JP2001321974A - 溶接管のエネルギービーム照射位置のずれ量監視・制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 溶接管の製造中にエネルギービームの照射位
置のずれ量をオンラインで計測できる経済性に優れた方
法を提供する。 【解決手段】 溶接中にエネルギービームの照射を一時
的に中断して未溶接部２６を形成し、エネルギービーム
の照射瘢痕部２４と、未溶接部２６を撮像し、該撮像デ
ータの観察により未溶接部２６と照射瘢痕部２４とのず
れ量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接管のエネルギ
ービーム照射位置のずれ量の監視・制御方法、より特定
的には、例えばレーザ光を用いて溶接管を製造する場合
の溶接管のレーザ照射位置の監視方法および制御方法に
関するものである。なお、以下においてエネルギービー
ムとしてレーザ光を例にとって本発明を説明する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ発振器が出射したレーザ光
を用いて帯状金属板を連続的に溶接して鋼管を製造する
ことが行われている。このような溶接管の製造法におい
ては、レーザ光を衝合部に極めて正確に照射するように
レーザ照射位置を制御する必要がある。通常の操作にお
けるレーザ照射位置の具体的要求精度は、±0.3 mm以下
である。

【０００３】従来にあってもそのような高精度のレーザ
照射位置制御方法は、(1) 特公平４−31799 号公報、
(2) 特開平11−226766号公報などに提案されている。前
者の提案する方法は、溶接前のオープンパイプ状部位の
二箇所において鋼板端面間のギャップをそれぞれ測定
し, 各ギャップの中間点を結ぶベクトルの溶接基準線か
らのずれ量からレーザ照射位置を求める方法である。

【０００４】後者の提案する方法は、溶接部付近に紫外
線レーザを照射し、また紫外線領域の波長成分からなる
画像を作業者が撮影することにより、溶接部近傍の画像
を直接監視し、溶接位置を求める方法である。

【０００５】これらの方法は理想条件下においては高精
度なレーザ照射位置制御を実現できるものであるが、長
時間にわたり連続的にわたって溶接管を製造する実際の
製造現場においては、諸々の要因により経時的にその制
御精度が変化してくる可能性を持っている。

【０００６】例えば、前者の提案する方法では、時間経
過に伴って、２個のギャップ測定センサの器差変動や測
定架台の変形等が生じ、一方 後者の提案する方法で
は、紫外線レーザの光量変動や溶融プラズマ光量 (外
乱) の変動等が複合的に制御精度に影響を与えることが
考えられる。

【０００７】このようなことから、定期的にレーザ照射
位置の制御状態をチェックする必要が、品質管理上の観
点からも強く望まれていた。それらを実現する従来技術
としては、例えば特開平10−193155号公報に提示されて
いるものがある。

【０００８】これは、オンラインで照射・溶接中にレー
ザヘッドを現在照射点位置より強制的に所定の同じ距離
だけ左右に移動させ、鋼管母材部にレーザ照射瘢痕部を
形成させ、そのレーザ照射瘢痕部と端面衝合部の画像デ
ータを解析し、レーザ光のスポット中心と端面衝合部と
のずれ量を測定するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
10−193155号公報に提示した方法では、溶接管の製造中
にレーザビーム照射位置を左右に同じだけ移動させそれ
ぞれ第１瘢痕・第２瘢痕を作成するには下記のような問
題が発生する。 (1) 光路管の移動スペースを確保する必要がある。

【００１０】つまり、光路管の移動範囲、すなわちレー
ザビーム照射位置の移動可能範囲は成形ロールと光路管
との隙間に物理的に制約される。したがって、上記提案
を実現するには余裕をもったスペースの確保が必要にな
る。しかしながら、このことは成形ロールの設置位置を
制約することになり、鋼管の成形安定性に悪影響を与え
る。 (2) 未溶接鋼管部を長く作らなければならない。

【００１１】つまり、製管中に左右に第１瘢痕と第２瘢
痕部を連続に作りCCD カメラで撮影し画像処理装置に画
像データを取り込むには、ある程度の長さ (約２〜３ｍ
の長さの不良部発生) の瘢痕と未溶接部が発生する。そ
れらの部分は切り落としスクラップにしなければいけな
いので経済性が悪い。 (3) 鋼管母材部にレーザビームを照射して瘢痕部を作成
したときの瘢痕は溶け込みが不安定なためレーザビーム
照射センタを見分けるのが難しい。

