アーク溶接電源の選び方と使い方

アーク溶接電源の選択

アーク溶接電源の選択は、溶接装置（溶接機）の電気的 性能を決定する重要な部分である。アーク溶接電源にはある程度の普遍性があるが、アーク溶接電源の種類によって、構造、電気的性能、主な技術パラメーターが異なる。

表1および表2に示すように、交流アーク溶接電源と直流アーク 溶接電源では、特性および経済性に大きな違いがある。したがって、合理的な選択のみが、溶接の円滑な進行を保証することができる。 溶接工程経済的で良好な溶接結果が得られる。

一般に、アークは 溶接パワー ソースは以下の観点から選択されるべきである：

• (1) 溶接材料 およびワークピースの材料；
• (2) 溶接電流の種類；
• (3) 溶接工程 メソッドを使用する；
• (4) アーク溶接電源の電力；
• (5) 作業条件および省エネルギー要件；
• (6) ワークピースの重要性と経済的価値。

表1：交流アーク溶接電源と直流アーク溶接電源の特性の比較。

表2：交流アーク溶接電源と直流アーク溶接電源の経済性の比較。

1.溶接電流タイプの選択：

基本的には3つある。 溶接の種類 電流：電流：直流、交流、パルス、対応するアーク溶接電源があります：DCアーク溶接電源、ACアーク溶接電源、パルスアーク溶接電源。

さらに、アーク放電のオプションもある。 溶接インバータ.アーク溶接電源の種類は、技術要件、経済効果、作業条件に応じて合理的に選択する必要がある。

2.溶接プロセスとアーク溶接電源の選択：

(1) 手動アーク溶接：

一般的な金属構造物の溶接には酸性電極が使用され、ダイナミック鉄芯、ダイナミック・コイル、タップ・チェンジャー・アーク溶接トランス（BXl-300、BX3-300-1、BX6-120-1など）が使用できる。

より重要な構造用鋼の溶接にはアルカリ電極が使われ、アーク溶接整流器（ZXG-400、ZXl-250、ZX5-250、ZX5-400、ZX7-400など）などの直流アーク溶接電源が使用できる。これらのアーク溶接電源は、すべて下降特性を持っている必要がある。

(2) サブマージアーク溶接：

一般に、より大容量のアーク溶接トランスが選択される。より高い製品品質が要求される場合は、アーク 溶接整流器または矩形波交流アーク溶接電源 を使用すべきである。これらのアーク溶接電源は、一般に下降する外部 特性を持つべきである。

一定速度のワイヤ送給では、より滑らかな下降特性が好ましく、可変速度のワイヤ送給では、より急な下降特性が好ましい。

(3) タングステン・イナート・ガス溶接 (TIG溶接):

TIG 溶接には、アーク溶接機のような定電流特性のアーク 溶接電源が必要である。 溶接インバータ またはアーク溶接整流器を使用する。アルミニウムおよびその合金の溶接には、交流アーク溶接電源が好ましく、好ましくは矩形波交流アーク溶接電源である。

(4) CO2 ガスシールド溶接 および溶融電極不活性ガス溶接：

このような場合、アーク溶接整流器とアーク 溶接インバータ 平坦な特性（定速送給用）または下降する特性（可変速送給 用）を持つものが使用できる。高品質のTIG溶接を行なうには、パルス・アーク 溶接電源を使用しなければならない。

(5) プラズマアーク 溶接：

アーク溶接整流器またはアーク 溶接インバータ 定電流特性を持つものが望ましい。溶融電極を使用する場合 プラズマアーク溶接溶融電極不活性ガス溶接の要件に応じて、アーク 溶接電源を選択する。

(6) パルス・アーク溶接：

パルス・プラズマ・アーク溶接およびパルスTIG 溶接には、パルス・アーク溶接電源を使用する 必要がある。需要の高い状況では、アーク溶接インバー ターまたはトランジスター・パルス・アーク 溶接電源が望ましい。

以上からわかるように、溶接プロセス方法は、必ずしも特定のタイプのアーク溶接電源を使用する必要はない。しかし、選択されたアーク溶接電源は、その溶接プロセス方法の電気的性能要件を満たさなければならない。

これには、外部特性、レギュレーション性能、無負荷電圧、動的特性などが含まれる。一部の電気的性能が要求を満たせない場合は、改造によって実現することも可能であり、アーク溶接電源がある程度の普遍性を持っていることを示している。

