JP2005249510A

JP2005249510A - 電縫管の溶接欠陥検出装置

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Publication number: JP2005249510A
Application number: JP2004058473A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Okuhara; 恒奥原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: JP4526281B2

Abstract

【課題】電縫管の造管時に発生した溶接線に存在する溶接欠陥を高精度で検出すること。
【解決手段】帯状の鋼板を丸めて筒状に成型中のＶ字形に開いた接合部の表面に沿って高周波電流を誘起せしめて、接合部の表面を加熱しながら突合わせて溶接する電縫管の造管中に、Ｖ字形に開いた接合部から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分をそれぞれ電気信号ｃに変換する光電変換素子と、変換された２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号ａ₁、ｂ₁の強度の比を色温度に対応する電気信号として出力する色温度測定手段と、２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号ａ₁、ｂ₁中の急峻なレベル低下ｄ₁、ｄ₂を検出して溶接欠陥の存在を出力する溶接欠陥検出手段とを有している。
【選択図】図３

Description

この発明は、電縫管の造管時に発生した溶接線に存在する溶接欠陥を高精度で検出する電縫管の溶接欠陥検出装置に関する。

電縫管を製造する造管装置は、図７に示すように、高周波発振器31の出力側に接続されたワークコイル32とインピーダ33とを備え、フォーミングロール（図示せず）によってワークコイル32の中でインピーダ33を包むように帯状の鋼板42を丸めて、図８に示すように、Ｖ字形に開いた接合部の表面に沿って点線で示す表皮効果に基づく高周波電流Ａを誘起させ、この誘起された高周波電流Ａによって接合部を加熱しながら鋼板42の両側部を突合わせて溶接することにより電縫管41を連続的に製造するものである。

このような電縫管41の造管時における接合部の溶接温度が高過ぎると、鋼板42が溶融して湯玉となって落下することがあり、溶接温度が低過ぎると、鋼板42の両側面が軟化しないために、突合わせても溶接できないので、溶接に適した温度を維持する必要がある。

そこで、ＰＩＤ制御回路34を設けて、接合部から放射される光線を色温度計１のような光学的温度計によって光学的に測定し、その測定温度と温度設定器35に設定された造管温度とに基づいて高周波発振器31の出力を制御している。

このように溶接温度を制御しながら造管しても、帯状の鋼板42の両側面が突合わさる位置43において、異物を挟み込んだり、鋼板42の側面のきずなどにより突合せが不完全で突合部に隙間を生じると、溶接欠陥を発生して電縫管41の品質を劣化させることになる。

そこで、このような電縫管41の溶接欠陥を探傷する装置として、下記特許文献に開示されているような渦流探傷装置が従来より広く使用されている。

渦流探傷装置は、図９に示すように、電縫管41の溶接線44上に間隔をあけて磁性コアに巻回された２つの検出コイル45、46を設けるとともに、これらの検出コイル45、46を跨るようにコ字形の磁性コア47を溶接線44上に設け、この磁性コア47に励磁コイル48を巻回したものである。

そして、励磁コイル48に交流電流を通電して、コ字形の磁性コア47を介して溶接線44に沿う交番磁束を発生させ、そのとき、２つの検出コイル45、46に誘起される誘導電流の不平衡に基づいて溶接欠陥を検出するものである。
特開平９−１０８７３１号公報特開２００２−１６２３８８号公報

渦流探傷装置によって電縫管41の溶接欠陥の検出を行うと、電縫管41の造管速度が速い場合には、大きな溶接欠陥しか検出できず、しかも、管の外面から内面まで貫通している孔または深い孔しか検出することができない。特に、電縫管41の溶接線44の中に埋没している溶接欠陥や、電縫管41の内面側に存在する溶接欠陥を検出することはできなかった。

