、負荷電圧が３６Ｖ）に基づいて、（３５０×３６）／１０００＝１２．６ｋＷに設定してもよい。
　異常判定部４０は、比較部４２の比較結果に基づいて、負荷電力の出力の異常を判定する。具体的に、異常判定部４０では、所定の単位時間内で消費された消費電力が所定の電力閾値よりも大きい場合に、瞬時定格越えによる過負荷が生じる等して、負荷電力の出力が異常であると判定するようにしている。
　そして、異常判定部４０は、負荷電力の出力が異常であると判定した場合に、異常信号を出力制御部３４に出力する。出力制御部３４では、異常判定部４０の判定結果に基づいて、例えば、負荷電力の供給動作を停止してアーク溶接機１０を緊急停止させたり、警報やエラーメッセージによって作業者に警告する。
　以上のように、本実施形態に係るアーク溶接機１０によれば、定格標準負荷特性を上回る瞬時高負荷が発生した場合でも、アーク溶接機１０の過熱保護を行うことができる。
　《実施形態２》
　図２は、本実施形態２に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
　図２に示すように、アーク溶接機１０は、機器周辺の温度を検出する温度検出部４３を備えている。温度検出部４３で検出された検出温度を示す信号は、異常判定部４０に入力される。
　異常判定部４０は、温度検出部４３で検出された検出温度と、所定の温度閾値との差分値を計算する。温度閾値は、機器周辺の定格温度（例えば、４０℃）に設定すればよい。異常判定部４０は、検出温度と温度閾値との差分値に基づいて、異常判定のための電力閾値を変化させる。
　具体的に、機器周辺の温度が低い場合、例えば、寒冷地などで機器を使用する場合には、機器の定格以上の高負荷が発生して機器内部のスイッチング部２２が発熱しても、スイッチング部２２が冷却されて温度が下がるため、機器の温度許容値を越えるまでに余裕がある状態となる。
　そのため、異常判定部４０では、機器周辺の検出温度と温度閾値との差分値が大きいほど、異常判定のための電力閾値が大きくなるように変化させるようにしている。
　例えば、温度閾値が４０℃で、機器周辺の温度が３０℃のときには、差分値が１０℃となるが、機器周辺の温度が０℃のときには、差分値が４０℃となる。そのため、差分値が４０℃の場合には、差分値が１０℃のときに比べて電力閾値が大きくなるように変化させることで、機器の温度許容値に余裕があるにもかかわらず異常と判定されるのを抑えることができる。これにより、負荷電力の出力を安定化させながら、機器を保護することができる。
　以上説明したように、本発明は、機器の定格以上の高負荷が発生した場合に、機器の過熱保護を行うことができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
　１０　　アーク溶接機
　１１　　電極
　１２　　母材
　１３　　加工負荷
　３１　　負荷電流検出部
　３２　　負荷電圧検出部
　３４　　出力制御部
　４０　　異常判定部
　４１　　電力計算部
　４３　　温度検出部

Claims (3)

  1. 　アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に負荷電力を供給してアーク溶接を行うアーク溶接機であって、
    　前記加工負荷に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
    　前記加工負荷に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部と、
    　前記負荷電流及び前記負荷電圧に基づいて、所定の単位時間内で消費された消費電力を計算する電力計算部と、
    　前記消費電力が所定の電力閾値よりも大きい場合に、前記負荷電力の出力が異常であると判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするアーク溶接機。
  2. 　請求項１において、
    　前記加工負荷に対する前記負荷電力の供給動作を制御する出力制御部を備え、
    　前記出力制御部は、前記異常判定部で異常判定された場合に、前記負荷電力の供給動作を停止することを特徴とするアーク溶接機。
  3. 　請求項１又は２において、
    　機器周辺の温度を検出する温度検出部を備え、
    　前記異常判定部は、前記温度検出部で検出された検出温度と、所定の温度閾値との差分値を計算して、該差分値に基づいて前記電力閾値を変化させることを特徴とするアーク溶接機。
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