3.アーク溶接電源の選択

(1)アーク溶接電源の電力を大まかに決める

溶接の主な仕様は溶接電流である。わかりやすくするために、アーク溶接電源の機種の後ろにある番号を参照し、必要な溶接電流に基づいて容量を選択することができます。例えば、BXl-300の「300」は、電源の定格電流が300Aであることを表しています。

(2)異なる負荷継続時間率における許容溶接電流値

第2章で述べたように、アーク溶接電源の最大出力電流は、主にその許容温度上昇によって決まる。

したがって、許容溶接電流を決定する際には、負荷継続時間を考慮する必要がある。定格負荷継続時間率では、アーク溶接電源は定格 溶接電流で作業しても許容温度上昇を超えない。

負荷継続時間が変化した場合、アーク溶接電源の許容温度上昇を超えない最大電流は、発熱量が等しく定格温度が同じになる原理に基づいて換算できる。

4.アーク溶接電源は、作業条件や省エネルギーの要求に応じて選択する。

通常の生産条件では、シングル・ステーション・アーク 溶接電源をできるだけ使用すべきである。しかし、造船工場のような大規模な溶接作業場では、溶接ステーションが多く、それらが集中しているため、マルチステーション・アーク溶接電源を使用することができる。

直流アーク溶接電源は、電流共有のために抵抗ボックスを必要とし、消費電力が大きいため、できるだけ使用しないべきである。

溶接長さが長くなく、電源の連続使用時間が短い保守溶接作業では、定格負荷連続率の低いアーク溶接電源、例えば連続率40%、25%、さらには15%のものを選択することができる。

アーク溶接電源は消費電力が大きいため、省エ ネルギーの観点からは、できるだけ高効率で省エ ネルギーのアーク溶接電源、例えばアーク溶接イン バータ、次いでアーク溶接整流器、トランスを選 択すべきである。特に必要な場合を除き、直流アーク溶接発電機を使用する必要はない。

アーク溶接電源の設置と使用

1.アーク溶接電源の設置

ここでは、最も広く使用されている手動式アーク溶接電源を例に、アーク溶接電源を設置する際の知識を紹介する。手動アーク溶接機の主回路の回路図を図 8-1 に示す。

図からわかるように、主回路にはアーク溶接電源のほかに、ケーブル、ヒューズ、スイッチなどの付属品がある。したがって、関連する付属品の選定を最初に検討する必要がある。

1. ケーブル、ヒューズ、スイッチの選択

(1) ケーブルの選択

ケーブルには、送電網から溶接電源までの電力線と、 溶接電源から溶接トーチおよび被加工物までの溶接ケー ブルがある。電源ケーブルを選ぶ際には、以下の要素を考慮する必要がある：

• 材質：性能に影響を与えない限り、可能な限りアルミニウム・ケーブルを選択すべきである。
• 定格電圧：一般に電力線には耐電圧500VのACケーブルが使用される。
• 使用環境：屋外用ケーブルは日光、雨、湿気に耐えられるものでなければならないが、屋内用ケーブルは絶縁性が高いものでなければならない。フレキシブルな多芯ケーブルは可動性が必要な場合に使用し、単芯ケーブルは固定設備に使用する。
• ケーブルの断面積：許容電流密度と断面積は、許容温度上昇に基づいて決定する。許容電流密度は 材料特性 と放熱条件。

溶接ケーブルを選ぶ際には、耐摩耗性、機械的な力への耐 性、移動のための柔軟性を考慮する必要がある。溶接ケーブルの断面積は、電流とケーブル長から表8-1に従って選定することができる。電力線と溶接ケーブルの種類と型式は、用途と表8-1に従って選択することができる。

(2) ヒューズの選択

一般的なヒューズには、チューブ型、プラグイン型、およびスパイラル型がある。ヒューズの定格電流は、ヒューズの定格電流以上でなければなりません。

アーク溶接用変圧器、整流器、インバーターの場合、ヒューズの定格電流が溶接電源の定格一次電流より少し大きいか、同じであれば十分である。直流アーク溶接発電機の場合、モータの始動電流が非常に大きいので、モータの定格電流によってヒューズを選ぶことはできず、次の式に基づいてヒューズを選ぶ必要がある：

