溶接電源（ようせつでんげん、）は、アーク溶接や抵抗溶接などの溶接を行うために電流を供給または調整する装置である。- - アーク溶接プロセスには、被覆アーク溶接 (SMAW)から、ガスメタルアーク溶接 (GMAW, MAG)やガスタングステンアーク溶接 (GTAW, TIG)のような不活性シールドガスを用いるものまで多岐にわたる。溶接電源は、主に溶接者が電流の種類（交流または直流）、および電流と電圧の量を制御できるようにするための装置として機能する。
溶接電源には、溶接を安定して行うために、電圧・電流の調整ができること、電極と母材の短時間の短絡に耐えること、アークを容易に発生させて安定して維持できること、出力が安定していること、効率が十分に高いこと、十分な使用率を有することなどが求められる。
シールドガスを使用する溶接プロセスのための電源には、ガス接続口やガスの流量を制御する機構も備わっている。オペレータは、使用する金属の種類、厚さ、および技法に応じて、必要なパラメータの範囲内にこれらの要素を設定できる。大半の溶接電源はそれ自体で発電を行うわけではなく、必要に応じて電気的特性を調整できる制御可能な変圧器として機能する。しかし、電力網から孤立した場所で使用されるSMAWなどの一部の溶接用途では、発電機能と電流調整機能を、車両や牽引トレーラーに搭載された単一の移動ユニットに組み合わせた溶接電源（エンジン溶接機）が使用される。
溶接に必要な電流の大きさは用途によって大きく異なる。マイクロプラズマ溶接では0.05〜20A程度、一般的なアーク溶接では30〜1000A程度、抵抗溶接では数十〜数百kAに達する。 電源も、自動車用のバッテリーを用いた簡易なものから、コンピュータ制御されたIGBTを用いる高周波インバータまで、さまざまである。
分類 溶接機は通常、定電流（、CC）型または定電圧（、CV）型に分類される。定電流型は安定した電流を維持するために出力電圧を変化させ、定電圧型は設定された電圧を維持するために出力電流を変動させる。被覆アーク溶接やティグ溶接では定電流源が使用され、マグ溶接や（ノンガス溶接など）では通常、定電圧源が使用されるが、電圧感応型ワイヤフィード装置を用いれば定電流源での運用も可能である。
定電流源は、被覆アーク溶接やガスタングステンアーク溶接のように手動で行われる溶接作業に使用される。手動プロセスであるため、作業中にアーク長を一定に保つことは困難である。これは、溶接中にワークピースの真上の全く同じ位置に手を保持し続けるには非常に高度なスキルが必要であるという事実に起因する。定電流源を使用することで、アーク長が変化してアーク電圧が変化したとしても、溶接電流が大きく変化しないことが保証され、溶接ゾーンへの入熱が作業全体を通してほぼ一定に保たれる。
もし溶接者が被覆アーク溶接（SMAW）の作業にCV機を使用しようとすれば、アーク距離のわずかな変動がマシンの電流出力に大きな変動を引き起こすことになる。CC機を使用すれば、電気アークがどれほど短くなったり長くなったりしても、材料に届くアンペア数が一定であると信頼して作業できる。
溶接電源は、交流・直流といった出力する電流の種類によっても分類できる。直流電源は発電機・整流器・インバータなどによって得られ、ほとんどの一般的な溶接プロセスと母材に用いられる。一方、交流電源は変圧器・発電機・周波数変換器などによって得られ、主に非合金鋼や低合金鋼の溶接に用いられる。
溶接電源の特性 静特性 サムネイル|右|250px|溶接電源の（a）垂下特性と（b）平坦特性、およびその（c）動作領域 サムネイル|右|250px|アーク長と電圧・電流の関係（(1) 低電圧・大電流から (3) 高電圧・小電流まで） 溶接電源の静特性（外部特性、）とは、定常的な負荷のもとでの出力電圧と溶接電流の関係を表す電圧–電流特性曲線である。 静特性は、おおむね次のように分けられる。
垂下特性（定電流特性、、CC） - 負荷抵抗が変化しても電流がほぼ一定に保たれ、アークが伸びると電圧が上昇する。被覆アーク溶接やTIG溶接に用いられる。 平坦特性（定電圧特性、、CV） - アークが伸びると電流が増加して電圧がほぼ一定に保たれる。マグ溶接やサブマージアーク溶接のように、ワイヤの送給速度を調整することでアーク長（電圧）を一定に保つプロセスに適する。ワイヤの溶融速度は溶接電流にほぼ比例する。 準垂下特性（定電力特性、、CP） - 電圧と電流の積がほぼ一定となる特性で、次のように表される。
