CN101848785A - 钢管材的焊接区加热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明在将移动的钢管材作为被加热材料连续地感应加热来进行焊接时，无论被加热材料的加热部位的形状和被加热材料的材质如何，都可高精度且高效率地控制焊接区温度和钢液形状以及焊接频率变动。本发明提供用于使钢管材的焊接区熔融从而进行压接的钢管材的焊接区加热方法及其装置，所述钢管材的焊接区加热方法包括：采用与钢管材的端面的焊接区对向地配置的第1摄像单元(3)检测焊接区的自发光并输出辉度图像的第1摄像工序；基于辉度图像进行图像处理，通过辐射光测温来运算焊接区的板厚方向温度分布的焊接区温度分布运算工序；使用预先设定的交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于板厚方向温度分布决定交流电流的频率的加热控制工序；和采用所述频率可变的交流电源(1)使钢管材(10)中流通在加热控制工序中决定的频率的交流电流的工序。

Description

钢管材的焊接区加热装置和方法

技术领域

本发明涉及将移动的钢管材作为被加热材料，通过电磁感应或直接给电来连续地加热焊接区的技术。特别地涉及以下的加热装置和方法，所述装置和方法适合于不论被加热材料的形状、材质如何都可进行加热使得焊接区的温度分布、焊接区的熔融形状和焊接时的焊接频率变动为所希望的值。

背景技术

电阻加热是通过在作为金属材料的被加热材料内部产生的电流和该被加热材料的比电阻产生的焦耳热来加热被加热材料，作为清洁的加热方法，以钢铁业为首广泛地在产业界使用。电阻加热有以下方法，即：对电磁线圈通交流的励磁电流，将由电磁线圈产生的交变磁通施加于被加热材料，在被加热材料内产生感应电流的方法(记为感应加热法)；和使触头(两个电极)接触被加热材料来进行直接通电的方法(记为直接通电加热法)。

感应加热法中的由电磁线圈产生的交变磁通、或直接通电法中的直接通电的电流的频率，如(1)式所示决定流通于被加热材料的电流的距被加热材料表面的深度(渗透深度：δ)。因此，为了将被加热材料加热至所希望的温度分布，必须根据被加热材料的直径和厚度等的形状和电磁物性值，将该电流的频率设定为适当的值。特别是钢管材通常在强磁性体中具有比1大很多的比导磁率μr(例如为10～1000)，渗透深度δ很大地依赖于频率的变化。

δ∝{ρ/(μr·f)}^1/2          <1>

在此，ρ：被加热材料的比电阻，μr：被加热材料的比导磁率，f：交变磁通或直接通电的电流的频率。

但是，通过加热电源将感应加热用的电磁线圈进行励磁时，构成将电容器(容量C)与电磁线圈并联或串联地配置从而接线的共振电路，在<2>式所表示的共振频率(f)附近的频率下进行通电的情况较多(例如参照特开2004-127854号公报和特开平03-1478号公报。)。

f＝1/{2π(L·C)^1/2}                <2>

在此，L表示被加热材料的电磁物性值，在感应加热法的情况下，是通过电磁线圈的匝数、尺寸等形状以及电磁线圈与被加热材料的配置而决定的电磁线圈系的感应系数(inductance)。

另外，为了将上述共振电路能量效率良好地进行励磁，有时在共振电路和加热用电源之间设置改善功率因数用的阻抗匹配器(例如，参照特开2004-127854号公报、特开平03-1478号公报和特开平06-124775号公报。)。

特开平03-1478号公报和特开平06-124775号公报公开了以下技术，即：以相对于被加热材料的厚度、宽度、钢种等的特性和形状预先决定适当的频率并进行固定的方式进行加热。特开平03-1478号公报中公开了一种变换器方式的电源装置，其是用于钢管等的局部退火的高频感应加热装置，可根据电磁线圈的形状等预先设定励磁电流的频率，在过负荷时不破损。另外，在特开平06-124775号公报中公开了下述的变换器方式的高频感应加热电源装置：在钢管等的对接焊接中，在焊接区设置多个电磁线圈，切换多个电磁线圈从而效率良好地流通高频电流，用于予热或后热处理。

在钢管等的制造线上，一边在使用电磁线圈的感应加热装置或使用触头的直接通电加热装置内移动钢管等的被加热材料，一边加热被加热材料的焊接区从而连续地进行焊接时，使焊接区板厚方向的温度分布、焊接区的熔融形状和/或焊接时的焊接频率变动为所希望的形状和/或值，这对于焊接区及其附近的强度等的材质而言为获得均匀的品质是必要的。

但是，被加热材料的感应加热时的感应系数L，根据被加热材料的形状和/或材质的变动而大大变化。另外，由于被加热材料的形状差异而导致加热电流的流动方式发生变化的结果，焊接区中的发热量及其分布、以及由此引起的焊接区的板厚方向温度分布、焊接区的熔融形状和焊接时的焊接频率变动也较大地变化。