【００１２】かくして、本発明の課題は、これら従来技
術の問題点に鑑み、溶接管の製造中にエネルギービーム
の照射位置のずれ量をオンラインで計測することができ
る、経済性にすぐれたずれ量監視方法およびそのように
して得たずれ量の制御方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題をつ
ぎのような構成でもって解決するものである。 (1) 帯状金属板を幅方向の両側端縁が相対向するように
湾曲させてオープンパイプ状に形成し、両側端縁の端面
衝合部にスポット状のエネルギービームを照射して端面
衝合部を溶接する溶接管の製造方法において、前記エネ
ルギービームのスポットと前記端面衝合部とのずれ量を
監視する方法であって、溶接管の製造中に前記エネルギ
ービームの照射を止めて未溶接部を形成させる過程と,
前記エネルギービームの照射瘢痕部と未溶接部を撮像す
る過程と、その撮像画像データの観察により前記エネル
ギービーム照射瘢痕と前記未溶接部とのずれ量を監視す
る過程を有することを特徴とする、溶接におけるずれ量
監視方法。 (2) 上記(1) 記載のエネルギービーム照射瘢痕部と未溶
接部とのずれ量を監視する過程において、エネルギービ
ーム照射瘢痕部と未溶接部の撮像加増データを画像処理
し、エネルギービーム照射瘢痕部と未溶接部の各々の巾
の中心線を求め両中心線のずれ量から, エネルギービー
ム照射瘢痕部と未溶接部とのずれ量を計測することを特
徴とする溶接におけるずれ量監視方法。 (3) 帯状金属板を幅方向の両側端縁が相対向するように
湾曲させてオープンパイプ状に形成し、両側端縁の端面
衝合部にスポット状のエネルギービームを照射して端面
衝合部を溶接する際に、端面衝合部の位置を算出し、算
出した位置にエネルギービームを追従させるシーム倣い
制御方法において、上記(2) 記載の方法で算出したずれ
量を、エネルギービームを追従させるシーム倣い制御装
置に補正値として出力し, エネルギービームの照射位置
を補正することを特徴とする、溶接におけるずれ量制御
方法。

【００１４】これにより、エネルギービームの照射位置
を端面衝合部に正確に追従させることができ、溶接部の
欠陥発生を防止できる。これらの操作はいずれもオンラ
インで可能であって、また未溶接部の形成も単に一時的
に溶接を中断するだけで良く、そのため未溶接部は短
く、本発明の解決手段は経済性にも優れている。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1 に示すように、本発明が適用される溶
接管の製造方法にあっては、帯状金属板10をその長さ方
向に移動させながら、帯状金属板10を幅方向の両側端縁
12が相対向するように湾曲させてオープンパイプ状に形
成し、両側端縁の端面衝合部14にスポット状のエネルギ
ービームであるレーザ光16を照射して端面衝合部14を溶
接し溶接管20を製造する。その際に、レーザ光16の操作
位置が正確に端面衝合部14に一致する必要がある。

【００１６】ここに、本発明の第１の態様によれば、レ
ーザ光16の照射位置、つまりスポットと端面衝合部14と
が一致するようにそれらのずれ量を監視するために、溶
接管20の製造中にレーザ光16の照射を止めて未溶接部を
形成させるとともに、その際にレーザ光の照射瘢痕部と
未溶接部を撮像し、得られたその撮像画像データの観察
あるいは解析により前記レーザ光照射瘢痕と前記未溶接
部とのずれ量を監視するのである。

【００１７】ここに、未溶接部を形成させる過程とは、
レーザ光による連続溶接状態において、局所的に溶接を
行っていない部位を作ることである。これを実現するに
は、例えば製造中にレーザ光の光路管22に取り付けてあ
る適宜シャッター等 (図示せず) を閉／開してレーザ光
の照射を一時中断させる方法がある。これにより未溶接
部すなわちレーザ光照射瘢痕部が途切れる部位が生じ
る。

【００１８】図２はレーザ光照射瘢痕部24が途切れる部
分の模式図である。上述のような未溶接部26は図２に示
すが、通常、長さ：約10cmである。なお、この部位のこ
とを以降「溶接境界部」30と呼ぶ。

【００１９】また、レーザ光の照射瘢痕部と未溶接部を
撮像する過程とは、図１に示すように、レーザ光照射の
位置から被溶接鋼管の移動方向の下流で極力近傍が好ま
しい位置 (１ｍ以下) に二次元CCD カメラ32を設置し、
照射瘢痕部24を含む領域を撮影することである。撮影し
た画像はVTR や画像処理装置等に取り込み記録する。後
述する解析作業を容易にするには、カメラコントローラ
36による制御の下でカメラは水平走査方向を被溶接鋼管
の移動方向と直交する方向に一致させる様に設置するの
が望ましい。