電源の静特性とアークの静特性との交点が溶接の動作点となる。溶接電源は、溶接中に通常生じる程度のアーク長の変化に対して、溶接電流の変化が比較的小さくなる静特性を持たなければならない。電流の変動は溶接部の品質に大きく影響するためである。
JIS C 9300-1では、標準溶接電流 I2 に対する標準負荷電圧 U2 が溶接法ごとに定められている。 例えば被覆アーク溶接（手溶接）では、600A以下で次の式により、600Aを超える場合は一定値の44Vとなる。
例えば I2 ＝ 200A のとき、U2 ＝ 20 ＋ 0.04 × 200 ＝ 28V となる。他の溶接法では、I2 が600A以下のとき、TIG溶接は (10＋0.04I2)V、マグ溶接・フラックス入りワイヤアーク溶接は (14＋0.05I2)V、サブマージアーク溶接は (20＋0.04I2)V、プラズマ溶接は (25＋0.04I2)V とされ、600Aを超える場合はそれぞれ 34V、44V、44V、49V となる。
動特性 動特性（）とは、アークの発生時、短絡時、およびその解消時など、急激かつ短時間の電圧変化に対して電源がどのように追従するかを表す特性である。
アークの安定性 アークの安定性（）は溶接継手の品質に大きく影響する。電源の負荷特性の傾きと、動作領域におけるアークの電圧–電流特性の傾きとの差によって表され、前者の傾きが後者の傾きより大きい（すなわち ΔU/ΔI の差が正である）ときにアークは安定となる。具体的には、電源の垂下特性（a）または平坦特性（b）の傾きと、動作領域におけるアーク特性（c）の傾きについて、次の関係が成り立つことが条件となる。
使用率 使用率（デューティサイクル、）は、溶接電源の基本的なパラメータの一つで、全作業時間に対して、定格出力で溶接を行える最大の時間の割合を表す。
ここで tw は溶接可能時間、tt は全作業時間である。
例えば、10分間のうち4分間にわたって定格電流で溶接でき、残りの6分間は休止が必要な溶接機の使用率は次のように計算され、40％となる。
手溶接では使用率は40％以上、サブマージアーク溶接などの自動溶接では100％が求められるとされる。
日本産業規格（JIS C 9300-1）では、使用率を「全時間に対する負荷時間の比率」と定義し、全時間の周期を10分としている。例えば定格使用率60％は、10分間のうち6分間を定格出力電流で連続して負荷し、残り4分間は無負荷（休止）とすることを意味する。最大溶接電流での使用率が、垂下特性の電源で35％未満、定電圧特性の電源で60％未満の場合には、温度保護装置を備えることが求められる。
使用率は、表示された定格電流で連続して溶接できる時間を判断するための重要な指標であり、小型で安価なインバータ溶接機などでは表示が明確でないものもある。使用率を超えて使用すると、保護回路によって停止したり、機器が損傷したりするおそれがある。
シナジー制御 シナジー（シナジック）制御（）とは、溶接パラメータがあらかじめ最適化されており、ワイヤ送給速度など一つのパラメータを変更すると、溶接電流・電圧、シールドガス流量、溶接速度といった他の関連パラメータが自動的に再設定される機能をいう。現在の産業用の溶接機の多くがこの機能を備えている。
安全上の要件 無負荷電圧 無負荷電圧（、OCV）とは、溶接を行っていない状態で溶接電源が出力しうる最大の電圧である。感電防止のため、その上限は規格や法令で定められている。JIS C 9300-1では、危険低減装置（電防装置など）を持たない溶接電源の定格無負荷電圧の上限を、使用環境に応じて次のように定めている。
感電の危険性が高い環境（狭い姿勢での作業、導電性部品への接触が避けられない場所、湿気や発汗で皮膚抵抗が下がる場所など）：直流は波高値113V以下、交流は波高値68V以下かつ実効値48V以下。この条件に適合する電源には「S」を表示できる。 感電の危険性が高くない環境：直流は波高値113V以下、交流は波高値113V以下かつ実効値80V以下。
なお、機械保持のトーチを用いる場合など、作業者の保護が高い条件では、これより高い値（交流実効値100Vなど）が認められる。
日本では、日本産業規格のJIS C 9300-1（アーク溶接装置－第1部：アーク溶接電源）が定格無負荷電圧を定めている。同規格は国際規格のIEC 60974-1（第5版）を修正して採用したものである。また、交流アーク溶接機の無負荷電圧を自動的に30V以下の安全電圧まで下げる「自動電撃防止装置（電防装置）」の接続・使用に関する技術上の指針が厚生労働省により示されている。労働安全衛生規則第332条は、船舶の二重底やボイラーの胴の内部など導電体に囲まれた著しく狭あいな場所、および高さ2m以上で接地された鉄骨等に労働者が接触するおそれのある場所で、交流アーク溶接等（自動溶接を除く）を行うときは、この電防装置の使用を義務づけている。