发明内容

上述特开2004-127854号公报和特开平03-1478号公报记载的电源装置，为了调节被加热材料的温度而控制加热线圈的励磁电压或触头的电压，另外如上所述，由于被加热材料和电磁线圈所构成的电磁线圈系的感应系数L变化，因此在加热电源和电磁线圈之间配置高频变压器从而取得阻抗匹配。但是，存在在通电状态下的调整较困难，并且相应于被加热材料的厚度、宽度、钢种需要调整作业的问题。此外，由于高频变压器的配置，成为降低加热效率的一个原因。另外，使用上述共振电路构成时，对于各频率f如<2>式所示，需要可改变匹配电容器(C)。但是，在加热中匹配电容器的调整非常难，将被加热材料连续地感应加热时，存在难以对应于被加热材料的直径、厚度等形状和物性值的变化而改变励磁频率的问题。

另一方面，作为可改变对电磁线圈的通电频率的方法，特开2004-127854号公报中公开了以下技术，即：将加热线圈分割配置成多个单元线圈，对每个单元线圈通过选定通电频率而使频率可变的感应加热装置的技术。但是，由于每个单元线圈需要电源供给单元，因此存在作为加热装置的装置成本变高的问题。

鉴于上述以往技术的问题，本发明在将钢管材作为被加热材料进行连续地加热从而焊接时，为了无论被加热材料的加热部位的形状、被加热材料的材质如何都实现良好的焊接品质，将以比以往高的精度和高的效率获得焊接区的温度分布作为第1目的，并且将控制焊接区的熔融形状和焊接时的焊接频率变动分别作为第2目的和第3目的。

(1)本发明的钢管材的焊接区加热装置，是用于一边将移动的钢板弯曲成圆筒状一边制成管状的钢管材，并利用在规定的频率区域频率可变的交流电源在该钢管材的端面附近流通交流电流从而产生焦耳热，连续地使该钢管材的焊接区熔融并进行压接的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，具有：与上述钢管材的端面的焊接区对向地配置，检测该焊接区的自发光并输出辉度图像的第1摄像单元；基于该辉度图像进行图像处理，通过辐射光测温来运算上述焊接区的板厚方向温度分布的焊接区温度分布运算单元；使用预先根据钢管材的尺寸和电磁特性设定的交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该板厚方向温度分布决定上述交流电流的频率的加热控制单元；和用于使采用该加热控制单元决定的频率的交流电流在上述钢管材中流通的频率可变的交流电源。

(2)另外，上述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，还具有：将上述钢管材的焊接区从其上侧进行摄像，输出刚压接钢管材后的熔融了的钢材的平面图像的第2摄像单元；和基于该平面图像求出熔融形状并输出熔融部的宽度值的焊接区熔融形状测量单元，

上述加热控制单元使用预先设定的该熔融部的宽度的评价基准以及上述交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该熔融部的宽度值和上述板厚方向温度分布决定上述交流电流的频率。

(3)另外，上述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，还具有：测定上述交流电流的电流波形的焊接电流波形测定单元；和以由该焊接电流波形测定单元输出的电流波形为基础，求出作为该电流波形的频率的时间变动宽度的焊接频率时间变动值并进行输出的焊接频率变动测量单元，

上述加热控制单元进一步将上述焊接频率时间变动值与预先设定的容许值比较从而决定上述交流电流的频率。

(4)另外，上述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，具有加热用电磁线圈，该加热用电磁线圈沿上述钢管材的外侧圆周方向与该钢管材大致同轴地配置，由上述频率可变的交流电源供给励磁电流，使上述交流电流对该钢管材进行感应从而进行加热。

(5)另外，上述加热控制单元，也可以决定上述加热用电磁线圈的励磁电流的频率和电流值，从而控制上述频率可变的交流电源。

(6)进而，上述的钢管材的焊接区加热装置，也可以具有隔着上述焊接区配置于钢板的两侧端部的每一端部的一对直接通电用触头来作为用于流通来自上述交流电源的交流电流的电极。

(7)另外，上述加热控制单元，也可以决定向上述直接通电用触头供给的交流电流的频率和电流值，从而控制上述频率可变的交流电源。

(8)进而，上述频率可变的交流电源可以是磁能量再生型的交流电源装置，其频率可连续地或离散地改变。

(9)本发明的钢管材的焊接区加热方法，是用于一边将移动的钢板弯曲成圆筒状一边制成管状的钢管材，并利用在规定的频率区域频率可变的交流电源在该钢管材的端面附近流通交流电流从而产生焦耳热，连续地使该钢管材的焊接区熔融并进行压接的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，包括：采用与上述钢管材的端面的焊接区对向地配置的第1摄像单元检测该焊接区的自发光并输出辉度图像的第1摄像工序；基于该辉度图像进行图像处理，通过辐射光测温来运算上述焊接区的板厚方向温度分布的焊接区温度分布运算工序；使用预先根据钢管材的尺寸和电磁特性设定的交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该板厚方向温度分布决定上述交流电流的频率的加热控制工序；和采用上述频率可变的交流电源使上述钢管材中流通在该加热控制工序中决定的频率的交流电流的工序。