【００２０】この撮影過程においては溶接境界部を含ん
だ画像 (すなわち図 3の様な画像)を撮像することが重
要である。それを実現するには、画像を極力多く取り込
み不要な画像を捨てる方法や溶接境界部が画像視野内に
入ったタイミングで画像を取り込む方法などがある。例
えば前者においては、上述のレーザビームのシャッター
閉信号をトリガーとし、それより溶接境界部が画像視野
を通過するまでの画像を取り込む方法があり、後者にお
いては別のセンサを画像視野付近に設置し、溶接境界部
の通過を検知した上で画像を取り込む方法がある。

【００２１】これらの操作は画像処理部40を構成するプ
ロセスコンピュータ２によるそれぞれの演算処理によっ
て行われる。また、上記撮像過程は一次元CCD カメラを
使用しても同じものが得られる。１次元CCD からのデー
タを管長手方向にデータ貯蔵して処理すれば、上記と同
様となるからである。

【００２２】さらに、撮影画像データの解析により照射
瘢痕と未溶接部とのずれ量を監視する過程とは、溶接境
界部を含む画像データより、レーザ光の帯鋼板端面衝合
部における照射位置を推測し、監視するものである。

【００２３】例えば、図３に示すように、溶接境界部30
を含む画像、もしくは必要時はその前後画面をモニタに
表示させ、目視で観察する。仮に、レーザ光が帯鋼板衝
合部に正確に照射されていた場合、照射瘢痕部24の中心
軸と未溶接部26に存する隙間の中心軸とは一致するはず
である。したがって、照射瘢痕部24と未溶接部26の各々
の中心軸のずれ具合を監視することにより、レーザビー
ムの追従の良否が判断できる。

【００２４】なお、ずれ量を監視する過程は画像処理装
置による自動監視でも同じ結果が得られる。次に、本発
明の第２の態様においては、図４および図５に示すよう
に、上述のようなレーザ光の照射瘢痕部24と未溶接部26
とのずれ量を監視する際に、レーザ光の照射瘢痕部24と
未溶接部26の撮像画像データを画像処理し、レーザ光の
照射瘢痕部と未溶接部の各々の巾の中心線を求め両中心
線のずれ量から、レーザ光の照射瘢痕部と未溶接部との
ずれ量を計測するのである。

【００２５】画像処理技術を用いて、溶接境界部前後の
画像データよりレーザビーム照射位置のずれ量を計測す
るものである。画像処理技術を用いて照射瘢痕部および
未溶接部の中心軸を求める手法を示す。

【００２６】図４にて照射瘢痕部24の中心軸を求める例
を示す。手順は、下記のように(1)→ (2)→ (3)→ (4)
したがって行う。(1) 画像を前処理 (画像処理範囲の決
定、ノイズ処理、シェーディング補正等)したのち、(2)
Y 方向の輝度の平均値のX 方向プロフィールを求め、
(3) そのX 方向プロフィールの最も変化の大きい場所２
カ所 (すなわち、微分値の最大最小値) のX 座標を求
め、(4) その２カ所の座標の中間値を照射瘢痕部の中心
軸とみなす。

【００２７】また、未溶接部26の中心軸の求め方も図５
に示す通り、上記と同様に可能である。なお、上記画像
処理を実施するには画像の垂直方向と中心軸方向が一致
していなければならない。

【００２８】この様に、照射瘢痕部と未溶接部の中心軸
を求めた上、ずれ量を算出する。最後に、本発明の第３
の態様にあっては、帯状金属板を幅方向の両側端縁が相
対向するように湾曲させてオープンパイプ状に形成し、
両側端縁の端面衝合部にスポット状のエネルギービーム
を照射して端面衝合部を溶接する際に、端面衝合部の位
置を算出し、算出した位置にエネルギービームを追従さ
せるシーム倣い制御方法において、上述の第２の態様に
したがって算出したずれ量を、エネルギービームを追従
させるシーム倣い制御装置に補正値として出力し, エネ
ルギービームの照射位置を補正するのである。

【００２９】レーザビームの照射位置を制御する「シー
ム倣い装置」にはいくつかの方式が提案されている。そ
の主要なものとして、ある基準位置 (例えば製管ライン
の中心軸、初期位置合わせ位置等) と鋼板の端面衝合部
との距離を算出し、その算出値をエネルギービーム照射
位置の制御器に伝送し、その距離の変化に応じてリアル
タイムで追従させる方式がある。この方式の場合、万一
算出距離に誤差が含まれていれば、それがそのままレー
ザビームの追従誤差 (すなわち、ずれ量として表れる)
になる。