そこで、この発明は、このような渦流探傷装置によっては検出が困難であった溶接欠陥を検出することを目的として考えられたものである。

この発明の電縫管の溶接欠陥検出装置は、帯状の鋼板を丸めて筒状に成型中のＶ字形に開いた接合部の表面に沿って高周波電流を誘起せしめて、上記接合部の表面を加熱しながら突合わせて溶接する電縫管の造管中に、上記Ｖ字形に開いた接合部から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長のエネルギー成分をそれぞれ電気信号に変換する光電変換素子と、、変換された２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号の強度の比を色温度に対応する電気信号として出力する色温度測定手段と、２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号中の急峻なレベル低下を検出して溶接欠陥の存在を出力する溶接欠陥検出手段とを具備するものである。

この発明の溶接欠陥検出装置によると、Ｖ字形に開いた接合部に誘起される高周波電流の閉回路中に、帯状の鋼板の両側面が突合わさる位置において、異物を挟み込んだり突合せが不十分で突合せ面に隙間を生じて、高周波電流が流れる閉回路のインピーダンスが高くなった際における溶接温度の瞬間的な低下に基づいて溶接欠陥を検出するので、溶接欠陥の検出精度が高く、溶接欠陥を見落とすことは殆どない。したがって、造管した電縫管の品質および信頼性を高めることができる。

電縫管の造管装置は、図７の構成図に示すように、フォーミングロール（図示せず）によってインピーダ33を包むように丸められた帯状の鋼板42に対して、高周波発振器31よりワークコイル32に高周波電流を通電して、図８に示すように、Ｖ字形に開いた接合部の表面に沿って点線で示す表皮効果に基づく高周波電流Ａを誘起させて、Ｖ字形に開いた接合部の表面を加熱しながら突合わせて溶接するものである。

図８に拡大して示すように、Ｖ字形に開いた接合部に誘起される高周波電流Ａの閉回路中に、特に、帯状の鋼板42の両側面が突合わさる位置43において、異物を挟み込んだり、突合せが不十分で突合せ面に隙間を生じると、そのとき高周波電流Ａが流れる閉回路のインピーダンスが高くなって、高周波発振器31の出力をＰＩＤ制御していても、誘起される高周波電流Ａの値が瞬間的に減少するので加熱温度が低下する。誘起される高周波電流Ａは、帯状の鋼板42の両側面が突合わさる位置43において折り返すので狭い範囲に集中する傾向があり、この高周波電流Ａが集中する位置43に異物を挟み込んだり、突合せが不十分で突合せ面に隙間を生じると、高周波電流Ａが流れる閉回路のインピーダンスが著しく高くなる。

突合せ面の異物の挟み込みや隙間の発生による加熱温度の低下範囲は、高周波電流Ａが流れる閉回路全体に及ぶので、色温度計１の視野を点線49で囲む範囲に設定しておくと、加熱温度の瞬間的な低下を検出することができる。

この加熱温度の低下範囲が色温度計１の視野49を通過する時間は、極めて短時間であって、ＰＩＤ制御によっては追従できない程度の短時間である。

この発明の溶接欠陥検出装置は、このような現象に基づいて溶接欠陥を検出するものであって色温度計を利用する。色温度計は、被測定物体から輻射されるエネルギーＥのうち、異なる２つの波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分を抽出し、両者の強度の比に基づいて被測定物体の温度を決定するものである。したがって、被測定物体の大きさや形状に関係なく温度を測定することができる。

接合部の加熱温度を測定する色温度計は、図１に示すように、異なる透過波長（λ₁、λ₂）の２種のフィルタ10ａ、10ｂを有し、モータ12によって回転させられる回転フィルタ10よりなり、この回転フィルタ10を透過した被測定輻射エネルギーＥを光電子増倍管などの光電変換素子11へ入射させる光学系を備えている。モータ12には、回転フィルタ10の他に、２相のゲート信号を発生するゲート信号発生器13が結合されている。

