溶接は、金属を結合するための一般的なプロセスであり、さまざまなアプリケーションで使用されます。溶接用電源は、アーク溶接を行うために電流を供給し調整する装置です。低コストでエントリーレベルの溶接機としては、以下に示す所謂「バズボックス」溶接機があります。これは単純な電力用トランスフォーマーで、飽和インダクタまたは電流制御回路が組み込まれています。トランスフォーマーの2つの端子は、基本金属と棒状電極に接続されます。棒状電極が基本金属に接触すると、短絡が発生し、大きな電流が流れ、アークが点火され、これにより棒状電極が溶け、基本金属の隙間が埋められます。「バズボックス」溶接機はコントロール機能が限られているため、溶接品質は主に操作者の技術に依存します。重さや騒音もこの溶接機の欠点です。電力半導体スイッチが利用可能になると、高度なインバータ溶接機が開発されました。高周波スイッチング技術とフィードバック制御を使用することで、溶接機ははるかに軽量化され、使いやすくなりました。低出力インバータ溶接機のブロック図は以下に示されています。
トーチと作業物は、溶接機の出力に2つの異なる方法で接続できます。トーチが直流負極出力に接続されている場合、これを「ストレート」溶接と呼びます(電子がトーチから流出します)。逆に、これを「リバース」溶接と呼びます。「リバース」溶接は現在、はるかに多く使用されています。これは良いビード形状、深い貫通、全体的に優れた溶接特性(曲げ、耐久性、気孔など)を生み出し、橋梁、船舶、建物の金属構造に適しています。また、パイプやパイプのルートパスにも使用されます。一般的に、高強度および低合金鋼の溶接は、直流「リバース」溶接のみで行われます。「ストレート」直流溶接は、材料が燃えてしまうのを防ぐために薄いシート金属で使用されたり、金属が極端な温度変化や危険な水にさらされない場所で使用されます。定電流直流出力の溶接機が一般的に使用されますが、アルミニウムの場合には、特定の周波数とパターンで出力極性を切り替える(AC溶接)必要があります。これは、アルミニウムには基本的に2つの層、ベースとなるアルミニウムとアルミニウム酸化皮膜があるためです。酸化皮膜は、金属が空気にさらされることで形成され、約3600°Fという非常に高い融点を持っています。例えば、ベースアルミニウムは1200°Fで溶けます。アルミニウム酸化皮膜を除去しないと、ベース金属が適切に融合しません。薄いシートでは、アークが酸化皮膜を貫通する前にベース金属が過熱して液状になることがあります。これがACのクリーニング特性が必要となる場面です。
DC出力の極性と持続時間を制御することで、高品質な溶接結果が得られます。以下は、AC HF TIGまたはAC LIFT TIGモードでアルミニウム溶接に使用されるWAVE BALANCEの例です。
AC TIG 波形バランス
正極性DC、負極性DC、およびAC出力を出力できるようにするためには、インバータ溶接機には出力部に極性切替回路を追加する必要があります。以下は、普遍的な高出力溶接機の回路ブロック図と電流制御プロファイルです。
SiCベースのユニバーサルインバータ溶接機電源回路ブロック図
インバータ溶接機の電流制御プロファイル