(10)另外，上述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，还具有：采用第2摄像单元将上述钢管材的焊接区从其上侧进行摄像，输出刚压接钢管材后的熔融了的钢材的平面图像的第2摄像工序；和基于该平面图像求出熔融形状并输出熔融部的宽度值的焊接区熔融形状测量工序，

在上述加热控制工序中，使用预先设定的该熔融部的宽度的评价基准以及上述交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该熔融部的宽度值和上述板厚方向温度分布决定上述交流电流的频率。

(11)另外，上述钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，还具有：测定上述交流电流的电流波形的焊接电流波形测定工序；和以在该焊接电流波形测定工序中输出的电流波形为基础，求出作为该电流波形的频率的时间变动宽度的焊接频率时间变动值并进行输出的焊接频率变动测量工序，

在上述加热控制工序中，进一步将上述焊接频率时间变动值与预先设定的容许值比较从而决定上述交流电流的频率。

(12)进而，上述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，由上述频率可变的交流电源向沿上述钢管材的外侧圆周方向与该钢管材大致同轴地配置的加热用电磁线圈供给励磁电流，使上述交流电流对该钢管材进行感应从而进行加热，或者，利用隔着上述焊接区而配置于钢板的两侧端部的每一端部的用于流通来自上述交流电源的交流电流的直接通电用触头，对该钢管材流通上述交流电流从而进行加热。

(13)另外，在上述加热控制工序中，也可以决定上述加热用电磁线圈的励磁电流的频率和电流值从而控制上述频率可变的交流电源，或者，决定向上述直接通电用触头供给的交流电流的频率和电流值从而控制上述频率可变的交流电源。

(14)进而，上述的钢管材的焊接区加热方法，其中，上述频率可变的交流电源可以使用磁能量再生型的交流电源装置，其频率可连续地或离散地改变。

(15)本发明的钢管，其特征在于，是采用上述的钢管材的焊接区加热装置或焊接区加热方法来制造的。

附图说明

图1(a)是感应加热方式的钢管材的加热部的配置的概略图。

图1(b)是直接通电加热方式的钢管材的加热部的配置的概略图。

图2(a)是本发明实施方式的感应加热方式的钢管材的焊接区感应加热装置的概略图。

图2(b)是本发明实施方式的直接通电加热方式的钢管材的焊接区感应加热装置的概略图。

图3是焊接区的板厚方向温度分布(辉度分布)的概略图。

图4(a)是表示本发明实施方式的频率和升温量模式的关系情况的概略图，表示钢种A的情况。

图4(b)是表示本发明实施方式的频率和升温量模式的关系情况的概略图，表示钢种B的情况。

图5是本发明实施方式的频率可变装置的一例。

图6是本发明中的钢管的焊接区立体图的概略图。

图7(a)是用于说明本发明中的钢管的刚焊接区后的熔融形状的概略图，表示Z＜(Zo-ΔZ)的情况。

图7(b)是用于说明本发明中的钢管的刚焊接区后的熔融状况的概略图，表示Z＝(Zo±ΔZ)的情况。

图7(c)是用于说明本发明中的钢管的刚焊接区后的熔融状况的概略图，表示Z＞(Zo+ΔZ)的情况。

具体实施方式

以下一边参照附图一边对于本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，在本说明书和附图中，对于具有实质上相同的功能构成的构成要素，赋予相同的标号，由此省略重复说明。

加热作为被加热材料的钢管时，如<1>式所示，改变通过励磁线圈产生的交变磁通的频率，或者，改变频率来进行直接通电加热，由此渗透深度δ变化，可改变在被加热材料的厚度方向产生的热量。对于所希望的发热量，设定通电功率和渗透深度δ，使由<1>式决定的频率的励磁电流通电于电磁线圈或触头即可。本发明是着眼于此点，高精度地控制钢管材的焊接区的发热量及其分布的技术。

采用图，以作为在钢管的制造线中移动的钢管材的被加热材料的加热方法和装置为例来详细说明本发明的实施方式。另外，在各图中指示相同要素的标号，由于容易理解而使其相同。

图1表示在钢铁制造工艺中以钢管材为被加热材料的焊接钢管的电磁焊接的一例的概要。在此，图1(a)为通过感应加热方式加热被加热材料时的构成的概略图，图1(b)为通过直接通电加热方式加热被加热材料时的构成的概略图。

(第1实施方式)