【００３０】一方、前述の第２の態様においては、現状
のずれ量を算出している。したがって、その算出したず
れ量を、シーム倣い装置において算出した基準位置と鋼
板の端面衝合部との距離から差し引くことにより、そこ
に含まれる誤差をキャンセルすることができる。

【００３１】本発明のこの第３の態様を実施する装置
は、具体的には、図１に示している様な装置構成にな
る。つまり、前述の第２の態様で示したずれ量監視装置
42にて、エネルギービームのずれ量を算出し、その値を
補正値とする。シーム倣い装置44にはその補正値をデジ
タルもしくはアナログ手段にて伝送し、シーム倣い装置
44の演算器において基準位置と鋼板の端面衝合部との距
離を算出する過程において、その補正値を差し引き、補
正後の信号を例えば移動用モータ46に送り、位置制御を
行う。なお、この補正演算は新しい補正値が入力される
まで、繰返し継続されることになる。

【００３２】このようにシーム倣い装置44から移動用モ
ータ46には補正後の値が送信され、レーザ光は端面衝合
部14の変動に対しリアルタイムでかつ正確に追従して行
くことになる。

【００３３】これにより長期にわたり、連続的にかつ正
確にレーザ光照射位置が制御された製管が可能になる。
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的
に説明する。

【００３４】

【実施例】本例においては図１に示す装置によって外径
(457.2mm) ×厚さ(9.53mm)×長さ(110ｍ) の溶接鋼管の
製造を溶接速度10m/分、予熱温度800 ℃、レーザ光出力
25kWの条件で行う。

【００３５】本件で用いた各パーツは次の通りである。 CCD カメラ 768 ×494 画素 モノクロ 照明 超高輝度メタルハライド光源 (ファ
イバー式) 画像処理装置 パソコン （Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録
商標） ＩＩ） ＋画像処理ボード また、設定状態は下記の通りである。

【００３６】 カメラ位置 エネルギービーム照射点より約1000mm下流側 画像視野 15mm×20mm 照明方向 軸方向を挟み左右２台 本発明にしたがって、製管中にレーザ光の光路管のシャ
ッタを瞬時的にストップさせ、未溶接部を約100mm 程度
作成する。それと、同時に画像処理装置にトリガー信号
を送り、画像取り込みを開始する。なお、ライン速度も
取り込んでおり、未溶接部が予め所定の場所に到達する
まで内部遅延を行うことも可能である。

【００３７】取り込んだ画像は画像処理装置のメモリに
一時記録される。画像取り込みピッチは１/30 秒である
が、ライン速度が遅い場合は視野の重なり代が大きいた
め、ライン速度に応じてメモリに記録するピッチは自動
的に変更している。

【００３８】続いて、メモリに記録した複数枚の未溶接
部周辺の画像 (例えば50画像) を画像処理する。画像処
理手法は概ね、発明の実施の形態の項で例示したものと
同様である。ただし、画像処理範囲を１画面でさらに２
分割して実施している。未溶接部への検出を極力早く行
うためである。

【００３９】このときの処理手法は図６に示すように溶
接境界部近傍の画面からレーザ光照射瘢痕部と未溶接部
の２つの範囲、の画像を取り出してそれぞれについ
て画像処理を行ってそれぞれについて幅方向中心線を求
める。図中、それぞれについて平均輝度としてレーザ光
照射瘢痕部と未溶接部との範囲を求め、Ｘ−Ｙ座標軸上
に表示する。

【００４０】このとき、溶接境界部を含む画像の前後複
数枚 (例えば３画像) の画像にて照射瘢痕部および未溶
接部の中心軸座標を求め、そのずれ量を算出してもよ
い。ずれ量の算出式は(照射瘢痕部の中心軸の平均×座
標) − (未溶接部の中心軸の平均×座標)である。

【００４１】同時に、画像処理装置のCRT 画面には、図
３のような溶接境界部を含む画像を映し、オペレータに
一見してずれ量を認識できる様にしている。算出したず
れ量をCRT 画面表示の他、シーム倣い装置へも出力す
る。レーザ照射位置を制御するレーザ倣い装置はその指
示に応じて照射位置を補正する。

【００４２】この装置の、ずれ量算出分解能は0.01mm、
溶接後の溶接部ミクロ写真判定によるずれ量との比較精
度は0.1mm 以内であり、従来の確認法と比べ、迅速かつ
高精度にずれ量を算出することが可能になった。