ヒューズの定格電流＝（1.5～2.5）×モータの定格電流 スタータがある場合は、上式の係数を1.5とする。

(3) スイッチの選択

一般的なスイッチには、ナイフスイッチや鉄シェルスイッチなどがある。

アーク溶接用変圧器、整流器、インバータ、トランジス タライズド・アーク溶接電源、および矩形波交流アーク 溶接電源のスイッチの定格電流は、定格電流以上でなければな らない。アーク溶接用発電機のスイッチの定格電流は、モータの定格電流の3倍である。

2. アーク溶接電源の設置

(1) アーク溶接整流器、インバータ、トランジスタ式アーク溶接電源装置

• 設置前点検

a.長期間使用されていない新しい電源装置の場合、設置前に絶縁を確認する必要があり、500V メグオーム計を使用することで可能である。ただし、試験の前に、整流器またはシリコン整流素子と高電力トランジスター群をワイヤーで短絡し、シリコン素子またはトランジスターが過電圧によって破壊されるのを防ぐべきである。

溶接回路とケーシングへの2次巻線との間の絶縁抵抗は，2.5M 以上でなければならない。整流器とケーシングへの1次巻線および2次巻線間の絶縁抵抗は、2.5M以下であってはならない。

一次巻線と二次巻線間の絶縁抵抗は5M以上とする。一次および二次回路に接続されていない制御回路とシャーシまたは他の回路との間の絶縁抵抗は、2.5M以下でなければならない。

b.破損や損傷がないか確認する。 接続不良 設置前の輸送に起因する電源装置内部の損傷。

• 設置時の注意事項

a.送電網の電源容量がアーク溶接電源の定格容量に合っ ているか、スイッチ、ヒューズ、ケーブルの選定は正し いか、ケーブルの絶縁は良好かをチェックする。

b.b.電源線と溶接ケーブル線のワイヤ断面積と長さは、電源線の電圧降下がグリッド電圧の5%を超えず、溶接回路ケーブル線の電圧降下の合計が定格負荷で4Vを超えないように適切でなければならない。

• ハウジングの接地とゼロ接続。送電網の電源が三相4線の場合、筐体は中性線に接続されるべきである。前者が接地のない三相システムの場合は、ケーシングを接地すべきである。
• 防湿対策にも気を配る。
• 風通しが良く、乾燥した場所に設置してください。

(2) アーク溶接トランス

配線する際は、工場銘板に記載されている一次電圧値に注意してください。一次電圧は380V、220Vまたは兼用があります。複数台設置する場合は、できるだけ三相負荷のバランスがとれるように、別々に三相電力系統に接続する。その他の事項はアーク溶接用整流器と同じである。

(3) 直流アーク溶接機

上記の事項に加えて、以下の点にも留意する必要がある：

• グリッド容量が十分大きい場合は、直接始動できる。グリッド容量が十分でない場合は、電圧を下げる始動装置を使用する必要があります。
• 大容量アーク溶接電源の場合、グリッド電圧が他の大容量電気機器の影響を受けないように、または他の電気機器の作業に影響を与えないように、特別なラインを設置する必要がある。

アーク溶接電源の使用

アーク溶接電源の正しい使用とメンテナンスは、その正常な性能を保証するだけでなく、耐用年数を延ばすことにもつながる。

使用とメンテナンスの常識

(1) アーク溶接電源は、使用前に製品取扱説明書または関連する国家規格に従って点検し、正しく使用するために一定の知識ベースを確立する必要があります。

(2) 溶接の前に、すべての接続が正しいかどうか、特に溶接ケーブルの接続部が過熱や焼損を防ぐために締め付けられているかどうかを確認する。

(3) 送電網に接続しているときや溶接中は、本機の上部カバーを動かしたり、開けたりしないでください。

(4) 無負荷運転時には、まず音が正常かどうかを確認し、次に冷却ファンの送風が正常かどうか、回転方向が正しいかどうかを点検する。

(5) 機械は清潔に保ち、定期的に圧縮空気でほこりを吹き飛ばすこと。また、定期的な電気テスト、点検、メンテナンスも必要である。

(6)必要な厳重な管理・使用体制を確立すること。

アーク溶接電源の並列使用：

1つのアーク溶接電源では溶接電流が不足する場合、複数のアーク溶接電源を並列に接続して使用することができる。ただし、電流のバランス、極性などを確保することが重要である。