さらに、ゲート信号発生器13から出力される２相のゲート信号によって、増幅器14で増幅された光電変換素子11の出力を２種の波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分の強度に対応する２つの信号に分離する分離回路15と、分離された信号の波高値をそれぞれ保持する２つのサンプルホールド回路16ａ、16ｂと、２つのサンプルホールド回路16ａ、16ｂに保持された波高値をそれぞれ平滑する２つの平滑回路17ａ、17ｂと、２つの平滑回路17ａ、17ｂの出力電圧の比を得る割算回路18と、この割算回路18の出力を温度として表示する温度表示器Ｉとを備えている。この割算回路18の出力27は、図８に示すように、ＰＩＤ制御回路34を介して高周波発振器31の出力の制御に利用される。

さらに、２つの平滑回路17ａ、17ｂのうち、何れか一方の出力の波高値がほぼ一定となるように、光電変換素子11および／または増幅器14の利得を制御する自動利得制御系19を備えている。

以上で説明した色温度計として必要な回路構成の他に、Ｖ字形に開いた接合部における溶接温度の急峻な低下を検出するために、分離回路15の出力がそれぞれ印加される２つのパルス処理回路21ａ、21ｂと、平滑回路17ａ、17ｂの出力電圧をそれぞれ分圧する２つの分圧器23ａ、23ｂと、パルス処理回路21ａ、21ｂの出力と分圧器23ａ、23ｂの出力電圧とをそれぞれ比較する２つの比較回路22ａ、22ｂと、２つの比較回路22ａ、22ｂの出力の論理和を得るオア回路24と、このオア回路24から出力されるパルスのパルス幅を拡げる単安定マルチバイブレータ25とよりなる溶接欠陥検出回路を備えている。

パルス処理回路21ａ、21ｂは、図２に示すように、演算増幅器211およびエミッタ・フォロア回路212よりなる電圧フォロア回路と、順方向および逆方向に接続された２つのダイオード213、215と、これらのダイオード213、215に直列接続された抵抗214、216を介して接続されたコンデンサ217とにより構成されている。そして、逆方向ダイオード215に直列接続された抵抗216の抵抗値Ｒ₂は、順方向ダイオード213に直列接続された抵抗214の抵抗値Ｒ₁よりも大きく設定（Ｒ₂＞Ｒ₁）されている。すなわち、パルス処理回路21ａ、21ｂは、充放電の時定数が異なる積分回路で構成されている。

次に、以上ように構成されたこの発明の電縫管の溶接欠陥検出装置の動作について説明する。

Ｖ字形に開いた接合部から輻射されたエネルギーが、回転フィルタ10を経て光電変換素子11へ入射すると、図３の波形図（ｃ）に示すように、異なる波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分に対応した信号ｃを時分割的に出力する。

ゲート信号発生器13からの出力される２相のゲート信号を用いて、光電変換素子11から出力され増幅器14で増幅された信号ｃを分離回路15において２つの波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分ごとに分離（ａ₁、ｂ₁）する。そして、分離された信号ａ₁、ｂ₁の終縁において、それらの波高値をそれぞれ２つのサンプルホールド回路16ａ、16ｂで保持（ａ₂、ｂ₂）させ、平滑回路17ａ、17ｂで平滑したのち、割算回路18で２つのの出力電圧の比を得て、Ｖ字形に開いた接合部の温度として出力させて温度表示器Ｉで表示する。この割算回路18の出力27は、ＰＩＤ制御回路34を介して高周波発振器31の出力の制御に利用される。

溶接欠陥が大きくて溶接温度の低下が広範囲にまたがる場合には、光電変換素子11から出力される信号レベルの低下となって透過波長が異なる２種のフィルタ10ａ、10ｂにまたがる期間に現れる。すなわち、図３（ｃ）に示す波形のほぼ１サイクル以上にわたって現れる。このような大きい溶接欠陥は、色温度計の温度出力が変化して現れ、従来の渦流探傷装置によっても検出することが可能である。

図３の波形図（ｃ）に示すように、小さい溶接欠陥が発生したときには、光電変換素子11から出力される信号中に、溶接欠陥に基づく瞬間的な温度低下による負方向のパルスｄ₁、ｄ₂を発生する。帯状鋼板の板厚・材質、造管速度によって異なるが、例えば、６０ｍ／分の速度で造管している場合には、１ｍｍφの異物を挟み込んだ場合には、発生する負方向のパルス幅は約１ｍ秒となる。