保護等級 電気機器には、充電部への接触から作業者を守るための外郭による保護（保護等級、IPコード、）が求められる。溶接電源では、チェコの規格ではIP21〜IP23の保護等級が要求される。
電源の設計 最も一般的に見られる溶接電源は、以下のタイプに分類できる。
変圧器 サムネイル|右|250px|被覆アーク溶接機の最小構成。降圧変圧器と可動リアクタンスで平均電流を変える（整流なし） サムネイル|右|250px|巻線の間隔を変えて電圧を調整する溶接用変圧器 変圧器（トランス）方式の溶接電源は、商用電源（通常は230Vまたは115V AC）からの適度な電圧と電流の電気を、高電流・低電圧の供給へと変換する。理想的な変圧器では、入力側と出力側の電圧・電流は次の関係にあり、電圧を下げた分だけ大きな電流が得られる。
通常、二次側は17から45（開放電圧）ボルト、55から590アンペアである。高価なマシンでは整流器を用いてACをDCに変換する。
この設計では通常、一次巻線を二次巻線に近づけたり遠ざけたりする、変圧器の鉄心に対して磁気シャントを出し入れする、二次電流出力と直列に可変飽和技術を備えた可動鉄心式リアクトルを使用する、あるいは単に変圧器の二次巻線のタップを選択することによって、溶接者が出力電流を選択できる。これらの変圧器方式のマシンは通常、最も安価である。
コストが低いことの代償として、純粋な変圧器設計は50Hzまたは60Hzの商用電源周波数で動作するため、かさばり重量が大きくなることが多い。このような低周波変圧器は、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持たなければならない。また、溶接棒がワークピースに固着した場合の短絡保護のために、大きな漏れインダクタンスを持たせることがある。この漏れインダクタンスを可変にすることで、オペレータが出力電流を設定できるようにすることもある。
変圧器式溶接機は、無負荷時の損失が小さく、価格が安く、保守が容易で信頼性が高いという利点がある。また、直流機に比べて磁気の影響によるアークの偏り（アークブロー、）が生じにくい。主に酸性系やルチール系の被覆アーク溶接棒を用いた溶接に用いられる。一方で、使用率は直流発電機式より低い傾向がある。
整流器 サムネイル|右|200px|整流素子や電流制御に用いられるサイリスタ 整流器式溶接機は、電源変圧器と、その二次回路に設けられた整流素子（シリコンダイオードやサイリスタ）から構成され、直流（または整流された電流）を出力する。変圧器は単相でも三相でもよい。発電機式と比べて消費電力が少なく、効率が高く（最大80％程度）、軽量で騒音も小さい。
サイリスタによる電流制御を備えた整流器式溶接機では、溶接電流の連続的な調整、アークの発生が容易になること、電圧変動に対する電流変化の抑制、溶接棒の母材への固着（スティッキング、）の抑制、リモコンによる電流設定、アーク発生時に一時的に大電流を流す「ホットスタート」（）機能の付加などが可能となる。ステンレス鋼や軽金属およびその合金の溶接、あるいは高度に機械化された溶接では、パルス電流が用いられることがあり、サイリスタ整流器を電源としてパルス電流の振幅・パルス幅・ベース電流・周波数などを調整できる。
発電機および交流発電機 サムネイル|右|250px|エンジン駆動の溶接発電機。電力網のない現場で使用される サムネイル|右|250px|内燃機関を備えた溶接発電機（溶接アグリゲート） サムネイル|右|250px|ライプツィヒの秋季見本市に出展された溶接用発電機（1954年） 溶接電源は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために発電機または交流発電機（オルタネーター）を使用することもある。現代の設計は通常内燃機関によって駆動されるが、古いマシンでは電気モーターを使用して交流発電機や発電機を駆動する場合もある。この構成では、商用電力がまず機械的エネルギーに変換され、その後再び電気的エネルギーに戻されることで、変圧器と同様の降圧効果を得る。発電機の出力は直流、あるいはより高い周波数の交流にできるため、これらの古いマシンは整流器を必要とせずにACからDCを生成したり、かつて使用されていた初期のヘリアーク（現在はTIG溶接と呼ばれることが多い）の実装に使用されたりした。高周波アドオンモジュールボックスを必要とせず、交流発電機が直接高周波交流電流を生成することで対応していた。
