溶接電源

溶接電源

交流コーティング電極溶接機。

溶接電源は、アーク溶接を行うために電流を供給または変調する装置である。^[1]アーク溶接プロセスには、シールドメタルアーク溶接（SMAW）からガスメタルアーク溶接（GMAW）やガスタングステンアーク溶接（GTAW）などの不活性シールドガスまで、さまざまなものがある。溶接電源は主に、溶接者が電流が交流（AC）か直流（DC）か、また電流と電圧の量を 制御できるようにする装置として機能している。

シールドガスを使用する溶接プロセス用の電源装置には、ガスの接続とガスの流れを制御する方法も用意されています。オペレータは、使用する金属の種類、厚さ、および技術に応じて、これらの要素をパラメータ内で設定できます。溶接電源装置の大部分は電力を生成せず、代わりにオペレータが必要に応じて電気特性を調整できる制御可能な変圧器として機能します。ただし、電力網から隔離されたエリアで使用される一部の溶接アプリケーション、特に SMAW では、車両または牽引トレーラーに搭載された単一のモバイル ユニットに電気生成機能と電流変調機能を組み合わせた溶接電源装置が使用されます。

溶接機は通常、定電流 (CC) または定電圧 (CV) に分類されます。定電流機は出力電圧を変化させて一定の電流を維持しますが、定電圧機は出力電流を変動させて設定電圧を維持します。シールドメタルアーク溶接とガスタングステンアーク溶接では定電流源を使用し、ガスメタルアーク溶接とフラックス入りアーク溶接では通常定電圧源を使用しますが、電圧検知ワイヤフィーダーを使用すれば定電流も可能です。

定電流源は、シールドメタルアーク溶接やガスタングステンアーク溶接などの手動で行われる溶接作業に使用されます。手動プロセスであるため、アークの長さは作業中一定ではありません。これは、溶接中ずっと手をワークピース上の同じ位置に保つのに非常に高度なスキルが必要であることに起因します。定電流源を使用すると、アークの長さが変わってアーク電圧が変化しても、溶接電流はそれほど変化せず、溶接ゾーンへの熱入力は作業中ほぼ一定のままになります。

ガスメタルアーク溶接とフラックス入りアーク溶接では、溶接工がアークの長さを手動で制御できないため、CV マシンの特性が必要です。^[要出典]溶接工がシールドメタルアーク溶接 (SMAW) タスクに CV マシンを使用しようとすると、アーク距離の小さな変動によってマシンの電流出力が大幅に変動します。CC マシンを使用すると、電気アークがどれだけ短くても長くても、溶接工は材料に到達するアンペア数が一定であると期待できます。

最も一般的に見られる溶接電源は、次のタイプに分類できます。

変圧器式の溶接電源は、商用電源(通常 230 または 115 VAC)から供給される中電圧、中電流の電気を、通常 17 ～ 45 (開回路) ボルト、55 ～ 590アンペアの高電流、低電圧の電源に変換します。より高価な機械では、整流器がAC を DC に変換します。

この設計により、溶接機は、一次巻線を二次巻線に近づけたり遠ざけたり、磁気シャントを変圧器のコアに出し入れしたり、二次電流出力と直列に可変飽和技術を備えた直列飽和リアクトルを使用したり、あるいは単に溶接機が変圧器の二次巻線上のタップのセットから出力電圧を選択できるようにしたりすることで、出力電流を選択できます。これらの変圧器スタイルの機械は、通常、最も安価です。

費用削減の代償として、純粋なトランスの設計は、50 Hz または 60 Hz の商用電源周波数で動作するため、かさばって重くなることがよくあります。このような低周波トランスは、無駄なシャント電流を避けるために、高い磁化インダクタンスを備えている必要があります。また、溶接棒がワークピースに引っかかった場合に短絡保護するために、トランスには大きな漏れインダクタンスがある場合があります。漏れインダクタンスは可変であるため、オペレーターは出力電流を設定できます。

溶接電源装置では、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために発電機やオルタネータを使用する場合もあります。最新の設計では通常、内燃エンジンで駆動されますが、古い機械ではオルタネータや発電機を駆動するために電動モーターが使用されることがあります。この構成では、商用電力が最初に機械エネルギーに変換され、次に電気エネルギーに戻されて、変圧器に似た降圧効果が得られます。発電機の出力は直流、またはさらに高い周波数の AC にすることができるため、これらの古い機械は、いかなるタイプの整流器も必要とせずに AC から DC を生成できます。また、以前使用されていたいわゆるヘリアーク(現在ではTIGと呼ばれることが多い) 溶接機のバリエーションを実装するために使用することもできます。この溶接機では、オルタネータが高周波の AC 電流を直接生成するだけで、高周波アドオン モジュール ボックスが不要になります。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT)などの高出力半導体の登場により、アーク溶接の高負荷に対応できるスイッチングモード電源を構築できるようになりました。これらの設計は、インバータ溶接ユニットとして知られています。通常、最初に商用 AC 電力を DC に整流し、次に DC 電力を降圧トランスに切り替え (反転) して、必要な溶接電圧または電流を生成します。スイッチング周波数は通常 10 kHz 以上です。高いスイッチング周波数には高度なコンポーネントと回路が必要ですが、動作 (スイッチング) 周波数が増加すると、所定の電力レベルを達成するために必要な磁気コンポーネント (トランスとインダクタ) の質量が急速に減少するため、降圧トランスの大きさが大幅に減少します。インバータ回路は、電力制御や過負荷保護などの機能も提供できます。高周波インバータベースの溶接機は、通常、非インバータ溶接機よりも効率が高く、可変機能パラメータをより適切に制御できます。

インバータベースのマシンの IGBT はマイクロコントローラによって制御されるため、溶接電力の電気特性は、数百、場合によっては数千サイクルにわたってゆっくりと変更するのではなく、サイクルごとにリアルタイムでソフトウェアによって変更できます。通常、コントローラソフトウェアは、溶接電流のパルス化、溶接サイクル全体での可変比率と電流密度の提供、スイープまたはステップ可変周波数の有効化、自動スポット溶接の実装に必要なタイミングの提供などの機能を実装します。これらの機能はすべて、トランスベースのマシンに設計するには非常に高価ですが、ソフトウェア制御のインバータマシンではプログラムメモリスペースのみを必要とします。同様に、より最新の溶接機を購入するのではなく、必要に応じてソフトウェアを更新することで、ソフトウェア制御のインバータマシンに新しい機能を追加できます。

変圧器、モーター/発電機、インバーターを使用するタイプの他に、他のタイプの溶接機も存在します。たとえば、レーザー溶接機も存在し、これには、これまでに説明した溶接電源のタイプのいずれにも該当しない、まったく異なるタイプの溶接電源設計が必要です。同様に、スポット溶接機には、通常、他のタイプの溶接電源では見られない複雑なタイミング回路と大きなコンデンサバンクを含む、異なるタイプの溶接電源が必要です。

• 溶接インバータ用 IGBT 技術に関するミラーエレクトリックのニュースリリース 2003 年 4 月 8 日 2008 年 6 月 2 日のWayback Machineにアーカイブ
• Frank G. Armao、アルミニウム溶接用インバーター ベース溶接電源、The Lincoln Electric Company (インバーター ベース溶接機に関する Lincoln Electric のチュートリアル)
• インバータ溶接機はどのように機能するのか