このように、溶接欠陥が小さくて溶接温度の低下が瞬間的に現れる現象は、図３（ａ）〜（ｃ）の波形図に示すように、透過波長が異なる２種のフィルタ10ａ、10ｂのうち何れか一方のフィルタの透過期間内にしか存在しない。すなわち、図３の波形図に示すように、波形のほぼ半サイクルの期間に瞬間的に現れるので、色温度計によっては検出が困難である。

溶接欠陥に基づく負方向のパルスの波形は、図４（ａ）に示すように、溶接欠陥の状態により種々様々であり、かつ、ノイズを含んでいるが、パルス処理回路21ａ、21ｂで処理すると、コンデンサ217に接続された２つの抵抗214、216の抵抗値の相違により、図４（ｂ）に示すように、パルスの立ち下がり部において急峻に立ち下がり、パルスの立ち上がり部において緩慢に立ち上がる波形に変換することができる。

パルス処理回路21ａ、21ｂの充・放電時の時定数が異なる積分回路で処理された積分値の信号（図４のｃ）が、比較回路22ａ、22ｂにおいて、分圧器23ａ、23ｂで分圧された平滑回路17ａ、17ｂの出力電圧Ｌと比較され、分圧された電圧レベルＬを越えた範囲のパルス幅を有するパルス信号（図４のｃ）に変換される。

このパルス信号（図４のｃ）は、ノイズ成分を除去されたものであって、オア回路24を経て単安定マルチバイブレータ25に印加されてパルス幅を拡げたのち、出力端子26よりマーキング装置に印加して、造管された電縫管に溶接欠陥の存在を示すマーキングを施すために利用される。

（第２の実施形態）
以上で説明した実施形態においては、色温度計として単一の光電変換素子と、異なる透過波長（λ₁、λ₂）の２種のフィルタ10ａ、10ｂを有する回転フィルタ10とを使用して、異なる波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分に対応した信号ｃを時分割的に出力させているが、図５ブロック図に示すように、被測定物体から輻射されたエネルギーＥをハーフミラーＭで分割して、異なる透過波長（λ₁、λ₂）の２種のフィルタ10ａ、10ｂを透過したエネルギー成分を２つの光電変換素子11ａ、11ｂにそれぞれ入射させて、異なる波長（λ₁、λ₂）のエネルギー成分に対応した信号を連続的に出力させる色温度計にも適用することができる。

この色温度計は、２つの光電変換素子11ａ、11ｂから出力された信号を２つの平滑回路17ａ、17ｂでそれぞれ平滑し、割算回路18で両者の比を得て、温度信号として出力して温度表示器Ｉで表示するものである。

このような２つの光電変換素子11ａ、11ｂを使用する色温度計は、２つの光電変換素子の特性が不揃いなために、入射エネルギーの強度に対応する出力レベルが必ずしも一致しないので、測温精度が劣るという問題があってあまり使用されていない。しかし、電縫管の溶接欠陥の検出には利用することができる。

第１の実施形態と同様に、２つの光電変換素子11ａ、11ｂの出力信号をパルス処理回路21ａ、21ｂで処理したのち、比較回路22ａ、22ｂにおいて、分圧器23ａ、23ｂで分圧された平滑回路17ａ、17ｂの出力電圧Ｌと比較して、分圧された電圧レベルＬを越えた範囲のパルス幅を有するパルス信号（図４のｃ）に変換される。

このパルス信号を、オア回路24を経て単安定マルチバイブレータ25に印加してパルス幅を拡げたのち、出力端子26よりマーキング装置に印加して、造管された電縫管に溶接欠陥の存在を示すマーキングを施すために利用することができる。