直流発電機式の溶接電源は最も古い形式で、駆動部（電動機または内燃機関）、直流発電機、溶接電流の調整装置からなる。構造が単純で信頼性が高く、使用環境への適応性に優れ、使用率も高い。また、商用電源の電圧変動（±10％程度）の影響を受けにくいため、電力網が不安定な屋外や現場作業に適している。反面、重量が大きく、騒音が大きく、消費電力が多く効率が低い。回転部分が故障しやすく保守が高価になりやすい、湿気や雨に弱い、初期費用が高いといった欠点もある。
インバータ サムネイル|右|250px|インバータ式溶接機 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT)などの高電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電源を構築することが可能になった。これらの設計はインバータ溶接機として知られている。一般的に、まず商用AC電力をDCに整流し、次にそのDC電力を降圧変圧器へとスイッチング（変換）して、所望の溶接電圧または電流を生成する。スイッチング周波数は通常10kHz以上である。高いスイッチング周波数は洗練された部品と回路を必要とするが、特定の電力レベルを達成するために必要な磁気部品（変圧器およびインダクタ）の質量は動作（スイッチング）周波数が高くなるにつれて急速に減少するため、降圧変圧器の体積を劇的に減らすことができる。
インバータ溶接機は、被覆アーク溶接、マグ・ミグ溶接、プラズマ溶接、TIG溶接といったあらゆるアーク溶接法向けに製造されている。出力に応じて、単相または三相の商用電源に接続される。基本原理はスイッチング電源と同じで、まず商用電源の電圧を整流し、パワー半導体によって約20kHzから150kHz程度の周波数で断続（チョッピング）したうえで、比較的小さな変圧器で低い電圧へ変換する。その後、ダイオードで溶接電流を整流して出力する。変圧器の大きさは、同じ容量であれば動作周波数にほぼ反比例するため、周波数が高いほど変圧器、ひいては溶接機全体を小型・軽量にできる。
インバータ溶接機は他の溶接電源より効率が高く、動作周波数が高いため、動的な変化の大きい溶接プロセスの制御に優れる。また、次のような機能を実現できる。
ホットスタート（） アーク発生時（溶接開始時）に、設定溶接電流よりも大きな電流を短時間（例：約0.5秒）だけ流す機能。母材が冷えている溶接の始端部でも、アークを素早く確実に発生させ、被覆溶接棒の固着や始端部の融合不良を防ぐ。 ホットスタートの効果は溶接の開始時に限られる。 アークフォース制御（、ディグ、アークコントロールとも呼ばれる） 溶接中にアーク長が短くなりすぎてアーク電圧が下がり、短絡しそうになったときに、出力電流を一時的に増加させる機能。電流の増加により、溶接棒が溶融池に固着するのを防いでアークを再び確立する。アーク電圧を常時測定して動作するため、ホットスタートと異なり、溶接の開始時だけでなく溶接全体を通じて働く。 電流の上乗せ量は設定電流に対する割合（％）などで調整でき、溶接棒の種類（ルチール系、塩基性系、セルロース系など）や作業姿勢に合わせて設定する。一般に、設定を弱くするとアークが柔らかく低スパッタとなり、強くするとアークが鋭く（クリスプ）、溶け込みが深くなる。 塗装・油・錆のある母材や立向・上向などの姿勢で、アークを安定して維持するのに役立つ。一方で、過度に設定すると電流が設定値を超える時間が生じ、薄板では溶け落ちや、溶融池の過熱による熱影響部の拡大を招くおそれがある。 機種によっては、アーク電圧を測定して最適な値に自動調整する自動適応（オートアダプティブ）式のアークフォースを備える。 アンチスティック（、固着防止） 溶接棒が母材に固着して短絡状態が続いたときに、短絡電流を電子的に最小限（最小値）まで自動的に下げる機能。溶接棒を母材から容易に外すことができ、溶接棒が赤熱したり、溶接棒ホルダやケーブルが損傷したりするのを防ぐ。作業者の安全確保にも寄与する。 電圧低減装置（VRD、） 溶接を行っていないときの無負荷電圧を、安全な低い電圧（例：20V未満）に自動的に下げる機能。感電の危険性が高い環境での作業時の安全性を高める。 日本の自動電撃防止装置と目的が共通する。 リフトTIG（） 高周波発生装置を用いず、タングステン電極を母材に軽く接触させてから持ち上げることでアークを発生させるTIG溶接のスタート方式。被覆アーク溶接機に付加機能として搭載され、臨時のTIG溶接に利用できる機種がある。 ライン電圧補償・発電機対応 入力電源電圧の変動を補償して出力を安定させる機能（ライン電圧補償）や、エンジン発電機を電源として現場で使用できる機能を備える機種がある。