以下，首先，作为第1实施方式，对于图1(a)的感应加热方式时的焊接区加热装置进行说明。在本实施方式中，作为在制造线上沿其纵向移动的钢管材料的厚度t的钢板，在其横向使用辊顺次弯曲变形为管状，加热已弯曲的两侧的端面部12，从端部开始顺序连续地进行焊接。沿钢管10的外侧圆周方向配置加热用电磁线圈2使得线圈大致平行，即与钢管10大致同轴，在钢管10的内部沿该钢管的纵向配置作为强磁性体的比导磁率大的阻抗器磁心11，由此降低由在加热用电磁线圈2中流通的交流电流产生的交变磁通向外部的泄漏，提高加热效率。通过采用励磁用的电源装置对加热用电磁线圈2通规定的频率的交流电流来产生交变磁通，利用该交变磁通使钢管10产生感应电流。将钢管10的焊接区20加热至规定的温度以上使其熔融，利用在焊接区加热装置的下游侧设置的压接机(未图示)将端面彼此压接从而进行焊接。图6是与钢管的行进方向倾斜地观察焊接区及其附近时的概略的立体图。在接合线21处左右的钢板端面被压接。即，在钢管的表面观察时，夹着焊接区从左右压接被加热材料(钢板)10从而制成钢管。所谓焊接区20，是夹着接合线的端面部的区域，其单侧的长度为M。

钢管10的焊接区板厚方向的温度分布，在由交流电流的集肤效应所引起的感应电流的渗透深度浅时，为与钢板的板厚表背面的温度相比板厚中央部的温度低的温度分布。另外在钢管10中流通的感应电流的渗透深度根据钢管10的直径、板厚、和钢管的材质而不同，因此该温度分布根据进行感应加热的钢材而不同，焊接区的钢材熔融了的部分的形状即熔融形状不同。用配置于焊接区后方的压接机(未图示)来压接具有这样的板厚方向温度分布和熔融形状的钢管材时，有时发生起因于钢管材的板厚方向的温度分布、熔融形状的差异和熔融形状的变动而产生的如下的焊接不良。即，由于在加热用电磁线圈2中流通的交流电流的频率的不同，焊接区中的钢材熔融状态在板厚方向进行变动，因此，例如，当在用于适当地确保钢管10的板厚中央部的温度和熔融形状的加热条件下进行加热时，在板厚表背面部的温度达到规定值以上而成为过熔融，或者相反地当在用于适当地确保板厚表背面部的温度和熔融形状的加热条件下进行加热时，发生板厚中央部的温度不足和未熔融，成为妨碍焊接区品质的主要因素，产生钢管制造故障的原因和品质不良材料。

图2(a)表示作为本实施方式的感应加热方式的钢管材的焊接区加热装置的概略图。如图2(a)所示，本加热装置采用：以沿钢管10的纵向包围的方式配置于该钢管10的外部的加热用电磁线圈2；用于将该加热用电磁线圈2励磁的、在预先设定的频率区域频率可连续地变化的变频电源装置1；在加热用电磁线圈2的工序下游侧且钢管10的焊接区的斜上方设置，用于将由钢管10的焊接区中的板厚方向的自发光产生的辉度分布进行摄像的、采集如图6所示的框构成的图像的第1焊接区摄像装置3；将由该第1焊接区摄像装置3输出的焊接区板厚方向的辉度分布图像进行图像处理，使用辐射测温的技术输出以焊接区的焊接区板厚方向和钢板纵向为轴的焊接区二维温度分布的焊接区温度分布运算装置4；为采集从焊接区的上方(钢板表面上侧)看到的图像(平面图像)而在焊接区的上方配置的第2焊接区摄像装置17；以由第2焊接区摄像装置17输出的平面图像为基础，导出从上侧看到的焊接区的熔融形状，作为熔融形状测量值而输出的熔融形状测量装置14；将由焊接电流波形测定装置16输出的加热用电磁线圈2的励磁电流的焊接电流波形进行信号处理，输出该励磁电流的频率(焊接频率值：Fo)及其时间变动宽度(：ΔFo)的焊接频率变动测量装置15；以及，用于控制变频电源装置1来调节励磁电流使得钢管10的焊接区的板厚方向的温度分布、熔融形状或焊接频率达到预先设定的条件的值的加热控制装置9构成。

另外，焊接区温度分布运算装置4和焊接频率变动测量装置15以及熔融形状测量装置14，统称为焊接状况测量装置5。另外，焊接电流波形测定装置16，可使用与连接变频电源装置1和加热用电磁线圈2的配线串联地设置的阻抗器或电流探针等的电流检测传感器构成。

<1.基于焊接区板厚方向的温度分布的励磁电流控制>

第1焊接区摄像装置3，是第1摄像单元的一例，作为该第1焊接区摄像装置3，例如可使用市售的CCD摄像机等高精细摄像机，其采用收纳于磁屏蔽用壳体的高精细摄像机采集焊接区板厚方向和钢板端面的纵向的二维辉度分布来作为如图6所示的框构成的图像采取(第1摄像工序)。将相对于一维(焊接区板厚方向)的辉度分布和温度分布例示于图3。将由第1焊接区摄像装置3输出的辉度分布图像，采用作为焊接区温度分布运算单元的一例的焊接区温度分布运算装置4进行图像处理并提取焊接区，利用作为公知技术的辐射测温技术，例如对每一像素进行从辉度值向温度的转换，由此可得到焊接区的板厚方向和钢板纵向的温度分布的焊接区二维温度分布(温度分布测定工序、焊接区温度分布运算工序)。