アーク溶接電源の改造

アーク溶接電源は、本質的に多用途性を備えているが、特定の溶接プロセスがその標準的な能力を超える性能を要求する場合、同様の電源を選択し、これらの要件を満たすように変更することができる。

アーク溶接整流器は、所望の性能特性を達成するため の改造が特に容易である。例えば、手動アーク溶接で一般的に使用される磁気増幅器型アーク溶接整流器は、垂下（下降）した外部特性を示す。

これらの整流器を、細径ワイヤーを使用した定速送給のCO2ガス・シールド溶接に適合させるには、簡単な改造が必要である。磁気増幅器内の3つの内部ブリッジ抵抗の抵抗を除去または増加させることにより、電源を平坦な特性またはゆっくりと下降する特性のいずれかに変換することができ、細線のCO2アーク溶接に適しています。

パルス・アーク溶接の用途には、いくつかの改造オプションがある：

1. 磁気アンプを変更してインピーダンスの不均衡を作る
2. 特定の相の電圧を下げる
3. 定励磁電流をパルス励磁電流に変える

アーク溶接ジェネレーターは、必要に応じて変更することもできます。例えば、AXl-500ジェネレーターを下降特性から平坦特性に変換することができます：

1. 消磁巻線の取り外し
2. 並列励磁巻線を直列励磁巻線に変換する。

これらの改良は、多様な溶接プロセス要件に対応する溶接電源の適応性を実証するものであり、メーカーはまったく新しいシステムを必要とすることなく、特殊な用途向けに既存の機器を最適化することができる。

省エネルギーと電気の安全利用

節電

1. アーク溶接発電機を高効率・省エネルギーのアーク溶接電源に置き換える

節電のためには、直流アーク溶接発電機をシリコンアーク溶接整流器またはサイリスタアーク溶接整流器に置き換えるのが最善である。アーク溶接インバータの開発・生産レベルの向上により、その信頼性と性能は、サイリスタ式などの従来のアーク溶接電源、さらには海外の一流アーク溶接電源のレベルに達している。

さらに、動的特性や溶接プロセスも優れており、電力や材料を節約でき、価格も手頃である。広く普及し、使用されるべきだ。

2. 力率の改善

周知のように、アーク溶接用変圧器は漏れインダクタンスやリアクタンスが大きい変圧器である。力率は0.4～0.6程度と低いため、力率を改善して系統への無効電力供給を減らし、電力品質を向上させる必要がある。

力率を補正するためにコンデンサーを取り付けるには、2つの方法がある：

(1) 造船所、金属構造物工場、橋梁製造工場など、アーク溶接電源を多用する工場では、集中補償を採用できる。

(2)集中補償条件のない地方や小規模の企業では、図 3-1 に示すように、アーク溶接トランスにコンデンサを設置して補償することができる。

3. "省エネ機器 "の設置

アーク溶接用変圧器に「省エネ装置」を取り付ければ、無負荷電力損失の低減に一定の効果があるだけでなく、感電防止にも効果的である。

したがって、"感電防止・省エネ機器 "とも言える。このような製品は国内外を問わず販売されている。

電気の安全性

アーク溶接電源は、必要な安全対策を講じなかったり、注意事項を守らなかったりすると、設備事故や人身事故を引き起こしやすい電気機器です。取り返しのつかない損失につながることもあるので、できるだけ避けるべきである。

1. 個人の安全を守るための措置

手動アーク溶接電源の無負荷電圧は一般に60～90Vであり、溶接機は高湿度環境で作業することが多いため、感電の危険性が高まる。高所や金属容器内での溶接では、特に危険性が高まる。人体の心臓を流れる電流は、数ミリアンペアに達すれば生命を脅かす。感電を避けるには、次のような方法がある：

(1)活線部への接触を避ける：

• アーク溶接電源の活線端子は、保護カバーで覆ってください；
• アーク溶接電源の活線部と機械ケーシングの間は、十分に絶縁すること；
• 溶接トングの接続線は裸線でなく、絶縁されていなければならない。溶接トング自体も絶縁性の良いものでなければならない。