【００４３】本装置を実製管に適用することにより、例
えば30分に一回程度のぺースでずれ量をチェックするこ
とにより、シーム追従不良に伴う欠陥は皆無になり、品
質および生産性の向上が図れた。

【００４４】表１は本発明方法と従来法とのずれ量およ
び不良部長さを比較して示す。本発明方法によれば、ず
れ量および不良部長さのいずれにおいても従来法を大き
く上廻っているのが分かる。

【００４５】 表１ ずれ量 不良部長さ 判定 特公平４−31799 0.2 〜0.5mm ── × 特公平10−193155 0.1mm ２〜３mm × 本発明方法 0.1mm 0.1mm 〇 表２は４時間にわたりレーザ溶接製管を実施した際の、
レーザビームの照射位置のずれをトレースした結果であ
る。

【００４６】すなわち本発明にしたがって、30分毎に本
装置を適用してずれ量を算出し、必要に応じて自動的に
補正値をシーム倣い装置に伝送した。ずれ量は進行方向
に向かって右方向にずれている場合を＋とし、逆方向に
ずれている場合は−表示している。また、シーム倣い装
置への補正値の伝送は、ずれ量が±0.10mmを超えた場合
にのみ、0.1mm 単位での値で行った。

【００４７】このような操作を適用した結果、開始から
１：00時間経過した時点で0.14mmのずれが観測されたた
め、0.1mm の補正値を伝送し、その後は２：00時間経過
した時点で再度0.11mmのずれが観測されたため、さらに
0.1mm を加えた0.2mm の補正値を伝送した。その後は、
ずれ量が0.1mm を超えることなく推移したので、補正値
は前回値を保持していった。

【００４８】仮に本装置を適用していなかった場合、
１：00時間経過後は約0.1mm ２：00時間経過後は約0.2m
m の誤差を内包したまま製管することになっており、溶
接品質に悪影響を与えていたと想定されることから、本
発明の有効性が確認された。

【００４９】

【表２】

【００５０】

【発明の効果】本発明により、レーザ照射位置制御の状
況を製管中においても容易かつ経済的(スクラップ代が
少ない) にチェックすることが可能になった。これによ
り、レーザビームのシームからの「ずれ」による欠陥を
抑制し、品質の安定および向上に寄与する。また、長時
間にわたり安定して連続製管をすることができ、製造コ
スト低減の効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるレーザ照射(1)の監視装置の概
略構成図である。

【図２】エネルギービーム照射瘢痕部が途切れる部分の
模式図である。

【図３】溶接境界部を含む画像を示す略式説明図であ
る。

【図４】エネルギービーム照射瘢痕部の画像処理例の概
略説明図である。

【図５】エネルギービーム照射未照射部の画像処理例の
概略説明図である。

【図６】実施例における溶接境界部の検出操作の説明図
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】帯状金属板を幅方向の両側端縁が相対向す
   るように湾曲させてオープンパイプ状に形成し、両側端
   縁の端面衝合部にスポット状のエネルギービームを照射
   して端面衝合部を溶接する溶接管の製造方法において、 前記エネルギービームのスポットと前記端面衝合部との
   ずれ量を監視する方法であって、溶接管の製造中に前記
   エネルギービームの照射を止めて未溶接部を形成させる
   過程と, 前記エネルギービームの照射瘢痕部と未溶接部
   を撮像する過程と、その撮像画像データの観察により前
   記エネルギービーム照射瘢痕と前記未溶接部とのずれ量
   を監視する過程を有することを特徴とする、溶接におけ
   るずれ量監視方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のエネルギービーム照射瘢痕
   部と未溶接部とのずれ量を監視する過程において、エネ
   ルギービーム照射瘢痕部と未溶接部の撮像画像データを
   画像処理し、エネルギービーム照射瘢痕部と未溶接部の
   各々の巾の中心線を求め両中心線のずれ量から、エネル
   ギービーム照射瘢痕部と未溶接部とのずれ量を計測する
   ことを特徴とする溶接におけるずれ量監視方法。
3. 【請求項３】帯状金属板を幅方向の両側端縁が相対向す
   るように湾曲させてオープンパイプ状に形成し、両側端
   縁の端面衝合部にスポット状のエネルギービームを照射
   して端面衝合部を溶接する際に、端面衝合部の位置を算
   出し、算出した位置にエネルギービームを追従させるシ
   ーム倣い制御方法において、請求項２記載の方法で算出
   したずれ量を、エネルギービームを追従させるシーム倣
   い制御装置に補正値として出力し, エネルギービームの
   照射位置を補正することを特徴とする、溶接におけるず
   れ量制御方法。