另外，作为焊接区的温度分布，也可以使用上述的焊接区二维温度分布评价其良否，但也可以将图6所示的焊接区20的长度M设为例如10mm，在该部分在钢板的纵向进行平均化，计算如图3所示的一维的板厚方向的温度分布，来评价其良否。以下以一维的板厚方向的温度分布为例进行说明，但显然二维时也可同样地实行良否的评价。

在钢管10的焊接区，通过采用在加热用电磁线圈2中流通的励磁电流产生的交变磁通，在钢管的表背面流通如图2(a)中以虚线表示概略的感应电流。利用通过该感应电流和钢管10的电阻值产生的焦耳热，加热钢管10的焊接区。在此，感应电流的钢管板厚方向的渗透深度，如<1>式所示，根据由流通于加热用电磁线圈2的电流产生的交变磁通的频率和钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种(组成、组织)的电磁特性而变化。在本实施方式中，根据钢管的大小、尺寸(直径、厚度)、材质(组成、组织)、电磁特性动态地控制流通于加热用电磁线圈2的电流的频率，由此控制流通于钢管10的感应电流的渗透深度。

图2(a)表示的加热控制装置9，是加热控制单元的一例，采用：基于预先存储于加热数据库6的钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种和钢管的移动速度的制造数据(包含作为各制造批次的顺序的制造计划和各制造批次的制造条件)，将励磁电流的频率f作为变量导出焊接区的板厚方向的升温量的焊接区升温量运算单元7；和使用由焊接频率变动测量装置15输入的励磁电流的频率(焊接频率值：Fo)、由焊接区温度分布运算装置4输出的焊接区一维温度分布和该焊接区升温量运算单元7的导出结果计算励磁电流的频率决定单元8构成(加热控制工序)。

利用频率决定单元8，不仅频率，还可以将施加于加热用电磁线圈2的电流值或电压值一并进行设定。在本实施方式中，对于将电流值(振幅)实验性地预先设定为能够将焊接区加热至规定的温度区域的适当的一定值的情况进行说明。

接着对于加热控制装置9的内部的构成进行说明。

对于在制造工艺中实际变动的包含钢管尺寸(直径、厚度)、钢种(电阻等)的制造条件，预先实验性地求出交流的励磁电流(交流电流)的频率和升温量模式的关系，或者，通过电磁场计算(通过FEM等进行的计算)和采用传热模型计算的焊接区加热模拟来求出对于交流的励磁电流的电磁感应现象，作为评价基准的一例以表的形式存储于焊接区升温量计算单元7。例如，钢材的电阻通常随温度变化，但假设电阻视为一定，仅注目于钢管的尺寸(直径、厚度)进行焊接区加热模拟时，将钢管的直径和厚度的组合(直径、厚度)作为参数，可得到如图4(a)和图4(b)所示的表示励磁频率和升温量的关系的曲线。图4(a)和图4(b)中例示的钢种A和钢种B的情况下的升温量(假设以常温作为基准温度)，为焊接区表面(钢板表面)的模拟结果，但在板厚方向例如采取N个点从表面开始顺序地设为P0、P1、...、Pn，对于正在制造的钢种A或钢种B分别通过焊接区加热模拟求出该地点的升温量T(Pn，f)(在此f为励磁频率)并存储于焊接区升温量计算单元7。

在实际决定励磁电流的频率f的频率决定单元8，由采用焊接区温度分布运算装置4输出的焊接区一维温度分布(板厚方向温度分布的一例)，基于板厚方向的点P0、P1、...各点Pn的温度的测定值DT(Pn，f)和存储于上述的焊接区升温量计算单元7的升温量T(Pn，f)的曲线，通过回归计算等的最优化运算来决定频率f使得由式<3>表示的评价函数J为最小。

$J=\frac{1}{n}\&times;\underset{n=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[\mathrm{DT}(\mathrm{Pm},f)-T(\mathrm{Pm},f)]}^2---<3>$

除了如以上说明的预先设定交流的励磁电流的频率和升温量模式的关系并通过最优化计算决定励磁电流的频率的方法以外，也可以采用以下表示的方法。即，虽然在制造工艺中有时将相同规格的多个钢管进行感应加热焊接处理，但可以使频率决定单元8具有下述的学习功能：对于在最初的制造中进行焊接的钢管暂先设定升温量和与其对应的频率的关系式，一边另行监控钢管的感应加热焊接后的结果的温度分布和熔融形状来判定良否进行学习，一边修正该关系式使得变为所希望的温度和熔融形状。

<2.基于熔融形状的励磁电流的控制>

焊接区熔融形状测量装置14，是焊接区熔融形状测量单元的一例，以由作为第2摄像单元的一例的第2焊接区摄像装置17输出的刚压接后的熔融了的钢材的平面图像(第2摄像工序)为基础，进行图像处理，并利用辉度值来识别和检测平面图像中的熔融部23。另外，也可以以辉度值为基础求出温度分布后识别和检测熔融部23(焊接区熔融形状测量工序)。另外，该熔融部23冷却而凝固了的部位成为图6所示的焊缝24。因此，熔融部23的宽度与焊缝23的宽度大致相同。