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る。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、可変的な機能パラメータをより良好に制御できる。文献によれば、スイッチング周波数は20〜100kHz程度、効率は約90％に達する。 小型・軽量であり、携帯性が求められる現場用やTIG溶接用の溶接機に広く用いられる一方、同等出力の変圧器式に比べると高価になる傾向がある。
インバータ機内のIGBTはマイクロコントローラによって制御されるため、溶接電力の電気的特性は、数百から数千サイクルかけてゆっくり変更するのではなく、サイクル単位でリアルタイムにソフトウェアによって変更できる。通常、制御ソフトウェアは、溶接電流のパルス化、溶接サイクルを通じた可変比率と電流密度の提供、掃引または段階的な可変周波数の有効化、および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する。これらの機能はすべて、変圧器ベースのマシンに組み込むには法外なコストがかかるが、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の容量を必要とするだけである。同様に、必要に応じてソフトウェアアップデートを通じて、より現代的な溶接機を買い直すことなく、ソフトウェア制御のインバータマシンに新機能を追加することも可能である。
コンバータ 直流入力電圧を降圧または昇圧して出力する（DC-DC変換）方式の溶接電源である。外部の電源回路との絶縁や特性の安定化のために高周波リンクを備えることがある。交流を直流に変換するインバータ方式とは入力側の変換方式が異なる。
その他のタイプ 変圧器、モーター/発電機、およびインバータを使用するタイプの他にも、追加のタイプの溶接機が存在する。例えば、レーザー溶接機も存在し、それらは前述のいずれのタイプにも当てはまらない、全く異なるタイプの溶接電源設計を必要とする。同様に、スポット溶接機も異なるタイプの溶接電源を必要とし、通常、他のタイプの溶接電源には一般的に見られない精巧なタイミング回路や大きなコンデンサバンクを備えている。
溶接電源の選定と付属機器 溶接電源を選定する際には、溶接電流の種類、無負荷電圧、想定される使用率、電流の調整範囲、電源への接続方法、使用環境、保守方法などを考慮する必要がある。
サムネイル|右|250px|被覆アーク溶接棒、棒ホルダ、溶接ケーブル 溶接電源には、通常、次のような機器が付属する。
溶接棒ホルダ（被覆アーク溶接）または溶接トーチ 溶接ケーブルおよび接続用の継手 電源を遠隔で操作するためのリモコン
溶接ケーブルは、溶接電流を電極ホルダと母材に導くもので、機械的な損傷に強く絶縁性に優れた被覆を持つ単心の可とう性ケーブルが用いられる。ケーブルの断面積と長さの選定は重要で、ケーブルでの電圧降下を許容値以内に収め、過度に発熱しないものとする必要がある。ケーブルが長すぎると損失や保守費用が増え、断面積が大きすぎると取り回しが悪く重く高価になる。
脚注
関連項目 被覆アーク溶接 変圧器 短絡 感電 溶接機 スイッチング電源 インバータ エンジン発電機 抵抗溶接
外部リンク Miller Electric news release on IGBT technology for welding inverters 8 April 2003 Frank G. Armao, Inverter Based Welding Power Supplies for Welding Aluminum, The Lincoln Electric Company (Lincoln Electric tutorial on inverter-based welding machines) How does an inverter welder work