(2) 人が接触できる電圧を制限する：ある特定の活物質に接触することを避けることが困難な場合があるので、安全を確保するために、これらの活物質の電圧を制限することが必要である。例えば、アーク溶接電源の無負荷電圧は最大許容値が定められており、制御回路の交流電圧は36V以下、直流電圧は48V以下、作業灯の電圧は12V以下でなければならない。

(3) 絶縁抵抗を高める：人体の抵抗は主に皮膚にあり、抵抗値は皮膚が乾燥しているかどうかに関係する。夏場は汗をかくと人体の抵抗値が下がり、感電の危険性が高まる。また、人体の抵抗値は健康状態、精神状態、感情状態にも関係している。絶縁抵抗を高めるには、高電圧に接触するときはゴム手袋をする、手溶接でアーク溶接をするときは革手袋をする、雨の日に屋外で作業するときはゴム靴を履く、作業するときは木製のスツールに座る、金属容器の中で作業するときはゴムキャップをかぶるなど、いろいろな方法がある。

(4) 機械のケーシングを接地またはゼロにする：通常の場合、機械のケーシングは生きていません。しかし、アーク溶接電源内の活線部品と機械ケーシングとの間の絶縁が破壊され、接触によって機械ケーシングが活線状態になることがあります。人体の安全を確保するために、次の対策を講じる必要があります：

• 接地保護：送電網の中心点は接地されていないため、機械ケーシングの接地ネジを通して接地線に接続する接地保護を使用する必要がある。地下水管や金属構造物（ただし、爆発を避けるため、地下のガスパイプラインは不可）をアース線として使用できる。接地電極は、金属パイプ（肉厚3.5mm以上、直径25～35mm以上、長さ2m以上）または平鉄（肉厚4mm以上、断面積48以上、長さ2m以上）を用い、地中に0.5m以上の深さまで埋設するのがよい。
• 保護ゼロ接続：このタイプの送電網は三相4線式であり、機械ケーシングは接地ねじを通して中性線に接続されなければならない。ケーシングと接触すると、中性線とケーシングに大きな短絡電流が流れる、
• アーク溶接電源に接続されたヒューズが直ちに焼損し、電力網から遮断される。

2. 自動電圧降下装置

自動電圧低下装置は、実は前述の「節電装置」である。この装置には多くの種類があり、図4にその一例を示す。

3. 感電防止・節電機能付きリモコン装置

アーク溶接トランスは通常、溶接電流を調整するために、トランスボックスの上で直接手で調整される。ワークがアーク溶接トランスから遠い場合、この調整方法は不便になる。

そのため、遠隔制御を使用することができ、電動モーター、ギアボックス、関連遠隔制御回路によって実現できる。溶接工は調整棒を携帯し、溶接トングを使って作業現場で調整棒を持ち、電動モーターの正逆回転を制御することで、電流調整機構を伝達し、溶接電流を変更する。この遠隔操作装置は、操作が簡単なだけでなく、感電防止と節電機能を備えており、安全作業と省エネの目的を達成することができます。

(1)感電防止と節電の原理

制御トランスT2がONになると、V1は遮断され、V2は飽和して導通し、V3は遮断され、リレーK3は通電しない。常開接点K3-2は、交流コンタクタKM1、KM2への通電を防止する。この時、アーク溶接トランスT1は380V電力網に接続されておらず、安全な省電力非作動状態にある。

(2) リモコンによる溶接電流調整の原理

溶接トングとワークの間に調整棒を挟み、調整棒のダイオードをワーク側に向けると、ダイオードを介して交流24Vの電圧を整流することで、R25に「下がマイナス、上がプラス」の直流電圧が発生する。

この電圧により、VD18->R20->V5->VD19->R25のエミッタ接合の回路に電流が発生し、V5が飽和して導通する。すると、K2が通電して接点K2-2が閉じ、電動機Mが正転し、アーク溶接トランスT1の動鉄心（または巻線）が外側または下方に移動して溶接電流が増加する。逆に、調整棒のダイオードを溶接トングの方に向けると、V4が導通し、K1が通電して接点K1-1が閉じ、Mが後方に回転して溶接電流が減少する。

4. 無負荷電圧の低いインバータアーク溶接機の選択

インバーター・アーク溶接機の優れた動特性により、 比較的低い無負荷電圧が要求される。さらに、アーク打撃性能に大きな影響を与えることなく、簡単な方法で電圧を所望の値まで簡単に下げることができる。