图7表示用焊接区熔融形状测量装置14测量的熔融形状的具体形状。在图7(a)中，刚压接后的熔融部23的宽度(Z)，比作为预先设定的焊接区宽度的评价基准的一例的目标值(Zo±ΔZ)小，且为未熔融的状态，通过增加焊接频率来增加在钢管10的焊接区20的板厚方向表背面的感应电流，或者通过增加投入电流来增加线能量。另一方面，在图7(c)中，刚压接后的熔融部23的宽度(Z)比目标值(Zo±ΔZ)大且为过熔融的状态，通过减少焊接频率来增加在钢管10的焊接区20的板厚方向中央部的感应电流，或者通过减少投入电流来降低线能量。即，用频率决定单元8修正、控制由焊接频率变动测量装置15输入的励磁电流的频率(焊接频率值：Fo)以使得成为图7(b)所示的良好的熔融形状。在此，满足刚压接后的熔融部宽度的目标值(Zo±ΔZ)的焊接频率的操作量或者投入电流的操作量，为根据钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种(组成、组织)而不同的值，预先实验性地求出或者通过上述的焊接区加热模拟来求出，并存储于加热数据库6。另外，在加热数据库6中也记录有包含在制造工艺中进行焊接的钢管和钢材的种类的信息(包含尺寸(直径、厚度)、钢种(组成、组织))的制造计划(加热控制工序的接续)。

另外，基于采用焊接区熔融形状测量装置14测量的熔融形状，在该熔融形状显著大或显著小时，作为发生焊接异常而发出警告，可以输出警报音或在显示画面显示警报。

<3.基于焊接频率变动的励磁电流的控制>

以往方式之一，固定励磁电流的频率，借助于阻抗匹配电路而构成励磁用电源和励磁线圈，但此时已知伴随焊接区的熔融形状的变化，焊接频率变动。利用该情况，在本实施方式中，通过采用作为焊接电流波形测定单元的一例的焊接电流波形测定装置16和作为焊接频率变动测量单元的一例的焊接频率变动测量装置15观测焊接频率的变动(焊接电流波形测定工序)，可更明确地把握形状的变化，能够作为用于进行用于得到良好的焊接品质的加热控制的有效指标。

通过将上述的熔融形状控制为作为目标的形状，可抑制该焊接频率变动，但焊接频率变动量也相应于钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种(组成、组织)而具有不同的值，因此对于采用焊接频率变动测量装置15测量的焊接频率变动测量值(ΔFo)，将相应于钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种(组成、组织)预先设定的阈值D(容许值的一例)存储于加热数据库6，采用频率决定单元8比较该阈值D和焊接频率变动测量值(ΔFo)，并作为实施上述焊接区的熔融形状控制时的判定指标，由此可进行精度更高的焊接品质控制。例如，在焊接频率变动测量值(ΔFo)大于阈值D时，熔融部23的宽度变得过大，仅合预先设定了频率的比率(例如30％)较小。

以上说明了采用频率决定单元8进行的、1.基于焊接区板厚方向的温度分布的励磁电流的控制、2.基于熔融形状的励磁电流的控制、和3.基于焊接频率变动的励磁电流的控制。这些控制可分别单独使用来决定励磁电流的频率，也可以各种各样地组合使用来决定励磁电流的频率。另外，优选：例如，主要使用基于焊接区板厚方向的温度分布的励磁电流的控制，将基于熔融形状的励磁电流的控制或基于焊接频率变动的励磁电流的控制作为辅助来修正基于温度分布的频率的值。另外，该频率在预先设定的频率区域中连续地可变或者近似地看作连续的程度的离散地柔和可变(加热控制工序的接续)。

在上述的说明中，对于由加热数据库6、焊接区升温量计算单元7和频率决定单元8构成的加热控制装置9，记载了控制励磁电流的频率的情况下的构成。作为其他的构成，也能够作为除了频率以外还应该控制励磁电流或电压的值的参数而构成加热控制装置9。此时，加热控制装置9处理的数据的容量增大，可更加动态地调节焊接品质。

接着对于变频电源装置1进行说明。变频电源装置1，通过采用上述的频率决定单元8决定了的频率来控制，向加热用电磁线圈2供给励磁电流。

图5是本实施方式中的频率在规定的频率区域(例如1kHz～500kHz)中连续地可变的变频电源装置的一例，可使用如日本特开2004-260991号公报中公开的“再生磁能量的交流电源装置”。即，将来自线路的交流电源(焊接区一次电源)100的交流电压通过交流电抗器101利用二极管整流装置102进行整流，对作为变频电源装置的再生磁能量的变频电源装置1施加直流电压。

构成变频电源装置1的开关元件S2、S4断开(OFF)时，电流在加热用电磁线圈2中从纸面下向上流通，通过S1和S3的二极管来对电容器C进行充电。电容器C一完成充电，电流就变为0。