（第３の実施形態）
２つの光電変換素子11ａ、11ｂを用いた色温度計によると、溶接欠陥が発生したときには、割算回路18から出力される色温度に対応する電圧が瞬間的に低下するので、図６に示すように、低下したパルス電圧をパルス処理回路21で処理したのち、比較回路22において、分圧器23で分圧された平滑回路17ｃの出力電圧Ｌと比較して、電圧レベルＬを越えた範囲のパルス幅を有するパルス信号に変換する。なお、平滑回路17ｃの時定数は、平滑回路17ａ、17ｂの時定数よりも大きく設定されている。

そして、このパルス信号を単安定マルチバイブレータ25に印加してパルス幅を拡げたのち、出力端子26よりマーキング装置に印加して、造管された電縫管に溶接欠陥の存在を示すマーキングを施すために利用してもよいのである。

この発明の溶接欠陥検出装置を適用した電縫管の造管装置の第１の実施形態を示すブロック図、図１に示す装置におけるパルス処理回路を示す回路図、この発明の溶接欠陥検出装置の動作の説明に用いる波形図、パルス処理回路の動作の説明に用いる波形図、この発明の溶接欠陥検出装置を適用した電縫管の造管装置の第２の実施形態を示すブロック図、この発明の溶接欠陥検出装置を適用した電縫管の造管装置の第３の実施形態を示すブロック図、従来の電縫管の造管装置の一例を示す構成図、造管中に表皮効果に基づいて誘起される高周波電流を示す図、従来の電縫管用渦流探傷装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１光学的温度計
10 回転フィルタ
10ａ、10ｂフィルタ
11 光電変換素子
12 モータ
13 ゲート信号発生器
14 増幅器
15 分離回路
16ａ、16ｂサンプルホールド回路
17ａ、17ｂ平滑回路
18 割算回路
19 自動利得制御系
21ａ、21ｂパルス処理回路
22ａ、22ｂ比較回路
23ａ、23ｂ分圧器
24 オア回路
25 単安定マルチバイブレータ
31 高周波発振器
32 ワークコイル
33 インピーダ
34 ＰＩＤ制御回路
35 温度設定器
41 電縫管
42 帯状の鋼板
43 突合わせ位置
44 溶接線

Claims

帯状の鋼板を丸めて筒状に成型中のＶ字形に開いた接合部の表面に沿って高周波電流を誘起せしめて、上記接合部の表面を加熱しながら突合わせて溶接する電縫管の造管中に、上記Ｖ字形に開いた接合部から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長のエネルギー成分をそれぞれ電気信号に変換する光電変換素子と、
変換された上記２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号の強度の比を色温度に対応する電気信号として出力する色温度測定手段と、
上記２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号中の急峻なレベル低下を検出して溶接欠陥の存在を出力する溶接欠陥検出手段と、
を具備することを特徴とする電縫管の溶接欠陥検出装置。
透過波長が異なる２種のフィルタを有する回転フィルタと、該回転フィルタを透過したエネルギーが入射する単一の光電変換素子とよりなる色温度測定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電縫管の溶接欠陥検出装置。
透過波長が異なる２種のフィルタと、該２種のフィルタを透過したエネルギーがそれぞれ入射するを２つの光電変換素子のとよりなる色温度測定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電縫管の溶接欠陥検出装置。
帯状の鋼板を丸めて筒状に成型中のＶ字形に開いた接合部の表面に沿って高周波電流を誘起せしめて、上記接合部の表面を加熱しながら突合わせて溶接する電縫管の造管中に、上記Ｖ字形に開いた接合部から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長のエネルギー成分をそれぞれ電気信号に変換する２つの光電変換素子と、
変換された上記２つの波長のエネルギー成分に対応する電気信号の強度の比を色温度に対応する電気信号として出力する色温度測定手段と、
上記色温度に対応する電気信号中の急峻なレベル低下を検出して溶接欠陥の存在を出力する溶接欠陥検出手段と、
を具備することを特徴とする電縫管の溶接欠陥検出装置。
充電時の時定数が放電時の時定数より小さい積分回路により電気信号中の急峻なレベル低下を処理して、積分回路から出力される積分値が設定レベルを超えたときに出力してノイズ成分を除去することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電縫管の溶接欠陥検出装置。