其次，若接通(ON)开关元件S1、S3(S2、S4断开)直到电容器C完成充电，则充电到电容器C中的能量通过S1、S3进行放电，电流在加热用电磁线圈2中从纸面上向下流通。

电容器C一完成放电，电容器电压就变为0，由于S2、S4的二极管变得不是逆电压，因此导通，通过从S4到S1和从S3到S2这二个通路，电流在加热用电磁线圈2中从纸面上向下增加而流通。该期间，电流在加热用电磁线圈2和变频电源装置1之间回流，因此电流根据由加热用电磁线圈2和钢管的阻抗决定的时间常数而衰减。其后同样地，断开S1和S3并接通S2和S4，通过S2、S4来将电容器C充放电，电流在加热线圈2中从纸面下向上流通。

这样，通过调整开关元件S1和S3以及S2和S4的各个闸门的接通和断开定时，可在加热用电磁线圈2中流通频率不同的电流，可实现频率可变型的感应加热。即，以焊接状况测量装置5的信号为基础，利用调整开关元件的导通定时的加热控制装置9，可改变流通于加热用电磁线圈2的电流的频率。

另一方面，加热用电磁线圈2的电流，根据钢管的尺寸(直径、厚度)、钢种预先采用输出电流设定装置103进行设定，将流通于加热用电磁线圈2的电流值进行反馈，控制晶闸管功率调整装置104的电压以使得流通于加热用电磁线圈2的电流变为一定。

此时，在变频电源装置1和加热用电磁线圈2之间不需要匹配被加热材料和加热用电磁线圈的阻抗的匹配变压器，被加热材料的加热效率提高，因此从高效率且能量节约的观点出发是优选的。另外，钢管材的焊接区感应加热时，有时频率变为400kHz左右的高频，因此对于开关元件S1～S4可采用功率MOSFET(加热工序)。

(第2实施方式)

在第1实施方式中对于使用了图2(a)所示的焊接区感应加热用电磁线圈时的构成进行了记载，但作为本发明的第2实施方式，如图2(b)所示，也可以是采用隔着焊接区而配置于钢板的两侧端部的每一端部的作为电极的一对焊接区直接通电用触头2’直接通交流电流，来加热焊接钢管的构成。该情况下，采用频率决定单元8控制直接通电于焊接钢管的电流的频率。该情况下，不仅控制频率还可以控制施加于触头的电压。

(其他实施方式)

以上说明的包括焊接区温度分布运算装置4、焊接区熔融形状测量装置14和焊接频率变动测量装置15的焊接状况测量装置5以及包括加热数据库6、焊接区升温量计算单元7和频率决定单元8的加热控制装置9，可分别各别地或一起地使用具有例如A/D转换板、HDD等的存储装置、键盘·鼠标等输入装置和用于输出操作或处理结果并进行显示的显示器的通用微机、和使其工作并执行上述处理的计算机程序来构成。另外，也可以具备连接于制造设备内的LAN的用于输入制造计划等的操作数据或在检测到焊接异常时通知操作者的网络连接单元。

以上一边参照附图一边对于本发明的优选实施方式进行了详细说明，但不用说本发明并不限定于这些例子。只要是具有本发明所属技术领域中的通常知识的人，在记载于权利要求书的技术思想的范畴内，显然可想到各种变更例或修正例，对于这些例子当然可理解为属于本发明的技术范围。

产业上的可利用性

根据本发明的钢管材的焊接区加热方法和装置，考虑被加热材料的直径和厚度等的形状和物性值，测定被加热材料的焊接区板厚方向的温度分布、焊接区的熔融形状和焊接时的焊接频率变动，基于此连续地或离散地改变和控制频率，从而加热被加热材料，因此可将被加热材料控制为所希望的温度分布、熔融形状和焊接频率变动。

另外，可提供能够进行遍及钢管材的焊接区全长的均匀的温度分布、熔融形状和焊接频率变动控制的加热方法，因此可作为提高制品成品率、提高制造钢管时的生产率的措施来应用。进而，能够提供不依赖于被加热材料的直径、厚度、钢种的加热方法，因此可通过钢管焊接区的板厚方向温度分布、焊接区的熔融形状和焊接时的焊接频率变动的最优化来进行品质制造，对于钢铁制品等的高功能化有很大贡献。

Claims (16)

1.一种钢管材的焊接区加热装置，是用于一边将移动的钢板弯曲成圆筒状一边制成管状的钢管材，并利用在规定的频率区域频率可变的交流电源在该钢管材的端面附近流通交流电流从而产生焦耳热，连续地使该钢管材的焊接区熔融并进行压接的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，具有：与所述钢管材的端面的焊接区对向地配置，检测该焊接区的自发光并输出辉度图像的第1摄像单元；基于该辉度图像进行图像处理，通过辐射光测温来运算所述焊接区的板厚方向温度分布的焊接区温度分布运算单元；使用预先根据钢管材的尺寸和电磁特性设定的交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该板厚方向温度分布决定所述交流电流的频率的加热控制单元；和用于使采用该加热控制单元决定的频率的交流电流在所述钢管材中流通的频率可变的交流电源。

2.根据权利要求1所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，还具有：将所述钢管材的焊接区从其上侧进行摄像，输出刚压接钢管材后的熔融了的钢材的平面图像的第2摄像单元；和基于该平面图像求出熔融形状并输出熔融部的宽度值的焊接区熔融形状测量单元，

所述加热控制单元使用预先设定的该熔融部的宽度的评价基准以及所述交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该熔融部的宽度值和所述板厚方向温度分布决定所述交流电流的频率。

3.根据权利要求1或2所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，还具有：测定所述交流电源的电流波形的焊接电流波形测定单元；和以由该焊接电流波形测定单元输出的电流波形为基础，求出作为该电流波形的频率的时间变动宽度的焊接频率时间变动值并进行输出的焊接频率变动测量单元，

所述加热控制单元进一步将所述焊接频率时间变动值与预先设定的容许值比较从而决定所述交流电流的频率。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，具有加热用电磁线圈，该加热用电磁线圈沿所述钢管材的外侧圆周方向与该钢管材大致同轴地配置，并由所述频率可变的交流电源供给励磁电流，使所述交流电流对该钢管材进行感应从而进行加热。

5.根据权利要求4所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，所述加热控制单元决定所述加热用电磁线圈的励磁电流的频率和电流值，从而控制所述频率可变的交流电源。

6.根据权利要求1～3中的任一项所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，具有隔着所述焊接区配置于钢板的两侧端部的每一端部的一对直接通电用触头来作为用于流通来自所述交流电源的交流电流的电极。

7.根据权利要求6所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，所述加热控制单元决定向所述直接通电用触头供给的交流电流的频率和电流值，从而控制所述频率可变的交流电源。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的钢管材的焊接区加热装置，其特征在于，所述频率可变的交流电源是磁能量再生型的交流电源装置。

9.一种钢管材的焊接区加热方法，是用于一边将移动的钢板弯曲成圆筒状一边制成管状的钢管材，并利用在规定的频率区域频率可变的交流电源在该钢管材的端面附近流通交流电流从而产生焦耳热，连续地使该钢管材的焊接区熔融并进行压接的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，包括：采用与所述钢管材的端面的焊接区对向地配置的第1摄像单元检测该焊接区的自发光并输出辉度图像的第1摄像工序；基于该辉度图像进行图像处理，通过辐射光测温来运算所述焊接区的板厚方向温度分布的焊接区温度分布运算工序；使用预先根据钢管材的尺寸和电磁特性设定的交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该板厚方向温度分布决定所述交流电流的频率的加热控制工序；和采用所述频率可变的交流电源使所述钢管材中流通在该加热控制工序中决定的频率的交流电流的工序。

10.根据权利要求9所述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，还具有：采用第2摄像单元将所述钢管材的焊接区从其上侧进行摄像，输出刚压接钢管材后的熔融了的钢材的平面图像的第2摄像工序；和基于该平面图像求出熔融形状并输出熔融部的宽度值的焊接区熔融形状测量工序，

在所述加热控制工序中，使用预先设定的该熔融部的宽度的评价基准以及所述交流电流的频率与板厚方向温度分布的关系的评价基准，基于该熔融部的宽度值和所述板厚方向温度分布决定所述交流电流的频率。

11.根据权利要求9或10所述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，还具有：测定所述交流电流的电流波形的焊接电流波形测定工序；和以在该焊接电流波形测定工序中输出的电流波形为基础，求出作为该电流波形的频率的时间变动宽度的焊接频率时间变动值并进行输出的焊接频率变动测量工序，

在所述加热控制工序中，进一步将所述焊接频率时间变动值与预先设定的容许值比较从而决定所述交流电流的频率。

12.根据权利要求9～11中的任一项所述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，由所述频率可变的交流电源向沿所述钢管材的外侧圆周方向与该钢管材大致同轴地配置的加热用电磁线圈供给励磁电流，使所述交流电流对该钢管材进行感应从而进行加热，或者，利用隔着所述焊接区而配置于钢板的两侧端部的每一端部的用于流通来自所述交流电源的交流电流的一对直接通电用触头，对该钢管材流通所述交流电流从而进行加热。

13.根据权利要求12所述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，在所述加热控制工序中，决定所述加热用电磁线圈的励磁电流的频率和电流值从而控制所述频率可变的交流电源，或者，决定向所述直接通电用触头供给的交流电流的频率和电流值从而控制所述频率可变的交流电源。

14.根据权利要求9～13中的任一项所述的钢管材的焊接区加热方法，其特征在于，所述频率可变的交流电源是磁能量再生型的交流电源装置。

15.一种钢管，是采用权利要求1～8的任一项所述的钢管材的焊接区加热装置制造的。

16.一种钢管，是采用权利要求9～14的任一项所述的钢管材的焊接区加热方法制造的。

Images